Дослідження багатофазних імпульсних перетворювачів з ШІМ-регулюванням та розробка методики їх проектування

Дослідження стану пристроїв та систем електроживлення телекомунікаційних систем України. Формулювання принципів побудови, розробка функціональної схеми комплексу програмного забезпечення, розробка алгоритмів і створення програмного забезпечення.

Рубрика Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Вид автореферат
Язык украинский
Дата добавления 22.07.2014
Размер файла 88,4 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дослідження багатофазних імпульсних перетворювачів з ШІМ-регулюванням та розробка методики їх проектування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Для зниження собівартості послуг електрозв'язку передбачається здійснити заміну застарілого енергоємного обладнання і впровадження нових енергозберігаючих технологій. З цього погляду, до параметрів перетворювачів електричної енергії (ПЕЕ) - пристроїв і систем електроживлення та електропостачання телекомунікаційного устаткування, що значною мірою визначають техніко-економічні показники апаратури в цілому (надійність, енергоємність, час готовності до роботи, обсяг, маса), ставляться все більш жорсткі вимоги.

Використання імпульсного методу перетворення і регулювання електричної енергії дозволяє створювати пристрої та системи з більш високою питомою потужністю й характеристиками, недосяжними при використанні інших методів. Для підвищення рівня уніфікації та надійності імпульсних перетворювачів електричної енергії використовується їхня модульна побудова з N однотипних взаємозамінних перетворювачів постійної напруги - силових каналів. Наявність функціонально-необхідних при імпульсному перетворенні електроенергії реактивних елементів утруднює мініатюризацію ПЕЕ. Зменшення маси й обсягу реактивних елементів досягається підвищенням частоти перетворення, однак це призводить до збільшення частотних втрат, що також перешкоджає мініатюризації ПЕЕ, тобто при використанні ПЕЕ з традиційним однофазним принципом перетворення електричної енергії, коли N силових каналів працюють синфазно, виникає суперечність між масогабаритними й енергетичними показниками апаратури.

Вирішення зазначеної суперечності - подальший розвиток мініатюризації імпульсних ПЕЕ - досягається переходом до багатофазного принципу перетворення електричної енергії за рахунок розбивки одного імпульсного процесу перетворення електроенергії на декілька N процесів, зміщенню їх у часі відносно один до одного і підсумовування в загальних колах їх протікання. У багатофазному імпульсному перетворювачі (БІП), що реалізує зазначений принцип перетворення електроенергії, з'являється можливість зменшення обсягу й маси силових згладжувальних фільтрів без збільшення частоти перетворення. Основні теоретичні аспекти й питання практичної реалізації БІП постійної напруги одержали розвиток у роботах М.С. Аравіна, С.С. Букреєва, А.Г. Віленкіна, А.Ф. Кадацького, Н.С. Комарова, Ю.Н. Шуваєва й А.І. Юрченка.

Незважаючи на ряд уже вирішених питань з аналізу електричних процесів БІП, ще існують проблеми, що стримують широке їх використання у пристроях та системах електроживлення й електропостачання. Аналіз науково-технічних публікацій показав, що специфіка конкретної схеми ПЕЕ і режими роботи описуються окремою, спеціально розробленою математичною моделлю. В результаті, зі збільшенням кількості розглянутих схем і режимів їхньої роботи збільшується й кількість математичних моделей, використання яких призводить до відповідного збільшення методик дослідження, значного ускладнення програмних комплексів, збільшення часових і апаратних ресурсів обчислювальної техніки, що використовуються при аналізі й синтезі ПЕЕ. На сьогодні відсутні методики дослідження БІП із силовими каналами різного типу виконання, що функціонують у різних режимах струмів дроселів; не зовсім вирішене питання програмного забезпечення, яке дозволяє ефективно виконувати дослідження при аналізі та проектуванні БІП; відсутні систематизовані результати досліджень, необхідні для розробки методики проектування БІП.

Отже, виявлення, розробка і застосування адекватних математичних моделей, що одночасно описують різні схемотехнічні рішення й режими їх роботи та дозволяють використовувати ЕОМ для вирішення завдань аналізу, синтезу й оптимізації пристроїв і систем з багатофазним принципом перетворення електроенергії, є актуальною задачею. Методики, алгоритми і програмне забезпечення, розроблені на базі зазначених моделей, повинні підвищити ефективність досліджень при аналізі пристроїв і систем з імпульсним принципом перетворення електроенергії; нові результати досліджень сприятимуть розробці методики проектування БІП з метою поліпшення їх техніко-економічних показників для широкого використання на практиці.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Вирішувані в роботі проблеми безпосередньо випливають із задач у галузі науки, сформульованих у «Концепції розвитку ОАО «Укртелеком» до 2005 р.» (п. 5.2.5) й у «Переліку державних, наукових і науково-технічних програм по пріоритетних напрямках розвитку науки і техніки на 2002-2006 р.р.», затвердженому Постановою КМУ №1716 від 24.12.2001 р.

Мета роботи і задачі - дослідження БІП постійної напруги із силовими каналами знижуючого, підвищуючого і інвертуючого типів виконання, включаючи розробку математичних моделей, розробку методик дослідження і програмного забезпечення, та розробку на базі отриманих результатів дослідження методики автоматизованого проектування систем і пристроїв з багатофазним принципом перетворення електроенергії з поліпшеними масогабаритними показниками.

