Алгоритми проектування перетворювачів напруги, електромагнітно-сумісних з мережою та навантаженням

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”

Родіонова Марія Вікторівна

УДК 621.314.58: 621.391.82

Алгоритми проектування перетворювачів НАПРУГИ, електромагнітно-сумісних з мережею та навантаженням

Спеціальність 05.09.12 - Напівпровідникові перетворювачі електроенергії

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі акустики та акустоелектроніки Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” (НТУУ “КПІ”) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник - кандидат технічних наук, професор кафедри звукотехніки та реєстрації інформації НТУУ “КПІ” (м. Київ) Пілінський Володимир Володимирович.

Офіційні опоненти - доктор технічних наук, професор Рябенький Володимир Михайлович, Миколаївська філія Національного університету “Києво-Могилянська академія” (м.Миколаїв), декан факультету комп'ютерних наук;

кандидат технічних наук, доцент Афанасьєв Павло Валентинович, Київський інститут зв'язку Української державної академії зв'язку ім. О.С.Попова (м.Київ), завідувач кафедри.

Провідна установа - Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, кафедра промислової електроніки (м. Харків)

Захист відбудеться 23 квітня 2001р. о 15 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради К26.002.06 у Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, пр. Перемоги, 37, тел. 241-76-62

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”

Автореферат розісланий “__21___” ____березня______2001р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Кондра Б.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Перетворювачі напруги (ПН), у яких перетворення енергії первинного джерела електроживлення відбувається на підвищених частотах у ключовому режимі, дозволяють значно знизити матеріаломісткість та втрати енергії джерел вторинного електроживлення (ДВЕЖ). Тим часом широке застосування ПН ключового типу (далі - перетворювачі) вимагає подальшого вирішення проблем, пов'язаних, головним чином, з забезпеченням електромагнітної сумісності (ЕМС), визначеної надійності, високих динамічних показників.

Серед названих треба виділити проблему забезпечення ЕМС перетворювачів з мережею живлення та приймачами енергії, оскільки від її вирішення залежить працездатність не тільки електронної апаратури, яка живиться від ДВЕЖ, але й якість електричної енергії мережі та функціонування інших користувачів, що живляться від цієї мережі.

Різноманітні аспекти ЕМС перетворювальних пристроїв розглядались у працях Г.С.Векслера, О.Д.Князева, М.С.Комарова, В.В.Лукашова, Ж.А.Мкртчяна, Б.В.Петрова, В.В.Пілінського, В.І.Сенькова, Л.С.Туріна, А.К.Шидловського, В.Л ІІІирокова, а також Г.Отта, Д.Уайта, К.Харади та інш.

Однак, незважаючи на це, до теперішнього часу невирішеною є одна з важливіших проблем - врахування вимог ЕМС на початкових етапах проектування перетворювачів. У більшості випадків ЕМС забезпечується на основі експериментальних даних після створення макетного зразка, внаслідок чого "... вирішення проблеми, скоріш за все, буде незадовільним, тому що набір доступних розробнику засобів боротьби з завадами зменшується, в той час як їх вартість, навпаки, зростає '' [Г.Отт, 1979].

Актуальність вирішення задачі забезпечення ЕМС для усіх виробників електрорадіопристроїв зросла ще більше у зв'язку з введенням в дію з 1.01.1996р. Директиви Європейского співтовариства №89/336 ЕЕС, яка забов'язує контролювати всі параметри, пов'язані з ЕМС, для допуску виробів на ринки європейських країн. А, як відомо, саме на початкових етапах проектування у розробника є всі можливості для прийняття заходів та використання засобів забезпечення ЕМС за умови мінімальних витрат.

Наведені міркування обумовлюють актуальність вирішення задачі створення алгоритмів проектування перетворювачів з урахуванням вимог ЕМС на початкових етапах.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана у Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” згідно з Координаційним планом Наукової ради АН УРСР “Наукові основи електроенергетики” (розділ 1.9.6.2.4), за приоритетним науковим напрямком “ Перспективні інформаційні технології, прилади комплексної автоматизації і системи зв'язку” Міністерства освіти і науки України, а також за Державною науково-технічною програмою Міністерства України у справах науки і технологій на 1997-1998р.р. “Високоефективні енергозберігаючі електротехнологічні та електротехнічні системи” (шифр 04.08 “Екологічно чиста енергетика і ресурсозберігаючі технології”).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є теоретичне обгрунтування та розробка алгоритмів схемотехнічного проектування перетворювачів, у яких вимоги ЕМС стосовно кондуктивних радіозавад враховуються на початкових етапах проектування.

Ця мета вимагає вирішення наступних теоретичних і прикладних задач:

аналіз ефективності підходів до забезпечення ЕМС перетворювачів з електричною мережею та приймачами електроенергії;

розробка математичної моделі перетворювачів, що відтворює процеси формування та поширення кондуктивних радіозавад;

розробка алгоритмів аналізу перетворювачів у часовій та частотній областях з урахуванням вимог ЕМС стосовно кондуктивних радіозавад;

розробка методики автоматизованого схемотехнічного проектування перетворювачів.

