автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Исследования и разработка многозвенного высоковольтного регулятора постоянного тока

604617139 На правах рукописи

ГАЙКАЗЬЯН ТИГРАН КАРЭНОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА МНОГОЗВЕННОГО ВЫСОКОВОЛЬТНОГО РЕГУЛЯТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА

Специальность 05.09.01. "Электромеханика и электрические аппараты"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 9 ДЕК 2010

МОСКВА 2010

004617139

Работа выполнена в' Государственном Образовательном Учреждении Высшего Профессионального Образования Московском Энергетическом Институте (Техническом Университете) на кафедре Электрических и Электронных аппаратов Научный руководитель - кандидат технических наук,

доцент Рябчицкий Максим Владимирович

Официальный оппонент доктор технических наук,

профессор Левин Александр Владимирович; кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник румянцев > Михаил Юрьевич.

Ведущее предприятие - Концерн ООО «Русэлпром» Защита состоится «¿V » 2010 г.

на заседании диссертационного совета Д 212.157.15 при ГОУВПО МЭИ (ТУ) в аудитории ^ в ^ час. О О мин. по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д.13. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО МЭИ (ТУ).

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, ученый совет при ГОУВПО МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан «_»_2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.15. д-—ч

к.т.н,, доц. —Рябчицкий М.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современные электрические и электронные аппараты (ЭЭА) должны отвечать требованиям по возможности интеграции в сложные системы, снижению массы и габаритов ЭЭА и энергоэффективности. Эти требования приводят к появлению новых статических аппаратов на базе современных полупроводниковых ключей. Одной из областей, где такие аппараты находят все более широкое применение, являются системы электроснабжения пассажирского железнодорожного транспорта.

Применение в пассажирских вагонах электрических компонентов оборудования началось в конце XIX в. Основной задачей в тот период было обеспечение электрического освещения в вагонах. Реализованные решения, использовавшиеся многие десятилетия, основывались на применении электрического генератора с приводом от колесной пары и аккумуляторных батарей.

С развитием электрификации железных дорог появилась возможность применения в вагонах электрического отопления. Для этого в поезде предусматривалась сборная электрическая шина, напряжение в которую подавалось от локомотива.

С развитием комфортабельности железнодорожного транспорта появилось большое количество преобразовательного оборудования в железнодорожном вагоне, обеспечивающее работу кондиционеров, обогрев и других устройств. Мощность применявшихся многие десятилетия генераторов с приводом от колесной пары, в большинстве случаев была недостаточной для питания оборудования. В связи с этим дальнейшие разработки базировались исключительно на системе питания электрических устройств вагонов от поездной сборной шины, с применением трансформатора сетевой частоты.

Развитие силовой электроники в конце XX в. позволило создать мощные статические аппараты, пригодные для эксплуатации на подвижном составе. Цель работы.

Создание высоковольтного регулятора постоянного напряжения, способного обеспечивать электроэнергией современный пассажирский вагон,

отвечающего всем требованиям по качеству электроэнергии, безопасности и экономичности.

Достижение цели исследования потребовало решения следующих научно-исследовательских и практических задач:

1. Проведения аналитического анализа современных научно-технических решений в области регулирования напряжения свыше 2,5кВ с целью выявления наиболее перспективных структур регуляторов и алгоритмов управления.

2. Синтез проведенного анализа, и на его основе разработка многозвенной структуры и принципов работы регулятора, позволяющих повысить энергоэффективность, улучшить массогабаритные показатели, а так же повысить надежность устройства;

3. Проведения анализа электромагнитных процессов в статических и динамических режимах работы с помощью математических моделей и современных программных комплексов. Разработка методики инженерного проектирования силовой части регулятора на основе проведенного анализа;

4. Разработки алгоритма управления и системы управления регулятором напряжения, позволяющих реализовать его функции и обеспечить точность, устойчивость и своевременную защиту при возникновении аварийных ситуаций;

Методы исследований, применяемые в диссертационной работе: методы теории электрических цепей, методы теории автоматического управления, математическое моделирование регулятора постоянного тока (РПТ) в программном комплексе Or CAD, физическое моделирование РПТ. Научная новизна.

1. На основе анализа показана целесообразность использования структуры многозвенного высоковольтного регулятора с последовательным соединением входных каскадов и параллельным соединением выходных каскадов для применения в железнодорожном вагоне;

2. Разработана методика расчета и выбора элементов силовой части многозвенного высоковольтного регулятора, учитывающей ограниченные возможности и номенклатуру современных полупроводниковых ключей, учитывающую высокое входное напряжение и необходимость гальванической развязки между входной и выходной цепями. Практическая ценность. В результате выполненной работы разработано новое схемотехническое решение высоковольтного регулятора постоянного

напряжения, разработана инженерная методика проектирования высоковольтного регулятора, позволяющая наиболее эффективно выбрать элементы силовой части, повысить энергоэффективность регулятора, а так же улучшить массогабаритные показатели. Основные положения, выносимые на защиту:

1. инженерные методики расчёта силовых элементов регулятора;

2. схемотехнические решения и принципиальные схемы нового вида высоковольтного регулятора постоянного тока;

3. математические модели высоковольтного многозвенного регулятора. Практическое применение результатов работы:

Полученные результаты работы использованы в работах проводимых кафедрой ЭиЭА МЭИ (ТУ) совместно с ЗЛО «ЭЛСИЭЛ» по разработке устройств силовой электроники и систем управления для железнодорожного транспорта.

Публикации по теме работы. По теме диссертации опубликовано 3 печатные работы.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы и имеет объем 141 страницы, 69 рисунков, 8 таблиц и 99 наименований списка литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования. Описаны проблемы, связанные с использованием высоковольтных регуляторов с применением однозвенной структуры. Современный этап развития электротехнического оборудования возлагает требования по энергоэффективности, безопасности и экономичности. В этой связи актуальна становится разработка современных решений в области регулирования высоковольтного напряжения. В первой главе приведено описание существующих устройств и методов регулирования напряжения. Указаны достоинства и недостатки использующихся методов и устройств. Выявлена актуальность проблемы повышения энергоэффективности работы высоковольтного регулятора.

