Повышение эффективности устройств формирования служебного напряжения в импульсных преобразователях

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УСТРОЙСТВ ФОРМИРОВАНИЯ СЛУЖЕБНОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ИМПУЛЬСНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ

Специальность: 05.09.12 - Силовая электроника

А в т о р е ф е р а т диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

СЕРЕДЖИНОВ Ренат Тагирович

Саратов 2009

Работа выполнена в Технологическом институте ФГОУ ВПО «Южный Федеральный университет» в г. Таганроге (ТТИ Южного Федерального университета)

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки и техники РФ, д.т.н., профессор Самойлов Леонтий Константинович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент Степанов Сергей Фёдорович

кандидат технических наук, доцент Полуянович Николай Константинович

Ведущая организация: НИИ «Специализированные информационно-измерительные системы», г. Ростов-на-Дону

Защита состоится 23 апреля 2009 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.10 при ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет, ауд. 2/212.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет».

Автореферат разослан « 20 » марта 2009 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Томашевский Ю. Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время среди источников вторичного электропитания радиоаппаратуры лидирующие позиции заняли импульсные преобразователи напряжения (ИПН), имеющие высокие показатели мощности на единицу объема. Сам по себе современный ИПН является сложным электронным устройством, определенные узлы которого требуют дополнительного низковольтного напряжения питания. В частности, таким узлом является специализированный контроллер. Пути получения этого дополнительного или служебного напряжения (СН) на сегодняшний день довольно многообразны. Анализ схемных решений ИПН позволил выделить десять различных вариантов реализации устройств формирования служебного напряжения (УФСН). Устройство формирования служебного напряжения - дополнительное устройство в составе ИПН, необходимое для поддержания работы контроллера и сервисных устройств в различных режимах работы источника питания, которое представляет собой одно- или двухполупериодную схему выпрямления со сглаживающим емкостным или RC- фильтром. Многообразие вариантов УФСН свидетельствует о том, что на данный момент отсутствует единый подход к выбору варианта на основании определенных критериев предпочтения. Из выделенных десяти вариантов находят применения следующие варианты реализации УФСН c расположением их обмоток: на сердечнике выходного трансформатора DC/DC; на сердечнике повышающего индуктора корректора коэффициента мощности (ККМ); на сердечнике выходного дросселя прямоходовых DC/DC. Применение данных технических решений объясняется малым количеством дополнительных компонентов и высокой степенью интеграции УФСН в силовую схему ИПН. Это является причиной, приводящей к сильной зависимости работы УФСН от нештатных режимов работы ИПН, что требует их совместного анализа. Кроме того, служебное напряжение, получаемое при помощи таких УФСН, является вторичным и для включения ИПН требуются специальные устройства пуска. Поэтому изучение режима их работы является неотъемлемой частью общего вопроса изучения процессов устройств служебного напряжения и является одной из актуальных задач.

В современной литературе, посвященной ИПН, отсутствуют комплексные исследования подобных устройств, а также исследования процессов пуска и включения ИПН. Как правило, в большинстве случаев имеющиеся результаты анализа носят рекомендательный характер, учитывающие только отдельные стороны вопроса. Всё это говорит об актуальности проведённого исследования.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка алгоритмов расчёта УФСН с различными вариантами интеграции в силовую часть ИПН, что позволяет повысить эффективность их использования в структуре источника питания. Поставленная цель потребовала решения следующих задач: служебный напряжение импульсный преобразователь

1) проведения классификации существующих схемных решений УФСН;

2) разработки PSpice-моделей основных топологий ИПН со схемами УФСН;

3) разработки PSpice-моделей устройств пуска ИПН;

4) математического моделирования, с целью временного, частотного анализа и анализа по постоянному току основных топологий ИПН и устройств пуска;

5) проведения макетных испытаний: однотактного обратноходового преобразователя с УФСН на сердечнике выходного трансформатора; устройства управляемого активного пуска с уменьшенным значением активных потерь в составе ИПН в диапазоне температур от -40 до +85 ⁰С.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались: современные методы анализа электрических цепей с помощью PSpice совместимой программы Micro-Cap, пакет прикладных математических программ Mathcad, основные законы электротехники, макетные испытания.