Об'єкт та предмет дослідження. В дисертаційній роботі досліджуються напівпровідникові перетворювачі напруги як джерела індустрійних радіозавад з метою розробки ефективних алгоритмів їх схемотехнічного проектування.

Методи дослідження. Наукові результати досліджень отримані на основі математичного апарату сучасної теорії лінійних електронних кіл. Математичне забезпечення для створення алгоритмів автоматизованого проектування перетворювачів базується на застосуванні перетворень Лапласа і Фур'є, метода припасовування та машинно-орієнтованого матрично-топологічного метода модифікацій.

Наукова новизна одержаних результатів дисертації полягає в опрацюванні концепції автоматизованого проектування перетворювачів з урахуванням вимог ЕМС щодо кондуктивних радіозавад на початкових етапах проектування та відображається у наступних наукових положеннях:

Розроблено і теоретично обгрунтовано алгоритми автоматизованого схемотехнічного проектування перетворювачів, електромагнітно-сумісних з мережею та навантаженням;

Запропоновано математичне забезпечення до реалізації алгоритмів проектування перетворювачів;

Розроблено математичну модель перетворювача для машинного моделювання процесів формування та поширення кондуктивних радіозавад;

Запропоновано критерій забезпечення ЕМС при проектуванні перетворювачів;

Розроблено методику схемотехнічного проектування перетворювачів.

Практичне значення одержаних результатів роботи обумовлене тим, що розроблені алгоритми та машинно-орієнтована методика схемотехнічного проектування перетворювачів дозволяють ефективно враховувати вимоги ЕМС стосовно кондуктивних радіозавад на початку проектування. Це дозволяє підвищити техніко-економічний рівень перетворювачів та забезпечити надійне функціонування електрорадіоапаратури.

Результати досліджень знайшли практичне застосування при розробці джерел вторинного електроживлення в процесі виконання науково-дослідних робіт: “Разработка и внедрение помехоподавляющих фильтров для линейки электропитающих устройств кинопроекционных ксеноновых ламп мощностью от 0,5 до 6,5 кВт” (тема № 248 , № держреєстрації 01870009850), ”Исследование путей построения источников вторичного электропитания с бестрансформаторным входом, работающих на частоте свыше 100 кГц и электромагнитно-совместимых с питающей сетью и приемниками электроэнергии” (тема № 534, № держреєстрації 01880008837), а також держбюджетної НДДКР “Розробка технології та організація малосерійного виробництва мережних фільтрів для забезпечення електромагнітної сумісності та запобігання витоку інформації” (тема № 2326, № держреєстрації 0198U003961).

Реалізація результатів дисертації здійснювалась шляхом розробки та впровадження методики схемотехнічного проектування перетворювачів з урахуванням вимог ЕМС в НДІ радіотехнічних вимірювань (м.Львів), ВАТ “Ритм” (раніше - НВО “Реле та автоматики”, м.Київ), НДІ “Марс” (м.Київ), Технопарку “Перспектива” (м.Київ), Інституті електрозварювання ім.Патона (м.Київ). Наукові положення та практичні результати, отримані у дисертаційній роботі, використовуються у монографії, навчальному посібнику, а також при викладанні учбових дисциплін “Потужна електроніка”, “Електромагнітна сумісність” у навчальному процесі НТУУ “КПІ”.

Акти, що підтверджують практичне впровадження отриманих результатів, наведено у додатку до дисертації.

Особистий внесок здобувача у розробку наукових результатів, які виносяться на захист:

досліджено особливості схемотехнічного проектування перетворювачів за умови створення індустрійних кондуктивних радіозавад;

запропоновані модифікований метод припасування для аналізу у часовій області та непрямий критерій забезпечення ЕМС при проектуванні перетворювачів;

розроблено алгоритми реалізації та інженерну методику схемотехнічного проектування перетворювачів з урахуванням вимог ЕМС стосовно кондуктивних радіозавад.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на науково-технічних конференціях та симпозіумах: ”Проблемы преобразовательной техники”, Київ, 1983, 1987рр.; “Проблемы совершенствования радиоэлектронных комплексов и систем обеспечения полетов”, Київ, 1989р.; “Методы и средства борьбы с помехами в цифровой технике”, Вільнюс (Литва), 1990р.; “Проблемы ЭМС силовых полупроводниковых преобразователей”, Таллінн (Естонія), 1990р.; “Проблемы ЭМС технических средств”, Суздаль (Росія), 1991р.; “ЭМС технических средств”, Санкт-Петербург (Росія), 1992р.; “Методы и средства проектирования и сертификации изделий радиоэлектроники, вычислительной техники и связи по критерию помехозащищенности, восприимчивости и ЭМС”, Мінськ (Білорусь), 1993р.; “ЭМС-93”, Санкт-Петербург (Росія), 1993р.; “Досвід розробки та застосування приладно-технологічних САПР мікроелектроніки”, Львів, 1997р.; X та XI International Wroclaw Symposium on Electromagnetic Compatibility, Вроцлав (Польща), 1990, 1992рр.; “Electrical Drives and Power Electronics” EDPE'96, Кошице (Словаччина), 1996р.; “Аэронавигация и авионика-98”, Київ, 1998р.; “Проблеми сучасної електротехніки ПСЕ-2000”, Київ, 2000р.; “Силова електроніка і енергоефективність СЕЕ-2000”, Алушта, 2000р.