В системе электроснабжения современного пассажирского железнодорожного вагона существует ряд особенностей. Основное из них -высокое входное напряжение контактной сети. В связи с этим, описано устройство с последовательным подключением входных каскадов для

решения проблемы высокого входного напряжения контактной сети.

Статический высоковольтный регулятор (СВР) (рис. 1) предназначен для питания нагрузок в современном вагоне постоянным напряжением 450(В) с питанием от высоковольтной магистрали. Предложена схема регулятора на основе нескольких звеньев, имеющих схему инвертора с высокочастотным разделяющим трансформатором. В данной работе рассматривается регулятор для железнодорожного транспорта, мощностью 40кВА и выходным напряжением 450В.

Рис.1. Статический высоковольтный регулятор. \T1-VT6 - транзисторные модули. УБ2,УВЗ,У06,УВ7 - выпрямительные диоды Блок\Т)1,У04, УТ>5, С1, С4-ЦФТП. Ы-Ь6 и СЗ - выходной ЬС фильтр. ТУ1-ТУ6 - трансформаторы. С2-С6 - разделительные конденсаторы.

СВР представляет собой статический полупроводниковый регулятор входного напряжения переменного (постоянного) тока в выходное стабилизированное напряжение постоянного тока. СВР состоит из входного сглаживающего фильтра, шести звеньев регулирования, шести высокочастотных трансформаторов, шести диодных мостов и выходного сглаживающего фильтра.

Каждое звено регулятора состоит из мостового высокочастотного инвертора, трансформатора и мостового однофазного выпрямителя. Однофазный инвертор формирует последовательность импульсов напряжения прямоугольной формы частотой 7,5 кГц, которая подается на первичную обмотку трансформатора. Переменное напряжение с вторичной обмотки подается на вход выпрямителя. На выходе выпрямителя установлен сглаживающий фильтр, на конденсаторах которого получается стабилизированное постоянное напряжение. Импульсы управления ключами формируются системой управления и подаются на драйвер. Питание системы управления осуществляется от вторичных источников питания. Во второй главе описана методика инженерного проектирования силовой части высоковольтного регулятора, позволяющая производить расчет силовых компонентов многозвенного высоковольтного регулятора с учетом наибольшей эффективности и улучшения массогабаритов устройства.

Для расчёта и выбора параметров силовых компонентов регулятора постоянного напряжения (РПН) необходимо определить начальные условия:

• напряжение сети, к которой подключается РПН;

• параметры полезной нагрузки;

• требуемая величина КПД регулятора;

• требуемое выходное напряжение;

• коэффициенты пульсаций входной и выходной цепи.

Эти данные позволяют определить следующие основные энергетические характеристики РПН:

• величина тока силовых ключей;

• величина энергии, расходуемая регулятором во время работы;

В результате расчета определяются следующие параметры силовых элементов регулятора:

1) параметры силовых полупроводниковых ключевых элементов:

• класс напряжения полупроводниковых ключей;

• частотные свойства силовых элементов;

• величина тепловых потерь в ключевых элементах и параметры системы отвода тепла от ключа;

2) параметры дросселей фильтров на стороне постоянного тока регулятора:

• индуктивность;

• величина падения напряжения на дросселе;

• потери мощности в дросселе.

Для улучшения качества потребляемой энергии регулятора на стороне переменного тока могут использоваться пассивные ЬС фильтры, настроенные на резонанс на частоте коммутации ключевых элементов регулятора. В таком случае необходимо рассчитать параметры этого фильтра обеспечивающего заданную величину ослабления высших гармоник тока регулятора.

Ключевые полупроводниковые элементы РПН работают в высокочастотном режиме, причём потери от переключений (потери коммутации) превышают потери проводимости. Поэтому предельное рабочее значение тока полупроводниковых элементов зависит от условий их эксплуатации: частоты коммутации, входного напряжения, типа использующегося радиатора охлаяедения. Величина индуктивности дросселя фильтра, напряжение сети, максимальная величина тока регулятора, а также использующийся метод модуляции напряжения РПН определяют напряжение на стороне постоянного тока статического аппарата. Величина выходного напряжения, ток регулятора и частота коммутации определяет величину тепловых потерь ключевого элемента, параметры и тип использующейся системы охлаждения. Таким образом, максимальное значение величины тока полупроводниковых элементов, частота коммутации полупроводниковых ключей, выходное напряжение регулятора и другие параметры являются взаимозависимыми, что приводит к необходимости использовать итерационный метод расчёта и выбора этих параметров.

Так как выбрана многозвенная схема регулятора, то методика расчета и выбора сводиться к трём задачам:

• Определить число звеньев согласно наибольшей эффективности регулятора, а так же улучшения его массогабаритов;

• Определить параметры силовых полупроводниковых элементов каскада, которые рассчитываются по напряжению входной и выходной частей и их частотными свойствами;

• Рассчитать параметры пассивных ЬС фильтров по мощности звена и коэффициенту пульсаций.

Необходимость в исследовании и разработке методики инженерного проектирования регулятора, заключается в том, что современная элементная база не позволяет с максимальной эффективностью обеспечить работу

высоковольтного регулятора. В данном случае входное напряжение имеет верхнюю границу в 4кВ, потребляемый ток (при мощности в 40кВА) составляет примерно 10А, а существующие полупроводниковые ключи классом напряжения до 8-10 кВ рассчитаны на ток порядка нескольких сотен ампер. Следовательно, их использование в заданном решении не целесообразно.

Применение многозвенной схемы позволяет:

• уменьшить класс по напряжению силовых ключей;

• снизить падение напряжения;

• добиться эффективного применения современных полупроводниковых ключевых элементов.

Используя программу МаШСАО, рассчитано наиболее эффективное число регулирующих звеньев регулятора. Благодаря универсальности программы расчетов, её можно использовать для различных исходных данных регулятора. Оперируя количеством выходных каскадов, добиваться наилучших показателей по энергоэффективности, массогабаритам регулятора в целом.