Основные положения и результаты работы, выносимые на защиту:

1. Оценка эксплуатационных характеристик УФСН в структуре ИПН возможна при использовании частных показателей эффективности И_НР, И_КЗ, И_ХХ, И_U, И_I, введенного коэффициента допустимого изменения напряжения И_ДОП, введенного критерия комплексной оценки эффективности И. Применение этих критериев позволяет с единых позиций проводить анализ широкого класса схем ИПН с УФСН.

2. Повышение эксплуатационных характеристик УФСН в режиме короткого замыкания (КЗ) в схемах обратноходовых преобразователей с жёстким переключением силовых ключей, а также в преобразователях, использующих квазирезонансный метод управления, достигается за счёт формирования служебного напряжения в период прямого такта работы ИПН. Причём для квазирезонансного метода управления обратноходового преобразователя необходимо вводить отдельную обмотку УФСН, не связанную с обмоткой датчика нулевого тока выходного трансформатора.

3. Организация надёжного пуска AC/DC преобразователей в широком температурном диапазоне, реализованных с разделением цепи питания контроллера DC/DC преобразователя, возможна с введённой принудительной задержкой начала заряда конденсатора С2 в цепи питания контроллера DC/DC и использованием устройства управляемого активного пуска для минимизации времени включения ИПН, и уменьшения активных потерь в режиме Hiccup («икания»).

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Проведена классификация УФСН.

2. Введены критерии комплексной оценки эффективности УФСН.

3. Предложены алгоритмы расчёта, повышающие эксплуатационные характеристики УФСН.

4. Исследован процесс пуска AC/DC преобразователей в температурном диапазоне от -40 до +85 ⁰С, а также предложены модель и алгоритм расчёта элементов схем пуска, влияющих на устойчивость пуска преобразователя.

Практическая значимость и реализация результатов. Результаты проведенных исследований нашли своё отражение в разработке импульсных преобразователей напряжения по г/б работам № 13050/1, № 13058/1 на кафедре «Автоматизированные системы научных исследований и экспериментов» Таганрогского технологического института Южного Федерального университета.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на всероссийских и международных конференциях:

· Четвёртой Всероссийской научной конференции молодых учёных и аспирантов «Информационные технологии, системный анализ и управление», Таганрог, 2006 г.;

· Международной научной конференции «Информационные технологии в современном мире», Таганрог, 2006 г.;

· конференции профессорско-преподавательского состава ТРТУ, Таганрог, 2007 г.;

· Международной научной конференции «Проблемы развития естественных, технических и социальных систем», Таганрог, 2007 г.;

· Всероссийской научной конференции молодых учёных и аспирантов «Молодежь и современные информационные технологии», Томск, 2008 г.;

· IV Международной конференции «Стратегия качества в промышленности и образовании», Болгария, Варна, 2008 г.;

· Международной научной конференции «Информация, сигналы, системы: вопросы методологии, анализа и синтеза» (ИСС-2008), Таганрог, 2008 г.;

· 6-й Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Молодёжь XXI века - будущее российской науки», Ростов-на-Дону, 2008 г.

Публикации. Основные результаты отражены в 14 публикациях, в том числе в журнале «Компоненты и технологии: Силовая электроника», в журнале «Известия высших учебных заведений. Электромеханика», в журнале «Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки», в журнале «Вестник РГТУ», материалах указанных конференций. Получен патент РФ № 2324282 на изобретение.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из списка сокращений и условных обозначений, введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Основной текст изложен на 150 страницах. Диссертация поясняется 72 рисунками и 12 таблицами, список использованной литературы включает 68 наименований. Общий объем диссертации 214 страниц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются цель и задачи исследования, научная новизна, практическая ценность, положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации приводится обзор литературы, даётся классификация УФСН, формулируются критерии оценки эффективности.

Обзор современной литературы показал, что проблема подхода к реализации оптимального варианта УФСН с учётом максимального количества влияющих факторов не раскрыта. В редких изданиях приводятся лишь конкретные рекомендации с учетом нескольких воздействующих факторов, делается попытка классификации УФСН. Анализ схемных решений ИПН позволил предложить классификацию существующих решений УФСН. Согласно этой классификации УФСН делятся на следующие классы (см. рис. 1):

1. УФСН с использованием входного сетевого напряжения;

2. УФСН, использующие импульсный принцип построения;

3. УФСН с использованием пусковых устройств.

