close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

bd000103245

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Шушпанов Дивтрвй Викторович
В Ы С О К О Э Ф Ф Е К Т И В Н Ы Е И М П У Л Ь С Н Ы Е ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ Н А П Р Я Ж Е Н И Я
С Ш И М И Р А С П Р Е Д Е Л Е Н Н Ы Е С И С Т Е М Ы Э Л Е К Т Р О П И Т А Н И Я ВА И Х ОСНОВЕ
Специальность 0S.12.04
Радиотехника, в том чяспе системы и устройства телетвдения
АВТОРЕФЕРАТ
диссцутации на соискание ученой степени
кандидата техвичесвих нщгк
Санкт-Петербург
2005
Работа выполнена на кафедфе теории электрических noieft Санкт-Петербургского
государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича.
Научный руководитель:
Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических
наук, профессор В.Ф. Дмитриков
Научный консультант:
Кандидат технических наук И.Н. Самылин
Официальные оппоненты:
Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор
технических наук, профессор М Л . Сив^х:
Кандидат технических наук, старший научный
сотрудник В Л Майоров
Ведущее предприятие:
ОАО Российский институт радионавигации и времени
(РИРВ)
Защита диссипации СОСТОЕГГСЯ «
^Р/^^и^и'/^лЛ^
2005 г. в
часов в 413
ауд. на заседании диссертационного совйа Д21^.004.01 при Санкт-Петербургском
Гоуд|фстве8но.ч Уииверситете Телекоммуникаций им. проф. М Л . Бонч-Бруевича по
адфесу: 191186, СПб, в^. ржи Мойки, д.61.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотосе уввв^)ситега.
Автореферат разослав «_
^/Ръ
//kW/^iX^
Ученый cciqienp.
AHCcqrraoHOHBoro совета Д 219.004.01
доктор технических наук, профессор
2005 г,
В.Ю.ВОЛКОВ
■/
T^^^l'^
^HH^V
^a 3 7Y<^i
О Б Щ А Я ХАРАКТЕРИСТИКА Р А Б О Т Ы
Актуальвость проблемы. Из основных тенденций развития радиоэЛепронных
средств (РЭС) в систем связи следует отметить с одной сп^х>ны веб возрастающую степень
использования интегральных микросхем, микроконтроллеров я мтфопроцессоров, <тто
приводит к резкому снижению массы и габ!фитов РЭС я ее узлов; с другой стороны
разработку и развитие новых принципов эверго- и ресурсосберегающих методов
генерирования электрических колебаний, усиления ввфоршциоввых сигаалов и
преобразование электрической энергии в системах электрошпання, 1рторые язвляются
неотъемлемой частью каждой РЭС.
Современвые Ю С резко ужесточают требования к массогабарэтиым показателям,
экономичности, надежности, качеству вьфабатываемой энертйн и электромагнитной
совместимости систем электропитания. Решение проблем энерто- и ресурсосбережении в
устройствах электропитания (преобразователях п^)емеш1ого вапряжгаия в постоянное AC/DC; постоянного напряжения одного уровня в постоянное напряжение другого уровня
- DC/DC; постоянного напряжения в переменное - инверторы DC/AC) осуществляется с
использованиал импульсных (ключевых) режимов работы усилительных приборов в
преобразователях напряж^гая с промежуточным звеном высокой частоты (сотни килогерц
- единицы мегагерц), современной элементной баш: мощных транзисторов (MOSFFT,
ЮВТ), мощных ультрабыстрых диодов, современных магнитных мат^щалов и
конденсаторов и современных технолотяй узлов в устройств (ввзко11рофия1Лые,
безвамоточвые, плоские трансформаторы; псверхностный монтаж я др.). Ключевые
режвмы работы уснпительных приборов позволяют приблизить электронный КЦД
устроВств к предельно достижимому (100%) путем снижения мопцюсш потерь в
усилительных приборах, тем самым увеличить надежность работы импульсного источника
питания (ИП); уменьшить массу и габариты ИИ путем снижетия или полного устранения
системы охлажпганя усилительных приборов. Преобразование энергии не на
промышленной частоте (SO Гц), а на высокой частоте (сотни кшюг^щ - единицы мегагерц)
позволяет в десятки - сотни раз снизить Фыел и массу реактивных фильтрующих устройств
я согласующих трансформаторов, которые даже в современных импульсных ИП занимают
до 50-70 % габаритов я веса всей системы. Повышение частоты преобразовавня
элопртчесхой энергии, определяемое частотой переключения транзисторов, в импульсных
высокочастотных преобразователях напряжения (ВПН) требует соответствующето режима
перослюч^ия транзисторов. Это обусловясто тел, что на частотах коммутации десятки сотни килогерц и вьппе веб более проявляется неядеальвость ключевых свойств
полупроводниковых приборов, тго вызывает рост коммутационных потерь. Наличие
Шфазвтяых емкостей и индуктивностей полущюводниковых приборов и монтажа,
соэдаюпшх пцмвитные высокочастотные контура, щгаводвг к вознихаовенаю
пчжшшряжений и высокочастотных колебаний при комиутацин нолупрслодяиковых
приборов. Таким образом, применение импульсЕоа ВПК, ягфяду с умеяыоевием массы и
габаритов ИП, приводят к увеличению уровня зяектромагнктных помех (ЭМП). Однако
экон<я«вя стали, меди, электроэнергии, повьппение вадехности, быстродействия и т л
яастояько зяапитеяьвы, что импульсные ВПН применяются все шире, частота
преобразования эяепроэнцугин продолжает увеличиваться. Ш в то же время проблема
устраяеняя ЭМП, создаваемых ВПН, проблога снижения в них коммутационных потерь
ставсяштея актуальной.
№ существующих в настоящее время методов снижения Э Ь Ш цугем уменьшения
или допного ус цшяения В Ч колебаний в снижения коммутационных потерь в транзнспчих
{фияхпереииичешшыожвовццеяить:
- примюетведошфцруюшихКСОяляЬСОцоасв;использовавае резояавсвых ВПН с пс a^AAatfaMttWAArfl^b юллельным
еКБЛИОТЕКА
резоишсямм nuBiypoM fflJQ;
41 I I I ! I I I " !
1Ч"«1
Ш
Л»
- применение квазирезонаясных ВПН или В П Н класса Е с переключенвем
транзисторов при нуле тсяа или нуле налряжения;
- яспользование ВПН с резонансвым или «мягким» перекпючевнем.
Сняжекие Э М П и коммутационных потерь с помощью R C D И LCD-цепей
неэффективно нз-за увеличения Montaocre потерь либо в резисторе, либо в транзисторе.
Использование резонансных, КвйЗВрезбйавсных ВПН или ВПН класса Е с переключением
при нуле тока ияя ващмжевия вёэфф№тивво как нз-за большой установочной мощности
реактивной элшеттов реэовааснькх к6йт]|ров, так и вз-за зяачительвых переналряжений аа
приборах, превышакицихявьряже^е пвтання в S-10 раз.
Г^)ео6разов«1ели ваоряженвя, в которых РК работает только во вреия переключевия
транзисторов, называются ВПН с резоваясным («мягким») переключением, а коммутация
транзисторов происходит при нуле напряжюия. Такие преобразователи позволя1рт сочетать
низкие потери мощности при переключении транзисторов, характервые дня рёзовднсных и
квазЕфезовансных структур, с эковокичностью процесса передачи нощносхи
прео^язовател^К с ШИМ, поскольку в данном случае колебания напряжения и Т(жа во
вро1я лераасчи м(ицвости в нагрузку имеют прямоугольвую форму. Так как время действия
РК огравв^яао временами фровта тока в вапряжевия, то реактнввая мощность вх
элементов вевелнка. Роль РК часто играют индуктивность рассеяния или намагничивания
трансформатора совместно с выходвой «шостью транзистора. В таких В П Н мощность
коммутацвоввых потерь, устравеввая из транзистора, в отличие от вспользовавия
деипфирукшшх R Q ) ЕЛИ LCD noiefi, рекуперируется в источнвк пвтавия. В данных
преобразователях шфазвтные параметры элементов используются для снижения
коммутационных потерь и ЭМП при переключеняи транзисторов.
