автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Исследование и разработка конденсаторных источников вторичного электропитания

Па правах рукописи

РГБ ОД

КУРЧЕНКОВА Наталия Борисовна - Д

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА КОНДЕНСАТОРНЫХ ИСТОЧНИКОВ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Специальность 05.09.12 - Силовая электроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2000г.

Работа выполнена в орденов Октябрьской революции и Трудового Красного знамени Научно-производственном объединении автоматики ([•.Екатеринбург).

Научный руководитель:

доктор технических наук, сг.научн.сотрудник Колосов В.А. доктор технических наук, профессор.

Официальные оппоненты:

Лауреат Государственной премии Ромаш Э.М. кандидат технических наук Хуслииов Ч.И.

Ведущее предприятие: Всероссийский научно-исследовательский и нро-ектно-конструкторский институт автоматизации и информатизации железнодорожного транспорта (ВНИИАС ЖТ)

Защита состоится 2000г. в аудитории кафедры ЭГТП в

//5^ часов на заседании диссертационного Совета Д.053.16.13 в Московском энергетическом институте (Техническом университете).

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Москонского энергетического института.

Опывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 111250, Москва, ул.Красноказарменная, д.14, Ученый Совет МЭИ.

Автореферат разослан "_"__2000г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета Д.053.16.13,

канд. техн. наук, доцент

И. Г. Буре

ОБЩЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. В настоящее время существует довольно устоявшаяся область силовой электроники, которая состоит из нескольких основных типов источников вторичного электропитания (ИВЭП), широко применяющихся в электронной и электротехнической аппаратуре. В частности, в ИВ')П. первичным источником которых служит сеть переменного напряжения чае юты 50...60 Гц, наибольшее применение нашли бестрансформаторные импульсные преобразователи с высоковольтным входным выпрямителем. При их разработке и конструкторской реализации возникает рял трудностей. В наиболее значительной степени они связаны наличием в схеме высокого выпрямленною постоянного напряжения, которое обусловливает относительно невысокую надежность работы силовых ключей преобразователя, сложность в изготовлении силовых трансформаторов и необходимость принятия специальных мер по компоновке элементов. Кроме того, высоковольтные импульсные преобразователи обладают повышенным уровнем высокочастотных помех, снижающих надежность работы электронных ириборон-noi рсби гелей и оказывающих iieia-тивное влияние на сети первичного переменною напряжения.

Вместе с этим, достаточно давно известен друюй класс силовых преобразователей - конденсаторный источник вторичного электропитания (КИВГ)П), сущность работы которого заключается в снижении переменного напряжения первичной сети при помощи конденсатора, включенного последовательно с выпрямительным мостом и нагрузкой. В силу ряда причин подобные КИЮ11 не нашли достаточно широкого применения в практике силовой электроники

Последние данные покалывают, что КИВ'Л I дают возможность устранить определенную часть недостатков традиционных бестрансформаторных 11В')П. Это достигается за счет существенного снижения величины постоянного напряжения в тракте его последующего импульсного или линейною силовою преобразования. Малые величины напряжения позволяют применить низковольтные, а, значит, более быстродействующие силовые транзисторы, упро-

стить схемы управления, силовые трансформаторы и снизить жесткость требований к конструированию. Так как рассматриваемые в диссертационной работе КИВЭП обладают свойствами стабилизации выходного напряжения, то они могут применяться в качестве самостоятельных и функционально законченных ИВЭП для питания различного рода электронной и электротехнической аппаратуры как промышленного, так и бытового назначения.

Использование КИВЭМ потенциально дает возможность повысить надежность работы и снизить стоимость источников электропитания. Вследствие этого проведение работ по исследованию электрических процессов в КИВЭП, разработке схемотехнических решений и принципов стабилизации выходного напряжения, определение областей их оптимального применения, является актуальным. Актуальность темы исследования подтверждается также возросшим за последние годы количеством публикаций по тематике КИВЭП и интересом к ним со стороны ряда научно-исследовательских ор!ани заций страны.

Тема диссертации связана с направлениями научно-исследовательских работ, проводимыми в НПО Лпгомлтики ((-.Екатеринбург), НИИ Вычислительных комплексов (г.Москва), Инстигую электродинамики 11А11 Украины (г.Киев) и в ряде ВУЗов России и Украины.

Цель работы: исследование процессов работы в КИВЭП. а именно:

- постановка, с точки зрения теоретических основ электротехники, и решение задачи исследования функционирования потребителя с постоянной потребляемой мощностью от источника с большим внутренним сопротивлением:

- исследование процессов работы несгабилизирующих КИВЭП;

- исследование процессов работ стабилизирующих КИВЭП;

- анализ пульсаций выходного напряжения стабилизирующих и нсстаби-лтирукицих КИВЭП;

- исследование процессов пуска и коммутации токов нагрузки КИВЭ11;

- анализ существующих и разработка новых принципов стабилизации выходного напряжения КИВЭП.

Методы исследования. При исследовании стационарных режимов работы КИВЭП использовались классические методы расчета линейных и нелинейных электрических цепей при переменном и постоянном напряжении. Для анализа полученных уравнений применялись итерационные методы их решения. Мри исследовании изменяющихся во времени процессов, характерные интервалы времени которых описываются составными или различными функциями, использовались методы припасовывания функций.

Экспериментальные исследования с целью проверки корректности полученных теоретических результатов проводились на лабораторных макетах и опытных образцах, предназначенных для отработки схем и возможное!и их реализации в виде монолитных интегральных микросхем. В качестве измерительных средств использовались современные программно-ашшрашые комплексы, функционально представляющие из себя виртуальные осциллографы с объемом памяти для записи процессов изменения токов и напряжения до 2 16.