Для виконання поставленої мети в дисертації вирішувалися наступні основні задачі:

- дослідження стану пристроїв і систем електроживлення телекомунікаційних систем України з метою обґрунтування можливості використання багатофазного принципу перетворення електроенергії в зазначених пристроях для поліпшення їх техніко-економічних показників;

- аналіз стану питання з проблем дослідження і проектування БІП, на підставі якого зіставлені різні математичні моделі електричних процесів і енергетичних співвідношень основних схем імпульсних перетворювачів постійної напруги з метою розробки математичної моделі, зручної для використання на ЕОМ;

- розробка вимог, пропонованих до програмного забезпечення: формулювання принципів побудови, розробка функціональної схеми комплексу програмного забезпечення, розробка алгоритмів і створення програмного забезпечення для автоматизованого дослідження БІП;

- отримання й аналіз нових результатів досліджень електричних процесів і енергетичних параметрів імпульсних перетворювачів постійної напруги із силовими каналами знижуючого, підвищуючого та інвертуючого типів, на підставі чого запропонувати методику автоматизованого проектування БІП.

Об'єкт дослідження - перетворювачі постійної напруги із широтно-імпульсним методом (ШІМ) регулювання з силовими каналами знижуючого, підвищуючого й інвертуючого типів.

Предмет дослідження - математичні моделі, методики й алгоритми дослідження електричних процесів і енергетичних параметрів перетворювачів постійної напруги з багатофазним і однофазним принципами перетворення електричної енергії при розривному, граничному і нерозривному режимах роботи в режимі стабілізації напруги на виході перетворювача.

Методи дослідження. Для розв'язання поставлених задач використані методи теорії електричних кіл: при розробці математичної моделі електричних процесів перетворювачів постійної напруги й методи цифрового моделювання при обґрунтуванні математичної моделі електричних процесів перетворювачів постійної напруги, при розробці алгоритмів, що є основою обчислювальних процедур при дослідженнях і проектуванні, та окремі положення теорії оптимізації.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Обґрунтовано вибір узагальнених математичних моделей електричних процесів БІП: одна - на основі використання часового, друга - спектрального методів аналізу, що дозволяє проводити необхідний комплекс розрахунків при розв'язанні задач дослідження і проектування.

2. Розроблено математичну модель електричних процесів перетворювачів постійної напруги, яка узагальнена щодо трьох типів основних схем силових каналів (знижуючий, підвищуючий, інвертуючий), і щодо режимів роботи перетворювача (при розривному, граничному і нерозривному струмах), що дозволяє проводити розрахунки електричних, енергетичних і конструктивних параметрів перетворювача.

3. Розроблено методики, алгоритми і програми розрахунку симетричних електричних процесів і енергетичних параметрів перетворювачів постійної напруги модульної структури в режимі стабілізації, що складають обчислювальну основу для автоматизованого дослідження і проектування пристроїв та систем електроживлення з заданими показниками якості: визначення основних параметрів електричних процесів силових каналів зазначених типів, в т. ч. при асиметрії; дослідження залежностей параметрів перетворювача (показників якості, енергетичних параметрів) впливу числа силових каналів на параметри перетворювача.

4. Виконано дослідження основних параметрів модульних імпульсних перетворювачів постійної напруги із силовими каналами зазначених типів, зроблена порівняльна оцінка показників якості перетворювачів з однофазним і багатофазним принципами функціонування, показано, що в БІП, порівняно з ПЕЕ з однофазним принципом перетворення електричної енергії, зі збільшенням числа силових каналів зменшуються пульсації по входу і по виходу (наприклад, від 20 (при N=4) до 70 (при N=8) разів), що дозволяє використовувати вхідний і вихідний згладжувальні фільтри з меншими масогабаритними значеннями.

5. Розроблена методика автоматизованого проектування БІП за критерієм мінімального обсягу при забезпеченні заданої якості вихідної напруги, що сприяє практичній реалізації пристроїв даного класу з поліпшеними масогабаритними показниками.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Розроблена математична модель електричних процесів перетворювача постійної напруги орієнтована на широке використання ЕОМ, зручна при виконанні досліджень у часовій і частотній областях; поширюється на багатофазний і однофазний принципи перетворення електроенергії, на різні типи силових каналів; забезпечує ефективні розрахунки електричних процесів при значному скороченні витрат часу ЕОМ порівняно з моделями інших авторів.

2. Розроблені алгоритми і програмне забезпечення, що складають обчислювальну основу запропонованої методики дослідження БІП, відрізняються компактністю процедур, можливістю вирішувати різні задачі аналізу в межах єдиного комплексу програмного забезпечення, а також можливістю реалізації автономних режимів роботи окремих програмних модулів комплексу. Програмне забезпечення дозволяє проводити необхідний комплекс розрахунків при розв'язанні задач дослідження, кінцевою метою яких є створення пристроїв і систем електроживлення із заданими показниками якості вихідної напруги.

Впровадження результатів роботи проводилося в рамках держбюджетної НДР «Дослідження БІП постійної напруги», що виконувалася в 1998-2001 р. р. в Одеській Національній академії зв'язку ім. О.С. Попова у вигляді математичного і програмного забезпечення для автоматизованого проектування БІП для пристроїв і систем вторинного електроживлення, переданого Одеському НДІ зв'язку. У доданому до дисертації акті передачі й упровадження результатів наукових досліджень відзначається високий ступінь вірогідності результатів досліджень, одержуваних за допомогою розробленого ПО. Основні наукові і практичні результати роботи впроваджені в навчальний процес ОНАЗ ім. О.С. Попова. Акти впровадження додаються.

За матеріалами дисертації опубліковано 14 статей, в тому числі 5 - (4 у співавторстві) у фахових науково-технічних журналах, 9 доповідей (7 у співавторстві) у збірниках праць науково-технічних конференцій.