На рис.2 представлена зависимость мощности потерь от количества звеньев. Как видно из диаграммы, при начальном увеличении числа каскадов (от одного до четырех) - изменения потерь мощности существенное (из-за того, что выбираются силовые элементы схемы, не обеспечивающие требуемую энергоэффективность), в отличие от последующего увеличения. Расчет производился при постоянной частоте переключения полупроводниковых элементов. Если уменьшать частоту, потери «мощности снизятся, но значительно увеличатся габариты (размеры трансформатора) и масса регулятора. Для данного регулятора было выбрано количество выходных каскадов, равное шести.

Суммарная мощность потерь, Вт

123456789 10

Рис.2. Диаграмма мощности потерь в регуляторе от количества звеньев.

В третьей главе проведен анализ системы регулирования классическими методами в целях обеспечения требуемой точности и устойчивости системы.

Показана эквивалентность предложенной схемы классической схеме регулятора постоянного тока при допущении идеальности трансформатора, равномерного распределения входного напряжения между звеньями и тока нагрузки на выходе регулятора.

Для стабилизации выходных характеристик используется обратная связь по выходному напряжению или току, а для обеспечения или повышения запаса устойчивости используются корректирующие звенья в цепях обратной связи или контура обратной связи по различным переменным состояния.

Динамические характеристики (перерегулирование по току и напряжению при включении и отключении СВР, скачкообразном изменении входного напряжения и нагрузки), высокочастотные пульсации тока дросселя и выходного напряжения могут быть найдены из решения системы дифференциальных уравнений, описывающих переменные состояния: токи в индуктивностях и напряжения на емкостях на различных этапах работы СВР, когда транзистор находится в открытом и закрытом состоянии. Исследование статических характеристик СВР (коэффициент стабилизации выходного

напряжения и тока, запас устойчивости, по фазе и амплитуде, полоса подавления низкочастотных пульсаций) осуществляется с помощью критерия Найквиста по частотным характеристикам передаточной функции разомкнутой петли ОС регулятора. Частотные характеристики могут быть получены путем сведения дискретно-нелинейных моделей импульсного преобразователя напряжения к непрерывной линейной модели с использованием метода усреднения и линеаризации дифференциальных уравнений.

Исследование статических характеристик СВР (коэффициент стабилизации выходного напряжения и тока, запас устойчивости, по фазе и амплитуде, полоса подавления низкочастотных пульсаций) осуществляется с помощью критерия Найквиста по частотным характерна гикам передаточной функции разомкнутой петли ОС СВР. Частотные характеристики могут быть получены путем сведения дискретно-нелинейных моделей импульсного преобразователя напряжения к непрерывной линейной модели с использованием метода усреднения и линеаризации дифференциальных уравнений.

При помощи математического моделирования, произведен анализ работы регулятора в различных режимах в программном комплексе ОгСас!. На рис.3 представлена модель входного каскада регулятора напряжения.

13 В12

Рис. 3. Входной каскад регулятора напряжения.

Рис.4. Выходные каскады высоковольтного регулятора. На рисунке 4 представлены 6 выходных звеньев регулятора.

; .........[....•... ..ТЛ.Х

_ •■4-4-4-. .....

..4....¡—4—

...щ... ¿Щ: ; 1;

I ¡1 : 4пг да жж

В 1 \ \ ■■ г 4-{-

зги

; : --1--!-]--

С* 20Я5 чага Це 89« 1Мта 12№$ ПОЛЬ 160П5 10 СИ 200К15

о к и) »10 « у<чв_1«-с<и,1н_г) ч и(ж_1,1м_г) а и(и_оит>»ю о нчз)«1в

Рис.5

Кривые основных электрических параметров в пусковом и установившемся режимах.

На осциллограмме (рис.5) приведены следующие напряжения и токи:

- 1(Ь2)* 10 - ток дросселя входного фильтра умноженный на 10;

- У(\Т)_Ш-САТДЬТ_2) - напряжение на выходе диодного моста;

- У(Ж- напряжение на конденсаторе фильтра;

- У(и_ОЦТ)* 10 - напряжение на выходе ПСН умноженное на 10;

- 1(УЗ)* 10 - ток на выходе ПСН умноженный на 10.

Так же глава посвящена моделированию процессов в блоке коммутационно-защитной аппаратуры (КЗА), который входит в состав высоковольтного регулятора для пассажирских вагонов. Блок КЗА должен обеспечивать выпрямление и сглаживание напряжения входной сети, а также защиту потребителей от возможных импульсных перенапряжений. Приводится, так как возможно питание регулятора от сети переменного тока. Упрощенная электрическая схема блока КЗА приведена на рис.6.

F R

-в—т

Рис. 6. Упрощенная электрическая схема блока КЗА

Как видно, блок содержит входные клеммы 1-2, к которым подключается сеть постоянного или переменного напряжения (3 кВ), и выходные клеммы 3-4, к которым подключается регулятор постоянного напряжения (РПН). В состав блока входят также контактор Q, предохранитель Г, ограничивающий! резистор R, однофазный мостовой выпрямитель DI...D4, два варистора RUI, RU2 (пороговое напряжение 5 кВ, дифференциальное сопротивление 1 Ом) и дроссель L (индуктивность 700 мГн). Конденсатор (ёмкость 1000 мкФ) входит в состав РПН.

Задачей моделирования является исследование переходных процессов и установившихся режимов блока КЗА при различных сочетаниях параметров входной сети, приведенных в табл. 1, и нагрузки (номинальная мощность 45 кВт).

Табл. 1. Параметры напряжения входной сети

Вид напряжения сети Входное напряжение, В

минимальное номинальное максимальное

Постоянное 2200 3000 4000

Переменное 2200 3000 3600

Моделирование проводилось с использованием пакета программ ОгСаё 9.2. Модели блока КЗА при различных видах напряжения сети приведены на рис.7. Как видно, модель включает в себя однофазный выпрямитель, ЬС-фильтр и два варистора. В приведенных схемах VI обозначает источники постоянного или переменного напряжения, подключаемые к блоку ЗКА посредством ключа Б1, а У2 и УЗ, включённые с ним последовательно, имитируют импульсные перенапряжения 16 кВ (4 мс) и 12 кВ (10 мс).

