автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Методы повышения эффективности двухтактных преобразователей систем электроснабжения летательных аппаратов

005001643

На правах рукописи

МАНБЕКОВ ДМИТРИЙ РАУФОВИЧ

Методы повышения эффективности двухтактных преобразователей систем электроснабжения летательных аппаратов

Специальность 05.09.03 - "Электротехнические комплексы и системы"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2011 г.

Работа выполнена на кафедре "Микроэлектронные электросистемы" Московского авиационного института (национального исследовательского университета)

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Шевцов Даниил Андреевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Резников Станислав Борисович

кандидат технических наук Коняхин Сергей Федорович

Ведущая организация МОКБ «Марс»

Защита состоится "25" октября 2011 г. в /3 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.125.07 при Московском авиационном институте (национальном исследовательском университете) по адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское ш., д.4, зал заседаний Ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного института (национального исследовательского университета).

Ваш отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью учреждения, просим направлять по указанному адресу.

Автореферат разослан "2Z " (Л1 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.125.07 /?>-

к.т.н., доцент Cj А.Б. Кондратьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Неотъемлемой частью любых электротехнических комплексов и систем электроснабжения (СЭС) являются источники вторичного электропитания (ИВЭП), предназначенные для преобразования электроэнергии к виду и качеству, пригодному для питания конечного потребителя. ИВЭП также осуществляют защиту от аварийных перегрузок по току и коротких замыканий нагрузки.

Возрастающие требования к электрооборудованию по уменьшению массы, объема, тепловых потерь, ЭМС, увеличению надежности и КПД приводят к необходимости разработки высокоэффективных ИВЭП. Это особенно актуально для преобразователей повышенной и большой мощности, поэтому их целесообразно проектировать на основе высокочастотных двухтактных транзисторных преобразователей постоянного напряжения (ДППН). Использование ДППН позволяет снизить массу сердечника силового трансформатора за счет его более полного использования, а также выходного сглаживающего фильтра благодаря двукратному увеличению частоты пульсаций выходного напряжения.

Известно, что основными проблемами при проектировании ДППН . является необходимость исключения сквозных токов и устранения несимметричного режима перемагничивания сердечника силового трансформатора. Решению проблемы сквозных токов посвящено много исследований, а их результаты опубликованы в научных изданиях и тематических сборниках. В то время как для решения проблемы несимметричного перемагничивания в ДППН хоть и предложен ряд решения, но, как показал сравнитель-ный анализ, они не отвечают современным требованиям к ИВЭП. Более эффективные решения, применяемые в промышленных образцах ИВЭП, не публикуются в открытой печати по причинам защиты авторских прав и интеллектуальной собственности.

Успешное решение рассматриваемой проблемы позволит проектировать ИВЭП с улучшенными массоэнергетическими показателями, позволит обеспечить их ЭМС и безопасную работу, что будет способствовать миниатюризации СЭС и обеспечению их безопасной работы в переходных и аварийных режимах.

Целью работы является разработка и исследование новых методов симметрирования для ИВЭП на основе высокочастотных транзисторных ДППН с ШИМ-регулированием.

Исходя из указанной цели работа посвящена решению следующих задач:

1. Анализ известных методов симметрирования с целью определения их достоинств и недостатков.

2. Разработка и исследование новых методов симметрирования, обеспечивающих надежную работу ДППН в номинальных, переходных и аварийных режимах.

3. Разработка структурных, функциональных и схемотехнических решений, реализующих предложенные методы симметрирования для режимов управления ДППН по напряжению (Voltage mode) и по току (Current mode).

4. Компьютерное моделирование для оценки эффективности предложенных методов симметрирования в номинальных, переходных и аварийных режимах.

5. Экспериментальное исследование узлов симметрирования в составе ИВЭП на основе транзисторных ДППН с ШИМ-регулированием.

Методы исследования. При выполнении диссертационной работы теоретические исследования проводились с использованием методов теории электрических цепей, методов дифференциального и интегрального исчислений, а также численных методов математического анализа с использованием компьютерного моделирования в пакете программ OrCAD 9.2. Экспериментальные исследования проводились на макетных образцах ИВЭП на основе высокочастотных транзисторных ДППН с ШИМ-регулированием в режимах управления как по напряжению, так и по току.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложена классификация известных опубликованных методов симметрирования и показано, что в силу ряда недостатков они не отвечают требованиям, предъявляемым к современным ИВЭП.

2. Показано, что эффекту несимметричного перемагничивания в той или иной степени подвержены различные структуры силовых каскадов ДППН.

3. Установлено, что в одних и тех же структурах ДППН различные алгоритмы управления силовыми транзисторными ключами (СТК) по разному влияют на процесс несимметричного перемагничивания.

4. Предложены новые методы симметрирования на основе: обеспечения равенства ВСИ, изменения наклона опорного пилообразного напряжения (ОПН) задающего генератора ШИМ, подчиненного регулирования по току и изменения управляющего напряжения ШИМ, обеспечивающие симметричный процесс перемагничивания в номинальных, переходных и аварийных режимах.

5. Предложены принципы построения и расчета узлов симметрирования ДППН для различных режимов управления.

6. Установлено, что несимметричный режим перемагничивания может приводить не только к магнитному насыщению, но и к неконтролируемому нарастанию тока через СТК.

7. Показано, что несмотря на наличие узлов ограничения аварийного тока в переходных режимах и при коротком замыкании (КЗ), возможен эффект интегрирования тока, обусловленный неизбежными задержками на отключение СТК.

8. Предложены новые методы построения узлов токовой защиты, позволяющие устранить эффект интегрирования тока в переходных режимах и КЗ нагрузки за счет изменения частоты преобразования путем воздействия на ГПН ШИМ.

Практическая полезность.

1. Предложена классификация известных методов симметрирования и проанализированы их достоинства и недостатки.

2. Разработаны схемотехнические решения узлов симметрирования для режимов управления ДППН по напряжению и по току.

3. С помощью компьютерного моделирования проведена оценка эффективности разработанных методов симметрирования в номинальных, переходных и аварийных режимах.

4. Проведены экспериментальные исследования для оценки эффективности разработанных методов симметрирования на макетных образцах ИВЭП на основе транзисторных ДППН с ШИМ-регулированием.

5. Разработаны структурные, функциональные и схемотехнические решения узлов симметрирования для ДППН с ШИМ-регулированием и управлением, как по напряжению, так и по току.

6. Разработаны новые схемотехнические решения для устранения эффекта интегрирования тока при КЗ нагрузки.

7. Результаты исследований использованы в опытно-конструкторских . работах различных предприятий, а также используются в курсах «Источники вторичного электропитания» и «Управление устройствами преобразования электроэнергии» учебного процесса МАИ по кафедры 306. Получены 2 патента на полезную модель.

Реализация результатов работы. Основные результаты исследований были использованы в отчете о научно-исследовательской работе "Разработка научно-технических основ создания высокоэффективных систем управления, пилотажно-навигационных, приборных комплексов и электротехнических систем летательных аппаратов на основе современных информационных технологий" (Машуков Е.В., Шевцов Д.А., Ульященго Г.М., Манбеков Д.Р.) (МАИ, Гос. регистрация № 01200702211, тема №1.5.06, этап №4, 2009). Теоретические и экспериментальные результаты работы были использованы при создании опытных образцов ИВЭП на основе транзисторных ДППН с ШИМ-регулированием, внедрены на предприятиях ОАО «ГосНИИП» и ЗАО «ММП-Ирбис», а также в учебный процесс по кафедре № 306 МАИ, что подтверждено соответствующими актами.

На защиту выносится:

1. Методы симметрирования процесса перемагничивания сердечника силового трансформатора ДППН для режима управления по напряжению:

1.1. Путем формирования равенства ВСИ.

1.2. Путем изменения наклона опорного пилообразного напряжения ШИМ.

1.3. Путем изменения управляющего напряжения ШИМ.

2. Метод симметрирования процесса перемагничивания сердечника силового трансформатора ДППН для режима управления с подчиненным регулированием по току.

3. Метод устранения эффекта интегрирования тока при КЗ нагрузки.

