автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Квазирезонансный стабилизатор напряжения

На правах рукописи

ГОРЯШИН НИКОЛАЙ НИКОЛАЕВИЧ

КВАЗИРЕЗОНАНСНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск - 2005

Работа выполнена в Сибирском государственном аэрокосмическом университете имени академика М.Ф. Решетнева

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Базилевский Александр Борисович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Иванчура Владимир Иванович

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Лыков Николай Борисович

Ведущая организация: ФГУП «Научно-производственное объединение

прикладной механики» имени академика М.Ф. Решетнева

Защита состоится « 28 » октября 2005 г в 16 00 часов, на заседании диссертационного совета Д212.098 04 при Красноярском государственном техническом университете по адресу ул академика Киренского, 26, Красноярск, 660074, ауд. Д501

Факс. (3912) 43-06-92 (КГТУ, для каф САПР)

E-mail sovet@front ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Красноярского государственного технического университета.

Автореферат разослан «2. У- »t&íftt2005 года.

Учёный секретарь диссертационного совета дт.н

С А Бронов

\<555\

з

Л-/??//?

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: Импульсные преобразователи постоянного напряжения из-за высоких энергетических показателей, высокой степени надежности и малых габаритах получили широкое распространение в системах электропитания различных устройств автоматики, электроники, вычислительной техники.

Из-за высоких показателей КПД и удельной мощности импульсные преобразователи напряжения (ИПН) являются неотъемлемой частью автономных систем электроснабжения (СЭС), в частности космических аппаратов (КА). Такие схемы ИПН должны оптимально использовать частотные свойства элементов, обеспечивать электромагнитную совместимость с основной электронной аппаратурой, низкий уровень коммутационных потерь мощности и помех, создаваемых преобразователями.

Совершенствование современных ИПН направлено на достижение таких требований как высокие удельные энергетические характеристики и высокое качество электроэнергии при использовании импульсно-модуляционных законов преобразования и управления потоками электроэнергии. Об актуальности развития данного направления свидетельствуют работы ведущих ученых в этой области: Соустина Б.П., Иванчуры В.И., Эльмана В.О., Казанцева Ю.М., Ловчикова А.Н.

Так, в современных КА системы энергообеспечения, распределения электроэнергии, системы обеспечения ее заданного качества и аккумулирования занимают по массе объему и стоимости до 30% самого КА. Хотя разница между удельными характеристиками вторичных источникоЬ питания и первичных источников электроэнергии, входящих в состав СЭС КА, достаточно велика, но, учитывая развитие современных технологий в области преобразования различных видов энергии в электрическую и появлению новых способов аккумулирования электроэнергии, развитие преобразователей напряжения (ПН) направленное на повышение удельных энергетических характеристик может быть оправдано. С другой стороны современная космическая отрасль производит аппараты, где мощности СЭС могут варьироваться в широких пределах от единиц ватт (технологические и исследовательские спутники) до десятков киловатт (космические станции). Следовательно, такие энергетические характеристики как КПД и удельная мощность ПН в зависимости от мощности СЭС (как правило, при малых мощпостях до 1000 Ватт) могут в значительной степени определять массогабаритные характеристики КА в целом.

Одним из основных способов решения этой задачи является повышение рабочих частот ПН, без снижения КПД, и как следствие, снижение массогабаритных характеристик выходных фильтров, что не возможно осуществить для классических импульсных преобразователей напряжения, так как с ростом частоты возрастают и динамические потери на коммутирующих

ключах.

НАЦИОНАЛЬНАЯ

•• "АцИОНАЛЬ

библиотека

С-АггербулН/

В данной работе повышение удельных энергетических характеристик вторичных источников электропитания, построенных на базе высокочастотных ПН, предлагается реализовать за счет использования резонансных режимов работы регулирующего элемента - электронного ключа, с частотно -импульсным законом управления, где коммутация ключевого элемента происходит при нулевых значениях мощности.

К основным достоинствам преобразователей, использующих резонансные режимы работы, следует отнести: уменьшение габаритных размеров и массы радиаторов силовых ключей за счет снижения потерь на переключение ключевого элемента (КЭ), снижение габаритных размеров и массы емкостных и индуктивных элементов выходного фильтра, повышение быстродействия, благодаря возможности повышения частоты коммутации без увеличения потерь мощности на КЭ.

По сравнению с ПН, использующими широтно-импульсный закон регулирования, резонансные ПН с частотным управлением являются более сложным объектом управления. Это обусловлено нелинейной зависимостью выходных параметров силовой части резонансного ПН от тока нагрузки, которая объясняется изменением добротности резонансного контура (РК). Поэтому для обеспечения надежной работы ПН с РК необходимо определить ограничения, наложенные на режимы управления резонансными ключевыми элементами. Таким образом, задачи построения резонансного преобразователя напряжения с эффективным законом управления при больших отклонениях возмущающих воздействий по току нагрузки, разработки методики его синтеза и анализа динамических процессов являются актуальными.

Объектом исследований является стабилизатор напряжения, построенный на базе высокочастотного ПН, использующего резонансные режимы работы.

Предметом исследований являются электромагнитные процессы в резонансном контуре работающим в цепи силового ключевого элемента и их взаимодействие с электромагнитными процессами в линейных инерционных цепях.

Цель работы: Повышение эффективности управления квазирезонансным преобразователем в цепи стабилизатора напряжения при действии больших возмущений.

Исходя из поставленной цели, в работе решены следующие научные и практические задачи:

1. Классификация режимов работы электронного ключевого элемента в цепи резонансного контура.

2. Синтез математической модели с учетом особенности работы ключевого элемента, в цепи резонансного контура с коммутацией при нулевых значениях тока.

3. Исследование влияния параметров силовой части на режимы работы квазирезонансного преобразователя напряжения и определение его регулировочных режимов.

4. Исследование полученной математической модели квазирезонансного ПН, и вывод аналитических критериев для определения рациональных соотношений параметров силовой части.

5. Разработка методики синтеза корректирующих устройств для стабилизатора напряжения (СН) на базе квазирезонансного ПН.

6. Разработка алгоритма реализации квазирезонансного СН с законом управления посредствам частотно-импульсной модуляции (ЧИМ), с заданными динамическими и энергетическими парамефами с использованием средств автоматизированного проектирования.

7. Исследование влияния подключаемой к квазирезонансному СН с ЧИМ активно - индуктивно - емкостной нагрузки на динамические показатели качества СН.

Методы исследований. Решение поставленных задач было осуществлено на основе теории автоматического управления, теории электротехники, дифференциального исчисления, имитационного моделирования на ЭВМ с использованием пакетов: MathCADll, Math Lab6.5, Micro Cap7.0.

Наиболее существенные новые научные результаты:

- Разработана нелинейная непрерывная аналитическая модель квазирезонансного ПН с коммутацией ключевого элемента при нулевых значениях тока, позволяющая производить динамический расчет данного ПН при больших отклонениях возмущающих и задающих воздействий.

- Установлена аналитическая зависимость динамических свойств квазирезонансного ПН от соотношения параметров его линейной части при неизменной постоянной времени.

- Предложен критерий, количественно объединяющий энергетические и динамические характеристики квазирезонансного ПН.

- Предложена методика синтеза, квазирезонансного стабилизатора напряжения, с ЧИМ при действии больших возмущений по нагрузке с применением задачи о накоплении Б.В. Булгакова.

Значение для 1еории. Автором предложено развитие методов синтеза нелинейных систем, с нслинейностями в виде гладких функций, подобных объекту исследований данной работы.

Практическая ценность. Заключается в улучшении удельных энергетических характеристик, качества выходной электроэнергии и динамических свойств импульсных СН, за счет созданных методов проектирования, позволяющих более эффективно использовать квазирезонансные ПН в различных системах энергообеспечения, в том числе и в СЭС КА.

Достоверность научных и практических результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждается согласованием результатов теоретических расчетов, математического и имитационного моделирования в пакете Micro Сар 7.0, а также экспериментальных исследований на лабораторном макете.

Использование результатов диссертации. Материалы диссертационных исследований использованы в ФГУП «Научно-производственное объединение

прикладной механики» имени академика М.Ф. Решетнева, в учебном процессе на кафедре «Систем автоматического управления» СибГАУ им. академика М.Ф. Решетнева, что подтверждено соответствующими актами о внедрении.

Работа выполнялась в рамках НИР: «Разработка и исследование квазирезонансных преобразователей напряжения для систем электроснабжения космических аппаратов» по гранту Федерального агентства по науке и инновациям в рамках приоритетного направления: «Поддержка интеграции науки и высшей школы» от 01/01/2005г., тема: БП4-05 код 4427.

