автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Исследование эффективности использования промежуточного высокочастотного преобразования при построении статических преобразователей и систем на их основе

На правах рукописи

ХЛАИНГМИНУ

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОМЕЖУТОЧНОГО ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПРИ ПОСТРОЕНИИ СТАТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ И СИСТЕМ НА ИХ ОСНОВЕ

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва

2009

О 3[!Ю Н 2009

003472026

Работа выполнена на кафедре «Электротехнические комплексы автономных объектов - ЭКАО» ГОУ ВПО «Московский энергетический институт -МЭИ (Технический университет - ТУ)».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Мыцык Геннадий Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Шевцов Даниил Андреевич,

кандидат технических наук, доцент Чесноков Александр Владимирович

Ведущая организация: ФГУП «ГОКБ «Прожектор».

Защита состоится 26 июня 2009 г. в 16 часов 00 мин. в аудитории М-6! 1 на заседании диссертационного совета Д212.157.02 при Московском энергетическом институте (Техническом университете) по адресу: Москва, Красноказарменная ул., дом 13.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направить по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., дом 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться б библиотеке Московского энергетического института - МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан «2.5» мая 2009 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д212.157.02 к.т.н., доцент

С.А. Цырук

Общая характеристика работы

Промежуточное высокочастотное преобразование (ПВЧП) как энерго-и ресурсосберегающий принцип построения устройств силовой электроники сегодня широко используется в классе конверторных схем (в преобразователях типа DC/DC), выполненных на базе транзисторов. Наиболее распространенным здесь является диапазон малых мощностей в единицы и десятки Вт, который характерен для источников питания внутренних нужд, предназначенных для систем управления преобразователями различных классов. Достаточно распространенными являются также транзисторные конверторы (DC/DC) диапазона мощностей от сотен Вт до единиц кВт, которые используются на различного рода автономных (подвижных и стационарных) объектах (АО) в качестве как основных, так и резервных систем электропитания (СЭС). В практических разработках значения частот 11ВЧП в зависимости от ряда факторов находятся в диапазоне от нескольких десятков кГц до примерно 100 кГц.

В диапазоне более высоких мощностей острота и актуальность эффективного решения проблемных задач по структурно-алгоритмическому и параметрическому синтезу (САС) этих устройств, значительно возрастает. Например, если использование однотакгного и одноканального преобразования целесообразно в диапазоне малых мощностей, то уже при средних мощностях (в сотни Вт и единицы кВт), и особенно при низких значениях напряжения питания (порядка 30 В), целесообразнее уже перейти не только на двухтактное, но и на многоканальное преобразование. При этом конверторы применяются как самостоятельные устройства, так и в составе более сложных структур, например, в инверторах с ПВЧП. Большую остроту при использовании преобразующих структур с ПВЧП приобретает также не только проблема грамотного проектирования (и конструирования) высокочастотных (ВЧ) трансформаторов и выходных фильтров, но и проблема системного проектирования устройств силовой электроники (УСЭ) в целом, которая заключается в обоснованном выборе наиболее рационального значения частоты ПВЧП с учетом частотных характеристик не только всех силовых звеньев УСЭ, но и требований потребителя и источника питания по электромагнитной совместимости.

На АО применяется и другой, выше упомянутый класс преобразователей (DC/AC) - инверторы напряжения (ИН), которые решают задачу преобразования нестабилизированного напряжения постоянного тока, чаще всего, низкого уровня (порядка 30 В) в стабилизированное с заданной точностью напряжение переменного тока (с частотой 400 Гц или 50 Гц) более высокого уровня (115/208 В или 220/380 В). На их базе строятся системы, как основного, так и резервного электропитания. В зависимости от типа АО мощность устройств этого класса может находиться в пределах от нескольких сотен ВА до единиц и даже десятков кВА.

Актуальность проблемы. Несмотря на достаточно большую теоретическую проработку вопросов САС ИН с ПВЧП (процессу непрерывно растущего числа публикаций со данной проблеме уже не менее 35-^40 лет) и потенциаль-

ную перспективность данного направления, опыт практического использования ПВЧП в ИН (по крайней мере, в России) невелик. Причин (как объективного, так и субъективного характера) такому положению здесь немало. Одна из причин - не полная в ряде случаев проработанность схемотехнических решений, затрудняющая их оперативное (без дополнительных доработок) применение.

Большинство проблем, характерных для конверторов, приходиться решать и в классе ИН с ПВЧП. Более того, из-за более сложной их структурно-алгоритмической организации число проблемных задач здесь существенно возрастает. Кардинально улучшившиеся в последние 15-20 лет частотные и мощностные характеристики транзисторов и диодов, а также уже разработанные сегодня в модульном исполнении транзисторные ключи переменного тока создали необходимые предпосылки для активизации работ в направлении более интенсивного практического освоения этого ресурсосберегающего принципа построения ИН.

Известно, что эффективность использования ПВЧП в ИН, прежде всего, определяется значением его выходной частоты /2 . Чем ниже эта частота, тем больше при прочих равных условиях выигрыш в массогабаритных показателях устройства. С ростом частоты этот выигрыш уменьшается и для принятия решения о целесообразности использования при синтезе УСЭ ПВЧП актуализируется задача количественной оценки его эффективности. В [1], в частности, показано, что при /2=400Гц (и напряжении питания 18+31 В) масса активных материалов силовой части 6-звенной структуры однофазного ИН (ОИН) с ПВЧП мощностью = 500 ВА бортового применения может быть уменьшена примерно в 2 раза по сравнению с традиционной 3-звенной структурой (ИН-1рансформатор-фильтр), в которой трансформатор работает на выходной (относительно высокой) частоте 400 Гц. С учетом системы управления и конструктивного фактора результирующий выигрыш по массе может снизиться до 1,2+1,4 раз, что, однако, тоже существенно.

При низкой выходной частоте, например, 50 Гц прогнозируемый выигрыш по результирующей активной массе силовой часта ИН с ПВЧП в сравнении с ИН без ПВЧП должен быть не менее, чем на порядок. Для более точных и обоснованных оценок необходимо соответствующее информационно-методологическое обеспечение, которое на сегодня фактически в должном объеме отсутствует и, следовательно, должно быть разработано.

Что касается КПД ИН с ПВЧП, то, несмотря на более сложную структуру его силовой части, как показывают расчеты, в исследуемых здесь условиях применения он может быть получен не хуже или даже несколько более высоким, чем в ИН по традиционней трехзвенной структуре. Это означает, что масса теплоотводов, на которых размещается полупроводниковая часть ИН с ПВЧП, будет примерно той же, а основной выигрыш по массе и по КПД будет достигаться за счет высокочастотного (ВЧ) трансформаторного узла и выходного фильтра.

Актуальность решения данной проблемы подтверждается уже не первый год проводимыми (в мировой инженерной практике) и, тем не менее, не теряющими свою важность и остроту программами энерго-и ресурсосбережения. Представляется, что данное направление совершенствования наряду с тенденцией улучшения электромагнитной совместимости (ЭМС) УСЭ еще долго будут иметь определяющее значение в направлениях их развития.

Создание энергетически эффективных и компактных устройств УСЭ и систем на их основе особенно актуально для различного рода подвижных автономных объектов (АО), например, для различного рода транспортных средств - для летательных аппаратов и для автомобильного транспорта, например, для автомобилей гибридного типа, где, в частности, применение УСЭ с реверсивными свойствами позволяет полезно использовать кинетическую энергию автомобиля в режиме его торможения. Одна из таких структур УСЭ рассматривается в данной работе. Отличительным существенным признаком таких АО является относительно низкое значение напряжения первичного источника питания (порядка 30 В).

Цель работы. Основной задачей настоящей работы является совершенствование структурно-алгоритмических решений ИН с ПВЧП и создание информационно-методологического обеспечения: а) для их проектирования; б) и для проведения оперативных сопоставительных оценок показателей качества (по массе и КПД) альтернативных вариантов решений, которые необходимы на первом этапе проектирования.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач используются: общие положения теории электрических цепей, математический аппарат рядов Фурье, разделы дифференциального и интегрального исчисления, концепция многоканального преобразования энергетического потока, имитационное компьютерное моделирование (ИКМ) в среде OrCAD 9.2 (PSpice Schematics), методы технического творчества.

Научная новизна работы.

1. На основе аналитического обзора УСЭ рассматриваемого класса (DC/AC), систематизации и классификации принципов структурно-алгоритмической организации (САОр) однофазных и трехфазных ИН с ПВЧП выделены две основные группы, характеризуемые как 6-звснные и 4-звенные структуры. Выявлены их свойства, которые необходимо знать при проектировании.

