Національний технічний університет України

"Київський політехнічний інститут"

Обрубов Андрій Валерійович

УДК 621.314.

ПЕРЕТВОРЮВАЧІ ПОСТІЙНОЇ НАПРУГИ

НА ОСНОВІ РЕЗОНАНСНИХ ІНВЕРТОРІВ

З ШИРОТНО-ЧАСТОТНИМ РЕГУЛЮВАННЯМ

Спеціальність 05.09.12 – Напівпровідникові перетворювачі електроенергії

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі комп’ютеризованих систем управління Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова, м. Миколаїв

Науковий керівник –

Офіційні опоненти ––

Провідна установа – |

доктор технічних наук, професор,

Павлов Геннадій Вікторович,

Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, (м. Миколаїв)

завідувач кафедри комп’ютеризованих систем управління.

доктор технічних наук, професор,

Терещенко Тетяна Олександрівна,

Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут"(м. Київ),

професор кафедри промислової електроніки

кандидат технічних наук, доцент,

Домнін Ігор Феліксович,

Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”(м. Харків),

в. о. завідувача кафедрою промислової і біомедичної електроніки

Національний гірничий університет (м. Дніпропетровськ),

кафедра систем електропостачання

Захист відбудеться “12” грудня 2005 р. о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К .002.06 в Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 03056, Київ–56, проспект Перемоги,37, тел.241-76-62.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці НТУУ КПІ.

Автореферат розісланий “29” жовтня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради К .002.06 В. О. Шостак

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток сучасних виробничих технологій та устаткування пов’язаний з розширенням використання силових перетворювачів електроенергії у промисловості. Силові перетворювачі у свою чергу постійно вдосконалюються з метою підвищення надійності, поліпшення енергозбереження, зниження собівартості. Приоритетними напрямками вдосконалення перетворювачів є розробка нових силових компонентів та поліпшення їх характеристик, розробка нових силових схем, алгоритмів та систем управління перетворювачами. Ефективне вирішення кожної з цих задач потребує глибокого аналізу електромагнітних процесів у силових схемах перетворювачів, створення нових схем і принципів управління.

Одним із способів поліпшення енергетичних характеристик перетворювачів є використання резонансних коливань в процесі перетворення електроенергії. Резонансні перетворювачі (РП), як відомо, мають суттєві переваги перед перетворювачами з жорсткою комутацією вентилів, оскільки дозволяють знизити комутаційні втрати, підвищити частоту перетворення та ККД, зменшити рівень генерованих перешкод. Однак ці переваги зберігаються у недостатньо широкому діапазоні зміни керуючої величини та навантаження при найбільш розповсюджених широтному або частотному способах регулювання. Досягнення же потрібних характеристик РП часто забезпечується ускладненням їх силових схем що веде до погіршення масогабаритних показників і здороженню конструкції. Тому розробка нових способів регулювання, які дозволяють забезпечити потрібні характеристики РП без ускладнення силової схеми, є актуальною.

Багатолітній досвід всесвітньо відомих виробників імпульсних перетворювачів та компонентів їх систем управління свідчить про ефективність широтного та частотного способів регулювання. Реалізація цих способів є технічно простою і звичайно не потребує ускладнень силової частини перетворювачів. Широтне регулювання забезпечує близьку до лінійної передатну характеристику в діапазоні від нуля до максимуму. Однак при суттєвій зміні ширини імпульсів інвертора з резонансною ланкою (РЛ) погіршуються умови комутації вентилів і переваги резонансної схеми збігають нанівець. Частотний спосіб регулювання дозволяє зберегти прийнятні умови комутації в обмеженому діапазоні, але регулювання до нуля стає практично неможливим. Окрім цього, зміна частоти перетворення біля резонансної частоти веде до значних змін динамічних характеристик РП як передатної ланки. Це негативно впливає на забезпечення стійкості систем з РП. При суміщеному широтно-частотному регулюванні потрібна кратність регулювання може забезпечуватись за рахунок зміни ширини імпульсів, а умови комутації – завдяки узгодженій з шириною імпульсів зміною частоти перетворення. Тому суміщене регулювання дозволить використати переваги обох способів без характерних їх недоліків та розширити діапазон регулювання з прийнятними умовами комутації вентилів РП.

Зв’язок з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до тематичних планів науково-дослідних робіт, що фінансуються з засобів держбюджету Міністерства освіти і науки України на 1994-2004 р. за напрямком  “Перспективні інформаційні технології, прилади комплексної автоматизації"; відповідно до Основних принципів Державної політики енергозбереження (закон України “Про енергозбереження”, постанова Верховної Ради України №75/94-ВР від 1 липня  р.) і відповідно до комплексних програм енергозбереження в Миколаївській області на період 1998-2010 р.; відповідно до НДР №ДР 0193U033842, 0101U004105 і 0104U003097, у якій здобувач був відповідальним виконавцем.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розвиток теорії послідовно-резонансних перетворювачів (ПРП) з широтним та частотним способами регулювання, який дозволяє розширити можливості регулювання шляхом суміщення вказаних способів та забезпечити оптимальні умови комутації силових вентилів.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішувалися наступні основні задачі:

- огляд силових схем РП та існуючих способів регулювання, порівняльний аналіз, обґрунтування суміщеного регулювання і розробки нових алгоритмів управління ПРП;

- розробка математичної моделі активного резонансного контуру (АРК), яка дозволить дослідити електромагнітні процеси в ПРП та розрахувати статичні характеристики;

