автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Индуктивно-ключевые формирователи тока заряда емкостных накопителей

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

РГ6 од

На правах рукописи

Буркин Евгений Юрьевич

ЩДУКТИВНО-КЛЮЧЕВЫЕ ФОРМИРОВАТЕЛИ ТОКА ЗАРЯДА ЕМКОСТНЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ

05.09.12 - Силовая электроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Томск - 1998

Диссертацией является рукопись

Работа выполнена на кафедре промышленной и медицинскс электроники Томского политехнического университета

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Багинский Борис Антонович

Официальные оппоненты:

Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Обрусник В. П. (ТУСУР, г.Томск)

Кандидат технических наук

Шиняков Ю.А.

(НПЦ "Полюс", г.Томск)

Ведущее предприятие -

Институт сильноточной электроники СОРАН г. Томск

Защита состоится "30" июня 1998 г. в_часов_минут ]

заседании специализированного ученого совета К.063.05.01 в Томск< государственной академии систем управления по адресу 634050, г. Томе пр.Ленина, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томско политехнического университета.

Автореферат разослан "_"_1998 г.

Ученый секретарь

специализированного ученого совета д.т.н., профессор

/Бондарь В.А./

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ пуальность проблемы. В настоящее время существует много устройств силовой ектроники, которые в своей работе используют разряд энергии конденсатора. К :м относятся источники питания оптических квантовых генераторов, импульсных точников света, генераторы импульсных токов и напряжений для ектротехнологий, системы формирования импульсных магнитных полей, и др.

Для того чтобы зарядить емкостной накопитель энергии применяют зличные методы. Общей чертой их является построение зарядной части в той и иной степени обладающей характеристикой источника тока. Поскольку, в силу пических своих особенностей, емкостной накопитель отождествим с источником пряжения, и в подавляющем своем большинстве источники энергии являются кже источниками напряжения, то зарядный преобразователь является, по сути, тивным элементом, преобразующим напряжение источника в требуемый зарядный к. Он должен, с одной стороны, обеспечить необходимую передачу энергии от :точника в накопитель, с другой стороны, обладать высоким "сопротивлением", [бота зарядного преобразователя помимо этого осложнена и тем, что номинальный жим соответствует периодическому накоплен!®) энергии в емкостном накопителе, значит и непрерывному изменению его напряжения. Поэтому, построение эеобразователей для заряда ЕН, обладающих высокими энергетическими 1рактеристиками (такими как коэффициент полезного действия, коэффициент эщности, коэффициент использования источника), а также высокими массо-баритными параметрами является сложной задачей, отличающейся от задачи строения других классов устройств силовой электроники.

Решению этой задачи посвящено значительное число работ выполненных ентеговым И.В., Булатовым О.Г., Кныщ В.А., Волковым И.В. и др.

На основе многочисленных теоретических и практических работ по зарядным эеобразователям в настоящее время считается общепринятым, что подобные ¡тройства должны работать либо в режиме источника тока, либо в режиме ;точника мощности. Второй из названных режимов считается предпочтительным, :обенно когда мощность первичного источника соизмерима с преобразуемой.

Известно ограниченное число устройств, в которых принципиально может :>1ть реализован этот режим с малой пульсацией мгновенных значений федаваемой мощности. Среди них перспективны управляемые формирователи 1 базе индуктивно-ключевых структур, в которых преобразование энергии эоизводиться на повышенной частоте, а требуемый закон изменения тока 5еспечивается с помощью индуктивных элементов и модуляции прикладываемого ним напряжения.

Цель работы - теоретическое обоснование предпочтительных режимов работы здуктивно-ключевых формирователей зарядного тока, практическая разработка и следование базовых схем формирователей, создание и внедрение реальных лройств.

Поставленная цель потребовала решения следующих задач:

1. Введение обобщенных коэффициентов, характеризующих качест] преобразования энергии в процессе заряда и сравнительный анализ на их осно основных способов заряда.

2. Исследование взаимодействия формирователя зарядного тока и входно сглаживающего фильтра.

3. Выделение базовых схем ИКФТ на основе взаимодействия потоков силово дросселя и трансформатора и анализ работы элементов зарядно преобразователя.

4. Анализ способов регулирования и их устойчивости.