2. Для 4-звенных структур однофазных инверторов напряжения (ОИН) с однополярной широтно-импульсной модуляцией (ОШИМ) выходного напряжения и для трехфазных инверторов напряжения (ТИН) с широтно-импуль-сным регулированием (ШИР) выходного напряжения предложены алгоритмы преобразования, обеспечивающие исключение динамических потерь в ключах выходного высоковольтного звена - демодулятора (ДМ). Это позволило перевести структурно известные решения ИН с ПВЧП из категории потенциально перспективных в категорию практически значимых решений.

3. Предложена упрощенная методика определения зависимости удельной

массы и КПД трансформаторов средней мощности (от 0,5 кВА до единиц кВА) от частоты в диапазоне ее изменения 50Гц+50кГц: а) - без учета коэффициента добавочных потерь - Кдоб в обмотках, вызванных высокой частотой (ВЧ) и б) - с его учетом. Показана разница в показателях качества при этих двух методиках. Во 2-ом варианте (с учетом Кдоб) проверка результатов на адекватность осуществлялась путем использования двух известных (и экспериментально проверенных) методик расчета потерь в обмотках, основанных на принципиально разных подходах. Адекватность результатов может быть подтверждена одним и тем же полученным по двум методикам выводом: наименьшие потери в обмотках имеют место в том случае, если толщина ленты обмотки равна глубине скин-слоя. Этот факт положен в основу предложенной в работе методики проектирования ВЧ трансформаторов.

4. Б качестве одного из средств решения поставленных задач (определения параметров фильтра, обеспечивающих требуемое значение коэффициента гармоник выходного напряжения, определения потерь в ключевых элементах инвертор-модуляторного звена 4-звенной структуры ИН с ПВЧП, определения действующих значений токов в обмотках трансформатора и действующих значений производной от этих токов) и с целью проверки исследуемых решений ИН с ПВЧП на соответствие их проектному замыслу в работе использовано имитационное компьютерное моделирование (ИКМ) УСЭ.

5. В качестве примера реатазации предлагаемой методики системного проектирования для конкретного решения ИН с ПВЧП в диапазоне /вч =5+50кГц получены частотно-зависимые показатели качества для всех его звеньев и для устройства в целом.

Практическая значимость работы. Значимость полученных в работе результатов в предложенных подходах к решению поставленных задач, в новых, синтезированных решениях многозвенных преобразующих структур ИН с ПВЧП, в методике их системного проектирования и в конкретно полученных значениях показателей качества. В частности, используя предлагаемые подходы средства и полученную информацию, в каждом конкретном случае можно обосновано определить рациональное значение частоты ПВЧП, обеспечивающее приемлемые (компромиссные) значения показателей качества - массы и КПД.

Разработанные в процессе выполнения работы имитационные компьютерные модели оформлены как программные средства учебного назначения (ПСУН) и используются в учебном процессе в рамках читаемого на кафедре курса «Электронные энергетические системы».

Работа выполнена в интересах непосредственно двух организаций -ФГУП «ГОКБ «Прожектор» и ОАО «АКБ «Якорь», проводящих модернизацию выпускаемой продукции.

На защиту выносятся:

1. Новые алгоритмы управления ключевыми элементами в известных 4-х звенных структурах однофазного и трехфазного инверторов напряжения (ИН)

с ПВЧП, обеспечивающие их перевод из категории потенциально (теоретически) перспективных в категорию практически значимых решений.

2. Полученные и представленные в аналитическом виде зависимости удельного показателя ВЧ трансформаторов и КПД от рабочей частоты в диапазоне 50 Гц 50 кГц создают основу для системного проектирования ИМ с ПВЧП.

3. Инженерная (упрощенная) методика проектирования ВЧ трансформаторов, отличительным отправным шагом которой является использование современного модельного описания дополнительных потерь в его обмотках от токов высокой частоты.

4. Методика компьютерного определения общих и динамических потерь в ключевых элементах ИН с ПВЧП.

5. Методика системного проектирования многозвенных структур типа DC/AC.

Апробация работы. Основное содержание работы докладывалось и обсуждалось: На Всероссийской научно-технической конференции «Научно-технические проблемы электропитания» - 2006 г.; на X! 11-й (2007г.) и XI V-й (2008г.) международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов; на 2-х н/т-х семинарах кафедры «Электротехнические комплексы автономных объектов - ЭКАО» МЭИ (ТУ). На 11 Всероссийском смотре научных и творческих работ иностранных студентов и аспирантов (в 2008 г. в Томске) магистерская диссертационная работа Хлаинг Мин У «Исследование направлений модернизации бортовых инверторов напряжения», отражающая начальный этап выполнения настоящей работы, отмечена Дипломом участника в номинации «За оригинальное решение технической задачи».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ (среди них патент на полезную модель и статья в издании, рекомендованном ВАК).

Личный вклад соискателя заключается в непосредственном его участии при решении всех поставленных в работе задач:

- в структурировании обзорного материала, в систематизации направлений структурно-алгоритмического синтеза инверторов напряжения (ИН) с промежуточным высокочастотным преобразованием (ПВЧП);

- в формировании информационно-методологического базиса для проектирования ВЧ трансформаторов малой и средней мощности (от сотен ВА до единиц кВА), в том числе: в расчете и систематизации исходных проектных данных по удельным потерям в материалах их магнитопроводов, в расчете дополнительных потерь в обмотках ВЧ трансформаторов, вызванных эффектом близости (ЭБ), в разработке методики проектирования ВЧ трансформаторов на этой основе и в определении зависимости их удельного показателя и КПД от значения рабочей частоты в диапазоне 50 Гц 50 кГц;

- в проведении имитационного компьютерного моделирования (ИКМ) всех исследуемых в работе схем ИН с ПВЧП, позволившего подтвердить за-

ложенный в них проектный замысел и оперативно и достаточно точно решить ряд проектных задач по расчету выходных фильтров, по определению потерь в ключевых элементах и по определению величин, необходимых для вычисления потерь в обмотках ВЧ трансформатора;

- в разработке методики системного проектирования применительно к исследуемому в работе классу устройств.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 248 страницах (226 стр, текста, 102 рисунка, 4¡таблиц), состоит из 5 глав, заключения, библиографии из 69 наименований и приложений.

Краткое содержание работы Во введении обоснована актуальность проблемы, сформирована цель и решаемые в диссертации задачи.

В первой главе анализируется состояние, перспективы развития ИН с ПВЧП и рассматриваются известные и усовершенствованные в процессе работы новые, наиболее перспективные для практического применения (в системах) их решения. Показано, что в целом поисковое проектирование ОИН (и ТИН) с ПВЧП по заданной совокупности показателей качества представляет собой многокритериальную системную задачу, успешное (и, главным образом, доказательное) решение которой требует предварительной проработки не только ряда частных задач, прежде всего, таких, как оптимизация частоты ПВЧП и материала мапштопровода трансформатора, но и ряда других структурно-алгоритмических и параметрических задач, например, задачи оптимизации тактовой (несущей) частоты 1ИИМ в выходном (высоковольтном) инвер-ториом (или демодуляторном) звене и взаимосвязанной с ней задачи структурно-параметрической оптимизации выходного фильтра.

Что касается методологии решения проектных задач, касающихся полупроводниковых звеньев структуры и фильтров, то к ней также должен быть сформулирован свой особый поход. Не уменьшая полезность традиционного подхода к проектированию на основе предварительного модельного описания процессов в структуре УСЭ, нужно сказать, что современные компьютерные возможности (а именно имитационное компьютерное моделирование - ИКМ) позволяют решать эту достаточно непростую задачу значительно более оперативно, точнее и в большем (требуемом) объеме. И, что не менее важно, при одновременной визуализации всех интересующих разработчика процессов. Это особенно важно и ценно при синтезе новых решений. При достаточном опыте у разработчика такой подход к проектированию дает ему возможность контролировать результаты на адекватность их проектному замыслу.

Аналитический обзор известных схемотехнических решений ИН с ПВЧП показал, что, несмотря на известную перспективность этого класса УСЭ, широкому их применению на практике препятствует недостаточная глубина проработанности этого направления синтеза, как в части необходимой степени совершенства решений на уровне их схемотехники, так и на уровне завершенности методики их проектирования (то есть параметрической оптимизации). С

целью систематизации известных схемотехнических решений ИН с Г1ВЧП проведена укрупненная классификация направлений их синтеза, в основу которой положены наиболее общие классификационные структурные и алгоритмические признаки. Предложено различать два направления синтеза ИН с ПВЧП - на основе четырехзвенной (см. пример на рис.1) и шестизвенной структур. При выборе САОр необходимо учитывать функциональные особенности этих структур: шестизвенные структуры характеризуются однонаправленностью передачи активной мощности от источника постоянного тока к нагрузке при отсутствии обмена между ними реактивной мощностью, а четырех-звенные структуры - способностью двунаправленного обмена как реактивной, так и активной мощностью между источником питания и нагрузкой. Показано, что при синтезе подвижных электротехнических комплексов, например, в гибридных автомобилях, в системах резервного электропитания и в электромеханических системах эти свойства могут быть полезно использованы.

