У исследование эффективности использования промежуточного высокочастотного преобразования при построении статических преобразователей и систем на их основе

Вид материала

Исследование

Содержание Общая характеристика работы OrCAD 9.2 ( OrCAD 9.2 ( LC фильтра в функции тактовой частоты ОШИМ – f OrCAD 9.2 ( OrCAD 9.2 (

Подобный материал:

• Развитие крупномасштабных систем: эффективность управления и управление эффективностью, 162.56kb.
• Область применения, 76.71kb.
• Имитатор батареи солнечной для наземной отработки и испытаний систем электропитания, 295.99kb.
• А. В. Колмыков Теоретические основы установления эффективности использования сельскохозяйственных, 852.49kb.
• Е. В. Чепин Московский инженерно-физический институт (государственный университет), 32.43kb.
• Прямое преобразование солнечной энергии в электрическую, 55.07kb.
• Методические вопросы изыкания резервов комплексного использования сырья, 172.16kb.
• Совершенствование механизма управления предприятием на основе использования современных, 146.47kb.
• Направления, 72.34kb.
• Программа-минимум кандидатского экзамена по специальности 05. 09. 12 «Силовая электроника», 113.5kb.

На правах рукописи


ХЛАИНГ МИН У


ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОМЕЖУТОЧНОГО ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПРИ ПОСТРОЕНИИ СТАТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ И СИСТЕМ НА ИХ ОСНОВЕ


Специальность: 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы


Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Москва

2009

Работа выполнена на кафедре «Электротехнические комплексы автономных объектов – ЭКАО» ГОУ ВПО «Московский энергетический институт – МЭИ (Технический университет – ТУ)».


Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Мыцык Геннадий Сергеевич


Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шевцов Даниил Андреевич,


кандидат технических наук, доцент

Чесноков Александр Владимирович


Ведущая организация: ФГУП «ГОКБ «Прожектор».


Защита состоится 26 июня 2009 г. в 16 часов 00 мин. в аудитории М-611 на заседании диссертационного совета Д212.157.02 при Московском энергетическом институте (Техническом университете) по адресу:

Москва, Красноказарменная ул., дом 13.


Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направить по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., дом 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института – МЭИ (ТУ).


Автореферат разослан « » мая 2009 г.


Ученый секретарь

Диссертационного совета Д212.157.02

к.т.н., доцент С.А. Цырук


Общая характеристика работы

Промежуточное высокочастотное преобразование (ПВЧП) как энерго-и ресурсосберегающий принцип построения устройств силовой электроники сегодня широко используется в классе конверторных схем (в преобразователях типа DC/DC), выполненных на базе транзисторов. Наиболее распространенным здесь является диапазон малых мощностей в единицы и десятки Вт, который характерен для источников питания внутренних нужд, предназначенных для систем управления преобразователями различных классов. Достаточно распространенными являются также транзисторные конверторы (DC/DC) диапазона мощностей от сотен Вт до единиц кВт, которые используются на различного рода автономных (подвижных и стационарных) объектах (АО) в качестве как основных, так и резервных систем электропитания (СЭС). В практических разработках значения частот ПВЧП в зависимости от ряда факторов находятся в диапазоне от нескольких десятков кГц до примерно 100 кГц.

В диапазоне более высоких мощностей острота и актуальность эффективного решения проблемных задач по структурно-алгоритмическому и параметрическому синтезу (САС) этих устройств, значительно возрастает. Например, если использование однотактного и одноканального преобразования целесообразно в диапазоне малых мощностей, то уже при средних мощностях (в сотни Вт и единицы кВт), и особенно при низких значениях напряжения питания (порядка 30 В), целесообразнее уже перейти не только на двухтактное, но и на многоканальное преобразование. При этом конверторы применяются как самостоятельные устройства, так и в составе более сложных структур, например, в инверторах с ПВЧП. Большую остроту при использовании преобразующих структур с ПВЧП приобретает также не только проблема грамотного проектирования (и конструирования) высокочастотных (ВЧ) трансформаторов и выходных фильтров, но и проблема системного проектирования устройств силовой электроники (УСЭ) в целом, которая заключается в обоснованном выборе наиболее рационального значения частоты ПВЧП с учетом частотных характеристик не только всех силовых звеньев УСЭ, но и требований потребителя и источника питания по электромагнитной совместимости.

На АО применяется и другой, выше упомянутый класс преобразователей (DC/AC) – инверторы напряжения (ИН), которые решают задачу преобразования нестабилизированного напряжения постоянного тока, чаще всего, низкого уровня (порядка 30 В) в стабилизированное с заданной точностью напряжение переменного тока (с частотой 400 Гц или 50 Гц) более высокого уровня (115/208 В или 220/380 В). На их базе строятся системы, как основного, так и резервного электропитания. В зависимости от типа АО мощность устройств этого класса может находиться в пределах от нескольких сотен ВА до единиц и даже десятков кВА.

Актуальность проблемы. Несмотря на достаточно большую теоретическую проработку вопросов САС ИН с ПВЧП (процессу непрерывно растущего числа публикаций по данной проблеме уже не менее 35÷40 лет) и потенциальную перспективность данного направления, опыт практического использования ПВЧП в ИН (по крайней мере, в России) невелик. Причин (как объективного, так и субъективного характера) такому положению здесь немало. Одна из причин – не полная в ряде случаев проработанность схемотехнических решений, затрудняющая их оперативное (без дополнительных доработок) применение.