Апробация работ. Основные результаты работ докладывались на:

открытом конкурсе научно-исследовательских, проектно-консгрукторских и технологических работ студентов, аспирантов и молодых специалистов "Проектирование и изготовление аэрокосмических аппаратов", 2007 г., Москва;

8-й международной конференции "Авиация и космонавтика - 2009", 26-29 октября 2009 г., г. Москва;

2-й Всероссийской конференции ученых, молодых специалистов и студентов "Информационные технологии в авиационной и космической технике 2009", 20-23 апреля 2009 г., г. Москва;

Научно-практической конференции молодых ученых и студентов МАИ «Инновации в авиации и космонавтике-2010», 26-30 апреля 2010 г., г. Москва.

9-й международной конференции "Авиация и космонавтика - 2010", 16-18 ноября 2010 г., г. Москва.

Публикации. Основные результаты диссертации представлены в 25 работах, в том числе 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работ. Диссертационная работа включает в себя введение, шесть глав, общие выводы по работе, список литературы, приложения и содержит 93 страниц основного текста и 112 рисунков на 34 страницах, наименования списка литературы на 8 страницах и 2 страниц приложений.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность использования ДППН для повышения удельной мощности ИВЭП, а также разработка новых алгоритмов и методов симметрирования. Определены цели и задачи исследований, показана научная новизна и практическая полезность работы.

В первой главе проведено компьютерное моделирование различных структур ДППН с ШИМ-регулированием без симметрирующих контуров: с дросселем постоянного тока в первичной (рис.1) или во вторичной (рис.2) цепи, с дросселем переменного тока в первичной цепи (рис.4), с конденсатором в первичной цепи (рис.3). Выявлено, что различные структуры ДППН, а также разные алгоритмы управления одних и тех же структур по разному подвержены несимметричному режиму перемагничивания.

г

4Г-

Рис. 1 Первичная цепь ДППН с дросселем постоянного тока

Рис.2 Вторичная цепь ДППН с дросселем постоянного тока

Ж]

Ж]

Рис.3 Первичная цепь мостового ДППН с конденсатором, установленным последовательно с первичной обмоткой

В частности показано, что для мостового ДППН с дросселем переменного тока в первичной цепи (рис.4) увеличение частоты преобразования с 50 КГц до 200 КГц приво-дило к увеличению потребляемого от первичной цепи тока на 20-160 % в зависимости от Кз (рис.5). Изменение разницы длительностей смежных управляющих импульсов на 5-15 % относительно номинальной длительности приводило к увеличению потребляемого тока на 30 % и более в зависимости от частоты преобразования (рис.6)

а,Г

024-4; ОЗЗ

Рис.4 Первичная и вторичная цепи мостового ДППН с дросселем переменного тока в

первичной цепи

Изменение Кз

Изменение Л

Частота, КГц

Рис.5 Зависимость Кн от частоты при изменении Кз

Рис.6 Зависимость Кн от частоты при изменении

Количественный анализ показал, что все типы рассмотренных структур без симметрирующих контуров в той или иной степени подвержены несимметричному режиму пере-магничивания, а, следовательно, и магнитному насыщению сердечника. Последствиями магнитного насыщения являются броски тока через силовые транзисторы одной из диагоналей преобразователя в конце полупериодов (рис.7). Амплитуда этих бросков может в 5-^8 раз превосходить амплитуду тока при симметричном перемагничивании сердечника без захода в область магнитного насыщения. При этом защита по току не может обеспечить своевременное отключение СТК. Также установлено, что при больших Кз или при определенном алгоритме управления СТК возникает эффект интегрирования тока.

Сделан вывод, что для обеспечения безопасной работы ДППН необходимо наличие симметрирующих контуров.

1

ш

Рис. 7(а) Графики токов в ключах разных диагоналей при работе ДППН без симметрирующего контура

Рис. 7(6) Петля гистерезиса при работе ДППН без симметрирующего контура

Дана классификация и проведен сравнительный анализ достоинств и недостатков известных методов симметрирования. Установлено, что рассмотренные методы симметрирования не удовлетворяют современным требованиям ИВЭП из-за следующих недостатков:

• невозможность применения для сердечников различной формы;

• нетехнологичность использования в многоканальных ИВЭП;

• возможность применения только в нерегулируемых преобразователях;

• невозможность работы в широком диапазоне изменения питающего напряжения, тока нагрузки и температуры окружающей среды;

• нецелесообразность применения в серийном производстве из-за необходимости индивидуальных настроек.

Исходя из результатов моделирования и проведенного сравнительного анализа известных методов симметрирования сформулированы требования к новым методам симметрирования, позволяющим обеспечить эффективную работу ДППН, при использовании современной элементной базы.

Отмечено, что необходимым условием обеспечения симметричного режима перемагничивания в установившемся режиме, исходя из закона электромагнитной индукции Фарадея, является равенство ВСИ смежных полупериодов на первичной обмотке силового трансформатора (1). Однако это условие является достаточным только в том случае, если принять трансформатор идеальным.

^р ~~ соответственно напряжение на первичной обмотке во время смежных управляющих импульса; ^о ^ 1И, Ди0_2^ ^ - длительности управляющих импульсов смежных полупериодов.

Исходя из условия (1) сделан вывод, что причину любого несимметричного перемагничивания можно свести к эквивалентной неодинаковости длительностей смежных управляющих импульсов. Исходя из этого, любую несимметрию можно скомпенсировать соответствующим изменением длительности управляющих импульсов.

Описана методика создания и применения нелинейной модели сердечника в программе ОгСАй 9.2 для получения более достоверных результатов моделирования. Представлены результаты компьютерного и натурного моделирования преобразователя Ройера, подтверждающие адекватность применяемой нелинейной модели сердечника.

В процессе экспериментальных исследований макетных образцов ДППН в режиме управления по напряжению с ШИМ-контроллерами 11С 3825 и 1114ЕУ4 были выявлены определенные недостатки в работе этих ШИМ-контроллеров. В ходе анализа их функциональных схем были выработаны рекомендации, позволяющие устранить обнаруженные недостатки.

Во второй главе приведено описание метода симметрирования транзисторных ДППН, работающих в режиме управления Voltage mode, основанного на формировании ВСИ.

Для обеспечения равенства ВСИ в смежные полупериоды используется информация об индукции в сердечнике, получаемая от специального функционального блока - формирователя ВСИ. Оценка индукции осуществляется косвенным образом - с использованием принципа подобия, в соответствии с которым выходной параметр формирователя ВСИ прямо пропорционален индукции в сердечнике. Входным сигналом для формирователя ВСИ служит напряжение, снимаемое с первичной или вторичной обмоток.

Ниже приведены уравнения для расчета параметров симметрирующего контура, получаемые при выполнении условия Uc«Uwi (см. рис.8):

Uc(t) = k\\Uwx(t) dt (2) B(t) = ki\Uw\{t)-dt (3), где

= а кг - ; Uc(t) - напряжение на конденсаторе С (рис.8); B(t) -значение

индукции в сердечнике трансформатора. Таким образом обеспечив k(=k2 (другими словами подобрав значения R и С) напряжение на конденсаторе С будет соответствовать значению индукции в сердечнике.

Разработаны структурные (рис.8) и функциональные схемы, реализующие предложенный метод симметрирования.

Для оценки эффективности разработанного метода симметрирования проведено компьютерное моделирование без симметрирующего контура (рис.9), а также с симметрирующим контуром, использующим формирователь равенства ВСИ на первичной обмотке (рис.10) и вторичной обмотке.

Результаты моделирования показали, что эффективная работа формирователя ВСИ обеспечивается только при получении информации с первичной обмотки. Установлено, что неэффективная работа формирователя ВСИ при установки формирующей цепочки во вторичной цепи связана с невозможностью передачи постоянной составляющей тока первичной цепи во вторичную. Сделан вывод, что установка формирователя ВСИ во вторичной цепи неприемлема.

Формирователь ВСИ

ППФ

— ,—

I- г —^

С. *

ФНЧ

Рис.8 Структурная схема ИВЭП с функциональной схемой формирователя ВСИ и СУЗ.

(ППФ - помехо подавляющий фильтр, ФНЧ-фильтр низкой частоты. И- нагрузка, ДТ-датчик тока, СУЗ - схема управления и защиты, ДВН - датчик выходного напряжения, ГТИ - генератор тактовых импульсов, УСР ~ усилитель сигнала рассогласования, КТЗ - компаратор токовой защиты, ИОН-источник опорного напряжения)

Также установлено, что срабатывание токовой защиты (например, при КЗ нагрузки) может привести к нарушению алгоритма симметрирования, а, следовательно, и к магнитному насыщению сердечника. Это связано с неодинаковой длительностью паузы в смежных полупериодах. Для исключения причин подобного сбоя была переработана схема СУЗ. Доработанный вариант СУЗ, формирующий постоянную (неизменную) длительность паузы и позволяющий исключить влияние работы узла токовой защиты на узел симметрирования, представлен на (рис.11).