В П Н с резонансным («мягким») п^жключением при использовавин МДПтранзисторов работают с частотой переключения 100 + SCO кГц. В этом диапазоне частот
достигается отаимальвое соотвошеяве между массой, габарвтами, КПД, надежностью
преобртзовател^ и существенно снижается уровоть Э М П
Таким образом, ВПН, использукицяе Ш И М с «мягким» (резонансным)
переключеввем транзисторов, совмещают высокий коэффвциевт вспользовавия
полупроводнвкояых и других элементов схемы по мощности с низкими коммутационными
пoтq)Ямя и достаточвыми низким уровнем ЭМП. Они представляются наиболее
перспективными для использования в импульсных источниках питания.
BcS более жесткие требования, предъявляемые современныкш РЭС к качеству
вырабатываемой электроэнергии: стабилизация выходного напряжения под действием
различных возмущающих воздействий до 60 дБ в более; величина низкочастотных и
высокочастотных пульсаций выходного напряжения десятки-единицы милливольт, что при
выходнсш ващмосевии десяткв-сотнв вольт приводит к необходимости обеспечения
коэффицвевта фильтрации 60-80 дБ; малая величина перерегулировавия (1-2 % ) при
скачгообразном измеяевян входного напряжения и сопротивления нагрузки в больших
пределах; необходимость обеспечения больших запасов устойчивости по фазе и амплитуде,
приЬбдЬ;Х необходимости исследования вовых принципов построения и развития методов
анализа'' В сивтеза импульсных источников шггаявя с глубокой отрицательвой
мвогокОВгу{шой обратной связью (ООС).
Для стабилизация выходвых параметров вмпульсных И П с ООС, явдяюпщхся
дяскретиО-веявиеВвыия устройствамв,' обычно используются ООС по вькодвому
напряжеЯШ ш й току, а для обеспечения необходимых запасов устойчивоств по амплитуде
в фазе, малой величины перерегулировавия по напряжению и току при действия различных
деста^лязируЬпщх факторов, необходимой полосы частот АЧХ разовошутой петли ООС
для подавлеавя Н Ч пульсаций необходимо использовать миогоховтурвые ООС по
различным переыеввым состояния.
Для исспсдрвавяя стабилязации н устойчивости данных систем используется метод
yqxnaeEnit'H 'пЬе^язацнв, кхУюрый позволяет по>ейтя от днсхретвой велвнейвой
г/ ^ ^
f
2
системы к HenpqibiBHoft линейной, получить частотную передаточную функцию
коэффипиевп! петлевого усиления разомкнутой петли ООС и с использованием
хараперисшк Бода или частотных 1^>втериев определить устойчивость системы,
коэффициент ста^шизации выходных параметров, полосу частот А Ч Х разомкнутой пили
ООС, в которой обеспечивается требуемое подавление низкочастотных пульсаций за счет
ООС.
Метод у(феднеаия и линеаризации является приближенным. Погрешность метода
усреднения и лине^жзацив ИПН с ШИМ в литературе не рассматривалась.
Специалистами по силовой электронике и преобразовательной технике до сих пор не
используется глубоко разработанная теория синтеза реакмвных LC-фильтров: не
рассматриваются фильтры Чебытева с равноволновыми хартктерисгикамв в полосе
пропускания, которые обладают максимальным затуханием в полосе задерясиванвя при
заданном количестве элементов и заданном провзведенин Lip^ где L^ и С^ - суммгфные
значения ицдупявност^ и емкостей фильтров; не рассматриваются фильтры Батгервсфта с
максимально плоскими х^зактеристиками в полосе пропускания и линейвьши фазовыми
характеристиками в полосе задерживания.
Таким образом, необходимо провести исследование реализации максимально
возможного козффещиента стабилизации выходных параметров; запасов устойчивости по
амплитуде и фазе; минимальной величины перерегулирования выходного напряжения при
действии различных дестабялязирующих факторов; максимальной полосы частот АЧХ
разспошутой петян ООС, в которой обеспечивается требуемое подавлевве низкочастотных
пульсаций дня импульсных преобразователей напряжения с ШИМ понижающего и
повышающего типов, использующих сглаживающие фильтры с характеристиками
Чебышева и Ъхгкяартл, с различными контурами ООС, при различной величине пульсаций
выходного напряжения, различных типах и параметрах комплексной нагрузки. ОцеШть
погрешность анализа и синтеза ИПН с П П Ш с ООС, представляющих дискретнонелиЕ^ные систшы с ООС, при использовании метода усреднения и лниеаризацик.
В состав современных систтаи! электропитания, как отмечалось, входят ТШН,
преобразующие пд>еменное напряжение в постоянное (AC/DC), постоянное напряжение
одного уровня в постоянное напряжение другого уровня (DC/DC), а также постоянное
напряжение в переменное - инверторы (DC/AC). Качество энергии, вырабатываемое
инверторами промышленной частоты (50 Гц), должно удовлетворять ГОСТу или
отраслевым стаядцтгам при работе инвертора на линейную комплексную нагрузку,
нелинейную (выпрямитель с емкостным или LC-фильтром) нагрузку н при работе
иивершра в режиме холостого хода. Качество выходного синусоидального нащмжения
частотой 50 Гц определяется значением коэффициента г^змоняк и спеггральвым составом.
Известные в лвтцмтуре однофазные инв^пхфы напряжения, реализуаше, как правило, по
схеме класса BD (одноуровневое однополярвое напряжение на входе СФ в течение
полупервода синусоидального вапряжгашя с частотой 50 Гц), даже при использовании
громоздких фильтров
не
обеспечивают
коэффшшевг
таршшиж. (Кг ^ 5 % ) ,
удовле1В(фяющий ряду спраслевых стандафтов, в режиме холостого хода.
Поэтому актуальной является проблема разработки однофазного инвертора
промышленной чжяоты, обеспечивающего требуемое качество выходного напряжения и
минимальные тбариты С Ф при работе инвертора на линейную, нелинейную нагрузки и в
режиме холостого хода.
Про. использовании импульсных источников, прео^)азуняцих переменное
вапряжевие сети в постоянное напряжение или в переменное напряжение другой частоты,
возникают нелинейные искажения тока и импзгльсные помехи в сети. Отрицательное
действие этих искажений проявляется с одной стороны на функционирующие РЭС, а с
дфугой сифоны на элеггросеть. При импульсном потреблении тока импульсными
источияками возникающие гармонические солавляющие тока не совпадают по фазе с
вацряжеиим сети и протекают в нейтральной проводе. Обычно сечетие вейтралшого
щхюода много меньше сечения фазовых проводов, поэтому гцяюяические составляющие
тока, достигая критического значения, могут привести к позкару электросети. Для
устранения нбгативиого влияния импульсных источников на сеть Междувцмдвая
электрическая компания (МЭК) и Европейская организация по стандгфтизацин в
электротехнике (CENTELEC) арквяпя стандефты IEC555, устанавливающие ограннчеяиие на
содд>жавие гармоник и коэффициент мощности импульсных источников. Коэффициент
мощности Ки определяется как отношение активной мощности, передаваемой источнике!
потребителю, к кажущейся (полной) мощности, преобразуемой источником. В соответствия
с принятым стэдццпом IECS5S noi^a Км вновь разрабатываемой аппаратуры должна быть
не ниже 0,98. Для cpaBBdfmrB импульсных выпрямителях с емкостным фильтром Ки " 0,66.
Эффективный метод реализации данного Км - применгане корректоров коэффициента
мощности (ККМ) на 1№0де любого импульсного преобразователя. Основной стандарт
EN61000-3 устанавливает также соотношение г^шоняческих составляющих потребляемого
из сети тсжа со второй по сороковую гармоники. Эти ограничения на хоэффшшент
мощности и гармоничеоте составляющие тока импульсных источников рас1фостравяются
на все разрабатываемые устройства мощностью свыше 75 Вт с явв1фя 2001 г. и в Рооши.