Публікації. Матеріали дисертації опубліковано у 41 друкованій роботі, у тому числі в монографії "Подавление электромагнитных помех по цепям электропитания" (Київ, Техніка, 1990.-167с.) та навчальному посібнику "Енергозабезпечення електронної апаратури" (Київ, Вища школа, 1994.-258с.), 5 роботах у наукових журналах, 7 роботах у збірниках наукових праць, 29 роботах у матеріалах і тезах конференцій.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків та одного додатку. Повний обсяг роботи складає 142 сторінки. Робота містить 36 рисунків, а також список літератури з 157 найменувань використаних джерел на 11 сторінках.

Автор вважає за свій обов'язок висловити глибоку вдячність науковому консультанту кандидату технічних наук, доценту кафедри теоретичних основ радіотехніки НТУУ “КПІ” Рибіну Олександру Івановичу за виявлену їм безцінну допомогу при написанні цієї роботи.

стабілізатор резонансний інвертор електромагнітний

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета та задачі дослідження, наведені основні положення, що виносяться на захист.

У першому розділі аналізується необхідність вирішення проблеми забезпечення електромагнітної сумісності перетворювальних пристроїв з мережею та приймачами електричної енергії: розглянуто перетворювачі, як джерела електромагнітних завад. Показано, що такі пристрої внаслідок ключового режиму роботи створюють індустрійні радіозавади, які характеризуються широким діапазоном частот та рівнями, що значно перевищують регламентовані. Розрізняють кондуктивні завади, що поширюються у провідниковому середовищі (електричні провода, шасі, шини заземлення і т.і.), та завади, що поширюються у навколишньому середовищі (завади індукції - у ближній зоні, завади випромінювання - у дальній зоні).

Розглянуто частотні залежності кондуктивних радіозавад, які створюють силові кола перетворювачів. Проведено порівняння цих залежностей з нормативними: на основі міждержавних стандартів (ГОСТ 23511-79, ГОСТ 23450-79), а також міжнародних документів (CISPR11, CISPR14, IEC 478-3), які регламентують рівні індустрійних радіозавад від перетворювальних пристроїв. Показано, що перетворювачі генерують кондуктивні радіозавади в діапазоні частот від десятків кілогерц до десятків мегагерц, рівні яких досягають 80...120 дБ (відносно 1мкВ) і без застосування спеціальних протизавадних засобів значно перевищують нормативні.

Підкреслено, що найбільш суттєві труднощі при забезпеченні ЕМС створюють кондуктивні радіозавади, які поширюються від перетворювача енергії до мережі живлення і кіл навантаження. Важливість першочергового зменшення цих завад обумовлюється тим, що вони впливають на якість електроенергії мережі і можуть привести до порушення працездатності не тільки апаратури, яка отримує електричну енергію від ДВЕЖ, але і інших користувачів, які живляться від цієї мережі.

Завади, які поширюються у мережі, впливають на різноманітну апаратуру, що підімкнена до неї, і приводять до непрогнозованого погіршення функціонування апаратури.

Розглянуто різні підходи до забезпечення ЕМС перетворювачів. Показано, що:

- ця проблема повинна вирішуватись у комплексі: мережа-перетворювач приймач електроенергії (навантаження);

- вимоги ЕМС необхідно враховувати на початкових етапах проектування перетворювачів, бо тільки на цьому етапі можливості розробника необмежені, а витрати на забезпечення ЕМС суттєво менші, ніж на наступних етапах розробки;

- у моделях перетворювальних пристроїв при аналізі характеристик, пов'язаних з ЕМС, повинні враховуватись паразитні параметри компонентів перетворювача та кіл поширення кондуктивних завад. Тому моделі перетворювачів відтворюються високочастотними еквівалентними схемами, кількість елементів яких перевищує 10...15, що накладає певні вимоги до математичного забезпечення;

- частотнозалежний характер внутрішнього опору мережі живлення враховується використанням стандартного еквівалента мережі.

Наведені відомості щодо моделей перетворювачів та вимог до забезпечення ЕМС повинні враховуватися при розробці алгоритмів автоматизованого схемотехнічного проектування перетворювачів та формулюванні методики забезпечення ЕМС при їх проектуванні.

На стадії ескізного проектування схема перетворювача вибирається за інтуїцією та досвідом розробника. За характеристику якості енергії, що виробляється перетворювачем, приймаються часові залежності вихідної напруги. Але для вирішення задачі проектування електромагнітно-сумісних перетворювачів лише часового аналізу недостатньо, оскільки залежність між часовими характеристиками перетворювача та параметрами його компонентів трансцендентна. До того ж, вимоги ЕМС стосовно кондуктивних радіозавад у нормативних документах наведені у вигляді частотних характеристик завад. Таким чином, узагальнений алгоритм проектування перетворювачів з урахуванням вимог ЕМС стосовно кондуктивних радіозавад повинен складатися як з аналізу у часовій, так і у частотній областях.

