автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Исследование влияния входных фильтров на динамические характеристики импульсных источников электропитания

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Поволжская государственная академия телекоммуникаций и информатики»

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВХОДНЫХ ФИЛЬТРОВ НА ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИМПУЛЬСНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

Автореферат диссертации на соискание учёной степени

На правах рукописи

Донкеев Сергей Сергеевич

кандидата технических наук

Самара — 2006

Работа выполнена на кафедре основ конструирования и технологий радиотехнических систем государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Поволжская государственная академия телекоммуникаций и информатики» (ПГАТИ)

Научный руководитель —

кандидат технических наук, доцент, Олег Аркадьевич Коржавин

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

профессор, Владимир Федорович Дмитриков

доктор технических наук,

профессор, Владимир Леонидович Корякин

Ведущая организация —

ФГУП НИИ «Экран», г. Самара

Защита состоится « /аг » ЭссоЛ^а. 2006 г. в часов на заседании диссертационного совета Д219.003.001 в Поволжской государственной академии телекоммуникаций и информатики по адресу:

443010, г. Самара, ул. Льва Толстого, 23 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПГАТИ

А втореферат разослан «$оу> 2006 г.

Учёный секретарь диссертационного совета Д219.003.01, доктор технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Качественные показатели и надежность оборудования радиотехнических систем и систем связи в значительной мере определяются качеством функционирования и надежностью системы электропитания. Современная концепция развития устройств электроснабжения — блочно-модульный принцип построения систем, на котором основываются современные распределенные системы вторичного электропитания.

Для питания современной полупроводниковой аппаратуры используются постоянные напряжения различных номиналов. Причем, стабильность этих напряжений, как правило, должна быть выше стабильности напряжения на входе.

Реализация постоянно возрастающих требований к качеству электроэнергии происходит при строгих ограничениях на устройства преобразования электроэнергии. Одно из возрастающих требований к качеству электроэнергии — качество потребляемого тока от первичного источника электропитания.

Международная электротехническая комиссия (МЭК) и Европейская организация по стандартизации в электротехнике (СЕКЕЬЕС) приняли стандарты 1ЕС555 и ЕИ60555, устанавливающие ограничения на содержание гармоник во входном токе вторичных источников электропитания. Аналогичные спецификации разрабатываются и для отечественной аппаратуры, причем требования к величине допустимых гармонических искажений потребляемого тока имеет повсеместную тенденцию к ужесточению.

Импульсные источники электропитания имеют высокий к.пл. и высокие массогабаритные показатели, что и обусловило их широкое применение. Однако, они имеют и ряд недостатков, к которым относится и значительная величина пульсаций в их входном токе на частоте коммутации силового ключа.

Для поддержания первичного источника электропитания в экологически относительно чистом состоянии по отношению к гармоническим искажениям или помехам, с частотой коммутации силового ключа, на вход импульсного стабилизатора (ИС) включают или корректор коэффициента мощности, что значительно увеличивает

капитальные затраты, или входной Г - образный ЬС фильтр. В этом случае высокочастотные пульсации не попадают в первичную сеть электропитания и поэтому не оказывают негативного влияния на работу других потребителей, также питаемых от данной сети электроснабжения.

Наличие входного фильтра формирует проблему анализа импульсного источника электропитания на устойчивость. Известно [Л1.Л2], что импульсный источник электропитания при наличии входного фильтра может быть неустойчивым. При этом, естественно полагается, что при автономной работе самого ИС без входного фильтра была обеспечена стабильность его работы, как выбором его рабочих параметров, так и применением соответствующих цепей коррекции. Это объясняется тем, что ИС работающий в режиме ШИМ характеризуется практически постоянной величиной мощности, потребляемой от первичного источника. Из-за этого входное дифференциальное сопротивление ИС является отрицательной величиной, а в таких системах при наличии реактивного четырехполюсника (Г - образного ЬС фильтра) в определенных условиях возможно самовозбуждение.

Основополагающие работы, посвященные анализу устойчивости импульсных источников электропитания вследствие отрицательности входного сопротивления ИС можно считать труды Миддлбрука Р.Д. (Л1, ЛЗ], Митчелла Д.М. [Л4], а из отечественных ученых занимающихся этими вопросами следует указать работы Дмитрикова В.Ф. [Л5]. В [Л1, ЛЗ] приведен метод анализа устойчивости ИС с входным фильтром основанный на рассмотрении отношения выходного сопротивления входного фильтра и входного сопротивления ИС. Данный подход не позволяет применить широко распространенный в инженерной практике логарифмический частотный критерий Найквиста и количественно оценить запасы устойчивости импульсного источника электропитания при наличии входного фильтра.

Из выше приведенных работ следует, что для уменьшения влияния входного фильтра на устойчивость импульсных источников электропитания требуется снижение величины выходного сопротивления входного фильтра. Решение данного вопроса

достигается применением различных корректирующих цепей входного фильтра [Лб]. При этом возникает необходимость создания алгоритмов расчета цепей коррекции, которые обеспечивают уменьшение влияния входного фильтра на динамические характеристики импульсных источников электропитания.

Цели н задачи диссертационной работы

Целью диссертационной работы является разработка методов анализа динамических характеристик импульсных источников электропитания при наличии входного фильтра и систем электропитания в целом.

Создание алгоритма рационального расчета параметров однозвекного и двухзвенного входного фильтра. В соответствии с этим решаются следующие задачи:

— проектирование входного фильтра, при котором обеспечивается устойчивая работа импульсного источника электропитания;

— увеличение степени подавления входных низкочастотных пульсаций импульсным источником электропитания;

— увеличение подавления входным фильтром высокочастотных пульсаций в первичной сети электропитания.

Методы исследования

В работе использован метод усреднения и линеаризации дискретно-нелинейных систем, метод матричных уравнений, метод частотных характеристик петлевого усиления контура цепи отрицательной обратной связи для исследования запасов устойчивости. Вычислительные алгоритмы реализованы на ПЭВМ в интегрированной среде МаШСай. Результаты моделирования импульсной и усредненной модели импульсного стабилизатора напряжения при наличии входного фильтра получены с применением ПЭВМ в среде Ма1:ЬаЬ-8 ¡тиНпк.

Научная новизна диссертации:

— для анализа динамических характеристик импульсного источника электропитания при наличии входного фильтра применен метод логарифмических частотных характеристик, позволяющий количественно оценить запасы устойчивости;

- проведен расчет однозвенных входных фильтров С различными цепями коррекции, при котором обеспечивается устойчивая работа импульсного источника электропитания;

- предложен метод расчета двухзвенного входного фильтра с оценкой «корректирующего фактора»;

- с использованием метода усреднения и линеаризации получено выражение входного сопротивления импульсного стабилизатора напряжения понижающего типа;

- на основе импульсной модели многоканальной системы электропитания в среде MatLab-Simulink получены пусковые характеристики вторичных источников электропитания.

Обоснованность и достоверность результатов работы

Достоверность результатов исследований, полученных в работе, обеспечена совпадением результатов при использовании двух аналитических способов решения одной и той же задачи, и совпадение результатов при схемотехническом моделировании импульсной и усредненной модели импульсного стабилизатора напряжения в среде MatLab- S i m ul ink.

Практическая ценность работы

Для анализа импульсных источников электропитания при наличии входного фильтра в работе предложен метод логарифмических частотных характеристик, позволяющий количественно оценить запасы устойчивости. Предложенный в диссертации метод расчета входных фильтров с различными цепями коррекции, позволяет осуществить проектировку входного фильтра обеспечивающий устойчивый режим работы ИС. Разработанные модели импульсных источников электропитания в среде MatLab-Simulink позволяют существенно упростить разработку и проектирование систем электроснабжения, например ЭПУ ЭАТС.