Анализ тфоцессов в К К М на основе преобразователя повышакицгач) типа, расчет Л^,
тариокичахях составляющих проводился в ряде литературных источников при работе
К К М на ретастиввую нагрузку. Однако К К М , как 1фавипо, работает не на резистиввую
нагрузку, а на импульсные преобразователи напряжения повышающего или понижающего
типа, имеющие комплексное выходное сопротивление и отрицательную актвтую
составляющую сопротивлшвя по п^юиенному току. Поэтому режим работы К К М и его
х^якт^шетики могут отличаться при работе на резистивную нагрузку от режима работы
К К М на импульсные преобразователи повышающего или повижающего типа.
Кроме активных К К М используются также пассивные кс^фскгоры коэффициента
мощности (ПККМ), которые имоот существенно худшие массогаб^итные показатели по
сравнению с активными К К М , но они не имяот кысокочастотвых составляющих входного
тока (rjqniOBBK с тактовой частотой коммутации транзисп^в). В этом их принципиальное
преимущество п^юд активными К К М , что позволяет высокоэффективные импульсные
источники питания с ПККМ использовать в измерительной, медицинской аппаратуре, в
малошумящих усилителях, в усилителях с высоким коэффициентом усиления и т.д., где
обычные импулыяые устройства и активные К К М не применяются из-за ухудшения
электромагнитной совместимости с чувствительными РЭС. Анализ ПККМ также
провод1й1ея при работе ва резистивную нагрузку, что совершенно не отражает реальных
щхщессов и характеристик ПККМ при их работе на импульсные источники питания.
Цель и осш»ные задачи работы. Целью работы является решевие проблт
улучшения динамических, статических, массогабгфитных характеристик и качестветных
показателе ямцуль<жых источников вторичного элопропитания с ШИМ, включающих:
прео^>азовдтели AqpaieBHoro напряжения в постоянное (ACVDC); постоянного напряжения
одного уровня в постоянное напряжение другого уровня (DC/DC); постоянного напряжения
в п^юменное (DC/AC); корректоры коэффициента мощности, а также распрсделшвые
сисгаш питания иа их основе и обеспечение их электромагнитной совместимости с
промышленной сетью в соответствии с новь&ш международными IECS5S и Российскими
стандартами. Данная проблша решалась путем комплексного подхода, т.е. путем
ра^)аботки и исследования структуры и параметров ИПН типа AC/DC и DC/DC с
наилучшими динамическими и статическими характеристиками; DCVAC с качественными
показателями выходного напряжения, удовлетворяющими требованием ГОСТ при работе
на комплексяую линейную, нелинейную (выпрямитель с емкосхцым или LC-фильтрои)
нагрузки и в режиме холостого хода, и минимальной массой и табартемя выходного СФ;
исследования и разработки активных и пассивных К К М , обеспечивающих требуоше
ГОСТом коэффициент мощности и спектральный состав входного тока при работе К К М ва
различные импульсные ИИ с Ш1Ш, и, наконец, исследованве устойчивости
, I ,,
1. ."'^
и
-JO
">
...jjl-Jlb,
децентрализованной (распределенной) снстшы питания, содержащей импульсные
источники питания с 11ШМ, которые нмоот юяиплексные выходное и входное
сопротивления с отрицательной активной составляющей ао nepateBBOtty току.
Для достяжеяия этой цели в диссертации решаются следуюпще основные задачи:
1. Исследование устойчивости, динамичеосих хгфактеристик, максимальной
величины коэффициента стабилизации выходного напряжгаия и коэффициента ослабления
низкочастотных пульсаций выходного напряжения ИПН с ШИМ понижающох) и
повышающего типа с многоконтурными ООС, представляющих собой нелинейные
дискретные устройства.
2. Исследование и разработка однофазного инв^пора промьшленной частоты,
обеспечивающего требуосые ГОСТом качественные показатели выходного напряжения при
работе HHBqnopa на комплексную линейную, нелинейную нагрузки и в режиме холостого
хода при минимальных массе и табартях СФ.
3. Исследование принципов построения, структур, п^яметров и алгоритмов
управления ахшввых и пассивных К К М , обеспечивающих требуемые ГОСТом
коэффициент мощности, спектральный состав входного тока К К М при их работе на
импульсные стабилизированные преобразователи напряжения и регуляторы шшряжгашя.
4. Разрг^отка методики исследования и исследование устойчивости работы
децетралязовавных (распределенных) систем питания, исцодьзуюощх ИПН с ШИМ
DC/DC.
Основные методы нсследовяння. Теоретические исследования базируются на
использовании фундаментальных положений теории электрических цепей, в частвосп,
современного (яятеза электрических цепей, теории нелвнейшк дискретных систем.
Няучяаа новвзня в основные положенЬя, выносимые на защвпу. В работе
получены новые результаты:
- в исследовании динамических и статических х^зактеррсшк, устойчивости,
макст/язавсй величины стабилизации и коэффициента ослабления дизкочастшяых
пульсаций выходного напряжения за счет ООС в высокочастотных ИПН Л С Ф С и DC/DC
понижающего и повышающего типа с однозвеняымн фильтрам? с раввоволношмя
х^)акг^ясгикани Чебышева и максимально плоскими характерисгвками Баперворта,
различными жавтураывв обратной связи, различным ослаблением'фильтров, с различными
коэффициентами усилеаия УПТ в цепи ООС, на основании которых разработаны
импульсные ИП мощностью 300 Вт и S00 В т с напряжением пнпшия 500 В, со
стабилизацией ВЕКОДВОГО напряжения 60 п^ п^^ерегулирсяёвием по напряжению 2%, при
запасе устойчивости по фазе Л<р =° 70°;
- В разрйботкв и вссяед(»шщш однофазного HHBqm^ щхшьшшенвой частоты, в
ре^льтате копфых разработав отечественный инвертор промышленной частоты
мощностью 300 Вт с напряжением шгпшия 350 В с ксЬффициевтом Пфмоних Кг £ 2 % без
яспользовавня ООС при работе на комплексную линейную, нелинейну!^ нагрузки н в
режиме холостсоо хода с массогабс^япиыми поквзатеяямв СФ существ^шо лучшими по
сряввевяю с отечественными авалогтл;
- в иссждованяи привцвоав цостроения, структур, параметров в алгоритмов
управлеяия акашвычя и пассивными К К М , которые обеспечивают Км = 0,997 в
спепральный состав входного тока, удовлетворяющих требованиям ГОСТ не только 1фи
работе варюистввную вагрузку, во и на ИПН с ШИМ;
- в всспедовавив усюйчввоств распреэюлсяных систем питания, построенных на
основе ИПН с ШИМ.
На оетове проведенных исследований решена важная ваучшкгехввческая пробпша
- созданы импулыяью 1фео^)азователи напряжения с Ш И М и децентрализованные
системы шгпшия на вх осшше с улучшевнымн дивамвчесхнмв и массогабфитвыми
жцжхт^шявкамн, удовлетворяющие современным требованиям по коэффициенту
мопщостя в спепрапьшму составу входного тока в сети.
5
в диссертафюнно№ работе защищаются следующие основные научные положения:
1. Полученные передаточные фувкщш коэффициента усиления разомкнутой
петли ООС ИПН понижающего и повышающего типов, преДсТЯваяюпшхс«)бой не!линейное
дискретное устройство с многоконтуряыми ООС, как суммы ' йЬответствующих
передаточных функций со своими ОС при условии, что в ИПН используется один ШИМкомпаратсф и через niat) замыкшотск пути обхода всех контуров ОС. Полученные
передаточные функцш' no3BOJD№rt определить коэффициент стабилизации выходного
напряжогоя, запас устойчивости по амплитуде и фазе, полосу частот АЧХ,
обеспечивающую подавление низкочастотных пульсаций за счет ООС.
2. Дсжазанное пояожеяне, что дня существогаого увеличения коэффициента
стабилизации и запаса уепЛчивости пй фазе и амплитуде для ИПН понижающего типа с
однозвевным С Ф следует иепояьздвать два контуре ОС по выходному напрйженню я току
конденсатора. При этом обеспечивается существенное увеличение запаса устойчивости по
фазе до Аф = 60° й ^ Ян * Лном и до Дч> = 30" при R» - Rxx для фильтра Баперворта при
стабилизация выходного напряжения 60 ■=• 70 дБ и Аф = 70" при Лн = Лном и Д<р = 47" при
Ли = Лхх для фильтра Чебышета. Щ>и одноконтурной ОС по выходному напряжению запас
устойчивости при номинальной нагрузке Ru = RHOM не превышает 20°, а в режиме
холосюто хода Ru = Rja. Аф < 10°.