5. Исследование с помощью математической и физической моде, работоспособности предложенных систем формирования зарядного тока.

Методы исследования. Теоретические выкладки и выражения получень использованием аппарата дифференциальных уравнений, метода точечш преобразований и численных методов. При расчетах и моделировании широ применялись программы математического моделирования MathCAD топологического моделирования PSpice.

Научная новизна

1. Пролучены аналитические соотношения для расчета коэффициеь амплитуды зарядной мощности и коэффициента обменной энерг зарядных устройств. Расчитаны оптимальные параметры ступенча-падающего тока.

2. Разработаны модели базовых схем индуктивно-ключев] формирователей тока (ИКФТ) и проанализированны релейный релейно-импульсный способы формирования перемени составляющей тока. Показано, что при втором способе возмож автоколебания и предложен вариант их устранения.

3. Показана предпочтительность построения зарядных устройств в bi систем формирования ступенчатого тока, как из обобщенных критери так и с точки зрения режимов работы элементов преобразователей.

4. Установлены зависимости между режимами работы зарядн устройств и параметрами входного сглаживающего фильтра.

Практическая ценность. В результате проведенных исследований:

1. Предложены и исследованы новые схемные решения и алгоритмы рабе зарядных преобразователей на основе индуктивно-ключевого формирования ток сочетании с дискретным изменением трансформаторно-выпрямигелного узла.

2. Получены выражения для расчета элементов входного фильтра при раб< на ЗП, даны рекомендации по оптимальному взаимодействию фильтра и ЗП;

3. Получены зависимости для коэффициентов расчетных мощностей гментов ЗП, позволяющие оценить КПД и режимы работы элементов.

4. Разработаны зарядные устройства на основе индуктивно-ключевого )рмирования тока и с дискретным изменением трансформагорно-выпрямигелного ла, которые обладают рядом положительных качеств, выделяющих их из вестных аналогов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. В качестве параметра, характеризующего степень приближения ЗУ к точнику мощности целесообразно использовать коэффициент обменной энергии, ри формировании ступенчато-падающего тока для обеспечения минимума азанного коэффициента относительные амплитуды и длительности ступеней юбходимо выбирать из соотношений , где я, Лг - соответственно номер и число упеней.

2. В качестве классификационного признака ИКФТ для заряда ЕН может ужить характер взаимодействия силового трансформатора и дросселя. Схемы, в ггорых изменение потока дросселя не связано с изменением потока трансформатора I всем протяжении процесса заряда в наибольшей степени подходит к реализации 1стем формирования тока.

3. Коэффициенты расчетных мощностей основных элементов ИКФТ зависят ■ формы тока дросселя и минимальны при постоянном токе. При этом формировать эедпочтительный ступенчато-падающий ток целесообразно путем дискретного шенекия коэффициента трансформации согласующего трансформатора.

4. Наиболее рациональным режимом работы индуктивно-ключевых ормирователей зарядного тока является режим, при котором амплитуда тока иксирована, а частота напряжения на трансформаторе пропорциональна шряжению накопителя. При этом с момента равенства приведенного напряжения з копите ля половине питающего всегда возникают субгармонические колебания, дя их устранения с указанного момента целесообразно фиксировать не амплитуду, минимальное значение заданного тока.

Личный вклад автора в разработку положений выносимых на защиту:

- результаты расчета элементов входного фильтра при работе на ЗП;

- результаты расчета параметров ступеней тока, позволяющие оптимизировать аботу ЗП в системе ступенчатого формирования тока;

- топологические и математические модели предложенных зарядных реобразователей;

- разработка схемотехнических решений ЗП на основе индуктивно-ключевого юрмирования тока и в сочетании с дискретным изменением коэффициента передачи рансформаторно-вьтрямителного узла.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работ использованы при разработке источника питания генератора атомарного водород предназначенного для очистки полупроводников и системы питания источнш импульсных электронных пучков.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались обсуждались на:

-1,2,3,4 научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учены. Томск, 1994-98 гг;

- 3 международной научно-технической конференции "Актуальные проблем электронного приборостроения". Новосибирск 1996 г.

