Одеська національна академія зв'язку ім. О.С. Попова

Гурков Володимир Геннадійович

УДК 621.362.2

ДОСЛІДЖЕННЯ БАГАТОФАЗНИХ ІМПУЛЬСНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ З СИЛОВИМИ КАНАЛАМИ РЕЗОНАНСНОГО ТИПУ І РОЗРОБКА МЕТОДИКИ ЇХ ПРОЕКТУВАННЯ

05.12.17 – радіотехнічні та телевізійні системи

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Одеса – 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Одеській національній академії зв'язку ім. О.С. Попова

Міністерства транспорту та зв’язку України

Науковий керівник –

доктор технічних наук, професор

Кадацький Анатолій Федорович,

Одеська національна академія зв'язку ім. О.С. Попова

Міністерства транспорту та зв’язку України,

завідувач кафедри безпеки виробничих процесів

та електроживлення систем зв’язку

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Вишневський Леонід Вікторович,

Одеська національна морська академія

Міністерства освіти і науки України,

декан факультету автоматики

кандидат технічних наук

Горбачов Модест Миколайович,

Інститут електродинаміки Національної Академії наук

України (м. Київ), старший науковий співробітник

Провідна установа –

Одеський національний політехнічний університет

Міністерства освіти і науки України (м. Одеса)

Захист відбудеться 30 червня 2006 р. о 12 год. 00 хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.816.02 в Одеській національній академії зв'язку ім. О.С. Попова за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Кузнечна, 1, ауд. 222.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеської національної академії зв'язку ім. О.С. Попова за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Кузнечна, 1.

Автореферат розісланий 29 травня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 41.816.02,

к.т.н., доцент А.Г. Ложковський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Техніко-економічні параметри радіоелектронної апаратури (РЕА): радіотехнічних, телевізійних і телекомунікаційних систем – надійність, енергоспоживання, обсяг, маса – нерозривно зв'язані з характеристиками перетворювачів електричної енергії (ПЕЕ) – пристроїв і систем електроживлення й електропостачання.

При створенні сучасних ПЕЕ широко використовується імпульсний метод перетворення і регулювання електричної енергії, що дозволяє створювати пристрої і системи з більш високою питомою потужністю.

Перетворювачі модульної структури, що складаються з N однотипних взаємозамінних імпульсних перетворювачів постійної напруги (ППН) – силових каналів (СК) мають ряд позитивних властивостей: збільшену навантажувальну здатність силових комутуючих елементів, високий коефіцієнт корисної дії, підвищену надійність, технологічність. ППН являється однофазним імпульсним перетворювачем (ОІП), якщо СК комутуються одночасно, електричні процеси (струми, напруги, потужності) в однотипних елементах схеми синхронні і синфазні, часовий зсув між ними відсутній, і багатофазним (БІП), якщо електричні процеси в окремо узятих СК зсуваються у часі відносно один одного і сумуються в загальних колах їхнього протікання.

Підвищення частоти перетворення приводить до зниження маси й обсягу реактивних елементів, функціонально необхідних при імпульсному перетворенні, однак при цьому починають виявлятися неідеальності елементної бази ПЕЕ. Це призводить – при використанні в них традиційних режимів роботи з трапеціїдальною формою струмів у силових комутуючих елементах – до збільшення динамічних втрат і завад, зниженню надійності. Перехід до резонансних топологій побудови ПЕЕ сприяє усуненню зазначених недоліків. Однак у таких ПЕЕ великі енергетичні втрати на інтервалі їхнього провідного стану в порівнянні з традиційними перетворювачами із ШІМ- регулюванням.

Суміщення достоїнств резонансного і багатофазного принципів перетворення електричної енергії дозволяє усунути зазначені недоліки.

Широке використання багатофазного принципу перетворення електричної енергії із СК резонансного типу в пристроях електроживлення стримується через ряд проблем: – практично відсутні публікації з питань аналізу і проектування (зокрема, відсутні математичні моделі, що описують електричні процеси БІП); – далекі від завершення питання розробки ефективних пристроїв керування резонансними СК і БІП у цілому; – не цілком вирішене питання про програмне забезпечення (ПЗ), що дозволяє ефективно виконувати дослідження БІП; – відсутні систематизовані результати досліджень, що відображають специфіку перетворювачів; – відсутня методика проектування БІП.

Таким чином, розробка і використання математичних моделей електричних процесів, що одночасно описують різні схемотехнічні рішення і режими роботи ППН модульної структури з резонансними СК для вирішення задач аналізу і проектування пристроїв і систем з багатофазним принципом перетворення електричної енергії, є актуальною задачею. Методики, алгоритми і програмне забезпечення, розроблені на базі математичних моделей, зручних для використання на ЕОМ, підвищать ефективність досліджень при аналізі таких пристроїв і систем; нові результати досліджень, виявлення особливостей резонансних БІП сприятимуть їх широкому практичному використанню.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана за реальними потребами галузі зв’язку України. Розв'язувані в роботі задачі безпосередньо випливають із завдань в галузі науки, сформульованих у “Концепції розвитку ВАТ "Укртелеком" до 2005 р.” (п.5.2.5), Законі України “Про енергозбереження” (ст. 8 – у частині проведення комплексних досліджень у сфері енергозбереження) і в “Переліку державних, наукових і науково-технічних програм по пріоритетних напрямках розвитку науки і техніки на 2002-2006 рр.”, затвердженому Постановою КМУ № 1716 від 24.12.2001 р.

