Матрично-топологічний синтез структур вентильних перетворювачів

підклас ТОППН з потенціальною компенсацією пульсацій вихідної напруги 10 схем.

Запропоновано методику синтезу однотактних перетворювачів постійної напруги з неперервним струмоспоживанням для довільної вихідної підсхеми, що дозволяє схемотехнічно поліпшити електромагнітну сумісність джерел електроживлення, побудованих на їх основі. В отриманому повному наборі схем однотактних перетворювачів з вказаною властивістю знайдено нову схему, що переважає відомі за напругою ключів та за величиною пульсацій струму вхідного дроселя.

Рис. 12

Як інший приклад аналітичного синтезу ВП зі спеціальними наперед заданими властивостями розглянуто побудову ТОППН, що реалізують регулювальну характеристику підвищувального типу. Такі перетворювачі можуть знайти використання в високовольтних джерелах живлення. Встановлено, що підклас цих ТОППН містить 6 схем.

В шостому розділі розглянуто практичне використання методу структурного синтезу.

Для ранжування генеруємих схемних рішень однотактних перетворювачів в заданих умовах експлуатації розроблено динамічний та енергетичний критерії вибору оптимальних варіантів. Як динамічний критерій вибору пропонується використовувати граничні значення коефіцієнтів стабілізації по струму та напрузі, що досягаються на межі стійкості в малому. Для найбільш поширених систем керування з модуляторами, побудованими на основі порівняння лінійно зростаючої пилкоподібної напруги uП(t) з підсиленим сигналом зворотнього зв'язку KУ[UОП - KД cTx(t)], що забезпечує однобічну широтно-імпульсну модуляцію другого роду, коефіцієнт стабілізації за струмом навантаження визначається виразом

, (14)

-середнє значенння вихідної напруги; G та Y=UG провідність та середнє значення струму навантаження;

RA = А-1R(AT)-1;

KU =det (I-S) / det (I-H) =

- коефіцієнт стабілізації за миттєвим значенням вхідної напруги;

S=H(I+l cT)

- матриця, за допомогою якої діагностується стійкість в малому однотактного перетворювача;

- узагальнений коефіцієнт підсилення з урахуванням фактора пульсацій; К=КУКД.

Параметри KI та KU набувають максимальних значень при =гр на межі стійкості в малому, коли власні числа матриці S перебувають на межі круга одиничного радіусу. Саме ці максимально припустимі значення KImax и KUmax характеризують граничні стабілізуючі властивості конкретної схеми перетворювача та приймаються як динамічний критерій вибору оптимальних схемних рішень ТОППН.

Загальновідомим енергетичним критерієм вибору оптимального схемного варіанту є к.к.д. Виведено загальну формулу для к.к.д. ТОППН при прийнятій моделі протікання електромагнітних процесів.

, (15)

де

J1Y = Y-1J1; J0Y = Y-1J0; U0U = U-1U0; DR = G-1D.

Розрахунки за формулою (15) при різних значеннях коефіцієнта заповнення імпульсів керування регулюючого транзистора та коефіцієнта трансформації n дозволяють не тільки визначити найкращу схему перетворювача для заданих умов експлуатації, але й розрахувати параметри її оптимального усталеного режиму.

Отримані теоретичні результати лягли в основу пакету прикладних програм для аналітичної побудови ТОППН та вибору оптимальних варіантів за заданим критерієм.

Пакет містить три програмні модулі:

програмний модуль GEN (інтерфейс програми наведено на рис. 13) генерує всі варіанти ГТМ для заданих структурних матриць та кількостей елементів перетворювача;

програмний модуль ОРЕ відображує у вигляді графіків к.к.д. та регулювальну характеристику ТОППН в залежності від коефіцієнтів і n та дозволяє обрати оптимальний варіант схеми за енергетичним критерієм;

програмний модуль ОРD відображує у вигляді графіків коефіцієнти стабілізації KIмах, KUмах в залежності від коефіцієнту і параметру qN= LC T та дозволяє обрати оптимальний варіант схеми за динамічним критерієм.

Пакет програм впроваджено в процес проектування джерел електроживлення НВП "Дугамма" (м. Киів), а також використовується в Політехніці Зеленогурській (Польща).

Запропоновані автором методики синтезу та схемні рішення знайшли практичне застосування при створенні ряду конкретних пристроїв перетворювальної техніки, таких, як модуль електроживлення ФТ 5002 (АК "Росток", м. Киів), зварювальних напівавтоматів АС-02 та джерел живлення касових апаратів "SILEKS" (НВП "Дугамма", м. Киів).

