автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.18, диссертация на тему:Разработка эффективных сетевых источников электропитания для кинотехники

Ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский кинофотоинститут НИКФИ

На правах рукописи УДК 621.314

РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНЫХ СЕТЕВЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ДЛЯ КИНОТЕХНИКИ

Специальность: 05.11.18 "Приборы и методы фото - и кинематографии".

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский кинофотоинститут НИКФИ

На правах рукописи УДК 621.314

ГОРЯНСКИЙ ИГОРЬ СЕМЁНОВИЧ

РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНЫХ СЕТЕВЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ДЛЯ КИНОТЕХНИКИ

Специальность: 05.11.18 "Приборы и методы фото - и кинематографии".

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Работа выполнена:

в Ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском кинофотоинституте НИКФИ.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие:

— Голиков В.Ю., кандидат технических наук, доцент кафедры промэлектроники МЭИ

— Смольников Л.Е., доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой электротехники Московской текстильной Академии.

— Назин Л.Ф., кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник НИКФИ

ВНИИ электромеханики (ВНИИЭМ).

Защита диссертации состоится в НИКФИ_января 1996г. в 14 часов на заседанш

Специализированного совета К 035.03.01.

Адрес: 125167, Москва, Ленинградский проспект, д. 47. Тел. 158-66-02.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИКФИ. Автореферат разослан с^О декабря 1995г.

Учёный секретарь Специализированного совета, кандидат технических наук, старший научный сотрудник

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одними из основных и наиболее ответственных устройств в системе кинопоказа являются сетевые источники электропитания (ИВЭП). В настоящее время кинотеатры оснащены громоздкими ИВЭП с преобразованием на частоте сети, которые используются для электропитания кинопроекционных ксеноновых-ламп, звукочитающих ламп накаливания и УНЧ. Помимо значительной материалоёмкости, традиционные ИВЭП крайне неэкономичны. Потребляя энергию в 2 и более раз превышающую потребности нагрузки, они оказывают негативнбе.влияние на параметры сильно разветвлённых городских и сельских сетей. При наличии в стране 40 тысяч киноустановок задача обновления морально устаревшего оборудования весьма актуальна, особенно д связи с необходимостью перевода производства.кинотехнического оборудования из ближнего зарубежья на российские предприятия. '

Повышение эффективности средств электропитания связано с применением импульсных ИВЭП (с бестрансформаторным входом),' которые обладают более высоким КПД, на порядок лучшими массогабаритными показателями. Несмотря на повышенное помехоизлучение и большую стоимость, применение импульсных ИВЭП в целом экономически оправдано. Это подтверждает мировой опыт в диапазоне малых мощностей (до 0.5кВт) импульсные ИВЭП устойчиво доминируют в общем объёме производства. В кинотехнике в основном используются ИВЭП средней мощности, поэтому переход на повышенные частоты преобразования происходит весьма медленно, что связано с трудностями по обеспечению надёжной работы силовых ключей при больших коммутируемых токах. Возможно выполнение ИВЭП в виде многомодульного устройства, но при этом сложность и стоимость ИВЭП многократно возрастают, тогда как удалённое расположение большинства киноустановок от централизованной ремонтной базы обязывает иметь в эксплуатации максимально простое и надёжное устройство. Важнейшим требованием ИВЭП для кинотехники является электромагнитная совместимость с другими устройствами кинопоказа. По этим причинам в диапазоне 0.5-7кВт большинство зарубежных компаний продолжает выпуск громоздких ИВЭП с трансформаторным входом. 4

Таким образом, задача поиска эффективных технических решений, \ 'правленных на упрощение, повышение мощности, надёжности и экономичности имк ""ьсных ЙВЭП, при обеспечении и электромагнитной совместимости с другими устроК ми кинопоказа, является весьма актуальной.

Цель работы. Целью диссертационной работы являются исследования в области усовершенствования сетевых импульсных ИВЭП для кинотехники.

Для достижения поставленной цели потребовалось выполнить следующее:

— на основании анализа современных тенденций в области сетевых ИВЭП установить круг задач, подлежащих решению;

— исследовать оптимальные топологии силовой части и схемы управления ИВЭП, удовлетворяющие кинотехническим требованиям;

— исследовать оптимальные режимы управления силовыми биполярными транзисторами (БТ) и на этой основе разработать практические варианты силовых транзисторных ключей (СТК);

— исследовать способы ослабления высокочастотных пульсаций в ИВЭП;

— исследовать вопросы повышения коэффициента мощности ИВЭП;

— на основе предложенных технических решений разработать и внедрить ИВЭП для кинотехники.

Основные положения, выносимые на защиту. Выполненные в диссертационной работе теоретические и экспериментальные исследования позволили вынести на защиту следующие основные положения и новые технические решения:

— способ пропорционально-зарядового управления, отличающийся предельным повышением быстродействия и надёжности силовых БТ при коммутации;

— способ стабилизации мощности для ксеноновых ламп, отличающийся отсутствием дорогостоящих аналоговых перемножителей сигналов;

— методику расчёта входного ЬС-фильтра ИВЭП по заданному значению коэффициента мощности;

— методику сравнительной оценки эффективности компенсационных и Г-образ-ных ЬС-фильтров;

— новую группу магнитно-связанных однотактных преобразователей напряжения (ОПН), отличающихся от известных минимальными габаритами.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— на основе анализа переходных процессов в структуре БТ теоретически обоснован и экспериментально опробован пропорционально-зарядовый способ управления;

— выполнен сравнительный анализ пассивного и компенсационного фильтров, ограничена область их применения;

— установлено, что для обеспечения компенсации пульсаций в заданной ветви магнитно-связанных преобразователей напряжения, условие равенства коэффициентов

трансформации и магнитной связи для его обмоток является недостаточным, сформулировано второе необходимое условие;

— проведён анализ входного LC-фильтра ИВЭП в режиме прерывистых токов дросселя, позволяющий оптимизировать входной фильтр по заданному коэффициенту мощности;

— разработан новый способ стабилизации мощности для нагрузок с ограниченным диапазоном изменения выходного параметра.

