Перетворювачі електричної енергії компенсаційного типу

Наукова школа заснована Чиженком Іваном Мироновичем, академіком НАН України

1. Історія створення школи. Період діяльності

Перетворювачі електричної енергії з ємнісною комутацією струму розроблені для застосовування у різних галузях електротехніки і електроенергетики. Сюди відносяться потужні перетворювачі, які використовуються в електрохімічних та електрометалургійних виробництвах, на електрифікованому залізничному та міському транспорті, в установках вентильного електроприводу, в системах передачі електричної енергії постійним струмом, в якості статичних вентильних компенсаторів реактивної потужності і т. ін.

Вперше на можливість реалізації компенсаційних режимів у перетворювачах електричної енергії за допомогою конденсаторних батарей, які включаються у схему перетворювача, вказав Г.І.Бабат. Однак, практичне застосування цей спосіб отримав завдяки науковим дослідженням, які у 50-х роках минулого століття розпочав Іван Миронович Чиженко.

Велике значення для промислового впровадження нового наукового напряму в енергетичній електроніці, який Чиженко І.М. започаткував спільно з колегами по кафедрі Руденко В.С., Глуховим Д.Я., Немировським А.Ш. та ін., мало прийняте в 1955 році рішення Міжвідомчої експертно-технічної Ради при Державній інспекції по промисловій енергетиці та енергонагляду Міністерства енергетики СРСР та спільне з Союзголовенерго при Держплані СРСР рішення Державного Комітету Ради Міністрів СРСР по автоматизації і машинобудуванні № АТ-65/6938 від 5 жовтня 1960 року "Про впровадження пристроїв, які підвищують коефіцієнт потужності електромістких виробництв".

Виникла необхідність проведення масштабних наукових досліджень, для чого І.М.Чиженко залучив групу молодих спеціалістів, в основному випускників Київського політехнічного інституту. Їх спільними зусиллями були розроблені основні теоретичні положення і методи розрахунку перетворювачів електричної енергії з ємнісною комутацією струму вентилями. Найбільш вагомий вклад у створення наукових основ функціонування компенсаційних перетворювачів внесли співробітники кафедри Баран А.О., Борисенко В.Г., Бойко В.С., Видолоб Ю.Ф., Коломієць В.Т., Кудря Є.А., Курило І.А., Кот Л.С., Намацалюк І.Н., Рахній І.Є., Сенько В.І. Чибеліс В.І.

Перше впровадження компенсаційних перетворювачів у промисловість складалося з десяти потужних пристроїв: один на тяговій підстанції Пост-Волинський Південно-Західної залізниці потужністю 1800 кВа,: один на Дніпровському, один на Богословському, один на Уральському, один на Сумгаїтському, три на Кандалакшинському алюмінієвих заводах потужністю по 10000 кВа кожний; один на Київському і один на Кірово-Чепецькому хімічних заводах потужністю по 4200 кВа.

Промислові дослідження та результати експлуатації компенсаційних перетворювачів на зазначених підприємствах підтвердили їх надійну роботу зі значним економічним ефектом.

У 1960 році Вченими радами КПІ та електротехнічного факультету цього інституту одночасно з Радою народного господарства Запорізького економічного адміністративного району дана робота була подана на здобуття Ленінської премії у галузі науки і техніки. Однак, Комітет по Ленінським преміям при Раді Міністрів Союзу РСР відклав розгляд роботи до додаткового впровадження.

У 1961 році робота отримала подальший розвиток і була відмічена широким впровадженням на ряді великих електрометалургійних і електрохімічних підприємств держави, а також публікацією грунтовних матеріалів в науково-технічних виданнях. Колектив авторів, яких очолював Чиженко І.М., був удостоєний Ленінської премії у галузі науки і техніки за 1962 рік. А у 1963 році Чиженко І.М. захистив докторську дисертацію за темою "Розробка, дослідження та впровадження ртутно-випрямних агрегатів".

Науковий напрям по створенню та впровадженню компенсаційних перетворювачів отримав широке визнання. Роботою зацікавилися як на теренах України, так і поза її межами. До найбільш відомих і результативних відносяться дослідження: в Інституті електродинаміки НАН України під керівництвом Шидловського А.К. та Волкова І.В.; в Харківському політехнічному інституті під керівництвом Маєвського О.А.; в Челябінському політехнічному інституті під керівництвом Орловського А.В. та Хохлова Ю.І.; в Узбекському науково-дослідному інституті енергетики і автоматики під керівництвом Хамудханова М.З.; в Ташкентському політехнічному інституті під керівництвом Палванова В.Г.

2. Характеристика школи

Відмінністю компенсаційних перетворювачів, від інших перетворювачів електричної енергії, є наявність в них комутуючої ланки, яка може мати різну конструктивну реалізацію, однак обов'язково має містити батарею конденсаторів. Наявність у схемі цієї ланки дозволяє здійснити комутацію струму у вентилях в будь-який момент часу. Важливим у цьому є те, що комутація струму здійснюється не напругою мережі змінного струму, а напругою конденсаторів, яка створюється внаслідок проходження через них струму навантаження.