Научная новизна результатов исследования и защищаемые в работе положения. Впервые разработаны теоретические основы работы КИВЭ1 I. которые включают в себя:

- исследование процессов в электрической цепи, состоящей из потребителя с постоянной мощностью и первичного источника с высоким внутренним сопротивлением;

- исследование установившихся процессов работы КИВЭП;

- исследование пульсаций выходного напряжения в КИВЭП;

- исследование процессов пуска и коммутации тока нагрузки КИВЭП;

- разработка и анализ эффективного метода стабилизации выходною напряжения КИВЭП.

Практическая ценность. Полученные в диссертации теоретические результаты дают возможность разрабатывать практические стабилизирующие КИВЭП, выгодно отличающиеся от известных как по массогабаритным, так и по экономическим показателям.

Внедрение результатов работы. Теоретические и экспериментальные резулыаты исследований используются при выполнении НИР и ОКР в НПО Автоматики ((.Екатеринбург), 1ПД АН Украины (г.Киев). и ПИИ Вычислительных комплексов (г.Москва), а также в учебных промессах ряда ВУЧов России и Украины. И ходе выполнения ПИР и OKI' предполшасчея выпуск монолитных интегральных микросхем КИВ")11 дин промышленного применения.

Публикации. Основные материалы дисссрпщии опубликованы в 10-и печатных paOoiax, включая 2 патента РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит ич введения. 6-и разделен, приложений и заключения, (,'писок цитируемой лиicpaiypu содержит (»0 названии авторов, внесших наибольший вклад в развшие проблемы.

содкржлнш: рльоты

Во иш'денни рассмотрено состояние проблемы ошимапмюсти характеристик ИМ")П различных классов и обосновывается актуальность рабогы.

В первом разделе дан краткий обзор литературы по современным ИВ'ЗП. проведен их сравнительный аналт, в резулмше которого пока инк), что КИВ')М для определенных областей применения имеют ряд преимуществ перед традиционными ИВЭП. Однако их потенциальные возможности могут быть реализованы только на основе детально разработанных основ теории КИВЭГТ, оптимизации электрических режимов работы и создании более совершенных принципов стабилизации выходною напряжения.

Сформулирована цель диссертации и определен объект исследования -конденсаюрные источники вторичного электропитания.

Во взором разделе с пошций теоретических основ -электротехники рас-смофена электрическая цепь, приведенная на рис.1 и состоящая из первичного источника [■'.„. нагрузки - ИПП, которая в частном случае может из себя представлять импульсный стабилизирующий преобразователь напряжения (ИПН) любого вида (или импульсный стабилизатор), и сопротивления /?„. Для этой цепи относительная величина напряжения на нагрузке

Е„ ии

о —----

Рис.1. Электрическая цепь со стабилизирующим ИПН

ипн

Рис.2. Графическое решение уравнения напряжения на нагрузке

Рис.3. График функции тока на) ру чки при изменении сопротивления Н„

и.,

1 ±

4ЛЛ

'Е1

(I)

где /*,, •- мощность, потребпяемая ИГ1Н. Функция (1) имеет двухзначный характер, её графическое решение показано на рис.2. Как видно, для любых значений 4/>„/?,/(Я,,)2 всегда существуют два значения напряжения 5ц (кроме точки, где 8„ - 0.5). Это определяет специфику работы рассматриваемой цепи, что необходимо учитыватьпри работе, например, стабилизирующих ИПН подлинной питающей линии с существенными величинами сопротивления И„.

Уравнение, определяющее гок. потребляемый нагрузкой, имеет пил

2И„

I ±

I -

4/,,Л

(2)

а примерею решения приведен на I рафике рис.3.

Несмотря на наличие знака перед радикалом в выражениях (1) и (2), графики рис.2 и рис.3 имеют функциональный различный характер, чго обусловлено тем, что при малых напряжениях и„ ток /,, стабилизирующего ИНН всегда превышает этот же ток, но при больших величинах (/„.

Нел и задается минимальная величина напряжения (/„, при котором токи нагрузки для заданной мощности /',, будут находится в заданных пределах, то максимальное сопротивление питающей линии находится

К

К

2 и.

(3)

Следовательно, работа стабилизирующего ИП11 при наличии существенных величин сопротивления Л',., в качестве которою может выступим, как сопротивление птающей линии, так и внутреннее сопротивление первичного источника, имеет ряд специфических особенностей. Обнзаюльный учет этой специфики обеспечивает надежную работу стабилизирующего И! 1Н.

Это в полной мере относится к КИВЭГ1, если на его выходе включен стабилизирующий ИПН или нагрузка с неизменной потребляемой мощностью.

I

Основные выводы из анализа, выполненного в разделе 2, служат исходными теоретическими положениями для исследований в последующих разделах.

В третьем разделе выполнено исследование процессов работы простейшего нестабилизирующего КИВЭП, схема которого с временными диаграммами приведена на рис.4. Среднее значение его выходного напряжения в зависимости от исходных параметров определяется одним из двух выражений

и. - /2 и„

(4)

/к (/ _ М.

" 1+ ' ' 4./С.Л,

где ип - действующее значение первичного напряжения. Пример семейств нагрузочных характеристик- простейшего КИВЭП приведен на рис.5.

Мощность, отдаваемая простейшим нестабилизируюшим КИВЭП в нагрузку, находится из выражения

К = 4/Сг{Ли„и. -Г;,), (5)

примеры решения которого приведены на графиках рис.6.