Практическая ценность работы заключается в том, что:

— разработаны практические варианты реализации силовых транзисторных ключей с пропорционально-зарядовым способом управления;

— разработаны машинно-ориентированные методики расчёта параметров ряда одно- и двухтактных ПНН-преобразователей с выходом на постоянном и переменном токе для ИВЭП ксеноновых, звукочитающих ламп и УНЧ;

— разработан двухполюсный ограничитель выброса напряжения на силовом ключе с рекуперацией энергии в нагрузку для однотактных преобразователей напряжения (ОПН);

— разработана новая группа магнитно-связанных ОПН с компенсацией пульсаций входного и выходного токов;

— разработан простой способ стабилизации мощности ксеноновых ламп, не тре-эующий перемножения сигналов;

— разработана инженерная методика расчёта параметров входного LC-филыра ЛВЭП по мощности нагрузки и заданному коэффициенту мощности;

— получено выражение для определения толщины зазора дросселя с разрезным <агнитопроводом, позволяющее в несколько раз уменьшить погрешность расчёта.

Методы анализа. При решении поставленных задач использовались аналитиче-кие методы, принятые в электротехнике и теории электрических цепей. Анализ элек-рических процессов в ИВЭП производился кусочно-припасовочным методом. Расчёты существлялись на ЭВМ с помощью программы Maple V5 for Windows. На всех этапах «следований производилась экспериментальная проверка теоретических результатов.

Внедрение работы. Результаты диссертационной работы были использованы при азработке ряда ИВЭП со стабилизацией мощности для ксеноновых ламп, ИВЭП для вукочитающей лампы и ИВЭП для УНЧ передвижного комплекса звуковоспроимеде-ия (КЗВП). Все ИВЭП выполнены на базе ПНН-преобразователей с пропорциональ-о-зарядовым управлением. Акты внедрения имеются. (

Связь с отраслевыми научно-исследовательскими программами. Диссертационная работа выполнялась в соответствии с отраслевыми планами НИОКР Комитета по кинематографии на 1991-1995гг.:

1) тема 03.08.22 "Разработка усилителя новой линейки передвижных комплексов звуковоспроизведения" ;

2) тема 03.08.34 "Разработка устройств электропитания ксеноновых и звукочита-ющих ламп кинопроекторов".

В указанных работах автор диссертации является разработчиком ИВЭП.

Апробация работы. Отдельные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Всесоюзной конференции "Источники питания с высокими технико-экономическими показателями, как средство совершенствования современных электротехнологических установок" (Москва, 1983); V Московской городской конференции молодых учёных и специалистов "Повышение надёжности, экономичности и мощности энергетического, электротехнического и радиоэлектронного оборудования" (Москва, 1983); IX юбилейной научно-практической конференции УПИ (Свердловск, 1990), на кафедре Промышленной электроники МЭИ (1995).

Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 29 печатных работах, в их числе 14 авторских свидетельств и 2 патента на изобретения.

Объём и структура работы. Диссертационная работа изложена на 121 страницах, из них 85 страниц основного текста, 11 таблиц, 33 рисунхов и состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы, включающего 109 наименований и приложения, содержащего практические схемы ИВЭП и акты внедрения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследований, приведены основные положения, выносимые на защиту.

Глава I. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ СЕТЕВЫХ ИВЭП.

Рассмотрены особенности применения ИВЭП в кинотехнике, выделены основные проблемы, возникающие при проектировании ИЮП с питанием от промышленной сети, проанализирован опыт, достигнутый в этой области. На основании сравни тельного анализа современных полупроводниковых структур, способов управленю ими, топологий силовой части и конструктивно-технологических особенностей, связан ных с обеспечением высоких удельных показателей ИЮП, ограничен круг проблем составляющих предмет исследования, сформулированы цели настоящей работы.

1.1. Переход от ИВЭП с трансформаторным входом к импульсным позволяет на 10-50% повысить КПД и на порядок улучшить удельные характеристики средств электропитания.

ИВЭП, используемые в кинотехнике, работают от сильно разветвлённых сетей с низким качеством напряжения, поэтому они должны обладать устойчивостью к резким изменениям последнего и иметь высокие значения коэффициента мощности.

Напряжение холостого хода в ИВЭП для кинопроекционных ксеноновых ламп должно превышать номинальное в 4-7 раз (подпитка). Стадия подпитки (перехода к номинальному режиму) продолжается 0.15-0.2с, и для предотвращения погасания лампы, ток на выходе ИВЭП должен нарастать за время не более 0.2мс, а его провалы в переходный период не должны превышать 50% от номинального значения. Это вынуждает вводить в схему ИВЭП специальные вольтодобавочные цепи. Из-за воздействия электромагнитных полей от высоковольтного разряда (15-30кВ) в лампе при зажигании, цепи управления ИВЭП должны обладать высокой помехозащищённостью. Недооценка этого обстоятельства стала одной из причин отказов тиристорных резонансных ИВЭП Самаркандского завода КИНАП.

Традиционно ИВЭП для кинопроекционных ламп выполняются по схеме стаби-иизаторов тока. Для обеспечения допустимой мощности в лампе, которая имеет малую перегрузочную способность (<10%), при эксплуатации требуется повышенное внимание обслуживающего персонала, а наличие измерительных приборов увеличивает стоимость киноустановки и эксплуатационные расходы, связанные с метрологическим эбеспечением. Эти недостатки преодолеваются путём стабилизации мощности в лампе, эднако стоимость аналоговых перемножителей настолько высока (КМ525ПСЗ, 35$), что этот способ не получил широкого распространения.

Весьма сложна проблема создания импульсных ИВЭП для УНЧ и звукочитаю-[цих ламп, вызванная прониканием высокочастотных пульсаций и излучаемых помех в усилительный тракт, что требует принятия мер по их минимизации. Вопросы электромагнитной совместимости не позволяют сделать однозначный выбор в пользу решения з питании звукочитающей лампы высокочастотным переменным током, которое привлекает возможностью получения существенного выигрыша в габаритах, КПД и стои-иости ИВЭП за счёт исключения выходного выпрямителя и фильтра.

