автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Исследование и разработка высокоэффективных импульсных источников бесперебойного питания с синусоидальным выходным напряжением для аппаратуры связи

,5? 5?

о

со

с. СЦ

^ На правах рукописи

ШАИСИВВ Бажтияр Гаэиевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА БЫСОКОЭФФЕКТИБНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ИСТОЧНИКОВ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ С СИНУСОИДАЛЬНЫМ ВЫХОДНЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ ДЛЯ АППАРАТУРЫ СВЯЗИ

Специальность ®5.12.17 - Радиотехнические я телевизионные системы

и устройства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1995

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном универс] тете телекоммуникаций ии,проф. К.А.Бонч-Бруевича

Научный руководитель доктор технических наук,

профессор В.И. Хрисанов

Официальные оппоненты доктор технических наук,

профессор В. Ф, Дмитрвков;

кандидат технических наук,

ст. научный сотрудник В.И. Кудрявцев

Ведущая организация указана в решении диссертационного совета

Защита диссертации состоится /Г на заседании диссертационного совета К118.01.01 при Санкт-Петербурге ком государственном университете телекоммуникаций им. проф. И.А. Бонч Бруевича по адресу; 191186, СПб, наб.р. Мойки, 61.

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке универ ситета.

Отзыв на автореферат <в двух экземплярах, заверенных печатью просим направлять на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан Л ^

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

В.Х. Харитонов

Подписано х печати 15.03.98. Объем 1 печ♦ л» Тир» 60 экз. Зак*

Тип. СПЙГУТ. 191166, СПб, наб.р. Койки, 61

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Предприятия связи располагаются, как 1равило, в местах, где они могут быть обеспечены наиболее надежными и зешевыми источниками электроэнергии, каковыми являются электрические ;ети энергосистем. Предприятия электросвязи подключаются к энергосистемам через собственные трансформаторные подстанции, преобразующие высокое напряжение 10кВ или бкВ в напряжение 0,4кВ 3-фаэного переменного гока с частотой 50Гц. Однако надежность электрических сетей энергосистем недостаточна для обеспечения бесперебойности в подаче электроэнер-~ии электроприемникам, особенно относящимся к первой категории. Поэтому снабжение предприятий связи электрической энергией осуществляется эт нескольких независимых друг от друга источников, которыми могут яэ-тяться как электрические сети энергосистем (источники внешнего электроснабжения), так и собственные автоматизированные электростанции, эборудованные, как правило, дизель-генераторами. Кроме того, на пред-1риятиях связи предусматривается резервирование электрической энергии ю постоянному току с помощью аккумуляторных батарей <АБ>,

На современных предприятиях связи все в больших масштабах применяется перспективные способы обработки и распределения информации с ис-юпьэованием компьютерных технологий, что является причиной увеличения ■гисла потребителей электроэнергии, использующих цифровые методы обработки информации с импульсным потреблением мощности. Большое число компьютерного оборудования, обычно подключаемого к внешним источникам электроснабжения, увеличивает их нагрузку. Сеть начинает работать на чределе возможностей, а кроме того в ней появляются дополнительна всплески, высокочастотные гармоники и шумы от работы таких устройств, в.ак лазерные принтеры, факсы, ксерокопировальная техника и так далее. Подключение этой техники приводит к тому, что сам компьютер вынужден работать в условиях повышенного уровня помех по сети электропитания.

Самой чувствительной к условиям энергообеспечения (качеству электроэнергии и бесперебойности ее подачи) является ПЭВМ, ставшая неот'ем-пемой частью любого предприятия связи. При некачественном электропитании, когда имеют место высокочастотные и импульсные помехи, провалы и броски питающего напряжения и, наконец, полное обесточивание сети, прежде всего выходит из строя элементная база компьютера, включая жесткий диск и 037. Даже очень кратковременный провал питающего напряжения способен исказить данные в 037, В результате внезапного отключения электропитания может быть нарушена структура данных в файл-сервере локальной вычислительной сети.

Создаваемые в электросети помехи имеют довольно широкий спектральный состав (сотни Гц-КГц), поэтому они беспрепятственно проникают через традиционные ЙВЭП, что приводит к сбоям в работе ПЭВМ и других цифровых систем управления, на восстановление которых приходится затрачивать определенное время и материальные средства,

Исследования в этой области свидетельствуют о том, что в средней до 120 отклонений от нормальной работы сети различного характера еже-

месячно воздействует на каждою единицу вычислительной, высокочувстви тельной измерительной техники, систем управления и роботизированнь рабочих мест (статистические данные фирмы IBM), Статистика также сви петелъствует, что в результате нарушения нормальной работы злектросет в 75% случаев отказов в ПЭВМ происходит потеря информации и в 65% вь ходит из строя электронное оборудование. Это означает, что питаема аппаратура должна быть защищена как от помех и бросков (провалов) накп ряжения сети, так и от обесточивания.