У другому розділі досліджуються питання, повя'зані з розробкою математичної моделі перетворювача. Як приклад об'єкту дослідження прийнято перетворювач ключового типу - знижувальний стабілізатор напруги.

Виконано аналіз процесів у силових колах перетворювачів. Як відомо, завади від перетворювачів формуються на інтервалах часу перемикання активних ключових елементів, тому запропоновано врахувати цей аспект шляхом введення у високочастотну еквівалентну схему ПН резистора Rкл(t) зі змінним опором, який відображає зміну внутришнього імпедансу ключового елемента під час перемикань. З метою вирішення задачі забезпечення ЕМС обгрунтована можливість аналізу процесів за допомогою розімкненої моделі перетворювача, тобто без кола зворотного зв'язку. Показано, що наявність цього кола у реальних перетворювачах враховується через закон зміни Rкл(t), тому запропонована параметрична модель силового кола перетворювача (рис.1,б) як така, що дозволяє врахувати тривалість інтервала часу перемикань ключів. Кусково-ступінчаста апроксимація функції Rкл(t) (рис. 2) в інтервалах часу перемикань t2, t4 дозволяє моделювати перетворювач набором лінійних еквівалентних схем у відповідності з інтервалами фіксованих значень Rкл(t).

Лінеаризація моделі перетворювача в інтервалах часу обумовлює використання для аналізу процесів методів вузлових напруг, перетворення Лапласа та припасовування. Запропоновані алгоритми подолання основних труднощів реалізації вибраних методів аналізу, що обумовлюють обмеженість їх застосування при проектуванні апаратури.

Розв'язок системи рівнянь дінамічної рівноваги перетворювача для i-го інтервалу лінеаризації за умови, що джерело енергії, яке моделюється генератором ЕРС Е0 підімкнено до першого вузла, може бути записано у вигляді:

U1(p) 1/р 0 0 ... 0 E0

U2(p) ... J2(p)

U3(p) = ... J3(p):

UN(p) ... JN(p)

де - коефіцієнти передачі напруги з будь-якого вузла кола до першого вузла, що розраховуються за зворотною матрицею вузлових провідностей [Y(p)]-1; елементи зворотної матриці вузлових провідностей [Y(11)(р)]-1, для якої вихідною є матриця вузлових провідностей з викресленими строкою та стовпцем, номери яких відповідають номерам (1,0) вузлів під'єднання незалежного джерела енергії Е0.

Для усунення складнощів, пов'язаних з обчисленням зворотної матриці вузлових провідностей, доцільно використати машинно-орієнтований матрично-топологічний метод модифікацій. При цьому m-та модифікація матриці розв'язків [Ym]-1 може бути обчислена за (m-1)-ю модифікацією за виразом

де - вирощувана провідність вітки;

, - номери вузлів, до яких підімкнена керуюча вітка джерела струму, що керується напругою, з передаточною провідністю ; , - номери вузлів, до яких підімкнена керована вітка цього джерела; всі zij - елементи матриці ; t - символ транспонування (для вирощуваної провідності двополюсного елемента = , = ).

Після розкладу на прості дроби елементів матриці розв'язків [Y(p)]-1, переходу до часових оригіналів та підстановки тривалості інтервалів лінеаризації матриця розв'язків перетворюється у матрицю коефіцієнтів [D], тому рівняння (1) набирає вигляду

де [ I(0) ] = [ E0 0 0…0 ] - вектор-стовпець нульових початкових умов.

З метою зменшення труднощів, що виникають при врахуванні ненульових початкових умов, запропоновано заміну індуктивних елементів еквівалентних схем перетворювача на ємнісні за допомогою гіраторного перетворення. Таким чином створюються можливості уніфікації та формалізації процедури обчислення початкових умов:

де [C] - матриця вузлових ємностей, яка формується за тими ж правилами, що й матриця вузлових провідностей [Y(p)] , але тепер вона складається тільки з ємносних віток, N - кількість інтервалів лінеризації на часовому проміжку перемикання ключа.

Для розрахунку значень вузлових напруг в усталеному режимі роботи перетворювача запропоновано модифікований метод припасування, згідно з яким ці напруги обчислюються піднесенням до степеня k базової матриці

[]=[С][D(N)][C][D(N-1)]…[C][D(1)]

Значення k відповідає кількості періодів перемикання напівпровідникових ключів, протягом яких встановлюються процеси у перетворювачі.

Структура базової матриці аналогічна структурі матриць [D]:

[]= 1 0

[] []

де [] - матриця-стовпець коефіцієнтів передачі напруги матриці розв'язків (1) за винятком елемента першого рядка; [] - квадратна підматриця алгебраїчних доповнень матриці розв'язків (1) за винятком елементів перших строки та стовпця.

Якщо процес у колі встановлюється

[]к 0,

де [1] - одинична матриця.