Определено, что форма пульсации напряжения КИВЭП состоит из двух

характерных участков. Для первого из них амплитуда пульсаций определяется

А (У = - Ши„ - )пгссо5 90СЛ Х '

9 ч

Л для второго участка имеем следующую функцию

V2 и

-сое

агат -

Ли.

которая имеет экстремумы в моменты времени

■А А

и„ Ли.)

(7)

о

/2 и„

2Ч» ■Ли,,

(К)

Анализ, выполненный в разделе 3, показывает, что величина С1„ в простейшем КИВП линейно изменяется при изменении тока нагрузки, что делает такие источники питания непригодными для использования в традиционных

Рис.4. Схема простейшего КИВЭП

(/„

120

240 160

ЯП

^„-220 В

('„ .*> мкФ

0,1 0,2 0,3 /„ А

Рис.5. На1 рузомпая характеристики нрооейшею КИВЭП

(.',-5 мкФ

(/,, '220 В

«о 160 240 320 и„ М

Рис.6. График изменения иыходной мощности простейшего КИВЭП

+

применениях. Кроме того, на выходе КИВЭП может присутствовать одно из двух напряжений, разница между которыми может быть значительна. Это определяет необходимость обязательного применения не только стабилизирующих устройств, но и специальных гистерезнсных пороговых схем включения и выключения. Из рассмотренных для пульсаций выходного напряжения двух панов времени экстремальные значения функции имеют место только на втором из них. Максимальная амплитуда пульсаций определяется, в основном, процессами первого этапа.

В четвертом разделе рассмотрены процессы работы двух типов стабилизирующих КИВЭП.

Для КИВЭП с включенным на его выходе стабилитроном КДТ найдена составная функция рассеиваемой им мощности, которая имеет вид

Р„ =

Р

л ст ммс

г,

+ и , при/ </

' иС1 у * * н — * иы

иО МЯКС - К + Кг НИН ) . ПРИ К М..С ^ Л 2 /„ + /С1 МИ11 . ( 9 )

О , при/„>/_„ + /„„„„ ,

где

Лт= [4УГ„(/2и„ - иа)+ /„М11. ], (10)

I...... =4/С„(Л(/„-(/„)-/с............(II)

Функция (9) определяет основной недостаток КИВЭП со стабилитроном, заключающийся в том, что мощность Р„ зависит от мощности в нагрузке. Кроме того, максимальное значение мощности РС1 м,кс будет иметь место при мощности нагрузки Р„ - 0. Это накладывает ограничения на возможности применения подобных КИВЭП при мощностях нагрузки более чем 1 ...3 Вт.

Так как простейший КИВЭП и КИВЭП со стабилитроном обладают рядом недостатков, то предложен импульсный метод стабилизации выходного напряжения. Функционально-структурная схема подобного КИВЭП с временными диаграммами работы приведена на рис.7. Здесь в качестве ключа может

Рис.7. Схема и временные диаграммы раГкпы импульсном) стабнлтирующего КИ1ГЭ11

использоваться как тиристор, так и транзистор. В первом случае управление ключом осуществляется короткими импульсами, что показано пунктиром на диаграмме "упр".

Для обеспечения работоспособности предложенного стабилизирующего КИВЭП схема управления СУ должна формировать строго определенную последовательность "упр" с соответствующей длительностью импульсов и паузы между ними . Необходимо и достаточно, чтобы эти параметры удовлетворяли двум импульсным функциям, которые выражаются

[О, при

71 ^ , . а; п;

* Р 11, при - < (0/ <: N„ ~

(12)

О , при м„

<11

«-1 У ^ |21/„

(13)

1 , при

Предложенный метод отличается сущест венно меньшей мощностью потерь, рассеиваемой элементами КИВ')П, и строгим нормированием амплитуды импульсов тока через ключевой элемент 5. Кроме того, в отличие от КИВЭ1 1 со стабилитроном, силовые элементы схемы работают в режимах отсечки или насыщения, поэтому мощность, рассеиваемая ими, минимальна.

Регулировочная характеристика подобного КИВЭП выражается

•Ли,,

и =

1 +

1 + -

N. N.

(14)

где N. - количество импульсов тока дискретной длительности ~ я, протекающих через диод УОея на заданном интервале времени; /V,, - количество импульсов тока дискретной длительности ш/„ = л. протекающих через ключ 5. Отношение Л/п/А/и определяет три возможных закона управления ключом 5: ЧИМ с изменяемой длительность импульса, ЧИМ с изменяемой длительностью паузы

и двухпозиционный. Так как в силовой части стабилизирующего КИВЭ11 имеется только звено первого порядка, то вопросы его устойчивости при любом из законов управления решаются существенно проще, чем у традиционных ИВЭГ1 с ¿С звеньями. Поэтому выбор законов управления ключом не имеет критичных ограничений и может определяться только конкретными техническими требованиями, задаваемыми при разработке и выбранной элементной базой СУ Анализ пульсаций выходною напряжения КИВ'Л! по схеме рис.7 показал, что имеется несколько характерных интерванон времени изменения выходного напряжения. Их амплитуда находится из трех основных выражений

ли..

2/*„(-'„

(15)

1.1 „ агссо*

I I

л

2"»

2*/К„Сф

и« _ 2 /л/;

/V,, + - агса^ л

2,/«

(16)

(17)

Рассмотрены различные варианты сочетаний характерных интервалов времени, существующих при работе КИВЭП в режиме стабилизации напряжения. Определено, что использование предложенного принципа требует применения больших величин емкости Сф, чем в простейшем КИВЭП или и КИВЭП со стабилитроном.