Большинство проблем, характерных для конверторов, приходиться решать и в классе ИН с ПВЧП. Более того, из-за более сложной их структурно-алгоритмической организации число проблемных задач здесь существенно возрастает. Кардинально улучшившиеся в последние 15-20 лет частотные и мощностные характеристики транзисторов и диодов, а также уже разработанные сегодня в модульном исполнении транзисторные ключи переменного тока создали необходимые предпосылки для активизации работ в направлении более интенсивного практического освоения этого ресурсосберегающего принципа построения ИН.

Известно, что эффективность использования ПВЧП в ИН, прежде всего, определяется значением его выходной частоты f₂ . Чем ниже эта частота, тем больше при прочих равных условиях выигрыш в массогабаритных показателях устройства. С ростом частоты f₂ этот выигрыш уменьшается и для принятия решения о целесообразности использования при синтезе УСЭ ПВЧП актуализируется задача количественной оценки его эффективности. В [1], в частности, показано, что при f₂=400Гц (и напряжении питания 18÷31В) масса активных материалов силовой части 6-звенной структуры однофазного ИН (ОИН) с ПВЧП мощностью S₂ = 500 ВА бортового применения может быть уменьшена примерно в 2 раза по сравнению с традиционной 3-звенной структурой (ИН-трансформатор-фильтр), в которой трансформатор работает на выходной (относительно высокой) частоте 400 Гц. С учетом системы управления и конструктивного фактора результирующий выигрыш по массе может снизиться до 1,2÷1,4 раз, что, однако, тоже существенно.

При низкой выходной частоте, например, 50 Гц прогнозируемый выигрыш по результирующей активной массе силовой части ИН с ПВЧП в сравнении с ИН без ПВЧП должен быть не менее, чем на порядок. Для более точных и обоснованных оценок необходимо соответствующее информационно-мето-дологическое обеспечение, которое на сегодня фактически в должном объеме отсутствует и, следовательно, должно быть разработано.

Что касается КПД ИН с ПВЧП, то, несмотря на более сложную структуру его силовой части, как показывают расчеты, в исследуемых здесь условиях применения он может быть получен не хуже или даже несколько более высоким, чем в ИН по традиционной трехзвенной структуре. Это означает, что масса теплоотводов, на которых размещается полупроводниковая часть ИН с ПВЧП, будет примерно той же, а основной выигрыш по массе и по КПД будет достигаться за счет высокочастотного (ВЧ) трансформаторного узла и выходного фильтра.

Актуальность решения данной проблемы подтверждается уже не первый год проводимыми (в мировой инженерной практике) и, тем не менее, не теряющими свою важность и остроту программами энерго-и ресурсосбережения. Представляется, что данное направление совершенствования наряду с тенденцией улучшения электромагнитной совместимости (ЭМС) УСЭ еще долго будут иметь определяющее значение в направлениях их развития.

Создание энергетически эффективных и компактных устройств УСЭ и систем на их основе особенно актуально для различного рода подвижных автономных объектов (АО), например, для различного рода транспортных средств – для летательных аппаратов и для автомобильного транспорта, например, для автомобилей гибридного типа, где, в частности, применение УСЭ с реверсивными свойствами позволяет полезно использовать кинетическую энергию автомобиля в режиме его торможения. Одна из таких структур УСЭ рассматривается в данной работе. Отличительным существенным признаком таких АО является относительно низкое значение напряжения первичного источника питания (порядка 30 В).

Цель работы. Основной задачей настоящей работы является совершенствование структурно-алгоритмических решений ИН с ПВЧП и создание информационно-методологического обеспечения: а) для их проектирования; б) и для проведения оперативных сопоставительных оценок показателей качества (по массе и КПД) альтернативных вариантов решений, которые необходимы на первом этапе проектирования.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач используются: общие положения теории электрических цепей, математический аппарат рядов Фурье, разделы дифференциального и интегрального исчисления, концепция многоканального преобразования энергетического потока, имитационное компьютерное моделирование (ИКМ) в среде OrCAD 9.2 (PSpice Schematics), методы технического творчества.

Научная новизна работы.

1. На основе аналитического обзора УСЭ рассматриваемого класса (DC/AC), систематизации и классификации принципов структурно-алгоритми-ческой организации (САОр) однофазных и трехфазных ИН с ПВЧП выделены две основные группы, характеризуемые как 6-звенные и 4-звенные структуры. Выявлены их свойства, которые необходимо знать при проектировании.

2. Для 4-звенных структур однофазных инверторов напряжения (ОИН) с однополярной широтно-импульсной модуляцией (ОШИМ) выходного напряжения и для трехфазных инверторов напряжения (ТИН) с широтно-импуль-сным регулированием (ШИР) выходного напряжения предложены алгоритмы преобразования, обеспечивающие исключение динамических потерь в ключах выходного высоковольтного звена – демодулятора (ДМ). Это позволило перевести структурно известные решения ИН с ПВЧП из категории потенциально перспективных в категорию практически значимых решений.