- встановлення нових послідовностей фазових сполучень (ПФС) еквівалентних ЕРС вхідного джерела та споживача, які дозволять сформувати алгоритми комутації вентилів ПРП для режимів прямої передачі енергії;

- розрахунок статичних характеристик ПРП при частотному, широтному та широтно-частотному регулюванні, синхронному та асинхронному управлінні, визначення областей з прийнятними умовами комутації;

- визначення умов відсутності паразитних автоколивань у ПРП при широтно-частотному регулюванні;

- розробка динамічних моделей ПРП для розрахунку його динамічних характеристик та синтезу регуляторів вихідних величин, а також структур заміщення ПРП на основі типових динамічних ланок для використання у інженерній практиці;

- розробка алгоритму широтно-частотного управління, який поліпшує характеристики ПРП без ускладнення силової частини;

- розробка досвідно-промислових зразків ПРП з широтно-частотним регулюванням, які підтверджують результати теоретичних досліджень.

Об’єктом дослідження є перетворювачі електроенергії на основі схем з комутацією кіл, які містять резонансні контури із реактивними елементами.

Предметом дослідження є перетворювачі постійної напруги на основі послідовно-резонансних інверторів з широтно-частотним регулюванням.

Методи дослідження. При вирішенні поставлених у дисертації задач використовувалися: класичний метод розрахунку електричних кіл; метод простору змінних стану; метод перетворення; метод Крилова-Боголюбова; методи теорії автоматичного управління; чисельні методи розрахунку характеристик, рішення рівнянь і комп’ютерного моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у наступному:

- розроблено математичну модель АРК, яка дозволяє дослідити електромагнітні процеси ПРП з широтно-частотним регулюванням, отримати узагальнені вирази та розрахувати статичні характеристики;

- на основі загального аналізу процесів енергообміну встановлені нові ПФС еквівалентних ЕРС вхідного джерела та споживача, які дозволяють сформувати алгоритми комутації та значно розширити можливості ПРП з широтно-частотним регулюванням;

- отримані аналітичні залежності, що зв’язують вхідну напругу, частоту перетворення та добротність контуру і дозволяють визначити умови відсутності паразитних субгармонійних коливань у ПРП з широтно-частотним регулюванням;

- розроблені динамічні моделі ПРП з широтно-частотним регулюванням, які дозволяють розрахувати динамічні характеристики, синтезувати автоматичний регулятор вихідних величин та оцінити стійкість контуру регулювання;

- розроблено алгоритм асинхронного широтно-частотного управління, який дозволяє значно поліпшити енергетичні характеристики ПРП;

- запропоновані динамічні моделі неперервного типу для заміщення ПРП, які дозволяють спростити проектування електроенергетичних систем, до складу яких входять ПРП.

Практичне значення отриманих результатів полягає у тому, що:

- математична модель АРК дозволяє описати процеси ПРП при різних алгоритмах комутації по узагальнених виразах, знизити трудомісткість і автоматизувати розрахунки статичних характеристик;

- запропонований спосіб визначення алгоритмів комутації дозволяє на стадії проектування по заданій кількості робочих фаз у напівперіоді перетворення і напрямкам передачі енергії в кожній фазі перетворення визначити послідовність комутації вентилів ПРП і задати необхідний режим його роботи;

- аналітичні залежності, що визначають умови відсутності паразитних субгармонійних автоколивань у ПРП, дозволяють встановити межі сигналів управління;

- динамічні моделі ПРП дозволяють оптимально вибрати тип і параметри регулятору для стійкої роботи в широкому діапазоні навантажень і управляючих величин;

- розроблений алгоритм широтно-частотного управління дозволяє поліпшити енергетичні характеристики ПРП у широкому діапазоні зміни напруги і струму навантаження;

- з використанням структур заміщення ПРП можна проектувати і моделювати електроенергетичні системи, що включають у себе ПРП, з використанням типових інженерних методик і засобів моделювання.

Також результати дисертаційної роботи використані при розробці досвідно-промислових зразків ПРП, впроваджених у ЗАТ “Електрон-комплекс”, м. Москва, м. Новгород і в Інституті імпульсних процесів і технологій, м. Миколаїв.

Теоретичні і практичні результати дисертаційної роботи використані в навчальному процесі Національного університету кораблебудування при читанні автором курсів лекцій “Електроніка і мікросхемотехніка”, “Електронні мікропроцесорні і перетворюючі пристрої”, “Силові напівпровідникові пристрої суднової автоматики”.

Документи, що підтверджують впровадження, надані у додатку.

Особистий внесок автора. Автору належить обґрунтування завдання, виконання досліджень, їх аналіз та обробка результатів, висновки по усім науковим положенням та результатам роботи, а саме: математична модель АРК; динамічні моделі АРК та ПРП; вирази для розрахунку статичних характеристик ПРП з використанням характеристичних фігур; методика визначення ПФС та алгоритмів комутації; методика розрахунку параметрів контуру ПРП; алгоритм широтно-частотного управління; комп’ютерне моделювання; розробка досвідно-промислових зразків.