Мета роботи і задачі дослідження. Метою роботи є дослідження БІП постійної напруги з резонансними СК: розробка математичних моделей, методик дослідження і програмного забезпечення, виявлення властивостей і особливостей резонансних БІП, розробка методики автоматизованого проектування систем і пристроїв з багатофазним принципом перетворення електроенергії з поліпшеними масогабаритними показниками.

Для досягнення мети необхідно розв’язати наступні ключові задачі:–

виконати аналіз стану, тенденції розвитку, принципів побудови і функціонування систем електропостачання і пристроїв електроживлення радіотехнічних, телевізійних і телекомунікаційних систем з метою виявлення шляхів підвищення їхніх техніко-економічних показників; –

розробити математичні моделі (зручні для використання на ЕОМ) електричних процесів імпульсних ППН модульної структури з однофазним і багатофазним принципами перетворення електроенергії;–

розробити методики і алгоритми для автоматизованого дослідження резонансних ППН модульної структури;–

отримати та проаналізувати нові результати досліджень і виявити особливості функціонування БІП;–

розробити методику автоматизованого проектування резонансних БІП.

Об'єкт дослідження – перетворювачі електричної енергії модульної структури із силовими каналами резонансного типу з багатофазним і однофазним принципами перетворення електричної енергії.

Предмет дослідження – математичні моделі, методики й алгоритми моделювання електричних процесів резонансних ППН модульної структури з багатофазним і однофазним принципами перетворення електроенергії при різних режимах роботи СК.

Методи дослідження базуються на методах теорії електричних кіл при розробці математичних моделей електричних процесів перетворювачів постійної напруги, методах цифрового моделювання при розробці алгоритмів, що є основою обчислювальних процедур при дослідженнях і проектуванні, окремих положення теорії оптимізації.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Розроблено нові математичні моделі електричних процесів ППН, що дозволяють проводити розрахунки електричних і конструктивних параметрів ППН при вирішенні задач дослідження і проектування: –

для окремого СК із послідовним включенням навантаження й елементів резонансного контуру, узагальнена щодо п'яти основних типів схем СК і щодо режиму роботи СК (розривний, безрозривний);–

для ППН модульної структури з однофазним і багатофазним принципами перетворення електроенергії: а) з послідовним включенням навантаження й елементів резонансного контуру при розривному і безрозривному режимах роботи СК; б) з паралельним підключенням навантаження до конденсатора резонансного контуру СК, узагальнена щодо п'яти основних типів схем СК і щодо режиму роботи СК (однонапівперіодний і двохнапівперіодний).

2. Дістали подальший розвиток методики, алгоритми і програмні модулі для розрахунку електричних процесів ППН модульної структури (з однофазним і багатофазним принципами перетворення електричної енергії) для:–

визначення основних параметрів електричних процесів; –

дослідження часових залежностей та залежності показників якості пе-ретворювача як при симетрії, так і при асиметрії електричних процесів, що складають обчислювальну основу для автоматизованого дослідження і проекту-вання пристроїв і систем електроживлення з заданими показниками якості.

3. Виконано дослідження основних параметрів ППН модульної структури з резонансними СК, зроблена порівняльна оцінка показників якості перетворювачів з однофазним і багатофазним принципами функціонування: –

показано, що в резонансних БІП, у порівнянні з ОІП, зі збільшенням кількості СК N збільшується коефіцієнт згладжування структури (зменшуються пульсації) по входу і по виходу, збільшується частотний діапазон, у якому забезпечується заданий коефіцієнт згладжування (наприклад, при паралельному підключенні навантаження до конденсатора резонансного контуру СК – від 12 раз для N = 4 при діапазоні відносних частот D= 0,450,92 до 24 раз для N = 8 при D= 0,230,92), що дозволяє використовувати згладжувальні фільтри з меншими масою і габаритами; –

виявлено, що фільтруючі властивості на вході БІП із СК із паралельним підключенням навантаження до конденсатора резонансного контуру більш високі, чим БІП із СК із послідовним включенням навантаження й елементів резонансного контуру; –

показано, що при порушенні ідентичності електричних процесів у силових каналах фільтруючі властивості БІП погіршуються (з'являється складова на частоті перетворення електричної енергії), але й у цьому випадку зберігається їхня перевага перед ОІП.

4. Удосконалено методику автоматизованого проектування БІП з резонансними СК за критерієм мінімального обсягу, що забезпечує необхідні показники якості вихідної напруги, на базі якої розроблено відповідний алгоритм.

Практична цінність отриманих результатів:

1. Розроблені математичні моделі електричних процесів ППН із резонансними СК: орієнтовані на широке використання ЕОМ; зручні для розв'язання задач дослідження і проектування; мають широкі функціональні можливості – поширюються на багатофазний і однофазний принцип перетворення, на різні типи схемотехнічної реалізації силових каналів.

2. Методики, алгоритми і програмне забезпечення, розроблені на їхній основі, забезпечують необхідні розрахунки електричних процесів при значному скороченні витрат машинного часу в порівнянні з відомими математичними моделями; дозволяють легко враховувати вплив параметрів елементів схеми, їхніх відхилень на характер залежностей (часових, регулювальних), одержати недосяжні за допомогою відомих моделей результати у вигляді кількісних оцінок, графіків, таблиць, і вироблених на їхній основі рекомендацій з вибору параметрів електричних процесів і елементів СК, і методики проектування мінімізованих по об'єму БІП.