3. Предложена упрощенная методика определения зависимости удельной массы и КПД трансформаторов средней мощности (от 0,5 кВА до единиц кВА) от частоты в диапазоне ее изменения 50Гц÷50кГц: а) – без учета коэффициента добавочных потерь – К_доб в обмотках, вызванных высокой частотой (ВЧ) и б) – с его учетом. Показана разница в показателях качества при этих двух методиках. Во 2-ом варианте (с учетом К_доб) проверка результатов на адекватность осуществлялась путем использования двух известных (и экспериментально проверенных) методик расчета потерь в обмотках, основанных на принципиально разных подходах. Адекватность результатов может быть подтверждена одним и тем же полученным по двум методикам выводом: наименьшие потери в обмотках имеют место в том случае, если толщина ленты обмотки равна глубине скин-слоя. Этот факт положен в основу предложенной в работе методики проектирования ВЧ трансформаторов.

4. В качестве одного из средств решения поставленных задач (определения параметров фильтра, обеспечивающих требуемое значение коэффициента гармоник выходного напряжения, определения потерь в ключевых элементах инвертор-модуляторного звена 4-звенной структуры ИН с ПВЧП, определения действующих значений токов в обмотках трансформатора и действующих значений производной от этих токов) и с целью проверки исследуемых решений ИН с ПВЧП на соответствие их проектному замыслу в работе использовано имитационное компьютерное моделирование (ИКМ) УСЭ.

5. В качестве примера реализации предлагаемой методики системного проектирования для конкретного решения ИН с ПВЧП в диапазоне f_ВЧ =5÷50кГц получены частотно-зависимые показатели качества для всех его звеньев и для устройства в целом.

Практическая значимость работы. Значимость полученных в работе результатов в предложенных подходах к решению поставленных задач, в новых, синтезированных решениях многозвенных преобразующих структур ИН с ПВЧП, в методике их системного проектирования и в конкретно полученных значениях показателей качества. В частности, используя предлагаемые подходы средства и полученную информацию, в каждом конкретном случае можно обосновано определить рациональное значение частоты ПВЧП, обеспечивающее приемлемые (компромиссные) значения показателей качества – массы и КПД.

Разработанные в процессе выполнения работы имитационные компьютерные модели оформлены как программные средства учебного назначения (ПСУН) и используются в учебном процессе в рамках читаемого на кафедре курса «Электронные энергетические системы».

Работа выполнена в интересах непосредственно двух организаций – ФГУП «ГОКБ «Прожектор» и ОАО «АКБ «Якорь», проводящих модернизацию выпускаемой продукции.

На защиту выносятся:

1. Новые алгоритмы управления ключевыми элементами в известных 4-х звенных структурах однофазного и трехфазного инверторов напряжения (ИН) с ПВЧП, обеспечивающие их перевод из категории потенциально (теоретически) перспективных в категорию практически значимых решений.

2. Полученные и представленные в аналитическом виде зависимости удельного показателя ВЧ трансформаторов и КПД от рабочей частоты в диапазоне 50 Гц ÷ 50 кГц создают основу для системного проектирования ИН с ПВЧП.

3. Инженерная (упрощенная) методика проектирования ВЧ трансформаторов, отличительным отправным шагом которой является использование современного модельного описания дополнительных потерь в его обмотках от токов высокой частоты.

4. Методика компьютерного определения общих и динамических потерь в ключевых элементах ИН с ПВЧП.

5. Методика системного проектирования многозвенных структур типа DC/AC.

Апробация работы. Основное содержание работы докладывалось и обсуждалось: На Всероссийской научно-технической конференции «Научно-технические проблемы электропитания» – 2006 г.; на Х111-й (2007г.) и Х1V-й (2008г.) международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов; на 2-х н/т-х семинарах кафедры «Электротехнические комплексы автономных объектов – ЭКАО» МЭИ (ТУ). На 11 Всероссийском смотре научных и творческих работ иностранных студентов и аспирантов (в 2008 г. в Томске) магистерская диссертационная работа Хлаинг Мин У «Исследование направлений модернизации бортовых инверторов напряжения», отражающая начальный этап выполнения настоящей работы, отмечена Дипломом участника в номинации «За оригинальное решение технической задачи».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ (среди них патент на полезную модель и статья в издании, рекомендованном ВАК).

Личный вклад соискателя заключается в непосредственном его участии при решении всех поставленных в работе задач:

– в структурировании обзорного материала, в систематизации направлений структурно-алгоритмического синтеза инверторов напряжения (ИН) с промежуточным высокочастотным преобразованием (ПВЧП);

– в формировании информационно-методологического базиса для проектирования ВЧ трансформаторов малой и средней мощности (от сотен ВА до единиц кВА), в том числе: в расчете и систематизации исходных проектных данных по удельным потерям в материалах их магнитопроводов, в расчете дополнительных потерь в обмотках ВЧ трансформаторов, вызванных эффектом близости (ЭБ), в разработке методики проектирования ВЧ трансформаторов на этой основе и в определении зависимости их удельного показателя и КПД от значения рабочей частоты в диапазоне 50 Гц ÷ 50 кГц ;

– в проведении имитационного компьютерного моделирования (ИКМ) всех исследуемых в работе схем ИН с ПВЧП, позволившего подтвердить заложенный в них проектный замысел и оперативно и достаточно точно решить ряд проектных задач по расчету выходных фильтров, по определению потерь в ключевых элементах и по определению величин, необходимых для вычисления потерь в обмотках ВЧ трансформатора;

– в разработке методики системного проектирования применительно к исследуемому в работе классу устройств.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 248 страницах (226 стр. текста, 102 рисунка, 41таблиц), состоит из 5 глав, заключения, библиографии из 69 наименований и приложений.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформирована цель и решаемые в диссертации задачи.

