Требования к силовому преобразователю электродного водонагревателя

1.

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА
На тему: «Разработка и обоснование преобразователя с дозированной
передачей энергии для электродных водонагревателей.»
Магистрант
Бондаренко Иван Владимирович
Направление подготовки: 35.04.06 «Агроинженерия»
Профиль «Электрооборудование и электротехнологии»
Руководитель:
д.т.н., профессор Шичков Л.П.

2.

Цель исследования — разработать и обосновать требования к силовому
преобразователю электродного водонагревателя, реализующему дозированную
передачу энергии в параметрически изменяющуюся нагрузку и
обеспечивающему стабильную тепловую мощность при соблюдении
ограничений по току, напряжению, температуре и электромагнитной
совместимости.
Для достижения цели решаются следующие задачи:
1.
Проанализировать электродный водонагреватель как электротепловую нагрузку
и определить диапазоны изменения эквивалентного сопротивления
(электропроводности) и характерные режимы работы.
2.
Обосновать применение принципа дозированной передачи энергии и выбрать
структурную схему и топологию силовой части преобразователя.
3.
Разработать расчётную методику выбора основных элементов преобразователя
(звено постоянного тока, дозирующий накопитель, ограничительная
индуктивность, силовые ключи) с учётом заданных ограничений.
4.
Разработать алгоритм управления и защит: формирование энергии дозы и
частоты дозирования, контуры регулирования по технологическому параметру,
ограничения по току, напряжению и температуре.
5.
Выполнить моделирование работы преобразователя в диапазоне изменения
параметров нагрузки и оценить показатели качества регулирования,
устойчивости и энергетической эффективности.
6.
Провести макетирование и стендовые испытания, сопоставить результаты с
расчётами и сформулировать итоговые требования и рекомендации для
практического применения.
1

3.

Назначение и принцип работы электродных
водонагревателей и особенности нагрузки
Принцип работы электродного водонагревателя основан на законе Джоуля–Ленца:
при протекании тока через проводящую среду выделяется теплота,
пропорциональная квадрату тока и активному сопротивлению проводящего объёма.
2

4.

Проектирование преобразователя с дозированной
передачей энергии
Сравнение вариантов силовой топологии для
электродного водонагревателя
Вариант топологии
Фазоимпульсное
управление в сети
(симистор/тиристор)
Трансформатор/авто
трансформатор со
ступенями
ВЧ-инвертор
(полумост/мост,
резонансный)
Тиристорноконденсаторный
преобразователь с
дозированием
энергии
Регулирование
мощности при
изменчивой R
нагрузки
возможен широкий
диапазон, но
зависимость от R
высокая
регулирование
дискретное,
устойчивее к помехам
высокая точность и
скорость
регулирования
Ограничение
мгновенного тока
регулирование
порциями энергии,
стабильнее при
изменчивой R
ограничение тока
достигается через
контур разряда и
алгоритм
Влияние на сеть и
ЭМС
ограничение тока не
выраженные
гарантируется без доп. гармоники и
дросселя
искажения формы
тока
частично за счёт
сравнительно
внутреннего
«мягкое» влияние
сопротивления
возможно через
требуются меры по
управление и датчики фильтрации ВЧ-помех
тока
возможно снижение
негативного влияния
при корректной
коммутации
Практические
недостатки
риск токовых разгонов
при росте
электропроводности;
нагрев сети
большие масса и
габариты, низкая
гибкость управления
усложнение схемы,
требования к
изоляции и
компоновке [50; с. 2–5]
требуется расчёт
нагрузок
конденсаторов и
режимов перезаряда
[41; с. 55–57]
4

5. Разработка алгоритма дозирования энергии и системы управления режимами

Пример набора параметров алгоритма
дозирования и режимов
Параметр
Максимальный ток
(авария)
Ток в режиме пуска
(ограничение)
Максимальное
напряжение
нагрузки/звена
Максимальная
температура на выходе
Окно дозирования
Максимальная частота
доз
Коэффициент
уменьшения дозы при
превышении
Обозначение
I_max
Пример значения
200 А
Назначение
немедленное отключение
I_lim,start
0.6*I_max
U_max
задаётся по элементной
базе
мягкий старт,
предотвращение бросков
защита силовой части
T_max
90 °C (пример)
тепловая безопасность
T_w
f_d,max
0.2–1.0 с
100 1/с
k_red
0.8–0.95
сглаживание мощности
ограничение коммутаций и
потерь
предотвращение токового
разгона
5

6. Проектирование измерительных цепей и защит по току напряжению и температуре

Канал
I_L
Измеряемая
величина
ток разрядного
контура
U_Cd
напряжение
дозирующего
конденсатора
U_dc
напряжение звена
постоянного тока
T_out
температура воды
на выходе
T_hs
температура
радиатора ключей
T_C
температура
конденсаторов
Практический
датчик/метод
шунт малой
величины +
усилитель или
датчик Холла
делитель
напряжения +
фильтр + изоляция
Использование в
управлении
расчёт энергии
дозы E_d; оценка
I_peak
управление
зарядом дозы
(U_d,set); оценка
E_C
делитель + фильтр диагностика
питания; оценка
допустимости доз
NTC/PT1000 (в
внешний контур
гильзе/на
(T_set); режимы
патрубке)
разгона/поддержа
ния
NTC/цифровой
ограничение
датчик на
мощности при
радиаторе
перегреве
NTC на
коррекция
корпусе/плате
допустимой
частоты доз
Использование в
защите
аппаратное
ограничение
I_max; отключение
при КЗ
защита от
перезаряда и
перенапряжений
защита от
перенапряжения/
просадки
аварияпри