Рис. 1 Классификация устройств формирования служебного напряжения

Устройства первых двух классов представляют собой самостоятельные устройства, которые включаются сразу после подачи сетевого напряжения или по сигналу пуска. Устройства первого класса (см. рис. 1) являются хорошо известными и проработанными решениями. Устройства второго класса есть по существу дополнительные автономные маломощные импульсные преобразователи. Включение таких УФСН происходит также с подачей сетевого напряжения или по сигналу пуска.

Использование импульсного режима работы УФСН позволяет уменьшить габариты самого устройства, увеличить его КПД и получить гальванически изолированное служебное напряжение. Последнее преимущество особенно важно, когда не имеется возможности использовать гальваническое разделение в цепи обратной связи DC/DC, необходимой для стабилизации выходного напряжения. Как показывает анализ схемных решений современных ИПН, рассчитанных на большую выходную мощность, в составе таких источников используются УФСН на однотактных ШИМ-контроллерах с квазирезонансным методом управления, что позволяет реализовывать компактные устройства, имеющие высокий КПД и низкий уровень генерируемых помех. Здесь необходимо заметить, что использование низковольтных ШИМ-контроллеров в УФСН второго класса приводит к образованию второго уровня служебного напряжения.

Стремление уменьшить число используемых компонентов, повысить интеграцию УФСН в составе ИПН привело к появлению УФСН с использованием пусковых устройств (см. рис.1). Однако такая интеграция приводит к появлению двухсторонней зависимости между работой силовой части ИПН и работой УФСН, которая отсутствовала у представителей других классов. Для более детального описания этой зависимости были выделены следующие критерии: - критерий, учитывающий изменение напряжения УФСН в режиме короткого замыкания главного выхода ИПН; - критерий, учитывающий изменение напряжения УФСН в режиме холостого хода (ХХ) ИПН; - критерий, учитывающий изменение напряжения УФСН при управлении ИПН по напряжению; - критерий, учитывающий изменение напряжения УФСН при управлении ИПН по току; - критерий, учитывающий изменение напряжения УФСН в зависимости от изменения входного сетевого напряжения. Каждый из перечисленных критериев является частным показателем (ЧП) эффективности УФСН для выбранной топологии. Получение комплексной оценки УФСН, учитывающей все частные показатели эффективности, возможно с применением следующей формулы:

(1)

где - комплексный показатель эффективности, а определяется по следующей формуле:

, (2)

где численно равно значениям , , , , в каждом отдельном случае. Необходимо отметить, что значение для вычисления критериев и должно быть численно равно значению напряжения на выходе УФСН при номинальной нагрузке главного выхода при =1.

В технической литературе для оценки эффективности системы или отдельного устройства существует понятие безусловного критерия предпочтения (БКП). Введем понятие коэффициента допустимого изменения напряжения УФСН как отношение максимально допустимого напряжения к минимальному напряжению

. (3)

Для реальных схем обычно вводят коэффициент запаса (), который уменьшает и увеличивает . Величина лежит в пределах 1,1 - 1,4. Тогда можно записать

. (4)

УФСН с использованием пусковых устройств могут иметь повышенные выходные напряжения в связи с тем, что реальное число витков обмоток УФСН должно быть целым числом. Иногда это вынуждает увеличивать число витков w₁ первичной обмотки с целью достижения целого числа. Введём понятие коэффициента витка

, (5)

где - расчётная величина витков обмотки УФСН, приведённая к ближайшему большему целому числу. В итоге можно записать

. (6)

Значение для УФСН должно быть меньше допустимого

. (7)

Кроме оценки показателя для УФСН необходимо производить оценку протекающих токов через последовательную цепь. Основным элементом последовательной цепи УФСН является выпрямительный диод. Согласно ГОСТ 25529-82 для выпрямительных импульсных диодов, применяемых в УФСН импульсных преобразователей, наиболее важными будут являться следующие параметры: прямое импульсное напряжение U_FM; значение обратного напряжения U_BR; прямой импульсный ток диода I_FM; прямой ударный ток I_FSM. Ограничение величин приведенных параметров в требуемых пределах для выбранного диода, в конечном счете, повлияет на величину коэффициента .

Обязательным компонентом УФСН третьего класса является устройство пуска. Назначение этого устройства заключается в кратковременной подаче пониженного сетевого напряжения на выходной конденсатор УФСН. Отсюда следует, что важным аспектом является исследование процессов устройств пуска при включении ИПН и в режиме Hiccup. Анализ схемных решений позволил выделить три разновидности устройств пуска: устройства пассивного пуска; устройства неуправляемого активного пуска и устройства управляемого активного пуска.