Положения, выносимые на защиту:

(. Расчет однозвенных и двухзвенных входных фильтров импульсного источника электропитания при различных цепях коррекции.

2. Анализ устойчивости и коэффициента сглаживания импульсных источников электропитания при наличии входного фильтра методом логарифмических частотных характеристик.

3.Анализ многоканальной системы электропитания с "п" выходных каналов методом логарифмических частотных характеристик.

4. Усредненная и импульсная модель источника вторичного электропитания для анализа временных и частотных характеристик системы и синтеза параметров входного фильтра в среде MatLab-Simulink.

5.Импульсная модель многоканальной системы электропитания для анализа временных и частотных характеристик системы и синтеза параметров входного фильтра в среде MatLab-Simulink,

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались на VII, VIII, IX, X, XI, XII, XIII научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов ПГАТИ (Самара, февраль 2000, февраль 2001, февраль 2002, февраль 2003, февраль 2004, февраль 2005, февраль 2006); на I, II, III, Международных научно-технических конференциях «Физика и технические приложения волновых процессов» (Самара, сентябрь 2001, сентябрь 2003; Волгоград, сентябрь 2004).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 5 статей и 12 тезисов докладов на различных научно-технических конференциях.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 63 наименований, и содержит 165 страниц текста, в том числе 89 рисунков и 1 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определена цель диссертационной работы, показана ее актуальность и практическая значимость, определена новизна и обоснована достоверность полученных результатов, представлены

основные положения, выносимые на защиту, кратко изложено содержание диссертации.

В первой главе для анализа устойчивости импульсного стабилизатора напряжения (ИСН) с входным фильтром (рис. I) рассмотрен метод, основанный на отношении выходного сопротивления входного фильтра к входному сопротивлению ИСН. К схеме ИСН сводятся, как показано в работе, большинство импульсных источников электропитания (двухтактные мостовые, полумостовые, со средней точкой и однотактные с прямым включением диода).

Как известно, для обеспечения устойчивости рассматриваемой системы должно соблюдаться следующее условие [ЛЗ]:

(1)

Отношение «)/£,($) весьма мало в области низких частот, и поэтому к нему не возможно применить широко известный в инженерной практике логарифмический частотный критерий Найквиста.

Получено аналитическое выражение входного сопротивления ИСН, как непрерывной линейной модели, на основе метода переменных состояния по усредненным параметрам, в виде выражения (2).

вд«-4—Циг- (2)

л«

аи1ЪК(з)

где К =---коэффициент стабилизации ИСН,

р

Г, = ч/£С

- постоянная времени сглаживающего фильтра, £ ~~ коэффициента затухания.

На рис. 2 показаны графики оценки устойчивости ИС при наличии входного фильтра. Пунктирной линией представлена кривая модуля входного сопротивления ИСН сплошной линией

изображена зависимость модуля выходного сопротивления входного фильтра

Входной фильтр

и

Импульсный стабилизатор

и^и^+О,

Ц-Цо+0,

О Ус

шим 1—''V.

Ку УПТ I

—

Рис. I

100 80 60 40 20 О

№М, Ом

10

100 10* Рис.2

Ю4 С Гц

Рис. 3

До +дА>

(3)

На рис. 3 представлен годограф ^„(•О^^Д^/гДз).

Как видно из рисунков, система находится на грани устойчивости, что подтверждается и годографом №^„(5), который проходит в

относительной близости от точки с координатами (-1у0). Расчеты были проведены при следующих параметрах: индуктивность стабилизатора £ = 1.6 мГн, его емкость С = 690 мкФ, напряжение входного источника питания С/, = 30 В, выходное напряжение стабилизатора = 12 В и ток = 1.2 А, активное сопротивление нагрузки Л„ = 10 Ом, рабочий коэффициент заполнения О = 0.4, частота задающего генератора (ЗГ) /, = 20 кГц, коэффициент

о

усиления УПТ Ку = 10, коэффициент передачи сравнивающего делителя а - 0.5, амплитуда пилообразного напряжения ШИМ Ур = 3.4 В , постоянная запаздывания г, =5-10"* с, постоянные времени коррекции 7|=Ы0~*с, =0.5-10"'с, индуктивность входного фильтра Д, = 0.5 мГн , его емкость С, = 200 мкФ и сопротивление Д<, =0.1 Ом .

С использованием метода логарифмических частотных характеристик (ЛЧХ) проведен анализ динамических характеристик ИС при наличии входного фильтра, позволяющий количественно определить запасы устойчивости. Эквивалентная схема замещения непрерывных динамических звеньев рассматриваемой системы, в соответствии с [Л7], имеет вид рис, 4. Передаточная функция разомкнутой системы в этом случае представлена в виде (4).

и; = аКу (3)КН («)#„ (^(5), (4)

где а =----коэффициент передачи сравнивающего делителя,

Л, +

1 + 7*$

ЛГу (л) = -—^--передаточная функция усилителя сигнала ошибки,

1 -и

Кн (л) = —е 3 — передаточная функция модулятора ШИМ, р

/¡"¡.,(5) = £/, - передаточная функция силового ключа ИСН

при изменении коэффициента заполнения Дг/,

Л.

эквивалентной силовой части ИСН.

Для многих случаев применения ИСН важно оценить его фильтрующие свойства, т.е. как низкочастотные возмущения (пульсации) во входной линии электропитания ИСН ослабляются на его выходе. Фильтрующие свойства рассматриваемой системы характеризуются передаточной функцией замкнутой системы

динамических звеньев (рис. 4):

Ж,(д) - ^ д —ГТТТ?—ГТГ — передаточная функция

м. _аКу021_А ____ I

60 40 20 0 -20 -40

и дБ

Рис.4

Чсгл. дБ

Г Гц

100 80 60 40 20 0

ч-

10

100

10' Рис. 6

Л Гц

10

С Гц

100 103 Рис. 5

Коэффициент сглаживания: \

?„„(/) = (6) Степень подавления пульсаций с частотой работы силового ключа в первичной цепи электропитания (до величины -40 дБ) определяется выражением (7).

1

(7)

10С052 +,К0С0Л + 1 ' Логарифмические частотные характеристики ИСН при наличии входного фильтра представлены на рис. 5. Сплошной линией представлены ЛЧХ ИС без входного фильтра, а пунктирной линией ЛЧХ при наличии фильтра. ИСН имеет запас устойчивости по фазе А(р = 15", по усилению аиВ) = 30 > 0 . Наличие входного фильтра

приводит к появлению второй частоты среза, равной резонансной частоте входного фильтра ftp ~ 500 Гц, что приводит к уменьшению

величины запаса устойчивости по фазе А<р — 5". Влияние входного фильтра на коэффициент сглаживания ИСН показано пунктирной линией на рис. б.

Вторая глава посвящена расчету цепей коррекции .входного фильтра. Рассмотрены различные цепи коррекции и предложен алгоритм расчета параметров корректирующих цепей для двух наиболее предпочтительных методов демпфирования входного фильтра [Л6].

Нахождение рациональных параметров параллельной КС корректирующей цепи входного фильтра (рис. 7) вытекает из рассмотрения выражения (8) и рис, 8.

х»д+я'е V) [¡-(Нф^Ч^УО-л2)' ' 1

где рй = /С0 - характеристическое сопротивление, = /А ~ добротность входного фильтра, х = а>!щ — нормированная частота.

На основании зависимости (8) были построены графики, для случая и = С6/С0=3 при разных значениях добротности Q от со до О,

что соответствует кривым с нумерацией с 1 по 7 (рис. 8). Из которого можно сделать вывод, что существует величина Л^ и, следовательно,

значение добротности Q = Qtm » при которой имеет место

минимальное значение на частоте (^^¡щ .

Аналитическое определение всех выше упомянутых величин были найдены, и применены для расчета входного фильтра.