При моделировании блока КЗА исследованы последовательно во времени 4 режима:

1) подключение сети на холостом ходу (в момент времени, равный нулю);

2) подключение номинальной нагрузки (в момент времени 600 мс);

3) отключение нагрузки (в момент времени 1200 мс);

4) отключение сети (в момент времени 1800 мс).

Импульсные перенапряжения появляются в моменты времени 303 мс (16 кВ) и 900 мс (12 кВ).

Рис.7. Схема модели блока КЗА.

Г' „ 1 1 I 1

1

1

1

1 (

> 1

\ г

/ -н — -Ч —1

/

<Ь 0.2* 0.4» О.Ия 0 8я 1,05 1.2* 1.1* 1.Ся 1.8» 2 Оэ

о Vil.ll , 1/(101- \'(г.)

Рис.8. Диаграммы входного напряжения и напряжения на конденсаторе

Анализ результатов компьютерного моделирования блока КЗА позволяет сделать следующие выводы.

1. В установившихся режимах при питании блока от сети постоянного тока (2,2...4,0 кВ) напряжение на выходе блока изменяется в пределах от 1,89 до 5,0 кВ, а при питании от сети переменного тока (2,2...3,6 кВ) —в пределах от 1,7 до 4,95 кВ.

2. Переходные процессы имеют, как правило, затухающий колебательный характер с периодом колебаний порядка 120... 150 мс и числом полуколебаний 2...3. Напряжение на выходе блока в переходных процессах изменяется в пределах от 1,6 до 5,1 кВ при питании от сети постоянного тока и от 1,4 до 5,0 кВ при питании от сети переменного тока.

3. При питании блока от сети переменного тока в режиме номинальной нагрузки входной коэффициент мощности составляет 0,893 и 0,887 при входном напряжении 2,2 и 3,6 кВ соответственно.

4. Подтверждена необходимость использования в блоке варисторов RUI и RU2 с параметрами 5 кВ и 1 Ом: первый из варисторов ограничивает воздействие импульсных перенапряжений в питающей сети, а второй исключает перенапряжения на выходе блока при подключении его к сети и, возможно, при аварийном отключении нагрузки.

Результаты моделирования показали, что предложенная схема с учетом рассчитанных по предложенной методике параметров силовой части и системы управления, обеспечивают требуемые показатели в части передаваемой мощности, точности регулирования, величине коэффициента пульсации выходного напряжения и входного тока, а так же времени переходных процессов и требованиям к пусковому режиму.

Четвертая глава посвящена физическому макетированию. Разработан макет (рис.9) высоковольтного регулятора, на котором проверялась правильность расчета и выбора силовых элементов регулятора. Производились испытания подтверждающие эффективность предложенной инженерной методики расчета.

Рис.9. Макет высоковольтного регулятора.

После успешно проведенных экспериментов на макете, был создан опытный образец высоковольтного регулятора (рис.10), прошедший необходимые приемочные и государственные испытания. В настоящее время, данная разработка внедрена в серийное производство и используется на железнодорожных вагонах на территории Российской Федерации.

Рис. 10. Высоковольтный регулятор постоянного напряжения.

В заключении сформулированы основные выводы по диссертационной работе:

1) Предложено использование в схеме регулятора постоянного напряжения многокаскадной структуры с высокочастотным трансформатором, позволяющая существенно уменьшить массогабариты высоковольтного регулятора, а так же улучшить электрические параметры схемы регулятора, снизить потери и установленную мощность силовых ключей.

2) Разработана методика инженерного проектирования силовой части регулятора напряжения, позволяющая определить наиболее эффективное количество звеньев с учетом повышения КПД и технических требований, предъявляемых к системе электроснабжения железнодорожного вагона.

3) Показана применимость классических методов регулирования и методов разработки алгоритма к многозвенной структуре.

4) Разработаны математические модели регулятора напряжения в программном комплексе МаШСАИ и ОгСаё, позволяющие оценить эффективность работы в статических и динамических режимах, а так же обеспечить корректировку параметров силовой части регулятора и физические модели, подтверждающие верность теоретических исследований.

5) Разработаны физические модели регулятора, на которых проверялась и подтверждалась предложенная методика инженерного проектирования регулятора

Основные положения диссертационной работы изложены в печатных трудах:

1. Гайказьян Т.К. Высоковольтный регулятор напряжения для пассажирского вагона // Известия вузов. Сев. - Кавк. Регион. Технические науки - 2010 г.- вып.6.- С.25-30.

2. Рябчицкий М.В, Гайказьян Т.К. Высоковольтный регулятор напряжения для пассажирского вагона // ФЁДОРОВСКИЕ ЧТЕНИЯ-2010г.

3. Рябчицкий М.В, Гайказьян Т.К. Высоковолтный регулятор нового типа для железнодорожного вагона // ХШ-я международная конференция «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» МКЭЭЭ -2010: Тез. докл. - Алушта, 2010,- С. 182-183.

Подписано в печать^-Зак.Л-М Тир. ¡С'О П.л. Полиграфический центр МЭИ(ТУ) Красноказарменная ул.,д.13

Введение.

Глава 1 ОБЗОР РЕГУЛЯТОРОВ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ.

1.1 Применение регуляторов в пассажирских вагонах.

1.2 Разновидности блоков регуляторов.

1.3 Требования к регуляторам напряжения.

1.4 Критерии расчета и выбора силовой части и системы управления регулятора.

1.5 Электрические параметры регулятора.

1.6 Классификация высокочастотных регуляторов.

1.7 Регулятор постоянного тока на базе схем инверторов.

1.8 Схема высоковольтного регулятора постоянного напряжения.

1.9 Выводы по первой главе.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА РАСЧЕТА И ВЫБОРА СИЛОВЫХ КОМПОНЕНТОВ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО РЕГУЛЯТОРА.