Проведенное компьютерное моделирование показало, что доработанная СУЗ позволяет эффективно симметрировать процесс перемагничивания сердечника, как в номинальных, так и в аварийных режимах с учетом выше обозначенных недостатков.

1..

Н - ' I 1 - 11 :! 1 1' '.': 1: м

-—J -И

!! 1 ^

т ~1

,. I ! . ( г |г

: - :

- 1 ■ 1 1 1;

1 1 Т - ■; : 11 . I ■: •[ г

1 : М

кг ) :

- г !

; -г Г -т- г-:; г!

Рис.9 Токи различных диагоналей моста при работе ДППН без симметрирующего контура

Рис. 10 Токи различных диагоналей моста при работе формирователя ВСИ в первичной цепи

En

ППФ

Рис.11 Функциональная СУЗ с формированием постоянной длительности паузы (ВСИ расположен в первичной цепи)

По итогам проведенной работы сделан вывод, что симметрирование с использованием формирователя ВСИ является недостаточно эффективным т.к. даже при установке формирователя ВСИ в первичной цепи может возникнуть несимметричный режим перемагничивания из-за неодинаковости параметров во вторичной цепи. Установка же формирователя ВСИ во вторичную цепь, как уже говорилось выше, неприемлема.

В третьей главе приведено описание метода симметрирования процесса перемагничивания сердечника в ДППН с ШИМ-регулированием и управлением по напряжению. Для этой цели на части полупериода предложено изменять наклон ОПН задающего генератора ШИМ, и тем самым корректировать длительность соответствующего управляющего импульса.

Временные диаграммы, поясняющие суть предложенного метода симметрирования для ШИМ с модуляцией по переднему и заднему фронтам приведены на рис.12(а,б) соответственно.

Рис. 12(a) Коррекция ОПН для ШИМ с модуляцией по переднему фронту

Рис. 12(6) Коррекция ОПН для ШИМ с модуляцией по заднему фронту

На рис.12 применены следующие обозначения: 1 - сигнал с выхода УСР; 2 -нескорректированное ОПН; 3 - скорректированное ОПН; I] - длительность управляющего

импульса 1-й диагонали; 12 - длительность управляющего импульса 2-й диагонали без коррекции ОПН; ¡зад - разница во временах задержки на отключение транзисторов 1-й и 2-й диагоналей; д1 - разница длительностей нескорректированного и скорректированного управляющих импульсов, вызванное изменением наклона ОПН.

Как ранее отмечалось, совокупность причин, вызывающих несимметричный режим перемагничивания, может быть сведена к эквивалентной неодинаковости длительностей управляющих импульсов с разницей в При этом где 12=И-Чзад. Однако,

скорректировав наклон ОПН и тем самым изменив длительность импульса ¡2 на время д^ад можно добиться выполнения условия 12-д1=11, обеспечив тем самым симметричный режим перемагничивания. Заметим, что симметричного режима перемагничивания можно добиться, увеличив длительность импульса 11 на время задержки другой диагонали (и+д1=12), а также скорректировав длительности управляющих импульсов обеих диагоналей.

Для коррекции наклона ОПН (с целью изменения крутизны соответствующего участка) предложен способ изменения зарядного тока времязадающего конденсатора ШИМ. Функциональная схема, реализующая этот способ, представлена на рис.13 и содержит следующие функциональные узлы: датчики тока ДТ1, ДТ2; интеграторы ИНТ1, ИНТ2; узлы рассогласования УР1, УР2; усилители сигналов рассогласования УСР1.УСР2; ключи Кл1 и Кл2, управляемые выходным напряжением ШИМ-контроллера; токозадающий резистор Яз ад.

Расчет параметров блока симметрирования производится исходя из условий обеспечения глубокой обратной связи, при которой обеспечивается устойчивая работа контура симметрирования. Однако комплексная оценка условий обеспечения устойчивой работы преобразователя не проводилась.

Для подтверждения работоспособности и эффективности предложенного метода симметрирования было проведено компьютерное моделирование и экспериментальные исследования. Для компьютерного моделирования автором были специально разработаны функциональные модели ШИМ-контроллеров ис 3825 и ТЬ 494, поскольку модели этих микросхем в составе библиотек ОгСАО 9.2 не позволяют непосредственно воздействовать на их генератор пилообразного напряжения.

На рис.14 приведены результаты моделирования ИВЭП без симметрирующего контура (рис.14(а)), и с симметрирующим контуром на основе коррекции наклона ОПН (рис. 14(6)). Стоит особенно отметить, что в отличие от ранее рассмотренного метода симметрирования, использование коррекции наклона ОПН обеспечивает симметричный режим перемагничивания, как при наличии ассиметрии в первичной цепи, так и во вторичной.

Экспериментальные исследования с высокой точностью подтвердили результаты компьютерного моделирования.

Рис.13 Функциональная схема блока симметрирования с коррекцией ОПН в составе

ИВЭП с ДППН

(1,2 - выходы управляющих импульсов СУЗ для силовых ключей; 3 - выход для времязадающего конденсатора; 4 выходя для времязадающего резистора; 5 - вход для датчика выходного напряжения; б -

вход для датчика тока)

1

.У !

Н (Эрстед!

Рис.14(а) Петля гистерезиса при работе ИВЭП без симметрирующих контуров

Н (Эрстед]

Рис. 14(6) Петля гистерезиса при работе ИВЭП с симметрированием на основе коррекции наклона ОПН

На рис.15 представлена фотография макетного образца, на котором проводились экспериментальные исследования узла симметрирования с коррекцией ОПН при использовании ШИМ-контроллеров 1ЛС 3825 и ТЬ 494. Макетный образец имеет следующие технические характеристики: Епит=270 В ±50%, инагр_ном=27В ± 5%, Рнагр=2 КВт, частота преобразования - 30 КГц, режим управления - по напряжению; силовые

транзисторы - ЖРРС50иО (ЮВТ), драйверы силовых транзисторов - НСРЬЗШ, материал сердечника силового трансформатора - феррит 2000НМ К45х28х8 (два кольца).

Рис.15 Макет ИВЭП с мостовым ДППН и симметрирующим контуром на основе изменения наклона ОПН задающего генератора 111ИМ

В четвертой главе предложен метод симметрирования транзисторных ДППН, работающих в режиме подчиненного регулирования по току, и позволяющий обеспечить автоматическое симметрирование процесса перемагничивания сердечника в номинальных и аварийных режимах. На рис.16 представлена функциональная схема, реализующая этот метод.

Ч Двн }

Рис.16 Функциональная схема управления с подчиненным регулированием по току

Известно, что при подчиненном регулировании для схем с дросселем постоянного тока во вторичной цепи при Кз>0,5 (в режиме безразрывных токов) возникают субгармонические колебания в контуре регулирования выходного напряжения. Введение нелинейной схемы коррекции (корректирующего пилообразного напряжения) может расширить область устойчивой работы преобразователя. Однако при этом уменьшается чувствительность ДТ,

что приводит к ухудшению точности стабилизации в переходных режимах и, в ряде случаев, к изменению уровня срабатывания токовой защиты. Помимо этого максимальное значение Кз не превышает 0,7-Ю,75.

Для устойчивой работы во всем диапазоне Кз преобразователя без введения нелинейной коррекции возможно использование двух дросселей, работающих в разные полупериоды, и, следовательно, имеющих максимальный собственный Кз не более 0,5. Например, использование во вторичной цепи выпрямителя с удвоением тока (рис.17).

Также автором предложен метод, основанный на формировании неизменной длительности паузы (tn=const). Это позволяет обеспечить устойчивую работу ДППН при максимальном Кз до 0,8-0,85. Однако преобразователь при это работает в режима ШИМ-ЧИМ, т.к. при изменении Кз будет изменяться частота (f) преобразования:

j. _\-Кз

tn

Известно, что для устойчивой работы преобразователя также необходимо обеспечить пульсационную устойчивость в контуре подчиненного регулирования по току, однако данный вопрос в диссертационной работе не рассматривался.

Для подтверждения эффективности этого метода симметрирования было проведено компьютерное моделирование в системе OrCAD 9.2 в номинальном и аварийном режимах (рис.18), а также экспериментальные исследования, подтвердившие высокую эффективность предложенного метода симметрирования. Получен патент на полезную модель.