У наукових працях, які опубліковані в співавторстві, здобувачу належать:

у [2, ] – залежності для розрахунку статичних характеристик ПРП; у [3] – аналіз трьохконтурної схеми заміщення ПРП, мережі і навантаження; у [4, ] – динамічна модель АРК; у [6] – амплітудноімпульсна модель ПРП, побудова частотних характеристик РП; у [7] – побудова характеристичних фігур на фазовій площині для розрахунку статичних характеристик ПРП; у [8, ] – моделювання роботи РП при різних алгоритмах комутації; у [10] – дослідження тиристорного ПРП; у [11] – вирази складових передатної функції схеми заміщення ПРП; у [12] – динамічна модель, динамічні характеристики ПРП; у [21] – математична модель осцилятора, принцип регулювання іскрового процесу та експерименти; у роботах [13-20, -25] автори розділили труд порівну.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися на Міжнародних науково-технічних конференціях: “Силова електроніка і енергоефективність”, м. Алушта, р.; “Силова електроніка і енергоефективність”, м. Алушта, 1999р.; “Проблеми сучасної електротехніки – 2000”, м. Київ, р.; “Силова електроніка і енергоефективність”, м. Алушта, р.; “Проблеми сучасної електротехніки – 2002”, м. Київ, р.; “Силова електроніка і енергоефективність”, м. Алушта, р.; “Силова електроніка і енергоефективність”, м. Алушта, р.; “Інформаційно-керуючі системи і комплекси”, НУК, м. Миколаїв, ІКСК-2004р., а також на щорічних конференціях професорсько-викладацького складу УДМТУ, НУК.

Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи відображений в 27 публікаціях у фахових наукових виданнях.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг роботи складає 217 сторінок, у тому числі 169 сторінок основного тексту, 83 рисунка, 12 таблиць, список використаних джерел з 124 найменувань і 5 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми і доцільність роботи, сформульовані мета і задачі наукового дослідження, викладені наукова новизна і практичне значення результатів досліджень, визначено особистий внесок здобувача, наведені дані про зв’язок роботи з науковими програмами, експерименти, апробацію результатів роботи, публікації та впровадження.

У першому розділі розглянуті силові схеми і способи регулювання РП. Показано переваги РП перед іншими типами перетворювачів. Визначено коло задач, які вирішуються шляхом використання явища резонансу у силових схемах перетворювачів. Обґрунтована доцільність побудови РП постійної напруги в постійну на основі послідовно-резонансних кіл. Також наведені деякі технічні проблеми, які стримують впровадження РП у виробництво та їх застосування.

Огляд двотактних послідовних резонансних інверторів та РП показав, що найбільш розповсюдженими є ПРП, побудовані за полумостовою та мостовою топологіями на рис. ,а,б. Серед способів регулювання у РП з однією РЛ по розповсюдженості визначаються частотний, широтний і фазовий, що зводиться у мостовій схемі до широтно-імпульсної модуляції (ШІМ). Однак, при глибокому широтному регулюванні РП погіршуються умови комутації силових вентилів,

а б

Рис. 1

а частотне регулювання нелінійне і погіршує динамічні характеристики РП. Зазвичай вирішення цієї проблеми досягається у силовій частині введенням у схему РП додаткових реактивних елементів та РЛ, а в системі управління – синхронізацією сигналів управління вентилями з резонансними коливаннями. Розширення можливостей ПРП за рахунок систем управління є більш прийнятним, оскільки менше впливає на собівартість і масогабаритні показники.

Запропоноване суміщене широтно-частотне регулювання дозволяє реалізувати переваги ПРП у значно більшому діапазоні регулювання та навантажень в порівнянні з широтним та частотним способами окремо. В даний час немає широко відомих теоретичних розробок у цьому напрямі, тому доцільно розробити синхронний та асинхронний алгоритми широтно-частотного управління ПРП, які забезпечують оптимальні умови комутації вентилів і поліпшують характеристики ПРП.

Для обґрунтування суміщеного широтно-частотного регулювання розглянуті зовнішні характеристики ПРП з частотним (рис. ,а), широтним (рис. ,б) і широтно-частотним регулюванням (рис. ,в,г), які розраховані по першій гармоніці коливань. Частотне регулювання подібно до параметричного зі зміною еквівалентного опору послідовної РЛ. Нахил зовнішніх характеристик ПРП на рис. ,а збільшується при віддалені частоти перетворення від резонансної частоти, де – відносна частота перетворення. При широтному регулюванні зовнішні характеристики переміщуються вертикально і поступально (рис. ,б).

а б в г

Рис. 2

Широтно-частотне регулювання дозволяє змінити нахил зовнішньої характеристики (лінії на рис. 2,в) відповідно до нахилу вольтамперної характеристики нелінійного навантаження (лінії) у будь-який точці робочої зони характеристик. Це сприяє стабілізації вихідних величин. При вмиканні вентилів інвертора у моменти перетину резонансним струмом нуля жорсткість зовнішніх характеристик зменшується зі зменшенням вихідної потужності (рис. ,г), що дозволяє досягти більш точного регулювання при малих значеннях вихідних величин, зменшує вимоги до автоматичного регулятору по швидкодії і комутаційні втрати.

Розгляд умов комутації вентилів ПРП показав, що частота перетворення і ширина імпульсів при регулюванні повинні змінюватись одночасно згідно з закономірностями, які необхідно визначити. Для досягнення максимально ефективної роботи ПРП на рис. потрібно проаналізувати можливі алгоритми комутації вентилів та вибрати оптимальні. Забезпечення стійкості контурів управління і прийнятних умов комутації у перехідних режимах потребує дослідження динаміки і розробки узагальнених, абстрагованих від принципових схем, динамічних моделей ПРП при широтному, частотному та широтно-частотному регулюванні.

У другому розділі досліджено АРК на рис. ,а, який можна виділити у будь-якому ПРП. АРК розглядається як електричне коло і як передатна ланка з входами і виходами. Інверторний та випрямний мости ПРП заміщені еквівалентними джерелами напруги прямокутної форми та, амплітуда яких задається напругами живлення і навантаження. Згідно з принципом накладення для лінійних кіл один АРК на рис. ,а можна розглядати як два елементарних АРК на рис. ,б зі струмами та, сума яких дорівнює резонансному струму.