2.1 Описание методики проектирования.

2.2 Исходные данные для расчета.

2.3 Выводы по второй главе.

Глава З.МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

3.1 Моделирование основных режимов.

3 ^Моделирование процессов блока коммутационно-защитной аппаратуры.

3.3 Результаты моделирования блока коммутационно-защитной аппаратуры.

3.4 Выводы по четвертой главе.

ГЛАВА 4. ФИЗИЧЕСКОЕ МАКЕТИРОВАНИЕ РЕГУЛЯТОРА

ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ.

4.1 Макет и опытный образец регулятора.

Современные электрические и электронные аппараты (ЭЭА) должны отвечать требованиям по возможности интеграции в сложные системы, снижению массы и габаритов ЭЭА и энергоэффективности. Эти требования приводят к появлению новых статических аппаратов на базе современных полупроводниковых ключей. Одной из областей, где такие аппараты находят все более широкое применение, являются системы электроснабжения пассажирского железнодорожного транспорта.

Тенденции к ужесточению требований к массогабаритным показателям, экономичности, надежности, качеству вырабатываемой энергии и электромагнитной совместимости требует разработки принципиально новых ЭЭА. Решение проблем энерго- и ресурсосбережении в устройствах электропитания осуществляется за счет использования импульсных (ключевых) режимов работы полупроводниковых приборов, схем регулирования напряжения с промежуточным звеном высокой частоты (сотни килогерц - единицы мегагерц), современной элементной базы: мощных транзисторов (МОБРЕТ, ЮВТ), мощных быстродействующих диодов, современных магнитных материалов и конденсаторов и современных технологий узлов и устройств (низкопрофильные, безнамоточные, плоские трансформаторы; поверхностный монтаж и др.). Ключевые режимы работы полупроводниковых приборов позволяют существенно повысить КПД устройств путем снижения мощности потерь в полупроводниковых приборах, и тем самым увеличить надежность работы регуляторов напряжения; уменьшить их массу и габариты путем снижения или полного устранения системы охлаждения полупроводниковых приборов.

Преобразование энергии не на промышленной частоте (50 Гц), а на высокой частоте (сотни килогерц - единицы мегагерц) позволяет в десятки -сотни раз снизить объем и массу элементов фильтров и согласующих трансформаторов, которые даже в современных импульсных регуляторах напряжения занимают до 50-70% габаритов и веса всей системы.

Повышение частоты преобразования электрической* энергии, определяемое частотой переключения транзисторов, в импульсных регуляторах напряжения требует обеспечения соответствующего режима переключения полупроводниковых ключей. Это обусловлено тем, что на высоких частотах коммутации всё более проявляется неидеальность динамических свойств полупроводниковых приборов, что вызывает рост коммутационных потерь. Наличие «паразитных» емкостей и индуктивностей полупроводниковых приборов и монтажа, создающих высокочастотные контура, приводит к возникновению перенапряжений и высокочастотных колебаний при коммутации полупроводниковых приборов. Таким образом, применение импульсных регуляторов напряжения, наряду с уменьшением массы и габаритов ЭЭА, приводит к увеличению уровня электромагнитных помех (ЭМП), усугубляя электромагнитную обстановку [1-4]. Однако экономия стали, меди, электроэнергии, повышение надежности, быстродействия и т.д. настолько значительны, что импульсные электронные аппараты применяются всё шире, частота преобразования электроэнергии продолжает увеличиваться. Но в то же время проблема электромагнитной совместимости, создаваемых импульсными регуляторами и проблема снижения в них коммутационных потерь становится все более актуальной.

Все более широкое применение находят статические регуляторы напряжения, применяемые для получения стабилизированного напряжения при изменениях входного напряжения или тока нагрузки. Регуляторы напряжения используются в различных системах электроснабжения, для питания ответственных потребителей, требующих высокого качества питающего напряжения.

Основные функции таких регуляторов заключается в поддерживании необходимого уровня выходного напряжения и мощности с требуемым качеством/электроэнергии.

Цель работы.

Создание высоковольтного регулятора постоянного напряжения, способного обеспечивать электроэнергией современный пассажирский вагон, отвечающего всем требованиям по качеству электроэнергии, безопасности и экономичности.

Достижение цели исследования потребовало решения следующих научно-исследовательских и практических задач:

1. Проведения аналитического анализа современных научно-технических решений в области регулирования напряжения свыше 2,5кВ с целью выявления наиболее перспективных структур регуляторов и алгоритмов управления.

2. Синтез проведенного анализа, и на его основе разработка многозвенной структуры и принципов работы регулятора, позволяющих повысить энергоэффективность, улучшить массогабаритные показатели, а так же повысить надежность устройства;

3. Проведения анализа электромагнитных процессов в статических I и динамических режимах работы с помощью математических моделей и современных программных комплексов. Разработка методики инженерного проектирования силовой части регулятора на основе проведенного анализа;

4. Разработки алгоритма управления и системы управления регулятором напряжения, позволяющих реализовать его функции и обеспечить точность, устойчивость и своевременную защиту при возникновении аварийных ситуаций;

Методы исследований, применяемые в диссертационной работе: методы теории электрических цепей, методы теории автоматического управления, математическое моделирование регулятора постоянного тока (РПТ) в программном комплексе Or CAD, физическое моделирование РПТ.

Научная новизна.

1. На основе анализа показана целесообразность использования структуры многозвенного высоковольтного регулятора с последовательным соединением входных каскадов и параллельным соединением выходных каскадов для применения в железнодорожном вагоне;

2. Разработана методика расчета и выбора элементов силовой части многозвенного высоковольтного регулятора, учитывающей ограниченные возможности и номенклатуру современных полупроводниковых ключей, учитывающую высокое входное напряжение и необходимость гальванической развязки между входной и выходной цепями. Практическая ценность. В результате выполненной работы разработано новое схемотехническое решение высоковольтного регулятора постоянного напряжения, разработана инженерная методика проектирования высоковольтного регулятора, позволяющая наиболее эффективно выбрать элементы силовой части, повысить энергоэффективность регулятора, а так же улучшить массогабаритные показатели. Создан макет высоковольтного регулятора и опытный образец, прошедший необходимые испытания.