Публикации. По результатам выполненных в диссертации исследован!! опубликовано 10 печатных работ, в том числе получено 1 авторское свидетельсп на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введени. трех глав, заключения, списка литературы, включающего 86 наименований, содержит 115 страниц основного машинописного текста и 51 рисунок.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулировав цель работы и задачи, решаемые для ее достижения. Дано краткое содержание гла использованных методов. Изложены научные и практические результат! полученные в работе, основные положения, выносимые на защит}'.

Первая глава посвящена сравнительному анализу основных способс формирования зарядного тока, имеющего непрерывный характер в нагрузке. Дг этого обобщенная схема рассматриваемого класса устройств представляется в вщ

трехконтурной системы (рис.1) используются следующие критерж

Коэффициент амплитуд р

* ШЯУ

мощности

'ср

где

Рис.1 Обобщенная схема зарядного преобразователя (СФ - сглаживающий фильтр; ФТ - формирователь тока).

Энергии А> = ДИ'сф.тах /И'сп, переменной составляющей энергии фильтра; энергии ЕН.

Результаты анализа сведены в табл. 1.

- соответственно максимальная и средняя мощности, передаваемые преобразователем.

2. Коэффициент обменно

где А(КСф. тах . максимальная величин

И'сг

- максимальное значен!

1

¡>орма зарядного тока

Коэффициент амплитуды мощности К.

"Р

Коэффициент обменной энергии

Кг

W

Постоянный

Ij = 10 = const

0.25

Постоянный на чальном участке и дающий на протяжении новного зарядного цикла, еспечивающий Р-const

2/(2-6)

b(2-b)/4

Iq, npitf <f,

в

PI

2 Pi

С

при t > tB

+ &C0:

V

/

✓

/

и"

0-25 0.2 OAS 0.1 O.OS 0

7-

У

0.3 0>

3. Экспоненциально-убывающнй

h =V 1

к

1,661 при i = Зт

0,2 при t3 = 3T

(1 I 2 4 s

а) оптимальный по Кар

Л' 2 3 А 5

Кар ,.5 1.33 1.25 1.2

\

Ступенчатый

4=1

- число ступеней тока;

) " функция лничного скачка; 'л > 'л -шлитуда и время :ончанш очередной упенн зарядного тока.

б) оптимальный по К ¡у

N 2 3 4 5

Kw 0.111 0.083 0.06 0.05

Л' 2 3 4 5

Kw 0.063 0.028 0.016 0.01

римечание: /8 - время начального этапа источника тока в основном режиме передачи гнзменной мощности; - время зарадного цикла; А = ; £ = /3/г.

шболее оптимальным является режим с неизменной передаваемой мощностью в тение основного времени заряда. Однако ступенчатое формирование зарядного ка как можно видеть из табл.1 обеспечивает достаточно высокие характеристики рядного процесса. При этом практический интерес представляют три режима >четание амплитуды и длигельности{ /„,мп}):

Режим, обеспечивающий минимум коэффициента амплитуды мощности Кар . Режим, обеспечивающий минимум коэффициента обменной энергии IV •

3) Режим, получаемый путем переключения в процессе заряда ЕН типовых ячее)

постоянного тока с параллельной соединения в последовательное.

Временные зависимости изменени мощности, передаваемо]

формирователем тока, в указанны: режимах показаны на рис.2.

Равенства для коэффициент амплитуды мощности приведены

габл.2. Численные значения Каp,Kw зависимости от количества ступене зарядного тока приведены в табл.2 Учитывая, что при заряд

фиксированным током т

уменьшение данного параметр (приближение его к единице) пр ступенчатом зарядном токе приводит пропорциональному уменьшенш времени заряда. В табл.3, наряд)' коэффициентом амплитуды мощност приведена обратная величина, штора показывает во сколько раз можн увеличить частоту зарядного цикл; применяя АЧпупенчатый зарядный toi по-сравнению с одноступенчатым. Из табл.3 видно, что гаэффицис!