а б

Рис. 3

Математична модель АРК у векторно-матричній формі має вигляд

(1)

де – вектор змінних стану; – матриця контуру; – вектор входу; – вектор амплітуди коливань;, або – матриця виходу; – одиничний вектор збудження коливань; – хвильовий опір РЛ; – напруга на резонансній ємності; – частота ідеального резонансу; – добротність РЛ; – напруга на РЛ;, – індуктивність та ємність РЛ. Дискретні рівняння динаміки (2) побудовані на основі рішень системи (1) для напівперіоду перетворення, прийнятого за період дискретності

(2)

де – перехідна матриця стану; –

матриця зважування вхідного впливу;; – вектор виходу; – функція згасання коливань; – кутова тривалість періоду дискретності; – матриця приведення змінних стану до вихідних величин; – частота вільних коливань. Із системи (2) отримані передатні функції (ПФ) АРК для впливу напруги живлення на амплітуду резонансного струму

, (3)

та для впливу напруги живлення на напругу на резонансної ємності у моменти комутації

(4)

де – частотний кут. ПФ (3) та (4) описують динаміку АРК при збуреннях зі сторони живлення і з припущенням також при широтному регулюванні.

При частотному регулюванні АРК представлений у вигляді двох послідовно з’єднаних ланок на рис. : безінерційної нелінійної ланки (БНЛ), що відбиває статичну залежність амплітуди коливань у (1), та нестаціонарної динамічної ланки (НДЛ), якості котрої в часовій ділянці описуються деяким оператором, який є рішенням нестаціонарного рівняння динаміки, де та – функції частоти та добротності полюсу ЛАЧХ АРК; – збурення стану, яке дорівнює вимушеному значенню частотного кута; Цьому рівнянню відповідає еквівалентна неперервна ПФ НДЛ. ПФ всієї структури на рис. для малих змін частоти при диференційній лінеаризації статичної характеристики буде мати вигляд, де;; – період модуляції. Неперервна ПФ дозволяє оцінювати стійкість ПРП

Рис. 4

у малому при частотному регулюванні і синтезувати лінійний регулятор. Сімейства ЛАЧХ для амплітуди струму АРК на рис. ,а, які розраховані із (1)-(4), ілюструють залежності частотних властивостей АРК як передатної ланки від частоти перетворення. Вони добре збігаються з експериментальними даними (відмічені маркерами), що підтверджує адекватність розроблених математичної та динамічних моделей АРК. ЛАЧХ для частотного регулювання на рис. ,б показують, що чутливість амплітуди резонансних коливань зворотно пропорційна квадрату середній частоти полюсу ЛАЧХ. Як випливає із ЛАЧХ, АРК подібний до коливальної ланки типу фільтру нижніх частот. Частота полюсу ЛАЧХ дорівнює різниці частоти перетворення і резонансної частоти. Добротність полюсів зростає зі зростанням модуля вказаної різниці та добротності РЛ.

а б

Рис. 5

У третьому розділі для визначення оптимальних алгоритмів комутації розглянуті можливі послідовності комбінацій джерел напруги у послідовному резонансному контурі на протязі полуперіоду коливань з точки зору енергообміну між цими джерелами. Ці послідовності описуються узагальненим рівнянням ПФС,

де, , – відповідно матриця джерел, комутаційна матриця і матриця ПФС, де ПФС зчитується по головній діагоналі з продовженням по нижньому рядку; – відповідно скорочені назви робочих фаз перетворення: прямого струму, реверсної та циркуляційної; – елементи комутаційної матриці, що вказують напрямок енергії по відношенню до го джерела напруги контуру. За допомогою рівняння ПФС визначено, що для схем на рис. найбільш прийнятними по використанню вентилів і вихідним пульсаціям є ПФС-I (;) і ПФС-III (;), де – відносна напруга живлення; – відносна напруга навантаження.

У результаті аналізу ПРП при широтно-частотному регулюванні з заміщенням його силової схеми елементарними АРК були отримані вирази граничних частот безструмової комутації вентилів, де – перепад напруги на РЛ; та – вирази для амплітуди коливань; – допоміжний кут, по яких розраховані графіки оптимальних сполучень частоти перетворення і ширини імпульсів на рис. при різних значеннях добротності РЛ.

Рис.6

Для розрахунку статичних характеристик та побудови динамічної моделі ПРП з використанням математичної моделі АРК були розроблені характеристичні фігури на фазовій площині (рис. ,а,б), де та –кутові тривалості прямого та реверсного резонансного струму; – частотний кут; – широтний кут; –функція згасання коливань у дисипативній фазі; – кут дисипативної фази;.

а б

Рис. 7

Ці фігури містять характеристичні фігури нижчих рангів: трикутник елементарного АРК, частотний трикутник та широтний трикутник. Це дозволяє розглядати силову схему ПРП як вкладені один в одного абстрактні контури: елементарний АРК і АРК з двома джерелами (рис. ,а). За допомогою характеристичних фігур отримано загальний вираз нормованої амплітуди коливань

, (5)

де;; для і для; та – напруги на РЛ у фазах прямого та реверсного струму. Нормований середній струм навантаження є сумою складових резонансного струму, узятих окремо у кожній фазі перетворення та усереднених за напівперіод коливань, де; та – початковий та кінцевий кути коливань у даній фазі перетворення; – миттєвий кут вектора амплітуди; – функція згасання амплітуди. З використанням (5) розраховані статичні характеристики ПРП при частотному, широтному та широтно-частотному регулюванні. Поле зовнішніх характеристик при асинхронному управлінні інвертором (рис. ) поділяється на дві зони лінією 5, яка з’єднує множину робочих точок з безструмовою комутацією вентилів ПРП на фронті імпульсів напруги при та на зрізі імпульсів при.