Компенсаційні перетворювачі набули нових позитивних якісних особливостей. Серед них найбільш вагомими є:

• При роботі спостерігається ефект множення ємності конденсаторів, через що такі перетворювачі є більш ефективними з погляду генерації реактивної енергії у мережу енергопостачання.
• У схемі такого перетворювача конденсатори відокремлені від мережі змінного струму, тому немає небезпеки виникнення резонансних явищ.
• За рахунок наявності конденсаторів у схемі перетворювача розроблено і застосовано новий ємнісний спосіб регулювання режиму його роботи. Причому, таке регулювання застосовувалось і у перетворювачах з некерованими вентилями - діодами. Це, в свою чергу, спростило конструкцію компенсаційних агрегатів, оскільки відпала необхідність у використанні регулювальних автотрансформаторів.
• За умови роботи компенсаційного перетворювача з коефіцієнтом потужності близьким до одиниці, компенсація реактивної енергії забезпечується не на шинах підстанції, а безпосередньо у місці її дефіциту - в самому агрегаті, тому така компенсація забезпечує зниження втрат енергії і в агрегаті.

Робота одного компенсаційного перетворювача на Дніпровському алюмінієвому заводі дозволила підвищити коефіцієнт потужності серії, яка складалась з шести паралельно працюючих перетворювачів з 0.860 до 0.906.

Результатами промислової експлуатації компенсаційних перетворювачів було доведено, що робота одного такого агрегату дає річну економію електроенергії за рахунок зменшення втрат в мережі енергопостачання та обладнанні перетворювальної підстанції порядку 4 млн. кВт*год.

Результати наукових досліджень і даних промислової експлуатації в процесі їх виконання публікувались в науково-технічній літературі, розглядалися на відомчих технічних нарадах та доповідалися на багатьох науково-технічних конференціях. Велике значення при цьому мала дискусія, розгорнута щодо даної роботи на сторінках журналу "Промышленная электроника".

Після того, як Чиженко І.М. припинив активну наукову і педагогічну діяльність, частину наукової школи, спрямованої на дослідження компенсаційних перетворювачів, призначених для живлення пристроїв електротехнології постійним струмом, очолив Бойко В.С., який у 1993 році захистив докторську дисертацію за темою "Перетворювальні системи з одноступеневою ємнісною комутацією". У цій роботі ним була узагальнена теорія процесів у компенсаційних випрямлячах нульового і каскадного типів за різної пульсності перетворення. На основі результатів наукових досліджень розроблено нове покоління перетворювачів електричної енергії компенсаційного типу, призначених для живлення постійним струмом потужних споживачів у кольоровій металургії та хімічній промисловості.

Суттєвий вклад у подальший розвиток наукової школи внесли молоді вчені Бойко В.В., Сотник М.І., Шуляк С.А., у кандидатських дисертаціях яких розглянуто нові схемотехнічні рішення для реалізації у сучасних компенсаційних випрямлячах, які характеризуються покращеними енергетичними характеристиками та більш високим рівнем електромагнітної сумісності з мережею енергопостачання.

Виходячи з викладеного можна з повним правом стверджувати про створення на кафедрі теоретичної електротехніки нового наукового напряму в енергетичній електроніці - розробка, дослідження та впровадження перетворювачів електричної енергії компенсаційного типу. На базі цього наукового напряму створена наукова школа, яка виховала десятки вчених, здійснивших грунтовні наукові дослідження у основному науковому напрямку школи і яка зробила суттєвий вплив на спільні галузі науки, пов'язані з управлінням та автоматизацією.

3. Вчені школи

Д.т.н., академік НАН України Чиженко І.М., д.т.н., академік НАН України Шидловський А.К., д.т.н., член-кореспондент НАН України Волков І.В., д.т.н., проф. Бойко В.С., к.т.н., доц. Глухов Д.Я., д.т.н., проф. Маєвський О.А., д.т.н., проф. Орловський А.В., д.т.н., проф. Палванов В.Г., д.т.н., проф. Руденко В.С., д.т.н., проф. Сенько В.І., д.т.н., проф.. Хамуднанов М.З., д.т.н., проф. Хохлов Ю.І., к.т.н., проф. Курило І.А., к.т.н., проф. Шеховцов В.І., к.т.н., доц. Баран А.О., к.т.н. Бойко В.В., к.т.н., доц. Борисенко В.І., к.т.н., доц. Видолоб Ю.Ф., к.т.н., доц. Коломієць В.Т., к.т.н., доц. Кот Л.С., к.т.н., доц. Кудря Є.А., к.т.н., доц. Намацалюк І.Н., к.т.н., доц. Рахній І.Є., к.т.н. Сотник М.І., к.т.н. Шуляк С.А., к.т.н., доц. Чибеліс В.І., ст. викл. Шуляк А.А.