3. Г^веденйые иссяедовавия погрешности расчета частотных х^коп^ястик
коэффициента петлевого усиления разомкнутого контура ООС ИПН с ШИМ с
использованием метода усреднения и линеаризации, позволяющие определить реальные
запасы устойчивости по амплитуде^ фазе, коэффициент стабилизации, полосу часттУг АЧХ
и повысить точность синтеза цепей ООС и выходного фильтра ИПН, являющихся
дискретно-велин^шьши устройствами, при замене их эк^!валеЕгшыми линейными
(ястемами.
4. Полученный результат, что щ т совокупности динамических и статических
х^мкгернстик, устойчивости работы, массогабаритным показателям предпочтение следует
отдать ИПН с однозвевным чебышевскнм фильтром и двухковтурной ОС по выходному
напряжению и току конденсатора фильтра.
5. Показанная возможность увеличения коэффшщеЕГга стабилизации свыше 40 дБ
при запасе устойчивости по фазе больше 60' для ИПН повышающего типа, передаточная
функция петлевого усиления ООС которого содержит неминимально-фазовое звеяо при
использовании йнсрционвогр звена коррекции в контуре ОС по выходному напряжению.
Без найденных цепей коррекции коэффициент стабилизации не достигает и 25 дБ.
6. Проведенные исследования инвертора промышленной частоты И предложенная
методика расчета выходного фильтра, которые позволили не только полу^^иТь коэффициент
гармоник выходного напряжения (Кг ^ 2%) в режиме холостого хода, но и на порядок
снизить индуктивность дросселя и емкость конденсатора выходного фильтра по сравнению
с выходными фильтрами известных в литературе аналогов.
7. Проведенные исследования различных принципов построения и алгоритмов
управления, а также различных структур активных и пассивных Корректоров коэффвциенга
мощности. Проведенные исследования коэффициента мощности Ки позволили определить
оптимальные значений Иостоянной времени тн = С1Лн и хгфакгеристическое сопротивление
р активного К К М , при которых Ku=hSr~ 2%. Доказанные положения, что для активного
К К М характер изменения и значения Кц, Кт, cosqj при работе на резистнвну1б нагрузку и на
й е н практически одинаковы. Найденная структура пассивного ЮСМ, обеспечивающая Ям>
удовлетворяющий ГОСТ. Найденные условия возникновения н^мбочих режимов в
активных и пассивных К К М и методы их устранени5ц
8. Проведенные
исследования
устой^^вовости
Децентрализованной
(расц^^деленной) системы питания на основе ИПН с ШИМ, использующие частотные
хц)акгеристики комплексного выходного сопротивленЯя «ведущего» ШШ (генератор) и
комплексного входного сопротивления «ведомых» ИПН (потребители) и результаты этих
исследований.
Пракгячсскаи пенвость работы заключается в том, что проведенные исследования
послужили основой для pa^>a&DTKH ИПН с Ш И М типа AC/DC мощностью 300 Вт,
напряжение питания 300 В, нестабильвостыо выходного напряжения 60 дБ и
nqpeperyAHpoBaHHcM выходного напряжетия при скачкообразном итененни сопротивления
нагрузки в пределах ±30% не более 2%, а также инвертора промышленной частоты, в
котором достигнут Кг < 2% nj» работе на комплексную линейную, нелинейную нагружи и
в режиме холостого хода, а также ва порядок улучшены массогабефитные показатели
выходного фильтра по сравнению с фильтрами отечественных аналогов.
Основные научные положения двссфтации служат методической базой для создания
специального курса по теории электрических цепей, а также для дипломного
проектирования на кафедре ТЭЦ.
Введргаие результатов диссцгтяциовноб работы. Теоретические и практические
результаты диссертации использовались в взучво-исследовательских работах, проводимых
ва кафедре ТЭЦ СПбГУТ по гранту СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича «Разработка
программио-атшратвого комплекса для автсшатизярованного измерителя частотных
хгц>актеристик нелинейных импульсных преобразователей и систем электропитания,
включаюоак цош с расаредакяиаии параметрами для модернизации учебнолабораторной базы кафеф ТЭЦ и «Линии связи» и хоздоговору с Ф Г У П «НТЦ
«Радиосвязь, радиовещание и телевидение».
Результаты исспеоставий усп^чивости работы ИПЫ н результаты исследовавий
методов улучшения динамических характеристик внедрева в ИПН переменного
напряжения в постоянное напряжение мощностыо 300 Вт, с выпрямленным входным
напряжением 500 В, выходным нахфяженнем 350 В и в
инверторе иапряжения
промышленной частоты мощностью 300 Вт.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы обсуждались на
научных семин^>ах кафедры ТЭЦ СПбГУТ, ваучно-тюшвческих ковферощиях
профессорско-преподавательского состава СПбГУТ им. проф. М А . Бовч-Бруевича, а также
4-й и 6-й Всероссийских конференциях «Состояние и перспективы развития энертетикв
связи».
Публикация. По теме диссфтации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 8
статей и 3 научных доклада.
,
Структура и объем диссертации. Работа состоит цз введения, шести глав,
заключения, П1Я[ложенвя и списка литературы, включающего 102 наименования.
Диссертация содержит 111 страниц текста, 120 рисунков и 29 таблиц.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введевяя обосвовывается актуальность в практическая значимость
диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, научная новизна,
практическая значимость результатов работы и положения, выносимые на защиту.
Первая главадассертационнойработы посвящена исследованию дина21шческих
х^хиггеристшс (п^зерегулирование выходного напряжения, тока дросселя, транзистора и
диода, длительности перетодных процессов и т.д.) при включения, выключении,
(жачкоо^)азвом изменения нагрузки и входного напряжения; статвческях характервстик:
стабильности выходных хараггеристик, величины
низкочастотных пульсаций,
высокочастотных пульсаций с тактовой частотой переключения транзисторов и
коэффициента затгаса устойчивости по амплитуде и фазе ИПН с Ш И М DC/DC
понижающего типа щт использовании выходных фильтров с равноволвовыми
хгфактеристяками в полосе пропускания Чебышева и максимально плоскими
хгфактеристиками Баггерворта и различными контурами ООС, ве получившим освящевия в
vn
th
( ^
«r
кет"
УПГ
h-04i>
[>
IT»
Рис. 1. Схема импульсного преобразователя напряжетия поняжающого типа
с ояяозвенным С Ф и 2 к<»турамн ООС
литературе. В данной главе проводщтся исследование влияния на статические и
динамические хгфактдшстнки, устойчивость работы ИПН огг величины ослабления
фильтра, глубины ООС, потерь в элементах СФ и значения сопротивления и типа нагрузки.
ИПН с ООС являются дискретно-нелинейными устройствами. Для исследования
динамических характеристик использован метод перемятых состояния, который позволяет
точно определить токи и напряжения на всех элем^ггах ИПН в установившемся н
переходном процессах для преобразователей с раЭЕюй структурой снловОй части при любых
возмущающих воздействиях. Метод пертенных состояния позволяет в сочетаняв с
методом усреднения и линеаризации дискретно-нелинЫ(ные системы и устройства заменить
непр^клшой линейной системой, определить оп^яторяую и частотную передаточные
фугосщш такой системы и с использованием характ^жстик Боде или частотных критериев
исследовать стабильность и устойчивость ШШ. JSflx изложения сущности метода анализа
рассмотрим ИПН с Ш И М DC/DC понижахицего типа с одвозвевным сглаживающим LCфильтром и двумя контурами ООС по выходному напряжению и току, конденсатора СФ
(рис. 1). В схеме приняты следующие обозначения:
п.1,гс\ -сопротивленияпотерь в элоиснтахфильтраII, О ;
Лд|, Дда -делитель напряжения с коэффициентом передачи e = i?jp/(ifj,+ * ^ ) для
обеспечения ОС по выходному напряжению;
t/эт - опорныйэталонныйисточник;
UBX, UBUX
- соответственно входное и выходное напряжения ИПН;
ховКО -сигнал опгабки, равный разности опорного напряжения и суммарного
напряжения обратной связи;
u„(t) = Uj,,^{traodT)lT
-выходное напряжение генератора пилообразного
напряжения, [/плмх - pasii^ax пилообразного в^ряжгаия, Т- его период, AnodT- остаток от
деления (/Г.