Рис. 8

Маркерами відмічені експериментальні точки. У зоні, охопленою лінією 5, реверсний струм відсутній і має місце подвійна ПФС-III/III (), коли імпульс напруги знаходиться між моментами переходів струмом через нуль і комутація не є оптимальною, тому робота ПРП з ПФС-III/III є небажаною. На самій лінії 5 встановлюється ПФС-III. У зоні між лініями 5 та 1 встановлюється проміжна ПФС-I/III (, або), при який умови комутації є прийнятними. Зовнішні характеристики ПРП при синхронному управлінні з правосторонньою ШІМ на рис. є більш жорсткими, оскільки частота перетворення змінюється менше, ніж при асинхронному управлінні, і знаходиться біля резонансної частоти.

Рис. 9

Порівняння статичних характеристик ПРП показує, що при асинхронному управлінні залежність між частотою перетворення і шириною імпульсів пов’язана також з відносною напругою навантаження і добротністю контуру ПРП. За рахунок узгодженої з регулювальною величиною зміні жорсткості зовнішньої характеристики умови стабілізації струму та захисту від перевантажень по виходу є ліпшими, ніж при синхронному управлінні. Однак при синхронному управлінні ліпші умови збереження безструмової комутації у перехідних режимах.

Експерименти з ПРП при лівосторонній ШІМ показали, що при напрузі навантаження, меншої критичної, виникають паразитні субгармонійні коливання, які погіршують якість вихідної електроенергії та зменшують коефіцієнт використання вентилів по струму.

Рис. 10

Це явище можна класифікувати як втрату стійкості граничного циклу стаціонарних коливань у контурі ПРП. Різницеве рівняння балансу кута реверсного струму дозволяє визначити умови стійкості граничного циклу. Тут:;;; – коефіцієнт передавання кутів характеристичного трикутника (рис. ) при, , ,. зображення дає загальну умову стійкості циклу, відкіля при маємо. Якщо для ліва сторона характеристичного трикутника більша за праву, положення точки комутації на фазової площині нестійке. Якщо ліва сторона трикутника менша за праву, положення наступних точок комутації буде прагнути до однієї точки, біля якої знаходиться точка. Фазова траєкторія наближатиметься до стійкого граничного циклу. При умови стійкості циклу зворотні. Для ПФС-III вираз визначає сполучення частоти перетворення і напруги навантаження для стійких () та нестійких () граничних циклів ПРП (рис ).

Рис. 11

З використанням характеристичних фігур та динамічних моделей АРК розроблені лінеаризовані динамічні моделі ПРП, які дозволяють синтезувати регулятори вихідних величин ПРП. У якості параметрів структури на рис. використовуються дані зі статичних характеристик, котрі можна отримати шляхом експерименту. Відносна вихідна напруга системи у вигляді зображення запишеться так, де – напруга збудження коливань АРК; – ПФ елементарного АРК; – ПФ ланцюга навантаження

а б

Рис. 12

з урахуванням пристрою вибірки-збереження; – постійна часу ланцюга навантаження; коефіцієнти, , розраховуються чисельними методами по виразах для складових середнього струму навантаження. Коефіцієнт зворотного зв’язку системи визначається статичним вихідним опором ПРП, де – відносний вихідний опір ПРП. Фрагмент структурної схеми на рис. ,б з ланкою, явно відповідною вихідному статичному опору, дозволяє визначити ПФ вихідного опору. Найліпша схожість розрахункових та експериментальних даних має місце коли тип ПФ АРК відповідає типу вхідного впливу. Тому у ПФ для ШІМ треба використовувати вираз, де. Також для низки інженерних задач добре наближення дає еквівалентна неперервна ПФ, де – залежність амплітуди коливань від частоти перетворення, яка розраховується з використанням математичної моделі АРК. Розроблені математичні моделі дозволяють проектувати системи, які мстять ПРП з широтно-частотним регулюванням, з використанням типових інженерних методик та систем моделювання.

У четвертому розділі представлена асинхронна широтно-частотна система управління ПРП (рис. ), яка на основі одного сигналу регулювання та сигналу зворотного зв’язку по напрузі навантаження ПРП автоматично формує сигнали задавання частоти перетворення та ширини імпульсів інвертора ПРП. Система побудована на основі мікроконтролера Microchip середньої серії, у пам’ять котрого у вигляді таблиць даних закладені нелінійні залежності між шириною імпульсів, частотою перетворення, вихідною напругою та сигналом регулювання, отримані з використанням математичної моделі АРК, виразів розрахунку статичних характеристик та експериментально відкориговані. Система дозволила поліпшити умови комутації вентилів ПРП та підвищити його ККД у широкому діапазоні регулювання.