Наведений алгоритм аналізу дозволяє розрахувати часові характеристики перетворювача, але власні значення матриць розв'язків у інтервалах лінеаризації є трансцендентними функціями параметрів компонентів перетворювача. Тому необхідний перехід до аналізу у частотній області, який базується на однозначній відповідності операторних та частотних уявлень, та дозволяє встановити зв'язок між частотними характеристиками завад та часовими характеристиками перетворювача.

У третьому розділі розглянуто комплекс завдань, пов'язаних з прогнозуванням кондуктивних радіозавад на початкових етапах проектування перетворювача та наведено алгоритм схемотехнічного проектування перетворювальних пристроїв у частотній області. Підкреслено, що при аналізі у часовій області перехідного та усталеного процесів, неможливо врахувати вимоги нормативних документів з ЕМС, які сформульовані у вигляді частотних характеристик завад. Для врахування цих вимог при проектуванні перетворювача у роботі запропонований непрямий якісний критерій виконання вимог ЕМС стосовно кондуктивних завад. За непрямий критерій прийнято степінь наближення амплітудно-частотних характеристик (АЧХ) елементів матриці розв'язків, розрахованих у кожному інтервалі лінеаризації, до вихідних АЧХ елементів цих матриць, розрахованих для ідеалізованих кіл перетворювачів без урахування паразитних параметрів компонентів та тривалості часу перемикань ключових елементів.

Встановлено, що мінімізація відхилень реальних АЧХ елементів матриці розв'язків від ідеалізованих характеристик приводить до зменшення рівня завад від перетворювача. Непрямий критерій виконання вимог ЕМС базується на формальному збіганні математичних апаратів перетворень Фур'є та Лапласа за умови заміни p=j. Це дозволяє досить легко перейти від аналізу матриць розв'язків у часовій області до розгляду АЧХ їх елементів.

З метою зменшення трудомісткості процедури аналізу запропоновано спочатку визначити ті паразитні параметри компонентів кола перетворювача, які є найбільш впливовими на хід АЧХ. Для цього пропонується скористатися базовою формулою методу модифікацій. Оскільки суттєві відхилення значень елементів матриць розв'язків []-1 від вихідних []-1 можливі лише за умови , можна підрахувати критичні значення вузлових провідностей і встановити границі діапазону значень паразитних параметрів компонентів перетворювача, за яких рівні завад не перевищують допустимі. Ті паразитні параметри, значення яких значно менші критичних, не впливають суттєво на формування завад, тому їх можно не враховувати у схемних моделях перетворювача. Варіювання значень “впливових” паразитних параметрів компонентів з метою мінімізації відхилень АЧХ елементів матриці розв'язків дозволяє сформулювати вимоги до елементної бази а також оцініти відповідность вимогам забезпечення ЕМС різних типів перетворювачів.

У четвертому розділі запропоновано узагальнений алгоритм та методику схемотехнічного проектування перетворювача з урахуванням вимог ЕМС стосовно кондуктивних радіозавад на початкових етапах.

Для вибраної на початку аналіза схеми перетворювача за умови ідеалізації ключових елементів та при відсутності паразитних параметрів проводиться аналіз у часовій області: складаються еквівалентні схеми у інтервалах часу перемикань ключових елементів; формуються нульові модифікації матриць вузлових провідностей , за методом модифікацій розраховуються зворотні матриці та матриці коефіцієнтів [D]; враховуються початкові умови, формується базова матриця [], шляхом піднесення якої до степеня k--> розраховується усталений режим.

Якщо часові характеристики перетворювача відповідають вимогам технічного завдання, проводиться аналіз у частотній області за непрямим критерієм: визначаються “впливові” паразитні параметри елементів еквівалентних схем, розраховуються АЧХ елементів матриці розв'язків та порівнюються з вихідними АЧХ, які обчислюються на етапі часового аналізу ідеалізованих схем за умови заміни p=j. Мінімізація спотворень АЧХ проводиться шляхом варіювання значень “впливових” паразитних параметрів елементів.

Коли критичні значення цих параметрів не перевищують припустимих, виконується перевірочний аналіз у часовій області кола перетворювача з “впливовими” паразитними параметрами елементів.

За умови, що критичні значення параметрів “впливових” паразитних елементів виходять за межі допустимих, необхідні спеціальні схемотехнічні засоби для зменшення спотворень АЧХ елементів матриць розв'язків. У цьому випадку кожний з запропонованих заходів враховується у схемних моделях кола перетворювача, після чого їх ефективність покроково оцінюється за непрямим критерієм. Остаточний аналіз у часовій області кола перетворювача з додатковими елементами, які використані з метою наближення АЧХ елементів зворотніх матриць до вихідних, є обов'язковим завершальним етапом алгоритму проектування.

Машинно-орієнтована методика схемотехнічного проектування перетворювачів з урахуванням вимог до кондуктивних завад складається, таким чином, з наступних основних етапів:

аналіз у часовій області вихідного ідеалізованого кола перетворювача;

аналіз у частотній області за непрямим критерієм кола перетворювача з урахуванням паразитних параметрів компонентів та кінцевого часу перемикання ключів;

мінімізація спотворень АЧХ елементів матриць розв'язків;

перевірочний аналіз у часовій області кола ПН з “впливовими” паразитними параметрами та засобами мінімізації спотворень АЧХ елементів матриці розв'язків.