1.2. Структурно импульсный сетевой ИВЭП содержит входной помехоподав-1яющий фильтр, выпрямитель с низкочастотным фильтром, преобразователь напряже-1ия (ПН) и выходной выпрямитель с высокочастотным фильтром.

Входная часть ИВЭП практически не поддаётся миниатюризации, поэтому повышение рабочей частоты ПН с 20-40кГц на порядок даёт выигрыш в объёме ИВЭП на 20-50%. Наличие устройства подпитки в составе ИВЭП для ксеноновых ламп уменьшает возможный выигрыш в объёме для этого класса ИВЭП ещё в 1.5-2 раза. По существу, миниатюризация ИВЭП сводится к миниатюризации ПН. С ростом частоты размеры реактивностей уменьшаются, и при частотах в диапазоне МГц уже физические размеры теплоотводов и прочих элементов ПН обуславливают его габариты. Предельная интеграция схемы управления ПН достигается при использовании "разумных" интегральных схем и гибридных технологий. Из условия отсутствия ограничений со стороны габаритов элементов, в работе получено выражение для предельно достижимого значения объёмной удельной мощности прямоугольного ПН с относительными размерами 1:а:Ь (пригодное также для оценки объём? ---- ----------

где ks — коэффициент разветвления на______________ __

ружной поверхности, кратный её возрастанию вследствие оребрения. Увеличение среднего коэффициента теплоотдачи (ат) связано с введением устройств принудительного охлаждения, что не всегда приемлемо из-за ухудшения суммарных удельных показателей ИВЭП. Повышение значения перегрева полупроводникового кристалла относительно окружающей среды (ATS0) связано с применением новых высокотемпературных элементов. Например, структуры на основе арсенида галлия допускают вдвое большее значение перегрева, чем кремниевые, что при достаточной нагревостойкости компонентов ПН приводит почти к троекратному уменьшению его габаритов. Уменьшение значения теплового сопротивления "полупроводниковый кристалл"-"корпус ПН" (RT) достигается использованием технологии поверхностного монтажа и заливки внутреннего объёма ПН теплопроводящими компаундами. Сегодня для ПН достигнуто максимальное значение \У^2.2кВт/дм3 (VICOR, США). Перечисленные выше меры для кинотехники являются малопривлекательными, поскольку увеличивают стоимость и ухудшают ремонтопригодность импульсных ИВЭП ценой незначительного уменьшения габаритов (15-50%). Главным резервом повышения удельной мощности ИВЭП является КПД, поскольку его увеличение с 75% до 90% сопровождается, согласно полученному выражению, пятикратным уменьшением объёма теплоотводов ПН. Основными источниками потерь мощности в импульсных ИВЭП являются выпрямительные диоды и силовые транзисторы. В ИВЭП с низким выходным напряжением потери мощности в вы-

теплоотводов в реальных ПН): -»

трямителе могут достигать 40% от суммарного значения. Их минимизация связана с 1рименением синхронных выпрямителей и диодов Шоттки. Однако из-за низкого бло-сируемого напряжения такое решение не всегда приемлемо, в том числе для ИВЭП ксе-юновых ламп.

1.3. Коммутационные потери в транзисторе состоят из потерь на включение ' АР 1-Сг-ик2/2), обусловленных разрядом паразитных ёмкостей транзистора и обмот-:и силового трансформатора (СР=0.5-1нФ), и потерь, определяемых динамикой вы-лючения транзистора (ЛР2 =/-1К- 1!К-Л//б). Например, в классическом сетевом ОПН с ииротно-импульсным управлением при тактовой частоте /0=20кГц, коммутируемом оке 1К=2А и длительности спада Д1=1мкс коммутационные потери весьма велики — \PjS3Bm и ЛР2^4Вт. Для минимизации ЛР2, применяют цепи формирования траекто-ии выключения, основанные на ёмкостном затягивании фронта напряжения, которые асто сами (например, ИСБ) создают дополнительные потери мощности АР,=/С-и^/2). Источниками потерь могут служить и цепи, вводимые для ограниче-ия паразитного всплеска напряжения, вызванного индуктивностью рассеяния силово-э трансформатора (ЛР4=/-Ь5-1к2/2).

Этих недостатков лишено большинство квазирезонансных преобразователей с ереключением ключей при нулевом напряжении (ПНН), в которых потери на включе-не отсутствуют, а благоприятная траектория выключения силовых транзисторов моет быть обеспечена путём искусственного увеличения паразитной ёмкости с помощью авесного конденсатора. Поскольку уровень коммутационных потерь и интенсивность эмехообразования прямо зависят от перепадов тока и напряжения на интервалах ком-утации, ПНН-преобразователи по этим показателям являются лучшими из известных, аким образом, применение ПНН-преобразователей в кинотехнике весьма перспектив-э, в особенности в виде схемотехнически наиболее простых автогенераторных ПН.

Серьёзную проблему представляет защита от проникновения высокочастотных г'льсаций в питающую сеть и нагрузку ИВЭП, что требует решения вопросов их эф-гктивного ослабления.

Без специальной коррекции потребляемый из сети ток ИВЭП с входным ёмкостям фильтром имеет форму узких импульсов большой амплитуды, следующих с часто->й сети, а коэффициент мощности сетевых ИВЭП может недопустимо снижаться (до 3) благодаря резонансным явлениям в собственной индуктивности сети (~1мГн). Это ¡стоятельство крайне неблагоприятно сказывается не только на энергетических пока-

зателях сетей, но и на потребителях, чувствительных к проникающим из сети помехам.

1.4. Идеальный полупроводниковый ключ для ПН должен обладать минимал! ной мощностью управления, максимальным быстродействием, широкой область] безопасных режимов (ОБР) и минимальным остаточным напряжением. По своим пар! метрам МДП-транзисторы наиболее близки к идеальному ключу, благодаря чему н западном рынке появились квазирезонансные ПН, работающие в диапазоне Мг (VICOR). Однако в силу низкой рабочей плотности тока МДП-структур, мощность т; ких ПН ограничена диапазоном 100-200Вт.