В первой главе анализируется состояние, перспективы развития ИН с ПВЧП и рассматриваются известные и усовершенствованные в процессе работы новые, наиболее перспективные для практического применения (в системах) их решения. Показано, что в целом поисковое проектирование ОИН (и ТИН) с ПВЧП по заданной совокупности показателей качества представляет собой многокритериальную системную задачу, успешное (и, главным образом, доказательное) решение которой требует предварительной проработки не только ряда частных задач, прежде всего, таких, как оптимизация частоты ПВЧП и материала магнитопровода трансформатора, но и ряда других структурно-алгоритмических и параметрических задач, например, задачи оптимизации тактовой (несущей) частоты ШИМ в выходном (высоковольтном) инверторном (или демодуляторном) звене и взаимосвязанной с ней задачи структурно-параметрической оптимизации выходного фильтра.

Что касается методологии решения проектных задач, касающихся полупроводниковых звеньев структуры и фильтров, то к ней также должен быть сформулирован свой особый поход. Не уменьшая полезность традиционного подхода к проектированию на основе предварительного модельного описания процессов в структуре УСЭ, нужно сказать, что современные компьютерные возможности (а именно имитационное компьютерное моделирование - ИКМ) позволяют решать эту достаточно непростую задачу значительно более оперативно, точнее и в большем (требуемом) объеме. И, что не менее важно, при одновременной визуализации всех интересующих разработчика процессов. Это особенно важно и ценно при синтезе новых решений. При достаточном опыте у разработчика такой подход к проектированию дает ему возможность контролировать результаты на адекватность их проектному замыслу.

Аналитический обзор известных схемотехнических решений ИН с ПВЧП показал, что, несмотря на известную перспективность этого класса УСЭ, широкому их применению на практике препятствует недостаточная глубина проработанности этого направления синтеза, как в части необходимой степени совершенства решений на уровне их схемотехники, так и на уровне завершенности методики их проектирования (то есть параметрической оптимизации). С целью систематизации известных схемотехнических решений ИН с ПВЧП проведена укрупненная классификация направлений их синтеза, в основу которой положены наиболее общие классификационные структурные и алгоритмические признаки. П
редложено различать два направления синтеза ИН с ПВЧП – на основе четырехзвенной (см. пример на рис.1) и шестизвенной структур. При выборе САОр необходимо учитывать функциональные особенности этих структур: шестизвенные структуры характеризуются однонаправленностью передачи активной мощности от источника постоянного тока к нагрузке при отсутствии обмена между ними реактивной мощностью, а четырехзвенные структуры – способностью двунаправленного обмена как реактивной, так и активной мощностью между источником питания и нагрузкой. Показано, что при синтезе подвижных электротехнических комплексов, например, в гибридных автомобилях, в системах резервного электропитания и в электромеханических системах эти свойства могут быть полезно использованы.

Проведенный аналитический обзор направлений синтеза ИН с ПВЧП (с анализом их достоинств и недостатков) позволил выделить несколько наиболее простых в части практической реализации решений. С целью дальнейшего совершенствования четырехзвенных структур ИН с ПВЧП для однофазных (ОИН) и трехфазных (ТИН) вариантов предложены новые алгоритмы управления, обеспечивающие устранение динамических потерь в их выходном звене – демодуляторе (ДМ). Предложение защищено патентом [7]. Общим признаком для всех рассмотренных преобразующих структур ИН с ПВЧП является наличие высокочастотного (ВЧ) трансформаторного звена и низкий уровень питающего напряжения (порядка 30 В). Для оптимального проектирования данного класса УСЭ по заданной совокупности показателей качества (например, по массогабаритным показателям и КПД) требуется соответствующее информационное и методическое обеспечение, прежде всего, именно для этого звена. Решению этой задачи посвящены 3-я и 4-я главы диссертации.

Во второй главе изложены результаты имитационного компьютерного моделирования (ИКМ) традиционной трехзвенной структуры ИН без ПВЧП и четырех структур ИН с ПВЧП. В качестве средства исследования использовано программное обеспечение OrCAD 9.2 (PSpice Schematics). Проведено сопоставительное исследование двух вариантов однофазных инверторов напряжения – по традиционной трехзвенной структуре (ОИН–повышающий трансформатор–комбинированный фильтр) и по шестизвенной структуре (четырехзвенный повышающий конвертор–ОИН–простейший Г образный LC фильтр). В первой структуре формирование выходного напряжения осуществляется по простейшему алгоритму широтного регулирования. Спектр напряжения здесь содержит все нечетные гармоники, включая самую низкую по частоте 3-ю гармонику. Результаты ИКМ подтвердили эффективность использования для данного типа спектров напряжения комбинированного фильтра в виде Г образного L₁C₁ фильтра, обеспечивающего заданное ослабление 5-й гармоники напряжения, и последовательной резонансной L₂C₂ цепочки, настроенной на 3-ю гармонику напряжения (1-й тип фильтра). Преимущество этого типа фильтра перед простейшим Г образным LC фильтром (2-й тип) оценивалось по их установленной мощности. Сравнение дросселей индуктивностей (L₁ + L₂) – для 1-го типа фильтра и L – для 2-го типа осуществлялось по их энергии.