В последующих главах проводится исследование:

1. УФСН с использованием пусковых устройств. Результатом анализа процессов являются численные значения критериев и , рекомендации и алгоритмы расчёта УФСН для каждой топологии ИПН.

2. Процессов в устройствах пуска ИПН. Результатом анализа процессов пуска являются рекомендации по оптимальной организации включения ступеней ИПН, методики расчёта параметров элементов отвечающих за надежный пуск.

Глава вторая посвящена исследованию УФСН с использованием сердечника выходного трансформатора DC/DC ШИМ-преобразователей. Анализ процессов УФСН за счёт использования выходного трансформатора двухтактных ШИМ-преобразователей целесообразно проводить на мостовой схеме. Остальные известные топологии двухтактных преобразователей, такие как полумостовая, пуш-пульная, не влияют на характер и направление протекания тока через первичную обмотку трансформатора и, следовательно, не влияют на процессы на стороне УФСН. Анализ полученных значений итоговых коэффициентов позволяет судить об эффективности использования двухтактного выпрямления напряжения. Двухтактное выпрямление позволяет также уменьшить ток I_FM через выпрямительные диоды до приемлемых значений. В случае оптимизации значения И, удовлетворяющего условию (7), необходимо использовать дополнительный стабилизатор напряжения.

УФСН за счёт использования выходного трансформатора в однотактных прямоходовых преобразователях являются частным случаем УФСН двухтактных топологий. Исключение составляют повышенные значения импульсных токов I_FM и I_FSM. Поскольку для данной топологии реализация второго такта невозможна, то деление тока I_FM достигается путем установки двух параллельно включенных диодов в составе диодной сборки. Результаты анализа процессов в УФСН позволяют сделать следующие выводы:

· на величину служебного напряжения оказывают влияние режимы работы ИПН и способ его управления при реализации УФСН за счет выходного трансформатора;

· в режимах КЗ и ХХ наблюдаются повышенные значения импульсных токов I_FM и I_FSM через выпрямительные диоды, что требует принятия специальных мер по их ограничению;

· величина нестабильности выходного напряжения определяется величиной нестабильности входного питающего напряжения.

Исследования процессов в УФСН обратноходового преобразователя показали, что данная топология при КЗ главного выхода не способна обеспечить работу УФСН, вследствие чего ИПН входит в режим Hiccup. Избежать этого нежелательного режима и обеспечить работу контроллера ИПН от УФСН возможно за счет прямого включения обмотки УФСН. Как показали расчёты, влияние такого включения обмотки на процессы в первичной обмотке минимальны и не сказываются на работе трансформатора с номинальной нагрузкой главного выхода. Как и для рассмотренных прямоходовых однотактных топологий ИПН, деление импульсного тока I_FM достигается включением диодной сборки из двух параллельных диодов. Рассмотренные топологии имеют одну особенность: наличие резистора ХХ (R_XX) на главном выходе. Наличие данного резистора необходимо для обеспечения нормального режима работы конденсатора главного выхода и для программирования длительности импульсов в режиме ХХ. Программирование длительности импульсов в режиме КЗ достигается путем подбора параметров RC-цепочки в цепи токовой защиты, которая задерживает приход фронта импульса от датчика тока на вход токоограничительного компаратора. В целом для рассмотренных вариантов устройств получения служебного напряжения справедлив алгоритм расчёта, показанный на рис. 2.

Рис. 2 Алгоритм расчёта

В третьей главе исследуются характеристики УФСН с использованием сердечника выходного трансформатора резонансных преобразователей. Для получения высокого КПД преобразователя используются специальные методы управления ИПН: резонансный и квазирезонансный. Главное отличие этих методов в том, что в резонансных преобразователях резонансный контур участвует в передаче мощности в нагрузку, а в квазирезонансных не участвует. Для защиты силовой части преобразователя в крайних режимах работы, таких как КЗ и ХХ, управляющие контроллеры резонансных преобразователей снабжаются отдельными входами. В зависимости от модели контроллера таких входов может быть один или два. Они разделяются на быстрые входы и медленные. С точки зрения коэффициента нежелательно использовать быстрый вход, так как в этом случае силовые ключи выключаются до момента исчезновения КЗ или ХХ. Медленный вход, напротив, обеспечивает работу силовых ключей с вставкой защитных пауз, после которых начинается повторный плавный пуск преобразователя.