Необходимо заметить, что помимо отсутствия внешних по отношению к ИВЭП симметрирующих и согласующих контуров, рассматриваемый метод симметрирования, благодаря режиму управления по току, обладает лучшими динамическими свойствами, чем режим управления по напряжению. Однако требуется ШИМ-контроллер, способный работать в режиме управления по току.

Ниже приведены основные технические параметры экспериментального макетного образца с подчиненным регулированием по току (рис.19).

Основные технические характеристики макетного образца ДППН с управлением по току: Епит=220 В/50 Гц, инагр_ном=200 В, Рнагр=3 КВт, частота преобразования - 40 КГц, й1!пульс_нагр=0.1 В (при максимальной нагрузке), режим управления - по току; силовые транзисторы - IRFPG70UD, драйверы силовых транзисторов - HCPL3120, ШИМ-контроллер - 1156ЕУ2, материал сердечника силового трансформатора - МП 140 К44х28х10,3.

Рис. 17 Схема мостового ДППН с подчиненным регулированием по току и выпрямителем

с удвоением тока

Рис. 18(а) Результаты моделирования в Рис. 18(6) Результаты моделирования в

номинальном режиме с ассиметрией аварийном режиме (КЗ нагрузки) с

ассиметрией

Рис. 19 Макет ИВЭП с ДППН и подчиненным регулированием по току

Пятая глава. В ней описывается метод симметрирования ДППН с управлением по напряжению, основанный на изменении управляющего напряжения ШИМ по разности средних значений токов диагоналей.

На рис. 20 представлена функциональная схема, реализующая этого метод симметрирования.

управляющего напряжения ШИМ

Схема работает следующим образом. Длительность управляющих импульсов (УИ) задается ГТИ. При этом максимальная длительность УИ ограничивается на заданном уровне, который определяется параметрами времязадающей Я,С-цепочки и величиной опорного напряжения ИОН. Фактическая длительность УИ в точках Ъ\ и Ъ2 определяется значением напряжения на выходе УСР1 и УСР2 соответственно. Отметим, что в рассматриваемой схеме выходное напряжение обоих УСР однополярное и может принимать только отрицательное значение. При появлении тенденции к несимметричному перемагничиванию увеличивается среднее значение тока соответствующей диагонали (например первой). В результате этого на входе, и, как следствие, на выходе, УСР1 появится отрицательное напряжение. Поэтому уровень напряжения на неинвертирующем входе компаратора Н1, будет ниже уровня напряжения ИОН. Тогда длительность управляющего импульса 21 будет меньше начальной длительности импульса Е.

Заметим, что предложенный способ симметрирования сохраняет свою работоспособность не только в нормальных, но и в аварийных режимах работы ИВЭП. В частности обеспечивается защита от эффекта интегрирования тока благодаря наличию зависимости частоты ГТИ от уровня выходного напряжения. При этом уменьшение частоты, например при пуске ИВЭП или КЗ нагрузки, не приведет к увеличению длительности

управляющих импульсов и неизбежному магнитному насыщению сердечника, т.к. она ограничивается соответствующим ИОН, компаратором и времязадающей Я.С-цепочкой.

Эффективность предложенного метода симметрирования была подтверждена с помощью компьютерного моделирования и экспериментальных исследований. Результаты компьютерного моделирования при наличии несимметрии в схеме без узла симметрирования и с узлом симметрирования приведены на рис.21 (а,б) соответственно. Результаты моделирования в аварийном режиме не приведены, т.к. отличаются от соответствующих на рис.21 (б) только масштабом.

5А 5А

! !

Рис.21 (а) Результаты компьютерного моделирования без симметрирующего контура

Рис.21(6) Результаты компьютерного моделирования с симметрирующим контуром

Ниже приведены основные технические параметры экспериментального макетного образца ИВЭП с методом симметрирования на основе ограничения управляющих импульсов (рис.22).

Рис.22 Макет ИВЭП с ДППН и симметрирующим контуром на основе ограничения длительности управляющих импульсов

Параметры макетного образца следующие: Епит=320 В, инагр_ном=27 В, Рнагр=500 Вт, частота преобразования - 50 КГц, йипульс_нагр=0.1 В (при максимальной нагрузке), режим управления - по напряжению; силовые транзисторы - 1КР840, драйверы силовых транзисторов - НСРЬ 3120, ШИМ-контроллер - 11С 3825, материал сердечника силового трансформатора - ГАММАМЕТ ГМ54ДС К45х30х30, (мост с дросселем постоянного тока в цепи).

Шестая глава посвящена решению проблемы устранению эффекта интегрирования тока (ЭИТ) в переходных и аварийных режимах. Этот эффект обусловлен неизбежными задержками на отключение СТК и наиболее вероятен и особенно опасен при повышенных частотах преобразования и повышенных напряжениях питания.

Количественно эффект интегрирования тока может быть описан следующими соотношениями:

д^. г , ,,

—= (4) г

дп т ,,

-=—Ь = иост (5), где

'я

д/¿_г - изменение тока дросселя во время задержки на отключение СТК, дА _ и -изменение тока дросселя во время паузы, т - задержка на отключение силовых транзисторов по сигналу токовой защиты, 1п - длительность паузы, 11\у2 - напряжение на вторичной обмотке во время импульса, и<эст - остаточное напряжение на дросселе во время паузы, Ь -индуктивность дросселя.

Для исключения ЭИТ необходимо выполнение следующего условия за период преобразования:

д^£_г=дЛ,_/7 (6)

Тогда уравнения (4) и (5) могут быть преобразованы к следующему виду:

и„1-т = и0СТ-1п (?)

Таким образом, для исключения ЭИТ необходимо увеличивать длительность паузы. Однако при пуске ИВЭП или КЗ нагрузки длительности паузы, которая практически равна периоду, может не хватить. Тогда для исключения ЭИТ необходимо увеличивать период, а, следовательно, и длительность паузы.

Для этого предложены структурные (рис.23), функциональные и схемотехнические (рис.24,25) решения, позволяющие устранить ЭИТ за счет уменьшения частоты преобразования в переходных и аварийных режимах путем воздействия на ток заряда

времязадающего конденсатора ГПН. Предложенные технические решения актуальны, как для режима управления по напряжению, так и по току.

Еп )—► ППФ

Рис.23 Структурная схема ИВЭП с блоком воздействия на частоту ГПН

В диссертационной работе предложена методика расчета параметров блока воздействия на частоту ГПН для исключения ЭИТ.

Для подтверждения эффективности предложенного метода было проведено компьютерное моделирование (рис.26(а,б)), а также исследования на лабораторном макете ИВЭП с ДППН и ШИМ-контроллером 1]С 3825 при КЗ нагрузки, показавшие эффективность предложенного метода. Получен патент на полезную модель.

Установлено, что этот метод также позволяет синхронизировать работу узла токовой защиты с работой симметрирующего контура при использовании в методе симметрирования, основанном на формировании равенства ВСИ на первичной обмотке в смежных полупериодах.

■1« ] ( ]К1 Й"2 >Цг [V V <1 ~лп юл ГПН 1С 3825) э 3 Ьэ в

[ а -

Рис.24 Узел ГПН ШИМ-контроллера 1ГС 3825 с защитой от эффекта интегрирования тока

494 с защитой от эффекта интегрирования

Рис.26(а) Ток дросселя и напряжение на Рис.26(а) Ток дросселя и напряжение на

ДТ в ИВЭП без защиты от ЭИТ ДТ в ИВЭП с защитой от ЭИТ

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В ходе диссертационной работы были получены следующие научные и практические результаты.

1. Проведен численный анализ влияния несимметричного перемагничивания и магнитного насыщения на различные структуры ДППН. Сделан вывод о необходимости наличия симметрирующих контуров, для чего был разработан новый алгоритм симметрирования.

2. Проведен сравнительный анализ и дана классификация некоторых из доступных в открытой печати методов симметрирования. Сделан вывод об их неэффективности в свете современных требований к ИВЭП и, следовательно, необходимости разработки новых методов симметрирования.

3. Разработан новый метод симметрирования ДППН с управлением по напряжению, основанный на обеспечении равенства ВСИ в смежные полупериоды. Проведено компьютерное моделирование, а также получены основные уравнения для расчета параметров симметрирующего контура. Разработаны функциональные и схемотехнические решения.