Во второй (шестизвенной) структуре ОИН формирование напряжения осуществляется по более эффективному алгоритму однополярной ШИМ (ОШИМ). Здесь спектральный состав напряжения характеризуется кратностью тактовой и выходной частот ξ = f_т / f₂₍₁₎ . Чем больше значение параметра ξ , тем дальше по частоте удалена ближайшая высшая гармоника от основной и тем меньше требуемое значение произведения Г образного LC фильтра. На конкретном примере показано, что увеличение параметра ξ с ξ = 20 до ξ =40 приводит к значительному (более, чем в 8 раз) снижению произведения параметров фильтра LC. Для удобства системного проектирования зависимость LC=f(ξ) представлена в графическом виде и в виде степенной функции. Основной целью ИКМ в данном исследовании являлось определение минимальных значений параметров фильтров в этих двух структурах при соответствующих (используемых на практике) алгоритмах формирования выходного напряжения в каждой из них, которые обеспечивают заданное значение его коэффициента гармоник (для бортового применения с К_Г(U) ≤ 8%).

Применительно к, по сути, новым и ранее не исследованным вариантам инверторов ОИН и ТИН с ПВЧП по 4-звенной структуре, перед процедурой ИКМ были поставлены следующие задачи:

1) Подтвердить работоспособность нового предложенного алгоритма управления данными структурами, суть которого заключается в исключении динамических потерь в демодуляторе (ДМ), за счет введения нулевых пауз в его входном напряжении (см. рис.2, рис.3) в моменты коммутации его ключевых элементов (КЭ);

2) Определить рациональные значения параметров выходного Г образного LC фильтра в функции тактовой частоты ОШИМ – f_T , учитывая, что в данной структуре она же является и частотой ПВЧП – f_ВЧ , на которой осуществляется трансформация (повышение) напряжения;

3) Определить процессы в элементах УСЭ (прежде всего, в его КЭ) в функции времени, которые являются отправной информацией для вычисления (компьютерными средствами):

– действующих значений токов через эти элементы, а также потерь в них;

– действующих значений тока в обмотках ВЧ трансформатора и производной от этого тока, знание которых необходимо при вычислении потерь в них, обусловленных эффектом близости.

Вычислительные процедуры по п. 3) проводятся в главе 5 диссертации.

Показано, что в 4-х звенных ИН с ПВЧП низковольтное инверторное звено с целью повышения его КПД целесообразно выполнять по многоканальной структуре на инверторных ячейках нулевого типа (НИЯ). В рассматриваемых примерах канальность преобразования с целью упрощения взята минимальной L=2 (рис.1). При ИКМ коэффициенты магнитной связи между первичными полуобмотками и вторичной обмоткой приняты равными 1. Регулирование напряжения широтным способом на входе ДМ осуществляется фазовым сдвигом на угол α выходных напряжений (с формой меандр) НИЯ1 и НИЯ2.

При моделировании основной функциональной задачи трансформатора нелинейность материала магнитопровода не учитывалась. Очевидно, что такое упрощение недопустимо при определении КПД трансформатора. Эта задача в

должном объеме решается в 3 и 4 главах диссертации. С позиции же решаемых в данном разделе задач это упрощение не влияет на получаемые результаты. С учетом еще и других допущений (в части, например, в КЭ, которые также представлены идеализированными моделями), проводимое здесь моделирование, по сути, характеризуется как макромоделирование. Принятые допущения, однако, с достаточной для инженерной практики точностью позволяет получить ответы-решения для большинства проектных задач.

Функциональная модель трансформатора, отражающая две его основные функции – коэффициент трансформации и гальваническую развязку, в среде OrCAD 9.2 (PSpice Schematics) задается значениями главных (рабочих) индуктивностей обмоток, посредством которых и осуществляется собственно процесс трансформации параметров энергетического потока. Значения этих индук тивностей задавалось, исходя из представлений о типовом значении тока








холостого хода трансформатора – I_1хх , который определяется мощностью трансформатора и значением частоты, на которой он работает: I_1хх=(0,03÷0,06) · I_1н , где I_1н – номинальное значение первичного тока ВЧ трансформатора. При ИКМ параметры повышающих трансформаторов подбирались, на каждом из задаваемых значений промежуточной высокой частоты f_ВЧ (см. раздел по определению потерь в КЭ в главе 5). Полученные в главе 2 имитационные компьютерные модели используются также при решении задач в главе 5.

Третья глава посвящена расчету удельной массы и КПД трансформаторов – g_TV = f(f_TV) и η_TV =f(f_TV) в диапазоне частот f_TV = 50Гц÷50кГц для диапазона малой и средней мощности (по крайней мере, до единиц кВА) с учетом потерь в магнитопроводе, но без учета потерь в обмотках трансформатора, обусловленных токами высокой частоты. Основной задачей здесь является разработка упрощенного подхода к решению поставленной задачи и получение отправной информации, необходимой, в конечном счете, для оценки (в 4-й главе) степени ухудшения исследуемых показателей качества при учете указанных потерь в обмотках. Для упрощения решения задачи расчеты базировались на использовании стандартных типоразмеров магнитопровода типа ШЛ (как наиболее технологичных для намотки обмоток). В качестве исходных данных для расчета использовались: габаритная мощность трансформатора – S_Г и задаваемое значение его частоты – f_TV = f_ВЧ. На основании известной формулы