Показано, что в общем случае форма пульсаций выходного напряжения может иметь нерегулярный характер, то есть частота их будет переменной, что необходимо учит ывать при использовании подобных КИВЭП в цифровой электронной аппаратуре.

Разработана практическая схема, реализующая предложенный принцип стабилизации выходного напряжения, которая в настоящее время проходит ста-

\

дию проверки рабочих режимов элементов и оптимизации характеристик с целью исполнения её в виде монолитной интсгралыюй микросхемы.

В пятом разделе приведены результаты исследования процессов пуска КИВЭП и коммутации токов нагрузки.

Определено, что закон установления выходного напряжения нестабили-зирующего К'ИВ')Г1 при его пуске (первоначальном включении) имеет вид

"„(0 =

4ч/2(7п /7?иСи

I - схр

4/Я.С. +

- t

(18)

4.ЯА+1

Если после установления выходного напряжения происходит скачок сопротивления натрузки с величины /?„] до значения /?„2, то увеличение или уменьшение выходного напряжения описывается одним выражением

К{П ■

фи^с,, 4. /ЛЙС. +1

и.,

4j2U„.fR„,C„

ехр

4<

(14)

4./7^С; 4 I

где U„| находится из (18) при подстановке Я„ - К„

Дня КИВ')П со стабилитроном процесс установления выходною напряжения при пуске отличается тем, чго верхний предел напряжения задается напряжением стабилизации стабилитрона U„ >а. поэтому длительность времени установления определяется

U.....С

•In

_ Фи„/са

*JCe[j2U„-U.J-]

(20)

ш...../е., + /,„

Длителытость установления напряжения после коммутации тока нагрузки может быть найдена

U И VCI ^ф

In

...../г.. + 7„Л(Г/„,... "-'f/~J

4V2(;„(;,iyci./r„

(21)

-16В КИВЭП со стабилитроном, в отличие от КИВЭП с импульсным способом стабилизации, выходное напряжение не может превышать напряжения стабилизации стабилитрона.

Процессы установления напряжения в КИВЭП с предложенным принципом управления существенно отличаются от приведенных выше. Основным уравнением для определения параметров характерных интервалов времени является

-Л.1 ('.-'о)

,(22)

в которое в зависимости от анализируемого интервала времени вместо /о и подставляются последующие дискретные значения

Наличие переменной и существенной по значению задержки определяет потенциально худшие динамические свойства КИВЭП с импульсной стабилизацией по отношению к КИВЭП со стабилитроном, что также является причиной необходимости применения ббльших величин емкости конденсатора Сф.

В шестом разделе приведены нагрузочные характеристики и осциллограммы пульсаций выходного напряжения КИВЭП, снятые на макетах и опытных образцах источников питания, подтверждающие правомерность и корректность полученных в диссертационной работе результатов исследования. Несовпадение теории и эксперимента не превышает 5-15% и объясняется принятыми допущениями.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты выполненной диссертационной работы выражаются в следующем.

1. Определено, что КИВЭП имеют определенные области рационального применения в современной электронной и электротехнической аппаратуре.

Наиболее оптимальная область использования КИВЭП лежит в диапазоне выходных мощностей от долей-единиц ватт до 15...30 Вт. Расширение диапазона мощностей в сторону больших величин возможно при улучшении экономических и массогабаритных характеристик конденсаторов переменного напряжения (конденсатор С0).

2. Выполнен анализ процессов работы источника неизменной потребляемой мощности в системе электропитания с существенным сопротивлением питающей линии или внутреннего сопротивления первичного источника. Показано, что возникающий в подобной системе эффект двузначности выходного напряжения может нарушать работу потребителя и его необходимо учитывать в практике разработки.

3. Выполнен анализ процессов, происходящих в нестабилизирующих КИВЭП. Найдены выражения, определяющие их статические характеристики и пульсации выходного напряжения. Наличие двузначности выходного напряжения накладывает определенные ограничения на использование подобных КИВЭП.

4. Проведено исследование процессов, происходящих в стабилизирующих КИВЭП. Предложен энергетически эффективный импульсный метод стабилизации выходного напряжения. Найдены расчетные выражения для нахождения основных характеристик двух типов КИВЭП: со стабилитроном и со схемой по предложенному методу стабилизации.

5. Существенное выходное сопротивление КИВЭП, которое вызвано наличием конденсатора С0, определяет необходимость обязательного использования в стабилизирующих КИВЭП специальных гистерезисных пороговых устройств включения и выключения. Вместе с этим, нормальный процесс пуска КИВЭП с включенным на его выходе стабилизирующим или нестабилизирую-щим ИПН обеспечивается только при наличии определенной величины емкости конденсатора Сф, которая должна обеспечить заряд выходных сглаживающих конденсаторов высокочастотного ИПН при допустимом снижении напря-

жения на Сф. Созданные технические решения, улучшающие технико-экономические характеристики КИВЭП защищены двумя патентами Российской Федерации.