Б настоящее время многие фирмы заняты разработкой и выпуском раз личных вариантов построения источников бесперебойного питания (ИБП) обеспечивающих качественное электропитание аппаратуры связи и одновре менно являющихся экологически чистыми (с высокими показателями г ЭКС). К таким фирмам относятся: BEST POVER TECHNOLOGY (США), SOL ELECTRIC (Швейцария-США), UPSONIC (Великобритания), CHLORYDE (Великой ритания), MERLIK GERING (Франция), VICTRON (Нидерланды), EXIDE ELECT RONICS (Великобритания), FISKARSS (Финляндия), ELCO (Словакия), HHBEF ТОР (Россия), AMERICA» POVER CONVERSION (США), TRIFLITE (США), ЕК (Турция).

К сожалению, при всем многообразии возможных вариантов построен» ИБП промышленно выпускаемые источники обладают следующими недостатке ми. Многие ИБП при малых габаритах и массе имеют несинусоидальную фор му выходного напряжения (прямоугольную или ступенчатую), что отрица тельно сказывается на технических характеристиках питаемой аппаратурь В случае же синусоидальной формы выходного напряжения предлагаемые Hi имекпг значительные габариты и массу. В настоящее время интенсивно ве дутся работы по поиску компромиссного технического решения, позволяй щего в равной мере использовать достоинства известных разработок свести к минимуму их недостатки. Поскольку решению именно этих вопрс сов посвящена диссертационная работа, то ее тему следует считать акту алъной.

Целью работы является исследование и разработка ИБП, поэволяющег повысить качество электроэнергии, отдаваемой потребителю при улучше* ных массогабаритных и энергетических показателях.

Поставленная цель требует решения следующих задач:

а) разработка структурной схемы ИБП, обеспечивающего заданное качестЕ электрической энергии при минимальных габаритах и массе устройства;

б) разработка высокоэффективного способа формирования синусоидальног напряжения промышленной частоты (5®Гц), позволяющего повысить рабоч^ частоту коммутации в импульсном полупроводниковом преобразователе эффективность работы и массогабаритные показатели высокочастотног согласующего трансформатора;

в) разработка выходного фильтра ИБП, обеспечивающего необходимое кг чество электроэнергии на выходе ИБП.

Методы исследования. Для достижения цели исследования применен

;ледующие методы: теория линейных и нелинейных цепей, спектральный (налиэ с использованием двойных рядов Фурье, компьютерное моделирова-тв. Наряду с теоретическими метопами анализа использовалось натурное макетирование ИБП и его экспериментальное исследование,

Научная новизна заключается а следующем;

1. На основании качественного анализа структурных схем ИБП типа эп-11пе с синусоидальным выходным напряжением предложена новая структурная схема, обеспечивающая снижение числа преобразований электроэнергии первичного источника.

2. Предложен способ синусоидальной широтно-импульсной модуляции с формированием симметричного двуполярного импульсного напряжения в про-иежуточном эвене повышенной частоты (инверторе)■ Данный способ позво-пил решить проблему полного перемагничивания сердечника высокочастотного трансформатора на частоте, равной половине несущей, и тем самым в несколько раз повысить его массогабаритные показатели,

3. Установлена аналитическая зависимость между формой пилообразного опорного напряжения со спектральным составом напряжения на выходе демодулятора,

4- Определен спектральный состав напряжений на выходе демодулятора (реверсивного выпрямителя) и высокочастотного инвертора с предложенной ШИН и проведена оценка основных энергетических составляющих в указанных напряжениях.

5. Выполнен анализ процессов перемагничивания сердечника трансформатора при различных видах широтноимпульсной модуляции.

6. На основании анализа спектрального состава предложена 3-звенная топология построения выходного фильтра.

Практическая ценность заключается в следующей-.

- разработана принципиальная схема ИБП, обеспечивающего бесперебойное электропитание с заданным качеством электроэнергии при повышении технико-экономических показателей ИБП (включая уменьшение массы и габаритов устройства).

- разработана система управления источником, практически полностью выполненная на цифровых микросхемах и использующая цифроаналоговый преобразователь для формирования эталонного напряжения, что позволило повысить ее помехоустойчивость и уменьшить габаритные размеры и массу,

- разработана схема 3-звенного выходного фильтра с использованием в одном из звеньев фильтра о индуктивными связями, позволяющего в значительной степени подавить гармонические составляющие в выходном напряжении при хороших удельных характеристиках.

- приведены рекомендации по выбору материала магнитопровода и произведен расчет трансформатора при симметричной двуполярной импульсной форме прикладываемого напряжения.

- на основании экспериментальных исследований дана сравнительная оценка вариантов построения выходных фильтров и потерь мощности в раз-

личных типах ИБП.

- разработан и испытан экспериментальный образец ИБП, реализуемь на существующей элементной базе, сняты основные характеристики, nom верждакяцие преимущества предложенного варианта по сравнению с аналога ми.

Апробация работы. Р&эультаты работы обсуждались на НТК университе та и научно-технических семинарах кафедры "Силовая Электроника", также на международных конференциях "RUSSIAH TELECOM 94", АЭП-95 UEES-S6.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том чис/ 3 статьи в сборнике "Труды учебных заведений связи", патент на изобрс тение и свидетельство на полезную модель РФ, 6 выступлений на НТК уш верситета, 3 выступления на международных конференциях.