определялось требуемое при этом произведение S_ст ·S_ок , а далее по общеизвестным методикам для каждой частоты находились типоразмер магнитопровода, масса и КПД трансформатора. При решении поставленной задачи систематизировались, а при необходимости и дополнительно определялись удельные потери в используемых магнитомягких материалах магнитопровода, в частности, выполненных из нанокристаллических сплавов. Расчетные параметры ВЧ трансформаторов (B_m , j , К_ст , К_ок , К_ф) задавались в соответствии с известными рекомендациями. Полученные искомые результаты представлены в виде таблиц, графиков и в виде аппроксимирующих графики полиномиальных или степенных зависимостей.

В четвертой главе приводятся результаты расчета этих же показателей качества – g_TV = f(f_ВЧ) и η_TV =f(f_ВЧ) ВЧ трансформаторов по двум другим методикам. Первая из них основана на использовании 1-го модельного описания (МО) эффекта близости (ЭБ), приведенного в книге Горского А.Н., Русина Ю.С. и др., а вторая – на использовании 2-го МО ЭБ, предложенного ирландскими исследователями (William Gerard Hurley, Eugene Gath, John Breslin). Работы датируются 1988 г. и, 2000 г. соответственно, а их полные библиографические данные приведены в диссертации. Принимая во внимание невозможность (в данном конкретном случае) экспериментальной проверки полученных результатов исследования, целью использования двух различных модельных описаний ЭБ является сопоставительная их проверка по конечному результату. Помимо утверждений авторов двух МО ЭБ о хорошем их совпадении с экспериментом, факт хорошего совпадения результатов расчета ВЧ трансформаторов по двум различным методикам может служить дополнительной (хотя и косвенной) проверкой их на адекватность. На основе 1-го МО в работе проведена серия численных экспериментов, подтверждающая их физическую непротиворечивость. Результаты и полученные выводы и рекомендации представлены графиками и таблицами и опубликованы в [8]. В частности, в [8] получен следующий, неочевидный для низкочастотных (НЧ) трансформаторов, вывод: увеличением плотности тока в обмотках (в указанных разумных пределах) за счет уменьшения толщины ленты обмоток (например, с Δb = 0,7 мм до Δb = 0,1 мм на частоте 25 кГц) и, соответственно, его сечения можно существенно уменьшить потери в обмотках, уменьшить типоразмер магнитопровода, а в результате – улучшить удельную массу трансформатора при фактическом сохранении того же значения КПД. Этот вывод полностью согласуется с аналогичным выводом, который получен другими авторами (W. G. Hurley и др.) в рамках 2-го МО ЭБ. Физическая суть полученного вывода в том, с уменьшением параметра ∆b коэффициент добавочных потерь от тока ВЧ в проводнике обмотки в определенном диапазоне изменения параметра ∆b снижается быстрее, чем увеличивается его сопротивление на постоянном токе. Отданное в работе, в конечном счете, предпочтение 2-й методике заключается в том, что используемое в ней 2-ое МО ЭБ, во-первых, более физично и доказательно, а во-вторых, более практически ориентировано, поскольку в ней изначально акцентируется внимание разработчика на рациональную конфигурацию проводника обмотки (лента) и на рациональные его параметры (толщина ленты – ∆b = f(f_ВЧ) ). Этот факт в работе положен в основу предложенной методики проектирования ВЧ трансформаторов. Отличительной ее особенностью при этом является использование нестандартных типоразмеров магнитопроводов, имеющих удлиненный размер Н (и h) и укороченный размер L (использованы стандартные обозначения).

При относительно большой мощности трансформатора (S_Г) требуемая ширина ленты обмотки b (при выбранной рациональной ее толщине ∆b) влечет за собой увеличение высоты окна магнитопровода h и его общей высоты Н. Объем магнитопровода в этом случае увеличивается, возрастают при этом также и магнитные потери в нем. Расчеты показывают, что они могут быть значительно больше, чем потери в обмотках. Для выравнивания потерь в магнитопроводе и в обмотках необходимо уменьшать высоту окна h (и соответственно параметр Н) и уменьшать ширину ленты обмотки b. Если эту процедуру выполнить при условии равенства потерь в этих частях трансформатора, то плотность тока в обмотке, естественно, увеличивается (при фактическом сохранении общих потерь в трансформаторе), а масса трансформатора заметно уменьшается. Поскольку каждый из двух рассмотренных вариантов ВЧ трансформатора имеет свои достоинства и недостатки и (в зависимости от условий охлаждения) может иметь свои области применения, в работе получены зависимости искомых показателей качества в функции частоты для каждого из них. Показано, что в зависимости от плотности тока в обмотках (и соответственно – условий охлаждения) удельная масса активных материалов ВЧ трансформаторов малой и средней мощности при частотах 20÷30 кГц может состав-





лять g_ТV ≈ 0,57 кг/кВА (рис.4) при КПД η_TV ≈ 0,98. Для удобства пользования результаты исследования представлены в виде таблиц, графиков и аппроксимирующих их полиномиальных и степенных функций.