Блокирующая способность любой высоковольтной полупроводниковой стру] туры определяется толщиной высокоомного «"-слоя, сопротивление которого для кре» ниевых приборов определяется известным выражением: R„äcn-Unpa62/Sn. Для совреме1 ных высоковольтных биполярных транзисторов это значение составляет 3-10 Ом. Бл годаря модуляции п-слоя неосновными носителями, по допустимой плотности toi биполярный транзистор (БТ) в десятки раз превосходит МДПТ и наиболее пригоде для диапазона средних мощностей. Его недостатками являются значительная мощносп управления и худшее быстродействие. Кроме того, из-за неодномерных эффектов вну ри структуры, высоковольтный БТ крайне критичен к режиму запиранимя. Так, напр: мер, при малых запирающих токах базы (J62<0.5-I}c) — велико время демодуляции; п; оптимальном токе с точки зрения быстродействия (162^0.5-1к) — крайне узка ОБР; nj максимальном токе базы (1б2Мк, с размыканием эмиттера) — велика длительность cnaj коллекторного тока. Несколько лучшими свойствами обладает биполярный транзистс со статической индукцией (БСИТ). В отличие от БТ, он имеет двухслойную структуру при малых отпирающих смещениях является униполярным прибором. В номинальн! режимах физика процессов в БСИТ и БТ идентична, но, благодаря большей степе] внутриструктурной дискретизации, БСИТ отличаются более широкой ОБР и лучин быстродействием. Значительная инерционность диффузионного механизма накоплен: и последующей экстракции заряда из высокоомной области коллектора является исто ником дополнительных потерь мощности и пониженного быстродействия силовых I (БСИТ) по сравнению с МДПТ. Таким образом, актуальна задача оптимизации реж мов управления БТ (БСИТ), при которых его свойства приближаются к идеально] ключу.

Глава 2. ТРАНЗИСТОРНЫЕ КЛЮЧИ СЕТЕВЫХ ИВЭП.

Вторая глава посвящена анализу физических процессов в силовых БТ, опреде;

нию оптимальных режимов управления ими и разработке на этой основе эффективных вариантов практической реализации силовых транзисторных ключей (СТК) применительно к ПНН-преобразователям.

1.1. Для повышения быстродействия БТ и снижения потерь мощности важно ускорить как процесс аккумуляции, так и последующей экстракции избыточных носителей. В работе получено значение эффективного времени жизни носителей, которое позволяет повысить точность расчёта переходных режимов в БТ по зарядовой модели: ->

Особенностью ПНН-преобразователей является наличие инверсного тока, предшествующего прямому току БТ на интервале проводимости. Обеспечив замыкание инверсного тока в цепь базы, потери на этапе установления прямого напряжения удаётся уменьшить в 5-10 раз, а схему ПН упростить, исключив высоковольтные возвратные диоды.

В СТК с размыканием эмиттера опережающее запирание коллекторного перехода, при наличии избыточного заряда подвижных носителей в коллекторной области, вызывает появление участка рекомбинационного спада тока с постоянной времени трЭФФ, который является основным источником коммутационных потерь при выключении БТ. Для 1^сопб1 в работе определены значения постоянного запирающего тока базы и крутизны линейно спадающего тока базы, полученные из условия минимизации длительностей интервала демодуляции и спада тока при выключении БТ.

В результате выполненного анализа предложен способ пропорционально-зарядового управления силовыми БТ. Его сущность заключается в управлении током эмиттера, который по сигналу датчика, контролирующего выход БТ из насыщения (ДВН), прерывается [7]. В отличие от режима размыкания эмиттера насыщенного БТ, такой способ управления характеризуется предельно малой скоростью спада тока (соизмеримой с МДПТ), во много раз меньшими потерями мощности, предельно широкой ОБР и самозащищённостью ключа от перегрузок по току. Измеренная при выключении насыщенного БТ (1К-4А, ) энергия потерь на выключение составила 450мхДж, а

при пропорционально-зарядовом управлении — в 7 раз меньше. Время спада тока составило (по уровню 0.9-0.1) соответственно 1.1мкс и 0.12мкс (рис. 2), что доказывает высокую эффективность предложенного способа управления.

ТрЭФФ — -1

^ У

Рис. 2. Осциллограммы различных режимов запирания транзистора КТ828.

Рис. 3. Пример СТК с пропорционально-зарядовым управлением.

2.2. В работе рассмотрены особенности практической реализации силовых кто чей (СТК) с пропорционально-зарядовым управлением при различных вариантах ком мутации эмиттера: диодной [2], лавинной, транзисторной (рис. 3), индуктивной [6,20] Их отличает: 1) высокая надёжность, которая обеспечивается как за счёт предельноп расширения ОБР, так и благодаря самозащищённости от перегрузок, обусловленно] слежением за выходом силового БТ из насыщения; 2) высокая помехозащищённость благодаря отсутствию в схеме чувствительных пороговых элементов; 3) высокое бысп родействие за счёт исключения рекомбинационного затягивания спада коллекторног тока; 4) минимальные потери мощности в цепи управления при использовании МДПТ качестве размыкателя эмиттера; 5) минимальные потери мощности на этапе установл: ния прямого напряжения в силовых БТ за счёт инверсной модуляции коллекторной о£ ласти; 6) схемотехническая простота.

Глава 3. СЕТЕВЫЕ ПНН-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ.

В третьей главе приведена классификация ПНН-преобразователей, проанализированы основные модификации и ограничены области их применения в кинотехнике, разработаны машинно-ориентированные методики расчёта. Рассмотрены методы подавления пульсаций на входе и выходе ПН, способы устранения паразитного выброса напряжения на СТК однотактных ПН. Даны рекомендации по расширению рабочего диапазона ПНН-преобразователей по току нагрузки. Разработана схема управления со стабилизацией мощности ксеноновых ламп.