Среди однотактных топологий наибольшее распространение получила топология обратноходового преобразователя с квазирезонансным методом управления. Исследование процессов в режимах КЗ и ХХ позволило сделать вывод, что режим КЗ оказывает такое же влияние на служебное напряжение, как и в обратноходовых преобразователях с «жёстким» переключением силового ключа. Отличия имеются для режима ХХ. Если в обратноходовом ИПН с жёстким переключением силового ключа конечная длительность импульсов при ХХ «программировалась» резистором R_ХХ, то при использовании квазирезонансного метода отпадает необходимость в использовании дополнительного резистора. Эффективным способом поддержания служебного напряжения при КЗ является прямое включение обмотки УФСН. Однако в этом случае необходимо разделить обмотку датчика нулевого тока от обмотки УФСН.

Мостовые квазирезонансные преобразователи с фазовым сдвигом используются для получения большой выходной мощности. Обзор контроллеров для управления такими преобразователями показал, что основное влияние на выходное служебное напряжение оказывают встроенные схемы защиты. Так, в режиме КЗ при управлении по напряжению ИПН входит в режим пропуска импульсов. Данная мера позволяет удерживать на постоянном уровне ток КЗ, защищая силовые ключи и выходные выпрямители, что в то же время отрицательно влияет на уровень служебного напряжения. Результаты моделирования позволяют сделать вывод о том, что наиболее эффективной, с точки зрения коэффициента , является двухтактная схема выпрямления. Режим ХХ для УФСН с использованием сердечника выходного трансформатора мостовых квазирезонансных ИПН является критическим, т.к. в этом режиме происходит полное выключение ключей до момента исчезновения ХХ, что ограничивает использование УФСН на выходном трансформаторе.

Анализ численных значений токов I_FM и I_FSM резонансной топологии показал, что наиболее опасная ситуация возникает в момент начала работы УФСН с использованием сердечника выходного трансформатора. В этом случае наблюдаются завышенные значения ударного тока I_FSM. Основной причиной этому служит резонансная топология, которой свойственны повышенные значения токов и напряжения и постоянная ширина импульса. Для мостовой топологии с фазовым сдвигом необходимо учитывать величину емкости выходного конденсатора УФСН, так как для данной топологии характерно увеличение постоянной времени заряда примерно в 10 раз по сравнению с топологиями, которые были описаны во второй главе.

Согласно результатам исследования алгоритм расчёта будет выглядеть так, как показано на рис. 3.



Рис. 3 Алгоритм расчёта

Глава четвёртая посвящена анализу процессов в УФСН с использованием сердечников силовых дросселей ИПН. Данные УФСН в структуре ИПН могут быть реализованы:

1) путём расположения дополнительной обмотки на сердечнике повышающего индуктора корректора коэффициента мощности (ККМ);

2) путём расположения дополнительной обмотки на сердечнике выходного дросселя прямоходовых ИПН.

В настоящее время распространение получили ККМ со следующими тремя методами управления:

· метод граничного управления;

· метод разрывных токов;

· метод управления по пиковому значению тока.

Реализация УФСН на повышающем индукторе достигается путём обратного включения дополнительных обмоток. Моделирование трёх методов управления позволило сделать заключение, что наилучшие показатели по обеспечению стабильности служебного напряжения при различных режимах работы DC/DC показывает граничный метод управления, который к тому же предъявляет невысокие требования к величине ёмкости выходного конденсатора УФСН.

В зависимости от варианта реализации гальванического разделения, на повышающем индукторе может быть разное количество обмоток. Выбор варианта с гальваническим разделением по питанию приводит к необходимости постановки дополнительного токоограничительного резистора ударного тока I_FSM в цепь питания контроллера DC/DC.

Прямоходовые одно- и двухтактные топологии предоставляют разработчику дополнительный вариант реализации УФСН с использованием сердечника дросселя главного выхода DC/DC. Как и в случае с дополнительными обмотками повышающего индуктора, на дросселе основного выхода ИПН обмотки УФСН включаются в обратном ходе. Моделирование работы ИПН показало, что данный вариант УФСН не позволяет произвести оптимизацию конечного значения для режима КЗ, что ограничивает его применение.

Для рассмотренных УФСН в общем случае справедлив следующий алгоритм расчёта, показанный на рис. 4.