По аналогии был предложен алгоритм нахождения рациональных параметров при последовательной НЬ коррекции фильтра (рис. 9).

В главе приведены численные результаты оценки динамических характеристик импульсного стабилизатора при рациональных параметрах входного фильтра и оценена эффективность подавления высокочастотных пульсаций в первичной цепи вторичного источника электропитания.

Ро

Ко

Сб

Рис. 7

Ко

Кр

^ Со —,—

0.01

Рис. 8

Рис. 9

Третья глава посвящена анализу многоканальной системы электропитания. На рис. 10 представлена структурная схема применения входных фильтров в системе электропитания, состоящая из группового фильтра , и ряда индивидуальных входных фильтров. Для электропитания современной полупроводниковой аппаратуры необходимы различные номиналы напряжений: 5В, 9В, 12В, 24В и т.д., для получения которых используются источники вторичного электропитания (ИВЭП) нескольких типов, В диссертации приняты в качестве ИВЭП системы электропитания - двухтактные регулируемые преобразователи со средней точкой. В главе использован метод ЛЧХ для анализа динамических характеристик импульсных источников электропитания в составе системы электроснабжения ЭПУ ЭАТС, основанный на методе разработанный в первой главе диссертации.

В главе также предложен метод расчета двухзвенного входного фильтра, основанный на теореме Мндцлбрука о дополнительном элементе (9) [Л8].

(9)

Выходное сопротивление двухзвенного фильтра 2а в присутствии дополнительного элемента Z, (выходное сопротивление группового фильтра), является выходным сопротивлением системы,

-60В

Общ.

\\VDo К0

и

•луОг Я,

а

I Г--1 I

| X__Л 1

\\VDj Яг

-И- —

П

\\VDj

ЕГиГГ - п 'Т

1

ИВЭП

л

1йкзГ7Г

да

ИВЭП

13

1

ИВЭП

Рис. 12

когда = 0, умноженному на «корректирующий фактор», в составе которого сам дополнительный элемент и два импеданса -комплексное входное сопротивление ишшв»дуального фильтра, при КЗ на выходе и - комплексное входное сопротивление индивидуального фильтра, в режиме XX на выходе.

В главе представлена количественная оценка «корректирующего фактора» и проведен расчет рационального двухзвенного входного фильтра. Рис. 11-12 показывают величину числителя и знаменателя «корректирующего фактора», на которые нанесены кривые значений и 2Н при двух вариантах группового фильтра. Как видно из рисунков, второй вариант предпочтителен, т.к. он внесет меньшее изменение в величину выходного сопротивления, тем самым будет минимальным выходное сопротивление двухзвенного фильтра.

Рис. 15

В главе приведены численные результаты оценки устойчивости и коэффициента сглаживания импульсного источника электропитания, как части системы электроснабжения. Рассмотрено положительное влияние корректирующих цепей входного фильтра на динамические характеристики исследуемой системы.

В четвертой главе описаны методы и сделан обзор программного обеспечения для схемотехнического моделирования. Разработана импульсная модель вторичного источника электропитания с входным фильтром в среде Ма1ЬаЬ-Зипи1тк (рисЛЗ). На рис. 14 приведены результаты моделирования ИСН в устойчивом режиме работы. Рис. 15 иллюстрирует потерю устойчивости ИСН за счет влияния входного фильтра.

В главе разработана усредненная модель импульсного источника электропитания при наличии входного фильтра в среде МаТЬаЬ-31ти1тк. Приведены результаты моделирования и представлены ЛЧХ ИС при разомкнутой цепи обратной связи.

В главе разработана импульсная модель многоканальной системы электропитания. Приведены результаты моделирования и показано влияние параллельных каналов вторичного электропитания друг на друга. Так, из-за неустойчивости канала электропитания 24 В, в выходных параметрах ИВЭП с выходом 12 В и 5 В также появились низкочастотные пульсации

В заключении сформулированы основные научные и практические результаты диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В заключение сформулируем основные результаты диссертации:

1. Исследовано влияние входного фильтра на устойчивость импульсных источников вторичного электропитания.

2. С использованием метода логарифмических частотных характеристик проведен анализ устойчивости, расчет коэффициента сглаживания входных низкочастотных пульсаций и подавления пульсаций с частотой работы силового ключа в первичной цепи импульсных источников электропитания при наличии входного фильтра.

3. Предложен метод расчета входного фильтра при наличии различных цепей коррекции позволяющие обеспечить требуемые запасы устойчивости по фазе и усилению, получение максимально возможного коэффициента сглаживания входных низкочастотных пульсаций в требуемом частотном диапазоне, получение максимально возможного подавление пульсаций с частотой работы силового ключа в первичной цепи источника электропитания.

4. Использован метод логарифмических частотных характеристик для анализа динамических характеристик импульсных источников электропитания в составе многоканальной системы электропитания.

5. Предложен метод расчета двухзвенного входного фильтра. Количественно оценен «корректирующий фактор» влияния дополнительного звена на выходное сопротивление входного фильтра.

6. Разработана модель импульсного источника электропитания в среде MatLab-Simulink. Проведено качественное сравнение результатов моделирования импульсной и усредненной схем ИВЭП с аналитическими методами анализа устойчивости импульсных источников электропитания при наличии входного фильтра,

7. Разработана модель многоканальной системы электропитания в среде MatLab-Simulink и рассмотрено влияние входного фильтра на динамические характеристики источника вторичного электропитания.

8. Применение корректирующих цепей входных фильтров импульсных источников электропитания позволило:

— получить запас устойчивости по фазе &<р ~ 16*, по усилению аол> = 30 > 0;

— уменьшить спад коэффициента подавления входных низкочастотных пульсаций на 9 дБ и сдвинуть его в область частот от 700 Гц и выше;

— получить ослабление пульсаций с частотой работы ключевого элемента ИС, проникающих в первичную цепь источника электропитания, до величины -40+-80 дБ.

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Коржавин O.A., Донкеев С.С. Проблемы, возникающие при оценке влияния входных фильтров на устойчивость импульсных источников электропитания и некоторые пути их решения // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. — 2000. — Т.З. — №1. — С. 67-73.

2. Коржавин O.A., Донкеев С.С. Оценка влияния входного фильтра на устойчивость ИСН с помощью частотного критерия Найквиста // Тезисы докладов VII Российской научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов. — Самара, — 2000. — С. 46.

3. Коржавин O.A., Донкеев С.С. Повышение локальной устойчивости системы «импульсный стабилизированный источник питания с входным фильтром» путем увеличения его коэффициента затухания с помощью цепей коррекции // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. — 2001. — Т.4. — №4. — С.68-72.

4. Коржавин O.A., Донкеев С.С. Методы расчета повышения локальной устойчивости ИСН С входным двухзвенным помехоподавляющим филыром // Тезисы докладов и сообщений I Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов». — Самара, — 2001.

— Т.1. — С. 172.

5. Коржавин O.A., Донкеев С.С. Повышение локальной устойчивости ИСН с входным фильтром путем повышения его коэффицие!гга затухания с помощью цепей коррекции // Тезисы докладов VIII Российской научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов.

— Самара, — 2001. — С. 50.

6. Коржавин O.A., Донкеев С.С. Определение входного сопротивления ИСН с дополнительной обратной связью по току дросселя // Тезисы докладов IX Российской научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов. — Самара, — 2002. — С. 29-30.

7. Донкеев С.С., Коржавин O.A. Исследование влияния входного фильтра на устойчивость импульсных источников электропитания методом логарифмических частотных характеристик // Тезисы докладов и сообщений II Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов». — Самара,—2003. — С. 174.

8. Коржаеин O.A., Донкеев С.С., Антипов О.И Влияние дискретного характера работы ШИМ на устойчивость однотактного преобразователя напряжения с дополнительной обратной связью по току дросселя // Тезисы докладов X Российской научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов. — Самара, — 2003. — С. 30.