1

0.746 0.5

A^&ti

Рис.2. Диаграммы мощности передаваемой преобразователем для трех режимов а) - режима минимума Кар и режима фиксированного зарядного обменной ЭНерГИИ С РОСТОМ КОЛИЧеСП

тока, б) - режима минимума Кцг, в) - режима, ступеней приблизительно равномер! обеспечиваемого переключением типовых ячеек. уменьшается При первом И третье

режимах формирования зарядного тока и значительно быстрее при втором режим Однако коэффициент амплитуды мощности для этого режима имеет постоянн«

значение Кар = 2, такое же, как при заряде фиксированным током, в то время к при первом и третьем режимах этот коэффициент уменьшается, и стремитьс соответственно, к единице в первом случае и к 1,33 во втором.

В мощных устройствах для заряда ЕН, как и в обычных преобразователя значительную долю массы и объема занимает сглаживающий фильтр. Присутсш сглаживающего фильтра как элемента входной цепи устройства обусловлено та что большинство источников не допускают, чтобы импульсная потребляем; мощность значительно превышала среднюю передаваемую мощность.

ежим орми-звани :тока Относительная величина тока ступени L-iJh Относительная вели-чина напряжения накопителя в конце п-й ступени тока Un=U„IE Относительная длительность интервала ступени тока д/л = &tn / Коэффициент амплитуды мощности K-ар

1 11 п n/N 2n N + 1

(i+N)N N

2 1/(2я -1) n/N (2n-l)IN2 2

3 l/2(N-n) 6/(4" + 2),» = 1 3.4("-l) 4-'n>1 (4 +2) Ы)

римечание: N - количество степеней тока;/3 - время зарядного цикла.

Таблица 3

Кол-во Режимы формирования тока накопителя

ггупеней 1 г 3

N KW Кар 'з № h KW Кар f« '3 '3 Кцг Кар ß '3 '3

2 0,111 1,5 1,33 0,111 1,5 1,33 0,063 2 1

3 0,0743 1,375 1,45 0,0833 1,33 1,5 0,028 2 1

4 0,0654 1,343 1,48 0,06 1,25 1,6 0,016 2 1

5 0,0632 1,336 1,49 0,05 1,2 1,66 0,01 2 1

со 0,0417 1,333 1,5 0 1,0 2 0 2 1

!римечание: при N=1 £Г(р=0,25; Кар=2; /'з'"^ " отношение времени заряда при одноступенчатом зарядном токе к времени заряда при Л'-ступенчатом токе накопителя.

Для того чтобы выбрать и оптимизировать элементы сглаживающего фильтра, обходимо выявить взаимосвязь между основными режимами работы ЗУ и ергетическими характеристиками элементов входной цепи.

Типовьм звеном входной цепи преобразователей является ЬС - фильтр. )и работе от источника постоянного напряжения относительная энергия наживающего дросселя не зависит от режима работы силовой части еобразователя. Относительная энергия фильтрового конденсатора находиться из

венства Исф = К^/Кпя и, Таким образом, для того чтобы определить значение кости конденсатора фильтра достаточно определить коэффициент обменной ергии соответствующего режима заряда.

Влияние режимов работы преобразователя на энергетические параметра входной цепи, при работе ЗУ от источника переменного напряжения зависят 01 частоты потребляемых от входной цепи импульсов тока.

Наибольший интерес представляет режим источника тока с частотой импульсов потребляемого тока кратной удвоенной частоте сети. Было показано что минимальный относительный коэффициент пульсаций наблюдается при нулевой фазе входного тока и составляет ~11%. Кроме того, в функции от запаса пс индуктивности при малых углах наблюдается экстремум. Значение оптимально« запаса по индуктивности составляет~1.3, аоппшальной фазы потребляемого токг

а = 0..-0.18л-- При этом емкость фильтрового конденсатора получаете меньшей чем при эквивалентной активной нагрузке.

Во второй главе описывается и анализируется схемотехника индуктивно ключевых формирователей тока (ИКФТ) для заряда емкостных накопителей энергии ИКФТ для заряда ЕН относятся к классу преобразователей, в которы; обязательными элементами, определяющими основные процессы, являютс: дроссели и ключи.

В практических зарядных устройствах как правило требуется гальванически развязка выходного и питающего напряжений, что обуславливает обязательно^ присутствие в их составе силового трансформатора. При этом с точки зрения потер в преобразователе, более перспективны системы заряда, строящиеся т эквивалентной схеме понижающего преобразователя, поскольку значительная част элементов силовой части таких преобразователей коммутирует и трансформируй непрерывный ток. Использование трансформаторной развязки выходног напряжения накладывает определенные ограничения на построение зарядны устройств, тем самым сужая спектр практических схем.