Сигнал оптбки:
Uoa,0)'-KyU^-iaKyU^{t)+K,la(t))
=
KyU:^-(aKy^^^£^It^+K,^^^
\
' Ь + ^н
t i + 'Mi )
где Х| и «2 - переменшле состояния, т.е. ток в ивдукшвности и напряжение на посости;
/ГуиЛГ, - коэффициенты усиления У П Г сигтша ошибки в цепи обратной связи по
выходному напряжению и коэффициент усиления УПГ в цепи ОС по току конденсатора С1
На ШИМ-компаратор подаются два сигнала: сигнал ошибки и сигнал пилообразного
напряжения. В зависимости от их соотношения на выходе компаратора фо1якируются
импульсы 5(0 положительной или отрицательной полярности. Еспн s(f) > О, то транзистор
vn открыт, диод VD1 закрыт. Если s(t) < О, то на выходе «апшяргаорЛ ноль, транзистор
защал, диод onqnjT. Бели выходное напряжение 1/вых увеличилось, то сигнал ошибки
8
уменьшается я, соответствеяно, уменьшится длительность закрытого состояния
транзистора, что приведет к згменьшевию {/вых До прежнего (устаношвшегося) звачжвя.
Таким образом осуществляется стабилизация выходного напряжавгия. Для предотвращения
/фоблення импульса в схему у1фавления введен RS^rpnrrq).
Tlepattmaie состояния на инт^тале проводимосш транзистора nT^t& {r&d)Tи на
ивт^таяе выключогаого состояния транзистора (n+d)T S / S (»+1)Г определяются
соответственно уравнениями (1) и (2):
i(/)=A,x(0+B,n(0,
(1)
i ( 0 = A,xa)+B,ii(0.
(2)
где матрицы коэффициентов переменных состояния A i и Аг и матрицы
коэффициентов вынужденного воздействия В) и Bj для Ш Ш с однозвенным фильтром
имеют вид:
±(г
А,=А,=
ill"
1 Vci ]
«и+'cj
Ь
С1(Лн+'ь)
^L
ЩЯ^-^^а)
il(«H +
1
С1(Лн+Гс,)
-т-
Приведенные вьппе выражения для матричных коэффициентов A|, Aj. В ь Вг
соответствуют режиму непрерывного тока в индуктивности СФ.
Усреднение дифференциальных уравнешШ, запясаннЕК для каждого этапа работы
схокы, является результатом суммщювания уравнения (I), умноженного на коэффициент
заполнстия d, и уравнения (1), умноженного на (l-d). Учитывая, что ИПН, изобраасенный на
рис. 1, имеет постоянную структуру силовой части, т.е. матрицы Ai =А2, а B j = О,
уравнение для усредненного вектора состояния имеет вид:
i ( 0 = A,x(0+rfB,u(0.
(3)
После аппроксимации нелинейной системы линейной в окрестности рабочей точки можно
получить передаточные функции перемеяных состояния разомкнутой сисгаш W(.s)
W ( i ) = (iI-A,)-'EF^(5).
(4)
где I - единичная матрица, матрицы F(5) и Е зависят от вида ООС
В соответствии с критерием Найквиста по передаточной функции разомкнутой
снстпш могут быть оценены как устойчивость, так и запасы устойчивости по амплитуде и
фазе замкнутой системы.
Для ИПН, нспользуюпщх один ШИМ-компаратор при замыкании через него пути
обхода цепей обратной связи как по току, так и по напряжению, функция управлетия V{s)
может быть представлена в виде суммы передаточных функций токового коЕггура в контура
по нащиЕкеашо:
F ( * ) = F,(f)+F„(*),
'"■* „ / Л _ _ ^ ! _ 1 ^ 1
^^ '
-функция управпеиия по разтоснутой петле ОС по току
Uj^^i^sCl)
_ , ■ ^ аКу 1
О
"^ ■
^ U;,^\sC\ra+l)
конденсатораС1;
]
-функция управления по разомкнутой петле ОС по
выходному напряжению.
В результате исследований, проведенных в данной главе, установлено, что метод
усреднения и линеаризации может иметь погрешность от единиц до сотни процентов.
Показано, что погрешность метода зависит от пульсаций выходного напряжения, глубины
ОС, входаого напряжения, сощютивления нагрузки и потерь в элшентах СФ.
Рассматриваемый «точный» метод расчета частоппвых характеристик основан на
анализе сигналов во вртенной области с последующим спектральным анализом в
Рис. 2. Схема импульсного преобразователя напряжения повышающего типа
с емкостным фильтром и инерционным корректирующим звеном
замкнутой системе. Поскольку система остается замкнутой и продолжает функционировать
в рабочем режиме, то. в ней учитываются влияния всех субгармоник и комбинационных
гЕфмоник, функционирующих на выходе нелинейного элемента; метод не накладывает
никаких приближений, поэтому может считаться точным методом. Найденные в данной
главе погрешности расчета частотных характеристик с использованием метода усреднения
и яинефизации позволяют определить реальные запасы устойчивости по фазе и амплитуде,
коэффициент стабилизации и повысить точность синтеза цепей О О С Ш Ш , являхщихся
дтяфетно-нелвнейными устройствами, при замене их уточненными эк^талентными
линейными устройствами.
Вторая глава посвящена исследованию И П Н с Ш И М DCTDC повышающето типа
фис. 2). В давнем И П Н условие переключения транзистора определяются из равенства
сигнала ошибки выходного напряжения иош(0 и токовой пилы через транзистор un(0>
которая является функцией как входного напряжения, так и переменных состояния
системы. В этом принциииаяьное отличие И П Н повыпшощего типа от И П Н поннжаюш;его
типа, в которых пилообразное напряжение формируется автономным геаерахорст и не
зависит пи от входного напряжения, ни от переменных состояния свсювл. В данном
устройстве обеспечивается его автоматическая защита от короткого замыкания. Ира
коротком замыкании или резком возрастании тока через транзистор происходит резкое
увеличение пилообразного напряжения ипС) через транзистор. Это приводит к резкому
умш1ыпевию интервала проводимости транзистора, т.е. его размыканию и автоматической
защиты И П Н от короткого замыкания или перетрузок по току.
Учитывая достаточно низкую частоту и»1гаения коэффициента заполнения
транзисторов И П Н с Ш Й М по сравнению с тактовой частотой переключения транзистора,
что всегда выполняется из-за наличия инерционного выходного LC-фильтра, в работе с
использованием метода усреднения и линеаризации получена передаточная функция
разомкнутого контура цепи О О С :
W{sy=Wj{s)+W„{s),
где
W,(ii) = Kj
T,J + 1
'Tis'+24V+1
(5)
- передаточная функциятоковогоконтура.
W,,{s) = K,fi■ -Д)(д-'^ш) - передаточная функция контура по напряжению,
где Kf -
211/к
Ди(>Ь1+2+Дн(1-£>))
/f,
2£1Ла^:у(д)
10
Дн
Д£(1-Д)'-.К^
.(5а)
Из выражений (5) - (5а) видно, что один из нулей передаточной функции контура ОС
по выходному напряжению лежит в правой комплексной полуплоскости, то есть
передаточная функция содержит ношнимально-фазовое звено. Это тиводит
к
уменьшению запаса устойчивости по фазе ИПН. Анализ устойчивости и коэффициента
стабилизации показал, что максимальный коэффициент стабилизации ИПН повышающего
типа без устройств коррекции не может достигать 25 дБ,
В работе показана неэффективность использования дифферендарующих звеньев
коррекции в ИПН с Ш И М повышающего типа и доказана целесообразность использования
корректирующего инерционного звена с запаздыванием, представленного на рис. 2
пушпирноВ линией.