9. Донкеев С.С., Коржавин O.A. Влияние входного фильтра на систему электропитания // Тезисы докладов и сообщений III Международной научно-технической конференции «Физика н технические приложения волновых процессов». — Волгоград, — 2004, —С. 195-196.

10.Донкеев С.С., Коржавин O.A. Оптимизация входного фильтра импульсных стабилизаторов // Тезисы докладов и сообщений III Международной научно-технической конференции «Физика и

технические приложения волновых процессов». — Волгоград, —

2004. — С. 225-226.

11 .Донкеев С. С., Коржавин O.A. Оптимизация входного помехоподавляющего фильтра импульсных стабилизаторов // Тезисы докладов XI Российской научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов. — Самара, — 2004. — С. 43-45.

12.Донкеев С.С., Коржавин O.A. Оценка влияния входного фильтра на работу импульсных источников электропитания // Электросвязь. —

2005. — №10. — С. 23-26.

13. Коржавин O.A., Донкеев С.С., Вороной A.A. Влияние дискретного характера работы ШИМ на устойчивость однотактного преобразователя напряжения с дополнительной связью по току дросселя // Практическая силовая электроника. — 2005. — №20. — С.10-15.

14.Донкеев С.С., Коржавин O.A. Метод исследования влияния входного фильтра на систему электропитания // Тезисы докладов ХП Российской научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов.

— Самара, — 2005. — С. 30.

15. Антипов О.И., Донкеев С.С. Детерминированный хаос в импульсном стабилизаторе напряжения понижающего типа // Тезисы докладов XII Российской научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов. — Самара, — 2005. — С. 46-47.

16.Коржавин O.A., Донкеев С.С. Оптимизация входного группового фильтра электронной АТС // Тезисы докладов ХШ юбилейной Российской научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов.

— Самара, — 2006. — С. 26.

17.Донкеев С.С., Коржавин O.A. Оценка влияния входного фильтра импульсных источников электропитания на устойчивость их работы и пути ее повышения с помощью цепей коррекции П Практическая силовая электроника. — 2006. — №22. — С.23*27.

ЛИТЕРАТУРА

[Л1] Middlebrook R.D. Input Filter Considerations in Design and Application of Switching Regulators It IEEE Power Electronics Specialists Conference. — 1 £77. — P. 36-57.

[Л2] Козляев ЮЛ., Ловчиков С.П. Определение устойчивости импульсных систем электропитания // Электросвязь. — 1989. — №3. — С. 55-58.

[ЛЗ] Middlebrook R.D. Design Techniques for Preventing Input-Filter Oscillations in Switched-Mode Regulators // Proc, Fifth National SolidState Power Conversion Conference.— 1978. — P. A.3.1-A.3.16. [Л4] Mitchell DM. Power Line Filter Design Considerations for dc-dc Converters // IEEE Industry Applications Magazine. — November/December,— 1999. — P. 16-26.

[Л5] Дмитриков В.Ф., Сергеев B.B., Самъитн ИМ. Повышение эффективности преобразовательных и радиотехнических устройств. — М.: Радио и Связь, Горячая линия-Телеком, 2005. — 424 с. [Лб] Крючков В.В.. Соловьев И.Н. Входные фильтры импульсных источников питания Ц Практическая силовая электроника. — 2005. — J&20. —С.2-5.

[Л7] Коржавин О.А. 'Динамические характеристики импульсных полупроводниковых преобразователей и стабилизаторов постоянного напряжения. Учебное пособие для ВУЗов связи. — М.: Радио и связь, 1997, —300 с.

[Л81 Middlebrook R.D. Null double injection and the extra element theorem ft IEEE Transactions on Education. —1989. — P. 167-180.

Подписано в печать 10.10.06 Формат 60x84 VB Бумага писча|№) Гариму pa Тайме Заказ 019141 Печать оперативна» %л. печ а 1,16 Фю.печ.л, 1,25 Уч.-иэд л. 0,65 Тираж 100 эю, Бесплатно

Типография государственного образовательного учреждения высшего профессионального образовав и «Поволжская государственна» академия телекоммуникаций и к »форм атаки» 443010, г Самара, ул. Л. Толстого, 23. Тел/факс (846) 339-11-11,339-11-81

Введение.

Глава 1. Методы анализа динамических характеристик импульсных источников электропитания с входным фильтром

1.1. Постановка задачи. Устойчивость импульсных источников электропитания при наличии входного фильтра.

1.2. Аналитический вывод выражения входного сопротивления ИСН на основе метода переменных состояния по усредненным параметрам.

1.3. Оценка динамических характеристик импульсных источников электропитания при наличии входного фильтра методом логарифмических частотных характеристик.

1.4. Численные результаты.

1.5. Выводы.

Глава 2. Расчет цепей коррекции входного фильтра

2.1. Цепи коррекции входного фильтра.

2.2. Расчет RC корректирующей цепи однозвенного входного фильтра.

2.3. Расчет RL корректирующей цепи однозвенного входного фильтра.

2.4. Численные результаты.

2.5. Выводы.

Глава 3. Оценка устойчивости и коэффициента сглаживания системы электропитания

3.1. Постановка задачи. Многоканальная система электропитания

3.2. Анализ многоканальной системы электропитания методом логарифмических частотных характеристик.

3.3. Расчет двухзвенного входного фильтра.

3.4. Численные результаты.

3.5. Выводы.

Глава 4. Моделирование источника вторичного электропитания в среде MatLab-Simulink

4.1. Импульсная модель источника вторичного электропитания с входным фильтром в среде MatLab-Simulink.

4.2. Усредненная модель источника вторичного электропитания с входным фильтром в среде MatLab-Simulink.

4.3. Импульсная модель многоканальной системы электропитания в среде MatLab-Simulink.

4.4. Выводы.

Качественные показатели и надежность оборудования радиотехнических систем и систем связи в значительной мере определяются качеством функционирования и надежностью системы электропитания. Современная концепция развития устройств электроснабжения - блочно-модульный принцип построения систем, на котором основываются современные распределенные системы вторичного электропитания. Для сохранения работоспособности аппаратуры, при перерывах в электроснабжении, системы электропитания обычно оснащаются установками бесперебойного питания (УБП).

Для питания современной полупроводниковой аппаратуры используются постоянные напряжения различных номиналов. Причем, стабильность этих напряжений, как правило, должна быть выше стабильности напряжения на входе. Их удобно получать внутри каждого модуля, в зависимости от требований конкретной схемы.

Для питания отдельных модулей могут использоваться непрерывные или импульсные стабилизаторы. Достоинством непрерывных стабилизаторов являются меньшие, по сравнению с импульсными устройствами, пульсации выходного напряжения. Однако, импульсные стабилизаторы (ИС) имеют высокий к.п.д. и малые массогабаритные показатели. Указанные преимущества обусловили широкое применение импульсных источников электропитания.

Таким образом, система электропитания представляет собой совокупность взаимосвязанных преобразователей и стабилизаторов напряжения. Поскольку каждый стабилизатор является системой автоматического регулирования, а число стабилизаторов может достигать большого числа, анализ такой системы автоматического регулирования является сложной математической задачей.

Актуальность работы

Реализация постоянно возрастающих требований к качеству электроэнергии происходит при строгих ограничениях на устройства преобразования электроэнергии. Одно из возрастающих требований к качеству электроэнергии - качество потребляемого тока от первичного источника электропитания (аккумуляторной батареи в буфере с сетевым выпрямителем).

Импульсные источники электропитания нашедшие широкое применение имеют и ряд недостатков, к которым относится и значительная величина пульсаций в их входном токе на частоте коммутации силового ключа.