3.1. При разработке ИВЭП для передвижного комплекса звуковоспроизведения (КЗВП) мощностью 75Вт в качестве ПН был использован однотактный ПНН-преобразователь с квазипрямоугольной формой коммутируемого напряжения, поскольку от других модификаций его отличает способность работы на XX.

В работе получены универсальные аналитические выражения, позволяющие рассчитать параметры ОПН и базовых регуляторов этого типа независимо от топологии. Поскольку индуктивность силового трансформатора ОПН является элементом колебательного контура, её значение (¿о) определяется из условия обеспечения заданной частоты преобразования. При этом модуляция пульсаций тока Ьо близка к 100%-ной (рис. 4), как и в базовых импульсных ПНН-регуляторах. Недостатком ОПН является паразитный всплеск коллекторного напряжения, вызванный индуктивностью Ьэ, для устранения которого разработан оригинальный ограничитель напряжения с рекуперацией энергии в нагрузку ПН (рис. 4). При расчётном значении индуктивности Ы^).78Ь5-АиБЭ/Ли5 погрешность амплитуды выброса в диапазоне Аи~<50В не превышала 20%. Предложенное устройство отличается от известных тем, что запирание вспомогательного ключа УТ1 происходит при низком коллекторном напряжении (Л(/8)

и завершается до отпирания силового БТ, чем исключается опасность сквозных токов.

Критичность УНЧ к пульсациям по а) , , Ь) Ьо

шинам питания потребовала исследования вопроса их эффективного подавления Известным условием теоретически полного устранения пульсаций на выходе компенсационного фильтра (КФ) является Рис- Фильтры ИВЭП. обеспечение равенства коэффициентов магнитной связи (к) и трансформации (п) для выходной обмотки (\ур) дросселя (рис. 5Ь). Этому условию соответствуют следующие значения индуктивностей: ЬК=^-( 1-Ыр) ■(2-ж-/0)~2, Ь0=Ьк^р1-[Ьк+Ь^-( 1-Ыр)2 ] где Мр=м/и>, Ь/л — индуктивность суммарной обмотки дросселя \г=мр+мг В работе выполнено сравнение пассивного (Рис. 5а) и компенсационного фильтров при равных значениях рабочих элементов. Для оценки границ их применимости получено выражение: где Ккф, Кпф — коэффициенты ослабления пульсаций, г— паразитное сопротивление дросселя. Анализ показал, что КФ менее эффективен для гармоник с частотой выше критической, значение которой, определённое из условия Ккф=Кпф, хорошо согласуется с экспериментом (рис. 6).

В работе показано, что, несмотря на соблюдение тождества к=п, компенсация пульсаций в магнитно-связанных преобразователях напряжения наблюдается не всегда, а только в случае отсутствия разветвления на выходе обмотки в эквивалентной схеме замещения ПН. При наличии N ветвей, подключенных к выходной обмотке (уу,), — компенсация пульсаций в каждой из них достигается введением дополнительных дросселей в любые N-1 ветвей. С учётом этого условия разработана новая группа ОПН (рис.7), отличающаяся от известных минимальными габаритами индуктивных элементов [29].

Поскольку автогенераторные ПНН-преобразователи имеют широкий диапазон рабочих частот (КЗВП: 25-60кГц), магнитно-связанные ПН и однозвенные КФ целесообразно применять при наличии в кривой фильтруемого тока явно выраженной основной гармоники стабильной частоты. Это имеет место в ПНН-преобразователях с

ин . и" ® ^Сфо О

х

к,

/о2

Рис. 6. Характеристики фильтров.

Плмч1 W1p

31й

У'Н 40

ШИМ, которые реализуются на базе псевдодвухтактных ОПН при искусственном увеличении индуктивности Ьэ силового трансформатора [3].

3.2.Исследован новый однотактный ПНН-преобразователь с квази-синусоидалыюй формой с) коммутируемого напряжения (рис.8), отличающийся непрерывной передачей тока в нагрузку [8]. По сравнению с ПН п.3.1, этот ПНН-преобразова- Рис. 7. Новая группа магнитно-связанных ОПН.

тель (а также другие, рассматриваемые ниже) работоспособен при КЗ в нагрузке, но имеет ограниченный снизу диапазон изменения тока нагрузки, что объясняется необходимостью накопления в индуктивности Ьэ достаточной энергии для перезаряда контурного конденсатора Со (обеспечения ненулевого инверсного тока).

В работе получены уравнения, описывающие работу ПН на различных интервалах времени.

О Мг1э»4 15 1а »7

Рис. 8. ПНН-преобразователь с квазисинусоидальной формой напряжения

Если ТУ выполненять на тороидальном сердечнике, то заданное значения контурной индуктивности (Ь0=1^8) можно обеспечить с помощью дополнительного магни-топровода с калиброванным зазором (Л), интегрированного в силовой трансформатор. Для феррита М2000НМ в работе получено выражение, которое в несколько раз уменьшает погрешность расчёта толщины зазора: Ь0=( 1+6-Л2/5с) -щ-¿'с2/А.

При известных элементах схемы расчёт электрических режимов ПН производят на ЭВМ итерационным методом до совпадения значений токов и напряжений на краях периода. Определение значений Ь0 и С0 производится следующим образом. Вначале при допущении С0—0 определяют Ь0 для номинального режима, затем для максимального входного напряжения и минимальной мощности в нагрузке определяют значение Сд, соответствующее нулевому инверсному току. Далее корректируют значение для номинального режима и повторяют итерационный процесс до тех пор, пока рабочая частота в номинальном режиме не удовлетворит заданной погрешности.

Недостатками ПНН-преобразователей с кваэмсинусоидальным коммутируемым напряжением является прямая зависимость его амплитуды от тока нагрузки и "старт-стопный" режим работы при XX в нагрузке, что затрудняет их применение в кинотехнике. Расширить диапазон тока нагрузки можно подключением балластного конденсатора к выходным обмоткам силового трансформатора: Ограничить амплитуду коммутируемого напряжения можно введением цепи \Уз-\Т)3. Однако эти меры сопровождаются возрастанием амплитуды коммутируемого тока.