Проведенный аналитический обзор направлений синтеза ИН с ПВЧП (с анализом их достоинств и недостатков) позволил выделить несколько наиболее простых в части практической реализации решений. С целью дальнейшего совершенствования четырехзвекных структур ИН с ПВЧП для однофазных (ОИН) и трехфазных (ТИН) вариантов предложены новые алгоритмы управления, обеспечивающие устранение динамических потерь в их выходном звене

Высокочастотный икверторно-транс4ог>маторный блок

Выходной Демодулятор фильтр

Нагрузка

Рис. 1. Блок-схема трехфазного инвертора напряжения (ТИН)

с промежуточным высокочастотным преобразованием (ПВЧП).

- демодуляторе (ДМ). Предложение защищено патентом [7]. Общим признаком для всех рассмотренных преобразующих структур ИН с ПВЧП является наличие высокочастотного (ВЧ) трансформаторного звена и низкий уровень питающего напряжения (порядка 30 В). Для оптимального проектирования данного класса УСЭ по заданной совокупности показателей качества (например, по массогабаритным показателям и КПД) требуется соответствующее информационное и методическое обеспечение, прежде всего, именно для этого звена. Решению этой задачи посвящены 3-я и 4-я главы диссертации.

Во второй главе изложены результаты имитационного компьютерного моделирования (ИКМ) традиционной трехзвенной структуры ИН без ПВЧП и четырех структур ИН с ПВЧП. В качестве средства исследования использовано программное обеспечение OrCAD 9.2 (PSpice Schematics). Проведено сопоставительное исследование двух вариантов однофазных инверторов напряжения - по традиционной трехзвенной структуре (ОИН-повышающий трансформатор-комбинированный фильтр) и по шестизвенной структуре (четырех-звенный повышающий конвертор-ОИН-простейший Г образный LC фильтр). В первой структуре формирование выходного напряжения осуществляется по простейшему алгоритму широтного регулирования. Спектр напряжения здесь содержит все нечетные гармоники, включая самую низкую по частоте 3-ю гармонику. Результаты ИКМ подтвердили эффективность использования для данного типа спектров напряжения комбинированного фильтра в виде Г образного L,C! фильтра, обеспечивающего заданное ослабление 5-й гармоники напряжения, и последовательной резонансной L2C2 цепочки, настроенной на 3-ю гармонику напряжения (1-й тип фильтра). Преимущество этого типа фильтра перед простейшим Г образным LC фильтром (2-й тип) оценивалось по их установленной мощности. Сравнение дросселей индуктивностей (¿; + Ь2) - для 1-го типа филыра и L — для 2-го типа осуществлялось по их энергии.

Во второй (шестизвенной) структуре ОИН формирование напряжения осуществляется по более эффективному алгоритму однополярной ШИМ (ОШИМ). Здесь спектральный состав напряжения характеризуется кратностью тактовой и выходной частот £ = fT/ Д.-^ . Чем больше значение параметра f, тем дальше по частоте удалена ближайшая высшая гармоника от основной и тем меньше требуемое значение произведения Г образного LC фильтра. На конкретном примере показано, что увеличение параметра ¿f с £ = 20 до £ =40 приводит к значительному (более, чем в 8 раз) снижению произведения параметров фильтра LC. Для удобства системного проектирования зависимость LC=f(Q представлена в графическом виде и в виде степенной функции. Основной целью ИКМ в данном исследовании являлось определение минимальных значений параметров фильтров в этих двух структурах при соответствующих (используемых на практике) алгоритмах формирования выходного напряжения в каждой из них, которые обеспечивают заданное значение его коэффициента гармоник (для бортового применения с Knt/j < 8%).

Применительно к, по сути, новым и ранее не исследованным вариантам

инверторов ОИН и ТИН с ПВЧП по 4-звенной структуре, перед процедурой ИКМ были поставлены следующие задачи:

1) Подтвердить работоспособность нового предложенного алгоритма управления данными структурами, суть которого заключается в исключении динамических потерь в демодуляторе (ДМ), за счет введения нулевых пауз в его входном напряжении (см. рис.2, рис.3) в моменты коммутации его ключевых элементов (КЭ);

2) Определить рациональные значения параметров выходного Г образного LC фильтра в функции тактовой частоты ОШИМ -fT, учитывая, что в данной структуре она же является и частотой ПВЧП - fB4, на которой осуществляется трансформация (повышение) напряжения;

3) Определить процессы в элементах УСЭ (прежде всего, в его КЭ) в функции времени, которые являются отправной информацией для вычисления (компьютерными средстзами):

- действующих значений токов через эти элементы, а также потерь в них;

- действующих значений тока в обмотках ВЧ трансформатора и производной от этого тока, знание которых необходимо при вычислении потерь в них, обусловленных эффектом близости.

Вычислительные процедуры по п. 3) проводятся в глазе 5 диссертации.

Показано, что в 4-х звекных ИН с ПВЧП низковольтное инверторное звено с целью повышения его КПД целесообразно выполнять по многоканальной структуре на инверторных ячейках нулевого типа (НИЯ). В рассматриваемых примерах канальноеть преобразования с целью упрощения взята минимальной L-2 (рнс.1). При ИКМ коэффициенты магнитной связи между первичными полуобмотками и вторичной обмоткой приняты равными 1. Регулирование напряжения широтным способом на входе ДМ осуществляется фазовым сдвигом на угол а выходных напряжений (с формой меандр) НИЛ 1 и Н1Ш2,

При моделировании основной функциональной задачи трансформатора нелинейность материала машитопроЕода не учитывалась. Очевидно, что такое упрощение недопустимо при определении КПД трансформатора. Эта задача в должном объеме решается в 3 и 4 главах диссертации. С позиции же решаемых в данном разделе задач это упрощение не влияет на получаемые результаты. С учетом еще и других допущений (в части, например, в КЭ, которые также представлены идеализированными моделями), проводимое здесь моделирование, по сути, характеризуется как макромоделирование. Принятые допущения, однако, с достаточной для инженерной практики точностью позволяет получить ответы-решения для большинства проектных задач.

Функциональная модель трансформатора, отражающая две его основные функции - коэффициент трансформации и гальваническую развязку, в среде OrCAD 9.2 (PSpice Schematics) задается значениями главных (рабочих) индук-тивностей обмоток, посредством которых и осуществляется собственно процесс трансформации параметров энергетического потока. Значения этих индух ткзностей задавалось, исходя го представлений о типовом значении тока

Ti-I

Рис. 2. Оедютотраммы напряженно до п после фллыраитока в нагрузке для ТИН по рис.1, на с комбинированным фильтром:, 52а)-ЗОООВ, UipfJV В. cos(p2(i, =0,S, f¡=400 Гц. а =0.35. L,=lmH. C¡=20/iF (Г-об^т ). Li=1.26SmH. Су~5 fiF (резонансный), коэффициент гармоник напряжения Кг(и2)-У4"о.

Ш s-¥íUJ::,fí:Jj [T¡ -IIP'Í) т1!Ы1)

Рис 3. Осциллограммы процессов в 4-х 'женкой струиурв ОИН с ПВЧП и ОШИМ выходного напряжения: а) - напряжение и ик на входе демодулятора: б). - напряжения п юга» до фияиря п после фильтра (в нагрузке). Используется Г-образяьй 1С филз.тр

холостого хода трансформатора - , который определяется мощностью трансформатора и значением частоты, на которой он работает: ha=(0,03+-0, Об) ■ 1/н , где /;„ - номинальное значение первичного тока ВЧ трансформатора. При ККМ параметры повышающих трансформаторов подбирались, на каждом из задаваемых значений промежуточной высокой частоты /вч (см. раздел по определению потерь в КЭ в главе 5). Полученные в главе 2

имитационные компьютерные модели используются также при решении задач в главе 5.

Третья глава посвящена расчету удельной массы и КПД трансформаторов - grv -f(frv) и ?/тг ~f(frv) в диапазоне частот fry = 50Гц^50кГц для диапазона малой и средней мощности (по крайней мере, до единиц кВА) с учетом потерь в магнитопроводе, но без учета потерь в обмотках трансформатора, обусловленных токами высокой частоты. Основной задачей здесь является разработка упрощенного подхода к решению поставленной задачи и получение отправной информации, необходимой, в конечном счете, для оценки (в 4-й главе) степени ухудшения исследуемых показателей качества при учете указанных потерь в обмотках. Для упрощения решения задачи расчеты базировались на использовании стандартных типоразмеров магнитоировода типа ШЛ (как наиболее технологичных для намотки обмоток). В качестве исходных данных для расчета использовались: габаритная мощность трансформатора -Sr и задаваемое значение его частоты -/ту=/вч- На основании известной формулы

™ ™ 2 ■Кф-В1„[Т1/ГУ[Щ-ЛА/лш*]-Кст-Кок1 1 определялось требуемое при этом произведение Scm S0K , а далее по общеизвестным методикам для каждой частоты находились типоразмер магнитопрово-да, масса и КПД трансформатора. При решении поставленной задачи систематизировались, а при необходимости и дополнительно определялись удельные потери в используемых магнитомягких материалах магнитоировода, в частности, выполненных из нанокристаллических сплавов. Расчетные параметры ВЧ трансформаторов (Вт, j, Кст , Кок, Кф) задавались в соответствии с известными рекомендациями. Полученные искомые результаты представлены в виде таблиц, трафиков и в виде аппроксимирующих графики полиномиальных или степенных зависимостей.