3. У результаті теоретичних і експериментальних досліджень виявлені особливості резонансних БІП, що перешкоджають практичної реалізації пристроїв даного класу, запропоновані нові структури систем електроживлення і схемотехнічні рішення схем керування резонансними БІП, що сприяють мініатюризації пристроїв електроживлення.

4. Теоретична і практична значимість дисертації підтверджується впровадженням основних наукових і практичних результатів в Одеський НДІ зв'язку й у навчальний процес Одеської національної академії зв'язку (ОНАЗ) ім. О.С. Попова при підготовці фахівців з інформаційних і телекомунікаційних мереж і систем.

Впровадження результатів роботи проводилося в рамках держбюджетної НДР “Дослідження багатофазних імпульсних перетворювачів постійної напруги і їх використання в пристроях електроживлення телекомунікаційних систем”, що виконувалася в 2001-2005 рр. в ОНАЗ ім. О.С. Попова у вигляді математичного і програмного забезпечення (ПЗ) для автоматизованого проектування БІП для пристроїв і систем вторинного електроживлення, переданого в Одеський НДІ зв'язку. У доданих до дисертації актах передачі ПЗ і впровадження результатів наукових досліджень відзначається високий ступінь вірогідності результатів досліджень, одержуваних за допомогою розробленого ПЗ. Використання переданих матеріалів сприяло розробці пристроїв електроживлення, обсяг і маса яких зменшені в 3-4 рази в порівнянні з традиційним виконанням.

Результати дисертації були використані в ОНАЗ ім. О.С. Попова у вигляді двох методичних розробок до курсового і дипломного проектування, двох лабораторних робіт і навчального посібника по дисципліні “Електроживлення систем зв'язку”. Акти впровадження додаються.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 11 друкованих праць, у тому числі 4 статті, (3 у співавторстві) у спеціалізованих науково-технічних журналах, 7 доповідей у збірниках праць міжнародних науково-технічних і науково-практичних 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 [1] – розробка математичної моделі електричних процесів в окремо узятому СК при послідовному включенні навантаження й елементів резонансного контуру; [2] – розробка методики й алгоритмів дослідження ПЕЕ із СК резонансного типу; [3] – принципи реалізації БІП у пристроях і системах електроживлення для телекомунікаційних систем; [6] – методика, алгоритм і моделювання на ЕОМ електричних процесів ППН при асиметрії; [7] – алгоритм і моделювання на ЕОМ електричних процесів ППН модульної структури; [9] – методика автоматизованого проектування БІП; [10] – програма і результати дослідження електричних процесів резонансних ППН.

Апробація результатів роботи. Основні результати досліджень доповідалися й обговорювалися на Міжнародних науково-технічних і науково-практичних конференціях по телекомунікаціях: "НТК-Телеком-2003", м. Одеса, "Системи і засоби передачі й обробки інформації" (ССПОИ-2002 – ССПОИ-2005), м. м. Одеса, Черкаси; на науково-методичній конференції професорсько-викладацького складу і науковців ОНАЗ ім. О.С. Попова; на наукових семінарах кафедри “Безпека виробничих процесів і електроживлення систем зв'язку”.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків і двох додатків. Загальний обсяг дисертаційної роботи складає 224 сторінки, з них 190 сторінок основного тексту, 80 сторінок з рисунками, 7 сторінок з таблицями, 25 сторінок додатків. Список використаних джерел на 11 сторінках включає 114 найменувань.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність, практична значимість досліджень по темі, сформульовані мета, наукова новизна й основні положення, що виносяться на захист.

У першому розділі “Принципи побудови систем електропостачання об'єктів зв'язку і пристроїв електроживлення радіотехнічних і телекомунікаційних систем” вирішена 1-я задача досліджень – виконаний аналіз стану, тенденції розвитку, принципів побудови і функціонування випрямних пристроїв (АC-DC перетворювачів), перетворювачів постійної напруги в постійну (конверторів, DC-DC перетворювачів), перетворювачів постійної напруги в змінну (інверторів, DC-АС перетворювачів), що входять до складу типових систем електроживлення (СЕЖ) радіотехнічних і телекомунікаційних систем і джерел безперебійного живлення інформаційно-обчислювальної техніки.

Показано тенденцію розвитку різних ПЕЕ. Використання імпульсного (високочастотного) перетворення і модульного принципу побудови СЕЖ і джерел безперебійного живлення дозволяє досягати високих значень техніко-економічних показників: масогабаритних, коефіцієнтів потужності і корисної дії, підвищеної навантажувальної здатності силових комутуючих елементів, підвищеної надійності і технологічності, а збільшення частоти перетворення, крім зменшення маси й обсягу трансформаторів і згладжувальних фільтрів (дроселів і конденсаторів), дозволяє досягати високої швидкодії керування при регулюванні електричної енергії.

Однак при підвищенні частоти перетворення починають виявлятися неідеальності елементної бази імпульсних ППН, що приводить при використанні в них традиційних режимів роботи з трапеціїдальною формою струмів у силових комутуючих елементах до значних динамічних енергетичних втрат, високочастотним завадам, зниженню надійності.

Показано, що усуненню зазначених недоліків сприяє перехід до резонансних топологій побудови ППН: мінімальні комутаційні втрати і низька інтенсивність завадоутворення в резонансних ППН досягається завдяки ефективному рознесенню фронтів струму і напруги.