Схемы ИКФТ для заряда ЕН с использованием трансформаторной развязк можно разделить по типу взаимодействия изменений потока силовог трансформатора и дросселя на три типа:

1) схемы с жестко-связанной зависимостью изменения потока дросселя трансформатора;

2) схемы, в которых изменение потока дросселя независимо от изменения поток трансформатора лишь до некоторого напряжения накопителя (как правило, эт половина напряжения входного источника);

3) схемы, в которых изменение потока дросселя не связано с изменением поток трансформатора на всем протяжении процесса заряда.

Последняя группа схем в наибольшей степени подходит к реализации систем заряд накопительных конденсаторов, так как независимость изменения потока дроссел по отношению к изменению поток трансформатора позволяет реализоват произвольную форму зарядного тока. При этом обеспечивается работа силовог трансформатора на полном магнитном цикле и максимальное использован» источника питания, так как коэффициент заполнения импульсов

Таблина 4

одного тока в подобных схемах изменяется во всем диапазоне, вплоть до

иницы.

Представители трех групп формирователей и эквивалентные схемы работы «едставлены в таблице 4.

В первой группе схем жесткая связь между изменением потока дросселя и гансформатора обусловлена тем, что времена нарастания и спада тока дросселя и 1ка намагничивания трансформатора одни и те же. В то же время, шагничивающее и размагничивающее напряжения на этих элементах феделяются по разному. В целом, эти схемы мало используются на практике для ряда ЕН. В основном им характерно применение в качестве преобразователей )стоянного напряжения.

Во второй группе схем преобразователь работает по трем схемам замещения которые в рабочей последовательности показаны в таблице 4. Нарастание ток дросселя происходит ло эквивалентной схеме, аналогичной соответствующей схем первой группы. Однако этап спада тока дросселя имеет две схемы замещения которые отличаются включением силового трансформатора. В начале этапа спад силовой трансформатор продолжает намагничиваться, поскольку полярност напряжения на его обмотках осталась такой же, как и при нарастании тока дроссел (вторая схема замещения). С момента смены знака напряжения на трансформаторе он начинает размагничиваться, и схема замещения приобретает вид, показанный; конце. Независимость смены знака напряжения на дросселе и трансформатор позволяет формировать произвольно-заданные зарядные токи при работе силовог трансформатора на полном магнитном цикле. Однако, как можно видеть из физик работы схемы, таюй режим работы возможен только при условии, что коэффициен

заполнения импульсов входного тока 75 0,5, т.е. при напряжении и'и < 0,5Е ■ Пр

напряжении > ОДЕ в рабочем цикле исключается вторая схема замещения, цикл работы становиться аналогичным первой группе схем с соответствующим диаграммами токов и напряжений. Эта группа схем достаточно перспективна дл

построения ЗУ в силу того, что обладае такими положительными свойствами ка работа магнитопровода силовог трансформатора на полном магнитно) цикле; отсутствие сквозных токов из-з однотакгности схемы; широкий диапазо регулирования выходного напряжения. ] недостаткам можно отнести плохо использование входного источника, так ка максимальный коэффициент заполнени импульсов в режиме управляемого источник тока составляет у< 0,5.

Третья группа схем лишена этого недостатка и независимость регулировани потока дросселя и трансформатора, а значит и возможность формировани произвольной огибающей среднего зарядного тока, обеспечивается во всем диапазон напряжения накопителя. При этом коэффициент заполнения импульсов входног тока может изменяться вплоть до единицы. Для иллюстрации функционально гибкости последней из приведенных схем на рис.3 показаны диаграммы работ] при релейном режиме формирования зарядного тока, соответствующего режим неизменной передаваемой мощности с начальным участком источника тока. Данны получены с помощью моделирования в программе РБрке.

я выработки критериев выбора и сравнения схем преобразователей был проведен игаз установленных мощностей элементов схем третьей группы для релейного кима формирования зарядного тока. Под коэффициентом расчетной мощности >сселя принимается следующая величина:

хг

2.0

1.8

0.2 1.6

0.3 1.4

0.4

0.6 1.2

к,

1.0

ю

0.6 б)

К,

1.0

:.4 Коэффициент расчетной мощности однообмогочного дросселя - а) и трансформатора - б).