Вклад автора в разработку проблемы. Основные научные положени; теоретические выводы и рекомендации, содержащиеся в диссертационнс работе, получены автором самостоятельно.

Об-ьем и стрцктчра работы. Диссертация содержит введение, 5 глеи заключение, список литературы и 3 приложения. Основной текст диссерте ции изложен на 146 страницах машинописного текста. Список литерату] включает 13® наименований.

Основные положения, выносимые на защиту:

- новая структурная схема ИБП, включающая входной импульсный ctî билизатор, высокочастотный инвертор и реверсивный выпрямитель, с оба'. нованием эффективности ее применения,

способ формирования синусоидального напряжения промышленной ча< тоты на основе предложенной симметричной 2-полярной UMM в промежуто< ном звене повышенной частоты,

- результаты анализа спектрального состава выходных напряжений и1 вертора и демодулятора и оценка уровня высших гармоник в указан» напряжениях.

- методика и результаты компьютерного моделирования процессов m ремагничивания высокочастотного импульсного трансформатора и частот» свойств выходного фильтра,

результаты сравнительного анализа характеристик ИБП и отдельн: их узлов на основе теоретических и экспериментальных исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, Сформулир) ваны цель и задачи работы, перечислены основные научные и практическ: результаты, приведены сведения о структуре и объеме диссертации.

В первой главе произведен анализ причин снижения качества электр энергии в сетях переменного тока с изложением технических требовани предъявляемых к ИБП-, рассмотрены способы улучшения качества потребля мой электроэнергии; приведена сравнительная оценка вариантов постро ния систем гарантированного и бесперебойного питания аппаратуры свяэ

эыбран оптимальный вариант построения структурной схемы источника 6нс-1еребойного питания.

При анализе причин снижения качества электроэнергии были рассмотрены различные аварийные ситуации в сети и причины их возникновения.

По интенсивности появления самым характерным аварийным режимом в ;ети (более 8©%) является длительное по времен* в течение суток пони-кенное напряжение, что связано с перегрузкой сети по тем или иным причинам. Далее идут различного рода искажения формы напряжения сети (6о-пее 15%); всплески (®,7%>, низкочастотные шумы (7%>, помехи по электросети и другие виды искажения формы питающего напряжения <7,4%). Наиболее редкими (около 5%), но и самыми неприятными па воздействию на питаемую аппаратуру являются различные по длительности режимы обесто-чивания, наличие которых в совокупности с перечисленными выше ненормированными режимами сети заставляет разрабатывать оборудование, обеспечивающее гарантированное либо бесперебойное снабжение потребителя электроэнергией требуемого качества.

Известны различные варианты построения такого оборудования, подразделяющегося на следующие классы.

Класс 1, Сетевые ¡рильтры-ограничители напряжения, которые используются для подавления всплесков напряжения и шумов в электрической сети при питании периферийного оборудования; модемов, принтеров, факсов и так далее,

Сетевые фильтры-устройства, способные подавлять помехи, находящиеся в радиочастотном диапазоне <до сотен КГц) и наложенные на основную кривую питающего напряжения. Амплитуда такой помехи может составлять десятки вольт. Также они способны подавлять высоковольтные импульсы (кратковременные (до 5-10 мс>>, превышающие в 1,5 и более раз номинальное значение питающего напряжения.

Класс 2. Феррорезонансные и/или электронные стабилизаторы напряжения сети. Этот относительно простой и надежный вариант позволяет только стабилизировать в заданном диапазоне напряжение питания аппаратуры, но не обеспечивает ее функционирование при пропадании напряжения в сети или выходе его за допустимые пределы изменения.

Класс 3. Различные варианты построения источников гарантированного (резервного) и бесперебойного питания.

В настоящее время наиболее полно перечисленный круг вопросов решается с помощью оборудования, относящегося именно к этому классу.

Технические требования, предъявляемые к ИБП, определяются условиями его эксплуатации с учетом необходимого для потребителя качества питающего напряжения.

Разрабатываемый источник бесперебойного питания должен обеспечивать выполнение:

- заданных значений выходного напряжения ИБП, частоты, выходной мощности, коэффициента гармоник выходного напряжения во всем диапазоне

изменения выходной мощности;

- высокой надежности работы и достаточна большого срока службы;

- полной гальванической развязки входной и выходной цепей;

- минимального времени перехода на питание от резервного источник энергии при пропадании напряжения питающей сети или при его снижени ниже допустимого значения;

- минимальных массы и габаритов устройства;

защиты от атмосферных разрядов <молний и тому подобных явлений) выбросов напряжения в сети электропитания и других аварийных рвжимо сети ;

- допустимого уровня электромагнитных помех и акустических шумов, со путствующих работе ИБП;

- необходимого ресурса АБ;

- невысокой стоимости.

Пополнительно к перечисленным выше основным требованиям к ИБ пред-ьявляется также ряд специфических, таких как:

- наличие стандартного интерфейса связи RS232, использующего протоко обмена информацией, совместимый с такими программными системами, ка "Power Doctor"Power Chute";

- возможность работы с нелинейными импульсными потребителями.

Задача полной или частичной реализации вышеперечисленных техничес ких требований может быть решена с помощью различных схемотехнически вариантов построения источников резервного и бесперебойного питания.