Проілюстровано переваги резонансних ППН у порівнянні з перетворювачами із ШІМ-регулюванням – набагато менші рівні динамічних втрат при переключенні і випромінюваних завад; збільшення надійності роботи силових комутуючих елементів. Але в резонансних ППН у вхідних і вихідних колах збільшуються рівні перемінних складових струмів, на інтервалах провідного стану силових комутуючих елементів енергетичні втрати більше (чим у ППН із ШІМ-регулюванням) через більше значення коефіцієнта форми струму.

Підвищити ефективність процесу перетворення електричної енергії в резонансних ППН дозволяє перехід до багатофазного принципу перетворення і регулювання електроенергії. Використання багатофазного режиму роботи, резонансних властивостей LC-контурів СК дозволяє відмовитися від спеціальних кіл формування траєкторії переключення.

Суміщення переваг резонансного і багатофазного принципів перетворення електроенергії дозволяє знизити вимоги до параметрів згладжувальних фільтрів і зменшити критичність до втрат у відкритому стані силових комутуючих елементів таких ППН. Багатофазний принцип перетворення і регулювання електричної енергії постійного струму в порівнянні з однофазним функціонуванням СК забезпечує струми споживання і навантаження безрозривними, менші рівні змінних складових струму і напруги; частота пульсацій збільшується в N разів (рис.1, N = 4). Тому для компенсації менших пульсацій можливе використання елементів згладжувальних фільтрів (ємностей і дроселів) з меншими значеннями, а, значить, і з меншими масогабаритними показниками.

Розглянуто принципи побу-дови й особливості функціонування СЕЖ модульної структури: у вхідних і вихідних колах при перетворенні електроенергії одного джерела первинного електрожив-лення (ДПЕ) на одне навантаження; у вихідних колах при перетворенні електроенергії декількох ДПЕ; у вхідних колах при перетворенні електроенергії одного ДПЕ в електроенергію для декількох автономних навантажень. Показа-но, що багатофазний принцип перетворення електричної енергії в СЕЖ модульної структури можна реалізувати з використанням DC-DC перетворювачів, що складають-ся з, наприклад, N СК, виконаних як у вигляді ОІП, так і у вигляді БІП. У свою чергу, для кожного СК кожного DC-DC перетворю-вача, виконаного як БІП, розбивку імпульсного процесу заданої потужності на N імпульс-них процесів меншої потужності можна зробити по групах q по М електричних процесів у кожній групі (де q = N/M) зі зсувом окремо узятих електричних процесів у кожній із груп на інтервал часу 0 < D t < T/M відносно один одного, при цьому електричні процеси між окремо узятими групами зміщаються на інтервал 0 < D t < T/N відносно один одного.

Рис. 1. Часові діаграми

У другому розділі “Електричні процеси в перетворювачах постійної напруги модульної структури з використанням резонансних контурів у силових каналах” розроблені нові математичні моделі.

З використанням операторного методу виконаний аналіз електричних процесів і отримана математична модель для окремо узятого (довільного) СК із послідовним підключенням навантаження й елементів резонансного контуру (схеми 1..5 табл. 1). Отримано співвідношення, що описують нормовані миттєві струм в індуктивності Lk і напругу Ck (t) на конденсаторі Ck коливального контуру, що протікають у k-ому СК при безрозривному режимі на інтервалах накопичення tнk=b/w0k і повернення tвk=a/w0k електричної енергії:

(1)

(2)

, (3)

– приведений до контуру струм навантаження: ; – коефіцієнт загасання резонансного контуру з навантаженням, хвильовий опір контуру k-го СК; – приведений до первинної обмотки трансформатора опір навантаження k-го СК ; tсk – часовий зсув електричних процесів k-го СК відносно початку координат; w0k =(LkCk)-0.5 – резонансна (кругова) частота контуру k-го СК.

Розбіжність між результатами розрахунків, отриманих з використанням даної моделі, і отриманих з використанням САПР Micro-Cap, яка базується на вирішенні диференціальних рівнянь, що описують електричні процеси з високим наближенням до реальних, не перевищило 1.5 %.

При паралельному підключенні навантаження до конденсатора резонансного контуру – схеми 6...10 табл. 1 – нормовані миттєві струм в індуктивності Lk і напруга Ck(t) на конденсаторі Ck коливального контуру, що протікають у k-ому СК, визначаються як:

(5)

(6)

Таблиця 1

Силові канали резонансного типу

У співвідношеннях (5), (6): k (t)=ik(t)/Iнk; Ck(t)=uCk(t)/Uвхk; Сik =UСik /Uвхk ; нk = qk =Uнk/Uвхk; t1ck=t1k+tck, tick=tik+tck, t4ck=t4k+tck – часові інтервали k-го СК відносно початку координат; t1k, tik, t4k - моменти часу, відлічувані від початків циклів переключення t0k k-х СК, що характеризують відповідно закінчення стадій лінійного наростання струмів резонансного контуру, резонансу (i=2 відповідає однонапівперіодному режиму роботи, i=3 – двохнапівперіодному режиму роботи) і розряду конденсатора Ck; tck=Тп+Dtck – часовий зсув електричних процесів k-го СК відносно першого СК (Тп =(k-1)Тk/N, Тk=Тyk для однотактних схем 6, 7, Тk=0.5Тyk для двотактних схем 8...10, Dtck – відхилення часового зсуву в k-му СК щодо ідеального випадку, що відповідає tck=Тп); UCik – значення напруги на Ck у момент часу або t2k при однонапівперіодному режимі роботи або t3k – при двохнапівперіодному режимі.

