автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Оптимизация структуры и параметров многоканальных стабилизированных ИВЭ радиоэлектронной аппаратуры

1 I и ин

- 5 ДПР 1933

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ СВЯЗИ __ИМ. проф. М. А. БОНЧ-БРУЕВИЧА

На правах рукописи

ЖОЗЕФ БУ ХАРБ УДК 001.63 : 621.311.6 : 621.396.932 (043.3)

ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ И ПАРАМЕТРОВ МНОГОКАНАЛЬНЫХ СТАБИЛИЗИРОВАННЫХ ИВЭ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

Специальность 05.12.17 — Радиотехнические И телевизионные системы и устройства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1993

Работа выполнена на кафедре электропитания устройств й -систем связи Электротехнического института связи им. проф. М. А. Бонч-Бруевича.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Н. Н. ПАГЛЫХ.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор В. Л. ШИРОКОВ, кандидат технических наук, доцент В. С. КЛИМОВ.

Ведущее предприятие указано в решении специализированного совета.

Защита диссертации состоится « /Л 1993 г.

в аудитории У^З в часов на заседании специализированного

совета К 118.01.01 Электротехнического института связи им. проф. М. А. Бонч-Бруевича.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, направлять по адресу: 191065, С.-Петербург, наб. р. Мойки, 61.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан 1993 г.

Ученый секретарь специализирован""""

В. X. ХАРИТОНОВ

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования. Тенденция РЭА к миниатюризации, многообразие используемой в ней элементной базы, расширение круга решаемых ею задач резко повысили требования, предъявляемые РЭА к источникам вторичного электропитания.

Значительно возросли требования к стабильности выходных напряжений, величине коэффициента пульсаций, массогабаритным показателям, потребляемой энергии и надежности. Значительно возросло требуемое для выполнения цели функционирования РЭА число изолированных друг от друга и от сети переменного напряжения каналов электропитания с разными номинальными значениями постоянного напряжения. Увеличение числа каналов приводит к увеличению габаритов и объема источника питания, потерь мощности в его элементах и снижению надежности.

Отличительной особенностью многоканальных источников вторичного электропитания (МИЗЭ) является наличие общей для всех каналов электропитания части структуры, выходным элементом которой является формирователь каналов (ФВК). Выходное напряжение ФВК преобразуется з каналах в постоянное стабилизированное напрляениа требуемой величины и мощности. Наличие внутреннего сопротивления функциональных элементов общей части структуры Ш1ВЭ обуславливает взаимосвязь каналов, что проявляется в изменении напряжения на входе всех каналов при изменении тока нагрузки в одном из них (или в нескольких каналах). Последнее обстоятельство отрицательно влияет на выполнение целей функционирования РЭА и повшает требования к стабилизирующий преобразователям постоянного напряжения), что приводит к усложнении цепей управления стабилизирующих устройств, сникает их надежность и устойчивость.

Количество альтернативных вариантов иуигуивмия структур ШВЭ велико и определяется следующими факторами:

1. Множеством типов формирователей каналов (сетевой выпрямитель, входной сглаживающий фильтр, стабилизатор, инвертор).

2. Множеством вариантов структур потсроения каналов.

3. Множеством вариантов структур функциональных элементов, образующих канал электропитания.

Цель функционирования ИИВЭ всегда шогоыерна, вследствии большого числа функциональных требований (частных целей функционирования), предъявляемых к ним. Выполнение всех этих требований в максимальной степени невозможно вследствии их противоречивости, что усложняет задачу выбора варианта структуры ЫИВЭ.

Поэтому возникает актуальная проблема заключающаяся в необходимости разработки научно-обоснованной методики проектирования оптимальных НИВЭ," которые обеспечивают достаточно полное выполнение всех функциональных требований при конкретном окружении. Ре-пению этой проблемы до настоящего времени не уделялось достаточного внимания^.

Решение указанной проблемы возможно при использовании методики векторной (многоцелевой) структурной и параметрической оптимизации. При многоцелевой оптимизации оптимальным считается такое решение при котором обеспечивается достаточно полное достижение всех частных целей функционирования МДВЭ:.

Степень достижения частных целей определяется показателями качества (ПК); которые оценивает увеличение степени соответствия функциональным требованиям через уменьшение численного значения ПК.

Целью диссертационной работы является разработка методики проектирования оптимальных МИВЭ РЭА, которые обеспечивают достаточно полное выполнение всех частных целей (функциональных требований) при конкретной окружении.

Методы исследования.