6. Системный анализ возможностей применения КИВЭП показывает, что практически реализуемы как минимум 5 вариантов функционально-структурных схем источников электропитания для электронной и электротехнической аппаратуры. Они отличаются областями применения. Первый вариант - с нестабилизирующим КИВЭП, пригоден для питания аппаратуры с не изменяющимся во времени токе нагрузки. Применение его крайне ограничено по целому ряду причин. В остальных вариантах используются стабилизирующие КИВЭП. Они имеют более широкий круг применения, так как в них исключены аварийные ситуации при коммутации токов нагрузки и эффект двузначности выходного напряжения. Рассмотрены варианты ИВЭГ1 с электрической изоляцией первичного переменного напряжения и выходных постоянных напряжений, что достигается введением последовательно с КИВЭП низковольтного высокочастотного ИПН. К этому же классу ИВЭП относится система электропитания, работающая в режиме значительных пульсаций выходного напряжения на конденсаторе Сф, которая позволяет уменьшить емкость, а, следовательно, и габариты Сф.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Курченкова Н.Б., Сергеев Б.С. Конденсаторные источники вторичного электропитания // Железнодорожный транспорт сегодня и завтра: Тез. докл. научно-тех. конф.- Екатеринбург: Уральская гос. Академия путей сообщения, 1998,- Ч.1.- С. 176-177.

2. Сергеев Б.С., Курченкова Н.Б. Работа стабилизирующих ИВЭП от первичного источника с большим сопротивлением // Электросвязь.-1998.- № 8.-С.33-35.

3. Пат. РФ № 2123755. Источник вторичного электропитания / Б.С. Сергеев, Н.Б.Курченкова. Публ. БИ 1998, № 35. МПК Н02М 7/21.

- 194. Курченкопа П.Б., Сергеев Б.С. Конденсаторные источники вторичного электропитания//Электричество,- 1999,- №2.-С.4б-51.

5. Курченкова Н.Б., Сергеев Б.С. Об одной задаче электротехники // Совершенствование информационных систем на ж.д. транспорте: Сб. научных трудов.- Екатеринбург: Уральская гос. Академия путей сообщения.-1999,-Вып.№ 10(92).- С. 102-105.

6. Курченкова Н.Б. Особенности работы стабилизирующих ИВЭГ1 в устройствах железнодорожной автоматики // Молодые ученые - транспорту: Тез. докл. научно-техн. конф.- Екатеринбург: Уральская гос. академия путей сообщения,- 1999.- С.129-131.

7. Пат. РФ № 2138113. Источник вторичного электропитания / Н.Б. Курченкова, Б.С.Сергеев. Публ. БИ 1999, №26.. МПК Н02М 7/21.

8. KurchenkovaN.B., Sergeev B.S. Capacitor-Type Secondary Power Supplies // Electrical Technology Russia.- 1999.- №1.-P.92-101.

9. Курченкова Н.Б. Специфические особенности конденсаторных источников вторичного электропитания // Фундаментальные исследования транспорту - 2000: Сб.тез.докп. научно-техн. конф.- Екатеринбург: Уральский гос. гос. университет путей сообщения.- 2000.- с.67-68.

10. Курченкова Н.Б. Основные электрические характеристики конденсаторных источников вторичного электропитания // Современные информационные системы и технологии: Сб.научных трудов,- Екатеринбург: Уральский гос. университет путей сообщения,- 2000,- Вып.№12 (94).- с.65-77.

Печ.л. 1,2,5 Тираж 100 Закат Ü5

Типография МЭИ, ул.Красноказарменная, 13

Введение.

1. Обзор литературы и постановка задачи исследования.

1.1. Обзор литературы по современным ИВЭП.

1.2. Цель диссертации и объект исследования.

2. Исследование процессов работы стабилизирующих ИПН

3. Исследование процессов в нестабилизирующих КИВЭП.

3.1. Исследование статических характеристик.

3.2. Анализ пульсаций выходного напряжения.

4. Исследование процессов в стабилизирующих КИВЭП.

4.1. Исследование статических характеристик.

4.2. Анализ пульсаций выходного напряжения.

5. Исследование процессов пуска КИВЭП и коммутации токов нагрузки.

5.1. Исследование процессов в нестабилизирующих КИВЭП

5.2. Исследование процессов в стабилизирующих КИВЭП

5.2.1. Исследование процессов в КИВЭП со стабилитроном

5.2.2. Исследование процессов в КИВЭП с импульсным регулированием.

6. Экспериментальная часть.

Настоящий период развития общества характеризуется широчайшим и революционизирующим внедрением средств микроэлектроники и вычислительной техники практически во все сферы человеческой деятельности [1]. Нельзя назвать ни одной отрасли, где бы не использовались подобные устройства. В первую очередь к ним можно отнести промышленность, военную технику, транспорт, связь, медицину, сельское хозяйство и др. В наиболее значительной степени этому способствовало появление интегральных микросхем (ИМС) высокой и сверхвысокой степени интеграции, позволивших не только радикально увеличить функциональную и количественную сложность решаемых микроэлектронными устройствами задач, но и решать ранее недостижимые задачи, относящиеся, например, к глобальным системам связи, метеорологии, геофизики, киноискусству и т.д. [2]. Процессу электронизации и информатизации способствовало также внедрение её в мировое сообщество. Невозможно переоценить влияние электронизации бытовой сферы. Практически в каждом доме имеются довольно сложные электронные приборы - телевизоры, ви-деомагниофоны, музыкальные центры, СВЧ-печи, стиральные машины с электронным управлением и др. Не является удивительным наличие в быту персональных компьютеров, использующихся для самых различных целей: учебных, развлекательных, информационных и т.п. За последнее время получила распространение цифровая фотоаппаратура, а также функционально сложные электронные системы, сочетающие в себе функции телевизора, компьютера с управляющими функциями и выходом на соответствующие бытовые терминалы. В недалеком будущем жизнь человека невозможно будет себе представить без электронных управляющих и информационных систем, включая бытовые.