В четвертой главе приводятся результаты расчета этих же показателей качества - grv=Мвч) и Пту~/(/вч) ВЧ трансформаторов по двум другим методикам. Первая из них основана на использовании 1-го модельного описания (МО) эффекта близости (ЭБ), приведенного в книге Горского А.Н., Русина Ю.С. и др., а вторая - на использовании 2-го МО ЭБ, предложенного ирландскими исследователями ( William Gerard Hurley, Eugene Gath, John Bresliri). Работы датируются 1988 г. и, 2000 г. соответственно, а их полные библиетрафи-ческие данные приведены в диссертации. Принимая во внимание невозможность (в данном конкретном случае) экспериментальной проверки полученных результатов исследования, целью использования двух различных модельных описаний ЭБ является сопоставительная их проверка по конечному результату. Помимо утверждений авторов двух МО ЭБ о хорошем их совпадении с экспериментом, факт хорошего совпадения результатов расчета ВЧ трансформаторов по двум различным методикам может служить дополнительной (хотя и косвенной) проверкой их на адекватность. На основе 1-го МО в работе про-

ведена серия численных экспериментов, подтверждающая их физическую непротиворечивость. Результаты и полученные выводы и рекомендации представлены графиками и таблицами и опубликованы в [8]. В частности, в [8] получен следующий, неочевидный для низкочастотных (НЧ) трансформаторов, вывод: увеличением плотности тока в обмотках (в указанных разумных пределах) за счет уменьшения толщины ленты обмоток (например, сАЬ = 0,7 мм до АЬ = 0,1 мм на частоте 25 кГц) и, соответственно, его сечения можно существенно уменьшить потери в обмотках, уменьшить типоразмер магнитопровода, а в результате -улучшить удельную массу трансформатора при фактическом сохранении того же значения КПД. Этот вывод полностью согласуется с аналогичным выводом, который получен другими авторами (W. G. Hurley и др.) в рамках 2-го МО ЭБ. Физическая суть полученного вывода в том, с уменьшением параметра ДЪ коэффициент добавочных потерь от тока ВЧ в проводнике обмотки в определенном диапазоне изменения параметра АЬ снижается быстрее, чем увеличивается его сопротивление на постоянном токе. Отданное в работе, в конечном счете, предпочтение 2-й методике заключается в том, что используемое в ней 2-ое МО ЭБ, во-первых, более физично и доказательно, а во-вторых, более практически ориентировано, поскольку в ней изначально акцентируется внимание разработчика на рациональную конфигурацию проводника обмотки (лента) и на рациональные его параметры (толщина ленты - Дb =Мвч) )• Этот факт в работе положен в основу предложенной методики проектирования ВЧ трансформаторов. Отличительной ее особенностью при этом является использование нестандартных типоразмеров магнитопроводоБ, имеющих удлиненный размер Н (и h) и укороченный размер L (использованы стандартные обозначения).

При относительно большой мощности трансформатора (Sr) требуемая ширина ленты обмотки b (при выбранной рациональной ее толщине ДЪ) влечет за собой увеличение высоты окна магнитопровода h и его общей высоты Я. Объем магнитопровода в этом случае увеличивается, возрастают при этом также и магнитные потери в нем. Расчеты показывают, что они могут быть значительно больше, чем потери в обмотках. Для выравнивания потерь в маг-нитопроводе и в обмотках необходимо уменьшать высоту окна h (и соответственно параметр Н) и уменьшать ширину ленты обмотки о. Если эту процедуру выполнить при условии равенства потерь в этих частях трансформатора, то плотность тока в обмотке, естественно, увеличивается (при фактическом сохранении общих потерь в трансформаторе), а масса трансформатора заметно уменьшается. Поскольку каждый из двух рассмотренных вариантов ВЧ трансформатора имеет свои достоинства и недостатки и (в зависимости от условий охлаждения) может иметь свои области применения, в работе получены зависимости искомых показателей качества в функции частоты для каждого из них. Показано, что в зависимости от плотности тока в обмотках (и соответственно - условий охлаждения) удельная масса активных материалов ВЧ трансформаторов малой и средней мощности при частотах 2(И-30 кГц может состав-

лять gтv~ 0,57 кг/кВА (рис.4) при КПД щТУ ~ 0,98. Для удобства пользования результаты исследования представлены в виде таблиц, графиков и аппроксимирующих их полиномиальных и степенных функций.

Пятая глава посвящена разработке методики системного проектирования многозвенных структур инверторов напряжения с ПВЧП класса БС/АС. Конечным ее результатом является определение двух показателей качества -абсолютной и удельной массы устройства и его КПД в функции частоты ПВЧП. Задача решается на конкретном примере 4-х звенной структуры ИН с ПВЧП и ОШИМ выходного напряжения мощностью 500 ВА (рис.5а, рис.3). Результаты расчета масс ВЧ трансформатора, Г-образного ЬС фильтра и теп-лоотводов, на которых размещаются КЭ, в функции тактовой частоты /Вч , представлены в графической и аналитической форме (рис.5).

Общие потери в ключевых элементах (КЭ) определяются на основе использования компьютерной методики в соответствии с выражением:

Алгоритм расчета с помощью ИКМ следующий: 1-й шаг - определение мгновенного значения напряжения на ключевом элементе (КЭ) - и1Г (?) на отрезке времени, равном нескольким периодом, например, 4Г, где Т— период выходного напряжения; 2-й шаг - определение мгновенного значения тока через КЭ -¡ут (0; 3-й шаг - вычисление произведения этих 2-х функций:

4-й шаг - интегрирование этого произведения (взятие неопределенного интеграла):

5-й шаг - определяется значение общих потерь в КЭ путем взятия определенного интеграла в соответствии с (1) следующим образом:

где: А ,В - значения функционала (2) в начале и в конце периода соответственно; Г-значение расчетного периода.

Показано, что данный алгоритм позволяет выделить также динамические потери. С учетом принятых допущений, определяющих ИКМ как макромоделирование, степень адекватности такого метода определения потерь определяется степенью соответствия задаваемых времен переключения и сопротивлений КЭ (в открытом состоянии) реальным их значениям. В исследуемом вари анте они приняты равными 50ш' и 0,077 Ом соответственно. Полученные результаты являются более адекватным!! в сравнении с результатами, полученными по известным упрощенным выражениям расчета потерь в КЭ, поскольку ИКМ точно учитывает достаточно сложную форму протекающего через них

(1)

(2)

тока. Результаты расчета показали, что с ростом частоты fB4 от 20кГц до ЗОкГ'ц исследуемые показатели качества рассмотренного 4-х звенного устройства (ОИН с ПВЧП и ОШИМ) изменяются следующим образом: удельная масса активных материалов его силовой части несколько увеличивается {gom ~ 1,92-^2,14 кг/кВА), а его КПД несколько снижается (г\от = 0,86+0,85) - рис.5.

Заключение

1. На основе аналитического обзора основных альтернативных вариантов структурно-алгоритмических решений инверторов напряжения (ИН) с промежуточным высокочастотным преобразованием (ПВЧП) выделены две их группы - 6-звенная необратимая структура и 4-звенная обратимая структура. Указаны целесообразные области применения этого класса устройств (DC/AC) в системах и сформулированы подлежащие решению задачи, создающие информационно-методологическое обеспечение для их проектирования.

2. Для 4-звенной структуры в однофазном и трехфазном вариантах ИН с ПВЧП предложен новый, защищенный патентом способ их структурно-алгоритмической организации (САОр). Способ обеспечивает исключение динамических потерь в выходном звене структуры - в демодуляторе (ДМ) за счет формирования пауз (порядка 1-2 fiS) между полуволнами высокочастотного напряжения, подаваемого на вход ДМ. Это переводит известное структурное решение из категории потенциально перспективного в категорию практически значимого решения.

3. В качестве основного средства исследования УСЭ и формирования информационно-методического базиса для их проектирования использовано программное обеспечение OrCAD 9.2 (PSpice Schematics). Изложены результаты имитационного компьютерного моделирования (ИКМ) традиционной трех-звенной структуры ИН без ПВЧП и четырех структур ИН с ПВЧП.