Личный вклад автора. Автору принадлежат: постановка задач данного исследования, обоснование и разработка всех положений определяющих научную новизну и практическую значимость работы, результаты теоретических и экспериментальных исследований, анализ и обобщение результатов, формулировка выводов и заключений.

Рекомендации по использованию результатов диссертации. Рекомендуется использовать результаты диссертационной работы при проектировании СЭС КА с повышенными требованиями к удельной мощности и качеству выходного напряжения (уровень коммутационного шума и пульсаций).

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались: на УП Всероссийской научной конференции «Решетневские чтения» в г. Красноярске (2003г.); на VIII Всероссийской научной конференции «Решетневские чтения» в г. Красноярске (2004г.); на П1 международной конференции Сибирского авиационно-космического салона «САКС-2004» в г. Красноярске (2004г.); на XII международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения» в г. Казань (2004г.); на I Всероссийской научной конферейции «Актуальные проблемы авиации и космонавтики» в г. Красноярске (2005г.)

Публикации. Но материалам диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ из них стаей - 3, тезисов докладов - 4, материалов конференций - 3.

Результаты решения перечисленных задач составляют основное содержание данной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и двух приложений. Работа изложена на 128 страницах машинописного текста, включает 47 рисунков, два приложения на 7 страницах, в список литературы включено 80 наименований, 11 из которых принадлежат автору.

Содержание работы

Первая глава посвящен^ анализу вторичных преобразователей электроэнергии систем построенных на базе импульсных преобразователей, и возможным направлениям их развития.

Широко распространенные на сегодняшний день ПН с прямоугольной формой напряжения и тока фактически достигли своего предела в развитии применительно к данной области использования. Дальнейшее улучшение энергетических характеристик ИПН определяется совершенствованием элементной базы: повышением быстродействия КЭ, уменьшением падения

напряжения на КЭ в открытом состоянии, но такая тенденция усилит влияние паразитных реактивных составляющих реальной схемы. Следствием этого нежелательного эффекта является плохая электромагнитная совместимость ПН с полезной нагрузкой, которая в свою очередь должна обеспечиваться дополнительными входными буферными фильтрами электропитания, а также требует отдельной отладки и испытаний, связанных с имитацией импульсных помех на шинах питания.

Таким образом, для уменьшения потерь на переключение и от коммутационного шума, вызванного влиянием паразитных элементов, а также для снижения уровня импульсных помех следует переключать КЭ в моменты нулевых значений тока или напряжения. Эти режимы могут иметь место при резонансных колебаниях в цепях с КЭ

На основании проведенного анализа и классификации ПН с резонансным контуром был выделен вариант топологии ПН, который может быть наиболее эффективно использован в автономных СЭС между первичным источником и нагрузкой, с точки зрения удельных энергетических характеристик, качества выходной электроэнергии, КПД, и динамических свойств. Это квазирезонансный преобразователь с переключением КЭ при нулевых значениях тока (ПНТ) (рис. 2.2).

Вторая глава посвящена моделированию физических процессов происходящих в силовой цепи ПНТ-преобразователя при больших отклонениях возмущающих воздействий.

Определенный как объект исследования применительно к поставленной задаче квазирезонансный понижающий ПНТ - преобразователь последовательного типа обладает всеми преимуществами присущими резонансным ПН, также характеризуется малыми статическими потерями ввиду того, что РК работает только часть периода резонансного цикла. Основной проблемой при синтезе такого ПН остается создание эффективного метода управления режимами работы КЭ, которые должны определятся ограничениями на регулирующие параметры - частоту коммутации и время открытого состояния КЭ. По причине наличия сложных взаимовлияний последних с текущими режимами работы ПН необходимо получить аналитические зависимости, между ними опираясь на физическую сущность происходящих процессов как в пределах одного цикла коммутации, так и в переходном режиме при больших отклонениях возмущающих воздействий.

Один период работы КЭ в цепи РК ПНТ - преобразователя можно разбить на четыре временных интервала рис.2.1, которые описываются уравнениями (2.1-2.4), где 11р (I) - ток через индуктивность РК £р, С/Гр (?) -напряжение на конденсаторе РК Ср, /„ - ток нагрузки, 1/ущ, (О - напряжение управляющего сигнала, - волновое сопротивление РК, С/вх - напряжение питания преобразователя, со0-собственноая частота РК.

и -г

8т(ш„ (<-«,)) Л» = 7 '

¿О

С/Ср (0 = (1 - сов(«0 (/ - ^ )));

я 1 . (2„-/„ Л/, =/,-/. =—+—агсяп ° *

^ i и„

р

с

=4-Ч (1-со8Ц(/2-/,))).

*

[<3<;*<ф

/,¡7

ь и

(2.1)

(2.2)

(2.3)

(2.4)

Рис.2 1 временные диаграммы работы ПНТ - преобразователя.

Учитывая что, в переходном режиме между током нагрузки и средним током дросселя фильтра наблюдается фазовый сдвиг, поэтому при существенном изменении сопротивления нагрузки время интервала Л^+Л^ будет изменяться в течение переходного процесса и примет другое значение в установившемся режиме, реализовать режим переключения при нулевых значениях тока в широком диапазоне нагрузок возможно, если управлять КЭ в соответствии с функциональной схемой изображенной па рис.2.2, где при каждом периоде коммутации устройство, следящее за переходом тока через его нулевое значение ФОСК, формирует запирающий сигнал и отправляет его на устройство управления КЭ.

Рис.2.2 Функциональная схема стабилизатора напряжения (СН) на базе квазирезонансного ПНТ - преобразователя, где: ГУН - генератор управляемый напряжением, КЭ - ключевой элемент, ФОСК - формирователь времени открытого состояния КЭ, ДТ - датчик тока, иоп~ опорное напряжение, УУ КЭ - устройство управления КЭ Далее на основании формул (2.1-2.4) можно выделить статический нелинейный коэффициент передачи по напряжению зависящий от тока нагрузки, в установившемся режиме, при определенных прочих параметрах:

1+Л-

и„

гг I

- + 0,5

[¿Лф] + агсвш

[ ^ ] 1 "ш ]

_1_ 2я

(2.5)

и его графическое изображение: «у

1

1 с и 0( '0%)

\ /

1щ (100%)

Рис. 2.3 Семейство характеристик отображающих статическую зависимость коэффициента передачи ПНТ - преобразователя от среднего значения тока дросселя выходного фильтра, при разных значениях О^ с шагом изменения 10%, где //ф среднее значение тока дросселя

выходного фильтра.

Таким образом, зависимость выходного напряжения от частоты коммутации можно определить как:

£/,«,(/) = /•'и ('К (2.6)

а ее графическое представление изображено на рис.2.4.

На основании формул (2.1-2.4) напряжение на конденсаторе РК можно представит в виде кусочно-непрерывной функции:

МО

и

1 «

1 . 1 1

! 1 и^Ц)

1 1

Iй » • 1 • 1

и

Рис. 2.4 Графики регулировочной характеристики -£/Вых(/) и регулирующей переменной Кцф

Таким образом, можно сформулировать критерий для максимальной частоты коммутации при определенных прочих параметрах и начальных условиях: за максимальную частоту коммутации резонансного КЭ работающего в режиме ПНТ может быть принято значение аргумента функции ¿Увых(/), при котором разность значений функций регулировочной характеристики и регулирующей переменной перестанет быть постоянной. Математически,

выведенный критерий можно представить так:

*/</«, (2'8)

При практическом применении этого критерия значение а может быть найдено из модуля разности I Кц([\)-илы^/г) I, где каждая из величин определяется для частоты соответствующей одному из значений некоторого диапазона регулирования напряжений определяемого техническими условиями.

Также определенный выше критерий может быть дополнен ограничением, наложенным на коэффициент заполнения периода коммутации, который в свою очередь определяется частотой при фиксированном значении тока нагрузки.

В общем виде на основании выражений (2.1-2.4) формулу для определения коэффициента заполнения можно записать так:

У

(2.9)

Отсюда максимальное значение относительной длины импульса открытого состояния КЭ для ПНТ - преобразователя во всем определенным данным режимом диапазоне выходных значений тока и напряжения имеет конкретное значение: /тах=0.851.

Таким образом для исключения срыва резонансного процесса индуктивность дросселя фильтра рассчитывается так, чтобы обеспечить режим непрерывного изменения в нем тока. Поэтому, на значение индуктивности дросселя накладывается обязательное ограничение: (примерно на

порядок). Учитывая тот факт, что напряжение на резонансной емкости имеет фазовый сдвиг по отношению к току 1^(1) (запаздывание), в соответствие с режимом ПНТ, то инерционностью устройства слежения за режимом ПНТ можно пренебречь. На основании этого можно сделать вывод, что на время открытого состояния КЭ влияет не только среднее значение тока дросселя выходного фильтра, но и наложенное на него периодическое изменение тока -пульсации. На этом основании' задача получения необходимой точности моделирования сводится к определению влияния пульсаций тока дросселя выходного фильтра на временные режимы работы КЭ в течение одного периода коммутации, а значит и на динамику системы в целом.