Электропитание электронных функциональных узлов практически во всех приборах осуществляется при помощи источников вторичного электропитания (ИВЭП), которые осуществляют преобразование первичного напряжения в требуемые для электронных узлов постоянные напряжения заданной величины и требуемого качества. В зависимости от вида первичного напряжения можно определить два основных типа ИВЭП: с преобразованием постоянного напряжения в постоянные и с преобразованием переменного напряжения в постоянные.

Первые из них, в своем большинстве, используются в переносных электронных приборах и в специальных управляющих системах, например, военно-космического назначения.

В стационарной бытовой и профессиональной электронной аппаратуре первичным источником для ИВЭП зачастую являются сети переменного стандартного напряжения 220 или 380 В частоты 50 (60) Гц. Специальная электронная аппаратура, например, самолетов и некоторых других летательных аппаратов, в качестве первичного источника используется переменное напряжение повышенной частоты - 400, 1000 Гц и более.

Доля ИВЭП, у которых в качестве первичного используется переменное напряжение, значительна. В первую очередь это объясняется наличием увеличивающегося во времени громадного парка стационарной вычислительной техники, а также бытовой электронной аппаратуры. Большая часть новых и перспективных электронных систем также питается от переменного напряжения.

Поэтому вопросы исследования ИВЭП с первичным переменным напряжением актуальны, а улучшение экономических, энергетических и эксплуатационных показателей ИВЭП позволят получить материальный и экологический эффект. Кроме того, во многих практических случаях совершенствование характеристик ИВЭП позволяет существенно расширить функциональные возможности применения питаемой ими электронной аппаратуры.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения диссертационной работы установлены следующие основные закономерности, выносимые на защиту.

1. Определено, что КИВЭП имеют определенные области рационального применения в современной электронной и электротехнической аппаратуре. Наиболее оптимальные пределы выходной мощности КИВЭП находятся в диапазоне от единиц-дол ей ватт до 15. 30 Вт. Увеличение мощности возможно при улучшении массогабаритных и экономических характеристик конденсаторов переменного напряжения (конденсатор С0).

2. Выполнен анализ процессов работы источника неизменной потребляемой мощности в системе электропитания с существенным сопротивлением питающей линии. Показано, что возникающий в подобной системе эффект двузначности выходного напряжения может нарушать работу потребителя и его необходимо учитывать на практике.

3. Выполнен анализ процессов, происходящих в нестабилизирующих КИВЭП. Найдены уравнения, определяющие статические характеристики и пульсации выходного напряжения. Наличие двузначности напряжения определяет специфику работы подобных КИВЭП в системах электропитания и требует принятия специальных мер по исключению одного из напряжений при воздействии всех дестабилизирующих факторах, которые могут возникнуть при эксплуатации.

4. Проведено исследование процессов, происходящих в стабилизирующих КИВЭП. Предложен энергетически эффективный метод импульсной стабилизации выходного напряжения. Найдены расчетные выражения для нахождения основных характеристик двух типов КИВЭП: со стабилитроном и со схемой по предложенному методу.

5. Существенное выходное сопротивление КИВЭП, которое вызвано наличием конденсатора С0, определяет необходимость обязательного использования в стабилизирующих КИВЭП пороговых гистерезисных устройств включения и выключения. Вместе с этим, нормальный процесс пуска КИВЭП с включенным на его выходе стабилизирующим или нестабилизирущим ИПН обеспечивается только при наличии определенной величины емкости конденсатора фильтрующего Сф, которая должна обеспечить заряд выходных сглаживающих конденсаторов ИПН при заданном снижении величины напряжения на этом конденсаторе. Созданные оригинальные технические решения, улучшающие технико-экономические характеристики КИВЭП, защищены двумя патентами Российской Федерации.

6. Выполненный анализ показывает, что на основе рассмотренных КИВЭП могут быть реализованы несколько основных типов источников вторичного электропитания. Их структурные схемы приведены на рис.3.1

Первая из них (рис.3.1,а) не содержит элементов стабилизации выходного напряжения 11н и может быть применена только при неизменном токе /н нагрузки КИВЭП. Вместе с этим, следует учитывать, что отсутствие стабилизирующих элементов (например, в простейшем случае стабилитрона) приводит к появлению двузначности выходного напряжения, а также к возникновению аварийной ситуации при обрыве цепи нагрузки и последующему катастрофическому отказу элементов.

Вторая схема (рис.3.1,б) состоит из стабилизирующего КИВЭП, где в качестве стабилизатора Стаб. может использоваться как стабилитрон, так схема по предложенному методу. Её недостатком является отсутствие электрической изоляции первичного напряжения от выходного. Поэтому она может использоваться в некоторых частных применениях. Примерами могут служить схемы дежурного режима работы телевизоров, некоторые бытовые электроприборы, у которых конструктивными методами обеспечивается надежная защита от касания сетевого провода и т.п. Наиболее эффективными примером использования КИВЭП, где его недостаток (большое выходное сопротивление) превращается в преимущество, является применение КИВЭП в зарядных устройствах аккумуы я) б) е) г) д)

Рис.3.1. Варианты структурных схем ИВЭП ляторных батарей. Здесь функцию ограничителя тока заряда выполняет конденсатор С0, а регулировку тока заряда, если это требуется, можно осуществлять предложенной схемой импульсной стабилизации. Очевидно, что КПД такого зарядного устройства будет достаточно велик.