4. Для решения системной задачи по определению рационального значения частоты ПВЧП разработана практически ориентированная (упрощенная) методика расчета удельного массового показателя трансформаторов - gjy (fg^ и их КПД - rjrv (fB4) в диапазоне рабочих частот 50 Гц-;-50 кГц. Ее особенностью является использование стандартных типоразмеров магнитопроводов. Результаты представлены в графическом и аналитическом виде. Для оценки влияния высокой частоты (эффекта близости - ЭБ) на потери в обмотках искомые результаты представлены в 2-х версиях - без учета ЭБ и с его учетом.

5. На основе обзора магнитомягких магнитных материалов магнитопроводов выделены наиболее частотные из них - марганец-цинковые российские и зарубежные ферриты (М2500НМС2 и марки N87, N97 фирмы Epcos AG), российские аморфные и нанокристалличесхие сплавы (например, ГМ42ДС). Систематизирована информация по удельным потерям в этих материалах.

6. На основе известного 5-го модельного описания потерь в обмотках высокочастотных трансформаторов получены количественные оценки коэффициента добавочных потерь, учитывающего потери от поверхностного эффекта и эффекта близости (ЭБ). Показано, что при высоких частотах порядка десят-

ков кГц уменьшением сечения провода обмоток можно снизить результирующие потери в них. Полученный вывод в том или ином виде подтверждается в публикациях зарубежных исследователей.

7. На основе известного (разработанного в последнее время ирландскими специалистами) 2-го модельного описания эффекта увеличения сопротивления проводника обмоток трансформатора от ЭБ предложена упрощенная методика проектирования ВЧ трансформаторов малой мощности (до единиц кВА). Отправным ее моментом является выбор оптимальной толщины ленты - АЬопт, из которой изготавливается обмотка. Ее толщина зависит от формы тока, числа витков (слоев) и должна уменьшаться с ростом частоты /цч- Например, в исследуемом варианте ОИН с ОШИМ и ПВЧП токи через обмотки трансформатора имеют сложную форму тока типа биений так, что оптимальная толщина леить: ДЪопт (при Бремени переключения транзисторов /г - 50пз) для диапазона /вч~ 10+50кГц Д6оил=0,05-Ю,017мм (значения определены с помощью ИКМ). При прямоугольной же форме этот параметр приобретает следующие значения: при Г,.=200га для^1/=10-^50кГц ДЬтт = 0,12+ 0,069мм; а при ¡г = 50га для /вч= 10^-50кГцДболл =0,08+0,05мм (здесь значения определены аналитическим путем). На этой оснозе определяются практически реализуемый параметр ДЬ, затем ширина ленты обмотки - Ъ и далее - геометрические размеры магнито-провода. Методика требует использования нестандартных типоразмеров трансформаторов, отличающихся увеличенным значением их высоты Н.

8. На основе полученных результатов предложена методика системного проектирования данного класса устройств, обеспечивающая обоснованный выбор частоты ПВЧП по критерию минимума общей активной массы устройства при ограничениях на КПД. В частности, предложена компьютерная методика определения общих (квазистатических и динамических) потерь в ключевых элементах, на основе которых определяется тип теплоотвода и его масса. На примере 4-х звенного ОИН с ПВЧП мощностью 500 ВА (бортового применения) показано, что при рабочей частоте/вч'= 20кГц и использовании ключевых элементов с временами включения и выключения порядка 50 п5 и магни-топровода из нанокристаллического сплава ГМ42ДС общая масса активных материалов его силовой части может составлять 0,96 кг при КПД 86%.

9. Полученные результаты исследования эффективности использования ПВЧП при синтезе устройств силовой электроники (УСЭ) класса ПС/АС создают основу для разработки инновационных проектов систем электроснабжения (СЭС) подвижных автономных объектов (АО), для которых рациональное сочетание критериев минимума массогабаритных показателей и максимума КПД при проектировании систем является определяющим.

10. Приведенный в работе спектр возможных решений как в части их САОр, так и в части проектирования ВЧ трансформаторов (которые характеризуются различными сочетаниями электромагнитных нагрузок и различными конфигурациями магнитопроводоз) отражает одну из целей работы - определить возможные пути и подходы к решению системной задачи выбора рацио-

нального значения частоты ПВЧП в устройствах класса DC/AC с учетом реального многообразия постановок задач.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1. Берилов A.B., Мыцык Г.С., Хлаинг Мин У. Об особенностях проектирования и возможностях улучшения показателей качества инверторов с промежуточным высокочастотным преобразованием // Вестник МЭИ, 2007, №4.-С. 85-92.

2. Берилов A.B., Коняхин С.Ф., Мыцык Г.С., Хлаинг Мин У, Цишев-ский В.А. Преобразователь постоянного напряжения в переменное (Варианты) // Патент РФ на полезную модель № 76183, Бюл.№25, 2008.

3. Мыцык Г.С., Хлаинг Мин У. Вопросы структурно-алгоритмического и параметрического синтеза бортовых инверторов напряжения с промежуточным высокочастотным преобразованием // Научно-технические проблемы электропитания / Труды Всероссийской науч.-техн.-конф. - М.: Изд-о МАИ.

2006. - С.53-58.

4. Хлаинг Мин У, Мыцык Г.С. Сопоставительный анализ характеристик магнитомягких материалов в диапазоне частот 50 Гц +50кГц // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. Докл. XIII МНТК студентов и аспирантов: Т.2. В 3-х т. - М.: Издательский дом МЭИ, 2007. - С.85-86.

5. Хлаинг Мин У, Мыцык Г.С. Эффективность использования промежуточного высокочастотного преобразования при синтезе бортовых инверторов напряжения // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. Докл. Х1П МНТК студентов и аспирантов. Т.2. В 3-х т. - М.: Издательский дом МЭИ,

2007. - С.86-87.

6. Хлаинг Мин У, Мыцык Г.С. О методологии проектирования инверторов с промежуточным высокочастотным преобразованием //' Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. Докл. XIII МНТК студентов и аспирантов. Т.2. В 3-х т. -М.: Издательский дом МЭИ, 2008. - С.72-73.

7. Хлаинг Мин У, Зарьков. B.C., Берилов A.B. Имитационное компьютерное моделирование инверторов с промежуточным высокочастотным преобразованием // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. Докл. XIII МНТК студентов и аспирантов: В 3-х т. - М.: Издательский дом МЭИ,

2008. -Т.2. С.72-73.

8. Мьшык Г.С., Хлаинг Мин У. Об особенностях проектирования обмоток высокочастотных трансформаторов // Электротехнические комплексы автономных объектов. Сборник научных статей. Страницы истории кафедры. -М.: Издательский дом МЭИ, 2008. - С.52-64.

Подписано в печать Зб> £>4<#&3ах. Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул., д.13

Тир.^' П.лjjf

Введение.

Глава 1. Аналитический обзор инверторов напряжения с промежуточным высокочастотным преобразованием (ПВЧП).

1.1. Общая характеристика направлений синтеза инверторов с ПВЧП.

1.2. Классификация инверторов напряжения с ПВЧП.

1.2.1. Четырехзвенные структуры инверторов с ПВЧП.

1.2.2. Шестизвенные структуры инверторов с ПВЧП.

1.2.3. Преобразователи частоты на основе шестизвенных структур инверторов с ПВЧП.

Выводы

1.3. Трехфазный инвертор с низкочастотным выходом на базе трехфазного высокочастотного инвертора напряжения.

1.3.1 Общая характеристика алгоритма формирования низкочастотного напряжения.

1.3.2 Практический пример реализации двухчастотного способа формирования напряжения.

Выводы

1.4. Некоторые результаты синтеза традиционной б-звенной структуры ИН с ПВЧП.

Выводы

1.5. Однофазный инвертор напряжения с ПВЧП и комбинированным алгоритмом управления в инверторе-модуляторе.

Выводы.:.

1.6. Трехфазный инвертор напряжения с промежуточным высокочастотным преобразованием.

Выводы

Глава 2. Исследование процессов в инверторах напряжения с ПВЧП на основе имитационногокомпьютерного моделирования (ИКМ).

2.1. Результаты ИКМ двух структур однофазных инверторов напряжения - по трехзвенной и шестизвенной структурам.

2.1.1. Традиционная 3-звенная структура ОИН.

2.1.2. Шестизвенная структура ОИН.

2.1.3. О влиянии тактовой частоты на установленную мощность фильтра.

2.2. Результаты ИКМ ОИН с ПВЧП по 4-звенной структуре.

2.2.1. О выборе индуктивностей обмоток трансформатора, используемых при ЙКМ.

2.2.2. Исследование зависимости (.LC)min=f

2.2.3. О выборе рациональных значений параметров и С выходного Г образного фильтра при LCmin—const.

2.3. Результаты (ИКМ) 4-хзвеной структурььТИН с ПВЧП.'.

Выводы.:.

Глава 3. Расчет зависимостей показателей качества1 трансформаторов от частоты и мощности без учета поверхностного эффекта и*.эффекта близости.

3.1: К вопросу выбора материала магнитопровода. 88 •

3.1.1. Электротехнические стали.