Если первичным источником электропитания, например, является УБП, то для уменьшения пульсаций тока с частотой коммутации ключа, способных проникать в цепь такого источника, на вход импульсного стабилизатора напряжения (ИСН) обычно включают входной Г - образный LC фильтр. В этом случае такие пульсации не попадают в первичную сеть электропитания и по этому не оказывают негативного влияния на работу других потребителей, также питаемых от этой сети электроснабжения. Расчет параметров такого входного фильтра, обеспечивающий требуемый коэффициент ослабления входных пульсаций, освещен в ряде литературных источниках, например [1,2].

Если первичным источникам электропитания ИСН является сетевой выпрямитель, то на его выходе необходим сглаживающий LC фильтр. Широко применяемый в настоящее время в бестрансформаторных источниках питания чисто емкостной фильтр на выходе сетевого выпрямителя, имеет большой недостаток из-за существенно несинусоидального характера потребляемого входного тока промышленной частоты.

Как показывает практика, входной емкостной фильтр при /уПоых = 10% имеет в спектральном составе входного тока большие гармонические искажения из-за присутствия в нем значительных по амплитуде нечетных гармоник (Зш, 5м, 7Ш, и.т.д.), а также весьма невысокий эквивалентный коэффициент мощности cos ср = 0,5 + 0,6. Входной LC фильтр обеспечивает значительно меньшие гармонические искажения в кривой входного тока, потребляемого от промышленной сети, и значительно больший coscp = 0,85 +0,9. Так, например, бестрансформаторный выпрямитель с импульсной стабилизацией типа ВБВ 60/50 имеет на выходе схемы Ларионова сглаживающий LC фильтр, являющийся входным для импульсного стабилизатора этого блока питания, и cos ф = 0,9. Расчет параметров сглаживающего LC фильтра на выходе сетевого выпрямителя промышленной частоты широко представлен в технической литературе [3].

Пульсации тока с частотой коммутации силового ключа, проникающие от ИСН в цепь сетевого выпрямителя, в этом случае, обычно легко блокируются значительными величинами L и С сглаживающих фильтров на выходе таких сетевых выпрямителей, и поэтому не проникают в сеть переменного тока промышленной частоты. В то же время коммутационные процессы, возникающие при переключении транзисторных ключей, создают помехи в диапазоне радиочастот, которые не должны проходить в сеть промышленной частоты. Поэтому, для их подавления устанавливают специальные помехоподавляющие фильтры. Такие фильтры не влияют на устойчивость работы импульсных источников электропитания.

В последнее время, для уменьшения гармонических искажений входного тока, потребляемого от первичного источника электропитания промышленной частоты, стали применять корректоры коэффициента мощности, позволяющие наряду с высоким coscp получать малый процент гармонических искажений [4].

Международная электротехническая комиссия (МЭК) и Европейская организация по стандартизации в электротехнике (CENELEC) приняли стандарты IEC555 и EN60555, устанавливающие ограничения на содержание гармоник во входном токе вторичных источников электропитания. В [4] приводятся требования оценки величины гармонических искажений по спецификации IEC555 до 15ш гармоники включительно, предъявляемые к современным первичным источникам электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Аналогичные спецификации разрабатываются и для отечественной аппаратуры, причем требования к величине допустимых гармонических искажений потребляемого тока имеет повсеместную тенденцию к ужесточению.

Обычно корректор коэффициента мощности представляет собой импульсный стабилизатор повышающего типа (с параллельным ключевым элементом) со сложной схемой управления, силовая часть которого реализует как бы входной LC фильтр.

Таким образом, при любой схеме первичного источника электропитания ИСН: УБП или сетевого выпрямителя, для поддержания первичного источника электропитания в экологически относительно чистом состоянии по отношению к гармоническим искажениям входного потребляемого тока промышленной частоты или помехам с частотой коммутации силового ключа, необходим входной сглаживающий LC фильтр. И, следовательно, появляется связанная с этим проблема анализа импульсного источника электропитания при наличии входного фильтра на устойчивость. При этом, естественно полагается, что для самого ИС уже была обеспечена устойчивость его работы, как выбором его рабочих параметров, так и применением соответствующих цепей коррекции.

Понятие устойчивости состояния (равновесия или движения) системы автоматического регулирования (САР) связано с ее способностью вновь возвращаться в состояние равновесия после исчезновения внешних сил, которые вывели ее из этого состояния. В принципе, для того, чтобы система автоматического регулирования считалась устойчивой, необязательно, чтобы она возвращалась в то же состояние, в котором была до начала действия указанных сил.

Для нормального функционирования системы или устройства электропитания необходимо, чтобы после прекращения возмущающего воздействия, рассматриваемая система или устройство возвращались в исходное состояние. Таким образом, для нормальной работы оборудования необходимо, чтобы система электропитания была асимптотически устойчивой.

Для линейных систем автоматического регулирования, отсутствие асимптотической устойчивости означает, что после возмущающего воздействия, система перейдет в новое состояние. Причем, если система неустойчива, отклонение от первоначального состояния будет со временем увеличиваться. Если же линейная система, в принципе, устойчива, система перейдет в новое состояние, которое будет сохраняться до появления следующего возмущения. Если после окончания действия возмущающего воздействия система с некоторой погрешностью вернется в предыдущее состояние, имеет место асимптотическая устойчивость.

Реальные системы и устройства электропитания всегда нелинейны. Неустойчивость в них, может проявляться в виде периодических колебаний вокруг состояния равновесия, или в виде перехода в крайнее возможное состояние. Для стабилизаторов напряжения или тока крайними возможными состояниями являются режимы, при которых напряжение (ток) на выходе устройства или уменьшается до нуля или достигает максимальной величины, которую может обеспечить данное устройство. Как правило, неустойчивость состояния в системе проявляется в виде устойчивых автоколебаний вокруг состояния равновесия. Данный режим называют также самовозбуждением или генерацией.

Система электропитания может быть неустойчивой как вследствие неустойчивости состояния отдельных устройств, так и вследствие неоптимального сочетания параметров отдельных частей системы при устойчивости каждой из них при автономной работе.

Причиной неустойчивости ИС при автономной работе, как правило, является не оптимальность параметров контура регулирования. Если при разработке ИС не принимаются в расчет технологические, температурные, временные и другие изменения параметров элементов и их влияние на устойчивость устройства, указанные факторы могут привести к самовозбуждению.

Система может быть неустойчивой и при использовании ИС устойчивых при автономной работе. Это объясняется тем, что ИС характеризуются практически постоянной величиной мощности, потребляемой от первичного источника. Из-за этого входное дифференциальное сопротивление ИС является отрицательной величиной, и в таких системах при определенных условиях возможно самовозбуждение [5,6]. Физически это можно объяснить известным положением теории нелинейных электрических цепей, что при подключении к источнику напряжения или тока с отрицательным входным сопротивлением (например ИСН) пассивного реактивного четырехполюсника (входного фильтра) с малым демпфированием, т.е. малым коэффициентом затухания, в системе может возникнуть режим автогенерации.

Повышение коэффициента затухания входного фильтра за счет увеличения активного сопротивления его элементов (что, однако снижает к.п.д.) или применение специальных цепей коррекции, рассматриваемых в дальнейшем в работе, повышающих коэффициент затухания, устраняет возможность появления автоколебаний.

Поскольку работоспособность аппаратуры может быть нарушена вследствие любой причины возникновения автоколебаний, для нормальной работы системы электропитания необходимо выполнение двух условий:

1. Устойчивость каждого стабилизатора напряжения, как системы автоматического регулирования, охваченной цепью обратной связи.

2. Отсутствие возбуждения системы электропитания вследствие отрицательного значения входного сопротивления ИС.

Для исключения неустойчивости системы, в процессе проектирования необходимо проводить анализ устойчивости, как отдельных стабилизаторов, так и системы электропитания в целом.