В навчальний процес Національного технічного університету України "КПІ" та Державної академії легкої промисловості України впроваджені основні результати теоретичних досліджень дисертаційної роботи. Складено методичні вказівки загальним обсягом 3,45 д.а для самостійного вивчення розділу курсу "Аналіз електронних схем", присвяченого синтезу ВП.

Висновки

В дисертаційній роботі розроблено теоретичні положення нового методу структурного синтезу вентильних перетворювачів на основі головної топологічної матриці та надана його практична реалізація у вигляді методик генерації схем основних класів пристроїв перетворювальної техніки. Отримані в дисертації методи, алгоритми та програми у сукупності розв'язують важливу наукову проблему синтезу схем вентильних перетворювачів.

Основні результати роботи полягають в наступному:

1. Встановлено, що основними напрямками вдосконалення існуючих методів синтезу перетворювальних пристроїв є розробка критеріїв працездатності і забезпечення повноти генеруємих схемних рішень, формалізація заданих властивостей та виключення ізоморфних варіантів синтезу.

2. Запропоновано матрично-топологічну теорію синтезу схем ВП, що включає опис схем ВП за допомогою головної топологічної матриці, застосування топологічних критеріїв працездатності ВП, встановлення топологічних еквівалентів заданих властивостей, використання якої дає змогу формалізувати процедуру синтезу будь-якого класу ВП.

3. Встановлено топологічні закономірності побудови схем ВП, а саме: взаємозв'язок числа головних контурів та перетинів графа схеми з кількістю та типом елементів ВП та режимами їх роботи; неособливість підматриць синтезуємої ГТМ, що забезпечують її перехід в кожну з інтервальних форм; топологічні еквіваленти властивостей гальванічної розв'язки та симетрії схеми, використання яких дозволяє скоротити кількість варіантів з'єднання елементів при синтезі.

4. Запропоновано метод структурного синтезу ВП на основі ГТМ, що дозволяє генерувати повний набір неізоморфних схем певного класу із заданими властивостями та може використовуватись у вигляді повного і цілеспрямованого переборів, застосовуватись до підсхем тощо.

5. На основі загального алгоритму матрично-топологічного синтезу запропоновано методики синтезу та отримано 19 нових схем таких класів ВП: регуляторів змінної напруги, автономних інверторів, безпосередніх перетворювачів частоти, однотактних, двотактних та квазірезонансних перетворювачів, імпульсних перетворювачів з магнітними регуляторами.

6. Запропоновано метод балансу амплітуд пульсаційних функцій для аналізу усталених процесів у двоінтервальних перетворювачах постійної напруги із змінною структурою, що дозволяє отримати аналітичні вирази для к. к. д., регулювальної характеристики, амплітуд пульсаційних функцій довільних порядків, а також аналітично задати такі властивості, як компенсація пульсацій вихідної напруги, підвищувальний тип регулювальної характеристики тощо.

7. На основі аналітичного підходу запропоновано принципи побудови підкласів схем транзисторних однотактних перетворювачів постійної напруги з симетричним перемагнічуванням осердь трансформаторів, з струмовою компенсацією пульсацій вихідної напруги, з підвищувальною регулюючою характеристикою, та отримано повні набори схем вказаних підкласів. Доповнено новими схемами підкласи однотактних перетворювачів з потенціальною компенсацією пульсацій вихідної напруги та безперервною кривою споживаємого струму. Пріоритет автора в розробці вказаних підкласів схем захищений 11 авторськими свідоцтвами і заявками на патенти.

8. Створено програмне забезпечення для аналітичної побудови схем однотактних перетворювачів із заданими властивостями та вибору оптимальних варіантів для заданих умов експлуатації за розробленими динамічним та енергетичним критеріями.

9. Результати виконаних в дисертації теоретичних досліджень і практичних розробок знайшли застосування в ряді дослідних організацій, промислових підприємств і вищих навчальних закладах України та за її межами (АК "Росток", м. Київ, НВО "Дугамма", м. Київ, Політехніка Зеленогурська, Польща, Національний технічний університет України "КПІ", Державна академія легкої промисловості України, м. Київ).

10. Сформульовані в дисертації наукові положення, рекомендації і висновки є достатньо обґрунтованими, бо базуються на глибокому теоретичному аналізі, коректній постановці розв'язуваних завдань, взаємозв'язку нових схем, що отримані в процесі синтезу, з відомими.