Особистий внесок здобувача. Основні наукові положення, результати досліджень, висновки і рекомендації, що містяться в дисертаційній роботі, отримані автором самостійно. При цьому в роботах, опублікованих у співавторстві, автору належать: у [4] - розрахунок параметрів електричних процесів при їхній симетрії й асиметрії в ПЕЕ з однофазним і багатофазним принципами перетворення електроенергії із силовими каналами інвертуючого типу; [7] - розробка методики й алгоритмів дослідження ПЕЕ із силовими каналами підвищуючого типу; [5] - автоматизоване дослідження параметрів і показників якості електричних процесів у перетворювачах постійної напруги; [6] - моделювання на ЕОМ електричних процесів перетворювачів постійної напруги модульної структури з розривними і нерозривними струмами силових каналів.

Апробація результатів роботи. Основні результати досліджень доповідалися й обговорювалися на Міжнародних науково-технічних і науково-практичних конференціях по телекомунікаціях: «НТК-Телеком-99», «НТК-Телеком-2001», «Системи і засоби передачі й обробки інформації» (ССПОІ-99 - ССПОІ-2002), (Одеса, 2003) на 7-му Міжнародному молодіжному форумі «Радіоелектроніка і молодь XXI століття» (Харків, 2003 р.). Програмний модуль для автоматизованого дослідження імпульсних перетворювачів постійної напруги демонструвався на Міжнароднії виставці-симпозіумі «Електроніка й енергетика - 2001» (Одеса, 2001).

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновку і 4 додатків. Загальний обсяг дисертаційної роботи складає 197 сторінок, з них 152 сторінки основного тексту, 53 сторінки з рисунками, 5 сторінок з таблицями,

33 сторінок додатків. Список використаних джерел на 12 сторінках налічує 105 найменувань.

Зміст роботи

програмний електроживлення телекомунікаційний

У вступі обґрунтовані актуальність і практична значимість досліджень за темою, сформульовані мета, наукова новизна й основні положення, що виносяться на захист.

У першому розділі «Багатофазні імпульсні перетворювачі постійної напруги в системах та пристроях електроживлення систем телекомунікацій» присвяченому розв'язанню першої задачі дослідження, розглянуті особливості побудови пристроїв і систем електроживлення телекомунікаційних систем. Сучасні системи і пристрої електроживлення використовують високочастотний принцип перетворення електроенергії із застосуванням, як правило, ШІМ для стабілізації і регулювання напруги. Використання переваг високочастотного імпульсного перетворення електричної енергії (економічність і якість перетворення, поліпшені масогабаритні показники) і модульного принципу побудови пристроїв електроживлення та систем електропостачання підприємств зв'язку дозволяє досягти високих значень техніко-економічних показників: підвищена навантажувальна здатність силових комутуючих елементів і пристроїв перетворення; підвищений ККД за рахунок використання напівпровідникових приладів менш потужних, але з кращими (порівняно з потужними) параметрами; гнучкість і наступність побудови апаратури з використанням конструктивно розподілених модулів; підвищена надійність за рахунок уведення незначної надмірності й відповідного резервування; підвищення технологічності і скорочення термінів розробки.

Розглянуті імпульсні перетворювачі постійної напруги модульної структури, силова частина яких складається з окремих модулів - силових каналів. У такому перетворювачеві, реалізованому шляхом об'єднання N однотипних силових каналів, розрізняють асинхронне, синфазне і багатофазне функціонування. При багатофазному режимі роботи електричні процеси в k-х силових каналах (k = 1., N) синхронні, але не синфазні і зміщені в часі. Споживаний струм і струм навантаження перетворювача при багатофазному режимі роботи стає нерозривним, має менший рівень перемінної складової, частота пульсацій збільшується в N разів. Підсумовування зміщених у часі електричних процесів має ефект фільтрації, і відбувається це не за рахунок збільшення частоти чи перетворення значень параметрів згладжувальних фільтрів. Представлені на рис. 1 часові діаграми струмів споживання iпkу(t) і навантаження iнkу(t) окремих k-х силових каналів і струмів перетворювачів з однофазним (iпоу(t), iноу(t)) і багатофазним (iпму(t), iнму(t)) принципами перетворення електроенергії ілюструють переваги останнього (менший рівень пульсацій) порівняно з однофазним. Індексом у позначений тип силового каналу (N=4): у =1 - знижуючий, у =2 - підвищуючий, у =3 - інвертуючий.

Подано приклади використання БІП із силовими каналами знижуючого, підвищуючого й інвертуючого типів у пристроях електроживлення телекомунікаційних систем і електропостачання об'єктів електрозв'язку, які дозволяють забезпечити поліпшені (порівняно з ПЕЕ з однофазним принципом перетворення електроенергії) техніко-економічні показники апаратури в цілому (зменшення обсягу і маси за рахунок використання елементів силових згладжувальних фільтрів, з меншими значеннями параметрів).

Виконано аналіз стану питання по автоматизованому проектуванню БІП. Показано обмеження й особливості застосування відомих САПР - Electronic Workbench фірми Interactive Image Technologies і Micro-Cap V (MCV) фірми Spectrum Software - при дослідженні і проектуванні БІП: 1) неможливість дослідження показників якості ПЕЕ в усьому діапазоні регулювання; 2) трудомісткість розв'язання задач дослідження БІП при асиметрії електричних процесів, дослідження енергетичних параметрів (статичних, динамічних втрат потужності в силових каналах); 3) труднощі поєднання з іншими програмами. Зазначені обмеження по моделюванню й дослідженню електричних процесів, що відбуваються в БІП постійної напруги, підтверджують необхідність розробки спеціалізованого математичного і програмного забезпечення, що і є однією з цілей даної дисертаційної роботи.