Враховуючи складність запропонованого алгоритму схемотехнічного проектування перетворювачів з урахуванням забезпечення вимог ЕМС стосовно кондуктивних радіозавад на початкових етапах, у розділі наведено приклади його реалізації.

Розроблено схемні моделі ключового стабілізатора напруги знижувального типу, напівмостового та резонансного інверторів. На основі запропонованої методики наведені приклади реалізації алгоритмів обчислення усталеного режиму, знаходження лишків схемних функцій, врахування впливу паразитних параметрів компонентів перетворювача та кінцевої швидкості перемикання активних елементів.

У додатку наведено акти впровадження результатів дисертаційної роботи у промисловості та навчальному процесі.

ВИСНОВКИ

Дисертаційна робота є узагальненням та вирішенням комплексу питань, які мають наукове, практичне та прикладне значення. На підставі теоретичних досліджень сучасних напівпровідникових перетворювачів напруги та обчислювальних експериментів дістали розвинення положення теорії електромагнітної сумісності перетворювачів з мережою живлення та навантаженням. Внаслідок проведених досліджень запропоновано розрахунково-аналітичний аппарат для врахування вимог ЕМС стосовно кондуктивних індустрійних радіозавад при проектуванні перетворювачів, що дозволяє підвищити їх технічно-економічний рівень та забезпечити ефективне функціонування електрорадіоапаратури.

Проведено аналіз ефективності існуючих підходів для забезпечення ЕМС перетворювачів напруги ключового типу з мережею та споживачами електроенергії. Показано, що цю проблему необхідно вирішувати на початкових етапах проектування перетворювачів, коли кількість засобів забезпечення ЕМС практично не обмежена, а витрати - найменші.

Розроблено методологію автоматизованого схемотехнічного проектування перетворювачів напруги ключового типу з урахуванням вимог ЕМС щодо кондуктивних радіозавад на початкових етапах розробки.

Розроблена лінійно-параметрічна математична модель перетворювача у часовій області, яка відображає процеси формування та поширення кондуктивних радіозавад.

Розроблений спосіб врахування вимог ЕМС стосовно кондуктивних радіозавад у частотній області.

Запропонований непрямий критерій забезпечення вимог ЕМС при проектуванні перетворювачів.

Розроблено математичне забезпечення аналізу у частотній області, сумісне з математичним апаратом аналізу у часовій області.

Розроблено алгоритми схемотехнічного проектування перетворювача з урахуваням вимог ЕМС, які відповідають узагальненим вимогам до систем автоматизованого проектування пристроїв силової електроніки.

Розроблена методика схемотехнічного проектування перетворювачів.

Сформульовані наукові положення, висновки та рекомендації базуються на глибокому теоретичному аналізі, коректній постановці розв'язуваних задач і є достатньо науково обгрунтованими. Підтвердженням цього є практичне впровадження результатів дослідження при розробці перетворювачів напруги і в навчальному процесі.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

За темою дисертації опубліковано 41 наукову роботу. Основні з них:

Подавление электромагнитных помех в цепях электропитания // Г.С.Векслер, В.С. Недочетов, В.В. Пилинский, М.В. Родионова, В.А.Темников.-Киев: Тэхника, 1990.- 167с.

Енергозабезпечення електронної апаратури. Практикум: Навч.посібник / В.В.Пілінський, М.В.Родіонова, О.І.Рибін, В.О.Геранін, В.А.Демура; За ред. В.В. Пілінського.-К.:Вища школа, 1994.-258с.

Пилинский В.В., Родионова М.В., Темников В.А., Коваленко А.А. Спектр высокочастотных флуктуаций в импульсном источнике электропитания // Вест.Киев.политехн.ин-та. Сер. Электроакустика и звукотехника.-1982.-Вып.6.-С.59-61.

Пилинский В.В., Родионова М.В., Темников В.А., Спектральная структура типовых моделей процессов в импульсных преобразователях энергии // Вест.Киев.политехн.ин-та. Сер.Электроакустика и звукотехника.-1988.-Вып.12.-С.74-79.

Рыбин А.И., Родионова М.В. Анализ параметрических цепей с использованием метода модификаций // Изв. высш. учеб. завед. Радиоэлектроника.- 1990.- №6.-С.38-42.

Пилинский В.В., Родионова М.В., Рыбин А.И., Ястребов Н.И. Модификация алгоритма временного анализа цепи электропитания при обеспечении ЭМС // Вест.Киев. политехн. ин-та. Сер. Электроакустика и звукотехника.-1992.-Вып.16.-С.75-82.

Родионова М.В. Обеспечение электромагнитной совместимости при проектировании преобразователей электроэнергии ключевого типа // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск "Проблеми сучасної електротехніки."-Київ.-2000.-Ч.4.-С.13-18.

Недочетов В.С., Пилинский В.В., Родионова М.В., Темников В.А. Исследование помех, создаваемых импульсным источником питания // Акустика и ультразвуковая техника: Респ.межвед.науч.-техн.сб.-К.: Техника.-1981.-Вып.16.-С.97-100.