_ со\уь _ соЫт " щ

I I

Ри Рн

да IV 1=1 "V

Здесь Щ, - число витков /'-они принятой за намагничивающую обмоток; - действующий ток / - ой обмотки; ' тц ■ амплитуда тока намагничивающей котки; Рн- мощность нагрузки; Ь - индуктивность дросселя.

Коэффициент расчетной мощности трансформатора рассчитывается юсическим образом как отношение полусуммы полных мощностей обмоток и щности нагрузки:

к -М_, лтр- 2р

: Si = /д(/д - полная мощность /-й обмотки, здесь /д,£/д - действующие ток и лряженис обмотки. Для расчета потерь в ключах и вентилях численным методом ли рассчитаны значения действующего и среднего тока для различных режимов эоты преобразователя. Зависимости коэффициентов расчетных мощностей ¡кгромагнитных элементов показаны на рис. 4. Из графиков видно, что чем более £но мы хотим реализовать режим источника мощности, тем выше становиться )ффициент расчетной мощности дросселя трансформатора. В основном это зеделяется значительным увеличением амплитуды тока накопителя по отношению ;реднему значению. Оптимальным режимом работы является режим рмирования фиксированного тока дросселя.

0.25

а)

0.25

Практически значимыми являютс релейный и релейно-импульсный способ! формирования зарядного тока. Второ! способ может быть как с фиксированным та и с переменным периодом переменно составляющей. Основной недостато релейного режима - широкий диапазо изменения частоты. Для сха формирователей, у которых частота работ) трансформатора связана с частото переменной составляющей тока указание свойство не позволяет реализоват оптимальную работу трансформаторнс выпрямительного узла. Поэтому дл подобных устройств, предпочтителе релейно-импульсный режим с изменяемой процессе заряда частотой. Действительно, г начальном участке зарядного цикл напряжение на обмотках трансформатор мало и он может передавать энергию I пониженной частоте, что сопровождаете уменьшением динамических потерь коммутирующих приборах. Д: исследования указанных режимов бьи составлена модель понижающе! преобразователя с обратными связями I

6)

Рис.5 Диаграммы зарядного тока для модуляционных формирователей, режим с фиксированными амплитудой и частотой переменной составляющей - а), режим с фиксированными амплитудой и изменяемой в процессе заряда частотой переменной составляющей - б).

ток>' дросселя и напряжению конденсатора. Результаты моделирования показан на рис.5. Видно, что при релейно-импульсном регулировании с фиксирование амплитудой тока наблюдаются хаотичные колебания. С помощью метода точечнь преобразований проанализирована устойчивость таких систем. Функш

N

исследования записывается следующим образом Р(х) =

и.

1 -и:

1 -и„

х г,

и „ =

Е

■ относительное амплитудное значение верхней огибающей зарядного то»

Т - период модуляции. Из этого выражения видно, что функция представляет соб< прямую. Из диаграммы Ламмерея (рис.6) видно, что устойчивому процес изменения нижней границы огибающей зарядного тока соответствует услов

V„

1-и:

, при этом напряжение накопителя меньше половины питающего. К

тько напряжение накопителя становиться больше половины питающего процесс шовиться неустойчивым и возникают хаотичные субгармонические колебания )ядного тока.

и 1

1-и;

< 1

и

а)

Диаграмма

Ламмерея, иллюстрирующая

6)

устойчивый

:тойчииый процесс юнененш нижней огибающей зарядного тока.

Таким образом, можно сказать, что при любом режиме заряда

фиксированным током с частичным ограничением амплитуды возникают хаотичные низкочастотные колебания зарядного тока. Процесс зарождения колебаний всегда

начинается при условии превышения относительного тряжения накопителя половины питающего. Как показывает моделирование плитуда пульсации тока при возникновении хаотичных колебаний может в

несколько раз превышать максимальную амплитуду в номинальном режиме.