^
В случае использования корректирующего инерционного звена передаточная
функция контура регулирования по напряжению принимает вид:
ЩФ
Jk-ir
-Tyir2^vT„s+l
1+tjj
Гфоведенвые в данной главе исследования показали возможность увеличения
коэффициента стабилизации свыше 40 дБ при затюе устойчивости по фазе больше 60° при
использовании иверционного корраструющего звена в цепи ОС с взйдошыми
Шфаметрамн.
'"
Третья глава цо<жящева исследованию и разработке однофазного инвертора
(DC/AC) промышлеввой частоты, работающего на кшшяехшую линейную, велинейвдю
(выпрямитель с емкостным или ЬС-фипьтром) нагрузки И в режиме холостого' хода. На
основании проведенного в данной главе анализа возможных прин1щпоВ и структур
построения инверторов промыпшшной частоты срстей мощности и современной
эпояентной базы показано, что иа1^юяее рациональным представляется построение
инвертора с вспользованнем импульсной модуя)<ци8 одноуровневой iiBpiionxfiea^ формы
напряжения в течении полупериода выходного синусоидального напряжения (частота 50
Гц) с ШИМ по синусоидальному закону (класс AD). В отличие от одноуровневой
однополярной формы выходного напряжшия с ШИМ по синусоидальному закону (класс
BD) инверторы класса AD принципиально могут работать в режиме холостбго хбда и
обеспечить низкий коэффицишт rajnioHHK Кг
Силовая часть инвертора представляет собой мостовой коммутатор с выходным LCфильтром, нагруженным на комплексную линейную ЕЛИ нелинейную (управляемый
выпрямитель с емкостным фильтрш!) jBarpysKH (рис. 3).
Для расчета параметров выходного .LC-фильтра, обеспечивающего требуемый Кг
прн минимальных весе и габаритах фильтра, необходимо знать спек1ральный состав на
входе фильтра {FQ'a)). Спектралтяый состав напряжения на входе фильтра инвертора
зависит от формы пилообразного напряжения несущей частоты на входе ШИМкомпаратора, сопротивления полюых транзисторов в onqibnoM состоянии; времени
задержки между включени»и[ транзисторов каждой «стойки» моста инвертора;
+~ZI7^^ilJte
Рис. 3. Схема ваверюрл напряжения без ООС, работающего на нелинейную нагрузку
И
длитепьностя фронта и спада прямоугольных импульсов. Спектральный состав напряжения
на входе фильтра рассчитывался с п<»гощью штатной щюграммы Micro-CAP 7.0.
Анализ спектрального состава напряжения на входе фильтра выявил: наибольший
спектр комбинационных гцшоняк рвоюлагается в области тактовой частоты инвертора,
затш в области 2-й 3-й гармоник тактовой частоты. В диапазоне частот до тактовой
частоты имеются резко выраженные диапазоны частот с существенным подчеркиванием
спектров комбинационных гармоник вблизи осноюой частоты 50 Гц и на 2-й, 3-й
cy6nptiOHBKax тактовой частоты. Для обеспечения Лг ^ 2 % в инверторе без ООС показано,
что фнльтр должен обеспечить затухание на 2-й, 3-й субгармониках 40 дБ я не
осуществлять усиления 3-й, 5-й, 7-й пцмоннх (50 Гц, 250 Гц, 350 Гц) на резонансной
чвстчпе фвльтра.
Подложенная методика расчета элементов LC-фильтра позволила на порвдок
сннзвть иждуктивность (с 17 мГн до 1 мГн) /фоссепя и емкость (с 33 мкФ до 8 мкФ)
к<тценсатора фильтра по ц>авнению с выходным фильтром инверторов класса BD
одинаковых по мощностн ори одинаковсж jfr £ 2 % известных в литераторе.
Показано, что при работе на нелинейную нагрузку (выпрямитель с емкостным
фильтром) токи через транзисторы и диоды инвертора могут в 4-5 раз превышать значения
токов при работе на комплексную линейную нагрузку.
Четвертая глава посвящена исследованию активных и пассивных корректоров
коэффициента мощности (ККМ), устраняющих основной недостаток импульсных ИП уменьшению или полн<М||у устрангаию электромагнитных псшех в электрической сети. Эти
помехи обусловжны резким искажением г^пюняческого бостава тока потребляемого
импульсными ИП из сети.
Анализ процессов в активных К К М проводился в ряде работ. Однако анализ
производился при работе К К М на резистявную нагрузку, что не отражает реальных
щюцессов в системе К К М - импульсный ИП; анализ щювзводился в основном методом
усреднения и линеаризации, который имеет больо1ую погрешность. В известной литературе
не проведены исследования ^Гм, ^г, соз<р, вашчины перерегулирования в величины
низкочастотных пульсаций выходного напряжеяня от основных п^>аметров ККМ:
х!факгеристяческого сопротивления p=-^]L.l/Cl; постоянной времени г^ =i?^Cl, потерь в
элементах К К М , глубины ООС по выходному напряжению. Не исследованы условия
возникновения нерабочих режимов и методы их устранения.
В работе исследован К К М на основе преобразователя повышающо-о типа при работе
как на резистивную, так и яа ИГШ понижающего типа. В схеме управления К К М
используется две цепи ОС. Одна гцеаь ОС стабияизщ)ует выходное напряжение, вторая цепь
jj.
jjroi^syi»
<%<i»
2J«22S№4
[j^lu'.».
'ff
^f-i)- '"t г t"-
Ряс. 4. Схема ко1ч>«тора коэф^циевта мощности на осааве
преобразователя повьшшющах) типа, нагружетного на резистивную нагрузку
12
■ " ''
ОС отслеживает форму выпрямленного напряжения сетя (рис. 4). Сигнал ошибки поступает
на один вход умножителя, а на другой поступает сигнал пропорциональный
выпрямленному входвому вапряжению К К М . Сигаал с умножитезн nociynaei на
инвертирующий вход Kotmspasopa, а на HenHaqpTHpyrontHK вход хомшфатора поступает
сигнал с датчика входного тока или тока входного щххжепя ККМ. На каждом периоде
работы К К М момент включ^ия транзистора совпадает с импульсом сняхронюации, а
момент выключения соштадаег с моментом, когда напряжение лропорционашлое току
транзистора пересекает сигнал с выхода умножителя е(0=/^1Кх(')|"^2(Сэг~««вых(')).
где |ивх(01 - входное напряжение ККМ, равное выпрямленному напряжению сета; t«bix(0 выходное напряжение К К М ; Кг ~ коэф^циент усиления УПТ в контуре ОС по выходному
напряжению; ^i - коэффициент усиления УПТ в ковгфе ОС выпрямлевного напряжения
сети. Дня обеспечения режима вепрерыввото входнога тока К К М , aim котором
обеспечиваются наибольшие Ки н использование К К М по мощности показано, что Ki равен
отношению сопротивления датчика тока к эквивалентному входному сопротивл^ию К К М
Л". =*яг/^.>-де Л,(0<21у((1-.^(0/«„(0)Г).
На основании проведенных исследований определет^ оптимальные значения р и тн,
при которых Ktt " I, Кг = 2%. Доказано, что для актявногр К К М хгдвктер изменения я
значения Ки, Кг и созф щж работе на резистивную нагрузку и на ИСН практически
одинаковы.
Проведенные исследования пассивных К К М позволили установить, <гго при работе
на резясти^^пю нагрузку Ки, Кт я cos^ кхх рассматртваемых ПККМ удовлетв(фяют
требованиям ОСТ Минсвязи РФ. При работе на импульсный стабилизатор напряжения
только ПККМ, содержащий дроссель, включенный поо^^вательно с выпрямительным
диодным мостом, и кощ(евсато|Ш[, включенные пщпллельно паре диодов, включенных
параллельно нагрузке, удовлетворяют требованиям ОСТ Минсвязи Р Ф по Км.