Реализация работы. Полученные результаты работы использованы в работах проводимых кафедрой ЭиЭА МЭИ (ТУ) совместно с ЗАО «ЭЛСИЭЛ» по разработке устройств силовой электроники и систем управления для железнодорожного транспорта. В настоящее время на железных дорогах Российской Федерации используется 13 высоковольтных регуляторов новой разработки.

Апробация. Результаты диссертационной работы докладывались на конференции "ФЁДОРОВСКИЕ ЧТЕНИЯ - 2010", Студенческих конференциях МЭИ (ТУ), а так же на заседаниях кафедры ЭиЭА.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 печатных работы.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 108 стр. и содержит 69 рисунков, 8 таблиц, 99 наименований списка литературы.

Основные результаты и выводы диссертационной работы заключается в следующем:

1) Предложено использование в схеме регулятора постоянного напряжения многокаскадной структуры с высокочастотным трансформатором, позволяющая существенно уменьшить массогабариты высоковольтного регулятора, а так же улучшить электрические параметры схемы регулятора, снизить потери и установленную мощность силовых ключей.

2) Разработана методика инженерного проектирования силовой части регулятора напряжения, позволяющая определить наиболее эффективное количество звеньев с учетом повышения КПД и технических требований, предъявляемых к системе электроснабжения железнодорожного вагона.

3) Разработаны математические модели регулятора напряжения в программном комплексе МаШСАЭ и ОгСаё, позволяющие оценить эффективность работы в статических и динамических режимах, а так же обеспечить корректировку параметров силовой части регулятора и физические модели, подтверждающие верность теоретических исследований.

4) Разработаны физические модели регулятора, на которых проверялась и подтверждалась предложенная методика инженерного проектирования регулятора

Заключение

1. Широков B.JI. Электромагнитная совместимость ключевых вторичных источников электропитания с радиоэлектронной апнаратурой // Техн. электродинамика. 1982. №2. С. 27 34.

2. Мотовилов Н. И. Бестрансформаторные источники питания // 3 ару беж. радиотехника. 1983. №1. С. 61 79.

3. Бассет Д. Импульсные источники питания: Тенденция развития // Электроника. 1988. №1. С. 72 77.

4. Бекслер Г.С., Недочетов Б.С., Пилинский В.Б., Родионова М.Б., Темников Б.А. Подавление электромагнитных помех в цепях электропитания. Под редакцией к.т.н. Г.С. Векслера. /Киев: Техника, 1990. 168 с.

5. Гудинав Ф. Интегральные схемы управления импульсными источниками питания // Электроника. 1989. № 23. С. 62 74.

6. Гудинав Ф. Уменьшение потерь в мощных импульсных источниках пи- . тания с помощью фазовой модуляции//Электроника. 1991. №8. С. 17-21.

7. Лукин A.B., Макаров Б.Б., Герасимов A.A. Основы проектирования высокочастотных резонансных преобразователей // Отраслевой семинар «Импульсные ИВЭ. Состояние и перспективы развития»: Тез. докл. М.: ЦОНТИ «Экое», 1989. С. 1-25.

8. Лукин А.Б., Макаров В.В., Ненахов СМ. Резонансные преобразователи напряжения // Подсекция «Научные проблемы источников вторичного электропитания» Паучного Совета АП СССР: Тез. докл. М., 1986.

9. Мелешин В.И., Новинский В.Н. Транзисторные преобразователи напряжения с последовательным резонансным контуром // Электротехника. 1990. №8. С. 47-53.

10. Venkataramanan С, Divan D. Pulse Width Modulation with Resonant DC Linie Converters // Conf. Ree. IEEE IAS. 1990. P. 984 990

11. Jonson S.D., Erikson R. W. Steady-State Analysis and Design of the Parallel Resonant Converter // IEEE Transactions on Power Electronics. January 1988. Vol. 3,№1. P. 93-104.

12. Steigerwald R.L. High-Frequency Resonant Transistor DC-DC Converters // IEEE Transactions on Industrial Electronics. May 1984. Vol. IE-31, № 2. P. 181 -191.

13. Лукин A.B., Кастров М.Ю., Малышков Г.М., Герасимов А.А., Макаров

14. B.В., Парфенов А.Н. Преобразователи напряжения силовой электроники / М.: Радио и связь, 2004. 416 с.

15. Макаров В.В. Преобразователь напряжения с последовательным резонансным контуром // Электронная техника. Сер. Радиодетали и радиокомпоненты. 1988. Вып. 3. С. 39-41.

16. Ли Ф.К. Высокочастотные квазирезонансные преобразователи // Труды института инженеров по электронике и радиотехнике / Пер. с англ. М.: Мир, 1988. Т. 76. № 4. С. 83 - 97.

17. Pat. 4,415,959 (USA), Forward Converter Switching at Zero Current / P. Vinciarelly, NJ. Skillman, 1983.

18. Поликарпов А.Г., Сергиенко Е.Ф. Однотактные преобразователи напряжения в устройствах электропитания РЭА. М.: Радио и связь, 1989. 160 с.

19. Поликарпов А.Г., Сергиенко Е.Ф. Однотактные преобразователи постоянного напряжения / Под ред. Ю.И. Конева. М.: Радио и связь, 1984. Вып. 15.1. C. 29-35.

20. Korotkov S., Meleshin К, Miftakhutdinov R., Fraidlin S. Soft-Switched Asymmetrical Half-Bridge DC-DC Converter: Steady-State Analysis. An Analysis of switching Processes // IEEE TELESCON'97 Proc. 1997. P. 177 184.

21. Vinciarelli P. Optimal Resetting of the Transformer's Core in Single Ended Forward Converters. U.S. Patent № 4441146, April 3, 1984.

22. Jitaru I. Constant Frequency, Forward Converter with Resonant Transition // HFPC, 1991. P. 282-292.

23. Jitaru L Fixed Frequency converter Switching at Zero Voltage /U.S. Patent US5434768,July 18, 1995.

24. Корзкаеин O.A. Динамические характеристики импульсных полупроводниковых преобразователей и стабилизаторов постоянного напряжения. / М.: Радио и Связь, 1997. 300 с.