Рис. 4 Алгоритм расчёта

В дополнение к приведенному алгоритму расчёта необходимо привести ряд рекомендаций:

· по возможности избегать применения метода управления ККМ по пиковому значению тока;

· стараться использовать метод граничного управления, при котором минимальны требования к стабилизации служебного напряжения.

Глава пятая диссертации посвящена исследованию процессов в пусковых схемах сетевых ИПН. Импульсный преобразователь является устройством, которое чувствительно к порядку включения его основных устройств. Основными устройствами являются: ККМ и собственно DC/DC преобразователь. При наличии таких устройств порядок их включения должен быть следующим:

1) включение и выход в рабочий режим ККМ;

2) включение и выход в рабочий режим DC/DC.

Поскольку служебное напряжение УФСН третьего класса является вторичным, то возникает необходимость получения первичного напряжения от питающей сети с последующим переключением на работающее устройство формирования служебного напряжения. Первичное напряжение получают при помощи специальных устройств пуска, которые могут быть активными или пассивными. Работа устройств пуска определяет такой параметр ИПН как время включения и время пуска, а стабильность их работы определяет надежность ИПН в диапазоне температур при заданном разбросе величин параметров входящих элементов. При работе над диссертацией было разработано и запатентовано устройство управляемого активного пуска, основным достоинством которого являются низкие тепловые потери. Низкие тепловые потери описываемого устройства позволяют реализовать быстрое включение и пуск ИПН, используя сетевое напряжение, а также поддерживать его работу в режиме Hiccup. Импульсный преобразователь можно разделить на два типа схем с точки зрения процессов пуска:

· с гальваническим разделением цепи обратной связи DC/DC преобразователя;

· с гальваническим разделением цепи питания контроллера DC/DC преобразователя.

Используя гальваническое разделение в цепи обратной связи DC/DC, должно выполняться следующее условие:

, (8)

где t₁ - время включения контроллеров обоих устройств преобразователя; - интервал времени между включением контроллеров обоих устройств преобразователя и выключением устройства активного пуска; t₃ - время окончания процесса заряда выходного конденсатора ККМ. Время пуска всего источника в наихудшем случае будет равно

. (9)

Второй тип ИПН отличается наличием дополнительного источника с гальванически развязанным выходом. Этот источник обычно имеет небольшую мощность и более высокое внутреннее сопротивление, что меняет картину обеспечения устойчивости переходного процесса. Для обеспечения работоспособности ИПН, согласно временным диаграммам рис. 5, необходимо выполнение условий

(10)

где - время включения контроллера ККМ и начало заряда конденсатора С₂; - интервал времени между включением контроллера ККМ и выключением устройства пуска; - интервал времени между включением контроллера DC/DC и окончанием времени плавного пуска DC/DC; - время окончания заряда выходного конденсатора ККМ С_ККМ до номинального значения напряжения; - время включения контроллера DС/DС. Области определяют моменты времени с учетом максимального разброса емкостей конденсаторов. Выделенная область внутри каждой области , определяет моменты времени с учётом допустимого отклонения емкости конденсатора от его номинального значения.

Время пуска преобразователя определяется согласно (9).



Рис. 5 Процессы пуска ИПН с гальваническим разделением цепи питания контроллера DC/DC преобразователя

Макетные испытания ИПН показали, что в температурном диапазоне от

- 40 до +85 ⁰С основное влияние на пуск преобразователя оказывает изменение ёмкостей выходных конденсаторов ККМ и УФСН от их номинальных значений. В наихудшем случае разброс может составить для группы К50:

-45…+65%; для группы K52: -70…+45%; для группы K53: -35…+35%. К выбору конденсаторов необходимо подходить с особой внимательностью, руководствуясь неравенствами (8), (10) и рис. 5. При правильном выборе не должно быть пересечений областей д. По результатам исследования был разработан алгоритм расчёта элементов схем пуска УФСН при помощи моделирования в Micro-Cap (см. рис. 6)



Рис. 6 Алгоритм расчёта

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе выполнения диссертационной работы были получены следующие основные результаты:

1. Произведена классификация существующих УФСН на основании имеющихся схемных решений ИПН.

2. Выделены частные показатели оценки эффективности УФСН при помощи оценки режимов работы ИПН и способов их управления. В целом при оценке эффективности необходимо учитывать следующие критерии: - критерий, учитывающий изменение напряжения УФСН в режиме короткого замыкания основного выхода ИПН; - критерий, учитывающий изменение напряжения УФСН в режиме холостого хода ИПН; - критерий, учитывающий изменение напряжения УФСН при управлении ИПН по напряжению; - критерий, учитывающий изменение напряжения УФСН при управлении ИПН по току; - критерий, учитывающий изменение напряжения УФСН в зависимости от изменения входного сетевого напряжения.