3.1.2. Пермаллои (и перминавры).

3.1.3. Ферриты (оксиферы).

3.1.4. Аморфные и нанокристаллические сплавы.

3.1.5. Удельные потери в магнитопроводе из, различных материалов.

3.2. Решение поставленной в.работе задачи для ВЧ трансформаторов малой мощности (ТММ).

3.2.1. О стратегии решения. 99'

3.2.2. Алгоритм расчета удельного массового показателя ТММ.

3.2.3. Алгоритм расчета КПД ВЧ ТММ и показателя gTV.

3.3. Удельная масса трансформаторов в функции мощности для 2-х частот - 50Гц и 400Гц, определенной на основе данных таблицы

ПЗ-1 [3-6].

3.4. Расчет удельной массы трансформаторов в функции мощности для высоких частот - ЮкГц 50кГц (1-я модификация расчетного алгоритма).

3.5. Удельная масса и КПД трансформатора при конкретной заданной мощности S2=500 ВА для диапазона частот т^,=50Гц-^50кГц

2-я модификация расчетного алгоритма).

3.6. К вопросу выбора рационального значения расчетной индукции при увеличении значении рабочей частоты.

3.6.1. Вариант расчета при постоянстве значения расчетной ин-, дукции с увеличением рабочей частоты.

3.6.2. Вариант расчета при постоянстве удельных потерь в маг-нитопроводе с ростом рабочей частоты.

3.6.3. Предварительные результаты расчета трансформатора с учетом 2-х эффектов.

Выводы

Глава 4. Об особенностях проектирования обмоток высокочастотных трансформаторов.

4.1. О физической сущности вихретоковых потерь в обмотках ВЧ трансформатора.

4.1.1. Скин-эффект (поверхностный эффект - ПЭ).

4.1.2. Глубина скин-слоя.

4.1.3. Эффект близости (ЭБ) [4-4].

4.2. Проектирование ВЧ трансформаторов с учетом .2-х эффектов поверхностного эффекта - ПЭ и эффекта близости - ЭБ ) по й методике (на основе [ 3-10]).

4.2.1. Сопротивление отдельно взятого проводника круглого сечения (удаленного от других проводников).

4.2.2. Определение коэффициента кДОб в реальной обмотке.

4.2.3. Определение коэффициента кдоб в обмотке из ленточного проводника при синусоидальном токе.

4.2.4. Использование полученных моделей в некоторых, взятых из практики, примерах. 1 ^

4.2.5. Модельное описание коэффициента добавочных потерь при несинусоидальной форме тока.

4.3. О возможности снижения потерь в обмотке за счет рационального выбора конфигурации сечения проводника обмотки.

4.4. О возможности снижения потерь в обмотке за счет снижения сечения проводника обмотки.:.

4.5. Алгоритм расчета КПД трансформаторов с учетом 2-х эффектов (ПЭ и ЭБ) в диапазоне частот (50Гц-^50кГц) при мощности

S2 =500ВА.

4.6. Проектирование ВЧ трансформаторов с учетом 2-х эффектов (поверхностного эффекта - ПЭ и эффекта близости - ЭБ ) по 2й методике (на основе [4-5]).

4.6.1. Определение (поиск) сопротивления многослойных обмоток трансформатора на переменном токе.

4.6.2. Отношение эффективного сопротивления на переменном токе к сопротивлению на постоянном токе -Яэфф/ RdC.

4.6.3. Определение оптимального значения толщины слоя обмотки и эффективного сопротивления на переменном токе

4.7. Пример расчета трансформаторов по 2-й методике (1-й вариант

- потери в обмотках минимальны).

4.8:, Вариант расчета трансформаторов при примерно равных потерях в магнитопроводе ив обмотках {2-й вариант).

Выводы.:.;.;.

Глава 5. Вопросы системного проектирования многозвенных инверторных структур с ПВЧП.

5. Г. Алгоритм определения потерь в ключевых элементах инвертора с ПВЧП по 4-х звенной структуре (по рис. 1-12) на основе ИКМ.

5.1.1. Определение общих потерь в ключевых элементах (VT1+VT4) высокочастотного инвертор-модулятора-ВЧ ИМ;. 191,

5.1.2. Определение; общих; потерь в КЭ и диодах демодулятора ДМ.л.

5.2. Алгоритм выбора типоразмеров теплоотводов ВЧ ИМ и ДМ.

5.3. Исследование зависимости массы фильтра.для ОИН с ШИМ от/ несущешчастоты^ву.:.!.

5;З Л . Определение массы дросселей.индуктивности.

5.3.2. Определение массы конденсатора? выходного Г- образного фильтра.

5.4. Компьютерная; методика определения оптимального значения толщины ленты обмоток АЬопт при реальной форме тока.

5.5. Расчет массы и КПД трансформатора мощностью S2 =500ВА с учетом ЭБ при использовании нестандартного магнитопровода для конкретной (реальной) формы тока.

5.6. Итоговые показатели конкретного решения ОИН с ПВЧП и ОШИМ выходного напряжения, полученные на основе системного подхода к проектированию;.

Выводы

Промежуточное высокочастотное преобразование (ПВЧП) как энерго-и ресурсосберегающий принцип построения устройств силовой преобразовательной техники сегодня широко используется в классе конверторных схем (в преобразователях типа DC/DC), выполненных на базе транзисторов. Наиболее распространенным здесь является диапазон малых мощностей в единицы и десятки Вт, который характерен для источников питания внутренних нужд, предназначенных для систем управления преобразователями различных классов. Достаточно распространенными являются также транзисторные конверторы (DC/DC) диапазона мощностей от сотен Вт до единиц кВт, которые используются на различного рода автономных (подвижных и стационарных) объектах (АО) в качестве как основных, так и резервных систем электропитания (СЭС).

В диапазоне более высоких мощностей острота и актуальность эффективного решения проблемных задач по структурно-алгоритмическому и параметрическому синтезу (САС) этих устройств, значительно возрастает. Например, если использование однотактного и одноканального преобразования целесообразно в диапазоне малых мощностей, то при больших мощностях целесообразнее перейти уже не только на двухтактное, но и на многоканальное преобразование [1-13], [1-21]-^-[1-23]. При этом конверторы применяются как самостоятельные устройства, так и в составе более сложных структур, например, в инверторах с ПВЧП. Большую остроту при использовании преобразующих структур с ПВЧП приобретает также не только проблема грамотного проектирования (и конструирования) высокочастотных (ВЧ) трансформаторов, но и проблема системного проектирования УСЭ в целом, которая заключается в обоснованном выборе наиболее рационального значения частоты ПВЧП с учетом характеристик (и соответствующих, частотно-зависимых показателей качества) всех силовых звеньев устройства.

На АО применяется и другой, выше упомянутый класс преобразователей (DC/AC) - инверторы напряжения (ИН), которые решают задачу преобразования нестабилизированного напряжения постоянного тока, чаще всего, низкого уровня (порядка 30 В) в стабилизированное с заданной точностью напряжение переменного тока (с частотой 400 Гц или 50 Гц) более высокого уровня (115/208 В или 220/380 В). На их базе строятся системы, как основного, так и резервного электропитания [1-18], [1-19]. В зависимости от типа АО мощность устройств этого класса может находиться в пределах от нескольких сотен ВА до единиц и даже десятков кВА.

Несмотря на достаточно большую теоретическую проработку вопросов САС ИН с ПВЧП (процессу непрерывно растущего числа публикаций по данной проблеме уже не менее 35+40 лет, см., например, [1-1]+[1-17]), опыт практического использования ПВЧП в ИН (по крайней мере, в России) невелик. Причин (как объективного, так и субъективного характера) такому положению здесь немало. Формулировка их не входит в число задач настоящей работы.

Большинство проблем, характерных для конверторов, приходиться решать и в классе ИН с ПВЧП. Более того, из-за более сложной их структурно-алгоритмической организации число проблемных задач здесь существенно возрастает.

Кардинально улучшившиеся в последние 15-20 лет частотные и мощно-стные характеристики транзисторов и диодов, а также уже разработанные сегодня в модульном исполнении транзисторные ключи переменного тока создали необходимые предпосылки для активизации работ в направлении практического освоения этого ресурсосберегающего принципа построения ИН.

Эффективность использования ПВЧП в ИН, прежде всего, определяется значением его выходной частоты f2 . Чем ниже эта частота, тем больше при прочих равных условиях выигрыш в массогабаритных показателях устройства. С ростом частоты f2 этот выигрыш уменьшается и для принятия решения о целесообразности использования при синтезе устройств силовой электроники (УСЭ) ПВЧП актуализируется задача количественной оценки его эффективности. В [1-25], в частности, показано, что при /2=400Гц масса активных материалов в силовой части 6-звенной структуры однофазного ИН (ОИН) с ПВЧП мощностью S2= 500 ВА может быть уменьшена примерно в 2 раза по сравнению с традиционной 3-звенной структурой [1-18] (ИН-транс-форматор-фильтр), в которой трансформатор работает на выходной (относительно низкой) частоте 400 Гц. С учетом системы управления и конструктивного фактора результирующий выигрыш по массе может снизиться до 1,3^-1,5 раз, однако это тоже немало.