Вопрос устойчивости ИС, как системы автоматического регулирования охваченной цепью обратной связи, широко представлен в технической литературе [7, 8], и в данной работе не рассматривается.

Основополагающими работами, посвященные анализу устойчивости импульсных источников электропитания вследствие отрицательности входного сопротивления ИС можно считать труды Миддлбрука Р.Д. [9], Митчелла Д.М. [10]. В них рассмотрен метод основанный на отношении выходного сопротивления входного фильтра и входного сопротивления ИС. Данный подход не позволяет применить логарифмический частотный критерий Найквиста и количественно оценить запасы устойчивости импульсного источника электропитания при наличии входного фильтра. Метод качественно определяет устойчивость рассматриваемой системы. В отечественной литературе влияние входных фильтров на устойчивость ИС отображено в работах Дмитрикова В.Ф. [11], Бушуева В.М., Цыганкова И.Л. [12].

Приведенные выше работы выявляют причины потери устойчивости ИС при наличии входного фильтра и рассматривают вопрос уменьшения влияния входного фильтра на динамические характеристики ИС.

В работах Миддлбрука Р.Д. [9, 13] рассмотрены основные методы демпфирования входного фильтра, позволяющие уменьшить величину выходного сопротивления (выходного импеданса) входного фильтра. Представлены результаты влияния цепей коррекции входного фильтра на устойчивость ИС. Продолжение развития выше указанных работ можно считать следующие труды Яна Ю, Ф. Ли [14] и Эриксона Р.В. [15]. В отечественной литературе данный вопрос рассматривался крайне мало и представлен в последнее время работами Крючкова В.В., Соловьева И.Н. [16], Простотина В.В. [17].

В последнее время появились работы, в которых устойчивость ИС рассматривается с помощью моделирования устройств с применением ПЭВМ [12, 18, 19]. Как правило, в качестве среды моделирования выбирают программы семейства SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis). В настоящее время наиболее распространены программы семейства PSpice фирмы "MicroSim Corp." [20], они имеют наиболее полную библиотеку математических моделей полупроводниковых компонентов, которая увеличивается с каждым годом.

Альтернативной средой моделирования САР может служить среда MatLab [21]. По сравнению с классическим моделированием импульсных устройств в среде SPICE, пакет MatLab имеет следующие преимущества: ИС может быть разбит на электрическую и неэлектрическую часть, которая в свою очередь, описывается любыми математическими функциями. Так как полупроводниковые элементы идеализированы, не перегружены параметрами, то моделирование происходит быстрее, но появляется существенный недостаток, как невозможность моделирование процессов внутри периода коммутации, резонансные процессы относительно периода коммутации и т.д.

Подводя итог анализу состояния вопроса, можно сделать следующие основные выводы:

1. Для исключения неустойчивости системы, в процессе проектирования необходимо проводить анализ устойчивости, как отдельных стабилизаторов, так и системы электропитания в целом.

2. Методы анализа импульсных источников электропитания при наличии входных фильтров основываются, в основном, на труды Миддлбрука Р.Д. Данный подход не позволяет применить логарифмический частотный критерий Найквиста и затрудняет количественно оценить динамические характеристики ИС.

3. Расчет параметров входного фильтра должна соответствовать следующим требованиям:

- уменьшение значения выходного сопротивления фильтра, вследствие чего уменьшается влияние фильтра на устойчивость импульсного источника электропитания;

- уменьшение пикового выброса в выражении коэффициента сглаживания импульсного источника электропитания, вследствие чего увеличивается степень подавления входных низкочастотных пульсаций;

- коэффициент ослабления высокочастотных пульсаций с частотой коммутации силового ключа в первичную цепь электропитания должен составлять не менее -40+-60 дБ;

4. Возможно применение среды моделирования MatLab с целью анализа динамических характеристик импульсных источников электропитания при наличии входного фильтра.

Цель работы

Целью диссертационной работы является разработка методов анализа динамических характеристик импульсных источников электропитания при наличии входного фильтра и систем электропитания в целом.

Создание алгоритма рационального расчета параметров однозвенного и двухзвенного входного фильтра. В соответствии с этим решаются следующие задачи:

- проектирование входного фильтра, при котором обеспечивается устойчивая работа импульсного источника электропитания;

- увеличение степени подавления входных низкочастотных пульсаций импульсным источником электропитания;

- увеличение подавления входным фильтром высокочастотных пульсаций в первичной сети электропитания.

Методы исследования

В работе использован метод усреднения и линеаризации дискретно-нелинейных систем, метод матричных уравнений, метод частотных характеристик петлевого усиления контура цепи отрицательной обратной связи для исследования запасов устойчивости. Вычислительные алгоритмы реализованы на ПЭВМ в интегрированной среде MathCad. Результаты моделирования импульсной и усредненной модели импульсного стабилизатора напряжения при наличии входного фильтра получены с применением ПЭВМ в среде MatLab-Simulink.

Научная новизна диссертации:

- для анализа динамических характеристик импульсного источника электропитания при наличии входного фильтра применен метод логарифмических частотных характеристик, позволяющий количественно оценить запасы устойчивости;

- проведен расчет однозвенных входных фильтров с различными цепями коррекции, при котором обеспечивается устойчивая работа импульсного источника электропитания;

- предложен метод расчета двухзвенного входного фильтра с оценкой «корректирующего фактора»;

- с использованием метода усреднения и линеаризации получено выражение входного сопротивления импульсного стабилизатора напряжения понижающего типа;

- на основе импульсной модели многоканальной системы электропитания в среде MatLab-Simulink получены пусковые характеристики вторичных источников электропитания.

Обоснованность и достоверность результатов работы

Достоверность результатов исследований, полученных в работе, обеспечена совпадением результатов при использовании двух аналитических способов решения одной и той же задачи, и совпадение результатов при схемотехническом моделировании импульсной и усредненной модели импульсного стабилизатора напряжения в среде MatLab-Simulink.

Практическая ценность работы

Для анализа импульсных источников электропитания при наличии входного фильтра в работе предложен метод логарифмических частотных характеристик, позволяющий количественно оценить запасы устойчивости. Предложенный в диссертации метод расчета входных фильтров с различными цепями коррекции, позволяет осуществить проектировку входного фильтра обеспечивающий устойчивый режим работы ИС. Разработанные модели импульсных источников электропитания в среде MatLab-Simulink позволяют существенно упростить разработку и проектирование систем электроснабжения, например ЭПУ ЭАТС.

Положения, выносимые на защиту:

1. Расчет однозвенных и двухзвенных входных фильтров импульсного источника электропитания при различных цепях коррекции.

2. Анализ устойчивости и коэффициента сглаживания импульсных источников электропитания при наличии входного фильтра методом логарифмических частотных характеристик.

3. Анализ многоканальной системы электропитания с "п" выходных каналов методом логарифмических частотных характеристик.

4. Усредненная и импульсная модель источника вторичного электропитания для анализа временных и частотных характеристик системы и синтеза параметров входного фильтра в среде MatLab-Simulink.

5. Импульсная модель многоканальной системы электропитания для анализа временных и частотных характеристик системы и синтеза параметров входного фильтра в среде MatLab-Simulink.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались на VII, VIII, IX, X, XI, XII, XIII научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов ПГАТИ (Самара, февраль 2000, февраль 2001, февраль 2002, февраль 2003, февраль 2004, февраль 2005, февраль 2006); на I, II, III, Международных научно-технических конференциях «Физика и технические приложения волновых процессов» (Самара, сентябрь 2001, сентябрь 2003; Волгоград, сентябрь 2004).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 5 статей и 12 тезисов докладов на различных научно-технических конференциях.