4. Для ДППН работающих в режиме подчиненного регулирования по току разработана специальная модель взаимодействия элементов преобразователя, позволившая достичь симметричного процесса перемагничивания без использования внешних по отношению к преобразователю элементов. Даны рекомендации по обеспечению работы преобразователя в широком диапазоне Кз. Проведено компьютерное и натурное моделирование и получены положительные результаты во всех режимах.

5. Для ДППН с управлением по напряжению разработан метод симметрирования, предлагающий изменять крутизну ОПН на части полупериода, корректируя тем самым длительности соответствующих управляющих импульсов. Предложены структурная и

принципиальная электрические схемы, реализующие этот метод симметрирования. Проведено компьютерное и натурное моделирование, показавшее высокую эффективность, как в номинальном, так и в аварийном режимах.

6. Для ДППН с управлением по напряжению разработан метод симметрирования, основанный на изменении управляющего напряжения ШИМ по разности средних значений токов диагоналей. Предложены функциональные и схемотехнические решения, реализующие этот метод. Проведено компьютерное моделирование и экспериментальные исследования, показавшие высокую эффективность предложенного метода во всех режимах.

7. Рассмотрена проблема возникновения эффекта интегрирования тока. Проведен математический анализ, исходя из которого предложен новый метод, позволяющий предотвратить возникновение эффекта интегрирования тока, а также синхронизировать рабо-ту узла токовой защиты и метода симметрирования, основанного на формировании равен-сгва ВСИ на первичной обмотке при аварийной перегрузке по току. Разработаны схемотехнические решения для различных ШИМ-контроллеров, а также методика расчета параметров элементов в этих схемах.

Основные положения диссертаций приведены в следующих работах:

1) Шевцов Д.А., Манбеков Д.Р. Сравнительный анализ и классификация методов симметрирования двухтактных преобразователей напряжения с ШИМ-регулированием // Силовые транзисторные устройства. Выпуск 2. / Тематический сборник научных трудов. Под редакцией Е.В. Машукова-М.: "Экон-Информ", 2006. Стр.58-75.

2) Шевцов Д.А., Манбеков Д.Р. Классификация и сравнительный анализ методов симметрирования двухтактных транзисторных преобразователей с ШИМ-регулированием // Проектирование и изготовление аэрокосмических аппаратов. Сборник научных статей под ред. Ю.Ю. Комарова, М.: Издательство МАИ, 2006, с. 163-166.

3) Шевцов Д.А., Манбеков Д.Р. Компенсационные методы симметрирования // Практическая силовая электроника, Выпуск 24,2006, с. 11-13.

4) Д.А. Шевцов, Д.Р. Манбеков Двухтактные конверторы с симметрирующими свойствами // Практическая силовая электроника. Выпуск 24. 2006. Стр. 7-11.

5) Шевцов Д.А., Манбеков Д.Р. Симметрирование двухтактных преобразователей напряжения с использованием принципа подчинённого регулирования. // Практическая силовая электроника. Выпуск 26.2007.Стр.30-33.

6) Шевцов Д.А., Манбеков Д.Р. Моделирование процессов несимметричного перемагничивания двухтактных ИВЭП // Практическая силовая электроника. Выпуск 30. 2008. Стр. 41-45.

7) Шевцов Д.А., Манбеков Д Р. Количественный анализ несимметричных режимов перемагничивания трансформаторов в двухтактных преобразователях с дросселем постоянного тока во вторичной цепи // Практическая силовая электроника. Выпуск 31. 2008. Стр.48-51.

8) Шевцов Д.А., Манбеков Д Р. Анализ несимметричных режимов перемагничивания сердечника трансформатора в двухтактных преобразователях с дросселем переменного тока в первичной цепи. // Практическая силовая электроника. Выпуск 32. 2008. Стр. 46-47

9) Шевцов Д.А., Манбеков Д.Р. Анализ несимметричных режимов перемагничивания сердечника трансформатора в двухтактных преобразователях с дросселем постоянного тока в первичной цепи // Практическая силовая электроника. Выпуск 33.2009. Стр. 42-44.

10) Шевцов Д.А., Манбеков Д.Р. Сравнительный анализ различных типов транзисторных преобразователей постоянного напряжения при несимметричном режиме перемагничивания. // Практическая силовая электроника. Выпуск 33.2009. Стр. 45-47

11) Манбеков Д.Р., Шевцов Д.А. Обеспечение симметричного перемагничивания сердечника трансформатора в двухтактных преобразователях напряжения с управлением по вольт-секундному интегралу. // Практическая силовая электроника. Выпуск 35.2009. Стр.41-44.

12) Д.Р. Манбеков, Д.А. Шевцов Моделирование двухтактного преобразователя с ШИМ-регулированием и контуром симметрирования по вольт-секундному интегралу // Практическая силовая электроника. Выпуск 36.2009. Стр. 45-48.

13) Д.А. Шевцов, В.В. Крючков, Д.Р. Манбеков Создание нелинейной модели магнитного сердечника. II Практическая силовая электроника. Выпуск 36.2009. Стр.49-51.

14) Е.В. Машуков, Д.А. Шевцов, Д.Р. Манбеков Исключение эффекта интегрирования тока в переходных и аварийных режимах для транзисторных преобразователей постоянного напряжения//Практическая силовая электроника. Выпуск37. 2010. Стр.33-36.

15) Д.Р. Манбеков, Д.А. Шевцов Симметрирование процесса перемагничивания сердечника двухтактного преобразователя в режиме Current mode // Практическая силовая электроника. Выпуск 38. 2010. Стр.45-47.

16) Манбеков Д. Р., Шевцов Д. А. Использование информации о вольт-секундном интеграле для симметрирования процесса перемагничивания двухтактного преобразователя // Электронный журнал "Труды МАИ" (http://w\w.mai.ru/science/tnid\7published.php) . Выпуск 37.2010.

17) Д.Р. Манбеков, Д.А. Шевцов Симметрирование двухтактных транзисторных преобразователей путем коррекции опорного пилообразного напряжения ШИМ //

Электромеханика, электротехнические комплексы и системы. Межвузовский научный сборник. Уфа, 2010 г. Стр. 128-131.

18) Д.Р. Манбеков Обеспечение симметричного перемагничивания сердечника двухтактного преобразователя в режиме Current mode // Вестник московского авиационного института 2010, т. 17, № 2. М.: Издательство МАИ-Принт, 2010. Стр. 68-72.

19) Манбеков Д.Р. Применение управления по вольт-секундному интегралу в двухтактных преобразователях для обеспечения симметричного режима перемагничивания // 8-я международная конференция "Авиация и космонавтика 2009", 26-29 октября 2009, Москва. Тезисы докладов. - М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2009. Стр.180.

20) Манбеков Д.Р., Шевцов Д.А. Обеспечение Симметричного режима перемагничивания в двухтактных преобразователях напряжения путем изменения наклона опорного пилообразного напряжения ШИМ // Научно-практическая конференция студентов и молодых ученых МАИ "Инновации в авиации и космонавтике - 2010", 26-28 апреля 2010, Москва. Сборник тезисы докладов. - СПб.: Мастерская печати, 2010. Стр.72.

21)Машуков Е.В., Шевцов Д.А., Манбеков Д.Р. Устранение эффекта интегрирования тока в двухтактных транзисторных преобразователях постоянного напряжения с ШИМ-регулированием // 9-я международная конференция "Авиация и космонавтика 2010", 16-18 ноября 2010, Москва. Тезисы докладов. - СПб.: Мастерская печати, 2010. Стр.168-169.

22) Пат. 103996 РФ, МПК НОЗК 4/08. Генератор пилообразного напряжения с изменяемой частотой при аварийных перегрузках по току/ Д.Р. Манбеков, Д.А. Шевцов, Е.В. Машуков (РФ).-2010146756/08; Заявлено 18.11.2010; Опубл. 27.04.2011 Бюл.12. 3 с.

23) Пат. 104794 РФ, МПК Н02М 7/00; Н02М 7/162. Схема управления двухтактными преобразователями с симметрированием электромагнитных процессов/ Д.Р. Манбеков, Д.А. Шевцов, Е.В. Машуков (РФ).-2010148296/07; Заявлено 26.11.2010; Опубл. 20.05.2011 Бюл.14. Зс

Введение.