На основании вышеизложенного в работе было получено выражение которое определяет зависимость относительной длины импульса тока через индуктивность РК от периодического изменения тока дросселя выходного фильтра:

где Л/1Ф - размах пульсаций тока дросселя выходного фильтра, /¿ф-средне значение тока дросселя выходного фильтра равное току нагрузки в установившемся режиме.

На основании полученной зависимости (2.10) и параметрической нелинейности (2.5), обусловленной нелинейной зависимостью коэффициента передачи ПНТ - преобразователя от тока нагрузи , можно синтезировать математическую модель ПНТ - преобразователя, структурная схема которого приведена на рис. 2.5.

Для возможности использования формулы (2.10) было определено аналитическое выражение, связывающее значение индуктивности дросселя выходного фильтра и размаха пульсаций тока в нем, которое в общем виде можно записать так:

ЛД(/£Ф)= .2;

■»/.л.

(2.10)

и

о

(2.11)

'Ф

Если обозначить отношение времени положительного полупериода напряжения на дросселе фильтра и времени перезаряда емкости РК, некоторым относительным коэффициентом Ку и выразить интеграл, то формула (2.11) примет вид:

где

иш Я" 1 —+—агсяп Г(/н+д/)г0"

я* Щ, 1 \

■кг +

¡4

и 1 1+1и "(7н+д/)г0" — 2 2

2а>0{1н+М)г0

Ы,

К,

- 2-у атсвт -

и,

{2-и,

вх у

и„

и„

■,М= Ыщ!2

(2.12)

иа

ч^Нх

сл

ит

Рис. 2.5 Структурная схема непрерывной нелинейной модели понижающего ПНТ-преобразователя последовательного тина.

Соответствующая структурной схеме система дифференциальных уравнений, где начальными условиями являются напряжение на нагрузке - ивш. и среднее значение тока дросселя фильтра - /£ф имеет вид:

I,.

Л г* с

(2.13)

Третья глава посвящена исследованию стабилизатора напряжения (СН) на базе квазирезонансного преобразователя напряжения и разработке методики его синтеза.

Для исследования СН на базе ПНТ преобразователя необходимо ввести цепь отрицательной обратной связи. Таким образом, задавшись иоп> можно

получить требуемое напряжение на выходе, значение которого определяется отношением опорного напряжения к коэффициенту обратной связи.

Тогда система дифференциальных уравнений описывающих СН на базе

ПНТ- преобразователя будет выглядеть так:

/„

U - | ■

ЛнСф сф

К(1,

■ ч

+ UJKy+М)(/,ф) -ик].

(3.1)

ф

Если учесть тот факт что коэффициент прямого контура данной системы существенно зависит от тока нагрузки, то соответственно позиционная ошибка будет принимать различные значения при изменении сопротивления нагрузки.

На рис. 3.1 приведены временные диаграммы процессов в силовой цепи СН без дополнительной коррекции, полученные в результате анализа СН с использованием синтезированной нелинейной непрерывной модели и численного моделирования в пакете Micro Сар7.0.

>] 1

1 / « 1 / п i ______

v 1 11

----J

~ - -1

1 ! 11

iVyvyVVVW

------- ---------------

• } м-1 I Л'' и I Г.: С1 и

а) б)

Рис. 3.1 Переходные процессы на выходе СН на базе квазирезонансного ПНТ -преобразователя при ступенчатом изменении сопротивления нагрузки (а) - от 10 до 5 Ом, (б) - от 5 до 10 Ом, полученные при вычисленном эксперименте (I) и математическом

моделировании (П).

Для дальнейшего анализа был получен линеаризованный вариант

Рис 3.2 Преобразованная структурная схема непрерывной линеаризованной модели СН на базе понижающего квазирезонансного ПНТ - преобразователя, без дополнительной

коррекции.

где:

/о - ток нагрузки в установившемся режиме, в окрестности значения которого линеаризуется система СН,

и„ - напряжение стабилизации равное С/вых в установившемся режиме,

2 Кп2 X-U. °

2 «СЛ.

1+.

1-

-о

riu *

Тогда передаточная функция (ПФ) разомкнутого прямого контура линеаризованной системы без дополнительного коэффициента усиления Ку (рис. 3.2) будет иметь вид:

г(*) =- К(1°)К*---

KRCqLQS +Kr

я

5 + 1

(3.6)

где

К

Для того чтобы оценить зависимость влияния линеаризованного коэффициента Ка и соответствующего ему значения индуктивности дросселя выходного фильтра на динамические показатели качества, эти параметры можно связать аналитически через коэффициент демпфирования при фиксированном значении тока нагрузки:

2 JUC,,

где

л/ lqcq —

const

На рис. 3.3 (б) представлено семейство характеристик коэффициента демпфирования при значениях тока нагрузки 50%, 100% от номинального значения по возрастанию нумерации графиков соответственно, и соогветствутощих этому току значениях линеаризованного коэффициента К,. На рис. 3.3 (а) изображены кривые, описывающие соответствие значений индуктивности дросселя размаху пульсаций тока в нем при фиксированном значении постоянной времени выходного фильтра, и напряжения нагрузки для разных значений токов нагрузки. На основании этих графиков можно сделать

вывод, что поиск рационального, с точки зрения динамики, соотношения индуктивности и емкости выходного фильтра силовой части ПНТ -преобразователя, должен определяться предельными режимами, заданными в технических условиях на ПН.

ь/

I

п„

{

1

] I

—^ ^ ■> !

* ! 1 1 ^^^

|

Рис. 3.3 Зависимость индуктивности дросселя выходного фильтра от размаха пульсаций

тока в нем при различных значениях тока нагрузки (а), семейство характеристик показывающих зависимость коэффициента демпфирования от размаха пульсаций тока

дросселя (б).

На основании вышеизложенного был разработан метод определения параметров выходного фильтра, исследуемого ПН, с точки зрения максимальной эффективности по динамическим показателя качества при заданном значении активных потерь в ПН, и фиксированном значении постоянной времени, которая определяется на начальном этапе проектирования. Результатом использования этого метода является допустимый диапазон значений индуктивности дросселя выходного фильтра, который соизмерим с разбросом параметров силовых индуктивных элементов.

Дальнейшее исследование квазирезонансного ПНТ - преобразователя заключается в поиске или разработке методов синтеза корректирующих устройств, которые позволят получить необходимую динамическую точность в СН, определенную требованиями стандарта питания во всем заданном диапазоне нагрузок.

На основании проведенного анализа предлагается использовать в качестве коррекции линейное интегро - дифференцирующее звено:

т^+1

7^7+1 <3-7>

За основу разработанного метода синтеза закона управления взят метод оценки влияния ограниченных сигналов на линейные системы предложенный Б. В. Булгаковым; он дал этой проблеме название задачи о накоплении. Обоснованием этому служат выводы, определенные в результате анализа: во-первых, сама нелинейная модель СН на базе ПНТ-преобразователя и ее линеаризованный вариант являются устойчивыми как САР. Во-вторых, нелинейная модель обладает лучшими динамическими показателями качества (колебательность, перерегулирование, время регулирования) ввиду наличия местных обратных связей (ОС).

Рассмотренный выше метод позволяет оценить разницу между динамическими процессами в нелинейной и близкой к ней линейной системе, получаемой путем замены нелинейной характеристики на линейную, в виде некоторого максимального отклонения - гЛтах.

В данном случае нелинейная система отличается от традиционных (содержащих типичные нелинейные элементы (НЭ)), тем, что НЭ представляет гладкую монотонно убывающую функцию типа гипербола (рис. 2.3), расположенную в цепи параметрической ОС, сигнал которой перемножается с сигналом на входе колебательного звена (рис. 2.5). Также нелинейная система устойчива, что позволяет получить решение системы дифференциальных уравнений (3.1). Далее можно определить значение как отношение кривых накопления переходных процессов ири наихудшем случае возмущающего воздействия: •<

7 -

Дтах во ' /л о\

(=1

где Я, и А, 1-ый экстремум переходной функции в нелинейной и линеаризованной системах соответственно.