Третий пример использования КИВЭП приведен на схеме рис.3.1,е. Здесь электрическая изоляция напряжений обеспечивается импульсным высокочастотным нестабилизирующим преобразователем ИПН, первичное (входное) постоянное напряжение которого существенно снижено по отношению к традиционным бестрансформаторным ИВЭП. В данной схеме стабилизация осуществляется устройством стабилизации по предложенному методу, а обратная связь ОС на схему управления подается со входа ИПН. Так как стабильность напряжения на выходе КИВЭП может быть сделана достаточно высокой, то вполне возможно использование нестабилизирующих ИПН.

На схеме рис.3.1,г обратная связь ОС для стабилизации по предложенному методу берется с выхода одного из напряжений ИПН. Здесь обеспечивается лучшая стабильность выходных напряжений источника электропитания, однако для сохранения электрической изоляции напряжений требуется передача сигнала ОС через элемент с электрической изоляцией.

Схема с двумя управляющими обратными связями приведена на рис.3.1Д Здесь первая связь ОС1 осуществляет импульсную стабилизацию выходного напряжения КИВЭП, а вторая ОС2 - стабилизацию выходных напряжений ИПН. Несмотря на функционально большую сложность подобного устройства, здесь появляется возможность для существенного уменьшения величины емкости конденсатора Сф, так как обратная связь ОС2 внутри ИПН может обеспечить его работоспособность при существенно больших пульсациях входного постоянного напряжения, что и дает возможность для уменьшения емкости Сф. Усложнение источника электропитания при современном уровне микроэлектронной схемотехники может быть достаточно малозначимым.

1. Глазенко Т.А., Прянишников В.А. Электротехника и основы электроники." М.: Высш. школа, 1996.- 207с.

2. Митропольский Ю.И. Суперкомпьютеры и микропроцессоры // Электроника, 1998, №3-4.- С. 19-22.

3. Рогинский В.Ю. Электрическое питание радиотехнических устройств.-М.-Л.: ГЭИ, 1957,- 516с.

4. Проектирование стабилизированных источников электропитания радиоэлектронной аппаратуры / Л.А.Краус, Г.В.Гейман, М.М.Лапиро-Скобло, В.И.Тихонов.- М.: Энергия, 1980,- 288с.

5. Миловзоров В.П., Мусолин А.К. Дискретные стабилизаторы и формирователи напряжения.- М.: Энергоатомиздат, 1986.- 248с.

6. Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи.- М.: Энерготомидат, 1986.- 376с.

7. Ромаш Э.М. Источники вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры.- М.: Радио и связь, 1981.- 224с.

8. Мкртчян Ж.А. Электропитание электронно-вычислительных машин.-М.: Энергия, 1980.- 280с.

9. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / Под ред. Г.С.Найвельта.- М.: Радио и связь, 1986.- 576с.

10. Кожарский Г.В., Орехов В.И. Методы автоматизированного проектирования источников вторичного электропитания.- М.: Радио и связь, 1985.-184с.

11. Иванов-Цыганов А.И. Электропреобразовательные устройства радиоэлектронных систем.- М.: Высш.шк., 1991.- 272с.

12. Конев Ю.И. Компенсаторы мощности искажений.- Сб. Электропитание / Под ред.Ю.И.Конева, вып. 1.- М.: Асс."Электропитание", 1993. С.60-70.

13. Конев Ю.И. Полупроводниковые триоды в автоматике.- М.: Сов.Радио.- I960,- 446с.

14. Источники вторичного электропитания / Под ред.Ю.И.Конева.- М.: Радио и связь, 1983.- 280с.

15. Источники вторичного электрпопитания / Под ред.Ю.И.Конева.- М.: Радио и связь, 1990.- 280с.

16. Основы пректирования микроэлектронной аппаратуры / Под ред. Б.Ф. Высоцкого.- М.: Сов.Радио, 1977.- 352с.

17. Микроэлектронные электросистемы / Под ред.Ю.И.Конева.-М.: Радио и связь, 1987.- 240с.

18. Коссов O.A. Усилители мощности на транзисторах в режиме переключений.- М.: Энергия, 1971.- 432с.

19. Моин B.C., Лаптев H.H. Стабилизированные транзисторные преобразователи.- М.: Энергия, 1972.- 512с.

20. Александров Ф.И., Сиваков А.Р. Импульсные полупроводниковые преобразователи и стабилизаторы постоянного напряжения.- Д.: Энергия, 1970.-188с.

21. Источники электропитания на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет / Под ред.С.Д.Додика и Е.И.Гальперина.- М.: Сов. Радио, 1969,- 448с.

22. Ромаш Э.М. Транзисторные преобразователи с устройствах питания радиоэлектронной аппаратуры. М.: Энергия, 1975.- 176с.

23. Ромаш Э.М., Драбович Ю.И., Юрченко H.H., Шевченко П.Н. Высокочастотные транзисторные преобразователи,- М,: Радио и связь, 1988.- 288с.

24. Стабилизаторы переменного напряжения с высокочастотным широт-но-импульсным регулированием / А.В.Кобзев, Ю.М.Лебедев, Г.Я. Михальченко и др.- М.: Энергоатомиздат, 1986.- 152с.

25. Сергеев Б.С., Чечулина А.Н. Источники электропитания электронной аппаратуры железнодорожного транспорта.- М.: Транспорт, 1998,- 280с.

26. Браславский JI.M., Кобылянский В.Г., Сажин A.M. Способы бестрансформаторного преобразования напряжения и построения бестрансформаторных источников питания / Приборы и техника эксперимента.- 1977, № 4.-С.196-200.

27. Сергеев Б.С. Схемотехника функциональных узлов источников вторичного электропитания.- М.: Радио и связь, 1992.- 224с.