25. Дмитриков В. Ф., Веловицкий О.И., Калмыков СВ., Сергеев В.В. Исследование устойчивости импульсных преобразователей с ШИМ // Межвузовский сборник научных трудов / СПбГТУРП. СПб, 2002. С. 237 249.

26. Дмитриков В.Ф., Беловицкий О.И., Калмыков СВ., Самылин H.H. Исследование импульсного преобразователя напряжения повышающего типа с П~ образным CLC-фильтром. // Практическая силовая электроника. 2004. Вып. 14.

27. Дмитриков В.Ф., Самылин И.Н., Калмыков СВ., Шушпанов Д.В. Исследование устойчивости и коэффициента стабилизации импульсных преобразователей напряжения повышающего типа // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника, 2004, №1. С, 47 57.

28. Шевцов Д.А., Машуков Е.В., Ульященко Г.М. Однофазный транзисторный инвертор для питания электронных и электромеханических устройств // Практическая силовая электроника, 2001, Выл, 2, С. 33 34.

29. Крючков В.В., Соловьев И.Н., Даиф Ахмад. Транзисторные инверторы в режиме синусоидальной ШИМ // Практическая силовая электроника, 2002, Выи, 6. С, 16-18.

30. Ф 35. Кастров М.Ю., Лукин A.B., Малышков Г.М., Овчинников Д.А., Герасимов А. А. Выбор параметров фильтра нижних частот преобразователя с выходным синусоидальным напряжением // Практическая силовая электроника, т 2002,Вып, 7, С, 18-23,

31. Бернард К.Коэл. Решение проблемы коррекции коэффициента мощности // Электроника. 1989. № 13, С, 48 50.

32. Жданкин В.К. Коррекция гармоник входного тока в маломощных сетевых источниках питания // Современные технологии автоматизации. 1998. № 1.1. С. 110-112.

33. КонееЮ.И. Компенсаторы мощности искажений // В кн.: Электропитания / Под ред. Ю.И. Конева. -М.: Ассоциация «Электропитание», 1993. № 1. С. 60-70.

34. Крючков В.В. Источники питания с коррекцией коэффициента мощности // Электропитание / Под ред. Ю.И. Конева. М.: Ассоциация «Электропитание», 1993. № 1. С. 71 -75.

35. Головацкий В.А. Транзисторные импульсные усилители и стабилизаторы постоянного напряжения. /М.: Сов. Радио, 1974. 160 с.

36. Болдырев В.Г. Синтез многозвенных пассивных фильтров и оптимизация их массогабаритных характеристик. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. / М.: МЭИ, 1983. 16 с.

37. Матханов П.Н., Федоров К.А. Сравнительный анализ простых схем сглаживающих фильтров по массогабаритным показателям. / Энергетика. 1983. №9. С. 42-45.

38. ГольдштейнЕ.И., Майер А.К. Индуктивно-емкостные сглаживающие фильтры. / Томск. Из-во Томск, ун-та, 1982. 221 с.

39. Малышков Г.М. Синтез и анализ выходных фильтров импульсных источников постоянного нанряжения. // Электронная техника в автоматике. Под ред. Конева Ю.И. / М.: Сов. Радио, 1980. №13. С. 112 126.

40. Малышков Г.М. Многоэлементные фильтры инверторов. // Электронная техника в автоматике. Под ред. Конева Ю.И. / М.: Сов. Радио, 1982. №13. С. 162-167.

41. Малышков Г.М. и др. Выбор параметров фильтров инверторов. // Электронная техника в автоматике. Под ред. Конева Ю.И. / М.: Сов. Радио, 1986. №17. С. 148-168.

42. ДмитрикоеВ.Ф., СергеевВ.В., СиницаА.П. Классические частотные ЬС-фильтры в качестве фильтрующих цепей источников электропитания. // Труды учебных заведений связи / СПбГУТ. СПб, 2000. №166. С. 118 123.

43. ДмитрикоеВ.Ф., СергеевВ.В. Энергетические и массогабаритные характеристики LC-фильтров. // Электросвязь. 1996. №12. С. 27 29.

44. Дмитрикое В.Ф., Сергеев В.В., СамылинИ.Н. Исследование переходных процессов в импульсных регуляторах напряжения с различными фильтрующими цепями. // Труды учебных заведений связи. / СПбГУТ. СПб, 2002. №167. С. 72-78.

45. Ridly R.B., Cho В.Н., Lee F.C. Analysis and interpretation of loop gains of multiloop controlled switching regulators. // IEEE Trans. Power Electron. Vol. 3. № 4, October. 1998. P. 271 - 280.

46. ChoB.H., Lee F.C. Measurement of loop gain with the digital modulator. // IEEE Trans. Power Electron. Vol. PEL №1, January. 1986. P. 55 62.

47. Источники вторичного электропитания. Справочное пособие // Под ред. Конева Ю.И. / М.: Радио и связь, 1983.

48. Мелешин В.И. Динамические свойства преобразователей с 111ИМ-2 в режимах прерывистого и непрерывного токов. // Электронная техника в автоматике. Под ред. Конева Ю.И. / М.: Сов. Радио, 1986. №17.

49. ЧуаЛ.О., Пен-Мин-Лин. Машинный анализ электронных схем. / М.: Энергия, 1980.

50. ЦыпкинЯ.З. Теория линейных импульсных систем. / М.: Физматгиз, 1963.

51. ЦыпкинЯ.З. Релейные системы автоматического регулирования. / М.: Паука, 1974.

52. Бессекерский В.А. Цифровые автоматические системы. / М.: Паука, 1976.

53. Белов Г.А., Кузьмин С.А. Условия устойчивости и коэффициент стабилизации импульсного стабилизатора с обратными связями по току и напряжению. // Электронная техника в автоматике. Под ред. Конева Ю.И. / М.: Сов. Радио, 1984. №15. С. 48-58.