Передаточная функция (3.7) может быть представлена графически в виде логарифмической амплитудно частотной характеристики (рис. 3.4). С другой стороны ввиду того, что верхняя оценка гЛтал есть некоторое предельное значение сигнала, которое не изменяется во времени, в частотной области может быть представлена как некий коэффициент:

4= 201оё(гдтах). (3.9)

Учитывая, что гАи величина, полученная в результате отношения (3.8), то коэффициент ¿2 - определяет предельное различие между параметрами линеаризованной и нелинейной исходной системы в частотной области. Далее исходим из предположения, что для эффективного использования собственных динамических ресурсов исходной нелинейной системы синтезированная известными методами для линеаризованной системы коррекция должна на столько уменьшать свое влияние на динамику нелинейной системы, на сколько велико влияние нелинейности в нескорректированной системе на переходный

процесс при наихудшем случае возмущающего воздействия. С учетом такого предположения и того, что для данного типа СН гАтах < 1, что определяет знак выражения (3.9), влияние коррекции необходимо ослабить на величину как показано на рис. 3.4, в результате пересечения графиков ЛАЧХ £к и получаем новое значение сопрягающей частоты сос=1/7,1*

1/Т2 ]/Т' 1/Ti

Рис. 3. 4 Логарифмические амплитудно- частотные характеристики (ЛАЧХ), где LK - ЛАЧХ корректирующего звена, LCK - ЛАЧХ скорректированной системы, ¿н - ЛАЧХ

скорректированной системы В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований разработанного, с помощью полученных методов, стабилизатора напряжения на базе квазирезонансного ПНТ - преобразователя.

Исследования проводились в пакете автоматизированного проектирования электронных устройств Micro Сар 7.0. В последнем были реализованы все функциональные узлы ПИТ - преобразователя согласно схеме изображенной на рис. 2.2, при реализации которых были переменены известные схемотехнические решения, а так же учтены все динамические свойства реальных элементов.

Для исследования СН на базе ПНТ-преобразователя с ЧИМ, синтезированного по разработанной методике, выбраны следующие параметры одной ячейки СН:

— мощность нагрузки PiUX = 300Вт;

— величина опорного напряжения Uon = 4В;

номинальное (среднее) значение выходного напряжения Е/вых = 40В;

— входное напряжение Um = 100В;

— максимальный ток нагрузки /„m^ = 7.5А (Янтш = 5,30м);

— минимальный ток нагрузки /„mm = 3.75A (L.., = 10,6 Ом);

— амплитуда пульсаций напряжения на нагрузке относительно номинального значения Д£/„ = 0.5%;

— максимальная частота преобразования {=300 кГц

— минимальный КПД 94%

На рис.4.1 приведены временные диаграммы режимов работы квазирезонансного СН в момент наброса нагрузки. График изображенный на рис. 4.1 (а) показывает, что в момент изменения тока нагрузки изменяется форма импульса напряжения на резонансном конденсаторе, и меняется время открытого состояния КЭ, что соответствует режиму ПНТ и функциональной схеме приведенной на рис. 2.2. Диаграммы, приведенные на рис. 4.1 (б, в) показывают выполнение частотного закона управления резонансным ключом, реализованного в имитационной модели. На рис. 4.1 (г) приведен график изменения тока дросселя выходного фильтра при уменьшении сопротивления нагрузки, из которого видно, что в данном СН выполняется режим работы непрерывного тока дросселя во всем диапазоне токов нагрузки определенном техническим заданием.

Графики изображенные на рис. 4.2, полученные при разных параметрах корректирующего звена, находятся в допуске, предусмотренном стандартом питания, в обоих случаях коммутации нагрузки. Однако если сравнивать, значения перерегулирования, то в случае, где параметры коррекции рассчитаны с учетом нелинейности СН (кривая II на рис. 4.2) перерегулирование значительно ниже, чем в первом случае (кривая I на рис.4.2). На основании этого можно заключить, что разработанный метод синтеза ~ закона регулирования ПНТ-преобразователя в цени СН, реализованного на базе интегро - дифференцирующего звена справедлив для данного типа систем и позволяет повысить точность расчета коррекции по сравнению с традиционными частотными методами теории управления.

Анализируя графики, приведенные на рис. 4.2 можно сказать, что отклонения напряжения укладываются в допуск нормированный стандартом питания, время регулирования имеет запас превосходящий на порядок допуск (2мс).

Для оценки влияния параметров ПИЭ (рис. 4.3 б) на динамические и статические показатели исследуемого СН, были получены графики переходных процессов при различных значениях внутреннего сопротивления ПИЭ (0;2;4 Ом) и емкостью буферного конденсатора ЮмкФ (рис. 4.5).

На рис. 4.3 (а) приведена схема коммутации, подключаемой активно-реактивцой нагрузки, где Лк_0,20м сопротивление кабельной линии, £к=1мкГн - индуктивность кабельной линии, Сц=1 ОмкФ - емкость на!рузки, 11с=0,1Ом - сопротивление эквивалентное потерям в реальном конденсаторе. 11н=10,6 - активная составляющая нагрузки. Этой схеме подключения нагрузки соответствуют графики переходных процессов приведенных на рис. 4.4.

На графиках переходтшх процессов (рис. 4.2, 4.4, 4.5) толстыми пунктирными линиями обозначены границы допуска на максимальное отклонение напряжения от установившегося значения, а тонкими обозначен заданный допуск на статические отклонения.

Рис. 4.1 Временные диаграммы работы скорректированного СН на базе квазирезонансного преобразователя при ступенчатом изменении сопротивления нагрузки от

10,6 до 5,3 Ом, где: (а) - ток и напряжение резонансного контура, (б) - напряжение на конденсаторе резонансного контура, (в) - сигнал на выходе ГУНа управляющий драйвером КЭ, (г) - ток дросселя выходного фильтра.

t, [с]

a)

43 21 Or------

Рис. 4.2 Переходные процессы на выходе СН на базе квазирезонансного преобразователя при ступенчатом изменении сопротивления нагрузки от 10,6 до 5,3 Ом (а) и от 5,3 до 10,6 Ом, полученные при вычислительном эксперименте в пакете Micro Сар 7.0 с параметрами корректирующего звена, полученными для линеаризованной модели (I) и с учетом разработанной методики (П).

б)

Рис. 4.4 Переходные процессы на выходе скорректированного СН на базе квазирезонансного преобразователя при ступенчатом изменении активной составляющей

нагрузки от 10,6 до 5,3 Ом (а) и от 5,3 до 10,6 Ом, полученные при вычислительном эксперименте в пакете Micro Сар 7.0, в соответствии со схемой на рис. 4.3 (а), при значении внутреннего сопротивления ПИЭ-40М, и емкости входного (буферного) конденсатора 1мкФ.

1/.U1

6 ОООЕ 64

-4-W-

Рис. 4.5 Переходные процессы на выходе скорректированного СН на базе квазирезонансного преобразователя при ступенчатом изменении сопротивления нагрузки от 10,6 до 5,3 Ом

полученные при вычислительном эксперименте в пакете Micro Сар 7.0, при разных значениях внутреннего сопротивления ПИЭ- (0;2;4) Ом графики 1;П;Ш соответственно, и значением емкости входного (буферного) конденсатора 10мкФ.

Заключение

В диссертационной работе исследованы концепции развития вторичных источников электропитания, предложен, с позиции единого подхода к эффективности данных систем по динамическим и энергетическим параметрам, их путь развития. Основной идеей, которого является использование резонансных режимов работы электронного ключа преобразователя напряжения, который в свою очередь является силовым регулирующим элементом вторичного источника электропитания. Основным принципом, положенным во всей работе начиная с постановки задачи можно обозначить единство подхода к решению энергетической и динамической подзадач.

Основные результаты диссертационных исследований можно сформулировать следующим образом:

1. Разработана нелинейная непрерывная математическая модель позволяющая получать решения адекватные физическим процессам (поведение тока и напряжения), происходящим в силовой цепи ПНТ -преобразователя при больших отклонениях возмущающих и задающих воздействий.

2. Разработана методика синтеза стабилизатора напряжения на базе квазирезонансного ПНТ-преобразователя, которая позволяет производить аналитически расчет силовой части преобразователя с позиции энергетической и динамической эффективности проектируемого СН, а также определять параметры корректирующего звена предложенного типа, с учетом установленных параметрических нелинейностей данного ПН, с точностью достаточной для практической реализации.

3. Установлено взаимовлияние пульсаций тока дросселя выходного фильтра и временных режимов работы ключевого элемента, которое представлено в системе положительной обратной связью определяемой нелинейной зависимостью между размахом пульсаций тока дросселя и приращением относительного коэффициента заполнения импульса управляющего электронным ключом. Получено математическое описание установленной зависимости и подтверждена ее адекватность.