Расчет кондуктивных помех импульсных источников электропитания / Пилинский В.В., Родионова М.В., Темников В.А., Коваленко А.А., Лукин Н.В. Акустика и ультразвуковая техника: Респ.межвед.науч.-техн.сб.-К.:Техника.-1982.-Вып.17.-С.125-127.

Пилинский В.В., Родионова М.В., Темников В.А. Анализ сетевых помех от импульсных источников электропитания // Радиотехника: Респ. межвед. науч.-техн. сб.-Харьков: Вища школа. Изд.-во при Харьк. ун.-те, 1983.-Вып.67.-С.117-125.

Пилинский В.В., Родионова М.В., Рыбин А.И. Алгоритм анализа коммутационных помех источников электропитания // Акустика и ультразвуковая техника: Респ.межвед.науч.-техн.сб.-К.:Техніка, 1989.-Вып.24.-С.92-102.

Родионова М.В., Волченко Б.В., Рыбин А.И. Проектирование импульсных источников с учетом внутреннего сопротивления ключевых элементов // Конструирование быстродействующей помехозащищенной аппаратуры: межвуз.сб.науч.трудов.-М.:МИЭМ.-1991.-С.52-57.

Rybin A.I., Rodionova M.V., Trochimenko J.K. Analysis of Irregular Network using Diacoptic Modification of Admittence Matrix // Radio Engineering Rec. of Czech and Slovak Technical University.-1993.-V.2.-№4-Р.9-12.

Пилинский В.В., Родионова М.В., Рыбин А.И. Расчет электромагнитных помех преобразовательных устройств методом модификаций //Труды 4-й Всесоюзн. науч.-техн. конф. "Проблемы преобразовательной техники".-Киев: Ин-т электродинамики АН УССР.-1987.-Ч.5- С. 184-186.

Пилинский В.В., Родионова М.В., Рыбин А.И. Методика прогнозирования электромагнитных помех на основе косвенного критерия // Труды Х международного Вроцлавского симпозиума по ЭМС.- Вроцлав (Польша).- 1990.- Ч.1.-С.425-430.

Analysis and Suppresion of Power Supplies Switching Noise / Abakumov V.G., Pavlovsky V.A., Pilinsky V.V., Rodionova M.V., Rybin A.I., Shvaichenko V.B., Temnikov V.A. // Proceedings of 11-th International Wroclaw Symposium on Electromagnetic Compatibility EMC 92.-P.-397-402.

Пилинский В.В., Родионова М.В., Рыбин А.И., Денис А.П. Обеспечение электромагнитной совместимости при проектировании цепей электропитания Международный симпозиум по ЭМС.- Санкт-Петербург (Россия).- 1993.-Ч.2.-С.437-440.

Pilinsky V.V., Rodionova M.V., Rybin A.I., Shvaichenko V.B., Onikienko Y.A. Power Supplies Simulation with EMC Demands Accomplished // Труды международного симпозиума по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии “ЭМС и ЭМЭ-95”.-Санкт-Петербург (Россия).-1995.-С.183-184.

Pilinsky V.V., Rodionova M.V., Shvaichenko V.B., Temnikov V.A. SMPS Interferences: Prediction and Suppression // International Conference on Electrical Drives and Power Electronics Rec.- Kosice (Slovak Republic).- 1996.-V.2.- Р.479-483.

Родионова М.В. Алгоритм схемотехнического проектирования преобразовательных устройств ключевого типа // Проблемы развития систем аэронавигационного обслуживания и авионики воздушных судов: Материалы международн.науч.-техн.конф.”Аэронавигация и авионика-98”.-К.:КМУГА, 1998.-С.88-89.

АНОТАЦІЇ

Родіонова М. В. Алгоритми проектування перетворювачів напруги, електромагнітно-сумісних з мережою та навантаженням. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.12 - Напівпровідникові перетворювачі електроенергії. - Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2001 р.

У дисертації досліджено питання забезпечення електромагнітної сумісності стосовно індустрійних кондуктивних радіозавад при автоматизованому схемотехнічному проектуванні напівпровідникових перетворювачів напруги ключового типу (далі - перетворювачів). У роботі запропонована методологія схемотехнічного проектування перетворювачів, за якої вимоги електромагнітної сумісності враховуються на початкових етапах розробки. Доведено, що ці вимоги, сформульовані у нормативних документах як частотні характеристики завад, можливо врахувати за допомогою аналізу амплітудно-частотних характеристик елементів матриць розв'язків, розрахованих у інтервалах лінеаризації перетворювача. Встановлено, що мінімізація відхилень АЧХ цих елементів, які зумовлені наявністю паразитних параметрів компонентів та тривалістю часу перемикань ключів, приводить до зменшення рівня індустрійних кондуктивних радіозавад, створюваних перетворювачем. Розроблено алгоритми автоматизованого схемотехнічного проектування перетворювачів з урахуванням вимог електромагнітної сумісності та запропоноване математичне забезпечення для їх реалізації.