У дисертації отримані співвідношення для визначення параметрів часових інтервалів tik , Тk , а також UСik (табл. 2).

Таблиця 2

Параметри електричних процесів k-го СК

Параметр | Співвідношення

tik | t1k=a1k /wok , t2k= t1k+(a2k /wok) , t3k= t1k+(a3k /wok) ,

t4k= t3k+(a4k /wok) , t5k= t4k+(a5k /wok)

aik | a1k=1/нk, a2k=p+arcsin(1/нk), a3k=2p-arcsin(1/нk),

a4k=[1+(1-(1/нk)2)0.5] / (1/нk), a5k=(Тk - t4k )/wok

qk | 2(aik-sinaik+a4kUСik/Uвхk - I 'нk a24k/2CkUвхk)/Тkkwok

Тk | 1/(wok qk ) {aik- sinaik+a4kUcik/Uвхk - w2ok/(2нk)}

UСik | Uвхk (1- cosaik)

З використанням у якості базового параметру поточного часу k-го СК отримана математична модель, що описує струми на вході і виході перетворювача модульної структури – ОІП (tсk=0), БІП (tсk>0) – як з послідовним включенням навантаження й елементів резонансного контуру СК, так і при паралельному підключенні навантаження до конденсатора резонансного контуру СК:

iп(t)= iпk(tk), iн(t) = |iвk (tk)| , (7)

де tk — поточний час k-го СК.

Співвідношення (7) дозволяють для однофазної (tck=0) і багатофазної (tck>0) структур побудови ПЕЕ як при послідовному включенні навантаження й елементів резонансного контуру (співвідношення (1)…(3)), так і при паралельному підключенні навантаження до конденсатора резонансного контуру (співвідношення (5)…(6)), побудувати часові залежності струмів у колі живлення, навантаження окремо узятих СК і перетворювачів у цілому, визначити їхні максимальні Iпmax, Iнmax, мінімальні Iпmin, Iнmin значення і пульсації ?Iп, ?Iн як:

?Iп=Iпmax–Iпmin, ?Iн=Iнmax–Iнmin, Iп = {iп(t)}, Iн = {iн(t)}. (8)

Пульсації струмів ?Iп, ?Iн дозволяють визначити коефіцієнти пульсацій струмів у колах живлення Кпп і навантаження Кпн ПЕЕ:

Кпп = ?Iп / 2Iп, Кпн = ?Iн / 2Iн, (9)

де Iп, Iн – середні значення струмів споживання і навантаження перетворювача;

і коефіцієнти згладжування структури ПЕЕ модульної структури в колах живлення Sп і навантаження Sн:

Sпм = Кппо / Кппм = N Iпk /Iпм; Sнм = Кпно / Кпнм = N Iнk /Iнм (10)

Отримані моделі являються узагальненими щодо режиму роботи і типу СК. Вони дозволяють: визначати значення миттєвих струмів на вході і виході модульних ППН з однофазним і багатофазним принципами перетворення електроенергії; враховувати розкид параметрів елементів, що приводить до асиметрії електричних процесів, і силової частини, і схеми керування (DLk , DCk , DIнk , DUпk, Dtck…); проводити необхідні розрахунки при дослідженні і проектуванні, кінцевою метою яких є створення пристроїв і систем електроживлення з заданими показниками якості вихідної напруги.

У третьому розділі “Програмне забезпечення для дослідження електричних процесів імпульсних перетворювачів постійної напруги” на базі отриманих моделей розроблені методики, алгоритми і програмні модулі для дослідження електричних процесів резонансних ППН.

Для виявлення особливостей функціонування ППН модульної структури, що стримують широке використання БІП на практиці, сформульовані наступні задачі, що повинно вирішувати розроблювальне програмне забезпечення (ПЗ): –

дослідження електричних параметрів ППН модульної структури (БІП і ОІП) у часовій області; –

дослідження залежностей параметрів перетворювачів від робочої частоти fроб (частоти комутації f); –

дослідження впливу кількості СК N на параметри ППН.

Для вирішення зазначених задач розроблені відповідні програмні алгоритми: "ФВ" (функції часу) – побудова часових залежностей iLk(t), uCk(t)), іпк(t) інк(t), іп(t), ін(t); "ФЧ" (функції робочої частоти) – побудова залежностей абсолютних пульсацій струмів на вході ?Iп і виході ?Iн ППН, коефіцієнтів пульсацій Кпп, Кпн і згладжування структури Sпм, Sнм від частоти; "ФN" (функції числа СК N) – дослідження впливу кількості СК N на параметри ППН. Керуюча програма (рис. 2), що об'єднує зазначені алгоритми, дозволяє в діалоговому режимі вибирати необхідний вид досліджень. У блоці 1, за допомогою процедури "Меню", задаються вихідні дані: масиви, константи і параметри СК. Для моделювання можливих відхилень, викликаних дією різних дестабілізуючих факторів (технологічним розкидом елементів, зміною температури, вологості, нестабільністю роботи схеми керування і т.п.), розроблений програмний модуль (ПМ) "Відхилення" (блок 2), у якому уводяться відповідні відхилення параметрів DLk, DСk Dtck…і виконується перерахунок величин Lk, Сk, tck…з урахуванням уведених відхилень. Бачимо (рис. 2), що особливістю програми являється можливість функціонального розширення – додавання алгоритмів для вирі-шення нових дослідницьких задач ("Функ-цій"), позначених у блоках n і n+1 як "Ф".