У другому розділі «Дослідження електричних процесів в багатофазних імпульсних перетворювачах постійної напруги з ШІМ-регулюванням» проведений аналіз стану питання з проблем дослідження і проектування БІП, зіставлені різні математичні моделі електричних процесів і енергетичних співвідношень основних схем імпульсних перетворювачів постійної напруги, на підставі чого обґрунтовано обрані базовими для подальших досліджень узагальнені моделі, що описують електричні процеси в імпульсних перетворювачах постійної напруги при розривному, граничному і нерозривному режимах роботи в часовій і частотній областях.

Узагальнена модель, що описує електричні процеси в ПЕЕ в часовій області, заснована на використанні, як вихідних, параметрів струму iLнk(t) дроселя силового згладжувального фільтра окремо взятого силового каналу, параметра tпk (і коефіцієнт паузи, що характеризує його у відносному вигляді, кпк) і поточного часу tk k-го силового каналу, дозволяє розрахувати електричні, енергетичні, і в кінцевому підсумку, конструктивні характеристики всіх елементів силових каналів і ПЕЕ в цілому. Модель математично описує основні схеми силових каналів, не вимагає визначення характеру струму дроселя (узагальнена до розривного і нерозривного режиму), дозволяє аналізувати як режим стабілізації, так і режим спостереження.

Досліджувані електричні процеси (рис. 1), відповідно до обраної моделі характеризуються інтервалами провідного стану ключів транзистора VTk tнk і шунтуючого діода VDk tвk відповідно, протягом яких відбувається накопичення і повернення енергії дроселями Lнk силових каналів, а також tпk - часом паузи, протягом якого енергія в дроселях Lнk k-их силових каналів відсутня, і значеннями мінімального Imink струму і розмахом Imk пульсацій струму дроселя k-го силового каналу. Струми відповідно в колах живлення і навантаження iпо(t), iно(t) для однофазної й iпм(t), iнм(t) для багатофазної структури ПЕЕ визначаються як:

; ; (1)

(2)

для ПЕЕ з однофазним принципом перетворення електроенергії tk = t,

для БІП

, (3)

Достовірність обраної моделі була проведена шляхом порівняння результатів моделювання з одержуваними при використанні інших моделей. Установлено, що відносні похибки визначення основних параметрів не перевищують часток відсотка, а розбіжність результатів розрахунку з використанням розробленого (описаного в розділі 3 даної дисертації) програмного забезпечення на основі обраної моделі і використанням САПР Micro-Cap V (MCV) не перевищило 3,6%.

На підставі виявлених особливостей вихідної базової моделі розроблена узагальнена математична модель, що описує електричні процеси в силових каналах знижуючого, підвищуючого й інвертуючого типів при розривному, граничному і нерозривному режимах роботи в часовій області. Модель заснована на виборі, як вихідних базових, параметрів струму дроселя згладжувального фільтра окремо взятого силового каналу розглянутих типів. Це дозволяє виразити параметри електричних процесів різних типів перетворювачів через параметри електричних процесів у дроселі узагальненими до типу силового каналу співвідношеннями.

У табл. 1 подані співвідношення з розрахунку основних параметрів досліджуваних силових каналів за допомогою розробленої моделі (для спрощення запису індекс k опущений). Усі інші параметри можуть бути визначені за співвідношеннями табл. 1, з обліком отриманих кн і кп. Перехід до конкретної схеми перетворювача здійснюється підстановкою в узагальнені співвідношення табл. 1 коефіцієнтів Т, Uп, Rн, кн - у режимі спостереження і Т, Uп, Rн, Uн - у режимі стабілізації, що враховують специфіку схемотехнічної реалізації перетворювача. Достоїнством розробленої математичної моделі є можливість спрощення алгоритмів розрахунку на ЕОМ.

Обмеженням розробленої моделі є неможливість безпосереднього визначення напруги й струмів та їхніх пульсацій на вході й виході силових каналів і перетворювача. Тому для виявлення особливостей процесу перетворення електроенергії в спектральній (частотній) області, оцінки впливу параметрів елементів силової частини (згладжуючого фільтра) на характер електричних процесів, визначення пульсацій напруг і струмів була обґрунтована (обрана) спектральна (гармонійна) математична модель, що дозволяє в підсумку оцінити фільтруючі властивості БІП.

Відповідно до моделі струми iLk(t), що діють у колах дроселів окремо взятих k-х силових каналів, перетворені в частотну область. При апроксимації періодичної функції iLk(t) рядом Фур'є можна обмежитися (із заданою точністю) Ng першими членами у вигляді:

, (4)

де аko/2 - постійна складова, рівна середньому за період значенню iLk(t) в окремо взятому k-му силовому каналі; аkn, bkn - коефіцієнти ряду в k-му силовому каналі; - кутова частота першої гармоніки негармонічного струму дроселя силового каналу.

В зв'язку з тим, що струм iLk(t) описується на періоді комутації Т різними співвідношеннями на інтервалах накопичення і повернення електричної енергії згідно з (1), коефіцієнти Фур'є аko, аkn, bkn для гармонічного ряду (4) потрібно визначати для різних часових інтервалів. Для цього скористаємося отриманою узагальненою математичною моделлю (табл. 1).

Таблиця 1. Розрахункові співвідношення для визначення параметрів електричних процесів

Назва

параметра

у-

тип СК

Режим стабілізації

Режим спостереження

Коефіцієнт

паузи,

кп = tп/T

1

2

3

Коефіцієнт
накопичення,

кн = tн

1

кв

2

3

Нормоване значення
напруги навантаження,

1

Uн /Uп

2

в + кн) / кв

3

кн / кв

Коеф. звороту, кв = tв

1,2,3

Розмах пульсацій струму дроселя, Im

1

(Uп - Uн) кн Т/L

2,3

Uп кн Т / L

Мін. струм дроселя,

1

2,3

Середнє знач. струму ключа, Is

1,2,3

Середнє знач. струму діоду IVD

1,2,3

Середнє знач. струму дроселя, IL

1,2,3

Середнє знач. струму, спожив. від джерела, Iп

1,3

2

Макс. струм дроселя Imax

1,2,3

Макс. струм ключа S, ISmax

1,2,3

Imax

Отримані співвідношення (табл. 2) також є узагальненими щодо типу силового каналу і режиму роботи. Струми iмпу(t) у колах живлення БІП з силовими каналами у =1,3, iмну(t) - у колах навантаження (у =2,3), iмн1(t) =iмп2(t) - у колах навантаження (у =1) і живлення (у =2) визначаються сумою струмів дроселів відповідно на інтервалі накопичення (i = н), повернення (i = в) і періоду Т (і = нв) як:
- у=1,3; - у=2,3; - у=1. (5)

Таблиця 2. Спектральна математична модель

№ пп.