Одним из способов борьбы с возникновением хаотич-ных колебаний является скачкообразное измене-ние способа формирова-ния тока в момент времени, когда напряжение накопителя становиться больше половины питающего. Действительно, если с этого момента времени фиксировать не верхний, а нижний уровень тока, то ебакия исчезают и форма тока приобретает вид, показанный на рис.7. Важно, | при этом верхний уровень тока на возрастает.

В третьей главе рассматриваются и анализируются технические решения для рмирования ступенчатого тока, описываются практические схемы ЗУ. При актировании реальных устройств помимо обобщенных коэффициентов, актеризующих работу преобразователя в целом, серьезным критерием для выбора о или иного схемного решения является режим работы элементов преобразователя, гериал второй главы показывает, что с этой точки зрения оптимальным является <им фиксированного зарядного тока, что противоречит критерию оптимальности очки зрения обобщенных коэффициентов. Так, для того чтобы получить «шальные коэффициент обменной энергии и

Рис.7

ТУ

25 2£

.к

2^ '

и а

кч

1\ п

¿1 21

и>„

т~п>, коэффициент амплитуды мощности необходим

сформировать ток падающей формы со сложно закономерностью. Использование систе ступенчатого формирования зарядного тока путе дискретного изменения коэффициент трансформации силового трансформатор; позволяет существенно сгладить это противоречи так как в таких системах амплитуда то» потребляемого из источника и протекающего элементах первичной стороны силово1 трансформатора фиксирована, а мощност передаваемая в накопитель имеет форму близкую постоянной. Улучшенными массо-габаритны\ характеристиками, при прочих равных условия обладают предложенные нами схемы переключением обмоток силового трансформатора с параллельного соединения 1 последовательное (рис. 8). Здесь в начальный момент зарядного цикла тиристор I заперт и обмотки силового трансформатора ТУ И^ и 1У2 соединены через дао; РТЭ9, параллельно. В определенный момент времени тиристор УБ

2\

Рис.8

Рис.9 Структурна« схема устройства гштанш генератора атомарного водорода. Здесь ДГ, ДН - датчик т< и делитель напряжения; ФИ - формирователь импульса; М - еднотибратор; А5,А7 - коипаратор.

пирается управляющим импульсом системы управления, диоды РХ>Ш пираются напряжением вторичных обмоток силового трансформатора и они лючаются по выходу последовательно. Очевидно, что в момент переключения ¡моток амплитуда тока падает в 2 раза.

По этому принципу разработан источник питания генератора атомарного щорода. Основные параметры обеспечиваемые преобразователем: номинальная .-редаваемая мощность - 1,5 кВт; максимальное выходное напряжение - 1,2 кВ; зксималышй выходной ток - 20 А. Структурная схема показана на рис.9. ;тройство способно работать как в качестве источника постоянного напряжения с ягкой внешней характеристикой, так и в качестве зарядного устройства, спользование данного источника обеспечило устойчивое зажигание и поддержание нового разряда. Также разработан экспериментальный образец системы питания ;точника импульсных электронных пучков, который работает по принципу

одуляционного формирования фиксированного зарядного тока и обладает

+10

1едующими основными параметрами: входное напряжение - ~220В, 50Гц %;

эминальная передаваемая мощность - 500 Вт; максимальная передаваемая ощность - 1 кВт; выходное напряжение - постоянное, регулируемое в диапазоне )0-1000 ±1% В; емкость накопителя Сж - 1 мкФ; КПД - 87%; удельная мощность :65 Вт/кг.

В заключении сведены основные результаты работы, которые состоят следующем.

1. Введен новый критерий, характеризующий передачу энергии зарядны преобразователем - коэффициент обменной энергии, который выражается кг

Куу = Д»Сф тах/^Сн пах , где л!ГСф гаах; ГГСн тах. максимальные значен! переменной составляющей энергии фильтра и энергии накопителя. С точки зрен! коэффициента обменной энергии и коэффициента амплитуды мощност проанализированы системы формирования ступенчатого зарядного тока и то; накопителя свойственного режиму передачи неизменной мощности с начальнь этапом источника тока. Показано, что формирования ступенчатого тока позволя получить значения этих коэффициентов близкими источнику мощности. Рассчитаг параметры ступеней зарядного тока (длительность и амплитуда) оптимальные д коэффициентов обменной энергии и амплитуды мощности для различного чис. ступеней.