При низкой выходной частоте, например, 50 Гц прогнозируемый выигрыш по результирующей массе ИН с ПВЧП в сравнении с ИН без ПВЧП должен быть не менее 4-5 раз. Для более точных и обоснованных оценок должен быть разработан соответствующий информационно-методологический базис.

Что касается КПД ИН с ПВЧП, то, несмотря на более сложную структуру его силовой части, как показывают расчеты [1-25], он может быть получен не хуже или даже несколько более высоким, чем в ИН по традиционной трехзвенной структуре. Это означает, что масса охладителей, на которых размещается полупроводниковая часть ИН с ПВЧП, будет примерно той же; а основной выигрыш по массе и по КПД будет достигаться за счет высокочастотного (ВЧ) трансформаторного узла.

Основной задачей настоящей работы, таким образом, является совершенствование структурно-алгоритмических решений ИН с ПВЧП и создание информационно-методологического базиса: а) для их проектирования; б) и для проведения оперативных оценок показателей качества альтернативных вариантов решений, которые необходимы для сопоставительной их оценки на-первом этапе проектирования.

Актуальность решения данной проблемы подтверждается уже не первый год проводимыми (в мировой инженерной практике) и, тем не менее, не теряющими свою важность и остроту программами энерго-и ресурсосбережения. Представляется, что данное направление совершенствования наряду с тенденцией улучшения электромагнитной совместимости (ЭМС) УСЭ еще долго будут иметь определяющее значение в направлениях их развития.

Создание энергетически эффективных и компактных устройств УСЭ и систем электроснабжения на их основе особенно актуально для различного рода автономных объектов (АО), например, для подвижных транспортных средств, для различного рода летательных аппаратов и для автомобильного транспорта, в частности, для автомобилей гибридного типа, где, например, применение УСЭ (класса DC/AC) с реверсивными свойствами позволяет полезно использовать кинетическую энергию автомобиля в режиме его торможения. Одна из усовершенствованных структур УСЭ такого типа рассматривается в данной работе.

Содержание работы характеризуется следующей структурой.

В первой главе дается краткий аналитический обзор основных направлений структурно-алгоритмического синтеза (САС) инверторов напряжения с промежуточным высокочастотным преобразованием (ИН с ПВЧП) и приводится описание новых, модифицированных их решений с улучшенными показателями качества. Обосновывается выбор решений ИН с ПВП, подлежащих дальнейшему исследованию. Общим в их структуре является высокочастотный трансформаторный узел, для которого при системном проектировании ИН с ПВЧП необходимо знание таких его показателей качества, как удельная масса и КПД в частотном диапазоне, по крайней мер, до 50 кГц.

Вторая глава посвящена проверке соответствию новых, синтезированных и исследуемых в работе решений ИН с ПВЧП проектному замыслу, и созданию информационного базиса, необходимого на первом этапе их проектирования, в том числе созданию упрощенных проектных методик, основанных на использовании компьютерных возможностей: для определения на основе численных экспериментов параметров фильтров (в многозвенных структурах их может быть один или два);

- и для определения потерь в полупроводниковых элементах и действующих значений токов в обмотках трансформаторов.

Проводится сопоставительное исследование двух типов фильтров переменного тока. Даются рекомендации по их применению.

Задачи решаются на основе использования имитационного компьютерного моделирования (ИКМ) в среде OrCAD 9.2 (PSpice Schematics).

В третьей главе изложен подход и результаты предварительного исследования зависимости удельного массового показателя (g [кг/кВА ]) трансформаторов и их КПД в диапазоне частот 50 Гц 50 кГц для малых мощностей (до нескольких единиц кВА) без учета потерь в обмотках от поверхностного эффекта (ПЭ) и эффекта близости (ЭБ). Особенностью подхода является практическая его направленность, которая характеризуется использованием стандартной шкалы типоразмеров магнитопроводов трансформаторов.

При увеличении рабочей частоты трансформаторов и их мощности в процессе исследования приходиться менять достаточно большое число переменных: материал магнитопровода и толщину его ленты, коэффициент заполнения магнитопровода сталью, коэффициент заполнения окна магнитопровода медью обмоток, расчетную индукцию и плотность тока в обмотках. Выбор материала определяется на основе вычисления удельных потерь для каждого материала магнитопровода. Исследование выполнено для напряжения прямоугольной формы при общепринятых допущениях.

Четвертая глава посвящена оценке потерь в обмотках от ПЭ и ЭБ на основе известного модельного их описания, изложенного в [3-10], [4-5] и влияния этих эффектов на удельный массовый показатель и на КПД высокочастотных (ВЧ) трансформаторов. Дается сравнение по этим показателям с результатами, полученными в главе 3, где эффекты ПЭ и ЭБ не учитываются. Приводится алгоритм расчета ВЧ трансформаторов с учетом указанных эффектов. Искомые результаты представлены в табличном, графическом виде и в виде аппроксимирующих аналитических зависимостей. Систематизируются рекомендации по конструктивному исполнению ВЧ трансформаторов.

В пятой главе излагается системный подход к оценке результирующей массы и КПД разрабатываемого ИН с ПВЧП и к определению рационального значения в нем частоты ПВЧП. Даются упрощенные методики определения общей массы и КПД ИН с ПВЧП, а также составляющих его звеньев. В том числе приводится методика компьютерного определения общих (квазистатических и динамических) потерь в ключевых элементах. Приводится пример расчета.

В Заключении формулируются полученные в работе результаты решения поставленной задачи.

Диссертационная работа содержит также дополнительные иллюстративные и доказательные материалы, представленные в Приложениях к соответствующим главам.

Перечень используемых источников информации (Литература) содержит 69 наименований, включая 8 публикаций с непосредственным авторским участим соискателя.

14

Выводы по 1-му варианту ВЧ трансформатора

Дадим оценку нового синтезированного типоразмера ВЧ трансформатора:

•л

1. Обеспечение нормальной плотности тока в обмотках ( j =2,4 А/мм ) и относительно малых потерь в обмотках (АРМ =• 2,447Вт) потребовало увеличения высоты окна магнитопровода h и его высоты Н. При этом большая часть потерь (АРст = 7,238Вт) переместилась в магнитопровод. Можно ли рекомендовать такую конструкцию трансформатора для применения ? В принципе можно, если исходить из следующих соображений. Несмотря на завышенную массу магнитопровода и сосредоточенные в нем завышенные потери, он имеет увеличенную поверхность охлаждения. В результате может оказаться, что принудительное охлаждение не потребуется. Однозначный ответ на этот вопрос требует проведения соответствующего теплового расчета.

2. Достоинством синтезированного типоразмера ВЧ трансформатора можно считать достаточно высокое значение КПД, а недостатком - завышенное значение удельной массы.

П.4-2.2. Расчет ВЧ трансформатора мощностью S2 = 500ВА для частоты / = ЗОкГц с примерно одинаковыми потерями в магнитопроводе и в обмотках (Вариант -2)

П16. Используя следующее уравнение определим отклонение потерь в магнитопроводе и в обмотках.

7,238Вт + 2,447Вт =9,685Вт =4,84 Вт +4,84Вт. . где АР^т и АР[{ - значения потерь в магнитопроводе и в обмотках, полученные в 1-ом варианте расчета ВЧ трансформатора по 2-й методике. Зная АР'ст и АР'М найдем равномерное (желаемое) распределение потерь между магнитопроводом -АР"т и обмотками - АР^ . При сохранении КПД они равны: АЦАП, = TV^ML = 4>84 [вт]

П17. Из П16 следует, что необходимо увеличивать потери в меди примерно в 4,84/2,447 = 2раза или уменьшать потери в стали примерно в 7,238/4,84 = 1,5 раза.

П18. В данном примере уменьшенные в 2 раза ширина ленты и ее сечение, соответственно, будут равны: bj = Ъ/2,5 = 122/2мм = 61 мм, ry »

Siw=Ab-b] = 0,1мм-61мм= 6,1мм .

Здесь нужно заметить, что при уменьшении ширину ленты в 2 раза потери в обмотках АРм несколько больше потерь в стали АРст. Поэтому здесь уменьшим ширину ленты не в 2 раза, а только в 1,7 раза. Тогда ширина и ее сечение соответственно, будут равны: bi = b/2,5 = 122/1,7 мм = 72 мм , Siw = Ab-b[ = 0,1мм-72мм= 7,2мм2.

Поскольку значение параметра Sjw< Siv уменьшается, то уменьшаются и значения параметров VM и GM . Используя формулы П2.5^ П2.8, получим: VM = 3,075 см3; GM = 0,027кг.