Розрахункові співвідношення

1

аkoн = (2Iminktнk+Imktнk) / T = 2Iminkкнk+Imkкнk; аkoв = 2Iminkквk + Imkквk

2

3

4

5

6

knн = aknн - jbknн; knв = aknв - jbknв; kn = akn - jbkn

Запропонована методика визначення параметрів електричних процесів за допомогою спектральної моделі:

1. Визначення параметрів, що характеризують струм дроселя k-го силового каналу на періоді за співвідношеннями табл. 1: Imk, Imink, кнk, tнk, квk, tвk.

2. Визначення коефіцієнтів ряду Фур'є аko, аkn, bkn для різних часових інтервалів за співвідношеннями табл. 2.

3. Визначення відгуків (спектрів) струмів на вході і виході БІП за співвідношеннями (5) - залежно від типу силового каналу.

4. Визначення комплексних спектрів напруг на вході і виході k-х силових каналів за (6):

для в=2, (для в=1,3: Iko=Ikoн, Ikn=Iknн, akn=aknн);

, - модуль, - фаза; (6)

для в=1, (для в=2, 3: Iko=Ikoв, Ikn=Iknв, akn=aknв).

Для вхідних кіл k-го силового каналу: , R=Rпk, С=Сп, ;

для вихідних кіл k-го силового каналу: , R=Rнk, C=Cн, .

5. Визначення струмів і напруг на вході і виході БІП за співвідношеннями (7):

, (7)

де х означає п для вхідних кіл k-го СК і БІП і н - для вихідних.

6. Визначення пульсацій напруги на вході ?Uп (виході ?Uн) БІП.

Достоїнство гармонічної моделі полягає в тому, що вона дозволяє враховувати вплив елементів силових згладжувальних фільтрів.

Моделі, що описують електричні процеси в часовій і частотній області, є узагальненими до типу силового каналу і режиму струмів дроселя силового каналу й дозволяють виконувати розрахунки при розв'язанні задач дослідження як у випадку ідентичності електричних процесів в окремо узятих силових каналах, так і у випадку розкиду параметрів.

Третій розділ «Методики і алгоритми дослідження на ЕОМ електричних процесів імпульсних перетворювачів постійної напруги» присвячений розробці методик, алгоритмів і програмного забезпечення для автоматизованого дослідження БІП. Розроблені узагальнені математичні моделі дозволяють формувати окремі, функційно закінчені за розв'язуваними задачами, блоки, і на їх основі будувати програмні модулі для розрахунків як окремо для дослідження (аналізу) перетворювачів постійної напруги, так і для розв'язання задач, що виникають при проектуванні імпульсних перетворювачів. При розробці програмного забезпечення прийнятий підхід - виділення в окремі програмні модулі співвідношень для розрахунку параметрів, що є загальними для будь-якого виду досліджень.

Основні задачі, що вирішує розроблене програмне забезпечення: дослідження електричних параметрів перетворювача постійної напруги в часовій і частотній областях; дослідження залежностей параметрів перетворювача (в тому числі енергетичних) від коефіцієнта накопичення (заповнення); дослідження впливу числа силових каналів на параметри перетворювача.

Відповідно до основних задач досліджень, розв'язуваних розробленим програмним забезпеченням, виділені наступні групи досліджуваних параметрів: часові діаграми струмів і напруг в елементах і колах схеми як окремих силових каналів, так і вхідних і вихідних кіл перетворювача в цілому; параметри, що є функціями коефіцієнта заповнення (накопичення) f(кв(н)), використовувані для оцінки якості електричних процесів у вхідних і вихідних колах перетворювача: а) коефіцієнти пульсацій струмів і напруг за входом і виходом КПП, КПН; б) абсолютні пульсації струмів живлення Iпу і навантаження Iну для силових каналів різного типу (у =1,2,3); в) розмах пульсацій напруги в колі живлення Uп і навантаження Uн; г) коефіцієнти згладжування структури на вході SП і виході SН; д) зовнішні (Uн =f(Iн)) і регулювальні характеристики (Uн/Uп =f(кв)); частотні параметри: амплітудні й фазові спектри струмів ПЕЕ; енергетичні параметри: статичні й динамічні втрати потужності (потужності, що розсіюються на елементах схеми силового каналу).