Содержание работы

Во введении определена цель диссертационной работы, показана ее актуальность и практическая значимость, определена новизна и обоснована достоверность полученных результатов, представлены основные положения, выносимые на защиту, кратко изложено содержание диссертации.

В первой главе описаны причины возможной неустойчивой работы импульсного источника электропитания при наличии входного фильтра. Для анализа устойчивости импульсного стабилизатора напряжения с входным фильтром рассмотрен метод основанный на отношении выходного сопротивления входного фильтра и входного сопротивления ИСН.

В главе проведен аналитический вывод выражения входного сопротивления ИС на основе метода переменных состояния по усредненным параметрам, который применен при анализе устойчивости источника вторичного электропитания.

Для анализа устойчивости импульсных источников электропитания при наличии входного фильтра в главе применен метод логарифмических частотных характеристик, позволяющий количественно определить запасы устойчивости, по фазе и усилению. Предложен метод исследования влияния входного фильтра на коэффициент сглаживания ИС низкочастотных пульсаций.

В главе представлены численные результаты, полученные с помощью вышеуказанных методик, оценки динамических характеристик импульсного источника электропитания, и проведено качественное сравнение результатов исследования.

Во второй главе рассмотрены методы улучшения динамических характеристик рассматриваемой системы с помощью различных цепей коррекции входного фильтра. Описаны наиболее распространенные способы демпфирования входного фильтра.

В главе представлены методы расчета цепей коррекции с нахождением минимального выходного сопротивления входного фильтра. Рассмотрено два типа корректирующих цепей, позволяющие, увеличить запасы устойчивости и коэффициент сглаживания импульсного стабилизатора напряжения.

В главе приведены численные результаты оценки динамических характеристик импульсного источника электропитания с входным фильтром при наличии корректирующих цепей.

В третьей главе описана структура многоканальной системы электропитания и используется метод логарифмических частотных характеристик для анализа динамических характеристик импульсных источников электропитания в составе системы электроснабжения.

В главе предложен метод расчета двухзвенного входного фильтра, основанный на теореме Миддлбрука о дополнительном элементе. Представлена количественная оценка «корректирующего фактора» и проведен расчет двухзвенного входного фильтра.

В главе приведены численные результаты оценки устойчивости и коэффициента сглаживания импульсного источника электропитания, как части системы электроснабжения, при наличии двухзвенного входного фильтра. Рассмотрено влияние корректирующих цепей входного фильтра на динамические характеристики исследуемой системы.

В четвертой главе описаны методы и сделан обзор программного обеспечения для схемотехнического моделирования. Разработана импульсная модель вторичного источника электропитания с входным фильтром в среде MatLab-Simulink. Приведены результаты моделирования и сделаны выводы.

В главе разработана усредненная модель импульсного источника электропитания при наличии входного фильтра в среде MatLab-Simulink. Приведены результаты моделирования и представлены логарифмические частотные характеристики ИС при разомкнутой цепи обратной связи.

В главе разработана импульсная модель многоканальной системы электропитания. Приведены результаты моделирования и показано влияние параллельных каналов электропитания друг на друга.

В заключении сформулированы основные научные и практические результаты диссертационной работы.

Автор глубоко признателен научному руководителю доц. О.А. Коржавину за постановку интересных задач, постоянную помощь в проведении научных исследований и моральную поддержку.

4.4. Выводы

1. Разработана импульсная модель источника вторичного электропитания с входным фильтром в среде MatLab-Simulink. Показано, что ИСН с входным фильтром без цепей коррекции с параметрами заданные в главе 1 имеет на графике (осциллограмме) выходного напряжения устойчивые автоколебания, т.е. ИСН является неустойчивым. При наличии цепей коррекции, с параметрами рассчитанные в главе 2, ИСН не имеет таких автоколебаний, т.е. является устойчивым.

2. Расчетные соотношения по оценке устойчивости, теоретически выведенные в главе 1, 2, подтверждены результатами схемотехнического моделирования.

3. Разработана усредненная модель источника вторичного электропитания с входным фильтром в среде MatLab-Simulink, основанная на классическом методе усреднения переменных состояния импульсной системы. Построенные логарифмические частотные характеристики усредненной модели подтверждают неустойчивость ИСН с входным фильтром без цепей коррекции и устойчивость при их введении.

4. Разработана импульсная модель многоканальной системы электропитания в среде MatLab-Simulink, подтверждающая влияние входного фильтра на динамические характеристики источника вторичного электропитания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

К основным результатам и выводам диссертации следует отнести следующее:

1. Исследовано влияние входного фильтра на устойчивость импульсных источников вторичного электропитания.

2. С использованием метода логарифмических частотных характеристик проведен анализ устойчивости, расчет коэффициента сглаживания входных низкочастотных пульсаций и подавления пульсаций с частотой работы силового ключа в первичной цепи импульсных источников электропитания при наличии входного фильтра.

3. Предложен метод расчета входного фильтра при наличии различных цепей коррекции позволяющие обеспечить требуемые запасы устойчивости по фазе и усилению, получение максимально возможного коэффициента сглаживания входных низкочастотных пульсаций в требуемом частотном диапазоне, получение максимально возможного подавление пульсаций с частотой работы силового ключа в первичной цепи источника электропитания.

4. Использован метод логарифмических частотных характеристик для анализа динамических характеристик импульсных источников электропитания в составе многоканальной системы электропитания.

5. Предложен метод расчета двухзвенного входного фильтра. Количественно оценен «корректирующий фактор» влияния дополнительного звена на выходное сопротивление входного фильтра.

6. Разработана модель импульсного источника электропитания в среде MatLab-Simulink. Проведено качественное сравнение результатов моделирования импульсной и усредненной схем ИВЭП с аналитическими методами анализа устойчивости импульсных источников электропитания при наличии входного фильтра.

7. Разработана модель многоканальной системы электропитания в среде MatLab-Simulink и рассмотрено влияние входного фильтра на динамические характеристики источника вторичного электропитания.

8. Применение корректирующих цепей входных фильтров импульсных источников электропитания позволило:

- получить запас устойчивости по фазе Лф = 16°, по усилению а(дБ) = 30 > 0;

- уменьшить спад коэффициента подавления входных низкочастотных пульсаций и сдвинуть его в область частот от 700 Гц и выше;

- получить ослабление пульсаций с частотой работы ключевого элемента ИС, проникающих в первичную цепь источника электропитания, до величины -40^-80 дБ.

1. Бирзниекс JI.B. Импульсные преобразователи постоянного тока. — М.: Энергия, — 1974.

2. Хусаинов Ч.И. Расчет входного фильтра импульсного стабилизатора // Полупроводниковая электроника в технике связи / под ред. Ныколавского И.Ф. — 1977, — Вып. 18. — С.136-140.

3. Kumaee В.Е., Бокуняее А.А. Расчет источников электропитания устройств связи. — М.: Связь, — 1979.

4. Philip С. TODD UC3854 Controlled power factor correction circuit design // Unitrode Application Note U-134. — P.3-268-3-269

5. Dan Sheegan Designing a regulator's LC input filter: "Ripple" method prevents oscillation woes. // Electronic Design. — 1979. — №16. — P. 102-104.

6. Козляев Ю.Д., Лоечиков СЛ. Определение устойчивости импульсных систем электропитания // Электросвязь. — 1989. — №3. — С. 55-58.

7. Коржавин О.А. Динамические характеристики стабилизирующих источников электропитания и их расчет с применением ЭВМ. Учебно-методическое пособие. — М.: Московский институт связи, — 1990.

8. Розанов Ю.К. Полупроводниковые преобразователи со звеном повышенной частоты. — М.: Энергоатомиздат, — 1987.

9. Middlebrook R.D. Input Filter Considerations in Design and Application of Switching Regulators // IEEE Power Electronics Specialists Conference. — 1977. — P. 36-57.