Анализ научно-технической и патентной литературы позволил проиэ вести следующую классификацию ИБП, разбив их на три класса;

I. Системы резервного или гарантированного питания, в зарубежно литературе называемые SPS (Standby Power Supply) или off-line. Они cd держат в своем составе аккумуляторную батарею, устройство ее подзаряд и инвертор, преобразующий постоянное напряжение батареи в переменно' напряжение синусоидальной формы 22ФВ, 5®Гц.

Постоянно контролируя состояние входного напряжения, система SP; переключается эа определенное время (по 2&мс) на использование АБ случае снижения напряжения сети ниже минимально допустимого значени (около 70% от номинального). Это время становится неприемлемым в слу чае питания микропроцессорной техники и ПЭВМ, так как с периодом пов торения около 2мс производится контроль состояния ОЗУ, Пругим недос татком данной системы является то, что в нормальном режиме не осущес твляется стабилизация выходного напряжения, не устраняются кратковре менные всплески и спады напряжения. Это неприемлемо для большинств видов потребителей. В частности, недопустимо использование таких сис тем для файл-серверов локальных вычислительных сетей и коммутационног оборудования. Но из возможных вариантов построения это самый дешевый простой способ удовлетворить вышеперечисленным требованиям,

II. Системы бесперебойного питания UPS (Uninterruptable Power Sup

ply) или on-line. Эти системы, также как и предыдущие, содержат в своем составе аккумуляторные батареи, зарядное устройство и инвертор-преобразователь, Отличие их от систем резервного питания заключается в отсутствии какого-либо перерыва в кривой выходного напряжения при переходе на работу от батареи, находящейся в буферном режиме. Этот класс систем применяется для питания наиболее ответственного оборудования (файл-серверов локальных вычислительных сетей, миникомпыотеров, крупного коммуникационного оборудования и так далее?.

III. Системы автономного электропитания UBS (Uninterruptable Battery System), имеющие в своем составе мотор-генераторы, работающие на бензине, газе или дизельном топливе, которые в случае аварийной ситуации обеспечивают непрерывное энергопитание в течение 2<ЭФЙ> и более часов. Применение этих систем оправдано там, где длительное отсутствие энергопитания может привести к необратимым последствиям (госпитали, системы охраны, противопожарные системы, системы связи, технологическое оборудование непрерывного цикла и так далее).

Рассмотренные промыщленно выпускаемые варианты построения ИБП при всем многообразии обладают следующими недостатками. Многие ИБП при малых габаритах и массе имеют несинусоидальную форму выходного напряжения (прямоугольную или ступенчатую). При синусоидальной же форме выходного напряжения ИБП имеет значительные габариты и массу за счет применения низкочастотного <5© Гц) выходного трансформатора, либо низкий КПД за счет применения большого числа преобразований электроэнергии первичного источника.

В предлагаемом варианте источника бесперебойного питания для формирования выходного синусоидального напряжения используется многократная широтно—импульсная модуляция, которая позволяет эффективно, т.е. с хорошим КПП при заданном качестве выходного напряжения (коэффициенте нелинейных искажений), формировать стабилизированное синусоидальное напряжение с частотой 50Гц и требуемой амплитудой. При этом значительно снижаются габариты реактивных элементов схемы выходного фильтра, выделяющего из полученной промоделированной по закону синуса высокочастотной последовательности импульсов основную гармоническую составляющую с необходимым коэффициентом гармоник,

Преимуществом предлагаемого варианта построения ИБП <рис.1) является использование промежуточного преобразования электроэнергии, обеспечивающего эффективную работу выходного трансформатора на высоких частотах. При этом количество преобразований электроэнергии сокращено до 4-х ступеней, что позволяет снизить потери в силовой части схемы ИБП.

Во второй главе рассмотрены импульсные метопы формирования и стабилизации напряжений синусоидальной формы промышленной частоты, произведен анализ современного состояния этого вопроса. Предложен вариант формирования и стабилизации синусоидального напряжения с промежуточным

преобразованием на повышенной частоте.

Рис. 1. Структурная схема предлагаемого ИБП

При формировании синусоидального напряжения используются разпичнь способы, основанные на широтнр-импульсной модуляции и методе биений формировании ступенчатого напряжения, аппроксимирующего синусоиду.

Задача регулирования <стабилизации) сформированного синусоидально го напряжения на выходе ИБП состоит в сохранении неизменного значени амплитуды гармонического напряжения заданной частоты при изменении определенных пределах напряжения питания и величины сопротивления наг руэки, а также при воздействии других дестабилизирующих факторов (тек пература, влажность, старение и так далее).

Можно выделить три группы способов регулирования выходного напря жения в стабилизированных ИБП; изменение глубины модуляции, т.е. из менение (коррекция) длительности уже сформированных импульсов или сту пеней; введение дополнительной широтно-импульсной модуляции ступенча того напряжения (многоэонная модуляция); геометрическое суммирована нескольких напряжений неизменной формы.