28. Сергеев Б.С. Анализ ИВЭП с конденсаторным снижением напряжения.- Сб. Техника средств связи / Сер. Средства вторичного электропитания (СВЭП).- 1992, вып.2.- С.9-17.

29. Сергеев Б.С. Исследование возможности применения конденсаторных ИВЭП // Электросвязь, 1994, № 6.- С.25-27.

30. Сергеев Б.С. Предельные возможности применения конденсаторных ИВЭП // Электросвязь, 1996, № 2,- С.38-40.

31. Курченкова Н.Б., Сергеев Б.С. Конденсаторные источники вторичного электропитания // Железнодорожный транспорт сегодня и завтра / Тез. докл. НТК,- Екатеринбург: УрГАПС, 1998, Ч.1.- С. 176-177.

32. Курченкова Н.Б., Сергеев Б.С. Конденсаторные источники вторичного электропитания // Электричество, 1999, № 2.- С.46-51.

33. Kurchenkova N.B., Sergeyev В.S. Capacitor-type secondary power supplies // Electrical Technology Russia, 1999, №1.- p.p.92-101.

34. Сергеев Б.С. Многоканальные источники вторичного электропитания на основе транзисторных однотактных преобразователей постоянного напряжения / Автореферат дисс. д.т.н.- М.: МЭИ, 1993.- 40с.

35. Дорофеев М. Бестрансформаторный с гасящим конденсатором // Радио, 1995, № 1.- С.41-42.

36. Дорофеев М. Бестрансформаторный с гасящим конденсатором // Радио, 1995, №2.- С.36-37.

37. Бирюков С. Расчет сетевого источника питания с гасящим конденсатором // Радио, 1997, № 5.- С.48-50.

38. Ховайко О. Источники питания с конденсаторным делителем напряжения // Радио, 1997, №11.- С.56-57.

39. Бирюков С. Подключение малогабаритных выносных 120-вольтных блоков питания к сети 220 В // Радио, 1998, № 7,- С.49,54.

40. Трифонов А. Конденсаторно-стабилитронный выпрямитель// Радио, 1998, № 9.- С.49.

41. Колосов В.А., Лукин A.B., Сергеев Б.С. Схемотехника высокочастотных преобразователей напряжения.- М.: АО ВТ и ПЭ, 1993.- 150с.

42. Расчет эксплуатационных характеристик и применение электрических конденсаторов / Б.П.Беленький, П.Н.Бондаренко, М.Э. Борисова и др.- М.: Радио и связь, 1988.- 240с.

43. Сергеев Б.С., Курченкова Н.Б. Работа стабилизирующих ИВЭП от первичного источника с большим сопротивлением // Электросвязь, 1998, № 8,-С.33-35.

44. Атабеков Г.И. Теория линейных электрических цепей,- М.: Сов. Радио, i960,-318с.

45. Пат. РФ №2138113. Источник вторичного электропитания / Н.Б. Курченкова, Б.С.Сергеев. Публ. БИ 1999, №26. МПК Н02М 7/21, 7/217.

46. Пат. РФ №2123755. Источник вторичного электропитания / Б.С. Сергеев, Н.Б.Курченкова. Публ. БИ 1998, №35. МПК Н02М 7/155, 7/217.

47. Букреев С.С. Силовые электронные устройства.- М.: Радио и связь, 1982,- 256с.

48. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования,- М.: Наука, 1975,- 768с.

49. Курченкова Н.Б. Особенности работы стабилизирующих ИВЭП в устройствах железнодорожной автоматики // Молодые ученые транспорту / Тез.докл. НТК,-Екатеринбург: УрГАПС, 1999,- 129-131.

50. Курченкова Н.Б., Сергеев Б.С. Об одной задаче электротехники // Совершенствование информационных систем на железнодорожном транспорте / Сб.научн.трудов.- Екатеринбург: УрГАПС, 1999, №10 (92).- С. 102-105.

51. Курченкова Н.Б. Проверка и ремонт аппаратуры САУТ // Совершенствование процессов разработки, внедрения, обслуживания и ремонта путевых устройств САУТ / Тез.докл. сетевой школы. Екатеринбург: Управление Свердл.ж.д., 1996,- С.27-29.

52. Колосов В.А. Электропитание стационарной радиоэлектронной аппаратуры.- М: Радио и связь, 1992.- 160с.

53. Колосов В.А. Организация питания супер ЭВМ // Вопросы радиоэлектроники. Сер. ЭВТ,- 1990, вып. 10.- С.56-68.

54. Weiss R. Focus on supply Ics. // Electronic Design.- 1985, vol.33, №18.-P.137-140.

55. Matsui N., Takeshita Т., Vura M. One Chip Micro - computer - Based controller for the Hurray Inwertor // IEEEE Trans, on industrial electronics. - 1984, vol. JE-31, №3.- P.249-354.

56. Middlebrook R.D., Chuk S.A. A General Unified Approach to Modelling Switching Converter Power Stages // IEEE Power Electronics Specialists Conference Record.- 1976, june.- P. 18-34.

57. Ninomiya Т., Harada K., Nakahara M. On the Maximum Regulation Range in Boost and Buck Converters // IEEE Power Electronics Specialists Conference Record.- 1981, june.-P. 146-153.

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

59. Finke R.C., Sundberg G.R., Advanced electrical power system technology for the all electric aircraft // Proc. IEEE NAECON.- 1983,- P.53-55.

60. Chen D., Chandrasekaran S. FET-gated high voltage bipolar transistor // Conf. Rec. IEEE, IAS-17th, 1982,- P.713-720.