4. Исследовано взаимовлияние параметров ПИЭ с линейной ВАХ (внутреннее сопротивление, выходная емкость) и СН на базе ПНТ-преобразователя. В результате установлено, что изменение емкости в широких пределах (в 10 раз) не оказывает существенного влияния на качество переходных процессов при коммутации нагрузки, а отклонения напряжения при этом не превышают допусков установленных стандартом электропитания. Увеличение внутреннего сопротивления ПИЭ снижает статическую точность СН.

5. Исследовано влияние подключаемой к СН активно - индуктивно -емкостной нагрузки. В результате установлено, что при коммутации активно -реактивной нагрузки, емкость которой соизмерима с емкостью выходного фильтра, а индуктивность определяется длиной кабельной линии, и значительно меньше индуктивности дросселя фильтра отклонения на выходе

СН могут выходить из допуска нормированного стандартом электропитания ESA. При этом сохраняется устойчивость СН.

6. На основании проведенных исследований установлено, что применение квазирезонансного ПН с коммутацией КЭ при нулевых значениях тока наиболее эффективно, с позиции повышения удельных энергетических характеристик СЭС, при изменении мощности нагрузки в пределах 50-60% от максимальной, если приоритетным требованием к ПН не является качество выходной электроэнергии (уровень коммутационного шума и пульсаций).

7. Определены аналитические зависимости и критерии, которые могут быть применены при практической реализации схем управления силовым ключом последовательного квазирезонансного ПНТ - преобразователя.

Основные результаты диссертационной работы отражены в следующих публикациях:

1. Горяшин, Н. Н. Особенности разработки резонансных преобразователей напряжения для систем электроснабжения космических аппаратов / Н. Н. Горяшин // САКС-2004: Тез. Докл. Междунар. науч. - прак. конф. /СибГАУ. Красноярск, 2004. С. 77-78.

2. Горяшин, Н. Н. О применении квазирезонансных преобразователей напряжения в системах электроснабжения космических аппаратов / Н. Н. Горяшин // Туполевские чтения: Материалы ХП Междунар. науч. конф. Казань, 2004. С. 151-152.

3. Горяшин, Н. Н. Базилевский, А. Б. Исследование энергетических характеристик квазирезонансных преобразователей с целыо их использования в системах электроснабжения космических аппаратов / Н. Н. Горяшин, А. Б. Базилевский // Вестник СибГАУ: сб. науч. Тр. / СибГАУ Вып. 2. Красноярск, 2004. С. 63-69.

4. Горяшин, Н. Н. Базилевский, А. Б. Повышение КПД квазирезонансного преобразователя напряжения' / Н. Н. Горяшин, А. Б. Базилевский // Решетневские чтения: Тез. Докл. VIII Всерос. Научно-пркт. Конф. Красноярск, 2004. С. 57-58.

5. Горяшин, Н. Н. Лозовой, Д. А. Анализ работы выходного фильтра импульсного преобразователя напряжения / Н. Н. Горяшин, Д. А. Лозовой // Решетневские чтения Тез. Докл. VIII Всерос. Научно-пркт. Конф. Красноярск, 2004. С. 60-61.

6. Горяшин, Н. Н. Лелеков, А. Т. Импульсный стабилизатор -регулятор напряжения средней мощности / Н. Н. Горяшин, А. Т. Лелеков в // Решетневские чтения: Тез.Докл. VII Всерос. Научно-пркт. Конф. Красноярск, 2003. С. 57-58.

7. Горяшин, Н. Н. Математическая модель стабилизатора напряжения на базе квазирезонансного преобразователя / Н. Н. Горяшин // Вестник СибГАУ: сб. науч. Тр. / СибГАУ Вып. 2. Красноярск, 2005. С.119-125.

8. Горяшин, Н. Н. Применение метода оценок влияния нелинейностей на переходные процессы в нелинейных системах / Н. Н. Горяшин,А.Б.

N 7 804

Базилевский // Вестник СибГАУ: сб. науч. Тр. / СибГАУ Вып. 2. Красноярск, 2005. С. 122-123.

9. Горяшин, Н.Н. Методика синтеза стабилизатора напряжения на базе квазирезонансного преобразователя для систем электроснабжения космических аппаратов / Н. Н. Горяшин // Актуальные проблемы авиации и космонавтики: Материалы I Всерос. Научно-пркт. Конф. Красноярск, 2005. С.

10. Пойманов, Д.Н. Иммитатор характеристик напряжения систем электропитания космических аппаратов/ Д.Н. Пойманов, Н. Н. Горяшин, А.Т. Лелеков, С.Б. Ткачев // Туполевские чтения: Материалы XII Междунар. науч.. конф. Казань, 2004. С. 158-159.

Кроме того по материалам диссертации опубликована заявка на изобретение: №2004135972/09,08.12.2004 Квазирезонансный высокочастотный преобразователь напряжения / H.H. Горяшин, М.В. Лукьяненко, А.Б. Базилевский; Опубл. 10.06.2005. Бюл. №16.

РНБ Русский фонд

2006^4 15551

Горяшин Николай Николаевич Квазирезонансный стабилизатор напряжения. Автореф. дисс. на соискание учёной степени кандидата технических наук. Подписано в печать 23.09.2005. Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ №475 Отпечатано в отделе копировально - множительной техники СибГАУ 660014 г.Красноярск, просп. им. газеты «Красноярский рабочий», 31

Принятые сокращения.

Введение.

1 Аналитический обзор методов повышения эффективности преобразователей постоянного напряжения.

1.1 Обзор ПН с прямоугольной формой тока и напряжения, и тенденции их развития.

1.2 Классификация резонансных высокочастотных преобразователей напряжения.

1.3 Методы исследования квазирезонансных ПН.

Выводы.

2 Разработка математической модели квазирезонансного ПН.

2.1 Элементы теории работы резонансного контура в цепи электронного ключевого элемента.

2.2 Гипотезы и допущения принятые при разработке математической модели ПНТ-преобразователя.

2.3 Формирование структуры квазирезонансного ПНТ-преобразователя с учетом параметрических нелинейностей.

2.4 Определение регулировочной характеристики с учетом особенности частотно-импульсной модуляции.

2.5 Анализ влияния пульсаций тока дросселя выходного фильтра на время открытого состояния КЭ.

2.6 Анализ переходных процессов, при ступенчатом изменении нагрузки.

Выводы.

3 Исследование стабилизатора напряжения на базе квазирезонансного преобразователя напряжения.

3.1 Анализ СН на базе ПНТ - преобразователя при ступенчатом изменении нагрузки.

3.2 Формирование критерия для определения рационального с точки зрения динамических свойств соотношения внутренних параметров силовой части квазирезонансного преобразователя.

3.3 Динамический анализ стабилизатора напряжения на базе квазирезонансного преобразователя.

3.4 Методика синтеза стабилизатора напряжения на базе ПНТ преобразователя.

Выводы.

4 Анализ результатов имитационного моделирования переходных процессов на выходе стабилизатора напряжения на базе квазирезонансного преобразователя.

4.1 Расчет параметров СН на базе ПНТ - преобразователя.

4.2 Анализ результатов моделирования рассчитанного СН на базе ПНТ

- преобразователя.

Выводы.

Импульсные преобразователи постоянного напряжения из-за высоких энергетических показателей, высокой степени надежности и малых габаритах получили широкое распространение в системах электропитания различных устройств автоматики, электроники, вычислительной техники.

Из-за высоких показателей КПД и удельной мощности импульсные преобразователи напряжения (ИПН) являются неотъемлемой частью автономных систем электроснабжения (СЭС), в частности космических аппаратов (КА). Такие схемы ИПН должны оптимально использовать частотные свойства элементов, обеспечивать электромагнитную совместимость с основной электронной аппаратурой, низкий уровень коммутационных потерь мощности и помех, создаваемых преобразователями [18, 33].

Совершенствование современных ИПН направлено на достижение таких требований как высокие удельные энергетические характеристики и высокое качество электроэнергии при использовании импульсно-модуляционных законов преобразования и управления потоками электроэнергии. Об актуальности развития данного направления свидетельствуют работы ведущих ученых в этой области: Соустина Б.П., Иванчуры В.И., Эльмана В.О., Казанцева Ю.М., Ловчикова А.Н. [11-13, 33].

Так, в современных КА системы энергообеспечения, распределения электроэнергии, системы обеспечения ее заданного качества и аккумулирования занимают по массе объему и стоимости до 30% самого КА [33]. Хотя разница между удельными характеристиками вторичных источников питания и первичных источников электроэнергии, входящих в состав СЭС КА, достаточно велика, но, учитывая развитие современных технологий в области преобразования различных видов энергии в электрическую и появлению новых способов аккумулирования электроэнергии, развитие преобразователей напряжения (ПН) для СЭС КА направленное на повышение удельных энергетических характеристик может быть оправдано. С другой стороны современная космическая отрасль производит аппараты, где мощности СЭС могут варьироваться в широких пределах от единиц ватт (технологические и исследовательские спутники) до десятков киловатт (космические станции). Следовательно, такие энергетические характеристики как КПД и удельная мощность ПН в зависимости от мощности СЭС (как правило, при малых мощностях до 1000 Ватт) могут в значительной степени определять массогабаритные характеристики КА в целом.