Первая

глава

1. Моделирование и анализ различных структур ДППН 9 1.1. Несимметричное перемагничивание и причины его возникновения. 9 1.2 Моделирование различных структур силовых каскадов ДППН

1.3. Классифицирование и анализ известных методов симметрирования

1.4. Применение нелинейной модели сердечника трансформатора

1.5. Особенности работы ШИМ-контроллера UC3825 в режиме управления по напряжению

Вторая

глава

2. Разработка и исследование метода симметрирования, на основе формирования вольт-секундного интеграла.

2.1. Принцип работы

2.2. Разработка функциональных схем и схемотехнических решений

2.3. Компьютерное моделирование ДППН с узлом симметрирования по ВСИ.

Неотъемлемой частью любых электротехнических комплексов и систем являются источники вторичного электропитания (ИВЭП). Они предназначены для преобразования электроэнергии одного вида и качества, поступающей от первичного источника питания, в электроэнергию другого вида и качества для питания конечного потребителя. ИВЭП также осуществляют защиту от аварийных перегрузок по току и коротких замыканий в нагрузке [36].

Возрастающие требования к электрооборудованию по уменьшению массы, объема, тепловых потерь, увеличению надежности и КПД приводят к необходимости разработки высокоэффективных ИВЭП, что особо актуально для преобразователей повышенной и большой мощности. Другими словами требуется комплексная миниатюризация ИВЭП. Для этого целесообразно выполнение следующих условий:

• повышение частоты преобразования [21];

• применение современной, в том числе и зарубежной, элементной базы;

• использование высокочастотных двухтактных преобразователей постоянного напряжения (далее ДППН) вместо однотактных [6]. Особенно в преобразователях повышенной и большой мощности;

Использование ДППН позволяет снизить массу сердечника силового трансформатора, а также выходного сглаживающего фильтра за счет более полного использования сердечника силового трансформатора и двукратного увеличения частоты пульсаций выходного напряжения.

Однако двухтактным преобразователям присущи следующие недостатки:

1)« Более сложная, по сравнению с однотактными преобразователями, схема управления и защиты (далее СУЗ), вследствие усложнения силовой части.

2) Увеличение стоимости (из-за усложнения СУЗ и силовой части).

3) Возможность возникновения сквозных-токов.

4) Возможность возникновения режима несимметричного перемагничивания сердечника.

Основными проблемами при проектировании ДППН являются необходимость исключения сквозных токов и устранения несимметричного режима перемагничивания сердечника силового трансформатора [3,4,5]. Решению проблемы сквозных токов посвящено много исследований, а их результаты опубликованы в научных изданиях и тематических сборниках.

Проблема несимметричного режима перемагничивания сердечника силового трансформатора является наиболее существенным недостатком, поскольку приводит к одностороннему магнитному насыщению сердечника силового трансформатора (замагничиванию). Возникающие при этом резкие броски тока через силовые транзисторы в конце полупериодов приводят к:

- снижение надёжности;

- уменьшение КПД;

- ухудшение электромагнитной совместимости.

При этом система защиты по току не в состоянии ограничить уровень этих бросков.Необходимо особо отметить, что негативные последствия несимметричного режима перемагничивания усугубляются с ростом частоты преобразования, увеличением питающего напряжения и повышением мощности преобразования [21,6].

Решение проблемы несимметричного перемагничивания в ДППН хоть и предложен ряд решений, но, как показали проведенные автором исследования, они имеют ряд недостатков и не отвечают современным требованиям. Более эффективные решения не публикуются в открытой печати по причинам защиты авторских прав и интеллектуальной собственности.

Основными достоинствами двухтактных преобразователей по сравнению с однотактными является:

• более полное использование магнитопровода сердечника силового трансформатора, что позволяет снизить его массу и габариты;

• частота выходного напряжения в два раза выше, что делает возможным уменьшение массы и габаритов выходного сглаживающего фильтра при прочих равных условиях.

В целом относительно проблемы несимметричного перемагничивания сердечника в двухтактных преобразователях напряжения можно сказать следующее:

- опубликованные в открытой печати методы симметрирования по ряду причин малоэффективны или неприемлемы для массового производства;

- методы, используемые в промышленных образцах ИВЭП, выпускаемых зарубежными и отечественными фирмами, не раскрываются по причине защиты авторских прав и интеллектуальной собственности.

Необходимо ответить, что ряд вопросов по решению1 проблемы несимметричного перемагничивания освещены в работах: Конева Ю.И., Мелешина В.И., Опадчего Ю.Ф., Мкртчян Ж.А., Ромаша Э.М., Глибицкого М.М., Юрченко А.И., Головацкого В.А., Машукова Е.В., Шевцова Д.А., Мезениной Н.С. и др.

Успешное решение рассматриваемой проблемы открывает широкие возможности для проектирования источников вторичного электропитания средней и повышенной мощности с улучшенными массоэнергетическими показателями, улучшенной электромагнитной совместимостью и повышенной надёжностью. Разработка эффективных методов симметрирования режима перемагничивания силовых трансформаторов с использованием современной элементной базы в значительной мере будет способствовать миниатюризации преобразователей электроэнергии на основе силовых транзисторных устройств, а также обеспечению их безопасной работы в переходных и аварийных режимах. При этом необходимо помнить, что при рассмотрении нелинейных импульсных систем надо избегать чрезмерной "идеализации", т.к. в этом случае математическая модель может вообще "не заметить" некоторых важных свойств системы [52,54,.,59].

Таким образом, основными целями диссертационной работы являются: исследование процесса перемагничивания различных структур ДППН с помощью компьютерного моделирования, оценка последствий несимметричного перемагничивания, классификация и сравнительный анализ известных методов симметрирования, разработка и исследование новых методов симметрирования для

ИВЭП средней и большой мощности на основе высокочастотных транзисторных ДППН с ШИМ-регулированием.

Исходя из указанных целей работа посвящена решению следующих задач:

1. Компьютерное моделирование различных структур ДППН без симметрирующих контуров с помощью пакета программ OrCAD 9.2.

2. Оценка последствий * возникновения одностороннего магнитного насыщения (замагничивания) из-за несимметричного режима перемагничивания. Анализ процесса возникновения одностороннего магнитного насыщения.

3. Анализ известных методов симметрирования с целью определения их достоинств и недостатков.

4. Разработка и исследование новых методов симметрирования, обеспечивающих надежную работу ДППН в номинальных, переходных и аварийных режимах.

5. Разработка структурных, функциональных и схемотехнических решений, реализующих предложенные методы симметрирования для режимов управления по напряжению (Voltage mode) и по току (Current mode).

6. Компьютерное моделирование для оценки эффективности предложенных методов симметрирования в номинальных, переходных и аварийных режимах.

7. Экспериментальное исследование узлов симметрирования в составе ИВЭП на основе транзисторных ДППН с ШИМ-регулированием.

Первая глава

Основные результаты диссертационной работы

В ходе диссертационной работы были получены следующие научные и практические результаты.

1. Проведен анализ несимметричного режима перемагничивания сердечника силового трансформатора в различных структурах ДППН, показавший, что при магнитном насыщении сердечника амплитуда тока в конце полупериодов может во 1 ч много раз превышать амплитуду тока при симметричном перемагничивании. Отмечено, что защита по току не может своевременно обеспечить ограничение бросков тока, возникающих при магнитном насыщении сердечника. Сделан вывод о необходимости применения специальных симметрирующих контуров в ИВЭП с ДППН.

2. Проведен сравнительный анализ и дана классификация ранее известных методов симметрирования. Выявлены недостатки этих методов и присущие им ограничения. Показана необходимость разработки новых алгоритмов и методов симметрирования с учетом современной элементной базы и современных требований к техническим характеристикам ИВЭП с управлением по току или по напряжению. Показано, что защита по току может сбивать работу контура симметрирования, если эти функциональные узлы не синхронизированы между собой.

3. Предложен метод симметрирования ДППН с управлением по напряжению (Voltage mode), основанный на обеспечении равенства нулю ВСИ на первичной обмотке силового трансформатора. Разработаны функциональные и схемотехнические решения для реализации этого метода. Получены соотношения для расчета параметров симметрирующего контура. Проведено компьютерное моделирование и выявлены определенные недостатки этого метода симметрирования, которые не позволяют считать его достаточно эффективным.

4. Предложен метод симметрирования ДППН с управлением по току (Current mode), обеспечивающий симметричный режим перемагничивания за счет равенства амплитуд тока в смежные полупериоды. Даны рекомендации по расширению диапазона изменения Кз для режима управления по току. Разработаны структурные и схемотехнические решения, реализующие предложенный метод симметрирования. Представлены результаты компьютерного и натурного моделирования, показавшие высокую эффективность, данного метода. Получен патент на полезную модель.