а)

1'н

с) X . X

Рис. 9. ПНН-преобразователь для ксеионовых ламп. 3.3. Для ксеноновых ламп наиболее пригоден мостовой ПНН-преобразователь с квазипрямоугольной формой коммутируемого напряжения (рис. 9). Это объясняется тем, что помимо общих для ПНН-преобразователей преимуществ он: 1) обладает по-

вышенным напряжением холостого хода; 2) имеет наибольший среди ПНН-преобразо-вателей коэффициент использования СТК по току и наименьшее коммутируемое напряжение; 3) характеризуется плавным спадом тока выпрямительных диодов, что снижает потери мощности и помехоизлучение на этапе их восстановления.

С целью расширения области применения настоящего ПН рассмотрены способы обеспечения его работы при малых токах нагрузки, простейшим из которых является введение дросселя насыщения последовательно с Ъ>.

Для минимизации габаритов ПН целесообразно Ьо и ТУ выполнять в виде интегрированного магнитного элемента, по аналогии с п. 3.2.

В работе получены выражения, необходимые для расчёта ПН по методике п. 3.2.

3.4. На примере /С^ ^ двухтактного ПНН-преобразователя с выходом на переменном токе (рис. 10) исследована возможность питания звукочитающей лампы квазисинусоидальным током. Оценена погрешность светового потока при выборе в качестве стабилизируемого параметра средневыпрямленного тока нагрузки, которая не превышает 1% и снижается с увеличением ёмкости С0. Исследования показали, что устройство обладает электромагнитной совместимостью с помехочувствителыгой фотосчитывающей цепью. Исключение выходного выпрямителя с фильтром позволили повысить КПД на 10% и заметно уменьшить стоимость и габариты ИВЭП.

В работе получены выражения, необходимые для расчёта ПН по методике п.3.2.

3.5. Разработан новый способ стабилизации мощности нагрузки для ксеноновых ламп, который заключается в линейной аппроксимации гиперболической нагрузочной характеристики [27, 28]. При этом исключается необходимость применения дорогостоящих аналоговых перемножителей сигналов, поскольку операция умножения сигналов заменяется их сложением. Дана методика выбора элементов практической схемы управления ИВЭП. Расчётная погрешность стабилизации мощности в нагрузке при предложенном способе стабилизации равна: —>

Рис. 10. ПНН-преобразователь для звукочитающих ламп.

(^Нши

, В практической схеме ИВЭП ксеноновой лампы ДКСШ-200 (Ин— 16.5В-21В) нестабильности мощности при изменении выходного напряжения не превышала 1%.

Глава 4. КОЭФФИЦИЕНТ МОЩНОСТИ СЕТЕВЫХ ИВЭП.

В четвёртой главе разработана инженерная методика расчёта параметров входного ЬС-фильтра ИВЭП по мощности нагрузки, позволяющая также выбрать элементы входного фильтра ИВЭП по заданному коэффициенту мощности (Я). Выполнен срав-■ нительный расчёт параметров фильтра при различных вариантах эквивалентной нагрузки.

4.1. Известны методики, позволяющие по номограммам рассчитать входной Г-образный ЬС-фильтр ИВЭП и при прерывистом токе дросселя, однако они имеют два существенных недостатка. Во-первых, многочисленные номограммы с формальными коэффициентами не наглядны и не дают качественного представления о характере влияния индуктивности дросселя на основные характеристики фильтра. Во-вторых, нагрузка эквивалентируется источником тока, что при мягкой внешней характеристике фильтра исключает возможность однозначного определения точного значения тока нагрузки по известной мощности. Это обстоятельство существенно затрудняет расчёт, который выполняется методом последовательных приближений и не поддаётся автоматизации. Кроме того, ни в одной из известных методик коэффициент мощности не оценивается.

В работе выполнен анализ входного фильтра ИВЭП с нагрузкой в виде потребителя постоянной мощности (Р0) для двух вариантов подключения дросселя: до выпрямителя и после выпрямителя. Ёмкость конденсатора входного фильтра (С0) полагалась бесконечной. Для режима непрерывного тока дросселя полунены решения в аналитическом виде. Расчёт для режима прерывистых токов дросселя осуществлялся на ЭВМ численным методом. В итоге получены обобщённые графические зависимости, позволяющие по известному значению индуктивности дросселя (Х0,) определить для ИВЭП коэффициент мощности (Л), амплитуду тока дросселя (1млх), среднее напряжение (и0) и удвоенный размах пульсаций (Дис) на конденсаторе фильтра, либо решить обратную задачу: определить Ь0 по заданному значению Я.

При Ь0<ЬГР=0.0836-Е02/а>-Р0 дроссель работает в режиме прерывистых токов и его подключения в цепь переменного или выпрямленного тока равноценны. Однако для минимизации кондуктивных помех первый вариант предпочтительнее. 4.2. Метод ёмкостной компенсации фазового сдвига между током и напряжением ши-

роко используется в энергетике для снижения потребляемой реактивной мощности. Однако анализ его применимости к случаям сильно искажённого тока, имеющим место в сетевых ИВЭП, и методика выбора параметров компенсирующей цепи отсутствовала. Как показал анализ п. 4.1, в режиме прерывистых токов коэффициент мощности имеет максимум 763, наличие которого объясняется увеличением индуктивного импе-

данса ИВЭП с ростом индуктивности дросселя. Путём ёмкостной компенсации возможно значительное повышение коэффициента мощности (рис. 11). Отметим, что в ряде случаев специально вводить конденсатор не требуется, поскольку его роль могут выполнять другие элементы схемы ИВЭП, в частности конденсаторы помехоподавля-ющего фильтра и ёмкостного токоограничитедя в цепи питания схемы управления. Для расчёта компенсирующего конденсатора в работе получено следующее выражение:

Ск~ 0.414 + 1.07

ЪГ1

со-Е1

02 0.4 О.в 0.8

Рис. 11. Коррекция коэффициента мощности ИВЭП.