Для достижения цели исследования были использованы положения системного анализа, методика векторной многоцелевой структурной и параметрической оптимизации технических систем с применением безусловного и условного критериев предпочтения, топологические методы, теория принятия решения.

Научная новизна заключается в следующем:

1. обоснована многомерная цель функционирования МИВЭ,отражаемая совокупностью предъявляемых к нему функциональных требования.

2. Впервые с позиций системного подхода решена задача многоцелевой (векторной) оптимизации ЩЗЭ РЭА.

3. Впервые при векторной структурной оптимизации в совокупность ПК обоснован и включен показатель, оценивающий степень выполнения требования о снижении взаимосвязи выходных каналов в МЯЗЭ.

И\ Предложен новый способ формирования множества базовых вариантов структур И»ГВЭ, базирующийся на вцделении в структуре одного канала узлов формирования других каналов и использовании морфологической матрицы для определения допустимых вариантов функциональных элемент ой МЯВЭ.

5". Обоснована целесообразность применения модифицированного метода структурных матриц и ветвящихся, графов при формировании полного множества альтернативных.вариантов структур ОТЗЭ.

6. Качественно и количественно оценена важная особенность МИВЭ, заключающаяся во взаимосвязи характеристик выходных каналов при изменении тока нагрузки в одном из них.

7. Показано, что достаточно полное выполнение всех- функциональных требований, предъявляемых к МИВЭ, в том числе требовании о снижении степени взаимосвязи каналов, достигается оптимальной структурной схемой, в состав которой входит стабилизатор постоянного напряжения, включе1$1#на входе всех каналов. При этом снижается требование к величине коэффициента стабилизации стабилизаторов выходных каналов (или стабилизирующее преобразователей)

и повышается их устойчивость и надежность. . 8..Построены математические модели для"определения численных значений ПК допустимых вариантов структур МИВЭ, представленные в виде суммы аналитических зависимостей ПК отдельных компонентов, входящих в МИВЭ. от характеристик их свойств и величины выходной мощности.

9. Выбраны составляющие вектора варьируемых параметров СВП) МИВЭ влияющих на численные значения ПК и обоснованы пределы <их варьирования.

10. Обоснован выбор ПК при параметрической оптимизации МИВЭ, базирующийся на их критичности к составляющим вектора ЕП.

1Г. Сформулированы целевые функции (ЦФ), представляемые й виде аналитических зависимостей ПК от составляющих вектора ВП.

Практическая ценность. Практическими результатами диссертационной работы являются:

№. Возможность практическое реализации процедур и методов векторной оптимизации при автоматизированном проектировании МИВЭ в диапазоне выходной мощности ( 10— 500 Вт .), что позволяет повысить качество проектирования при снижении затрат времени.

2. Разработаны частные программы расчета численных значений ПК вариантов структур МИВЭ, ориентированные на использование ПЭВМ, что сокращает время проектирования МИВЭ при большом числе выходных каналов.

3. Выбраны оптимальные структуры трехканальных МИВЭ и оптимальные значения ВП этих структур для конкретных значений выходной мощности в диапазоне ( 10— 500 Вт), позволяющие достаточно полно обеспечить выполнение всех функциональных требований предъявляемых к МИВЭ.

4. Предложен вариант структуры МИВЭ, содержащий стабилизатор

постоянного напряжения включенный на входе каналов, что позволяет уменьшить степень взаимосвязи каналов и снизить требования к величине коэффициента стабилизации стабилизаторов на выходе каналов.

5. Получены расчетные соотношения дал определения величины внутреннего сопротивлений общей части структуры ШВЭ при различной величине выходной мощности, что позволит оценить степень взаимосвязи каналов различных вариантов структур МИВЭ.

6. Показано, что при одинаково! величине выходной мощности одно-канального ИВЭ и МИВЭ, КОД последнего определяется КЦД мощного канала и всегда ниже, чем КЦД одноканального ИВЭ.

Аппробация pagoуь. Результаты ]работы обсуждались на НШ проф.-преп.состава ЗЙС им.проф.Ы.А.Бонч-Бруевича, а также на научно-техническом семинаре кафедры ЭУСС 'ЭИС (С.Петербург I991-1993 г).

Публикации. lio результатам выполненных исследований в научно-технических журналах опубликованы 3 печатные работы.

Основные научные положения, полученные в работе и выносимые на защиту.

1. Задача проектирования оптимальных НИВЭ сформулирована и решена как задача многоцелевой структурной и параметрической оптимизации.