54. Мелешин В.И., Мосин В.В., ОпадчипЮ.Ф. Формирование динамических свойств устройств вторичного электропитания с 111ИМ-2. // Электроннаятехника в автоматике. Под ред. Конева Ю.И. / М.: Сов. Радио, 1986. №16. С. 5

55. Чети П. Проектирование ключевых источников электропитания: Пер. с англ. -М.: Энергоатомиздат, 1990. 236 с.

56. Chetty P.R.K. Closed Loops On Track for Testing Switchers. // Electronic Design. July 7. 1983. P. 135 - 140.

57. Specify Gain And Phase Margins On All Your Loops. Venable Technical paper #2. 2001.

58. Боде Г. Теория цепей и проектирование усилителей с обратной связью. -М.: Иностранная литература, 1948. 642 с.

59. ГоровицА.М. Синтез систем с обратной связью. Пер. с англ. А.П. Гай-синского. / Под общ. ред. М.В. Меерова. -М.: Советское радио, 1970. 599 с.

60. Остапенко Г.С. Усилительные устройства. Учебное пособие для вузов. М. Радио и связь, 1989.

61. Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи. М.:1. Энергия, 1969. 424 с.

62. Малышков Г.М. Условно-оптимальный синтез ступенчатого напряжения. // Электронная техн. и автоматика. / Под ред. Ю. И. Конева. Вып. 14. С. 151-162.

63. Дмитриков В. Ф, Исследование переходных процессов в ключевых генераторах со ступенчатой формой выходного напряжения // Техн. Электроди-л намика / АН УССР. 1980 №2. 32 с.

64. Дмитриков Б. Ф. Влияние падения напряжения на транзисторах и дио• дах на спектральный состав ключевых генераторов с улучшенной формой выходного напряжения. //Техническая электродинамика. 1981 №.3.

65. Дмитриков В. Ф., Юрченко Н.Н. Динамические режимы в ключевыхтранзисторных генераторах с улучшенной формой выходного напряжения. -Препринт. Киев: (АН УССР, №387.) 1984.- 59 с.

66. Дмитриков В.Ф., Тонкаль В.Е., Гречко Э.Н., ОстровскийМ.Я. Теорияи методы анализа преобразователей частоты и ключевых генераторов. Киев: О, Наукова думка, 1988.312с.

67. ДмитриковВ.Ф., Петяшин Н.Б., СивереМ.А. Высокоэффективные формирователи гармонических колебаний. М.: Радио и связь, 1988. 193с.

68. Martin LD. Theoretical efficiencies of class D power amplifiers. // Proc. Inst. Elec.Eng. 1970. Vol.117. N6. P. 1089-1090.

69. Алексанян A.A„ Плюснин B.H., Сивере M.A. О выборе фильтра нижних частот в усилителях класса D. // Вопросы радиоэлектроники, сер. РТС. 1975. №2. С. 40-43.

70. Артым А.Д. Усилители классов D и ключевые генераторы в радиосвязи и радиовеш;ании. /М.: Связь, 1980. 209 с.

71. SO. Дмитриков В.Ф., Ларионов О.М., Сергеев В.В. Расчет LC фильтров с минимальной реактивной энергией, массой и габаритами // Труды учебных заведений связи / СПбГУТ. СПб, 1999. №165. С. 163 167.

72. Бакалов В.П., Дмитриков В.Ф., Сергеев В.В. Новый метод синтеза реактивных фильтров // Электросвязь. 2001. №1. С. 33 36. S2. БакадовВ.П., Дмитриков В.Ф., КрукБ.И. Основы теории цепей. М.: Радио и связь, 2003. 589 с.

73. Каюков Д.С., Недолужко И.Г. Анализ и проектирование корректора коэффициента мощности // Практическая силовая электроника. 2002. Вып. 11. С. 20-25.

74. Чаплыгин Е.Е. Спектральные модели корректоров коэффициента мощности с ТТТИМ // Практическая силовая электроника. 2002. Вып. 11. С. 26 31.

75. TentiP. and Spiazzi G. Harmonic Limiting Standards and Power Factor Correction Techniques // 6th European Conference on Power Electronics and Applications. 1995. P. 1 144.

76. LaiZheren, Smedley Keyue Ma. A Family of Continuous-Conduction-Mode Power-Factor-Correction Controllers Based on the General Pulse-Width Modulator. // IEEE Transactions on Power Electronics. Vol. 13. No.3, May. 1998. P. 501 510.

77. Sharifipour В., Huang J.S., Liao P., HuberL., and Jovanovic M.M. Manufacturing and cost analysis of power-factor-correction circuits. // Proc. IEEEAPEC98, Annu. Meeting. Vol. 1. 1998. P. 490 494.

78. Овчинников Д.JI., КастровМ.Ю. Классификация однофазных корректоров коэффициента мощности // Практическая силовая электроника. 2003. Вып. 9. С. 23 26.

79. Овчинников Д. А., КастровМ.Ю. Пассивные корректоры коэффициента мощности // Практическая силовая электроника. 2003. Вып. 9. С. 12-15.

80. Middlebrook R.D. Input filter considerations in design and application of switching regulators. // IEEE Industry Applicat. Soc. Armu. Meeting. 1976 Record.

81. Cho B.H. and Choi B. Analysis and design of multi-stage distributed power systems. // INTELEC Conf. Proc. Nov. 1991.

82. Филин В.А., Самылин И.Н., Смирнов B.C., Шушнанов Д.В. Оценка влияния внутреннего сопротивления возмущающего генератора на входное и выходное сопротивления ШИМ-преобразователя // Труды учебных заведений связи / СПбГУТ. СПб, 2003. №169. С. 243 250.

83. Смирнов B.C. Задачи анализа устойчивости импульсных распределенных систем электропитания. // Труды учебных заведений связи. / СПбГУТ. СПб, 2004. №170.

84. Артым А.Д., Филин В.А., Еснолов К.Ж. Повый метод расчета процессов в электрических цепях / СПб: ЭЛМОР, 2001. 188 с.