Ёмкостная компенсация позволяет при Ь0~ЬГР (дроссель в режиме прерывистого тока) обеспечить предельное значение А=0.9, соответствующее практически нереализуемому случаю Ь0=оо (Ск=0). Выбор Ь0 по заданному коэффициенту мощности следует производить для минимальной нагрузки при максимальном напряжении сети (Ед=^2-242В), тогда в других режимах значение X будет обеспечено с запасом.

4.4. С целью проверки методической погрешности предыдущих вычислений был выполнен уточняющий расчёт электрических параметров фильтра с нагрузкой в виде потребителя постоянной мощности (Р0) при конечных значениях ёмкости фильтрующего конденсатора (С0) и омического сопротивления дросселя (г). Одновременно оценивалась погрешность расчёта при замене нагрузки эквивалентными по мощности омическим сопротивлением (Я0) и потребителем постоянного тока (10).

Расчёт заключался в численном решении на ЭВМ системы дифференциальных уравнений второго порядка и выполнялся для ИВЭП ксеноновой лампы ДКСШ-200: Ра=235Вт, Ь0-12мГн, С0=200мкФ. В результате установлено, что характер нагрузки практически не отражается на точности результатов (в нашем случае погрешность не

превышала 0.25%).

В таблице приведены сравнительные результаты, полученные по методике п. 4.1 и при уточняющем расчёте. Допущения г=0 и С0=оо привели к погрешности и Л1/с в пределах 3%, что доказывает пригодность представленной методики для инженерной практики. Уточнённое значение X (г=0) оказывается несколько ниже расчётного, однако в практическом ИВЭП эта разница частично или полностью компенсируется паразитным сопротивлением дросселя, поскольку наличие потерь в фильтре приводит к увеличению коэффициента мощности. Завышенной оказывается и величина Ск, что в реальном ИВЭП обеспечивает получение X с некоторым запасом- Результаты уточняющего расчёта подтверждены в экспериментальном ИВЭП, где значение Х—0.70 было получено без введения в схему специального компенсирующего конденсатора.

В ПРИЛОЖЕНИИ приведены практические схемы сетевых ИВЭП, разработанные на основе результатов настоящей работы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1.На основе анализа современных топологий ПН установлено, что наибольшую перспективу в кинотехнике имеют автогенераторные квазирезонансные ПНН-преобра-зователи. Их отличительными особенностями являются предельная простота, минимальные коммутационные потери и электромагнитные помехи.

2. Главным фактором увеличения удельной мощности ИВЭП в кинотехнике является повышение КПД. При этом наибольший выигрыш от снижения коммутационных потерь достигается в ПНН-преобразователях при использовании СТК с пропорционально-зарядовым управлением.

3. Сравнительный анализ методов фильтрации пульсаций тока на выходе ИВЭП показал, что применение компенсационных фильтров в автогенераторных ПНН-преобразователях нецелесообразно из-за резкой чувствительности коэффициента передачи КФ к изменению тактовой частоты.

4. Установлено, что для обеспечения подавления пульсаций тока в заданной ветви магнитно-связанного преобразователя напряжения условие равенства коэффициентов трансформации и магнитной связи к=п является недостаточным. С учётом сформулированного в работе второго необходимого условия разработана новая группа маг-

Е,„(В) Допущения г=0,С0=оо г=0 г=2.5 Ом

187 Ь,лу(А) -4.09 4.26 4.20

187 Лиг(В) 31.43 31.37 31.66

242 Я(Ск=0) 0.683 0.679 0.694

242 X 0.700 0.690 0.702

(Ск, мкФ) (4.17) (3.20) (2.85)

нитно-связанных ОПН, отличающихся от известных минимальными габаритами. При использовании таких схем в качестве ПНН-преобразователей с ШИМ возможно понижение пульсации выходного и (или) выходного тока в 10-15 раз по сравнению с классическими ОПН, что наиболее перспективно для реализации электропитания УНЧ.

5. В результате анализа различных модификаций ПНН-преобразователей разработаны машинно-ориентированные методики их расчёта, рассмотрены методы расширения рабочего диапазона тока нагрузки, которые могут быть использованы при разработке не только сетевых ИВЭП, но и ключевых УНЧ.

6. На основании исследования электромагнитной совместимости экспериментально доказана эффективность использования ПНН-преобразователя с квазисинусоидальным выходным током для питания звукочитающих ламп.

7. Разработанный способ стабилизации мощности ксеноновых ламп позволяет обеспечить низкие значения нестабильности мощности (±1%) при изменении напряжения нагрузки в ограниченном диапазоне (±15%), что подтверждено практическими испытаниями. Предложенное решение может быть использовано для несложной доработки находящихся в эксплуатации кинопроекционных ИВЭП со стабилизацией тока.

8. Разработанная методика для расчёта электрических параметров входного фильтра ИВЭП позволяет выбрать элементы фильтра по заданному коэффициенту мощности и обеспечить его высокие значения (>0.9) в ИВЭП для кинотехники.

Результаты работы автора внедрены в сетевых импульсных ИВЭП мощностью от 30 до 300Вт, питающихся от однофазной сети. Их отличает высокое значение КПД (>85%), низкое помехообразование и высокая надёжность.

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ РАБОТЫ:

1.Воинов В. Н., Горянский И. С., Шестовских А. Е., Селедков Д. М. Оценка качества

выходного тока резонансных инверторов// Тезисы докладов конференции: Источники питания с высокими технико-экономическими показателями как средства совершенствования современных электротехнологических установок/ -М.: -1983. -С. 65.

2.Голиков В. Ю., Горянский И. С. Анализ процесса выключения силового транзистора с диодным прерывателем в цепи эмиттера. В кн.: Полупроводниковые устройства преобразовательной техники/ Чебоксары: Изд. Чуваш. Ун-та. -1985. -С. 89-91.

3.Горянский И. С. Влияние индуктивности рассеяния трансформатора на работу одно-тактного преобразователя напряжения/ Сб. науч. трудов № 92. -М.: Моск. энерг. ин-т. -1986. -С. 116-123.

4. A.c. 1309296 СССР, МКИ3 Н03К 17/60. Транзисторное коммутирующее устройство/ С. Г. Бузыкин, И. С. Горянский// -1987. Бюл. № 17.