Анализ рассмотренных методов формирования и стабилизации синусои дальных напряжений промышленной частоты, а также способов их техничес кой реализации показывает, что они позволяют достичь требуемого ка чества выходного напряжения, но при значительных аппаратных затратах Связано это с тем, что для их реализации необходимо либо увеличиват число ключевых элементов, входящих в состав преобразователей, либо ус ложнять конструкцию выходного трансформатора (секционирования его о<£ моток), либо увеличивать число преобразований,

Исходя из выше изложенного, автором предлагается 2-каскаонсе пост роение импульсного преобразователя постоянного напряжения в синусом дальнее, удовлетворяющего следующим требованиям; простота схемотехни ческой реализации, то есть минимальное количество ключевых элементен заданное качество выходного напряжения (коэффициент гармоник и коэффи циент стабилизации); повышенная частота преобразования с целью сниже ния габаритов реактивных элементов схемы,

В предлагаемом варианте ИБП применяется многократная широтно-и»

пульсная модуляция, которая позволяет эффективно (с высоким коэффициентом полезного действия и малым коэффициентом нелинейных искажений) формировать стабилизированное синусоидальное напряжение с частотой 50Гц при значительном снижении габаритов трансформатора, полностью пе-ремагничивающегося на высокой частоте, и элементов выходного фильтра, выделяющего из промодулированной по закону синуса высокочастотной последовательности импульсов основную гармоническую составляющую.

Использование той или иной формы эталонного (модулирующего) напряжений имеет свои достоинства и недостатки, Применение ступенчатого эталонного напряжения Чэт, формируемого с помощью цифроаналогового преобразователя, позволяет практически полностью перейти на цифровые элементы в системе управления, повысить ее помехозащищенность, снизить массу и габариты.

В третьей главе приведен расчет спектрального состава выходных напряжений высокочастотного инвертора и реверсивного выпрямителя ИБП. Произведена оценка переходных процессов в ИБП,

Исследуемые выходные напряжения представляют собой последовательность прямоугольных импульсов, длительность которых промоделирована низкочастотным синусоидальным (эталонным) напряжением. Рассматриваемые выходные напряжения инвертора и демодулятора описываются Функцией двух независимых переменных, определяемых частотами модулирующего и опорного напряжений. В таких случаях для нахождения спектрального состава необходимо использовать аппарат двойных рядов Фурье.

В работе исследовано влияние на спектральный состав выходного напряжения демодулятора ступенчатой формы эталонного напряжения, характеризуемого следующими параметрами; числом (1), длительностью и амплитудой ступеней на интервале полупериода выходного напряжения ИБП. При этом показано, что варьируя указанными параметрами, можно исключить из спектра аппроксимирующего напряжения низкочастотные гармонические составляющие и значительно снизить уровень высокочастотных гармоник. Учитывая, что в качестве эталонного выбрано ступенчатое напряжения, аппроксимирующее синусоиду, то гармоника с номером "п" спектра выходного напряжения демодулятора при многократной равномерной ШИК определяется следующим выражением;

где 1-число ступеней в полупериоде, д-число импульсов опорного напряжения на протяжении одной ступени эталонного, 3-число импульсов опорного напряжения на протяжении одной полуволны выходного напряжения, р-номер ступени модулирующего (эталонного) напряжения, т—номер импульса на данной ступени, у -относительная ширина импульса в середине полупериода,

12д1р-1) +2ю-13 дд 21

( 1 >

Вне зависимости от того, какой взята частота опорного (пилообр; ного) напряжения (равная или больше частоты следования ступеней), ] «больший уровень гармонической составляющей (более 20%) приходится гармоники с частотами 6>яиг1:50Л17 и й>иво*Ю0Лц • При исследовании спек рального состава выходного напряжения инвертора в зависимости от фо опорного (пилообразного) напряжения получено выражение:

х э!п[ С*кка),

2

< 3

где Ч'Ьса^Тгюс -относительная длительность спадающего участка пипообра ного напряжения; И>яле -частота опорного генератора; О-частота выходи го напряжения ИБП; к, п-номера гармоник несущей (опорной) и модулир щей частот соответственно.

Для количественной оценки спектрального состава Увых инвертор помощью (2> рассчитаны уровни гармоник.

В результате исследований установлено, что вне зависимости от <! мы пилообразного несущего напряжения ( пинейновозрастакяцее, линейное дающее или симметричное) в спектре анализируемого напряжения присуп вуют только нечетные гармоники частоты, равной половине несущей, комбинационные частоты, представляющие суммы и разности четных га] ник модулирующей и нечетных гармоник половины несущей частот, р( убывающие с увеличением кип. Так как в спектре отсутствуют поете ная составляющая и низкочастотные гармоники, кратные частоте Овых I выходной трансформатор инвертора работает под напряжением высокой < тоты, равной половине несущей. Следовательно, можно считать теор| чески доказанной целесообразность выбора структурной схемы преобр; ваний электроэнергии ИБП, позволяющей снизить массу и габариты вы ного трансформатора.