2. Совокупность формализованных процедур и методов, позволяющих реализовать методики многоцелёвой оптимизации при выборе оптимальной структуры и оптимального вектора ВЦ ШВЭ при заданном окружении,

3. Состав вектора IK ЫИВЭ при структурной оптимизации.

4. Метод построения математических моделей для определения численных значений ГК ШВЭ на этапе структурной и параметрической оптимизации ЫИВЭ.

5. Состав вектора варьируемых параметров и совокупность накладываемых на них ограничений.

6. Методы построения целевых функций (Щ), представляемых аналитическими зависимостями ПК ПИЮ от ВД.

Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит введение, шесть разделов и заключение, изложенные на IS6 страницах машинописного текста, списка литературы, а также содержит 5 приложений. Список литературы включает S€ наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована цель работы, ее актуальность и выбор метода исследования, отмечены особенности функционирования ЫШЭ по сравнению с одноканальными источниками вторичного электропитания.

Первый раздел посвящен формированию совокупности функциональный

требований, предъявляемых к современный источникам вторичного электропитания (ИВЭ) РЭА и выбору показателей качества, которые в численной виде оценивает степень выполнения этих требований. Проведен анализ основных характеристик ИВЭ, таких как КЦЦ, надежность и удельная мощность ( Р^ ). Отмечено, что перспективной структурой'современных ИВЭ является структура с бестрансформаторным входом и высокочастотным инвертором. Дан обзор элементной базы используемой в современной РЭА и показана необходимость обеспечения этой элементной базы различным значениям постоянного напряжения для ее нормального функционирования. Рассмотрена тенденция развития ИВЭ и влияние его характеристик на выполнение цели функционирования РЭА. Такими характеристиками являются: относительная нестабильность выходных напряжений и их коэффициент пульсации, надежность, габариты и потери мощности в ИВЭ, уровень электромагнитной помехи возникающих при работе переключащих элементов схемы ИВЭ (транзисторов инвертора и стабилизатора). Обоснована необходимость использования в РЭА многоканальных ИВЭ - ШШЭ. Для ЫИВЭ обоснована совокупность функциональных требований, которыми является:

1. Уменьшение объема и габаритов

2. Снижение потерь мощности в элементах ЫИВЭ "

3. Повышение надежности работы.

4. Снижение степени взаимосвязи выходных каналов при изменении тока нагрузки в одном (или нескольких) канале ЫИВЭ.

Выбрани показатели качества (ПК), которые позволяют количественно оценить степень выполнения отдельными вариантами ЫИВЭ приведенных выше функциональных требований.

Для оценки степени выполнения требования об уменьшении габаритов ЫИВЭ выбран показатель качества (ПК)

где - суммарный объем функциональных элементов варианта

структуры ЫИВЭ;

Чш* - максимальное значение объема одного из вариантов структур ЫИВЭ.

Для оценки степени выполнения требования об уменьшении потерь мощности в элементах ЫИВЭ выбран ПК _

К2"

ВмГ-Т

(лемм*

где суммарны? потери мощности в элементах варианта структуры

ЫИВЭ

Рявт. т»*-иаксииальнов значение мощности потерь одного из вариантов

мию.

Для оценки степени выполнения функционального требования о повышении надежности ЫИВЭ выбран Ш

КЗ = — *

А те*

где X Е - суммарная интенсивность отказов элементов варианта структуры ШВЭ;

\nwx~ максимальное значение интенсивности отказов одного из вариантов ЫИВЭ.

Для оценки степени выполнения требования об уменьшении взаимного влияния каналов ЫИВЭ при изменении тока нагрузки в одном (или нескольких) каналов выбран ПК

т2- '

Ко *«

где Ко - суммарное внутреннее сопротивление функциональных элементов общей части структуры 1ШВЭ;

Я® та* - максимальное значение К. одного из вариантов структур.

Во втором раздела обосновано, что задача проектирования оптимального ШВЭ относится к классу многоцелевых (векторных) задач принятия решения, так как при выборе оптимального варианта ЦИВЭ приходится обеспечивать достижение нескольких частных целей. Проведен анализ известных методов решения оптимизационных задач, отмечена некорректность сведения многоцелевых задач к скалярным, обоснована целесообразность применения метода векторной структурной и параметрической оптимизации, базирующегося на системном подходе. При системном подходе проектируемые устройства (системы) рассматривается как часть, подсистема более сложной системы и анализируются связи и отношения проектируемой системы с ее окружением. При многоцелевой оптимизации используется методология системного подхода, при которой производится декомпозиция многомерной цели функционирования на рад частных целей, которые представляются в виде перечня функциональных требований, предъявляемых к проектируемому устройству. Использование системного подхода предполагает также декомпозицию проектируемого устройства на структуру, отражающую его внешние свойства и параметры, характеризующие его внутренние свойства.