Для вирішення будь-якої задачі дослідження необхідно розраховувати наступні параметри для кожного k-го силового каналу відповідно до табл. 1 (k=1, N, де N - число силових каналів): кпk, кнk, квk, tнk, tвk, tпk, Imk і Imink. Зазначені параметри необхідні як для дослідження електричних параметрів перетворювача постійної напруги в часовій області, так і для дослідження електричних параметрів перетворювача в частотній області, впливу числа силових каналів на його параметри (наприклад, коефіцієнт пульсацій струмів на вході Кпп), енергетичних параметрів перетворювача постійної напруги і залежностей його параметрів від кн. Для цього розроблена відповідна методика, реалізована в алгоритмі «Параметр» (рис. 2), в якому розраховуються зазначені параметри: 1. Уведення вихідних даних. 2. Визначення параметра навантаження (коефіцієнта реактивності) gk для кожного k-го силового каналу. 3. Розрахунок коефіцієнтів паузи кпk і накопичення кнk (у режимі стабілізації) чи кпk (при спостереженні) за відповідними співвідношеннями табл. 1 (у режимі спостереження кнkвk). 4. Визначення коефіцієнта повернення k-го силового каналу квk=1-квkпk. 5. Визначення розмаху пульсацій Imk, мінімального струму дроселя Imink, довжини інтервалів накопичення tнk і повернення tвk електроенергії. 6. Далі процес повторюється для наступного (k+1) - го силового каналу, після чого (коли k=N) виробляється передача розрахованих вихідних параметрів для подальших розрахунків (наприклад, показників якості).

Алгоритм відрізняється компактністю основних блоків, і враховує можливі відхилення реальних вихідних даних від ідеальних (ідентичних за силовими каналами) параметрів, викликаних технологічними розкидами й іншими дестабілізуючими факторами - для цього передбачений цикл за номером силового каналу (блоки 2… 20).

Зазначені відхилення моделюються в програмному модулі «Асиметрія».

Для визначення кроку дискретизації при дослідженні часових залежностей передбачений програмний модуль «Час», в якому розраховуються моменти часу для побудови часових діаграм.

Задача дослідження електричних параметрів ПЕЕ у часовій області зводиться до розрахунку часових діаграм струмів у колах силових каналів - миттєвих вхідних і вихідних струмів iпk(t) і iнk(t), струмів дроселя iLk(t), транзистора iVTk, (t), що блокує діод iVDk(t); на вході і виході перетворювача в цілому, а також їх максимальних і мінімальних значень, необхідних надалі для розрахунку показників якості електричних процесів ПЕЕ (абсолютних пульсацій, коефіцієнтів пульсацій, коефіцієнтів згладжування). Запропонована відповідна методика й алгоритм - «Канал», що реалізує метод, у якому як вихідний базовий параметр вибраний поточний час tк.

Розроблені програмні модулі «Параметр», «Асиметрія», «Час», Канал» є складовими частинами більшості алгоритмів. Описані в них підходи дозволяють розширити функціональні можливості програмних модулів, скоротити витрати машинного часу й забезпечити необхідну точність одержуваних результатів досліджень. Наприклад, виконання розрахунків відповідно до запропонованого в алгоритмі «Час» підходом визначення моментів часу для побудови часових діаграм дозволяє одержати виграш у часі приблизно в 5-7 разів порівняно із традиційним розрахунком у рівновіддалені проміжки часу.

Загальний алгоритм дослідження ПЕЕ наведено на рис. 3. Він має у собі програмні модулі «Параметр» (блок 5), «Час» (блок 6), «Канал» (блок 7). При відхиленнях параметрів від ідентичних використовується програмний модуль «Асиметрія» (блок 4). Основні показники якості електричних процесів (абсолютні і відносні пульсації, коефіцієнти згладжування) визначаються в однойменному модулі (блок 8). У програмному модулі «Спектр» (блок 9) визначаються спектральні характеристики відповідно до гармонічної моделі табл. 2.

У четвертому розділі «Результати досліджень електричних процесів та енергетичних параметрів багатофазних імпульсних перетворювачів постійної напруги та розробка методики їх проектування» виконані дослідження електричних процесів і енергетичних параметрів імпульсних перетворювачів постійної напруги із силовими каналами знижуючого, підвищуючого і інвертуючого типів, отримані при використанні пропозицій методики дослідження і розробленого програмного забезпечення, що дозволяють установити ряд властивостей, які характеризують у цілому БІП постійної напруги.

При вивченні характеристик ПЕЕ модульної структури, що залежать від числа силових каналів N, виділені дві задачі: 1) дослідження впливу N (на абсолютні, відносні пульсації, коефіцієнти згладжування структури тощо) при заданій потужності навантаження силового каналу (Рнk=const) і 2) дослідження при фіксованій потужності навантаження перетворювача в цілому (Рн=const). Вирішення першої із зазначених задач корисно при проектуванні ПЕЕ заданої потужності, який повинен складатися зі стандартних модулів, які випускаються промисловістю, силових каналів, що мають визначені (фіксовані) номінали вихідних потужностей. Друга задача виникає при обмеженнях на наявну елементну базу, використовувану при розробці силових каналів (максимально припустимі струм, напруга силових ключів), що може викликати необхідність використання більшої кількості силових каналів N для досягнення заданої потужності ПЕЕ.

Показано, що при вирішенні першої задачі в ПЕЕ з однофазним принципом перетворення при збереженні незмінної потужності Рнk у колі навантаження силового каналу збільшення їх числа N призводить до пропорційного збільшення пульсацій струмів на вході і виході, у той час, як у БІП зі збільшенням числа силових каналів рівні перемінних складових струмів на вході зменшуються, навіть порівняно з рівнями перемінних складових споживаних струмів окремо взятих силових каналів. Рівні перемінних складових струмів на виході БІП залишаються незмінними і дорівнюють перемінній складовій струму окремо взятого силового каналу. У БІП (рис. 5) забезпечується збільшення фільтрувальних властивостей - для N = 4 до 20 разів (рис. 5, в) у діапазоні кн1 - кн2, для N = 8 до 70 разів. При цьому коефіцієнти згладжування на вході БІП при кн=(k-1)/N, (де

k =2…N), прагнуть до нескінченності (на виході також має місце зростання коефіцієнта згладжування для зазначених кн). Видно, що збільшення числа силових каналів у БІП при Рнk=const, призводить до зменшення відносних пульсацій за входом і за виходом, а отже, дозволяє використовувати вихідний згладжувальний фільтр, з меншими масогабаритними значеннями.