5. Предложен метод симметрирования ДППН с управлением по напряжению, основанный на изменении крутизны опорного пилообразного напряжения ШИМ в соответствующий полупериод. Разработаны структурные, функциональные и принципиальные электрические схемы, реализующие этот метод симметрирования с применением ШИМ-контроллеров UC3825 и TL494. Проведено компьютерное и натурное моделирование, показавшее хорошую эффективность предложенного метода, как в номинальном, так и в аварийном режимах.

6. Предложен метод симметрирования ДППН с управлением по напряжению, основанный на коррекции уровня управляющего напряжения ШИМ по разности средних значений токов первичной обмотки. Разработаны функциональные и схемотехнические решения, реализующие этот метод. Проведено компьютерное моделирование и экспериментальные исследования, показавшие эффективность предложенного метода симметрирования как для регулируемых, так и для нерегулируемых ИВЭП.

7. Подтверждено, что в аварийных и переходных режимах ИВЭП может выйти из строя, несмотря на наличие токовой защиты из-за возникновения эффекта интегрирования тока, который обусловлен неизбежными задержками на отключение СТК по сигналу токовой защиты. Получены аналитические соотношения для условия возникновения эффекта интегрирования тока. Предложен новый метод устранения этого эффекта и схемотехнические решения его реализации с использованием ШИМ-контроллеров типа UC3825 и TL494 для режимов управления ДППН по напряжению и по току, основанный на изменении частоты преобразования в зависимости от напряжения на нагрузке и не влияющий на работу контура симметрирования. Проведено компьютерное моделирование и экспериментальные исследования, показавшие эффективность предложенного метода. Получен патент на полезную модель.

Выявлены функциональные недостатки ШИМ-контроллера иС3825 в режиме управления по напряжению и показано, что при малых Кз в его работе могут возникать сбои, приводящие к пропуску управляющих импульсов. Даны рекомендации для исключения этого недостатка.

1. Мкртчян Ж.А. Основы построения устройств электропитания ЭВМ. М.: Радио и связь, 1990.-208 е.: ил.

2. Северне Р., Блум Г. Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания: Пер. с англ. под ред. Смольникова JI.E. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 294 е.: ил.

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

4. Андреев В.В., Букреев С.С., Мелешин В.И. Конспект лекций «Статические полупроводниковые преобразователи напряжения» по курсу «Системы электроснабжения ЛА». Учебное пособие. -М.: Издательство МАИ, 1971.

5. В.А. Головацкий, Ю.И. Конев, А.И. Юрченко Несимметричные режимы силовых трансформаторов с конденсатором в первичной цепи ЭТвА /Под. ред. Ю.И. Конева. - М.: Радио и связь, 1982, вып. 13, с.69-74.

6. Головацкий В.А„ Конев Ю.И., Юрченко А.И. Анализ несимметричных режимов силовых трансформаторов транзисторных преобразователей ЭТвА /Под. ред. Ю.И. Конева. -М.: Радио и связь, 1981, вып. 12, с.64-71.

7. В.А. Головацкий, Ю.И. Конев, А.И. Юрченко Особенности применения и расчёта конденсаторов в полумостовых и мостовых схемах импульсных реобразователей. ЭТвА /Под. ред. Ю.И. Конева. - М.: Радио и связь, 1985, вып. 16, с.96-102.

8. Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи М.: Энергоатомиздат, 1986. - 376 с.

9. Глебов Б.А. Магнитно-транзисторные преобразователи напряжения для питания РЭА. М.: Радио и связь. 1981 - 96с. ил.

10. R. Pearce, D. Grant 250 ватный управляемый током импульсный источник питания с синхронным выпрямителем // Силовые полупроводниковыеприборы. Пер. с англ. Под ред. В.В. Токарева. Первое издание. Воронеж 1995 г. ст. 292-297.

11. Peter Wood Многовыходной, автономный, импульсный источник питания на МОП-транзисторах // Силовые полупроводниковые приборы. Пер. с англ. Под ред. В.В. Токарева. Первое издание. Воронеж 1995 г. ст. 244-253.

12. Rogowski W., Stoinhaus W. Die Messungden magnetishen Spannung. AfE, 1912, Bd.l, S.141.

13. Глибицкий M.M., Мезенина H.C., Способы ограничения одностороннего насыщения трансформатора транзисторного преобразователя ЭТвА /Под. ред. Ю.И. Конева. - М.: Советское радио, 1978, вып. 10, с. 122-124.

14. Глибицкий М.М., Мезенина Н.С., Аварийные ассиметричные режимы статических преобразователей напряжения при насыщении трансформатора. -Изв. вузов СССР, Электромеханика, 1976, №7.

15. А.И. Юрченко, В.А. Головацкий, П.И. Картаев Транзисторные ■ преобразователи с непосредственным контролем режима перемагничивания сердечника трансформатора. // ЭТвА, сборник под редакцией Ю.И. Конева. -М.: «Сов. Радио», № 10, 1978, с. 113-118.

16. Головацкий В.А., Юрченко А.И. Применение магнитного пояса в транзисторных преобразователях. // ЭТвА, сборник под редакцие Ю.И. Конева.-М.: Радио и связь, 1981, вып. 12, с.71-75.

17. Глибицкий М.М., Мезенина Н.С. О физических процессах одностороннего насыщения силового трансформатора статического преобразователя/ЯТроблемы преобразовательной техники, ч.І, ИЭД АН УССР, Киев, 1979,218 с.

18. Шевцов Д.И., Машуков Е.В., Ульященко Г.М., Преобразователь напряжения для автономного инвертора// Транзисторные устройства распределения, преобразования и регулирования энергии. Тематический сборник научных трудов.- М.: Экон, 1999. с.33-35.

19. Шевцов Д.А. Источники вторичного электропитания на основе высокочастотных транзисторных преобразователей постоянного напряжения: Учебное пособие. М.: Издательство МАИ, 2003. - 60 с: ил.

20. Мелешин В.И., Опадчий Ю.Ф. Симметрирование транзисторных преобразователей напряжения с внешним управлением. // ЭТвА, сборник статей под редакцией Ю.И. Конева, вып. №6. М.:»Советское радио». 1974, с.50-55.

21. А.с. 941968 СССР, G 05 F 1/64. Способы импульсной стабилизации двухтактного преобразователя / Г.Г. Саакян, Ж.А. Мкртчян, Л.Г. Караташян -Опубл. 1982 Бюл. 25.

22. А.с. 809538 СССР, Н 03 К 7/08. Двухтактный широтпо-импульсный модулятор / Г.Г. Саакян, Ж.А. Мкртчян, Л.Г. Караташян, К.Т. Кешишян -Опубл. 1981, Бюл. 8.

23. А.с. 851370 СССР, G 05 F 1/56; Н 02 М 3/335. Импульсный стабилизатор постоянного напряжения / Г.Г. Саакян, Ж.А. Мкртчян, Л.Г. Караташян, К.Т. Кешишян Опубл. 1981, Бюл. 28.

24. Ю.И. Конев. Основные проблемы миниатюризации силовых электронных устройств и систем. В сб. ЭТвА, под ред. Ю.И. Конева, «Сов. Радио», №7, 1975.

25. Глебов Б.А., Антипов Д.С. Двухтактные инверторы с индуктивным накопителем энергии в цепи первичной обмотки трансформатора при управлении по способу ШИМ // ПСЭ. Выпуск 12/2003 г. Стр.27-31.

26. Д.А. Шевцов, В.В. Крючков, Д.Р. Манбеков Создание нелинейной модели магнитного сердечника // Практическая силовая электроника. Выпуск 36, 2009, с. 49-51.

27. Болотовский Ю., Таназлы Г. Опыт моделирования систем силовой электроники в среде OrCAD 9.2 (часть VII) // Силовая электроника. Выпуск №3, 2008 г. Стр.150-158.

28. UC3825 Datasheet htlp://www.ti.com/lit/ds/symlink/uc3825.pdf.

29. Д.Р. Манбеков, Д.А. Шевцов Моделирование двухтактного преобразователя напряжения с ШИМ-регулированием и управлением по вольт-секундному интегралу с контуром симметрирования // Практическая силовая электроника. Выпуск 36, 2009, с. 45-49.