Выбор оптимального, т.е. компромиссного варианта структуры, а затем вектора варьируемых параметров осуществляется из полного множества альтернативных вариантов сначала с помощью системы ограничений, накладываемых на структуры (варьируемые параметры), а затем с

6

помощью критериев выбора: безусловного (ЕКЛ) и условного (УКП).

В третьей разделе рассматриваются особенности функционирования ЫИВЭ и способы формирования альтернативных вариантов их структурных схем. Показано, что отличительными особенностями ЫИВЭ' являются:

1. Несколько Изолированных'друг от друга каналов выходных напряжений постоянного тока при разной величине напряжения и мощности, использующих энергию одного источника переменного тока.

2. Стабилизация выходных напряжений каналов при изменении их тока нагрузки осуществляется индивидуальными стабилизаторами (или стабилизирующим!?:инверторами) в каждом канале.

3. Стабилизация выходного напряжения всех каналов при изменении входного сетевого напряжения может осуществляться одним общим стабилизатором напряжения, установленным на входе всех каналов.

4. Структура ЫИВЭ имеет общую для всех каналов часть, содержащую несколько функциональных элементов, обладающих определенным внутренним сопротивлением. Выходное напряжение общей части структуры поступает на входы всех каналов ЫИВЭ.

б. В ЫИВЭ существует взаимная связь выходных каналов через внутреннее сопротивление общей части структуры, поэто^ при изменении тока нагрузки одного канала изменяется величина напряжения на входе остальных каналов на величину аУ* .

6. Вследствии наличия ¿и* величина коэффициента стабилизации выходных напряжений каналов должна быть больше, чем в случае однока-нальных ИВЭ при одинаковой нестабильности входного сетевого напряжения.

7. Все современные ЫИВЭ строятся по схеме с бестрансформаторным входом, поэтому непременным функциональным элементом ЫИВЭ является преобразователь постоянного напряжения (ППН), преобразующий постоянное напряжение одной величины в одно, или несколько постоянных напряжений другой величины. Число трансформаторов инвертора такого ППН или число его вторичных обмоток равно числу выходных каналов.

8. Число альтернативных вариантов структурных схем ЫИВЭ больше чем одноканальных ИВЭ.

Приведен способ формирования множества базовых вариантов структур ЫИВЭ, базирующийся на ввделении в структуре одного канала возможных узлов формирования других каналов и различных модификациях функциональных элементов в каналах.С помощью этого способа построена обобщенная структурная схема ЫИВЭ, приведенная на рис.1. На рис:1 обозначено:

В1 (УВ1) - входной низкочастотный выпрямитель (управляемый выпрями-

тель), выполненный по однофазной двухтактной схеме.

СЙ1 - сглаживающий фильтр. Его возможные варианты построения: еи-

костный, одно- или двухзвенный индуктивно-емкостный фильтр.

СУ1 '(СУ2) - стабилизирущее устройство. Его возможные модификации:

стабилизаторы с непрерывным (НСН) или с импульсным регулированием

(ЙСН) и вольт-добавочное устройство (ВДО.

И (СИ) - инвертор (стабилизирующий инвертор). Возможные модификации однотактный, двухтактный, полуиостовой и мостовой. BZ (УВ2) - Высокочастотный выпрямитель (управляемый выпрямитель). Его возможные модификьцаи:однофазный однотактный, однофазный двухтактный, двухфазный однотактный.

СФ2 - Высокочастотный сглаживающий фильтр. Возможные модификации: емкостной', одно- или двухзвенный LC3> фильтр. ОС - устройство обратной связи, обеспечивающее широтно-импульсный режим работы стабилизаторов или стабилизирующих инверторов.

Узлы формирования выходных каналов обозначены &, fc уС , d . С помощью рис.1 определяется топология сформирования структур НИВЭ и структура его общей части.

Проведен анализ степени взаимосвязи каналов при разовом (непериодическом) изменении тока нагрузки в одной из каналов, приводится схема модели ШВЭ, характеристики каналов которого приведены к первичной обмотке трансформатора инвертора. Показано, что при отсутствии стабилизаторов в каналах относительное изменение выходного напряжения J -го канала S1 , вызванное изменением тока нагрузки в i-ом канале определяется соотношением:

/ лТ' Р (I)

£ а Ко ,

Iíi '

где д1ц| - приведенное значение изменения тока нагрузки i-го ка, нала;

Х«й - приведенное значение тока нагрузки j -го канала;

К« - суммарное внутреннее сопротивление функциональных элементов

, структуры МИВЭ, общих для всех каналов; Knj - приведенное к первичной обмотке трансформатора инвертора con

ротивление нагрузки J -го канала; Rsj - приведенное к первичной обмотке трансформатора инвертора суммарное внутренне4 сопротивление функциональных элементов канала МИВЭ. ,

Численное значение Г пропорционально величине R о , которое определяется вариантой структуры Ш4ВЭ.

Из литературы известно, что при изменении тока нагрузки в канале с выходных стабилизированным напряжением + 5в 4-- канального ШВЭ фирмы £1етеп& от 7 А до 1А выходное нестабильное напряжение каналов +12в и -12в изменяется на без учета изменения сетевого напряжения, что недопустимо для ответственных потребителей, получающих энергию от этих каналов.

Приведены соотношения Для определения величины К0 для различных вариантов структур ЫЯВЭ и величины его выходной мощности.

Рассмотрены особенности стабилизации выходных напряжений ЫИВЭ и показано, что выходное напряжение общей части его структуры 0о изионлэтея на только при изкгнении входного сетевого напряжения ), но и при изыонензи тока нагрузки одного, из каналов МИВЭ (а )• Нри возрастании сотового напряжения и снижении тока нагрузки в одном из каналов суммарное относительное изменение входного напряжения каналов

д 1)ф _ Л.&.+ й-Ц^ (2)

"" и.

возрастает, что предъявляет повышенное трэбование к величине кзг<5-фнциента стабилизации выходных стабилизаторов каналов, усложняет их схепу управления, снижает устойчивость и надежность.

Рассмотрен вариант структурной схема 1ШЭ, содержащий импульсный стабилизатор постоянного напряжения включенный на выхода общей части его структуры. В этой случае напряжение является выходным напряжением стабилизатора, а величина его выходного сопротивления

Ко . имеет очень шлуп величину. Это позволяет выполнить требование о минимальной степени взаимосвязи каналов и снизить требования к величине коэффициента стабилизации такого стабилизатора и стабилизаторов на выходе каналов..

Проведен сравнительный анализ КЦД одноканального и многоканального источника электропитания при равенстве выходных мощностей

этих источников. При таком допущении КОД МИВЭ нмоат более низкое значение, т.к. уменьшение величины выходной мощности каналов оказывает более сильное влияние на снижение КЦД ШВЭ по сравнение с уменьшением потерь мощности в каналах при увеличении их числа.

В четвертом разделе разработаны процедуры, с помощью которых при использовании пакета прикладных программ многоцелевой структурной оптимизации выбраны оптимальные структурные схемы МИВЭ. Реализация программ структурной оптимизации осуществлена применительно к 3-х канальному МИВЭ с выходными напряжениями каналов +5в, +12в, -12$ при дискретных значениях выходной мощности ( Рвых « 10,50,75,100, 200 , 400 и 500 вт). Произведена логическая организация исходных данных, включающая совокупности ПК, внешних условий функционирования У , ограничений, накладываемых на структуру 0$ и ограничений, накладываемых на показатели качества 0К.

Функциональные требования, 'предъявляемые к ЫИВЭ и совокупность ГК, оценивающих степень выполнения этих требований отдельными вариантами структур ШВЭ приведены в первом разделе. Совокупность внешних условий функционирования У отражает связи и отношения ШВЭ с окружением, т.е. с устройствами более низкого уровня иерархии (сеть переменного напряжения) и устройствами более высокого уровня иерархии (потребитель энергии, т.е.ВЭА ). Ограничения на структуру 0£ отраказт уровень развития источников вторичного электропитания и накладываются на ШВЭ устройствами низшего и высшего уровня иерархии. Ограничения на показатели качества 0К отражают требования устройств более высокого уровня иерархии. Обоснована целесообразность использования модифицированного метода структурных матриц и метода ветвящихся графов, на основании которых из базовых вариантов структур ШВЭ подучено полное множество альтернативных вариантов структур, содержащее 157 вариантов. Используя ограничения на структуру Од и ограничения на число элементов в структуре, число контуров, уровни централизации и т.д. из полного множества выделено множество допустимых вариантов структур ЫИВЭ (Ыд), содержащее 13 вариантов. Для каждого из вариантов структур, входящих в 11д рассчитаны численные значения Ш. Формирование расчетных соотношений и расчет численных значений Ш является важным этапом многоцелевой структурной оптимизации, т.к. только в случае выполнения расчета ПК каждый кэ вариантов структур можно представить в виде точки в ынвгемерном пространстве ПК, а затем сформировать критерии выбора оптимального варианта структуры в виде безусловного и условного критериев предпочтения (ЕКП и УКП). Построены математические модели

Í0

для расчета численных значений ПК в виде аналитических зависимостей ПК компонентов, входящих в МИВЭ, от юс характеристик н величины выходной мощности. Ыагскатические модели для расчета численных значений ПК представлены в внде суммы соответствующих ПК компонентов, входящих в ИЙВЭ. Йэ полученного множества вариантов структур Ыд исключаются те структуры, которые не удовлетворяют ограничениям на ПК (0К). Оставшиеся структуры образуют множество вариантов близких к оптимальном, Из множества Ы^д выбираются варианты структур МИВЭ, которые являются оптимальными относительно безусловного критерия предпочтения (БКП), т.е. такие варианты , для которых выполняется векторное неравенство ^Г*-^) 4 К\(.<о£) . Когда это неравенство справедливо для всех ПК, тогда вариант является безусловно худиим по сравнению с б*. . Если хотя бы для одного ПК справедливо неравенство К; <-9^ > , то оба варианта 5*. и

будут считаться нвхудшими. Для выбора одного оптимального варианта струхтуры ЫИВЭ из Ы^ использован условный критерий предпочтения (УКП) в виде т

ТГ , (3)

который рассчитывается для каждого варианта структуры ЫИВЭ входящего в В (3) обозначено:

I "Л

-ПК системы высшего уровня иерархии (РЭА)} К& -численные значения ¡Ж вариантов структур МИВЭ, входящих в ы^;

0<у - показатели степени, отражающие количественную связь Ш ИИВЭ с ПК РЭА б^).

Численное значение'^ отражает степень важности для РЭА одного из свойств МИВЭ, оцениваемого соответствующим ПК.

УКП представляет прмсцип компромисса в достижении частных целей функционирования МИВЭ.

Тот вариант структуры *з множества Ы,^, дхя которого вмфчнна Кв имеет минимальное значение является оптимальным. С помощью программ векторной структурной оптимизации, реализующих указанные выше процедуры бита выбраны оптимальные структурные схемы ЫИВЭ для каждого из значений выходной мощности. Для Рвых £ 50вт оптимальной структурной является , а для больших значений выходной мощности

Р___> 50 вт оптимальная структура . На рве. 2 приведены оптп-

а1а ее

г малыше структуры Ьм и .

Выбор оптимального варианта структуры ЫИВЭ проводился при еда-

а

22 Оь

5Ûn*

B1

СФ1

wen

M B2 № «CHI

U2 Ы СФЗ WCH2

- «3 M СФА UC'HJ

+5í

+ 12ь

-I2l

ОС

220в

SO "4 B1

- 1

ЙСН

CUi

BE

СФ2

ОС

■ CU2

B5

СФЗ

ОС

CHI

ом

+5в

+ 128

-I2ß

Рис.2

ÍJL

дующих допущениях для всех вариантов структур: ¿им, « 50 кгц, ^ » 20 кгц, ^„щ, - 50 кгц, К3 " 0,5 •0,2 т - для Рвых 4 50 вт 0,18 т - для 50 вт < РВШ£ 4 100 вт .0,15 т - для 100 вт < РВ|К 4 600 вт

9,5 аДа<; - для Рвых £ 50 вт

7,5 а/шг - для 50 ст < Р0ЫХ £ 100 вт 6 ' плотность тока. , 5,7 а/им2 - для 100 вт < Евых ^ 600 вт В пятой раздела приводятся процедуры выбора оптимальных значений составляющих вектора варьируемых параметров (ВП) применительно к оптимальной структурной схема ШВЭ.

Целью параметрической оптимизации является определенно таких значений ВП, при которых обеспечивается достаточно полное достсяе-нке всех частных целей функционирования ШВЭ при заданном окрудеяяи. ВП являются такие характеристики №ВЭ, изменение которых оказывают влияние на численные значения ПК ЫИВЭ и не влияет на его окружение.

ВП ШВЭ с выходной мощностью Рвцх ^ 50 вт оптимальная структура которого приведена на рнс.2 являются:

- частота переключения тваиэистороа ИСН1 (на выходе каналов),

}2= - частота переключения транзистора инвертора;

- магнитная индукция трансформатора инвертора;

^¿а - частота переключения транзистора ИСН (на входе всех каналов);

- коэффициент нагрузки компонентов входящих в сос-

тав ЫИВЭ.

Для МИВЭ с величиной Рвых > 50 вт ВП выбраны:

- частота переключения транзисторов стабилязярущего инвертора, 5 ц - магнитная индукция трансформатора инвертора;

■¡■I - частота переключения транзхстора ИСН, включающего на входе

всех выходных каналов; К* - коэффициент нагрузки компонентов входящих в

состав ЫИВЭ.

Изменения ВП осуществляются в области их допустимых значений, определяемых используемой элементной базой и особенностями функциональных элементов МИВЭ. ВП имеют различную физическую природу я для осуществления с ними совместных операций они должны быть представлены в безразмерной форме: Для ШВЭ с РВЮ1 £ 50 вт:

И

Г1М4Х

>К*4<

зе^ВмЛ

, Юм-а^ < ;

0,16* £ 4 1 ..

, С;»Т Вт $ 0£Т •

0,553 « 4 1 .

0,167 4 Л .

, 0,5 $ Ки $ 0.8 .

0,625 £ «

0,16» с ЯСг* 1 > 50 вт:

се/= Вм/С к» ЭС^КнД,

Для МИВЭ с Рвых

^ Ет § ;

0,155 4 I

о,^ «Е/4 г .

0,5 4 £ 0,625 £ « 1 проведена оценка влияния ВП ка ча сданные зк&ченхя 1Н МИВЭ, обоснованы и сформированы накладываемые на них ограничения. Уточнена совокупность Ш, в состав которой вошла те Ш, которые чувствительны к изменениям ВП. Показано, ото чжслешое значение Ш К^ полученное на этапе структурной оптимизации достаточно полно чздаки-вает степень выполнения функционального требования об уменьшении степени взаимосвязи каналов в МИВЭ к включать его в совокупность ГК при параметрической оптимизации нецелесообразно.

Сформированы целевые функции (Ц1) в виде аналитических зависимостей ПК от ВП. ЦБ представлены в аддитивной форме; Для структуры Б«

К\ = (аг+а„ог!)ш<. а6эе?+ п-(а,+

К2» V*«} .

КЗ»

Для структуры

кз= с, + + е,-«^"4 +

где К^, К^, К3 - показатели качества; а», ,ЗС5 - варьируемые параметры;

а, с - коэффициенты, численные значения которых зависят от типа компонентов, входящих а ЫИВЭ, от физической природы ВП и от величины выходкой мощности. П - число выходных каналов.

С помощью Щ ж программ векторной параметрической оптимизации были рассчитаны численные значения ЦР для дискретных значений ВП в пределах допустимых значений при числе шагов итерации Д. ■ 4 и построена матрица допустимых вариантов вектора ВП. Используя ограничения, накладываемые на целевые функции получено множество вариантов вектора ВП, близких к оптимальному и с помощью БКД выделено множество нехудших вариантов вектора ВП.

При многоцелевой оптимизации параметров ИИВЭ принцип компромисса в достижении частных целей (УКП) выбран из условия максимального приближения варианта вектора ВП к идеальному, характеризующемуся нулевыми значениями Ц$*

К « iСк<(х) СК2(Х)-оДг*..

УКП при параметркческой оптимизации реализован в вида среднеквадратичного отклонения от нуля значений ЦЗ реальных вариантов. Выбран оптимальный вариант вектора ВП МИВЭ, которому соответствует

к-к,*,

Физические значения оптимальных ВП и соответствующие им характеристики ШВЭ приведены в таблице для различных зн&ешлй выходной кощностн.

В шестом разделе проведен сопоставительный анализ характеристик оптимальных ШВЭ с лучшими образцами ЫИВЭ разработанных и выпускаемых в России и зарубежом. Отмечена постоянно растущая потребность современных РЭА в таких НЮ. Показано, что ЫИВЭ, имеющие оптиыальную структуру и параметры (оптимальные МИВЭ) соответствуют современному техническому уровню разработки источников вторичного

15

Таблица- оптимальных значений ВП и соответствующих им характеристик МЙВЭ при различных значениях Р вцх

и, КГц, т и, КГ«, Ки ь, мч РлеТ , Ьт V, Х-кгь, К., он "г , «V, •/. 1

10 50 10 10. 0,2 0,25 22,5 22,5 0,5 0,5 35 35 4,7 20 0,2 0,64 14 14 106,6 25,3 70,1 71 54 76 0,986 0,966

Рц«*, к/ Рпл, V*-, * Рр.р.

В"» кГи, Т Вт (/ч<к ом Чш ВГ/А1*

75 22,5 0,25 10 0,5 29 1,14 X 7,6 72 65 0,97

100 22,5 0,25 10 0,5 36,7 1,5 30 5.1 73 66 0,97

200 22,5 0,25 10 0,5 60,3 3,1 39 2,6 76,5 63 0,962

400 22,5 0,25 10 0,5 117,8 4,9 39 1,3 76,8 79 0,962

500 22,5 0,2 10 0,5 160,5 6,3 39 1.1 76,3 81 0,962

электропитания, и в ряде случаев имеет более высокие значения характеристик по сравнении с зарубежными образцами. Отмечено, что оптимальные 11ИВЭ обеспечивает высокое качество выходных напряхёний -каналов по величине относительной нестабильности. В большинстве исследованных зарубежных и разработанных в России образцов ШВЭ не приводятся данные по относительной нестабильности этих напряжений а имеется указание, что для обеспечения требуемой степени стабильности выходных напряжений следует использовать стабилизаторы в каждом канале. Последнее обстоятельство увеличит габариты и снизит КГЩ этих образцов по сравнении с приведенными данными • Оптимальные МИВЭ содержат в своей структуре стабилизаторы на входе всех каналов и на их выходе. Поэтому фактически все характеристики оптимальных ЫИВЭ имеют более высохие значения по сравнении с данными содержащимися в литературе, и обеспечивают высокое качество выходных напряжений и минимальную взаимосвязь между каналами, что имеет весьма важное значение в ЫИВЭ при изменении тока нагрузки в его каналах.

Приложения. В приложениях представлены результаты расчетов численных значений Ш множества допустимых вариантов структур НИВЭ, распечатки программы векторной структурной и параметрической оптимизации ШШЭ.

Результаты работы. При выполнении диссертационной работы бьши получены следующие теоретические и практические результаты:

1. Разработаны процедуры и методы проектирования:юптимальных ЫИВЭ, которые обеспечивают достижение компромисса в выполнении противоречивых функциональных требований.

2. Уточнен перечень функциональных требований, в который впервые включено требование по снижению взаимосвязи каналов через внутреннее сопротивление общей части МИВЭ и предложен способ оценки выполнения этого требования различными вариантами структур ШШЭ.

3. Предложен способ формирования базовых вариантов структур использующий межэлементные связи одноканальной структуры для формирования требуемого числа выходных каналов ЫИВЭ.

4. Обоснована целесообразность использования модифицированного метода структурных матриц при формировании полного множества вариантов структур ЫИВЭ из базового множества.

5. Разработаны прикладные программы расчета численных значений показателей качества МИВЭ при их структурной оптимизации.

6. Обосновано, что требуемая величина коэффициента стабилизации выходных стабилизаторов МИВЭ всегда больше, чем у одноканальных источников питания при одинаковом изменении входного сетевого нап-

ряжения^,

7'. Показано; что при одинаковой величине выходной мощности Ш МИВЭ ниже; чей у одноканального источника питания1.

В'. Обоснован выбор варьируемых параметров МИВЭ и накладываемых на них ограничения*.

9ч Сформированы целевые функции ШВЭ, позволяющие оценить зависимость показателей качества МИВЭ от его варьируемых параметров1.

Ю1. Уточнена методика выбора оптимальных значений варьируемых параметров МИВЭ в части использования условного критерия предпо<гг«ная при нечетной множеств^ результатов параметрической оптимизации*

Получении в Дйссертационвоя работе результаты представлены в виде прикладных методик; которые могут быть использованы при автоматизированном проектирования НИВЭ'.

Основные результаты, полученные в .диссертационной работе нашли отражение в следующих" работах:

I'; Патлых Н;.Б'., Бу Харб №. Анализ взаимного влияния выходных каналов в МИВЭ // обработка сигналов в системах связи: Сб^науччтр. уче&завед* связи // Ж С*.- СПб, 199?. - »1565.

Й' Маракулин В.В., Бу Харб Л,, Заре с А'; Использование топологических методов при векторной оптимизации структуры ШВЭ // Обработка сигаалов в системах связи: Сб.науч.тр.учеб. завед.связи // ЭИСв- СПб; 1992% - *15б\

Ж Патлых Подляск Бу Харб Е; Анализ влияния различных частот переключения транзисторов инвертора и импульсного стабилизатора на основные характеристика ЩВЭ;. Тезисы доклада НТК ЭЙС и и. проф'.М. А!.Еов ч-Еруевича:. СГ.-Петербург; 1993.

К