Одним из основных способов решения этой задачи является повышение рабочих частот ПН, и как следствие, снижение массогабаритных характеристик выходных фильтров, что не возможно осуществить для классических импульсных преобразователей напряжения, так как с ростом частоты возрастают и динамические потери на коммутирующих ключах [72].

В данной работе повышение удельных энергетических характеристик вторичных источников электропитания, построенных на базе высокочастотных ПН, предлагается реализовать за счет использования резонансных режимов работы регулирующего элемента ПН - электронного ключа, с частотно-импульсным законом управления, где коммутация ключевого элемента происходит при нулевых значениях мощности [9, 11- 13, 21, 22, 41- 44, 46, 51, 53,61].

К основным достоинствам преобразователей, использующих резонансные режимы работы, следует отнести: уменьшение габаритных размеров и массы радиаторов силовых ключей за счет снижения потерь на переключение ключевого элемента (КЭ), снижение габаритных размеров и массы емкостных и индуктивных элементов выходного фильтра, повышение быстродействия, благодаря возможности повышения частоты коммутации без увеличения потерь мощности на КЭ.

По сравнению с ПН, использующими широтно-импульсный закон регулирования, резонансные ПН с частотным управлением являются более сложным объектом управления. Это обусловлено нелинейной зависимостью выходных параметров силовой части от тока нагрузки, которая объясняется изменением добротности резонансного контура (РК). Поэтому для обеспечения надежной работы ПН с РК необходимо определить ограничения, наложенные на режимы управления резонансными ключевыми элементами. Таким образом, задачи построения резонансного преобразователя напряжения с эффективным законом управления при больших отклонениях возмущающих воздействий по току нагрузки, разработки методики его синтеза и анализа динамических процессов являются актуальными.

Объектом исследований является стабилизатор напряжения, построенный на базе высокочастотного ПН, использующего резонансные режимы работы.

Предметом исследований являются электромагнитные процессы в резонансном контуре работающим в цепи силового ключевого элемента и их взаимодействие с электромагнитными процессами в линейных инерционных цепях.

Цель работы: Повышение эффективности управления квазирезонансным преобразователем в цепи стабилизатора напряжения при действии больших возмущений.

Исходя из поставленной цели, в работе решены следующие научные и практические задачи:

1. Классификация режимов работы электронного ключевого элемента в цепи резонансного контура.

2. Синтез математической модели с учетом особенности работы ключевого элемента, в цепи резонансного контура с коммутацией при нулевых значениях тока.

3. Исследование влияния параметров силовой части на режимы работы квазирезонансного преобразователя напряжения и определение его регулировочных режимов.

4. Исследование полученной математической модели квазирезонансного ПН, и вывод аналитических критериев для определения рациональных соотношений параметров силовой части.

5. Разработка методики синтеза корректирующих устройств для стабилизатора напряжения (СН) на базе квазирезонансного ПН.

6. Разработка алгоритма реализации квазирезонансного СН с законом управления посредствам частотно-импульсной модуляции (ЧИМ), с заданными динамическими и энергетическими параметрами с использованием средств автоматизированного проектирования.

7. Исследование влияния подключаемой к квазирезонансному СН с ЧИМ активно - индуктивно - емкостной нагрузки на динамические показатели качества СН.

Методы исследований. Решение поставленных задач было осуществлено на основе теории автоматического управления, теории электротехники, дифференциального исчисления, имитационного моделирования на ЭВМ с использованием пакетов: MathCADl 1, Math Lab6.5, Micro Cap7.0. Наиболее существенные новые научные результаты:

- Разработана нелинейная непрерывная аналитическая модель квазирезонансного ПН с коммутацией ключевого элемента при нулевых значениях тока, позволяющая производить динамический расчет данного ПН при больших отклонениях возмущающих и задающих воздействий.

- Установлена аналитическая зависимость динамических свойств квазирезонансного ПН от соотношения параметров его линейной части при неизменной постоянной времени.

- Предложен критерий, количественно объединяющий энергетические и динамические характеристики квазирезонансного ПН.

- Предложена методика синтеза, квазирезонансного стабилизатора напряжения, с ЧИМ при действии больших возмущений по нагрузке с применением задачи о накоплении Б.В. Булгакова.

Значение для теории. Автором предложено развитие методов синтеза нелинейных систем, с нелинейностями в виде гладких функций, подобных объекту исследований данной работы.

Практическая ценность заключается в улучшении удельных энергетических характеристик, качества выходной электроэнергии и динамических свойств, импульсных СН, за счет созданных методов проектирования, позволяющих более эффективно использовать квазирезонансные ПН в различных системах энергообеспечения, в том числе и в СЭС КА.

Достоверность научных и практических результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждается согласованием результатов теоретических расчетов, математического и имитационного моделирования в пакете Micro Сар 7.0, а также экспериментальных исследований на лабораторном макете.

Использование результатов диссертации. Материалы диссертационных исследований использованы в ФГУП «Научно-производственное объединение прикладной механики» имени академика М.Ф. Решетнева, в учебном процессе на кафедре «Систем автоматического управления» СибГАУ им. академика М.Ф. Решетнева, что подтверждено соответствующими актами о внедрении.

Работа выполнялась в рамках НИР: «Разработка и исследование квазирезонансных преобразователей напряжения для систем электроснабжения космических аппаратов» по гранту Федерального агентства по науке и инновациям в рамках приоритетного направления: «Поддержка интеграции науки и высшей школы» от 01/01/2005г., тема: БП4-05 код 4427.

Личный вклад автора. Автору принадлежат: постановка задач данного исследования, обоснование и разработка всех положений определяющих научную новизну и практическую значимость работы, результаты теоретических и экспериментальных исследований, анализ и обобщение результатов, формулировка выводов и заключений.

Рекомендации по использованию результатов диссертации. Рекомендуется использовать результаты диссертационной работы при проектировании СЭС КА с повышенными требованиями к удельной мощности и качеству выходного напряжения (уровень коммутационного шума и пульсаций).

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались: на VII Всероссийской научной конференции «Решетневские чтения» в г. Красноярске (2003г.); на VIII Всероссийской научной конференции «Решетневские чтения» в г. Красноярске (2004г.); на III международной конференции Сибирского авиационно-космического салона «САКС-2004» в г. Красноярске (2004г.); на XII международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения» в г. Казань (2004г.); на I Всероссийской научной конференции «Актуальные проблемы авиации и космонавтики» в г. Красноярске (2005г.)

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ из них стаей - 3, тезисов докладов — 4, материалов конференций - 3. Кроме того, по материалам диссертации опубликована одна заявка на изобретение.

Результаты решения перечисленных задач составляют основное содержание данной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и двух приложений. Работа изложена на 128 страницах машинописного текста, включает 48 рисунков, два приложения на 7 страницах, в список литературы включено 80 наименований, 11 из которых принадлежат автору.

Основные результаты диссертационных исследований можно сформулировать следующим образом:

1. Разработана нелинейная непрерывная математическая модель позволяющая получать решения адекватные физическим процессам (поведение тока и напряжения), происходящим в силовой цепи ПНТ -преобразователя при больших отклонениях возмущающих и задающих воздействий.

2. Разработана методика синтеза стабилизатора напряжения на базе квазирезонансного ПНТ-преобразователя, которая позволяет производить аналитически расчет силовой части преобразователя с позиции энергетической и динамической эффективности проектируемого СН, а также определять параметры корректирующего звена предложенного типа, с учетом установленных параметрических нелинейностей данного ПН, с точностью достаточной для практической реализации.

3. Установлено взаимовлияние пульсаций тока дросселя выходного фильтра и временных режимов работы ключевого элемента, которое представлено в системе положительной обратной связью определяемой нелинейной зависимостью между размахом пульсаций тока дросселя и приращением относительного коэффициента заполнения импульса управляющего электронным ключом. Получено математическое описание установленной зависимости и подтверждена ее адекватность.

4. Исследовано взаимовлияние параметров ПИЭ с линейной ВАХ (внутреннее сопротивление, выходная емкость) и СН на базе ПНТ-преобразователя. В результате установлено, что изменение емкости в широких пределах (в 10 раз) не оказывает существенного влияния на качество переходных процессов при коммутации нагрузки, а отклонения напряжения при этом не превышают допусков установленных стандартом электропитания. Увеличение внутреннего сопротивления ПИЭ снижает статическую точность СН.