11.Результати дисертаційної роботи рекомендуються для використання в розробках Інституту електродинаміки НАН України (м. Київ), Харківського державного політехнічного університету, Українському НДІ силової електроніки "Перетворювач" (м. Запоріжжя), НДІ ВО ХЕМЗ (м. Харків).

Основні публікації за темою дисертації

Артеменко М.Е. Анализ систем с переменной структурой методом баланса амплитуд пульсационных функций. //Электроника и связь. - 1997. - Вып. 2. - Ч.1. - С. 72-76.

Артеменко М.Е. Аналитический синтез структур транзисторных преобразователей постоянного напряжения Электроника и связь. -1997.- Вып. 3. - Ч.2.- С. 8-11.

Артеменко М.Е. Синтез регуляторов переменного напряжения Электроника и связь. - 1998. - Вып. 4. - Ч.2.- С. 221-225.

Артеменко М.Е. Синтез транзисторных преобразователей напряжения на основе главной топологической матрицы Электроника и связь. -1997.- Вып. 2. - Ч.1.- С. 67-71.

Артеменко М.Ю. Синтез квазірезонансних перетворювачів постійної напруги // Наукові вісті НТУ України "КПІ". - 1998. - №1. - С. 5-9.

Артеменко М.Е. Матрично-топологический синтез вентильных преобразователей // Технічна електродинаміка. Спеціальний випуск 2. - 1998. -Т.1. -С.13-16.

Артеменко М.Е. Топологический синтез однотактных транзисторных преобразователей напряжения, работающих в режиме прерывистого магнитного потока // Технічна електродинаміка. - 1998. - №2. -C. 19-24.

Артеменко М.Е. Топологическая теория построения транзисторных преобразователей напряжения. Proceedings of the 3rd ISTC "Unconventional Electromechanical and Electrical Systems", Alushta, the Crimea, Ukraine. - 1997. - V. 2. - Р. 521-526.

Артеменко М.Е., Морозов В.Г. Стабилизированные преобразователи напряжения с магнитными регуляторами // Технічна електродинаміка. Спеціальний випуск 2. - 1998. -Т.1. -С. 90-93.

Артеменко М.Е., Подладчиков В.Н., Щелконогов Б.В. Векторный способ вычисления матричной экспоненты // Вестн. Киев. политехн. ин-та. Радиоэлектроника. - 1991. - Вып. 28. - С. 3-5.

Артеменко М.Е., Тахер М.А. Топологический анализ транзисторных преобразователей напряжения // Электроника и связь. - 1996. Вып. 1. - С. 107-114.

Артеменко М.Е., Тахер М.А. Синтез транзисторных преобразователей напряжения с заданными свойствами // Техническая электродинамика.-1994. - №4. - C. 43-47.

Артеменко М.Е., Щелконогов Б.В. Машинный расчет граничного коэффициента усиления ШИП // Вестн. Киев. политехн. ин-та. Радиоэлектроника. -1992. - Вып. 29. - С. 109-112.

Артеменко М.Е., Щелконогов Б.В. Стабилизирующие свойства ШИП с переменной структурой при изменении тока нагрузки // Вестн. Киев. политехн. ин-та. Радиоэлектроника. - 1992. - Вып. 29. - С. 44-48.

Жуйков В.Я., Артеменко М.Е. Алгоритм матрично-топологического синтеза вентильных преобразователей // Электроника и связь. -1998. -Вып. 4. - Ч.2. - С. 216-220.

Коротеев И.Е., Артеменко М.Е. Расчет коэффициента стабилизации импульсных преобразователей с ШИМ-2 // Изв. вузов СССР. Энергетика.-1987.- № 12. - С. 8-14.

А.с. 1529369 СССР, МКИ Н 02М 3/335. Регулируемый однотактный преобразователь напряжения /М.Е. Артеменко, В.Д. Гулый (СССР).-3 с. ил.; Опубл. 15.12.89, Бюл. №46.

А.с. 1580500 СССР, МКИ Н 02М 3/335. Однотактный преобразователь постоянного напряжения в постоянное /М.Е. Артеменко, В.Д. Гулый, И.Ф. Пельтек (СССР).-3 с. ил.; Опубл. 23.07.90, Бюл. №27.