Палее в этой главе рассмотрен вопрос, касающийся коэффициента синусоидальности выходного напряжения инвертора, поскольку это свя как с условиями работы трансформатора (величиной потерь от высших моник), так и с обеспечением электромагнитной совместимости,

Коэффициент несинусоидальности (Кнс), равный отношению действу го значения первой гармоники к действующему значению всего напряже определяется из выражения (2)

Из <3> следует, что относительный уровень первой гармоники аг зируемого напряжения составляет не менее 60% во всех случаях пиг

»зного напряжения. Однако предпочтение следует отдать симметричной эрме пилообразного опорного напряжения < а = 0,5), так как коэффици-г1Т несинусоидальности выходного напряжения инвертора в этом случае эинимает наибольшее значение, а в напряжении на выходе реверсивного апрямителя удается исключить максимальное число комбинационных гар-энических составляющих с четными номерами <к+п).

В четвертой главе исследована с помощью компьютерного моделирова-1Я работа импульсного трансформатора, произведен выбор материала маг-гтопровода и расчет массогабаритных и электрических характеристик >ансформатора ИБП, составлена схема и рассчитаны элементы выходного »льтра.

При исследовании электромагитных процессов в импульсном трансфор-<торе решались две задачи. Это, в первую очередь, задача выбора ма-¡риала сердечника выходного трансформатора высокочастотного инверто->, обеспечивающего в процессе трансформации минимальные искажения >ямоугольных импульсов, изменяющихся по длительности в широких преае-[X.

Вторая задача состояла в исследовании процессов в сердечнике с ;лыо выявления степени его полного перемагничивания на высокой час->те следования двуполярных импульсов с синусоидальной ШИК.

С целью разработки трансформатора с минимальными искажениями тран->ормируемого напряжения при полном использовании об-ьема сердечника юбходимо применять материалы с малой коэрцитивной силой и большой щукцией насыщения.

Для обеспечения этих условий необходимо увеличить индуктивность :магничивания 1/нн и уменьшить паразитную межвитковую емкость С и ин-ктивность рассеяния Ьр. Чтобы уменьшить С и Ьр, необходимо снижать ■ежде всего число витков V. Но снижая V, в квадрате снижается Ьнн. этому, чтобы снизить о без заметного уменьшения Ьнн, необходимо ис-льзовать э качестве магнитопровода материал с высокой магнитной про-цаеност ото :

Дя-Ю-'^Цд

< 4 >

В качестве магнитопровода импульсных трансформаторов с изменяющим-в широком диапазоне коэффициентом заполнения импульсов входного пряжения целесообразно использовать пермаллоевые сплавы, обладающие еимуществаяи перед возможными другими материалами благодаря значи-льному линейному рабочему участку характеристики намагничивания при вольно высоком значении .

В случае применения ферритовых сердечников удается получить мень-е потери мощности на высоких частотах и снизить себестоимость транс-рматора. Однако его габариты возрастут по сравнению с пермаллоями

иэ-за низкого значения индукции и коэффициента прямоугольности.

При использовании предлагаемого варианта высокочастотного импульс ного преобразования к первичной обмотке трансформатора прикладываете: знакопеременное напряжение, при котором ферромагнитный сердечник пол ностью перемагничивается за период высокочастотных колебаний.

При этом в зависимости от коэффициента заполнения импульсов за пе риод формируемого напряжения меняется ширина петель гистерезиса ферро магнитного сердечника, что приводит к увеличивающейся мощности потер на перемагничивание.

Таким образом, применяя предложенный способ модуляции, можно эна чительно сократить размеры сердечника, который полностью перемаг ничивается на высокой частоте. С учетом частных петель гистерезиса приводящих к увеличению потерь мощности, в качестве материала магни топровода необходимо выбирать ферриты или пермаллоевые сплавы.

Пля определения потерь в ыагнитопроводе, коэффициента добавочны потерь в обмотках и проведения анализа искажения формы передаваемог напряжения, необходимо разложить прикладываемое к первичной обмотк напряжение в ряд Фурье,

Полные потери мощности в магнитопроводе с учетом периодическог несинусоидального напряжения на трансформаторе вычисляются согласи следующему выражению:

р^У«1*/», < 5 )

^ V»

где р'сши=рв'(/г/^*)*'(Вл/Вв*)^ -потери в магнитопроводе при синусоида ль ной форме приложенного напряжения заданной частоты; р0 -удельные поте| в магнитопроводе; -коэффициенты, учитывающие потери на высоки

частотах; -коэффициент несинусоидальности прикладываемого к первич ной обмотке напряжения, учитывающий увеличение потерь в магнитопровос от высших гармоник, определяемый согласно 63).

Потери в проводах обмоток определяются следующим образом;

Раа~Рои1+РоС2- ^авг'^-^^^аоа^Г' ( 6 -1

где Д. -сопротивление провода обмотки по постоянному току; I-действу« щее значение тока в обмотке; Кдоб-коэффициент добавочных потерь; К1 температурный коэффициент увеличения потерь.

Суммарные потери в трансформаторе складываются иэ потерь в магн! топроводе и обмотках.