При розробці ПЗ прийнятий підхід – виділення окремих програмних модулів з наділенням їхніх функцій розрахунку параметрів, що відповідають розв'язуваним задачам. Для усіх видів дослідження електричних параметрів ППН необхідно розраховувати основні параметри для кожного k-го СК: наприклад, індуктивність Lk, ємність Ck, резонансну частоту w0k, хвильовий опір Zk…Для вирішення цієї задачі виділений ПМ "Параметри".

Для визначення моментів часу, що характеризують різні стадії протікання електричних процесів, необхідних при побудові часових діаграм, передбачений програмний модуль "Інтервал".

Для дослідження електричних процесів перетворювача в часовій області, розрахунку часових діаграм струмів у колах силових каналів, на вході і виході перетворювача в цілому, їх максимальних і мінімальних значень, розроблена методика побудови часових залежностей, реалізована в ПМ "Процес", що складається з наступних етапів: –

визначення в ПМ "Інтервал" для кожного k-го СК часових інтервалів по співвідношеннях табл.2, що зберігаються у векторі розмірністю N з наступною його передачею, у якості вихідних даних, у ПМ "Процес"; –

організація циклу за часом із кроком Dt в інтервалі 0 t T на періоді перетворення T; –

у залежності від типу ППН (БІП чи ОІП) визначається часовий зсув tck між силовими каналами; –

для k-го СК визначається поточний час tk (з урахуванням впливу часового зсуву tck електричних процесів СК); –

розрахунок струму в дроселі iLk(t) і напруги на конденсаторі uCk(t) резонансного контуру СК і сумарних струмів ППН: споживання iп(t) і в колі навантаження iн(t).

Рис. 2. Алгоритм керуючої програми

Для дослідження залежностей показників якості електричних процесів ППН – блоки 5, 6 керуючої програми (рис. 2) – абсо-лютних пульсацій струмів ?I, коефіцієнтів пульсацій по струму Кп і згладжування структури S – від робочої частоти f, розроблено алгоритм (рис. 3). У блоці 2 здійснюється введення вихідних даних: тип схеми СК (відповідно до табл. 1); N – кількість СК; тип ППН (ОІП чи БІП); мінімальні і максимальні значення частоти перетворення (fmin, fmax), потужності наванта-ження (Pнmin, Pнmax), вхідної напруги (Uвхmin, Uвхmax).

Рис. 3. Алгоритм дослідження

показників якості від частоти

Зміна частоти (fmin f fmax) здійснюється в циклі (блок 3), що охоплює блоки 4, 5, 6, 7, у яких провадиться розрахунок параметрів по ПМ "Парамет-ри", "Інтервал", "Процес". B блоці 7 визначаються показники якості: ?Iп, ?Iн, Кпп, Кпн, Sпм, Sнм по співвід-ношеннях (8)...(10). У блоці 8 досліджувані характе-ристики виводяться на екран дисплея.

Методики побудови часових залежностей, дос-лідження показників якості від частоти, від числа СК N, і розроблені на їхній основі модулі – "Параметри", "Відхилення", "Інтервал", "Процес" – являються скла-довими частинами всіх алгоритмів для вирішення задач дослідження. Вико-ристовувані в них підходи, що базуються на розроблених узагальнених матема-тичних моделях, розширюють функціональні можливості ПЗ, скорочують витрати часу і забезпечують необхідну точність результатів досліджень.

У четвертому розділі “Дослідження електричних процесів імпульсних перетворювачів постійної напруги із силовими каналами резонансного типу” за допомогою розробленого ПЗ, описаного в розділі 3, виконані дослідження резонансних ППН модульної структури. Зроблено порівняльну оцінку показників якості ППН з однофазним і багатофазним принципами перетворення електричної енергії.

Для ППН із паралельним підключенням навантаження до конденсатора резонансного контуру СК виконане наступне.

1. Виходячи з умови фізичної реалізуємості, сформульовані обмеження про допустимі напруги на навантаженні і на вході перетворювача, на основі чого встановлено зв'язок між параметрами елементів резонансного коливального контуру k-го СК Lk, Ck – з одного боку і резонансною частотою коливального контуру СК f0k – з іншого боку, при зафіксованих значеннях струму навантаження k-го СК Iнk і напруги на навантаженні Uн (у режимі стабілізації) чи напруги на вході перетворювача і СК U п (у режимі спостереження):–

зроблена оцінка впливу параметрів реактивних елементів коливального контуру k-го силового каналу (Lk і Сk) на показники якості електричних процесів ППН і виявлено діапазон (область функціонування) і характер зміни параметрів електричних процесів ППН.

2. Досліджено залежності – від робочої f і відносної = f / f0k частоти – нормованої напруги на навантаженні qн = f (f ), qн = f (), амплітуди DIп = f (f ), DIп = f () і коефіцієнтів пульсацій Кп = f (f ), Кп = f (), коефіцієнтів згладжування структури Sп = f (f ), Sп = f () струмів споживання при фіксованій кількості СК N. Показано наступне:–

при забезпеченні постійності резонансної частоти f0k залежності qн = f(f), Кп = f (f ), Sп = f (f ) являються ідентичними для різних значень напруг ( Uн>0 – у режимі стабілізації чи Uп > 0 – у режимі спостереження) і від значень струму навантаження СК ( Iнk > 0); –

залежності DIпо = f (f ) (DIпо = f ()), Iпм = f (f ) (DIпм = f ()) являються ідентичними і не залежать від напруги (для Uн(п) > 0) при фіксованому струмі навантаження СК (Iнk =const).