А.с. 1638775 СССР, МКИ Н 02М 3335. Стабилизированный однотактный преобразователь напряжения В.Г. Морозов, М.Е. Артеменко, В.Д. Гулый, И.Ф. Пельтек (СССР). - 6 с. ил.; Опубл. 30.03.91, Бюл. №12.

А.с. 1665477 СССР, МКИ Н 02М 3335. Однотактный преобразователь постоянного напряжения М.Е. Артеменко (СССР). - 3 с. ил.; Опубл. 23.07.91, Бюл. №27.

А.с. 1676032 CCCP, МКИ Н 02М 3/335. Однотактный преобразователь постоянного напряжения /М.E. Артеменко, В.Г. Морозов (СССР). - 3 с. ил.; Опубл. 07.09.91, Бюл. №33.

А.с. 1728947 СССР, МКИ Н 02М 3335. Стабилизированный однотактный преобразователь напряжения В.Г. Морозов, М.Е. Артеменко, В.Д. Гулый (Украина). - 6 с. ил.; Опубл. 23.04.92, Бюл. №15.

А.с. 1737664 СССР, МКИ Н 02М 3/335. Регулируемый однотактный преобразователь напряжения /М.Е. Артеменко (Украина). - 3 с. ил.; Опубл. 30.05.92, Бюл. №20.

А.с. 1791933 СССР, МКИ НО 2М 3/335. Однотактный преобразователь постоянного напряжения / М.Е. Артеменко (Украина). - 4 с. ил.; Опубл. 30.01.93, Бюл. №4.

А.с. 1793520 СССР, МКИ Н 02М 3/335. Регулируемый однотактный преобразователь постоянного напряжения в постоянное / М.Е. Артеменко, В.А. Попов, В.Г. Маленко (Украина). - 3 с. ил.; Опубл. 07.02.93, Бюл. №5.

А.с. 1809515 СССР, МКИ 3 Н 02М 3337. Преобразователь постоянного напряжения М.Е. Артеменко, В.Г. Морозов (Украина). - 3 с. ил.; Опубл. 15.04.93, Бюл. №14.

А.с. 1826113 СССР, МКИ 3 Н 02М 3335. Регулируемый однотактный преобразователь напряжения М.Е. Артеменко, Р.М. Скрипник (Украина). - 3 с. ил.; Опубл. 07.07.93, Бюл. №25.

Заявка № 94063171 Украина, МКИ Н 02М 3/335. Однотактный преобразователь постоянного напряжения в постоянное/ М.Е. Артеменко (Украина), М.А. Тахер (Йемен).- Опубл. в ОБ "Промислова власність" № 2, 1997.-С. 2.94.

Заявка № 94076312 Украина, МКИ Н 02М 3/335. Однотактный преобразователь постоянного напряжения / М.А. Тахер (Йемен), М.Е. Артеменко(Украина).- Опубл. в ОБ "Промислова власність" № 1, 1996. - С. 2.112.

Заявка № 95031292 Украина, МКИ Н 02М 3/336. Однотактный преобразователь напряжения / М.А. Тахер (Йемен), М.Е. Артеменко (Украина). - Опубл. в ОБ "Промислова власність" № 2, 1998. - С. 2.72-2.73.

Артеменко М.Е., Криштафович И.А., Синицына И.З. Современные методы анализа энергетических процессов в транзисторных преобразователях напряжения. -К.: 1991. - 53 c. - (Препр. / АН УССР. Ин-т электродинамики; № 688).

Методичні вказівки для самостійної роботи по курсу "Аналіз електронних схем" для студентів спеціальностей 6.0908; 6.0922 /Упор. М.Ю. Артеменко. К.: ДАЛПУ, 1998. 76 с.

Артеменко М.Е., Гулый В.Д., Морозов В.Г. Многоканальный ИВЭП.-В сб.: Высокоэффективные источники и системы вторичного электропитания РЭА. Материалы семинара. -М.: МДНТП, 1989. -С. 55-59.

Артеменко М.Е. Улучшение массогабаритных показателей однотактных преобразователей напряжения // Тезисы докладов 4 Всесоюз. науч. техн. конф. "Проблемы преобразовательной техники". -Киев, 1987.-Ч.6.-С.17-19.

Артеменко М.Е. Матричный метод анализа однотактных преобразователей напряжения // Тезисы докладов 5-й Всесоюз. Науч.-техн. конф. "Проблемы преобразовательной техники". - Чернигов, 1991. -Ч.2.-С. 156-158.

Размещено на Allbest.ru