Рис. 13

Також наведені описи результатів експериментів та досвідно-промислових зразків перетворювача для розмагнічування потужністю 3 КВт та зварювального осцилятору, які побудовані на основі ПРП. Система управління перетворювача для розмагнічування реалізує асинхронне широтно-частотне управління, а система управління ПРП осцилятору – синхронне. ПРП осцилятору живиться від змінної напруги 21...33 В та має потужність 250 Вт. Експерименти з досвідно-промисловими зразками підтверджують результати теоретичних досліджень, а їх експлуатація показала достатньо високу надійність та точність підтримки вихідних параметрів у промислових умовах. Досвідно-промислові зразки впроваджені у ЗАТ “Електрон-комплекс”, м. Москва, м. Новгород та в Інститут імпульсних процесів і технологій, м. Миколаїв. Перетворювач для розмагнічування використовується у стендах розмагнічування суден, а осцилятор – для розробки технологій ручного та автоматичного зварювання у середовищі аргону.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі отримала подальший розвиток теорія ПРП з широтним та частотним регулюванням, оснований на суміщенні вказаних способів регулювання й розробці алгоритмів управління з оптимальними умовами комутації, які дозволяють поліпшити енергетичні та динамічні характеристики ПРП у широкому діапазоні регулювання.

Результати дисертаційної роботи можуть бути використані для розрахунків силових схем ПРП, проектування систем управління та автоматичних регуляторів ПРП з широтно-частотним регулюванням, а також для проектування систем, у склад котрих входять ПРП.

1. У ході огляду існуючих схем ПРП та способів регулювання обґрунтована необхідність суміщення широтного та частотного способів регулювання, що дозволяє поліпшити параметри ПРП без ускладнення його силової схеми.

2. Розроблено математичну модель АРК, яка дозволяє у загальному вигляді описати процеси у ПРП та розрахувати статичні характеристики.

3. Розроблені динамічні моделі АРК при амплітудній, широтній та частотній модуляції, які дозволяють узагальнити аналіз динамічних характеристик ПРП з різними силовими схемами.

4. Розроблена методика визначення алгоритму включення у послідовний резонансний контур будь-якої кількості джерел напруги, який забезпечує енергообмін між ними у завданому напрямку на кожному межкомутаційному проміжку. Ця методика дозволила визначити усі можливі алгоритми комутації вентилів мостової схеми ПРП та виділити з них найефективніші алгоритми для формування ПФС при широтно-частотному регулюванні.

5. Подальший розвиток здобула методика аналізу процесів у РП на фазовій площині, який полягає в поширенні векторних діаграм на широтний, частотний та широтно-частотний способи регулювання за допомогою характеристичних фігур АРК. Це дозволило отримати узагальнені вирази статичних характеристик ПРП та підвищити наочність аналізу процесів у його силовій схемі, а також встановити області з оптимальними умовами комутації та лінії безструмової комутації.

6. Отримано аналітичні вирази та графічні залежності, які дозволяють ввести обмеження на управляючі величини для запобігання паразитних субгармонійних автоколивань у ПРП в стаціонарному режимі роботи.

7. Розроблено динамічні моделі мостового ПРП для впливів зі сторони живлення та управління при широтно-частотному регулюванні, які дозволили розрахувати динамічні характеристики ПРП та синтезувати автоматичні регулятори. Для спрощення проектування систем з ПРП запропоновані еквівалентні моделі неперервного типу.

8. Розроблено алгоритм асинхронного широтно-частотного управління ПРП, який дозволяє поліпшити його енергетичні та динамічні характеристики. Реалізація цього алгоритму дозволила підвищити ККД експериментального зразка не менш ніж на 4% у порівнянні з ПРП з широтним або частотним регулюванням окремо. Швидкодія регулятору струму у експериментальному ПРП на порядок вища у порівнянні з нерезонансним ШІМ-перетворювачем з еквівалентною силовою частиною.

9. Розроблено системи управління ПРП, які реалізують синхронне та асинхронне широтно-частотне управління і забезпечують високі технічні характеристики досвідно-промислових зразків ПРП.

10. Правомочність та обґрунтованість наукових положень, теоретичних дослідів та розрахунків підтверджується достатньою кількістю експериментів комп’ютерного моделювання та натурними експериментами зі зразками ПРП, а також узгодженням з раніш відомими результатами із літературних джерел.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Обрубов А. В. Динамические характеристики резонансной ячейки // Зб. наук. пр. УДМТУ. – Миколаїв: УДМТУ, 2003. – №5(391). – С. 128-138.

2. Обрубов А. В., Павлов Г. В. Совмещенное регулирование в мостовом последовательно-резонансном преобразователе // Технічна електродинаміка. – 2003. – №3. – С. 14-19 (залежності для розрахунку статичних характеристик) У дужках наведено особистий внесок автора.

3. Павлов Г. В., Обрубов А. В. Влияние внешних индуктивностей на работу последовательно-резонансного преобразователя // Електромашинобудування та електрообладнання. Респ. межвід. науково-техн. зб. – К.: Техніка – 1998. – Вип. 51. – С. 104-109 (аналіз трьохконтурної схеми заміщення ПРП, мережі і навантаження).

4. Павлов Г. В., Обрубов А. В. Дискретная модель активного резонансного контура последовательно-резонансного преобразователя // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск “Силова електроніка та енергоефективність. Київ: ІЕД НАНУ. Ч. ІII. – 2003. – С. 52-55 (динамічна модель АРК).

5. Павлов Г. В., Обрубов А. В. Линеаризованная математическая модель последовательно-резонансного преобразователя // Электроника и связь – К.: НТУУ “КПИ” ФЭЛ. 2003. – №19. – С. 20-24 (динамічна модель АРК).

6. Павлов Г. В., Обрубов А. В. Оценка фильтрующих свойств последовательно-резонансного преобразователя // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск “Системи електроживлення електротехнічних установок і комплексів”. – 1999. – С. 77-82 (амплітудноімпульсна модель ПРП, побудова частотних характеристик РП).