В пятой главе рассматриваете особенность работы ИПН в распределенных
системах электропвтавня (РСП). Поскольку анализ и тфоекгирование РСП, использующей в
качестве подстстшы импульсные ИП, чрезвычайно сложны, поэтому существует
отечественная щуактиха, копт каждая подсистема разрабатывается вндищдуально без
учета взаимного влияния под<ястем друг на щрутл. Одной из наиболее важных задач при
интеграции отдельных ИП в систему является обеспечение устойчивости РСП, которая
нарушается из-за взаимод^ствия подсистем.
В работе получено соотношение для комшюссного коэффициента передачи
каскадно-соединенных ИП:
HU<o)==H,a<a).Щam)/{^+ZZ^U<^)/Z^^U^»)].
где 2 ^ 0'а>) - выходное сопротивление ведущего ИПН - генфатора,
Z^ (Jm) - входное сопротивление ведомого ИПП - приемника.
Из соотношения следует, что Коэффшщ^ пдюдачи каскадно-соединенных ИП в
общем случае зависит не только от произведения комплексных коэффициентах передачи
HiQ'a) и НгО'ч») отдельных источников, но и от отношения выходного сопротивления
2 ^ С/т) предшествующего источника (генератора), к входному сопротивлению Z^U''^)
последующего источника (прнтшика). Если на некоторой частоте выполняется равенство
2^0©)/2вх(./*'') = ~ Ь то выполняются условия самовозбуждения системы, если даже
каждый ИП устойчив.
В работе исследовались входные и выходные сопротивления импульсных ИП
понижающего типа с нспользовавием численных методов расчета, основанных на
временном и спектральном анализе переходных и стацнон^шых щюцессов ИПН, а также с
использованием метода усреднения и ливегцшзацин дискретно-нелинейных систем.
13
при расчете ^х(/<о) во входную цепь ИПН последовательно с постоянным
напряжением, подлежащим преобразованию, вводится та1Шошп1еский источник
возмущающего напряжения, амшппуда и частота которого изменяется в широких пределах.
Определив спектр амплитуд и фаз установившегося процесса для входного тока, затем
определяется зависимость входного сопротивления ИПН Zg^ {j<s>) = Ug^/ig^ . Аналогично
определяется
комплексное
выходное
сопротивление
ИПН
с
ШИМ:
2и1х(У«) = ^/выхо|/^вызй.' №м расчета ZaxO't») и 2вых(/<») использова1йсь программа
FASTMEAN, разработанная на кафедфе «Теория электрических цепей» СПбГУТ
им. проф. М.А. Бояч-Бруевича. В отличие от известных программ типа PSplce, Micro-CAP,
Electronics Workbench данная программа Основана на новых матричных решениях
дифференциальных уравнений ^лек1рнческих цепев и позволяет существенно повысить
точность и скорость расчета переходных и стациовгцзЕсых процессов в ключевых
устройствах.
В работе получены выражения для ^х(/<») и 2вых&'о)) также с использованием
метода усреднения и линеаризации ИПН:
z^(,)=z^SL£l±a£±l.
raeZ
П.. + Дя i'-u +RH)Ur^ +аК^^^
z^,s,~-z^%lYf:'
2
1А^^ш«
^1У ir^, + R„)U^-aJ(,U^R^'
'^
(r^,+R^)U^+<tKyU^„H„'
Полученные в данной главе результаты подтв^яедают правильность основных
теоретических положений, описывакмцнх взаимное влияние подсистем, составляюощх
полную систему. Рассмотренный кри1ерий устойчивости зависит от выходного
сопротивления предшествующего и входного сопротивления последующего звеньев и
позволяет контролировать устойчивость системы в целом. Найденные входные и выходные
сопротивления ИПН позволяют предсказывать неустойчивость распределеЕШых систем и
открывают возможность рационального проектяровавяя РСП, состоящих из отдельных
И Г Н различных типов с различными хфактернстикамн и различным числом контуров ОС.
Показано, что ИПН понижающего типа с двухконтурной ОС по выходному
нащ)яжеЕНЮ и току конденсатора СФ позволяет не только обеспечить больший
коэффициент стабилизации выходного напряжения и больший запас устойчивости по
амплтуде и фазе подсистем в автономном режиме, но я больший запас устойчивости
распределенной системы питания по сравнению с использованием в качестве подсистем
ИПН с одноконтурной ОС по выходному напряжению.
В шестой главе описаны разработанные и изготовленные устройства ИПН с П Ш М
AC/DC, DC/DC, DC/AC.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Т^ссертационная работа направлста на решение проблемы улучшения
динамических, статических, массогабаритных x^airrepnciHK и качественных показателей
импульсных источников вторичного электропитания с Ш И М , включающих:
преобразователи переменного напряжения в постоянное (AC/DC); постоянного напряжения
одного уровня в прскишиое напряжоше другого уровня (DC/DC); постоянного яаиряжения
в переменное - инверторы (DC/AC); активные и пассивные корректоры коэффициента
мощйюсги, а также децентрализованные фаспределенные) системы питания на их основе и
обеспечение их электромагнитной совместимости с промышленной сетью в соответствии с
новыми международными и Российскими ставд!^>тами путем комплексного подхода:
- к исследованию ИПН с ШИМ AC/DC и DC/DC понижающего и повышающего типов
с многоконтуряыми ООС, представляющих собой нелинейные дискретные устройства, с
14
улучшенными динамнчешими, сптическимв и массогабаритными харахтернстиками,
максимальной величиной коэффициента стабилизации;
- к исследованию и определению структуры однофазного инвертора промышленвой
частоты, обеспечивающего требуемые ГОСТом качественные показатели выходного
напряжения при работе инвертора из комплексную ланейаую, нелинейную (выпрямитель с
емкостным или ЬС-фильтром) и в режиме холостого хода при минимальных массе и
габ^ттахСФ;
- к исследованию принципов построения, алго[ягш(» управления, определению
структур я оптимальных режимов работы апяввых и пассшшых корректоров
коэффициентов мощности, обеспечивающих требуаож ГОСТом коэффициент мощности,
спектральный состав входного тока К К М при их работе на тшупьсшж стабилизированные
прео^азователи напряжения с ШИМ и регуляторы напряжения;
- к исследованию децентрализованных (распределенных) систем питания,
использующих ИПН с ШИМ.
Освоввые научные и пракгяческве результаты выполненных исследований
заключаются в следующем:
, ,
1. Получены новые результаты в иссаеяования дииамичесжих, статических
характеристик, максимального хоэффициетта стабилизации выходного напряжения,
коэффициента ослабления низкочастотных пульсаций за счет ООС в ВПН AC/DC и DC/DC
понижающего и повышающего типов с одоозвевньшя ^шьтраыв с раввоволновыми
характеристиками Чебышева и максимально шюошыв хфактеристикамн Батт^ворта,
различными ослаблением фильтров, различными хоэффяцвевтами усилгаия УПТ в цепи
ООС и различными ковтурами СЮ и коррежхирующшд звеньями. На основании
проведенных исследований ра^»ботавы ющуяьсаые ИП понижающего типа со
стабнлязацией выходного напряжения 60 дБ. трерауяяровавихы выходного напряжения
2 % при запасе устойчивости по фазе ufflV
при скачкоо%1азяом изменении нагрузки в
пределах ±50% и входного вaпpяж»ияi25%.
2. Доказано, что для существенного увелячеввя 1Еоэффкциевта стабилизации и
запаса устойчивости по фазе в щпяяту» для ИЛИ DC/DC понижающего типа с
однозвенным СФ следует яспояьзоват^! два контура ОС по выходному напряжению и току
конденсатора СФ. При этом обеспечивается увели^нне запаса устойчивоств по фазе до Дф
= 60° при номинальном сопротивлении нагрузки Яя = ROM И до Aq> = 30** при холостом
ходе ^н " ^кх ДДя фильтра Батгерворта при сгабиннзацни выходного нагфяжеяия 60 -J- 70 дБ
и Дф = 70° при Лн = *ном. Дф " 47' при Ян = Лхх при Лет = 60 + 70 дБ для фильтра
Чебышгаа. П ^ одноконтз^ой ОС по вшсодяаму напряжению запас устойчивости при
нсшвиальвой нагрузке не преюппает Дф = 20°, а в режвие холостого хода - Дф S10°.