3. Досліджено залежності DIп = f (), Кп = f (), Sп = f () для різного числа СК N. Показано наступне:–

у БІП зі збільшенням N фільтруючі властивості зростають (рис. 4, N = 1, 2, 4, 8): збільшується діапазон зміни D, у якому гарантується коефіцієнт згладжування не менше Sпmin (рис. 4,б), і збільшується Sпmin. Це дозволяє використовувати згладжувальні фільтри з меншими масогабаритними значеннями. Наприклад, для N = 4 Sпmin4 = 12 забезпечується в діапазоні D= 0,45 0,92. Для N = 8 Sп = 12 забезпечується в діапазоні D= 0,22 0,92, при цьому мінімальне значення для даної кількості СК складає Sпmin8 = 24 і забезпечується практично в тому ж діапазоні D= 0,23 0,92 (рис. 4,б).

Рис. 4. Залежності Кпм = f() (а), Sпм = f() (б)

4. Досліджено залежності DIп = f () для фіксованого числа СК N у випадку асиметрії електричних процесів (при відхиленнях струму навантаження DIнk k-го СК БІП, індуктивності DLk і ємності DСk резонансного коливального контуру k-го СК БІП, тривалості часу зсуву Dtck між електричними процесами СК).

Для ППН із послідовним включенням навантаження й елементів резонансного контуру досліджено вплив числа СК N на показники якості електричних процесів ППН.

Зроблено порівняльну оцінку БІП з послідовним включенням навантаження й елементів резонансного контуру (схема 1 табл. 1) і БІП з паралельним підключенням навантаження до конденсатора резонансного контуру (схема 10) при однакових значеннях елементів резонансного коливального контуру Ck, Lk (однакових масогабаритних показниках). Виявлено, що використання БІП з паралельним підключенням навантаження в області високих частот ( > 0.85) більш переважно, чим використання БІП з послідовним включенням навантаження: менше рівень пульсацій струму споживання (у 1.5 рази), більше значення коефіцієнта згладжування структури (у 1.5 рази).

У п'ятому розділі “Проектування багатофазних імпульсних перетворювачів” запропоновані варіанти побудови, використання резонансних БІП у пристроях електроживлення радіотехнічних, телевізійних, телекомунікаційних систем і інформаційно-обчислювального устаткування – AC-DC, DC-DC і DC-AC перетворювачів, і електропостачання об'єктів зв'язку.

Розглянуто принципи мініатюризації БІП.

Запропоновано методику й алгоритм автоматизованого проектування БІП за критерієм мінімального обсягу при забезпеченні заданої якості вихідної напруги, що базується на результатах досліджень, представлених у розділі 4, і яка складається з наступних етапів:

1) формування вихідної бази даних – довідкових електричних і масогабаритних параметрів елементів схеми БІП з їх технологічними і температурними відхиленнями для різних типів елементної бази, і вузлів (елементів) типових, що серійно випускаються промисловістю, схем керування;

2) визначення бажаних частотних характеристик, мінімально припустимої частоти комутації, коефіцієнта підсилення контуру регулювання;

3) вибір режиму роботи перетворювача;

4) аналіз параметрів електричного процесу (показників якості), енергетичних і масогабаритних показників БІП при забезпеченні заданих вхідної і вихідної напруг, відомих параметрах елементної бази, частоті комутації, параметрах фільтрів і т.д.;

5) розрахунок геометричного обсягу корпуса Vг, обумовленого геометричними розмірами елементів, що зменшується зі збільшенням частоти комутації f;

6) визначення теплового обсягу Vт, обумовленого енергетичними втратами;

7) порівняння Vг і Vт, і вибір мінімального: VБІП = Vт (г) , при Vг (т) < Vт(г) .

У висновку представлені основні результати роботи:

1. Виконано аналіз стану, тенденції розвитку, принципів побудови і функціонування АС-DC, DC-DC і DC-АС перетворювачів, що входять до складу типових СЕЖ радіотехнічних, телевізійних і телекомунікаційних систем і джерел безперебійного живлення інформаційно-обчислювальної техніки.

2. Показано переваги резонансних ППН у порівнянні з перетворювачами із ШІМ-регулюванням – менший рівень динамічних втрат при переключенні, зменшення випромінюваних завад; збільшення надійності роботи силових комутуючих елементів. Суміщення гідностей резонансного і багатофазного принципів перетворення електричної енергії дозволяє знизити вимоги до параметрів згладжувальних фільтрів резонансних перетворювачів і обмежити енергетичні втрати ППН.

3. Розроблено математичні моделі електричних процесів резонансних ППН для окремо узятого СК і для перетворювачів модульної структури з однофазним і багатофазним принципами перетворення електричної енергії.

Моделі являються узагальненими щодо режимів роботи і типу СК, і дозволяють врахувати розкид параметрів елементів як силової частини (власне перетворювача), так і схеми керування, що приводить до асиметрії електричних процесів. Моделі зручні для моделювання і розрахунків на ЕОМ електричних процесів БІП.