7. Павлов Г. В., Обрубов А. В. Расчет статических режимов работы резонансного преобразователя методом фазовой плоскости // Електромашинобудування та електрообладнання. – 1998. вип.51. – С (побудова характеристичних фігур на фазовій площині).

8. Павлов Г. В., Обрубов А. В. Регулятор тока на основе резонансной ячейки // Збірник наук. пр. УДМТУ. – Миколаїв: УДМТУ, 2000. – С. 157-164 (моделювання роботи РП).

9. Павлов Г. В., Обрубов А. В. Регулятор тока с резонансным контуром // Праці Інституту електродинаміки Національної академії наук України. Збірник наукових праць. №2(5). – 2003. – С. 44-49 (моделювання роботи РП).

10. Павлов Г. В., Обрубов А. В. Установившиеся режимы работы последовательно-резонансного преобразователя при асинхронном и синхронном управлении // Технічна електродинаміка. Спеціальний випуск, №2. Т.1. – 1998. – С. 166-169 (дослідження тиристорного ПРП).

11. Павлов Г. В., Обрубов А. В., Пекер Б. Н. Влияние внешних параметрических возмущений на резонансную частоту последовательно-резонансного преобразователя. Электроника и связь. – 2003. – №18. – С. 69-72 (вирази складових передатної функції схеми заміщення).

12. Павлов Г. В., Обрубов А. В., Пекер Б. Н. Динамическая модель активного резонансного контура инвертора при частотном регулировании // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск “Проблеми сучасної електротехніки” Київ: ІЕД НАНУ. Ч. 5. – 2004. – С. 85-88 (динамічна модель, динамічні характеристики).

13. Павлов Г. В., Обрубов А. В., Покровский М. В. Влияние потерь на работу последовательно-резонансного преобразователя с рабочей частотой выше резонансной // Електромашинобудування та електрообладнання. Респ. межвід. науково-техн. зб. К.: Техніка – 2000. – Вип. 54. – С. 43-48.

14. Павлов Г. В., Обрубов А. В., Покровский М. В. Внешние характеристики последовательно-резонансного преобразователя с рабочей частотой выше резонансной // Технічна електродинаміка. – 2000. – №2. – С. 26-29.

15. Павлов Г. В., Обрубов А. В., Покровский М. В. Воздействие сетевых помех на последовательно-резонансный преобразователь // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск “Силова електроніка та енергоефективність. Київ: ІЕД НАНУ. Ч. I. – 2000. – С. 73-78.

16. Павлов Г. В., Обрубов А. В., Покровский М. В. Изотоковые характеристики последовательно-резонансного преобразователя с рабочей частотой выше резонансной // Технічна електродинаміка. –2000. – №3. – С. 10-13.

17. Павлов Г. В., Обрубов А. В., Покровский М. В. Математическая модель последовательно-резонансного преобразователя с релейным регулированием // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск “Силова електроніка та енергоефективність. Київ: ІЕД НАНУ. Ч. І. – 2002. – С. 55-58.

18. Павлов Г. В., Обрубов А. В., Покровский М. В. Особенности работы резонансных преобразователей электроэнергии в автономных сетях // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск “Силова електроніка та енергоефективність. Київ: ІЕД НАНУ. Ч. ІІ. – 2001. – С. 61-64.

19. Павлов Г. В., Обрубов А. В., Покровский М. В. Особенности энергообмена в последовательно-резонансных преобразователях // Технічна електродинаміка. – 1999. – №6. – С. 36-41.

20. Павлов Г. В., Обрубов А. В., Покровский М. В. Оценка динамических характеристик последовательно-резонансного преобразователя // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск “Проблеми сучасної електротехніки”. Київ: ІЕД НАНУ. Ч. 6. – 2000. С. 42-47.

21. Павлов Г. В., Обрубов А. В., Пекер Б. Н. Последовательно-резонансный инвертор в импульсном осцилляторе // Техн. електродинаміка. Тем. вип. "Проблеми сучасної електротехніки".– Київ, 2002. – Ч. 6. – С.54-57 (математична модель осцилятора, принцип регулювання).

22. Павлов Г. В., Обрубов А. В., Покровский М. В. Регулировочные характеристики преобразователей постоянного напряжения с последовательными резонансными инверторами // Технічна електродинаміка. –2001. – №4. – С. 18-22 (залежності для розрахунку статичних характеристик).

23. Павлов Г. В., Обрубов А. В., Покровский М. В. Релейное управление последовательно-резонансным преобразователем // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск “Силова електроніка та енергоефективність. Київ: ІЕД НАНУ. Ч. II. – 2003. – С. 72-77.

24. Павлов Г. В., Покровский М. В., Обрубов А. В. Микропроцессорное управление последовательно-резонансным преобразователем с релейным принципом регулирования выходных параметров // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск “Силова електроніка та енергоефективність. Київ: ІЕД НАНУ. Ч. I. – 2004. – С. 70-73.

25. Павлов Г. В., Покровский М. В., Обрубов А. В. Релейное управление последовательно-резонансным преобразователем // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск “Проблеми сучасної електротехніки” Київ: ІЕД НАНУ. Ч. 5. – 2004. – С. 89-94 (у [13-20, -25] автори розділили труд порівну).

АНОТАЦІЇ

Обрубов А. В. Перетворювачі постійної напруги на основі резонансних інверторів з широтно-частотним регулюванням. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.12 – Напівпровідникові перетворювачі електроенергії. – Національний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2005.