Пятая глава посвящена разработке методики системного проектирования многозвенных структур инверторов напряжения с ПВЧП класса DC/AC. Конечным ее результатом является определение двух показателей качества – абсолютной и удельной массы устройства и его КПД в функции частоты ПВЧП. Задача решается на конкретном примере 4-х звенной структуры ИН с ПВЧП и ОШИМ выходного напряжения мощностью 500 ВА (рис.5а, рис.3). Результаты расчета масс ВЧ трансформатора, Г-образного LC фильтра и теплоотводов, на которых размещаются КЭ, в функции тактовой частоты f_ВЧ , представлены в графической и аналитической форме (рис.5).

Общие потери в ключевых элементах (КЭ) определяются на основе использования компьютерной методики в соответствии с выражением:

. (1)

Алгоритм расчета с помощью ИКМ следующий: 1-й шаг – определение мгновенного значения напряжения на ключевом элементе (КЭ) – на отрезке времени, равном нескольким периодом, например, 4T, где T– период выходного напряжения; 2-й шаг – определение мгновенного значения тока через КЭ – ; 3-й шаг – вычисление произведения этих 2-х функций:

;

4-й шаг – интегрирование этого произведения (взятие неопределенного интеграла):

; (2)

5-й шаг – определяется значение общих потерь в КЭ путем взятия определенного интеграла в соответствии c (1) следующим образом:

,

где: A , В – значения функционала (2) в начале и в конце периода соответственно; Т – значение расчетного периода.

Показано, что данный алгоритм позволяет выделить также динамические потери. С учетом принятых допущений, определяющих ИКМ как макромоделирование, степень адекватности такого метода определения потерь определяется степенью соответствия задаваемых времен переключения и сопротивлений КЭ (в открытом состоянии) реальным их значениям. В исследуемом вари анте они приняты равными 50ns и 0,077 Ом соответственно. Полученные результаты являются более адекватными в сравнении с результатами, полученными по известным упрощенным выражениям расчета потерь в КЭ, поскольку ИКМ точно учитывает достаточно сложную форму протекающего через них




тока. Результаты расчета показали, что с ростом частоты f_ВЧ от 20кГц до 30кГц исследуемые показатели качества рассмотренного 4-х звенного устройства (ОИН с ПВЧП и ОШИМ) изменяются следующим образом: удельная масса активных материалов его силовой части несколько увеличивается (g_ОИН ≈ 1,92÷2,14 кг/кВА), а его КПД несколько снижается (η_ОИН = 0,86÷0,85) – рис.5.

Заключение

1. На основе аналитического обзора основных альтернативных вариантов структурно-алгоритмических решений инверторов напряжения (ИН) с промежуточным высокочастотным преобразованием (ПВЧП) выделены две их группы – 6-звенная необратимая структура и 4-звенная обратимая структура. Указаны целесообразные области применения этого класса устройств (DC/AC) в системах и сформулированы подлежащие решению задачи, создающие информационно-методологическое обеспечение для их проектирования.

2. Для 4-звенной структуры в однофазном и трехфазном вариантах ИН с ПВЧП предложен новый, защищенный патентом способ их структурно-алго-ритмической организации (САОр). Способ обеспечивает исключение динамических потерь в выходном звене структуры – в демодуляторе (ДМ) за счет формирования пауз (порядка 1-2 μS) между полуволнами высокочастотного напряжения, подаваемого на вход ДМ. Это переводит известное структурное решение из категории потенциально перспективного в категорию практически значимого решения.

3. В качестве основного средства исследования УСЭ и формирования информационно-методического базиса для их проектирования использовано программное обеспечение OrCAD 9.2 (PSpice Schematics). Изложены результаты имитационного компьютерного моделирования (ИКМ) традиционной трехзвенной структуры ИН без ПВЧП и четырех структур ИН с ПВЧП.

4. Для решения системной задачи по определению рационального значения частоты ПВЧП разработана практически ориентированная (упрощенная) методика расчета удельного массового показателя трансформаторов – g_TV (f_ВЧ) и их КПД – η_TV (f_ВЧ) в диапазоне рабочих частот 50 Гц÷50 кГц. Ее особенностью является использование стандартных типоразмеров магнитопроводов. Результаты представлены в графическом и аналитическом виде. Для оценки влияния высокой частоты (эффекта близости – ЭБ) на потери в обмотках искомые результаты представлены в 2-х версиях – без учета ЭБ и с его учетом.

5. На основе обзора магнитомягких магнитных материалов магнитопроводов выделены наиболее частотные из них – марганец-цинковые российские и зарубежные ферриты (М2500НМС2 и марки N87, N97 фирмы Epcos AG), российские аморфные и нанокристаллические сплавы (например, ГМ42ДС). Систематизирована информация по удельным потерям в этих материалах.

6. На основе известного 1-го модельного описания потерь в обмотках высокочастотных трансформаторов получены количественные оценки коэффициента добавочных потерь, учитывающего потери от поверхностного эффекта и эффекта близости (ЭБ). Показано, что при высоких частотах порядка десятков кГц уменьшением сечения провода обмоток можно снизить результирующие потери в них. Полученный вывод в том или ином виде подтверждается в публикациях зарубежных исследователей.