При расчете трансформатора необходимо учитывать, что с повышена« рабочей частоты габариты и масса трансформатора могут быть уменьше! до определенного предела, соответствующего некоторому значению крит1 ческой частоте iкp, Это вызвано действием целого ряда физических фа1 торов, таких как: уменьшение коэффициента передачи трансформатора и:

а падения напряжения на индуктивности рассеяния и искажение формы расформируемого напряжения, ограничение возможности размещения об-этки в окне MarHiiTDnpDBona, потери мощности на перемагничивание. Зна-ение критической частоты зависит от конструкции трансформатора, свой-тв материала магнитопровода, способа, выполнения обмоток и т.п., оправляется соотношением;

f , з,98-ю7.дГдг < 7 )

*> А N Р '

При выбранном материале магнитопроводэ и заданных величинах мощна-ти Р и температуры Т можно определить минимальный объем сердечника:

VMei=2,5-10-íAV«(P/Ar)»/e=3(16.1015(A3/2íjip9/4)-i, < 8 )

пе А-коэффициент, учитывающий потери в магнитопроводе; Р-расчетная ощность трансформатора; &Т-допустимый перегрев трансформатора,

Значение граничной частоты, установленное с помощью выражения (8) ля трансформаторов обычного исполнения, может быть увеличено благода-я применению специальных мер: использования магнитных материалов с алыми потерями, уменьшения числа первичных витков, секционирования бмоток и Эффективного их размещения на магнитопроводе, изменения ге-метрии магнитопровода и тому подобных мер.

Кроме выходного трансформатора на массо-габаритные показатели ИБП ольшое влияние оказывает выходной фильтр.

Для разработки схемы и расчета элементов выходного фильтра исполь-овались результаты анализа спектрального состава напряжения на выходе емопулятора, В диссертации показано, что в спектре выходного напряже-ия демодулятора фактически присутствуют 2 гармоники с комбинационными астотами £„^.±50Гц , не превышающие 2Í>% от амплитуды основной гармонии. Кроме того имеются 2 боковые гармоники с амплитудой не более 10% и комбинационными частотами f^ilOOfíí . С учетом характеристики анного спектра целесообразно использовать фильтр, в качестве первого вена которого выбран Г-обраэный LC-фильтр для подавления указанных 1ьсших гармоник. Учитывая относительно высокий уровень гармоник с час-отами í^piSOГц , целесообразно в качестве второго звена использовать ифференциапьный (магнито-свяэанный) фильтр, являющийся эффективным в 'экой полосе.

Расчет элементов двузвенного фильтра выполнен с помощью передаточ-юй характеристики, которая является функцией четвертого порядка

ЙГ»_1-1пМ2____< з J

■пе N-номер основной подавляемой гармоники, 1С, аг -коэффициенты, характеризующие соотношения между величинами элементов фильтра.

Условие подавления Н-й гармоники можно записать в виде;

где СГ 2/СГ13-1 "коэффициент гармоник выходного напряжения;

Ун—действующее значение гармоники с номером п = 1, 2, 3,,,; и1 -действующее значение первой гармоники; Ха=(Х31/Ик)И2 -коэффициент режекцни.

Используя соотношения <9> и (10), были определены значения индук-тивностей и емкостей фильтра так, чтобы в максимальной степени приблизиться к получению минимальных активной и реактивной мощностей, потребляемых фильтром, минимальной суммарной массы элементов фильтра * достаточной жесткости внешней характеристики фильтра.

Современные устройства связи, включая персональные компьютеры 1 оргтехнику, имеют в своем составе импульсные бестрансформаторные источники питания, являющиеся нелинейной нагрузкой для проектируемогс ИБП. В этом случае эквивалентная схема нагрузки ИБП может быть представлена в виде выпрямителя с емкостным фильтром и активного сопротивления Кэкв. Импульсный характер потребляемого такой нагрузкой токе оказывает существенное влияние на форму выходного напряжения ИБП и режим работы силовых элементов, что необходимо учитывать при их расчет« и выборе.

Существенно снизить негативное влияние импульсного характера токе нагрузки можно, если в качестве третьего звена выходного фильтра применить параллельный резонансный контур, рассчитанный на основную частоту выходного напряжения с волновым сопротивлением р-Яв . Это сопротивление находится при условии минимума коэффициента гармоник и максимума массогабаритных показателей.

Пятая глава посвящена экспериментальному исследованию натурногс макета ИБП.

Для проверки достоверности результатов теоретических исследований, а также для апробирования возможности промышленного внедрения разработанного ИБП был изготовлен и испытан натурный макет на выходное напряжение 220В, 5®Гц и выходную мощность 500Вт.

В заключении подведены итоги проведенных теоретических и экспериментальных исследований.

В приложениях приведены принципиальная схема разработанного макете ИБП, результаты спектрального анализа выходных напряжений инвертора 1 демодулятора, результаты расчетов АЧХ и ФЧХ выходного фильтра.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Произведен сравнительный анализ структурных схем отечественных 1 зарубежных ИБП с синусоидальным выходным напряжением и выявлены их основные недостатки, связанные либо с многоступенчатым преобразование! параметров электроэнергии либо с увеличением массы и габаритов ИБП.

Предложена структурная схема ИБП с 4-кратным преобразованием элек-роэнергии, что позволяет снизить массу и габариты устройства и повы-итв его к.п,д.