Дисертація присвячена розвитку теорії послідовно-резонансних перетворювачів і розробці нових способів широтно-частотного регулювання з метою поліпшення енергетичних характеристик. Досліджено процеси в послідовно-резонансному перетворювачі. На основі досліджень розроблені математичні моделі активного резонансного контуру послідовно-резонансного перетворювача для миттєвих величин, для дискретного часу й амплітудної, широтної і частотної модуляції. Отримано загальні вирази, розраховані статичні і динамічні характеристики, отримані динамічні моделі послідовно-резонансного перетворювача для синтезу регуляторів. Розроблено системи широтно-частотного управління, що поліпшують характеристики перетворювачів. Запропоновано рекомендації для розробки і застосування послідовно-резонансних перетворювачів із широтно-частотним управлінням.

Ключові слова: послідовно-резонансний перетворювач, широтно-частотне управління.

Обрубов А. В. Преобразователи постоянного напряжения на основе резонансных инверторов с широтно-частотным регулированием. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.12 – полупроводниковые преобразователи электроэнергии. – Национальный университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2005.

Диссертация посвящена дальнейшему развитию теории последовательно-резонансных преобразователей с широтным и частотным регулированием и разработке новых способов управления с целью улучшения их энергетических характеристик без усложнения силовой схемы.

Проведен обзор силовых схем и способов регулирования резонансных преобразователей. Обоснована целесообразность построения резонансных преобразователей постоянного напряжения в постоянное по последовательной схеме. Показано, что регулирование частотным и широтным способами в отдельности не обеспечивает высоких энергетических и динамических показателей без усложнения силовой схемы, а широтно-частотное регулирование позволяет увеличить кратность регулирования при сохранении оптимальных условий коммутации вентилей. Обоснована необходимость совмещения широтного и частотного способов регулирования.

Для анализа электромагнитных процессов последовательно-резонансного преобразователя разработаны математические модели двух типов. Первый тип – математическая модель активного резонансного контура последовательно-резонансного преобразователя для мгновенных токов и напряжений, которая описывает непрерывные процессы в межкоммутационные промежутки времени и позволяет рассчитать статические характеристики, обеспечивает наглядность и общность математического описания. Второй тип – динамические модели активного резонансного контура для амплитудной, частотной и широтной модуляции, описывающие течение процессов на протяжении множества периодов колебаний и позволяющие рассчитать огибающие переходных процессов, частотные характеристики и строить динамические модели последовательно-резонансных преобразователей с различными силовыми схемами.

Разработана методика определения алгоритма включения в последовательный контур произвольного количества источников напряжения, достаточного для обеспечения заданного циклического энергообмена между ними в течение одного периода колебаний. Методика позволила определить новые последовательности фазовых сочетаний эквивалентных источников напряжений питания и нагрузки последовательно-резонансного преобразователя с широтно-частотным регулированием. На основе полученных последовательностей фазовых сочетаний определены оптимальные алгоритмы коммутации вентилей мостовой схемы последовательно-резонансного преобразователя, обеспечивающие при прямой передаче энергии непрерывный ток нагрузки и наилучшее использование вентилей по току.

Получила развитие методика анализа резонансных преобразователей с помощью диаграмм на фазовой плоскости, которые были преобразованы в характеристические фигуры. Характеристические фигуры позволили повысить наглядность анализа и получить общие выражения для расчета всех необходимых статических характеристик последовательно-резонансного преобразователя с широтно-частотным регулированием.

На поле статических характеристик обозначены зоны, соответствующие условиям естественного запирания тиристоров и условиям включения транзисторов при нулевом напряжении. Также определены сочетания управляющих величин широтно-частотного регулирования и напряжения нагрузки при бестоковой коммутации вентилей в виде линий на поле внешних характеристик.

Исследование устойчивости предельных циклов последовательно-резонансного преобразователя “в малом” позволило определить сочетания управляющих величин и напряжения нагрузки, обеспечивающие отсутствие субгармонических колебаний в стационарном режиме.

Разработаны линеаризованные динамические модели последовательно-резонансного преобразователя с широтно-частотным регулированием. Первая основана на геометрических соотношениях для характеристических фигур, а вторая базируется на параметрах статических характеристик. Модели позволили разработать автоматический регулятор выходных величин.

Разработан алгоритм асинхронного широтно-частотного управления последовательно-резонансным преобразователем, позволивший улучшить его энергетические и динамические характеристики. Разработаны системы управления, реализующие широтно-частотное управление и обеспечивающие высокие технические характеристики опытно-промышленных образцов последовательно-резонансных преобразователей.

Результаты выполненных в диссертации исследований использованы при разработке и внедрении опытно-промышленных образцов преобразователя для систем размагничивания судов мощностью 3 КВт и сварочного осциллятора, построенных на основе ПРП. Разработанные опытные образцы преобразователей используются в ЗАО “Электрон-комплекс”, г.г. Москва, Новгород и в ИИПТ, г. Николаев.

Обоснованность и достоверность представленных в работе положений и рекомендаций подтверждена сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Ключевые слова: последовательно-резонансный преобразователь, широтно-частотное управление.

ObrubovDC converters with resonance width-frequency control inverters. – Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of technical science on a specialty 05.09.12 –Converters of the electric power. - National university of Ukraine "The Kiev polytechnic institute", Kiev, 2005.

The dissertation is devoted to development of the theory of the series-resonant converters and new methods of the combined width-frequency control. The processes in the series-resonant converters were investigated. The mathematic model for series-resonant converters with the active resonant circuit were developed for the following cases: real time; discrete time; amplitude, width and frequency modulations. Central wording were obtained. Static and dynamic characteristics were calculated, dynamic models for series-resonant converters