30. Овчинников ДА., Кастров М.Ю., Карзов Б.Н., Исаков М.С. Выпрямитель со средней точкой и выпрямитель с удвоителем тока // Практическая силовая электроника. Выпуск №5, 2002.

31. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. 3-е изд. стер. / Волович Г. И. — М. : Додэка-ХХ1, 2011. — 528 с. : ил. — (Серия «Схемотехника»). — ISBN 978-5-94120-254-6.

32. Д.А. Шевцов Функциональные возможности специализированных микросхем управления импульсными ИВЭП // Радио промышленность. Выпуск 3. М.: -НИИЭИР, 1996. Стр.86-90.

33. Дмитриков В.Ф., Сергеев В.В., Самылин И.Н. Повышение эффективности преобразовательных радиотехнических устройств. М.: Радио и связь, Горячая линия-Телеком, 2005. - 424 е.: ил.

34. Источники питания электронных средств. Схемотехника и конструирование / В.Г. Костиков, Е.М. Парфенов, В.А. Шахнов: Учебник для вузов. М.: Радио и связь, 1998. - 344 е.: ил.

35. Источники вторичного электропитания / В.А. Головацкий, Г.Н. Гулякович, Ю.И: Конев и др.; Под редакцией Ю.И. Конева. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Радио и связь, 1990. - 280 е.: ил.

36. Ромаш Э.М. Источники вторичного электропитания радиоэлектронной аппартуры. М.: Радио и связь, 1981. 224 е., ил. - (Массовая радиобиблиотека; Вып. 1035).

37. Глебов Б.А. Магнито-транзисторные преобразователи напряжения для питания РЭА. -М.: Радио и связь, 1981.-96 е., ил.

38. Колосов В.А., Лукин A.B., Сергеев Б.С. Схемотехника высокочастотных преобразователей напряжения. Справочное пособие. Под ред. В.А. Колосова. М.: «АО ВТ и ПЭ», 1993.- 150 с. (Силовая электроника РЭВ, Вып.З).

39. Чети П. Проектирование ключевых источников электропитания: Пер. с англ. -М.: Энергоатомиздат, 1990. -240 е.: ил.

40. Высокочастотные транзисторные преобразователи / Э.М. Ромаш, Ю.И. Драбович, H.H. Юрченко, П.Н. Шевченко. М. Радио и связь, 1988. - 288 е.: ил.

41. Бас A.A. Источники вторичного электропитания с бестрансформаторным входом / A.A. Бас, В.П. Миловзоров, А.К. Мусолин. М.: Радио и связь, 1987. - 160 е.: ил.

42. Шевцов Д.А., Машуков Е.В., Ульященко Г.М. Сетевой многоканальный источник питания импульсно-периодической нагрузки // Теория и практика силовых устройств. Тематический сборник научных трудов./Под редакцией Машукова Е.В. М.:ЭКОН, 2001. Стр.54-59.

43. Интегральные микросхемы: Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. М. ДОДЭКА, 1996 г.

44. Недолужко И., Каюков Д. Модификация PSpice-модели магнитного сердечника// Силовая электроника. 2005 г. №1. Стр. 128-131.

45. Транзисторные преобразователи электрической энергии / Под ред. д-ров техн. наук, проф. A.B. Лукина и Г.М. Малышкова М.: Изд-во МАИ, 2001. - 228 е.: ил. 192.

46. В.И. Мелешин Транзисторная преобразовательная техника. Изд. Техносфера, 2005 г. 632 стр.

47. В.И. Мелешин, Д.А. Овчинников Управление транзисторнымигпреобразователями энергии. Изд. Техносфера, 2011 г. 576 стр.

48. Ю.К. Розанов, М.В. Рябчицкий, A.A. Кваснюк Силовая электроника. Издательский дом МЭИ, Москва, 2007 г. 632 стр с ил.

49. JT.B. Рабинович, Б.И. Петров, В.Г. Терсков, С.А. Сушков, Л.Д. Панкратьев Проектирование следящих систем. Под редакцией д-ра техн. наук, проф. Л.В. Рабиновича. Изд. «Машиностроение». Москва, 1969 г.

50. Я.З. Цыпкин Основы теории автоматических систем. Изд. «Наука», М., 1977, 560 стр.

51. Иващенко H.H. Автоматическое регулирование. Теория и элементы систем. М., «Машиностроение», 1973, 606 с.

52. Фельдбаум A.A., Бутаковский А.Г. Методы теории автоматического управления. Изд. «Наука», М., 1971, 744 стр.

53. Наумов Б.Н. Теория нелинейных автоматических систем. Изд. «Наука», М., 1972, 544 стр.

54. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования, М., 1966 г., 992 стр. с илл.

55. Основы автоматического управления. Под, ред. B.C. Пугачева. Изд. «Наука», 1967, 680 стр.

56. A.A. Фельдбаум Электрические системы автоматического управления. 2-е издание. Государственное издательство оборонной промышленности, М., 1957, 808 стр.

57. Пат. 3170133 США, НКИ 336-165. Трансформатор с составным сердечником, 1965.

58. Пат. 966247 Великобритания, НКИ HIT. 1964. - Ненасыщающийся трансформатор.

59. Сергеев Б.С. Схемотехника функциональных узлов источников вторичного электропитания: справочник. М.: Радио и связь, 1992.

60. Машуков Е.В., Шевцов Д.А., Манбеков Д.Р. Исключение эффекта интегрирования тока в переходных и аварийных режимах для транзисторных преобразователей постоянного напряжения // Электропитание. Выпуск 2. 2011 г. С. 27-31.

61. TL494 Datasheet http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tl494.pdf.

62. Эраносян С., Ланцов В. Эволюция импульсных источников вторичного электропитания: от прошлого к будущему. Часть 1 // Силовая электроника. 2008. №4.

63. Эраносян С., Ланцов В. Эволюция импульсных источников вторичного электропитания: от прошлого к будущему. Часть 2 // Силовая электроника. 2009. №1.

64. Эраносян С., Ланцов В. Эволюция импульсных источников- вторичного электропитания: от прошлого к будущему. Часть 3 // Силовая электроника. 2009. №2.

65. Эраносян С., Ланцов В. Эволюция импульсных источников вторичного электропитания: от прошлого к будущему. Часть 4 // Силовая электроника. 2009. №3.

66. Бадер М.П. Электромагнитная совместимость. М.: УМК МПС, 2002.

67. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле. — М.: Гордарики, 2001.

68. Электротехническая совместимость электрооборудования автономных систем / В.Г. Болдырев, В.В. Бочаров, В.П. Булеков, С.Б. Резников. М.: Энергоатомиздат, 1995.

69. Электротехническая совместимость электрооборудования ЛА (Электроэнергетическая совместимость) / В.Г. Болдырев, В.В. Бочаров, В.П. Булеков, С.Б. Резников. -М.: Изд-во МАИ, 1992.

70. Князев А.Д. Элементы теории и практики обеспечения электромагнитной ' совместимости радиоэлектронных средств. М.: Радио и связь, 1984.

71. Тер-Захарян В.Г. Современные бортовые электрические сети и их защита от аварийных режимов. М.: Изд-во МАИ, 2002.

72. Бадалов А.Л., Михайлов А.С., Нормы на параметры электромагнитной совместимости РЭС: Справочник. М.: Радио и связь, 1990. - 272 е.: ил.

73. R. D. Middlebrook, Power electronics: topologies, modeling, and measurement, Proc. IEEE Int.Symp. Circuits Syst., April 1981.

74. R. Severns and G. E. Bloom, Modern Dc-to-Dc Switchmode Power Converter Circuits, New York: Van Nostrand Reinhold, 1985.

75. Pavier, M.; Sawle, A.; Woodworth, A.; Monteiro, R.; Chiu, J.; Blake, С "High frequency DC:DC power conversion: The influence of package parasitics," Applied Power Electronics Conference and Exposition, Vol 2, February 2003, pg. 699-704.

76. J. A. Sabate, V. Vlatkovic, R. B. Ridley, F. C. Lee, and В. H. Cho, "Design considerations for high-power full-bridge zero-voltage-switche.d PWM converter," in Proc. IEEE Applied Power Electronics Conference, 1990, pp. 275-284/

77. Rugaju, M., Janse van Rensburg, J.F. and Pienaar H.C.vZ. Full Bridge DC-DC converter as input stage for fuel cell based inverter system. http://www.satnac.org.za/proceedings/2008/papers/osp/Rugaiu%20No%20102.pdf