5. Исследовано влияние подключаемой к СН активно - индуктивно -емкостной нагрузки. В результате установлено, что при коммутации активно -реактивной нагрузки, емкость которой соизмерима с емкостью выходного фильтра, а индуктивность определяется длиной кабельной линии, и значительно меньше индуктивности дросселя фильтра отклонения на выходе СН могут выходить из допуска нормированного стандартом электропитания ESA. При этом сохраняется устойчивость СН.

6. На основании проведенных исследований установлено, что применение квазирезонансного ПН с коммутацией КЭ при нулевых значениях тока наиболее эффективно, с позиции повышения удельных энергетических характеристик СЭС, при изменении мощности нагрузки в пределах 50-60% от максимальной, если приоритетным требованием к ПН не является качество выходной электроэнергии (уровень коммутационного шума и пульсаций).

7. Определены аналитические зависимости и критерии, которые могут быть применены при практической реализации схем управления силовым ключом последовательного квазирезонансного ПНТ - преобразователя.

Заключение

В диссертационной работе исследованы концепции развития вторичных источников электропитания, предложен, с позиции единого подхода к эффективности данных систем по динамическим и энергетическим параметрам, их путь развития. Основной идеей, которого является использование резонансных режимов работы электронного ключа преобразователя напряжения, который в свою очередь является силовым регулирующим элементом вторичного источника электропитания. Основным принципом, положенным во всей работе начиная с постановки задачи можно обозначить единство подхода к решению энергетической и динамической подзадач.

1. Айзерман, М.А. Теория автоматического регулирования / М.А Айзерман. Изд. 3-е, «Наука», 1966.

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

3. Ардашов, А.А. Основные тенденции конструирования МКА / А.А. Ардашов // Известия вузов. Приборостроение. 2004. - Т. 47, N 3. - С. 9-15.

4. Бас А.А. Источники вторичного электропитания с бестрансформаторным входом / А.А. Бас, В.П. Миловзоров, А.К. Мусолин. М.: Радио и связь, 1987. 180 с.

5. Баскаков, С.И. Радиотехнические цепи и согналы: Учеб. Для вузов / С.И. Баскаков. 4-е изд., перераб. И доп. М.: Высш. шк., 2003. 462 с.

6. Бойко, В.И. Схемотехника электронных систем. Аналоговые и импульсные устройства / В.И. Бойко, А.Н. Гуржий, В .Я. Жуйков, А.А. Зори, В.М. Спивак -СПб.: БХВ-Петербург, 2004. 496 с.

7. Булгаков, Б.В. Колебания / Б.В. Булгаков. Гостехиздат, 1954.

8. Булгаков, Б.В. Прикладная теория гироскопов / Б.В. Булгаков. Изд.1. М.: Гостехиздат, 1939. 258 с.

9. Волович Г. Резонансные преобразователи напряжения // Схемотехника. 2003 г. №8. С. 10-12.

10. Голиневич, Т.А Прикладная теория надежности / Т.А. Голиневич, Москва Высш. школа 1985. 168 с.

11. Готтлиб, И.М. Источники питания. Инверторы, конверторы, линейные и импульсные стабилизаторы / И.М. Готтлиб Москва: Постмаркет, 2002. - 544 с.

12. Дьяконов, В.П., и др. Энциклопедия устройств на полевых транзисторах/ В. П. Дьяконов, А.А. Максимчук М.: СОЛОН - Р. 2002. - 512 с.

13. Зиновьев, Г.С. Основы силовой электроники / Г.С. Зиновьев.: Учебник. -Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1999. 4.2. 199 с.

14. Иващенко, Н.Н. Автоматическое регулирование / Н.Н. Иващенко. Изд. 4-е «Машиностроение» Москва, Б-78, 1-й Басманный, пер., 3, 1978. 736 с.

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

16. Колтун, М.М. Солнечные элементы / М.М. Колтун М.: Наука, 1987. — 192с.

17. Корн, Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров / Г. Корн, Т. Корн. М.: «Наука», 1984. - 833с.

18. Краснобаев, Ю.В. Методология синтеза законов и структур устройств управления конверторами / Ю.В. Краснобаев // приборостроение 2004 №4 С. 39-48.

19. Круг, К.А. Основы электротехники / К.А. Круг М.: Объединенное научно-техническое издательство главная редакция энергетической литературы, 1936.-888с.

20. Лебедев, А.А. Основы синтеза систем летательных аппаратов: Учеб. Пособие для студентов вузов/ А.А. Лебедев, В.Н. Баранов, В.Т. Бобронников и др.; Под ред. А.А. Лебедева -М.: Машиностроение, 1987. 224с.

21. Лукин, А.В. Высокочастотные преобразователи постоянного напряжения и их классификация / А.В. Лукин // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 1998 г. №1, С. 33-36.

22. Лукин, А.В. Квазирезонансные преобразователи постоянного напряжения / А. В. Лукин // Электропитпание 1993 г. вып.2, С. 24-37.

23. Макаров, И.М. Линейные автоматические системы элементы теории, методы расчета и справочный материал / И. М. Макаров, Б. М. Менский — М.: Машиностроение, 1977.

24. Мальцев, Г.Н. Облик перспективного малогабаритного низкоорбитального спутника-ретранслятора / Г.Н. Мальцев, Д.В. Миронов // Известия вузов. Приборостроение. 2004. - Т. 47, N 3. - С. 31-35.

25. Месяцев, П.П. Курс радиотехники / П.П. Месяцев, Лившиц Н.С. Ленинград 1960г. 243 с.

26. Мизрах Е.А. Теория автоматического управления: Линейные непрерывные системы: Учеб. пособие, издание второе, Красноярск: САА, 1997. - 184 с.

27. Найвельт, Г.С. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / Г.С. Найвельт, К.Б. Мазель, Ч.И. Хусаинов и др.; под ред. Г.С. Найвельта.- М. Радио и связь, 1986. -576 с.

28. Нетушил, А.В. Теория автоматического управления / А.В. Нетушил. Учебник для вузов. М., Высш. школа. 1972. -430с.

29. Окснер Э.С. Мощные полевые транзисторы и их применение / Э.С. Окснер Пер. англ. М.: Радио и связь, 1985. - 288с.

30. Разевиг, В.Д. Схемотехническое моделирование с помощью Micro Сар 7. -М.: Горячая линия Телеком, 2003. - 368с.

31. Санковскоий, Е.А. Справочное пособие по теории систем автоматического регулирования и управления / Е.А. Санковскоий. Мн., «Вышэйш. Школа», 1973.-584 с.

32. Смит, Отто Дж. М. Автоматическое регулирование / Отто Дж. М. Смит.-М., Физматгиз. 1962г. 848 с.

33. Соустин, Б.П. Системы электропитания космических аппаратов / Б.П. Соустин, В.И. Иванчура, А.И. Чернышев, Ш.Н. Исляев. Новосибирск: ВО "Наука". Сибирская издательская фирма, 1994. -318с.

34. Стандарт питания PSS-02-10 ESA. Отделение энергетики и преобразования энергии. Европейский центр космических исследований и технологии. Нордвик, Нидерланды. Том 1, выпуск 1, ноябрь 1992 г.

35. Титце, У. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство / У. Титце, К. Шенк, Пер. нем. М.: Мир. 1982-512с.

36. Фатеев В.Ф. Концепция создания орбитальных группировок сверхмалых космических аппаратов в интересах информационного обеспечения северных территорий России // Известия вузов. Приборостроение. 2004. - Т. 47, N 3. - С. 5-9.

37. Фатеев, В.Ф. Межуниверситетская программа развития новых технологий на основе малых и сверхмалых КА / В. Ф. Фатеев, B.C. Шутов, Г.В. Кремез // Известия вузов. Приборостроение. 2004. - Т. 47, N 3. - С. 15-17.

38. Фатеев, В.Ф. Новое направление развития малых космических аппаратов дистанционного зондирования Земли / В.Ф. Фатеев, С.А. Миньков // Известия вузов. Приборостроение. 2004. - Т. 47, N 3. - С. 18-22

39. Четти, П. Проектирование ключевых источников электропитания / П.Четти М.: Энергоатомиздат, 1990. - 240с.

40. Abu-Qahouq, J. Unified Steady-State Analysis of Soft-Switching DC-DC Converters / I. Batarseh, J. Abu-Qahouq // IEEE Trans. Power Electron., vol. 17 NO. 5, pp. 684-691, sep. 2002.