3. Произведен анализ процессов в УФСН при помощи Micro-Cap с расчётом частных показателей эффективности, дающих представление о степени влияния режимов работы ИПН и методов управления на величину служебного напряжения. Введено понятие комплексного показателя эффективности УФСН , что дает полное представление о влиянии частных факторов на величину служебного напряжения.

4. Разработаны рекомендации по улучшению коэффициента , выполнению условия (7) и ограничению импульсных токов I_FM, I_FSM. Для УФСН с использованием сердечника выходного трансформатора в одно- и двухтактных ИПН с ШИМ-управлением будут справедливы следующие рекомендации: увеличение числа витков и постановка стабилизатора напряжения; увеличение длительности управляющих импульсов путем подбора сопротивления холостого хода R_XX на главном выходе; подбор значений RC-цепочки в цепи токовой защиты; постановка последовательного токоограничительного резистора в выходной цепи УФСН; реализация источника СН с двухтактным выпрямлением переменного напряжения (только для двухтактных схем); постановка двух параллельно включенных диодов в составе диодной сборки; уменьшение разности между напряжением на выходном конденсаторе и номинальным значением СН на выходе УФСН.

Для УФСН за счёт использования выходного трансформатора в одно- и двухтактных ИПН с резонансным методом управления справедливы следующие рекомендации: увеличение числа витков и постановка стабилизатора напряжения; постановка последовательного токоограничительного резистора в выходной цепи УФСН; постановка двух параллельно включенных диодов в составе диодной сборки; использование «медленного» входа управляющего контроллера; реализация источника СН с двухтактным выпрямлением переменного напряжения (только для двухтактных схем); уменьшение разности между напряжением на выходном конденсаторе и номинальным значением СН на выходе УФСН.

Для УФСН за счёт использования выходного трансформатора в одно- и двухтактных ИПН с квазирезонансным методом управления справедливы следующие рекомендации: увеличение числа витков и постановка стабилизатора напряжения; постановка последовательного токоограничительного резистора в выходной цепи УФСН; постановка двух параллельно включенных диодов в составе диодной сборки; подбор значений RC-цепочки в цепи токовой защиты; реализация источника СН с двухтактным выпрямлением переменного напряжения (только для двухтактных схем); уменьшение разности между напряжением на выходном конденсаторе и номинальным значением СН на выходе УФСН;

Для УФСН за счёт использования повышающего индуктора ККМ справедливы следующие рекомендации: использования граничного метода управления ККМ; постановка последовательного токоограничительного резистора в выходной цепи УФСН; постановка двух параллельно включенных диодов в составе диодной сборки; уменьшение разности между напряжением на выходном конденсаторе и номинальным значением СН на выходе УФСН; увеличение числа витков и постановка стабилизатора напряжения.

5. Разработаны алгоритмы расчёта УФСН и сопутствующие PSpice-модели. Использование данных алгоритмов расчёта и моделей позволяет сделать предпроектную оценку всех частных показателей эффективности, по результатам расчёта принять решение о необходимости дополнительного ограничения импульсного тока, выборе рациональной схемы стабилизации. В целом в результате расчёта по разработанным алгоритмам удаётся близко подойти к оптимальной области реализации УФСН для выбранной топологии ИПН.

6. Проанализированы процессы включения и пуска ИПН, разработан алгоритм расчёта элементов схем пуска. Использование разработанного алгоритма позволяет выбрать рациональные величины, учитывая диапазон рабочих температур, диапазон изменения емкостей конденсаторов цепи питания контроллеров и их ток утечки. В целом результат расчёта приводит к минимизации времени готовности (пуска) ИПН.

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в центральных изданиях, включенных в перечень периодических изданий ВАК РФ

1. Середжинов Р.Т. Анализ процессов в источниках служебного питания за счёт выходных каскадов однотактных импульсных преобразователей / Р.Т. Середжинов // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. Новочеркасск. 2008. № 5. С. 37-42.

2. Середжинов Р.Т. Анализ процессов пуска AC/DC преобразователей / Л.К. Самойлов, Р.Т. Середжинов // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. Новочеркасск. 2008. № 4.