2. Рассмотрено влияние формы зарядного тока на энергетическ] характеристики элементов входного фильтра при частоте разрядных импульс кратных частоте сети. Показано, что в режиме источника тока существу! оптимальные значения коэффициента запаса по индуктивности и фа; потребляемого тока (5=1,3 ос=0) при которых величина установленной мощное входного ЬС - фильтра получается меньшей чем при эквивалентной активна нагрузке.

3. Предложены ряд схем управляемых источников тока с независимь изменением потока силового дросселя и трансформатора. Проанализирована рабе элементов схем (дросселя, трансформатора, вентилей) при различных форм зарядного тока.

4. Исследован вопрос устойчивости релейно-импульсного спосо регулирования зарядного тока с фиксированной амплитудой перемени составляющей. Показано, что при относительном напряжении накопителя, больш половины питающего, всегда возникают хаотичные колебания. Предложен спос борьбы с этим явлением.

5. Предложены схемы формирования ступенчатого тока путем дискретнс изменения коэффициента передачи трансформатора. Показана предпочтительное построения зарядных устройств в виде систем формирования ступенчатого то как из обобщенных критериев, так и с точки зрения режимов работы элемент преобразователей.

6. На основе предложенных схем практически реализованы два источни формирующие постоянный и ступенчатый зарядные токи.

Основные публикации по теме диссертации. 1. Багинский Б.А., Буркин Е.Ю. Устройство питания источника импульсн электронных пучков //ПТЭ. 1998. №3. с.1.

Багинский Б.А., Буркин Е.Ю. Источник питания генератора атомарного водорода//ПТЭ. 1998. №5. с. 10.

A.c. №97111490, МПК 6 Н 02 М 3/335 Преобразователь постоянного напряжения/ Багинский Б., Буркин Е.Ю. - 3 е.: ил. A.c. №97111427, МПК 6 Н 02 М 3/335 Источник питания/ Багинский Б., Буркин Е.Ю. - 3 е.: ил.

Багинский Б.А., Буркин Е.Ю. Индуктивно-ключевые формирователи тока// Третья международная научно-техническая конференция "Актуальные проблемы электронного приборостроения". Труды конф. - Новосибирск 1996, том 8, с.46. Багинский Б.А., Буркин Е.Ю. Формирователи тока заряда емкостных накопителей энергии с перестраиваемой структурой силовой части// Первая областная научно-техническая конференция молодежи и студентов по техническим наукам и высоким технологиям. Тезисы докладов. - Томск: изд. ТПУ, 1995. с. 15.

Буркин Е.Ю. Устройство заряда емкостного накопителя энергии// Вторая областная научно-техническая конференция молодежи и студентов по техническим наукам и высоким технологиям. Тезисы докладов. - Томск: изд. ТПУ, 1996. с. 6.

Багинский Б.А., Буркин Е.Ю. Источник питания с мягкой внешней характеристикой// Третья областная научно-техническая конференция молодежи и студентов по техническим наукам и высоким технологиям. Труды конф. -Томск: изд. ТПУ, 1997. с. 74.

Буркин Е.Ю., Нигоф Б.М. Активная коррекция коэффициента мощности./ Четвертая областная научно-техническая конференция молодежи и студентов по техническим наукам и высоким технологиям. Тезисы докладов. - Томск: изд. ТПУ, 1998. с. 15.

Бурши Е.Ю., Поморцев В. А. Резонансный тиристорный формирователь тока./ Четвертая областная научно-техническая конференция молодежи и студентов по техническим наукам и высоким технологиям. Тезисы докладов. - Томск: изд. ТПУ, 1998. с. 17.

Аннотация.

Буркин Е.Ю. Индуктивно-ключевые формирователи тока заряда емкостных Шпигелей. Диссертация сделана в Томском политехническом университете по зциальности 05.09.12 - Силовая электроника, Томск, 1998. Исследуются системы эяда на основе индуктивно-ключевого формирования ступенчато-падающего тока тем дискретного изменения коэффициента передачи трансформаторно-прямительного узла. Рассматриваются вопросы оптимального управления, гойчивости и взаимодействия со входным фильтром.