10. Mitchell D.M. Power Line Filter Design Considerations for dc-dc Converters // IEEE Industry Applications Magazine. — November/December, — 1999. — P. 16-26.

11. Дмитриков В.Ф., Сергеев В.В., Самылин КН. Повышение эффективности преобразовательных и радиотехнических устройств. — М.: Радио и Связь, Горячая линия-Телеком, — 2005.

12. Бушуее В.М., Цыганков И.Л. Оценка устойчивости систем электропитания предприятий связи, содержащих импульсные стабилизаторы напряжения и тока // Электросвязь. — 1998. — №8. — С.30-32.

13. Middlebrook R.D. Design Techniques for Preventing Input-Filter Oscillations in Switched-Mode Regulators // Proc. Fifth National Solid-State Power Conversion Conference. — 1978. — P. A.3.1-A.3.16.

14. Fred C. Lee, Yuan Yu Input-Filter Design for Switching Regulators // IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. — 1979. — Vol.AES-15. — № 5. — P.627-634.

15. Erickson R.W. Fundamentals of Power Electronics. — New York.: Chapman and Hall, —1997.

16. Крючков В.В., Соловьев КН. Входные фильтры импульсных источников питания // Практическая силовая электроника. — 2005. — №20. — С.2-5.

17. Простотин В.В. Устойчивость системы электропитания аппаратуры связи // Электросвязь. ■— 1982. — №2. — С.31-35.

18. Jang Y., Erickson R. W. Physical Origins of Input Filter Oscillations in Current Programmed Converters // IEEE Transactions on Power Electronics. — 1991. — Vol.7.—№4. —P.725-733.

19. Четти П. Проектирование ключевых источников электропитания. Пер. с англ. С.Ф. Коняхина / под ред. B.C. Моина. — М.: Энергоатомиздат, — 1990.

20. Разееиг В.Д Применение программ P-CAD и PSpice для схемотехнического моделирования на ПЭВМ. Вып.1: Общие сведения. Графический ввод схем. — М.: Радио и связь, — 1992.

21. Овчинников Д.А., Кастров М.Ю., Лукин А.В., Малышков Г.М., Герасимов А.А. Моделирование повышающего преобразователя в среде Matlab-Simulink // Практическая силовая электроника. — 2002. — №8. — С. 17-22.

22. Y.Yu, J.J. Biess Some design aspects concerning input filters for dC-dC converters // IEEE Power Electronics Specialists Conference Record (DESC71, Record). —1971,—P. 66-76.

23. Тяжев А.И. Основы теории управления и радиоавтоматики. — М.: Радио и связь, — 1999.

24. Mitchell D.M. An analytical investigation of current-injected control for constant frequency switching regulator // IEEE Transactions on Power Electronics. — 1986. — Vol.PE-1. — №3. — P. 487-502.

25. Мелешин В.И. Получение непрерывной линейной модели силовой части импульсного преобразователя как начальный этап проектирования его динамических свойств // Электричество. — 2002. — №10. — С. 38-43.

26. Александров Ф.И., Сиваков А.Р. Импульсные преобразователи и стабилизаторы. — J1.: Энергия, — 1970.

27. Коржаеин О.А. Оценка устойчивости однотактного преобразователя напряжения с обратным диодом и с обратными связями по току и напряжению // Электросвязь. — 1993. — С. 34-37.

28. Коржаеин О.А. Улучшение динамических параметров стабилизатора напряжения с двухзвенным сглаживающим фильтром и параллельным звеном коррекции // Сборник статей Электронная техника в автоматике. — М.: Радио и связь. — 1993. — Вып. 17. — С. 34-37.

29. Коржаеин О.А. Динамические характеристики импульсных полупроводниковых преобразователей и стабилизаторов постоянногонапряжения. Учебное пособие для ВУЗов связи. — М.: Радио и связь, — 1997.

30. Schoneman G.K., Mitchell DM. Closed-loop performance comparisons of switching regulators with current-injected control // IEEE Transactions on Power Electronics. — 1988. — Vol.3.— №1.— P. 575-593.

31. Riclly R.D. A new, continous -time model for current-mode control // IEEE Transactions on Power Electronics. — 1991. — Vol.6. — №2, — P. 121-139.

32. Коржавин О. А. Определение параметров переходного процесса импульсного стабилизатора напряжения // Труды учебных институтов связи, серия "Обработка информации в системах связи". — 1980. — С.40-42.

33. Иващенко Н.Н. Автоматическое регулирование. Теория и элементы систем. — М.: Машиностроение, — 1978.

34. Донкеев С.С., Коржаеин О.А. Оптимизация входного фильтра импульсных стабилизаторов // Тезисы докладов и сообщений III Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов». — Волгоград, — 2004. — С. 225-226.

35. Донкеев С.С., Коржаеин О.А. Оценка влияния входного фильтра на работу импульсных источников электропитания // Электросвязь. — 2005. — №10. —С. 23-26.

36. Пионтковский Б.А., Серякое Н.И. Электропитание предприятий проводной связи. —М.: Связь, — 1972.

37. ОАО «Связьинвест» Система электропитания ПС-60. Руководство по эксплуатации 864.100.002 РЭ. — Минск. — 2003.

38. ОАО «Связьинвест» Система электропитания ПС-60. Инструкция по монтажу, пуску и наладке 864.100.002 ИМ. — Минск. — 2003.

39. ОАО «Связьинвест» Станция автоматическая электронная цифровая телефонная АТСЭ Ф. Техническое описание 861.300.008 ТО. — Минск. — 2003.

40. Коржавин О.А., Донкеев С.С., Вороной А.А. Влияние дискретного характера работы И1ИМ на устойчивость однотактного преобразователя напряжения с дополнительной связью по току дросселя // Практическая силовая электроника. — 2005. — №20. — С. 10-15.

41. Коржавин О.А. Определение кривой переходного процесса в импульсном стабилизаторе напряжения методом припасовывания // Электронная техника в автоматике. — 1982. —№13. — С.35-39.

42. Донкеев С.С., Коржавин О.А. Влияние входного фильтра на систему электропитания // Тезисы докладов и сообщений III Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов». — Волгоград, — 2004. — С. 195-196.

43. MiddlebrookR.D. Null double injection and the extra element theorem// IEEE Transactions on Education. — 1989. — Vol.32. — № 3. — P. 167-180.

44. Middlebrook R.D. The two extra element theorem// IEEE Frontiers in Education. — 1991. — P.702-708.

45. Бессекерский В.А., Попов ЕЛ. Теория систем автоматического регулирования. —М.: Наука, — 1975.

46. Захаров В.Г. Метод расчета динамических режимов полупроводниковых преобразователей // Тезисы докладов межвузовской научно-технической конференции «Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем». — Чебоксары. — 1995. — С. 85-87.

47. Овчинников Д.А., Кастров М.Ю., Карзов Б.И. Язык моделирования VHDL-AMS // Практическая силовая электроника. — 2002. — №5. — С. 1416.

48. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MatLab 6.0: Учебное пособие. — СПб.: КОРОНА принт, — 2001.

49. Дьяконов В.A. Simulink 4: Специальный справочник. — СПб.: Питер, — 2002.

50. Middlebrook R.D., Cuk S.A. A general unified approach to modeling switched-converter power stages// IEEE Power Electronics Specialists Conference. — 1976. — P.18-34.

51. Коржавин О.А., Донкеев С.С. Оптимизация входного группового фильтра электронной АТС // Тезисы докладов XIII юбилейной Российской научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов. — Самара, — 2006. — С. 26.

52. Донкеев С.С., Коржавин О.А. Оценка влияния входного фильтра импульсных источников электропитания на устойчивость их работы и пути ее повышения с помощью цепей коррекции // Практическая силовая электроника. — 2006. — №22. — С.23-27.