4. Розроблено методики, алгоритми і програмне забезпечення для дослідження електричних процесів резонансних ППН модульної структури, що базуються на розроблених математичних моделях.

5. Виконано дослідження основних параметрів імпульсних ППН модульної структури з резонансними СК, зроблена порівняльна оцінка показників якості перетворювачів з однофазним і багатофазним принципами функціонування; виявлені їхні специфічні особливості при функціонуванні в однонапівперіодному і двохнапівперіодному режимі роботи, з розривним і безрозривним струмами силових каналів:–

показано, що в БІП зі збільшенням числа СК фільтруючі властивості зростають як на вході, так і на виході перетворювача;–

показано, що при порушенні ідентичності електричних процесів у СК фільтруючі властивості резонансних БІП погіршуються, але й у цьому випадку їхня перевага перед перетворювачами електричної енергії з однофазним принципом перетворення електроенергії зберігається.

6. Запропоновано структури і принципи побудови пристроїв і систем електроживлення з використанням багатофазних імпульсних ППН із резонансними силовими каналами. Запропоновані схемотехнічні рішення по реалізації пристроїв керування резонансними ППН із багатофазним принципом перетворення, і СЕЖ на їхній основі, приведений опис роботи.

7. Розроблено методику автоматизованого проектування БІП за критерієм мінімального обсягу при забезпеченні заданої якості вихідної напруги. Методика базується на результатах досліджень.

8. Розроблене математичне і програмне забезпечення для автоматизованого дослідження і проектування БІП впроваджено в Одеський НДІ зв'язку, у навчальний процес ОНАЗ ім. О.С. Попова.

Основні матеріали дисертаційної роботи опубліковані в таких наукових працях:

1. Кадацький А.Ф., Гурков В.Г. Аналіз електричних процесів у резонансних імпульсних перетворювачах модульної структури // Наукові праці ОНАЗ ім. О.С. Попова. – 2001. – №3. – С. 14-20.

2. Кадацький А.Ф., Гурков В.Г., Грабовий О.А., Малявін І.П. До дослід-ження несиметричних електричних процесів в імпульсних перетворювачах мо-дульної структури//Наукові праці ОНАЗ ім. О.С.Попова. –2003. – №1. – С. 27-34.

3. Кадацкий А.Ф., Гурков В.Г., Грабовой А.А. Использование многофазных принципов преобразования электроэнергии в устройствах электропитания телекоммуникационных систем//Праці УНДІРТ.–2003.-№2(34)–3(35).- С. 66-68.

4. Гурков В. Г. Электрические процессы преобразователей модульной структуры с параллельным подключением нагрузки к конденсаторам резонансных контуров силовых каналов // Праці УНДІРТ. – 2004.– №1(37). – С. 70-74.

5. Гурков В. Г. К проблемам электроснабжения предприятий электросвязи. – Труды VI Междунар. научно-практ. конф. “Системы и средства передачи и обработки информации” (ССПОИ-2002). – Одесса. – ОНАС им. А. С. Попова, 3-8 сентября 2002 г. – С. 38-39.

6. Кадацкий А.Ф., Гурков В.Г. Методика и алгоритм исследования многофазных импульсных преобразователей при асимметрии электрических процессов. – Труды 6-й Междунар. научно-техн. конф. “Современные проблемы телекоммуникаций (Телеком-2003)”. Сборник докладов (часть 1). – Одесса. – ОНАС им. А.С. Попова, 19-22 августа 2003 г. – С. 151-153.

7. Кадацкий А.Ф., Гурков В.Г. К исследованию электрических процессов резонансных преобразователей модульной структуры. – Труды VII Междунар. научно-практ. конф. “Системы и средства передачи и обработки информации” (ССПОИ- 2003).–Одесса.–ОНАС им. А.С. Попова, 2-7 сентября 2003 г. – С. 149.

8. Гурков В.Г. К определению электрических процессов резонансных преобразователей модульной структуры с параллельным подключением нагрузки. – Труды VIII Междунар. научно-практ. конф. “Системы и средства передачи и обработки информации” (ССПОИ-2004). – Одесса. – ОНАС им. А. С. Попова, 7-12 сентября 2004 г. – С. 114.

9. Гурков В.Г., Малявин И. П. К методике автоматизированного проектирования многофазных импульсных преобразователей. – Труды VIII Междунар.
научно-практ. конф. “Системы и средства передачи и обработки информации” (ССПОИ-2004). – Одесса. – ОНАС им. А.С. Попова, 7-12 сентября 2004 г. – С. 115.

10. Гурков В.Г., Русаловский В. Б. Программа для исследования электрических процессов резонансных преобразователей. – Труды VIII Междунар.
научно-практ. конф. “Системы и средства передачи и обработки информации” (ССПОИ-2004). – Одесса. – ОНАС им. А.С. Попова, 7-12 сентября 2004 г. – С. 116.

11. Гурков В.Г. К показателям качества резонансных многофазных импульсных преобразователей. – Труды IХ Междунар. научно-практ. конф. “Системы и средства передачи и обработки информации” (ССПОИ-2005). – Черкассы. – Черкасский гос. техн. ун-тет, 5-10 сентября 2005 г. – С. 72-73.

Гурков В. Г. Дослідження багатофазних імпульсних перетворювачів із силовими каналами резонансного типу і розробка методики їхнього проектування. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за