41. Abu-Qahouq, J. Generalized analysis of soft-switching dc-dc converter families /J. Abu-Qahouq//Tech. Rep., Univ. Central Florida, Orlando, 2000.

42. Abu-Qahouq, J. Generalized Analysis of Soft-Switching DC-DC Converters / Jaber Abu-Qahouq, Issa Batarseh // IEEEISCAS, Vol. 3, pp. 507 -510, 2000.

43. Andreycak, W. Zero Voltage Switching Resonant Power Conversion / W. Andreycak // Application Note U-138. Unitrode Corp. April 1999.

44. Andreycak, W. Zero Voltage Switching Resonant Power Conversion / W. Andreycak //Unitrode Power Supply Design Seminar SEM-700, 1990.

45. Andreycak, W. Designing a Phase Shifted ZVT Power Converter / W. Andreycak // Unitrode Power Supply Design Seminar Manual SEM-900, 1993.

46. Andreycak, W. 1 Megahertz 150 Watt Resonant Converter Design Review / W. Andreycak // Unitrode Power Supply Design Seminar Handbook SEM-600A, 1988.

47. Batarseh, I. Generalized Approach to the Small Signal Modeling of Dc-to-Dc Resonant converters /1. Batarseh, K. Siri // IEEE Trans, on Aerospace and Electronic Systems, Vol. 29, No. 3, pp. 894-909, July 1993.

48. Carsten, B. Fast, Accurate Measurements of Core Loss at High Frequencies / B. Carsten // PC&IM Magazine, March 1986.

49. Dixon, L. Control Loop Design / L. Dixon // Unitrode Seminar Handbook, SEM-800.

50. Dixon, L. Control Loop Design -SEPIC Preregulator Design / L. Dixon // Unitrode Seminar Handbook, SEM-900, Topic 7.

51. Erickson, R. W. Fundamentals of Power Electronics / R. W. Erickson. First Edition New York: Chapman and Hall, May 1997. 791 pages, 929 line illustrations.

52. Hua, G. Novel Zero-Current-Transition PWM Converters / G. Hua, E. X. Yang, Y. Jiang, and F. C. Lee // IEEE Trans. On Power Electronics, Vol. 9, No.6, pp. 601606, 1994.

53. Ismail, E. A New Class id Quazi-Square Wave Resonant Converters with ZCS / E. Ismail, and A. Sebzali // IEEE Applied Power Electronics Specialists Conf., Vol. 1 and 2, pp. 1381-1387, 1997.

54. Iannello, C. Small Signal and Transient Analysis of a Full-bridge, ZCS-PWM using averaging / Chris Iannello, Issa Batarseh // Submitted to IEEE Tran. On Power Electronics, To appear in print in the April Issue, 2003.

55. Liu, K. Resonant Switches -Topologies and Characteristics / K. Liu, R. Oruganti, and F. C. Lee // IEEE Trans. On Power Electronics, Vol. PE-2, No.l, pp. 62-74, 1987.

56. McMurray, W. Optimum Snubbers for Power Semiconductors / W. McMurray // IEEE Transactions on Industry Applications, September/October 1972, pp 593-600.

57. Micro Cap 7. Electronic Circuit Analysis Program User's Guide Sunnyvale: Spectrum Software, 2001.

58. Micro Cap 7. Electronic Circuit Analysis Program Reference Manual. -Sunnyvale: Spectrum Software, 2001.

59. Miller, E.J. Resonant Switching Power Conversion / E.J. Miller // IEEE Power Electronics Specialists Conf. Rec. pp. 206-211, 1976.

60. Qian, J. Analysis and PSPICE Simulation for Resonant Power Factor Correction Circuits / J. Qian, I. Batarseh // IEEE Southcon'94, Orlando, FL., pp. 560-566, March 1994.

61. Vorperian, V. Quasisquare-wave converters: Topologies and analysis / V. Vorperian // IEEE Trans. Power Electron., vol. 3, pp. 183-191, Mar. 1998.

62. Vorperian, V. Simplified Analysis of PWM Converters Using the Model of the PWM Switch: Parts I and II / V. Vorperian, // IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, March 1990, Vol. 26, No. 2, pp. 490-505.

63. Vorperian, V. Small Signal Analysis of Resonant Converters / V. Vorperian, S. Cuk // Proceedings of the IEEE Power Electronics Specialists Conference, 1983.

64. Wilson, T.G. Fundamentals of Magnetic Materials / T.G. Wilson // APEC Tutorial Seminar, 1987.

65. Wong, L. K. A simple Large Signal Nonlinear Modeling Approach for Fast Simulation of Zero Current - Switch Quasi - Resonant Converters / L. K. Wong, Frank H. Leung, Peter K. S. // IEEE Trans. Power Electron., vol. 12 NO. 3, pp. 437442, may. 1997.

66. Yim-Shu Lee A new approuch to the modeling of converters for SPICE simulation / Yim-Shu Lee, K.W. David, Cheng, S.C. Wong // IEEE Transaction on power electronics. Vol.7, №4, 1992. -pp. 741-753.

67. Yang, L. Y. Zhang and C.Q. Lee A family of constant-switching-frequency quasi-square-wave converters / L. Yang, Y. Zhang and C.Q. Lee // Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering, 1993, pp. 309-312.

68. Zhu, G. Correcting the P-spice Large-Signal Model for PWM Converters Operating in DCM / G. Zhu, I. Batarseh // IEEE Trans. On Aerospace and Electronic Systems, Vol. 36, No. 2, pp.718-721, April, 2000.

69. Zhu, G. Dynamic Modeling of Parallel Connected Converters / G. Zhu, I. Batarseh // IEEE Trans. On Power Electronics, 2000.1. Список собственных трудов

70. Горяшин, Н.Н. Особенности разработки резонансных преобразователей напряжения для систем электроснабжения космических аппаратов / Н.Н. Горяшин // САКС-2004: Тез. Докл. Междунар. науч. прак. конф. /СибГАУ. Кпасноярск, 2004. С. 77-78.

71. Горяшин, Н.Н. О применении квазирезонансных преобразователей напряжения в системах электроснабжения космических аппаратов / Н.Н. Горяшин // Туполевские чтения: Материалы XII Междунар. науч. конф. Казань, 2004. С. 151-152.

72. Горяшин, Н.Н. Базилевский, А.Б. Повышение КПД квазирезонансного преобразователя напряжения / Н.Н. Горяшин, А.Б. Базилевский // Решетневские чтения: Тез. Докл. VIII Всерос. Научно-пркт. Конф. Красноярск, 2004. С. 57-58.

73. Горяшин, Н.Н. Лозовой, ДА. Анализ работы выходного фильтра импульсного преобразователя напряжения / Н.Н. Горяшин, Д.А. Лозовой // Решетневские чтения: Тез. Докл. VIII Всерос. Научно-пркт. Конф. Красноярск, 2004. С. 60-61.

74. Горяшин, Н.Н. Лелеков, А.Т. Импульсный стабилизатор регулятор напряжения средней мощности / Н.Н. Горяшин, А.Т. Лелеков в // Решетневские чтения: Тез. Докл. VII Всерос. Научно-пркт. Конф. Красноярск, 2003. С. 5758.

75. Горяшин, Н.Н. Математическая модель стабилизатора напряжения на базе квазирезонансного преобразователя / Н.Н. Горяшин // Вестник СибГАУ: сб. науч. Тр. / СибГАУ Вып. 6. Красноярск, 2005. С. 120-122.

76. Горяшин, Н.Н. Применение метода оценок влияния нелинейностей на переходные процессы в нелинейных системах / Н.Н. Горяшин // Вестник СибГАУ: сб. науч. Тр. / СибГАУ Вып. 6. Красноярск, 2005. С. 27-28.

77. Пойманов, Д.Н. Иммитатор характеристик напряжения систем электропитания космических аппаратов/ Д.Н. Пойманов, Н.Н. Горяшин, А.Т. Лелеков, С.Б. Ткачев // Туполевские чтения: Материалы XII Междунар. науч. конф. Казань, 2004. С. 158-159.

78. Заявка на изобретение №2004135972/09, 08.12.2004 Квазирезонансный высокочастотный преобразователь напряжения / Н.Н. Горяшин, М.В. Лукьяненко, А.Б. Базилевский; Опубл. 10.06.2005. Бюл. №161. Описание эксперимента

79. Рис.1. Функциональная схема эксперимента

80. Рис.2 Временные диаграммы работы моделей ПЫТ преобразователя полученные при вычислительном эксперименте в пакете Micro Сар 7.0. (а) - ток через индуктивность резонансного контура, (б) - напряжение на конденсаторе резонансного контура.

81. Рис. 3. Осциллограммы работы 11НТ преобразователя