7. На основе известного (разработанного в последнее время ирландскими специалистами) 2-го модельного описания эффекта увеличения сопротивления проводника обмоток трансформатора от ЭБ предложена упрощенная методика проектирования ВЧ трансформаторов малой мощности (до единиц кВА). Отправным ее моментом является выбор оптимальной толщины ленты – ∆b_опт, из которой изготавливается обмотка. Ее толщина зависит от формы тока, числа витков (слоев) и должна уменьшаться с ростом частоты f_ВЧ. Например, в исследуемом варианте ОИН с ОШИМ и ПВЧП токи через обмотки трансформатора имеют сложную форму тока типа биений так, что оптимальная толщина ленты ∆b_опт (при времени переключения транзисторов t_r = 50ns) для диапазона f_ВЧ = 10÷50кГц ∆b_опт=0,05÷0,017мм (значения определены с помощью ИКМ). При прямоугольной же форме этот параметр приобретает следующие значения: при t_r=200ns для f_ВЧ =10÷50кГц ∆b_опт = 0,12÷ 0,069мм; а при t_r = 50ns для f_ВЧ = 10÷50кГц ∆b_опт =0,08÷0,05мм (здесь значения определены аналитическим путем). На этой основе определяются практически реализуемый параметр ∆b, затем ширина ленты обмотки – b и далее – геометрические размеры магнитопровода. Методика требует использования нестандартных типоразмеров трансформаторов, отличающихся увеличенным значением их высоты Н.

8. На основе полученных результатов предложена методика системного проектирования данного класса устройств, обеспечивающая обоснованный выбор частоты ПВЧП по критерию минимума общей активной массы устройства при ограничениях на КПД. В частности, предложена компьютерная методика определения общих (квазистатических и динамических) потерь в ключевых элементах, на основе которых определяется тип теплоотвода и его масса. На примере 4-х звенного ОИН с ПВЧП мощностью 500 ВА (бортового применения) показано, что при рабочей частоте f_ВЧ = 20кГц и использовании ключевых элементов с временами включения и выключения порядка 50 nS и магнитопровода из нанокристаллического сплава ГМ42ДС общая масса активных материалов его силовой части может составлять 0,96 кг при КПД 86%.

9. Полученные результаты исследования эффективности использования ПВЧП при синтезе устройств силовой электроники (УСЭ) класса DC/AC создают основу для разработки инновационных проектов систем электроснабжения (СЭС) подвижных автономных объектов (АО), для которых рациональное сочетание критериев минимума массогабаритных показателей и максимума КПД при проектировании систем является определяющим.

10. Приведенный в работе спектр возможных решений как в части их САОр, так и в части проектирования ВЧ трансформаторов (которые характеризуются различными сочетаниями электромагнитных нагрузок и различными конфигурациями магнитопроводов) отражает одну из целей работы – определить возможные пути и подходы к решению системной задачи выбора рационального значения частоты ПВЧП в устройствах класса DC/AC с учетом реального многообразия постановок задач.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1. Берилов А.В., Мыцык Г.С., Хлаинг Мин У. Об особенностях проектирования и возможностях улучшения показателей качества инверторов с промежуточным высокочастотным преобразованием // Вестник МЭИ, 2007, № 4. – С. 85-92.

2. Берилов А.В., Коняхин С.Ф., Мыцык Г.С., Хлаинг Мин У, Цишевский В.А. Преобразователь постоянного напряжения в переменное (Варианты) // Патент РФ на полезную модель № 76183, Бюл.№25, 2008.

3. Мыцык Г.С., Хлаинг Мин У. Вопросы структурно-алгоритмического и параметрического синтеза бортовых инверторов напряжения с промежуточным высокочастотным преобразованием // Научно-технические проблемы электропитания / Труды Всероссийской науч.-техн.-конф. – М.: Изд-о МАИ, 2006. – С.53-58.

4. Хлаинг Мин У, Мыцык Г.С. Сопоставительный анализ характеристик магнитомягких материалов в диапазоне частот 50 Гц ÷50кГц // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. Докл. ХІІІ МНТК студентов и аспирантов: Т.2. B 3-х т. – М.: Издательский дом МЭИ, 2007. – С.85-86.

5. Хлаинг Мин У, Мыцык Г.С. Эффективность использования промежуточного высокочастотного преобразования при синтезе бортовых инверторов напряжения // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. Докл. ХІІІ МНТК студентов и аспирантов. Т.2. B 3-х т. – М.: Издательский дом МЭИ, 2007. – С.86-87.

6. Хлаинг Мин У, Мыцык Г.С. О методологии проектирования инверторов с промежуточным высокочастотным преобразованием // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. Докл. ХІІІ МНТК студентов и аспирантов. Т.2. B 3-х т. –М.: Издательский дом МЭИ, 2008. – С.72-73.

7. Хлаинг Мин У, Зарьков. В.С., Берилов А.В. Имитационное компьютерное моделирование инверторов с промежуточным высокочастотным преобразованием // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. Докл. ХІІІ МНТК студентов и аспирантов: B 3-х т. – М.: Издательский дом МЭИ, 2008. – Т.2. С.72-73.

8. Мыцык Г.С., Хлаинг Мин У. Об особенностях проектирования обмоток высокочастотных трансформаторов // Электротехнические комплексы автономных объектов. Сборник научных статей. Страницы истории кафедры. – М.: Издательский дом МЭИ, 2008. – С.52÷64.

_________________


Подписано в печать Зак. Тир. П.л.

Полиграфический центр МЭИ (ТУ)

Красноказарменная ул., д.13