Таким образом, уменьшение сечения ленты SjW в 2 раза привело к увеличению плотности тока ji и потерь в обмотках АРМ в 2 раза При этом плотность тока стала равной ji ~ 2,4-1,7 = 4,07 А/мм2 , а потери в обмотках в соответствии с выше приведенным пунктом П9 возросли с АРМ =2,4Вт до АРм - . 4,423 Вт.

Определим далее каким образом необходимо при этом изменить параметры магнитопровода. Сечение магнитопровода и его параметры (а, В) оставляем неизменными. Поскольку ширину ленты обмоток b мы уменьшили, то высота окна магнитопровода h при этом также должна быть уменьшена. Тогда требуемая высота окна равна: hj— b] + Аш = 72 мм + 4 мм =76мм.

Зная hi, согласно п.п. П10, ППопределим объем стали и массу магниопровода: Vcm = 45,6 см3 ; Gcm = 0,237 кг. Потери в нем согласно п. П12 равны: АРст = 4,742 Вт. Используя п.п. П14, П15, получим значение удельной массы и КПД трансформатора: gTV=Q,572 кг/кВА и г] =0,982.

242

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе аналитического обзора основных альтернативных вариантов структурно-алгоритмических решений инверторов напряжения (ИН) с промежуточным высокочастотным преобразованием (ПВЧП) выделены две их группы — 6-звенная необратимая структура и 4-звенная обратимая структура. Установлены их функциональные особенности, указаны целесообразные области применения и сформулированы подлежащие решению задачи, которые создают информационно-методологическое обеспечение для проектирования этих устройств.

2. Для 4-звенной структуры в однофазном и трехфазном вариантах ИН с ПВЧП предложен новый, защищенный патентом способ их структурно-алгоритмической организации. Способ обеспечивает исключение динамических, потерь в выходном звене структуры — в демодуляторе (ДМ) за счет формирования пауз (порядка 1-2 piS) между полуволнами высокочастотного напряжения, подаваемого на вход ДМ, и за счет этого переводит известное решение из категории потенциально перспективного в категорию практически значимого решения. 3. Для решения системной задачи по определению рационального значения частоты ПВЧП разработана практически ориентированная (упрощенная) методика расчета удельного массового показателя трансформаторов - gTV (feii) и их КПД - rjrv (/вч) в диапазоне рабочих частот 50 Гц-^-50 кГц. Ее особенностью является использование стандартных типоразмеров магнитопро-водов. Результаты представлены полиномиальными (или степенными) зависимостями. Для оценки влияния высокой частоты (эффекта близости - ЭБ) на потери в обмотках искомые результаты представлены в 2-х версиях - без учета эффекта близости (ЭБ) и с его учетом.

4. На основе обзора магнитомягких магнитных материалов магнитопро-водов выделены наиболее частотные из них - марганец-цинковые российские и зарубежные ферриты (М2500НМС2 и марки N87, N97 фирмы Epcos AG), а также российские аморфные и нанокристаллические сплавы. Систематизирована информация по удельным потерям в этих материалах.

5. На основе известного модельного описания потерь в обмотках высокочастотных трансформаторов получены количественные оценки коэффициента добавочных потерь, учитывающего потери от поверхностного эффекта и эффекта близости. Показано, что на основе использования модельного описания, приведенного в [3-10], при высоких частотах порядка десятков кГц уменьшением сечения провода обмоток можно снизить результирующие потери в них. Полученный вывод подтверждается результатами, полученными зарубежными исследователями.

6. На основе известного (разработанного в последнее время ирландскими специалистами) модельного описания эффекта увеличения сопротивления ленточного проводника обмоток трансформатора от эффекта близости [4-5] предложена упрощенная методика проектирования ВЧ трансформаторов малой мощности (до единиц кВА). Отправным ее моментом является выбор толщины ленты - АЬ, из которой изготавливается обмотка, соответствующей выбранной частоте. Толщина АЬ должна уменьшаться с ростом частоты/вч . Например, в исследуемом варианте ОИН с ОШИМ и ПВЧП токи через обмотки трансформатора имеют сложную форму тока типа биений так, что оптимальная толщина ленты АЬопт (при времени переключения транзисторов tr = 50ns) для диапазона/вч = 10-^-5ОкГц А6о„„,=0,05-Ю,017мм (значения определены с помощью ИКМ). При прямоугольной же форме этот параметр приобретает следующие значения: при fr=200ra для /вч =10-^50кГц АЪопт = 0,12^ 0,069мм; при tr = 50га для/вч~ Ю-НЮкГц АЬопт =0,08-4),05мм (здесь значения определены аналитическим путем). Выбор требуемого в каждом случае применения значения параметра АЬопт является отправным шагом при проектировании ВЧ трансформаторов. Далее определяется ширина ленты обмотки, а затем и все геометрические размеры (и конфигурация) магнитопровода.

7. На основе полученных результатов исследования предложена методика системного проектирования рассматриваемого класса устройств, обеспечивающая обоснованный выбор частоты ПВЧП по критерию минимума общей активной массы при ограничениях на КПД. В частности, предложена компьютерная методика определения квазистатических и динамических потерь в ключевых элементах, на основе которых определяется тип теплоотвода и его масса. На примере 4-х звенного ОИН с ПВЧП мощностью 500 В А бортового применения показано, что при рабочей частоте /вч= 20-3 ОкГц и использовании современных ключевых элементов с временами включения и выключения порядка 50 nS общая масса активных материалов может составлять 0,96 юн-1,12 кг при КПД 86-85%.

8. Полученные результаты исследования эффективности использования промежуточного высокочастотного преобразования (ПВЧП) при синтезе устройств силовой электроники (УСЭ) класса DC/AC создают основу для разработки инновационных проектов систем электроснабжения (СЭС) подвижных автономных объектов (АО), для которых рациональное сочетание критериев минимума массогабаритных показателей и максимума КПД при проектировании систем является определяющим.

9. В работе приведен спектр возможных решений* как в части их структурно-алгоритмической организации, так и в части проектирования ВЧ трансформаторов, которые характеризуются различными сочетаниями электромагнитных нагрузок и различными конфигурациями магнитопроводов. Это соответствует основной цели работы — определить возможные пути и подходы к решению системной задачи выбора рационального значения частоты ПВЧП в устройствах класса DC/AC. Решение задачи однозначного предпочтения того или иного решения определяется конкретно поставленными требованиями и условиями применения (в том числе типом охлаждения узлов) и остается за разработчиком.

10. Полученные в работе результаты в ряде случаев носят оценочный характер (например, точность методик проектирования ВЧ трансформаторов может находиться в пределах 10-15%). В связи с этим'целесообразно дальнейшее развитие работ в этом направлении с целью получения более точных результатов для конкретно поставленных требований и условий применения.

Используемые в работе термины и сокращения (аббревиатуры)

Общие термины и обозначения: ВЧ — высокая частота (высокочастотный); ПЭ - поверхностный эффект; ЭБ - эффект близости; ЭП - энергетический поток; СЭС - системы электроснабжения; ЭМС - электромагнитная совместимость; УСЭ - устройства силовой электроники; ТММ - трансформаторы малой мощности. Виды модуляции и принципы преобразования: ПВЧП — промежуточное высокочастотное преобразование; ОКП - одноканальное преобразование; МКП - многоканальное преобразование; ШИМ — широтно-импульсная модуляция; ДТТ1ИМ - двухполярная ШИМ (по заданному закону); ОШИМ - однополярная ШИМ (по заданному закону); 1 ШР - широтное регулирование;

ШИР - широтно-импульсное регулирование (прямоугольный закон модуляции);

ЧШИР - частичное ШИР. Виды структурной организации инверторов: ИН - инверторы напряжения; НИЯ — нулевая инверторная ячейка; МИЯ - мостовая инверторная ячейка; ПМИЯ — полумостовая инверторная ячейка; ОИН - однофазный инвертор напряжения; ТИН - трехфазный инвертор напряжения;

ИМ - инвертор-модулятор (в котором совмещаются, по крайней мере, два алгоритма преобразования — низкочастотный и высокочастотный); МД - модулятор;

ДМ - демодулятор (который выделяет низкую частоту из комбинации низкочастотной и высокочастотной частот); КБ - конверторный блок; КН - конвертор напряжения; ВЧ ИБ — высокочастотный инверторный блок; ВЧ КБ — высокочастотный конверторный блок; ВЧ ТБ — высокочастотный трансформаторный блок; ВЧ ВБ — высокочастотный выпрямительный блок; СОКП - структуры с одноканальным преобразованием ЭП; СМКП - структуры с многоканальным преобразованием ЭП. Процедуры, используемые при поисковом проектировании: САС - структурно-алгоритмический синтез; САОр - структурно-алгоритмическая организация; САОп — структурно-параметрическая оптимизация; ПО - параметрическая оптимизация; ИКМ - имитационное компьютерное моделирование.