При вирішенні другої задачі показано, що при збереженні незмінної потужності в колі навантаження перетворювача Рн збільшення числа силових каналів N при використанні багатофазного принципу перетворення призводить до істотного зменшення розмаху пульсацій, як у колі живлення, так і в колі навантаження. Для ПЕЕ з традиційним однофазним принципом перетворення електричної енергії збільшення N не призводить до зменшення пульсацій, залишаючи пульсації на вході і виході незмінними, тобто не забезпечується ефект придушення перемінних складових - коефіцієнти згладжування структури на вході Sпо і виході Sно рівні і Sпо=Sно=1, а при багатофазному Sпм і Sнм збільшуються зі збільшенням числа силових каналів N.

Отримані результати дослідження використані при проектуванні БІП за критерієм забезпечення мінімального питомого обсягу. Геометричний обсяг Vг визначається як сума фізичних обсягів елементів, розміщених у герметичному корпусі, з урахуванням конструктивних коефіцієнтів окремих елементів і вузлів. Енергетичні втрати (сумарна потужність втрат елементів схеми PпБІП) визначають необхідну поверхню тепловідводу - тепловий обсяг БІП Vт. Як показано в дисертаційній роботі, через зростання динамічних втрат обсяг Vт збільшується пропорційно до частоти комутації f. У той самий час, збільшення f призводить до зменшення геометричних обсягів конденсаторів і моткових елементів, отже, і Vг. Очевидно, можливий вибір оптимальної fopt, що забезпечує мінімально можливий обсяг БІП. Запропонована така методика проектування: 1. Формування вихідної бази даних - довідкових електричних і масогабаритних параметрів елементів схеми БІП. 2. Аналіз, за результатами досліджень, параметрів електричних процесів, енергетичних і масогабаритних показників БІП при заданих вхідній і вихідній напругах, відомих параметрах елементної бази, частоті f, параметрах фільтрів тощо. 3. Розрахунок геометричного обсягу корпуса Vг, необхідного для розміщення елементів. 4. Визначення теплового обсягу БІП Vт. 5. Порівняння Vг з Vт і вибір відповідного.

У висновку подано основні результати дисертаційної роботи:

1. Показано, що використання у високочастотних імпульсних ПЕЕ модульної структури багатофазного принципу перетворення електроенергії має перевагу перед однофазним з погляду поліпшення масогабаритних показників, що сприяє застосуванню БІП у пристроях і системах електроживлення телекомунікаційних систем.

2. Розроблено математичну модель електричних процесів перетворювачів постійної напруги, яка узагальнена щодо трьох типів основних схем силових каналів (знижуючий, підвищуючий, інвертуючий), і щодо режимів роботи перетворювача (при розривному, граничному і нерозривному струмах), що дозволяє проводити розрахунки електричних, енергетичних і конструктивних параметрів перетворювача.

3. Розроблено методики, алгоритми і програми розрахунку електричних процесів і енергетичних параметрів перетворювачів постійної напруги модульної структури, що складають обчислювальну основу для автоматизованого дослідження і проектування пристроїв та систем електроживлення із заданими показниками якості.

4. Виконано дослідження основних параметрів модульних імпульсних перетворювачів постійної напруги із силовими каналами знижуючого, підвищуючого й інвертуючого типів, зроблено порівняльну оцінку показників якості перетворювачів з однофазним і багатофазним принципами функціонування; виявлено їхні специфічні особливості при функціонуванні з розривним і нерозривними струмами дроселів силових каналів із симетрією електричних процесів. Показано, що в БІП зі збільшенням числа силових каналів фільтруючі властивості зростають.

5. На основі проведених досліджень ПЕЕ модульної структури запропоновано методику автоматизованого проектування БІП за критерієм мінімального обсягу.

Список опублікованих автором праць за темою дисертації

1. Русаловский В.Б. Программный модуль для исследования импульсных преобразователей электрической энергии при асимметрии электрических процессов // Наукові праці ОНАЗ ім. О.С. Попова, 2001. - №3. - С. 35-40.

2. Русаловский В.Б. Особенности алгоритма интерфейса программы для автоматизированного исследования импульсных преобразователей постоянного напряжения // Труды V Международной научно-практической конференции «Системы и средства передачи и обработки информации» (ССПОИ-2001). - Одесса: УГАС им. А.С. Попова, 2001. - С. 39-40.

3. Русаловский В.Б. Программное обеспечение для исследования импульсных преобразователей электрической энергии // Труды 7-го Междунар. молодежного форума «Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке», Харьков: ХНУРЭ. - 2003. - С. 184.

4. Кадацкий А.Ф., Русаловский В.Б. Автоматизированный анализ и исследование импульсных преобразователей постоянного напряжения модульной структуры с СК инвертирующего типа при симметрии и асимметрии электрических процессов // Электротехника. - 1997. - №11. - С. 13-24.

5. Кадацкий А.Ф., Русаловский В.Б., Вагин А.В. К моделированию электрических процессов импульсных преобразователей постоянного напряжения модульной структуры // Наукові праці УДАЗ ім. О.С. Попова, 1999. - №2. - С. 16-21.

6. Кадацкий А.Ф., Русаловский В.Б. Преобразователи электрической энергии модульной структуры с силовыми каналами повышающего типа // Наукові праці УДАЗ ім. О.С. Попова, 1999. - №2. - С. 22-27.

7. Кадацкий А.Ф., Русаловский В.Б., Вагин. Электрические процессы многофазных импульсных преобразователей постоянного напряжения с силовыми каналами повышающего типа // Электротехника. - 2000. - №4. - С. 39-46.