Предложен новый способ преобразования на промежуточной высокой астоте, именуемый симметричная двуполярная ШИМ, позволивший реалиэо-пть ИБП с сокращенной кратностью преобразования электроэнергии,

Произведен анализ спектрального состава выходных напряжений высо-очастотного инвертора и реверсивного выпрямителя с целью последующего пределения режима перемагничивания трансформатора инвертора и выбор хемы выходного фильтра,

Обоснован выбор формы симметричного линейноиэменяющегося опорного апряженмя при формировании квазисинусоциального напряжения с целью лучшения спектрального состава выходного напряжения реверсивного вып-ямителя,

Обоснована целесообразность выбора в качестве эталонного напряже-ия ступенчатой функции, аппроксимирующей синусоидальное напряжение, с елью упрощения системы управления, уменьшения ее габаритов и полным ереводом ее на цифровые элементы.

Выполнено компьютерное моделирование процессов перемагничивания сердечника с учетом петли гистерезиса высокочастотного импульсного рансформатора при различных видах ШИМ.

Анализ физических процессов перемагничивания сердечника въюокочас-отного трансформатора подтвердил Эффективность использования симмет-шчной двуполярной ШИН, позволившей в несколько раз снизить массу и абариты выходного (согласующего) трансформатора.

Обоснован выбор схемы и параметров элементов фильтра, обеспечивающего заданное качество выходного напряжения во всем диапазоне иэмене-шя мощности в нагрузке, с целью улучшения его удельных характеристик.

Разработана схема выходного фильтра с использованием в одном из шеньев фильтра с индуктивными связями, позволяющего значительно поца-шть определенные гармонические составляющие в выходном напряжении при ¡лучшении удельных характеристиках.

При работе ИБП на нелинейную нагрузку обоснован выбор схемотехни-»еского решения выходного фильтра, обеспечивающего заданное качество выходного напряжения синусоидальной формы,

Разработана система управления источником, выполненная практически юлностью на цифровых микросхемах, что позволило повысить ее помехоустойчивость и уменьшить габаритные размеры и массу,

Экспериментально подтверждена справедливость разработанных методов повышения качества функционирования ИБП. При этом расхождение экспериментальных и аналитических результатов не превышает 15%.

Работа по теме диссертации проводилась в Санкт-Петербургском Госу-зарственном Университете Телекоммуникаций им. проф. М.А, Бонч-Бруевича на кафедре "Силовая Электроника" в течение 1993-199? гг.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Shamsiev B.G. , Chrisanov V.l. The Uninterruptible Power sup lies for Telecommunication Systems.//Proceedings of "Russian Telec 94" Conference, St.-Petersburg. 1994.

2. Шамсмев Б.Г. Способ построения устройства бесперебойного пит ния для РЭА средней мощности//47-я НТК; Тез. докл./СПбГУТ.-СПб, 1994 С.47,

3. Шамсиев Б.Г., Виноградов П.Ю, Применение современных пакет прикладных программ для анализа устройств преобразовательной техни //48-я НТК: Тез. докл./СПбГУТ.-СПб, 1995.-С.67,

4. Шамсиев Б. Г. Применение высокочастотных инверторов в формиров телях гармонических колебаний низкой частоты//49-я НТК; Тез. докл СПбГУТ,-СПб, 1996.-С.11.

5. Шамсиев Б.Г. Выбор схемы и параметров элементов фильтров инэе торов//49-я НТК; Тез. докл./СПбГУТ,-СПб, 1996.-С.11.

6. Патент 2079203, Устройство бесперебойного питания перемени напряжением радиоэлектронной аппаратуры с промежуточным преобразован ем на повышенной частоте/Б.Г, Шамсиев.H.H. Патпых //Изобретения.-1997

7. Свидетельство 5054, Устройство преобразования постоянного на ряжения в синусоидальное напряжение низкой частоты с промежуточн преобразованием на повышенной частоте/Б.Г, Шамсиев//Полеэные модели 1997.

в. Шамсиев Б, Г, Влияние параметров элементов фильтра на качест выходного напряжения источника бесперебойного питания//50-я НТК: Те докл./СПбГУТ.-СПб, 1997.-С,103.

9. Шамсиев Б. Г, и др. Тиристорные преобразователи для асинхрон* электроприводов общепромышленного применения//Теэ. докл, АЭП-S СПбГЭТУ.-СПб, 1995,-С.22-23.

10. Шамсиев Б.Г. Выбор варианта структурной схемы источника бесп ребойного питания//Трупы учебных заведений связи/СПбГУТ,-СПб, 19S

-N163 (в печати),

11. Шамсиев Б.Г. Варианты построения источников бесперебойнс питания//Труды учебных заведений связи/СПбГУТ,-СПб, 1997. -N163 печати).

12. Шамсиев Б.Г. Способ широтно-иыпульсного формирования копеба> низкой частоты/СПбГУТ.-СПб, 1998 <в печати).

13. Shamsiev В., Chrisanov V., Konovalov Yu, Thyristor converts for general-purpose industrial drives/ZProceedings of "UEES"96" Cond rence/Poland, 1996.-Vol 3, p.8.

14. Шамсиев Б.Г. Анализ и разработка структурных схем силен полупроводниковых преобразователей для ИБП с синусоидальным выхоД1 напряжением//51-я НТК; Тез.докл./СПбГУТ.-СПб, 1996.-С.110.