Основні наукові положення та практичні результати, одержані у роботі, знайшли застосування при розробці промислових перетворювальних пристроїв та у навчальному процесі.

Ключові слова: електромагнітна сумісність, індустрійна кондуктивна радіозавада, перетворювач напруги, моделювання, схемотехнічне проектування.

Rodionova M.V. Algorithms of design of converters with EMC demands to the network and the load accomplishment.- Manuscript.

Thesis for candidate of technical sciences degree on speciality 05.09.12 - Semiconductor converters of electrical energy.- National Technical University of Ukraine "Kiev Polytechnical Institute", Kiev, 2001.

The thesis is devoted to electromagnetic compatibility (EMC) accomplishment at automatic converters design. New methodology of converters design when EMC demands to radiofrequency interferences are taking into account at the beginning of design procedure is suggested. It's shown that normative EMC demands, which are represented as amplitude - frequency responses (AFR) of interferences, may be ensured by means of analysis of decision matrixes elements. It's found that minimization of AFR departures, which is caused by the converters components' parasitic parameters and switching time of the active elements, results in interferences decrease. The algorithms of automatic converters design are developed and mathematics for their realization is suggested. Scientific results of the dissertation have found the utility in the design of new industrial converters with improved EMC.

Keywords: electromagnetic compatibility, radiofrequency interference, converter, simulation.

Родионова М.В. Алгоритмы проектирования преобразователей напряжения, электромагнитно-совместимых с сетью и нагрузкой.-Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.12 - Полупроводниковые преобразователи электроэнергии. - Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2001.

В диссертации рассмотрены вопросы обеспечения электромагнитной совместимости в аспекте кондуктивных радиопомех при автоматизированном схемотехническом проектировании полупроводниковых преобразователей напряжения ключевого типа. Полученные научные результаты базируются на использовании математического аппарата современной теории линейных электронных цепей. Обьектом исследования являются транзисторные преобразователи напряжения ключевого типа (далее-преобразователи), при работе которых создаются индустриальные радиопомехи значительных уровней (до 120 дБ/мкВ), распространяющиеся в диапазоне частот до десятков… сотен МГц.

Разработана параметрическая модель преобразователя, полностью отражающая свойства ключа при переключении: конечные значения сопротивления ключа Rкл(t) в замкнутом и разомкнутом состояниях и наличие интервала времени перехода ключа из одного устойчивого состояния в другое. Кусочно-ступенчатое представление зависимости Rкл(t) на интервалах переключения ключа обусловливает возможность перехода к линейной в интервалах времени модели преобразователя.

При анализе характеристик, связанных с обеспечением электромагнитной совместимости, в моделях преобразователей необходимо учитывать паразитные параметры компонентов и цепей распространения кондуктивных помех. В связи с этим преобразователи моделируются набором линейных высокочастотных эквивалентных схем в соответствии с интервалами постоянства значений Rкл(t), количество элементов которых достигает 10…15. Показано, что для анализа процессов в сложных параметрических кусочно-линейных в интервалах времени цепях целесообразно использование современных символьно-численных методов:

- узловых напряжений в операторной форме - для формирования систем уравнений электрического равновесия в интервалах линеаризации;

- непрерывного преобразования Лапласа для решения этих уравнения;

- припасовывания - для “сшивки” кусочно-линейных решений.

Для уменьшения трудоемкости и операционных погрешностей вычисления предложено использовать для обращения матриц узловых проводимостей символьно-численный матрично-топологический метод модификаций. Для унификации учета ненулевых начальных условий предложено заменить индуктивные элементы эквивалентных схем преобразователей на емкостные на основе гираторного преобразования. Поскольку для емкости начальные условия не зависят от комплексной частоты р, такой подход позволяет снизить порядок системы уравнений электрического равновесия. Увеличение количества узлов из-за применения гираторов, нагруженных на емкости, не усложняет процедуры вычисления обратных матриц узловых проводимостей при использовании метода модификаций. Для вычисления установившегося режима предложен модифицированный метод припасовывания, что позволило формализовать процедуру и избежать многократного вычисления ненулевых начальных условий. В работе предложена методология схемотехнического проектирования преобразователей, в соответствии с которой требования электромагнитной совместимости применительно к кондуктивным радиопомехам учитываются на начальных этапах разработки. Показано, что эти требования, сформулированные в нормативной документации в виде частотных характеристик помех, можно учесть путем анализа амплитудно-частотных характеристик элементов матриц решений, рассчитанных в интервалах линеаризации преобразователя. Установлено, что минимизация отклонений амплитудно-частотной характеристики этих элементов, которые обусловлены наличием паразитных параметров компонентов и конечной длительностью времени переключения активных ключевых элементов, приводит к уменьшению уровня кондуктивных помех, создаваемых преобразователями. Разработаны алгоритмы схемотехнического проектирования преобразователей и предложено математическое обеспечение для их реализации.Основные научные положения и практические результаты, полученные в работе, применяются при разработке промышленных преобразователей напряжения. Ключевые слова: электромагнитная совместимость, индустриальная кондуктивная радиопомеха, преобразователь напряжения, моделирование, схемотехническое проектирование.

Размещено на Allbest.ur