С. 40-45.

3. Середжинов Р.Т. Анализ процессов источников служебного питания за счет повышающего индуктора корректора коэффициента мощности / Р.Т. Середжинов // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. 2008. № 4. С. 94-97.

Патент

4. Середжинов Р.Т. Устройство управляемого активного пуска импульсного преобразователя напряжения: Патент на изобретение № 2324282. МПК⁷ H02M 7/5375 / Л.К. Самойлов, Р.Т. Середжинов.

Публикации в других изданиях

5. Середжинов Р.Т. Анализ процессов в источниках служебного питания за счет выходных каскадов двухтактных прямоходовых импульсных преобразователей / Л.К. Самойлов, Р.Т. Середжинов // Компоненты и технологии: Силовая электроника. 2008. №2. С. 80-84.

6. Середжинов Р.Т. Основные факторы, определяющие эффективность служебного питания с использованием выходного напряжения в импульсных преобразователях напряжения / Л.К. Самойлов, Р.Т. Середжинов // Информационные технологии в современном мире: материалы Междунар. науч. конф.: в 5 ч. Таганрог: ТРТУ, 2006. Ч.3. С. 71-75.

7. Середжинов Р.Т. Целевые функции, определяющие эффективность служебного питания / Р.Т. Середжинов // Известия ТРТУ. Спец. выпуск. Конференция профессорско-преподавательского состава. Таганрог: ТРТУ, 2007. С. 83.

8. Середжинов Р.Т. Количественная оценка факторов эффективности служебного питания в импульсных преобразователях напряжения / Р.Т. Середжинов // Проблемы развития естественных, технических и социальных систем: материалы Междунар. науч. конф.: в 5 ч. - Таганрог: ТТИ ЮФУ, 2007. Ч.5. С. 59-61.

9. Середжинов Р.Т. Анализ процессов однотактной схемы служебного питания двухтактных импульсных преобразователей / Р.Т. Середжинов // Молодежь и современные информационные технологии: материалы Всерос. науч. конф. молодых учёных и аспирантов. Томск: ТГТУ, 2008. С. 209-211.

10. Середжинов Р.Т. Использование гасящего конденсатора в устройствах служебного питания импульсных преобразователей напряжения / Р.Т. Середжинов // Информационные технологии, системный анализ и управление: материалы Четвёртой Всерос. науч. конф. молодых ученых и аспирантов. Таганрог: ТРТУ, 2006. С. 54-57.

11. Середжинов Р.Т. Однотактные импульсные преобразователи с источниками служебного питания за счёт выходных каскадов / Р.Т. Середжинов // Известия ТТИ ЮФУ. Спец. выпуск. Конференция профессорско-преподавательского состава. Таганрог, 2008. С. 94.

12. Середжинов Р.Т. Оценка влияния величины сопротивления холостого хода на качество процессов перерегулирования и значение служебного напряжения при холостом ходе импульсного преобразователя / Р.Т. Середжинов // Стратегия качества в промышленности и образовании: материалы IV Междунар. конф. Болгария, Варна, 2008. Специальный выпуск Международного научного журнала Acta Universitatis Pontica Euxinus.

С. 310-313.

13. Середжинов Р.Т. Источники служебного питания за счет повышающего индуктора корректора коэффициента мощности / Р.Т. Середжинов // Информация, сигналы, системы: вопросы методологии, анализа и синтеза (ИСС-2008): материалы Междунар. науч. конф.: в 5 ч. Таганрог, 2008. Ч.5.

С. 67-69.

14. Середжинов Р.Т. Сравнительный анализ процессов пуска AC/DC преобразователя с использованием терморезистора и устройства уменьшения пускового тока / Р.Т. Середжинов // Молодежь XXI века - будущее российской науки: материалы 6-й Всерос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. Ростов - н/Д: ЮФУ, 2008. С. 120-121.

Личный вклад автора в работах, написанных в соавторстве, состоит в следующем: [2] - реализована модель, позволяющая рассчитать параметры элементов, ответственных за процесс пуска импульсного преобразователя, произведён анализ процессов пуска, предложен алгоритм расчета параметров элементов; [4] - произведено моделирование устройства управляемого активного пуска; [5,6] - произведен анализ процессов источников служебного питания за счёт использования выходного трансформатора c помощью Micro-Cap, предложен алгоритм их расчета.

Размещено на Allbest.ru