8. Кадацкий А.Ф., Русаловский В.Б., Вагин. Многофазные импульсные преобразователи постоянного напряжения при симметрии и асимметрии электрических процессов в силовых каналах повышающего типа // Труды IV Междунар. НТК по телекоммуникациям (Телеком-99). - Одесса: УГАС им. А.С. Попова, 1999. - С. 351.

9. Кадацкий А.Ф., Русаловский В.Б., Вагин А.В. Управляющая программа программного обеспечения автоматизированного исследования импульсных преобразователей постоянного напряжения // Труды III Междунар. научно-практ. конф. «Системы и средства передачи и обработки информации» (ССПОИ-99). - Одесса: УГАС им. А.С. Попова. - 1999. - С. 72-73.

10. Кадацкий А.Ф., Русаловский В.Б., Русу А.П. К моделированию электрических процессов преобразователей постоянного напряжения // Труды IV Междунар. научно-практ. конф. «Системы и средства передачи и обработки информации» (ССПОИ-2000). - Одесса: УГАС им. А.С. Попова, 2000. - С. 67-68.

11. Кадацкий А.Ф., Малявин И.П., Русаловский В.Б. Проблемы проектирования многофазных импульсных преобразователей постоянного напряжения // Труды IV Междунар. научно-практ. конф. «Системы и средства передачи и обработки информации» (ССПОИ-2000). - Одесса: УГАС им. А.С. Попова, 2000. - С. 70-71.

12. Кадацкий А.Ф., Русаловский В.Б., Иванов И.В. К исследованию энергетических соотношений импульсных преобразователей постоянного напряжения // Труды IV Междунар. научно-практ. конф. «Системы и средства передачи и обработки информации» (ССПОИ-2000). - Одесса: УГАС им. А.С. Попова, 2000. - С. 74-75.

13. Кадацкий А.Ф., Русаловский В.Б. Электрические процессы в импульсных преобразователях постоянного напряжения с силовыми каналами повышающего типа // Труды V Междунар. научно-практ. конф. «Системы и средства передачи и обработки информации» (ССПОИ-2001). - Одесса: УГАС им. А.С. Попова, 2001. - С. 79-80.

14. Кадацкий А.Ф., Малявин И.П., Русаловский В.Б. К принципам формирования временных интервалов при моделировании электрических процессов в импульсных преобразователях постоянного напряжения // Труды VI Междунар. научно-практ. конф. «Системы и средства передачи и обработки информации» (ССПОИ-2002). - Одесса: УГАС им. А.С. Попова, 2002. - С. 45-46.

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

  • Висновок про доцільність розробки світлодіодного годинника. Годинникові механізми, класифікація годинників. Обґрунтування схеми пристрою. Вибір мікроконтролера та огляд його архітектури. Вибір додаткових пристроїв. Розробка програмного забезпечення.

    дипломная работа [3,0 M], добавлен 23.09.2014

  • Основні види схем керування кроковими двигунами. Розробка варіантів структурної схеми електропривода та прийняття рішення принципу його побудови. Розробка вузла мікроконтролера, блока живлення. Забезпечення індикації режимів роботи схеми дослідження КД.

    курсовая работа [1,6 M], добавлен 14.05.2013

  • Доцільність розробки світлодіодного годинника. Історія годинника, годинникові механізми. Сонячні, водяні, пісочні, вогняні, механічні та електронні годинники. Вибір та обґрунтування схеми пристрою. Вибір мікроконтролера. Розробка програмного забезпечення.

    дипломная работа [3,1 M], добавлен 11.07.2014

  • Функції та система команд мікроконтролера PIC16F84A, його технічні характеристики й організація пам'яті. Розробка керуючого автомату на мікроконтролері для пристрою світлових ефектів, побудова його електричної схеми та створення програмного забезпечення.

    курсовая работа [255,0 K], добавлен 03.12.2013

  • Розробка програмного забезпечення, структурної та функціональної схеми пультів керування: мікропроцесору, перемикачів, блоків індикації, комутації та мікрофонного підсилювача. Вибір регістрів, операційних підсилювачів і контролера обміну інформацією.

    курсовая работа [773,5 K], добавлен 31.07.2011

  • Вибір конфігурації контролера і схем підключення. Схеми підключення зовнішніх пристроїв. Розроблення прикладного програмного забезпечення для реалізації алгоритму керування. Налагодження програмного забезпечення. Розрахунок надійності системи.

    курсовая работа [3,8 M], добавлен 18.01.2014

  • Загальна інформація про мікроконтролери сімейства PIC фірми Microchip, їх використання на практиці та актуальність. Короткі відомості про мікроконтролер PCI16F707, його характеристика, організація пам’яті. Створення нового проекту в середовищі MPLABIDE.

    курсовая работа [1,4 M], добавлен 13.06.2015

  • Методи моделювання динамічних систем. Огляд методів синтезу. Математичне забезпечення вирішення задачі системи управління. Моделювання процесів за допомогою пакету VisSim. Дослідження стійкості системи управління. Реалізація програмного забезпечення.

    дипломная работа [3,8 M], добавлен 07.11.2011

  • Розробка функціональної схеми автоматизації процесу регулювання пари при гранулюванні кормів; побудова систем контролю і обліку. Визначення передаточних функцій елементів структурно-алгоритмічної схеми САУ; розрахунок показників запасу стійкості і якості.

    курсовая работа [984,7 K], добавлен 14.08.2012

  • Проектування підсилювача низької частоти з диференційним вхідним каскадом: розробка структурної схеми, розрахунок напруги джерела електроживлення, коефіцієнта загальних гармонійних спотворень, елементів кіл зміщення і стабілізації режиму транзисторів.

    курсовая работа [342,4 K], добавлен 16.03.2011

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.