5. Бузыкин С. Г., Голиков В. Ю., Горянский И. С. Применение транзисторных ключей с эмиттерной коммутацией в преобразователях с высоким выходным напряжением/ Сб. науч. трудов № 178. -М.: Моск. энерг. ин-т. -1988. -С. 82-85.

6. A.c." 1374421 СССР, МКИ3 Н03К 17/60. Транзисторное коммутационное устройство/ С. Г. Бузыкин, В. Ю. Голиков, И. С. Горянский// -1988. Бюл. № 6.

7. A.c. 1394358 СССР, МКИ3Н02М 3/335. Способ управления стабилизированным транзисторным преобразователем/ С. Г. Бузыкин, И. С. Горянский// -1988. Бюл. № 17.

8. A.c. 1658323 СССР, МКИ3 Н02М 3/335. Однотактный преобразователь постоянного напряжения/ С. Г. Бузыкин, Б. А. Глебов, И. С. Горянский// -1988. Бюл. № 23.

9. Голиков В. Ю., Горянский И. С., Зайцев В. В. Улучшение коэффициента мощности ИВЭП с бестрансформаторным входом/ Сборник науч. трудов. -М.: НИКФИ. -1989. -С.43-62.

10. Бузыкин С. Г., Голиков В. Ю., Горянский И. С. Источник питания на базе мостового

I

преобразователя с пониженными динамическими потерями/ Сб. науч. трудов № 205. -М.: Моск. энерг. ин-т.-1989.-С. 43-48.

11. A.c. 1504755 СССР, МКИ3 Н02М 3/337. Двухтактный стабилизированный Инвертор/ Б. А. Глебов, И. С. Горянский, В. В. Зайцев, В. Л. Шелипов // -1989. Бюл. № 32.

12. A.c. 1453563 СССР, МКИ3 Н02М 7/5387. Двухтактный транзисторный преобразователь постоянного напряжения/ С. Г. Бузыкин, В.Ю.Голиков, И. С. Горянский// -1989. Бюл. № 3.

13. Горянский И. С. Применение биполярных транзистороз с индуктивной коммутацией эмиттера в сетевых источниках вторичного электропитания// IX юбилейная научно-практическая конференция.Уральского политехнического института им. С. М. Кирова. Тезисы докладов электротехнического факультета/ Свердловск: -1990. -С. 43-44.

14. Горянский И. С., Зайцев В. В. Модуль МИП-0. 5 для источников питания кинопроекторов/ Техника кино и телевидения. №7.-1990. -С. 18-21.

15. A.c. 1568183 СССР, МКИ3 Н02М 7/537. Преобразователь постоянного напряжения/ И. С. Горянский, В. В. Зайцев, В, Л. Шелипов // -1990. Бюл. № 20.

16. A.c. 1592905 СССР, МКИ3 Н02М 3/335. Двухтактный стабилизирующий инвертор/ И. С. Горянский, В. В. Зайцев, Л. М. Литвак// -1990. Бюл. № 34.

17. Горянский И..С., Зайцев В. В. Зажигающие устройства для ксеноновых ламп, подключаемых к источникам питания с бгстрансформаторным входом/ Техника кино и телевидения. № 11.-1991.-С. 20-22.

18. A.c. 1704297 СССР, МКИ3 Н05В 41/23. Устройство для зажигания и питания стабили-ированным током газоразрядной лампы постоянного тока/ И. С. Горянский, В. В. Зайцев, I. Л. Шелипов // -1992. Бюл. № 1.

19. A.c. 1665355 СССР, МК№ G05F 1/569, Н02Н 7/12. Многодиапазонный стабилизатор ока с защитой/ И. С. Горянский, В. В. Зайцев, В. Л. Шелипов //-1991. Бюл. № 27.

20. A.c. 1624683 СССР, МКИ3 НОЗК 17/60. Транзисторное коммутирующее устройство/ :. Г. Бузыкин, И. С. Горянский// -1991. Бюл. № 4.

21. Горянский И. С. Повышение эффективности сетевых ИВЭП — важное средство лучшения технико-экономических показателей современной РЭА/ Электросвязь. №5. -1992. С.38-41.

22. A.c. 1718347 СССР, МКИ3 Н02М 3/335. Двухтактный стабилизирующий инвертор/ 1. С. Горянский, В. В. Зайцев// -1992. Бюл. № 9.

23. Бузыкин С. Г., Голиков В. Ю., Горянский И. С. Применение в сетевых преобразованиях транзисторных ключей с индуктивной коммутацией эмиттера/ Сб. науч. трудов № 664. -И.: Моск. энерг. ин-т. -1993. -С. 70-78.

24. Воинов В. Н., Горянский И. С., Шестовских А. Е., Селедков Д. М. Оценка качества )ыходного тока резонансных инверторов/ Электросвязь. № 11. -1993. -С. 34-36.

25. A.c. 1823106 СССР, МКИ3 Н02М 3/335. Однотактный стабилизирующий преобразо-затеяь напряжения/ С. Г. Бузыкин, И. С. Горянский, В. В. Зайцев // -1993. Бюл. № 23.

26. A.c. 1821948 СССР, МКИ3 Н05В 39/02. Осветительное устройство/ И. С. Горянский, В. В. Зайцев, А. А. Сенькин // -1993. Бюл. № 22.

27. Горянский И. С. Способ стабилизации мощности в источниках электропитания кинопроекционных и осветительных ламп/ Техника кино и телевидения. -1994. -С. 43-45.

28. Патент РФ № 2035062. Стабилизатор мощности нагрузки/ И. С. Горянский// -1995. Бюл. № 13.

29. Патент РФ № 2037946. Однотактный конвертор/ И. С. Горянский// -1995. Бюл. № 17.

х В работах, выполненных в соавторстве, автору принадлежит следующее:

— участие в постановке задачи [4-12,15-20,22-26];

— проведение теоретических исследований [1-3,7-9,18,22,23];

— проведение экспериментальных исследований [2-9,11,14-18,22,23,25,26].