3. Проведены исследования погрешности расчета частотных характеристик
коэффициетта петлевого усиления раз(шкяутого контура ООС ИПН с ШИМ, являющегося
дисцрство-иеяивейным устройством, с вспользованвем метода усреднения в линеаризации.
Проведенные исследования погрешноств позволвлв (шредеявть реальные запасы
устойчивости по амплитуд): и фазе, реальные коэффициент стабилязации и полосу частот
АЧХ, повысить точность сввтеза цеаев ООС в выходных фильтров при замене ИПН с
Ш И М эквивалентными линейными свстемамв.
4. Показано, что по массогаб^итвым показателям, статическим и динамическим
характцшстикам предпочтеяве следует отдать ИПН с одвозвевным чебышевским
фильтром и двухковту]»ой ООС по выходному напряжению и току конденсатора фильтра.
5. Вь^брая тип ияверт(фа промышхеяной частоты (ИПН DC/AC) я предложена
методика расчета выходного фильтра, которые позволнлв ве только получить коэффициент
гцмоаик Кг £ 2% выходного напряжения ори работе matptopa как ва комплексную
дввевяую и велвяейвую нагрузка, так в в режвме холостого хода, удовлетворяюцо1й
15
требованиям ГОСТ, и на поряяок сввзвть индуктивность дросселя я емкость коцденсатора
выходного фильтра по qMBHemno с выходными фильтрами известных аналогов.
6. Проведено вссяецовавве различных принщтов построевия, алгоритмов
управлення в структур активных и пассивных корректоров коэффициента МОЩВОСТЕ.
Проведашые исследования коэффшщевгд мощвостя Ам, коэффициента г^моник Кт
позволили определить отпимальные значения постоянной времени х = С1Ян и
хч»актеристнческого сопротивления р активного К К М , при которых Ям = \, Кг - 2%.
Показано, <т> для актияаого ККМ х^якг^ изменения и значения Ки, Кг, созф при работе
на резистивную нагрузку в ва ИСН практически одинаковы. Определена структура
пассивного ККМ, которая обеспечивает Ки, удовлетворяющий ГОСТ, при работе на ИПН с
ШИМ. Найдены условия возникновения нерабочих режимов в активных и пассивных К К М
и методы их устранения.
7. Прсведены нсспедоваяия устойчивости децентрализованной (распределенной)
системы пшания, построенной с использованием ИПН с ШИМ. Показано, что устойчивость
всей системы питания завнсиг от входных и выходных комплексных сопротивлевяй
отдельных подсистем: выходного сопротивления «ведутцего» ИПН — генератора в входного
сопротивления «ведомых» ИПН - потребителей. Предложены методики измерения этих
сопротивлений в рабочем режиме Ш Ш с ШИМ, когда учитываются все «пгфазвтные»
п^ямегры и «паразитные» связя в ИПН.
8. Экспцямевталшое исслед(яание ИПН с Ш И М в составе: преобразователя
напряжения 500 В (трехфазная сеть) в напряжение 350 В (преобразователь AC/DC);
прео6раз<яателя напряясевяя пкгавия 320 -175 В (аккумулятортая батарея) в напряжение
350 В (преобразователь DC/DC); инвертора промышленной частоты с частотой 50 Гц, 220 В
(преобразователь DC/AC) с вапряяеиием питания 350 В, работающих в распределенной
системе: преобразователь AC/DC понижающего тшга - инвертор и преобразователь DC/DC
понижаюшето типа - инвертор, используемый в ашкфатуре, созданной Ф Г У П «НТЦ
«Радиосвязь, радиовещание и телевидение» совместно с СПбГУТ им. проф. М.А. Бовч^>уевичв подюердилн справедпивость:
- полученных результатов ясследоваяия устойчивости работы ИПН с Ш И М AC/DC и
DC/DC понижающего типа, их динамических и статических характеристик;
- проведенных исследований н методик расчета выходного фильтра однофазного
инвертора промышленной частать^
- результатов исследований децевтрапизоваввых систем тппания.
9. Создание источников питания и децентрализованной системы питания, в .
которых используются нсследоваввьк ИПН с П Ш М AC/DC, DC/DC в инвертор
промышленной частоты и их сравнюие с отечествеввыми разработками подтвердили
псрспектввнооъ таких ИПН.
ОПУБЛИКОВАННЫЕ Р А Б О Т Ы ПО Т Е М Е ДИССЕРТАЦИИ
1.Дми1рнковВ.Ф., СанылввИЛ., Шушпанов Д З . Исследование дивамическнх
хгфакпфисгик импульсного 1феобразовапел1 напряжения с разтгичными фильтрами и
контурами обратной связи // Труды учебных заведений связи / СПбГУТ. СПб, 2002. №168.
С. 309-315.
2. Самыяин И.Н., ШуппиновДВ.
Устойчивость
высокочастотных
импульсных
источников в распределенных системах постояиноготока// 4-я Всероссийская конф^жнция
«Состояние и перспективы развития эвергетики связи»: сб-к тр. СПб: ПЕТЕРКОН, 2003. С
97-110.
З.СамьшшИЛ, ШушпавовДВ. Оценка влвявня виугречнего сотфотивпеяия
возмущающего renqiaiopa на входное в выходное сопротивления ШИМ-преобразоватеяя //
Труды учебных заведений связи / СПбГУТ. СПб, 2003. №169, С. 243 - 250.
16
4. Дмятрихов В.Ф., СамышшИЛ., Шупшавов Д.В. Исследование динамических и
качественных характеристик корросторов коэффициента мощности // Пракшческая силовая
электроника. 2004. Вып. 14. С. 18 - 25.
5. Д^игфиков В.Ф., СамьгаииИ.Н., Шушпанов Д.В. Исследование устойчивосл и
коэффвцнента стабилизации импульсных преобразователей напряжения повьппающего
типа // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника / СПб, 2004. №1. С.
47-57.
6. Дмитриков В.Ф., Самьгаив И.Н., Шушпанов Д З . Исследование динамических н
статических х^акт^тстик импульсного прео%азователя вапряжеввя повышающего типа с
ко}^)а!Тирующими звеньями // Известия высших учебных заведений Росши.
Радиоэлектроника / СПб, 2004. Jfe2. С. 42 - 52.
7. Самылин И.Н., Шушпанов Д.В. Исследование пассивных корректоров коэффициента
мощности // Практическая силовая электровика. 2004. Вып. 16, С. 2 - 15.
в.ДмэтртховВ.Ф., Самылин И.Н., Шушпанов Д £ . Исследование устойчивости работы
двухтактных импульсных стабилизаторов с использованием частотных характертстик
переялчв по петле ООС методом замкнупяо контура // Практическая силовая электровика.
2005. Вып. 18, С. 2 - П .
9. Самылин И.Н., Шушпанов Д Л . Особенност работы однофазного инвертора
напряжения промвшиюнной частота с синусоддальвс^ ШИМ на комплексную линейную и
нелинейную нагрузки // б-я Вс^хюяйская конфержция «Состояние в п^хяепнвы
развития энергетики связи»: сб-к тр. СПб: ПЕТЕРКОН, 2005. С. 134 -148.
10. Самылин И.Н., Шушпанов AJB. Опечественный коыпьют^шый автоматнзщюванныВ
взм^>итель частотных х^>аггернстнк аналоговых и импульсных устройств // 6-я
Всероссийская кояф^)евция «Состояние и п^хлхекгивы развития энергетики связи»: сб-к
тр. СПб: ПЕТЕРКОН, 2005. С. 149 -160.
11. Самылин К Н . , Шушпанов Д.В. Анализ однофазного инвертора напряжения с
синусоидальной Ш И М при работе на линейную и нелинейную нагрузки // Труды ученых
заведений связи / СП6ГУТ. СПб, 2005. №, С. 168 - 179.
Подписано к печати 03.11.2005
Объем 1 усл. - печ. л. Тираж 60 экз. Заказ 476
РИС СПбГУТ. 191186 СПб, наб. р. Мойки, 61
Отпечатано СТ «Факультет ДВО». 191186 СПб, наб. р. Мойки, 61
1122551
РНБ Русский фонд
2006-4
24499
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
1 244 Кб
Теги
bd000103245
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа