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

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 И 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 « $ » ¿2 ^^¿-¿¿¿-С— 1993 г.

в аудитории п ^-^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 « ■/Л ¿¿¿¿/^¿¿^ 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совет,

В. X. ХАРИТОНОВ

Общая характеристика работы

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

Значитально возросли требования к стабильности выходных напряжений, величине коэффициента пульсаций, ыассогабаритныы показателям, потребляемой энергии и надежности. Значительно возросло требуеиоо для выполнения цели функционирования РЭА число изолированных друг от друга и от сати переменного напряжения каналов электропитания с разншд! номинальными значениями постоянного напряжения. Увеличение числа каналов приводит к увеличении габаритов и объема источника питания, потерь мощности в его элементах и снизению надезности.

Отличительной особенностью многоканальных источников вторичного электропитания (ШВЭ) является наличие общей для всех каналов электропитания части структуры, выходкам элементом которой является формирователь каналов (5ВК). Выходнсз напряжение 5БК преобразуется з каналах в постоянное стабилизированное напряженно требуемой величины и иоцности. Наличие внутреннего сопротивления функциональных плекситов общей части структуры ИИВЭ 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 стабилизирующим преобразователям постоянного напряжения), что приводит к услознонио цепей управления стабилизирующих устройств, сниаает их надежность и устойчивость.

Количество альтернативных вариантов ииитрувния структур ШВЭ велико и определяется сл"здуш:ики факторами:

1. Ыноиеством типов формирователей каналов (сотовой выпрямитель, входной сглаяивагзций фильтр, стабилизатор, инвертор).

2. Множеством вариантов структур потсроеная каналов.

3. Множеством вариантов структур функциональных элементов, обра-зукцих канал электропитания.

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

Поэтому возникает актуальная проблема заключающаяся в необходимости разработки научно-обоснованной методики проектирования оптимальных МИВЭ," которые обеспечивают достаточно полное выполнение всех функциональных требований при конкретном окружении. Решению этой проблецц 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 МИВЭ;.

Степень достижения частных целей определяется показателями качества (ПК); которые оценивают 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 конкретном 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, топологичеокие 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 МИЗЭ 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.

Предложен новый способ формирования множества базовых вариан. тов структур МИВЭ, базирующийся на ввделении в структуре одного канала узлов формирования других каналов и использовании морфологической матрицы для определения допустимых вариантов функциональных элементов МИВЭ.

5. Обоснована целесообразность применения модифицированного метода структурных матриц и ветвящихся графов при формировании полного множества альтернативных.вариантов структур 1-ИЗЭ.

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 всезс 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, включе[|!$на входе всех каналов. При этом снижается требование к величине коэффициента стабилизации стабилизаторов выходных каналов (или стабилизирующая преобразователей)

и повышается их' устойчивость и надежности. . 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 (ВП) 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 ВП.

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

Практическая ценность. Практическими результатами диссертационной работы являются:

1. Возможность практическое реализации процедур и методов векторной оптимизации при автоматизированном проектировании МИВЭ в диапазоне выходной мощности ( 10— 500 Вт .), что позволяет повысить качество г.ровктирования 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 достагоФю полно обеспечить выполнение всех функциональных требований предъявляемых к МИВЭ.

4. Предложен вариант структуры МИВЭ, содержащий стабилизатор

постоянного напряжзния 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 для определения величины внутреннего сопротивлений общей части структуры "ИИВЭ при различной величине выходной мощности, что позволит оценить степень взаиыосвязи каналов различных вариантов структур ЫИВЭ.

6. Доказано, что при одинаковой величине выходной мощности одно-канального КБЗ и ьпБЗ, КЦЦ посдвднего определяется КЦЦ косного канала и всегда ниже, чей КЦЛ, одкоканальнэго ИВЭ.

Аппробация райо^ь. Результаты работы обсувдались на НТК проф.-преп.состава ЭИС им.проф.И.А.Бонч-Бруевича, а такие на научно-техническом семинаре кафедры ЗУСС 'ЭИС (С.Петербург 1991-199Я г).

Публикации» По 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 г:ак задача многоцелевой структурной и параиотричгской оптимизации.

2. Совокупность формализованные процедур и методов, позволяющих реализовать методики иногоцелёвой оптимизации при ьиборе оптимальной структуры и оптимального вектора ВП МИВЭ при заданном окружении.

3. Состав вектора ПК МИВЭ при структурной оптимизации.

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

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

6. Методы построения целевых функций (1$), представляемых аналитическими зависимостями ПК ЫИВЭ от ВП.

Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит введение, шесть разделов и заключение, изложенные на /56 страницах машинописного текста, списка литературы, а также содержит 5 приложений. Список литературы включает S6 наименований.

Содержание работы

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

Первый раздел посвящен формированию совокупности функциональный

k

требований, предъявляемых к современным источника)! вторичного электропитания (ИВЭ) РЭА и выбору показателей качества, которые в численной виде оценивает степень выполнения этих требований. Проведен анализ основных характеристик ИВЭ, тахих как КЦД, надежность и удельная мощность ( Ру^ ). Отпечено, 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 базц различным значениям постоянного напрязения для еэ нормального функционирования. Рассмотрена тенденция развития ИВЭ и влияние его характеристик на выполнение цели функционирования РЭА. Такими характеристиками являптся: относительная нестабильность выходных напряжений и их коэффициент пульсации, надежность, габариты и потери мощности в ИВЭ, уровень электромагнитной помехи возникающих при работе переключающих элементов схемы ИВЭ (транзисторов инвертора и стабилизатора). Обоснована необходимость использования в РЭА многоканальное ИВЭ - ШВЭ. Для ЦИВЭ обоснована совокупность функциональных требований, которыми являются:

1. Уменьшение объема и габаритов

2. Снизение потерь мощности в элементах ЫИВЭ

3. Повышение надежности работы.

4. Снизение степени взаимосвязи выходных каналов пр'л изменении тока нагрузки з одной (ила нескольких) канале ШВЭ.

Вкбршш показатели качества (ПК), которые позволяет количественно оценить степень выполнения отдельными вариантами 11ИВЗ приведенных вше функциональных требовании.

Для оценки степени выполнанял требования об уменьшении габаритов 11ИВЭ выбран показатзль качества (ПК)

где "V* - сукиариий объем функциональных элементов варианта структуры ШВЭ;

ТГп** - максимальное значение объема одного из вариантов структур ШВЭ.

Для оценки степени выполнения требования об уменьпении потерь ыощносги в элементах МИВЭ выбран Ш _

кг-

Ра«г.Х

где Вкт.*- сушшрные потери мощности в элементах варианта структуры ШВЭ

(п»т<т**-ыахсимальное значение мощности потерь одного из вариантов

мивэ.

Дяя оценки степени выполнения функционального требования о повышении надежности ШШЭ выбран Ш

КЗ =

_ X

Ани*

где Х£ - суммарная интенсивность отказов элементов варианта структуры МИВЭ;

Хпш»- максимальное значение интенсивности отказов одного из вариантов 1ШВЭ.

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

к< - -¡г2— >

Ко те*

где - суммарное внутреннее сопротивление функциональных элементов общей части структуры МЛВЭ?

К.» та* - максимальное значение Ко одного из вариантов структур.

Во втором разделе обосновано, что задача проектирования оптимального ШШЭ относится к классу многоцелевых (векторных) задач . принятия решения, так как при выборе оптимального варианта МИВЭ 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) рассматриваются 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 декошозиция многомерной цели функционирования на ряд частных целей, которые представляются в виде перечня функциональных требований, предъявляемых к проектируемому устройству. Использование системного подхода предполагает также декомпозицию проектируемого устройства на структуру, отражавцую 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 (ЕКД) и условного (УКП).

В третьем разделе рассматриваются особенности функционирования ЫИВЭ и способы формирования альтернативных вариантов их структурных схем. Показано, что отличительными-особенностями ИИВЭ' 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 стабилизирующими 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 ИИВЭ 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.

5. В ШВЭ существует взаимная связь выходных каналов через внутреннее сопротивление общей части структуры, поэтов при изменении тока нагрузки одного канала изменяется величина напряжения на входе остальных каналов на величину а С*«

6. Вследстзии наличия 4 и к величина коэффициента стабилизации вы-ходких напряжений каналов доляиа быть больгго, чем з случае однока-иальных ИВЭ при одинаковой нестабильности входного сетевого напря-пения.

7. Все соврглгннкз Ш5ВЭ строятся по схеме с бострансформаторкым входом, поэтому непрененнш функциональным элемзнтом ?1ИВЭ является преобразователь постоянного напряжения (ПГИ), прзобразупций постоянное иапркшие одной величины в одно, или несколько постоянных нап-рлвэниЕ другой ^величины. Число троксфорпторов инвертора такого ППН или число его вторичных обмоток равно числу выходных каналов.

8. Число альтернативных вариантов структурных схем 11ИВЭ больше чем одноканальных ИЗЭ.

Приведен способ формирования »шокоства базознх вариантов структур к'КВЭ, базирующийся на "пделвнии в структура одного канала возможных узлов формирования других каналов и различных модификациях функциональных элементов а ханслах.С пошщью этого способа построена обобщенная структурная схема ШВЭ, приведенная на рис.1. На рис Л обозначено:

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

тель), выполненный по однофазной двухтактной схеме. C4I - сглаживающий фильтр. Его возможные варианты построения: емкостный, одно- или двухэвенный индуктивно-емкостный фильтр. СУ1"(СУ2) - стабилизирующее устройство. Его возможные модификации: стабилизаторы с непрерывным (НСН) или с импульсным регулированием (ИСН) и вольт-добавочное устройство (ЕДУ).

И (СИ) - инвертор (стабилизирующий инвертор). Возможные модификации однотактный, двухтактный, полумостовой и мостовой. В"2 (УВ2) - Высокочастотный выпрямитель (управляемый выпрямитель). Его возможные модификации:однофазный однотактный, однофазный двухтактный, двухфазный однотактный.

062 - Высокочастотный сглаживающий фильтр. Возможные модификации: емкостной; одно- или двухзвенный LCЪ фильтр. ОС - устройство обратной связи, обеспечивающее широтно-импульсный режим работы стабилизаторов или стабилизирующих инверторов.

Узлы формирования выходных каналов обозначены &, Ь С , d . С помощью рис.1 определяется топология формирования структур МИВЭ и структура его общей части.

Проведен анализ степени взаимосвязи каналов при разовом (непериодическом) изменении тока нагрузки в одном из каналов, приводится схема модели 11ИВЭ, характеристики каналов которого приведены к первичной обмотке трансформатора инвертора. Показано, что при отсутствии стабилизаторов в каналах относительное изменение выходного напряжения J -го канала 8' , вызванное изменением тока нагрузки в L-ом канале определяется соотношением:

$

' - (I)

t_ aIhL RO

9

где - приведенное значение изменения тока нагрузки ¿-го ка, нала;

Xiij - приведенное значение тока нагрузки j -го канала;

Бо - суммарное внутреннее сопротивление функциональных элементов , структуры ЫИВЭ, общих для всех каналов;

Kaj - приведенное к первичной обмотке трансформатора инвертора con ротивление нагрузки J -го канала; ~ приведенное к первичной обмотке трансформатора инвертора суммарное внутренне'сопротивление функциональных элементов канала ЫИВЭ. ,

Численное значение ¥ пропорционально величине Но , которое определяется вариантом структуры МИВЭ.

Из литературы известно, что при изменении тока нагрузки в канале с выходным стабилизированным напряжением + 5в 4- канального ЫИВЭ фирмы Siemens от 7А до IA 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 R0 для различных вариантов структур 1ХИВЭ и величины его выходной мощности.

Рассмотрены особенности стабилизации выходных напряжений ШВЭ и показано, что выходное напряжение общей части его структуры Ов изигняется не только при изменении входного сетевого напряжения ( лОе ), но и при изменении тока нагрузки одного, из каналов ШВЭ ( и 0,, ). При возрастании сетевого напряжения и снижении тока нагрузки в одном из каналов сумиаряое относительное изменение входного капрялгния ixhалов

&Q. А^-е (2)

Uo ~ U .

возрастает, что предъявляет повышенное требование к величине коэффициента стабилизации выходных" стабилизаторов каналов, усложняет их схеуу управления, снижает устойчивость и надежность.

Рассиотрзн вариант структурной схемы ЛИЮ, содерзацкй импульсный стабилизатор постоянного напряжения Екличенный на выходе общий части его структуры. В этом случав напряжение Ue является выходным напряжением стабилизатора, а величина его выходного сопротивления

су £„ , т.е. имеет очень иалуо величину. Это позволяет выполнить требование о минимальной степени взаимосвязи каналов и снизить требования к величине коэффициента стабилизации такого стабилизатора и стабилизаторов ка выходе каналов.

Проведен сравнительный анализ КЩ одноканального и нногока-нального источника электропитания при равенстве выходных мощностей

этих источников. При таком допущении КЦД ШВЭ имеет более низкое значение, т.к. уменьшение величины выходной мощности каналов оказывает более сильное влияние на снижение КВД ШВЭ по сравнению 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 ШВЭ. Реализация программ структурной оптимизации осуществлена применительно к 3-х канальному ШВЭ с выходными напряжениями каналов +5в, +12в, -12] при дискретных значениях выходной мощности ( Рвщс = 10,50,75,100, 200, 400 и 500 вт). Произведена логическая организация исходных данных, включающая совокупности ПК, внешних условий функционирования 9 • ограничений, накладываемых на структуру 0$ и ограничений, накладываемых на показатели качества 0К.

Функциональные требования, 'предъявляемые х ШВЭ и совокупность ПК, оценивающих степень выполнения этих требований отдельными вариантами структур ЫИВЭ 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.РЭА ). Ограничения на структуру Об отражают уровень развития источников вторичного электропитания и накладываются на ШВЭ устройствами низшего и высшего уровня иерархии. Ограничения ма 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 МИВЭ получено полное множество альтернативных вариантов структур, содерващсе 157 вариантов. Используя ограничения на структуру 03 и ограничения на число элементов в структура, число контуров, уровня централизации и т.д. из полного множества выделено шокество допустимых вариантов структур ЫИВЭ Шд), содержащее 13 вариантов. Для каздого из вариантов структур, входящих в Ид рассчитаны численныа значения ПН. Формирование расчетных соотношений и расчет численных зкачаний ПК является важным этапом многоцелевой структурной оптимизации, т.к. только в случае выполнения расчета ПК каждый из вариантов структур межно представить в виде точки в многомерном пространстве ПК, а затем сформировать критерии выбора оптимального варианта структуры в виде безусловного и условного критериев предпочтения (ЕКЛ и УКП). Построены матенатическне модели

1С

для расчета численных значений ПК в виде аналитических зависимостей ПК компонентов, входящих в МИВЭ, от их характеристик и величины выходной мощности. Математические модели для расчета численных значений ПК представлены в виде суммы соответствующих ПК компонентов, входящих в МИВЭ. Из полученного множества вариантов структур Мд исключаются те структуры, которые не удовлетворяют ограничениям на ПК (0К). Оставшиеся структуры образуют множество вариантов близких к оптимальном, Из множества Ы^ выбираются варианты структур МИВЭ, которые являются оптимальными относительно безусловного критерия предпочтения (ЕКП), т.е. такие варианты в* , для которых выполняется векторное неравенство ^Г*-^-) 4 Кг.Оа^) . Когда это неравенство справедливо для всех ПК, тогда вариант является безусловно худсшы по сравнению с £.<. . Если хотя бы для одного ПК справедливо неравенство > КьС5^ , то оба варианта и

£> будут считаться нехудшими. Для выбора одного оптимального варианта структуры МИВЭ из Н^ использован условный критерий предпочтения (УКП) в виде т

К»- п кр , (3)

который рассчитывается для каждого варианта структуры МИВЭ входящего в М^. В (3) обозначено: Ке -ПК спстеш высшего уровня иерархии (РЭА)} К| численные значения ПК вариантов структур НйВЭ, входя-

щях в

- показатели степени, отражающие количественную связь ш ЫИВЭ с ПК РЭА (Кд).

Численное значение'«^ отражает степень вагкостл для РЭА одного яз свойств МИВЭ, оцениваемого соответствующим ПК.

УКП представляет прзицзп йокпрокасеа в достижении частпых целей функционирования МИВЭ.

Тот вариаыз структуры аз ияозества И^, для которого вед&чина Кв икает 1^шаиаяьноэ зиаченке является оптииальныу. С помощью программ векторной структурной опгкиазацня, реализующих указаккые вига процедура бшст выбраны оптякалышэ структурная схем» МИВЭ для каа-дого нз зггачсяий вводной иощиости. Для РЕКХ ^ 50ьт опткиальмой егруктурлой является 5<) , а для большая значеаай выходной мощности

Р > 50 вт опткиэльхая структура . На ряс. 2 пряввдегщ спта-а л

гаяъизо структуры э{1 и Эц,

Ввбор оптимального варианта структуру 2ДИВЭ проводился прз елэ-

Н

220 ь 50 гц.

B1

с<м

wen

- ut В2 исш

иг В ъ СФЗ ИДО

- из M СфА иенз

+ I2&

-12»

220в

£Г0П4 В1

СФ1

иен

ОС

em

ос

ш

В2

В5

СФ2

+5в

m

+ i2e

Рис.2

■ft

ующих допущениях для всех вариантов структур: пен ■ 50 кгц, ^ - 20 кгц, - 50 кгц, |<$ - 0,5 0,2 т - для Рвы,г ё 50 вт 0,18 т - для 50 вт < Рвых ^ 100 вт 10,15 т - для 100 вт < Рвых 4 600 вт

9,5 а/ш^ - для Рвых ^ 50 вт Г , 7,5 а/км2 - для 50 ст < Рвцх $ 100 вт & " плотность тока. . 5,7 а/шР - для 100 вт < ЕВ1Д < 600 вт

В пятом разделе приводятся процедуры выбора оптимальных значена составляющих.вектора варьируемых параметров (ВП) применительно оптимальной структурной схема ЫИВЭ.

Целью параметрической оптимизации является определение таких качений ВП, при которых обеспечивается достаточно полное доставке всех частных целей функционирования ЫИВЭ при заданной окружении. П являются такие характеристики ЫИВЭ, изменение которых оказываю? лияние на численные значения ПК ЫИВЭ и не влияют на его окружение.

ВП ЫИВЭ с выходной мощностью Рвцх ^ 50 вт оптимальная струк-ура которого приведена на рис.2 явлкотся:

- частота переключения тшшзисторов ИСН1 (на выходе каналов),

^е ¿и - частота переключения транзистора инвертора;

- магнитная индукция трансформатора инвертора; [¿з- - частота переключения транзистора ИСН (на входе всех каналов);

м - коэффициент нагрузки компонентов входящих в сос-

тав НИВЭ.

- частота переключения транзисторов стабилизирующего инвертора, ЬД - шгнитная индукция трансформатора инвертора; Ы - частота переключения транзистора ИСН, включаемого на входе

всех выходных каналов; |<н - коэффициент нагрузки компонентов входящих з

состав 11ИВЭ.

Изменения ВП осуществляются в области их допустимых значений, шрзделлеиых используеиой элементной базой и особенностями функцио-(альных элементов НИВЭ. ВП ицерт различную физическую природу и для юуществлешш с ними совместных операций они долгий быть представшим в безразмерной форме: Для ШВЭ с Рзых £ 50 вт:

Для ИИВЭ с величиной Рвых > 50 вт ВП выбраны

MMt

Ю .)., é «Ыа ; 0,164- ^ к4 4 i О^т B« 4 0£т • o,«5 i ÎKî éi .

0,(6? * œs4 i . 0,s $ KM $ 0,8 .

0,625 é о?, « i -jOitfi« 4 60; о,«* С <* \ 50 вт:

, ff.é 60 tf*', o.ifeV ^ i

0.S55 ^ «ï^ 1 , JOtTii

0,16? 4 Г . o,5 i Kii 0,8 • 0,(2.5 ( 9?,,' « L доведена оценка елмянея BQ на часхошшз значения ПК МИВЭ, обоснованы к сфорьгировакы накладываемые на них ограничения. Уточнена совокупность ПК, и состав которой возня те Ш, которые чувствительна к язызиенкяы ВП. Показано, что чясленхое оначеияе Ш К^ полученное на этапе структурной оптимизации достаточно полно чэцска-васт степень выполнения функционального требосаякя об уиенасешх степени взаимосвязи каналов в ШВЭ х включать его в совокупность ПК при параметрической оптимизации нецелесообразно.

Сформированы целевые фуикцчк (1JS) в виде аналитических зависимостей ПК ог ВП. Ц5 представлены в аддативкой форко; Для структуру

i,U> -aie Г #

JSW»*

Для МИВЭ^с PBUX >

ЬмАм

«M/A', ^kJ/KLx

moi

iwa*

K3= Ci + Сг-ЦЛ* + С^ОС Сч'ОСу1*1*.

Для структуры

К2= + oc^J }

кз= с, Ч-е^'"1 f е^"4 ♦ W»,

где Kj, Kg, К3 - показатели качества;

> - варьируемые параметры;

а, с - коэффициенты, численные значения которых зависят от типа компонентов, входящих в ИИВЭ, от физической природы ВП я от величины выходной мощности.

П - число выходных каналов.

С помощью ЦР и программ векторной параметрической оптимизации были рассчитаны численные значения ЦБ для дискретных значений BQ в пределах допустимых значений при числе шагов итерации А. * 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 ШП выделено множество нехудшнх вариантов вектора BII.

При многоцелевой оптимизации параметров ШШЭ принцип компромисса в достижении частных целей (УКП) выбран из условия максимального приближения варианта вектора ВП к идеальному* характеризующемуся нулевыми значениями Ц5:

к - -/СК<Сх)-ч1г+ СК2(Х)-0Д\

УКП при параметрической оптимизации реализован в виде среднеквадратичного отклонения от нуля значений ЦФ реальных вариантов. Выбран оптимальный вариант вектора ВП ШШЭ, которому соответствует К-КЫл

Физические значения оптимальных ВП и соответствующие им характеристики ШШЭ приведены в таблице для различных зн^тагай выходной мощности.

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

1?

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

К«Ч Е>щ, Т КГи, Кн к, кгч РпоТ , гт А** Л-КГ*, К., ем <г , •Л ЪА, ЬТ/АН1 V

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 0,986

Е»тА , к/ Р(И*, ¿■ю-', * {V, Рр.р.

Вт кГц. т КГц Ет {/час ом V. ВТ/А**

75 22,5 0,25 10 0,5 29 1.14 30 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

ктропитания, и в ряде случаев нмеот более высокие значения ха-:теристик по сразнению с зарубежными образцами. Отмечено, что оп-¡альныс УИВЭ обеспечивают высокое качество выходных напряжений -ялов по величине относительной нестабильности. В большинстве ис-дованных зарубежных и разработанных в России образцов НИВЭ не водятся данные по относительной нестабильности этих напряжений неется указание, что для обеспечения требуемой степени стабиль-.тм выходных напряжений следует использовать стабилизаторы в каж-I канале. Последнее обстоятельство увеличит габариты и снизит КВД [х образцов по сравнению с приездзиинми данными . Оптимальные МИВЭ 1ержат в своей структуре стабилизаторы на входе всех каналов и на выходе. Поэтов фактически все характеристики оптимальных ПИЮ ¡пт более высокие значения по сравнению с данными содержащимися в ■ературе, и обеспечивают высокое качество выходных напряжений и ммальную взаимосвязь между каналами, что имеет веська важное 1чение в МИВЭ при изменении тока нагрузки в его каналах.

Приложения. 3 приложениях представлены результаты расчетов ¡ленных значений 1Ж множества допустимых вариантов структур МИВЭ, ¡печатки прогреби векторной структурной и параметрической опти-

18ЦИИ МйВЭ.

Результаты работы. При выполнении диссертационной работы были 1учены следующие теоретические и практические результаты:

1. Разработаны процедуры и методы проектирования-оптимальных

5Э, которые обеспечивают достижение компромисса в выполнении про-юречивых функциональных требований.

2. Уточнен перечень функциональных требований, в который впервые ючено требование по снижению взаимосвязи каналов через внутрен-

5 сопротивление общей части НИВЭ и предложен способ оценки выпол-шя этого требования различными вариантами структур МИВЭ.

3. Предложен способ формирования базовых вариантов структур юльзупций иежэлементные связи одноканальной структуры для форми-зания требуемого числа выходных каналов Ш1ВЭ.

4. Обоснована целесообразность использования модифицированного года структурных матриц при формировании полного множества вари-гов структур ЫИВЭ из базового множества.

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

6. Обосновано, что требуемая величина коэффициента стабилизации «одных стабилизаторов ЫИВЭ всегда больше, чем у одноканальных гочников питания при одинаковом изменении входного сетевого нап-

ряжен ия\.

7'. Показано, что при одинаковой величине выходной мощности !ОТЛ штаэ ниже," чем у одноканаиьного источника питания1.

8'i Обоснован выбор варьируемых параметров НИВЭ и накладывав мых ва них ограничения-'.

91 Сформированы целевые функции МИВЭ, позволяющие оценить зависимость показателен качества МИВЭ от его варьируемых пара нет. ров1.

Ш Уточнена методика выбора оптимальных значения варьируемых параметров МИВЭ в части использования условного критерия предпочтения при нечетном множеств^ результатов параметрической оптимизации»

Полученные в ДйосертационноЯ работе результаты представлены в виде прикладных методик; которые могут быть использованы при автоматизированном проектировании МИВЭ';

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

I'i Патлых Н';Н'., Бу Харб Ж*. Анализ взаимного влияния выходных каналов в НИВЭ // обработка сигналов в системах связи: Сб^иауч^тр, учейзавед* связи // ЗйС;- СПб, 1992*. - И ЭЙ

2. Маракулин В.В., Бу Харб К1.,. Sapec А'. Использование топологических методов при векторной оптимизации структуры НИВЭ // Обработка сигналов в системах связи: Сб^науч.тр.учеб.завед.связи // ЭИЙг- СПб; 1992t - К50t

а Патлых ЙГЛ;. Подлиск И";А''.Бу Харб I; Анализ влияния различных частот переключения транзисторов инвертора и импульсного стабилизатора на основные характеристики НИВЭ!. Тезисы доклада НТК ЭИС и г. проф. И. А;.Б онч-Бру ев ича'. С.-Петербург; 1993.