Содержание к диссертации
Введение
Постановка и задачи исследования 11
Глава 1. Состояние и перспективы применения полупроводниковых пре
образователей для систем автономного электропитания 13
Анализ требований, предъявляемых к системам автономного электропитания с учетом обеспечения электромагнитной совместимости 13
Принципы построения, структуры и элементная база полупроводниковых преобразователей для автономных систем электропитания 20
Преобразователи с естественной коммутацией 20
Модуляционные источники вторичного электропитания 25
Преобразователи с использованием реактивных накопителей энергии (корректоры коэффициента мощности) 37
1.3. Критерии качества выходной и потребляемой энергии ____ 39
Выводы по 1-ой главе 40
Глава 2. Анализ и расчет статических и энергетических характеристик
ступенчатых преобразователей переменного напряжения в по
стоянное с широтно-импульсным регулированием 41
2.1. Математическое представление способов формирования токов и
напряжений ступенчатых преобразователей 41
Математическое представление выходного напряжения и выходного тока 41
Математическое описание входного тока 45
2.2. Способы формирования и регулирования выходного напряжения в
ступенчатых преобразователях 47
Однофазные ступенчатые преобразователи ________________ 64
Трёхфазные ступенчатые преобразователи напряжения 89
Инверсные ступенчатые преобразователи ____ ^02
Вывод ы по 2~о и главе 113
Глава 3. Исследование частотных свойств и электромагнитных про
цессов в ступенчатых преобразователях __ 115
Гармонический анализ напряжения на выходе и тока на входе однофазного ступенчатого преобразователя __^ __ 115
Гармонический состав выходного напряжения инверсного ступенчатого преобразователя 130
Расчет и анализ переходных и квазиустановившихся процессов в ступенчатых преобразователях 139
Выбор метода анализа 139
Анализ переходных процессов при отсутствии постоянной составляющей напряжения 144
Анализ переходных процессов при наличии постоянной составляющей напряжения 150
Выводы по 3-ей главе ________ 162
Глава 4 Частотный синтез систем с широтно-импульсной
модуляцией ./63
4.1. Ступенчатый преобразователь напряжения как звено системы ав-
томатического регулирования 163
4.2. Частотный анализ одномерных систем на основе метода искусст
венной периодизации 167
Непрерывные модели "вход-выход 167
Дискретные модели "вход-выход " 171
4.2.3. Модели, описываемые дифференциально-разностными
уравнениями / 79
Непрерывные модели в пространстве состояний ___^__ 181
Дискретные модели в пространстве состояний 187
4.3. Частотный алгоритм анализа систем с широтно-импульсной моду
ляцией задающих воздействий 193
Частотный алгоритм анализа переходных процессов при широтно-импульсной модуляции 198
Синтез систем с широтно-импульсной модуляцией входных воздействий 205
Выводы по 4-ой главе 213
Глава 5. Математическое описание и анализ коммутационных и
тепловых процессов в силовых модулях ступенчатых
преобразователей 214
Силовая электроника в современных автономных системах электропитания 214
Математическое описание коммутационных потерь в силовых модулях IGBT 218
Сравнительный анализ и математическое описание еольтамперных
характеристик 1GBT 223
5.4. Математическое описание тепловых процессов в силовых
модулях 237
Выводы по 5-ой главе 249
Глава 6 Компьютерное и экспериментальное исследование многоуровне
вых преобразователей для АСЭ 250
Обоснование и выбор системы компьютерного моделирования 250
Компьютерное моделирование однофазных ступенчатых преобра-
зователеи на активную нагрузку 257
Компьютерное моделирование однофазных ступенчатых преобразователей на активно-индуктивную нагрузку __ 264
Компьютерное моделирование инверсных ступенчатых преобразователей __ 2 73
Разработка инвариантного способа управления ступенчатым преобразователем напряжения 291
Экспериментальное исследование ступенчатых преобразователей напряжения 301
Выводы по 6-ой главе 304
Заключение 304
Список используемых источников „____^_________„ 306
ПРИЛОЖЕНИЕ 331
Акты об использовании результатов работы ____ 332
Расчет показателей качества входной и выходной энергии при различ
ных способах формирования и регулирования выходного напрялсения
многоуровневых преобразователей 339
Программы анализа статических и энергетических характеристик
ступенчатых преобразователей 363
Описание принципа работы схемы управления ступенчатым преобразо
вателем напряжения 3 72
Моделирование ступенчатых преобразователей напряжения 382
Описание системы управления ступенчатым преобразователем в ре
жиме стабилизации напряжения ___— ___ 391
Расчет переходных характеристик систем с ШИМ 398
Токи в фазах первичной обмотки трансформатора при различном ха
рактере нагрузки ступенчатого преобразователя напряжения 405
Условные обозначения.
ЛСЭ - автономная система электропитания
ШИМ - широтно-импульсная модуляция
ШИП - широтно-импульсный преобразователь
АИМ - амплитудно-импульсная модуляция
ЧИМ - частотно-импульсная модуляция
ЭМС - электромагнитная совместимость
СЭС - судовая электроэнергетическая система
ИВЭП - источник вторичного электропитания
ИП - источник питания
ТУ - технические устройства
РЭА - радиоэлектронная аппаратура
ГРЩ - главный распределительный щит
КСУ - комплексная система управления
СЦП - система централизованного электропитания
КЭТС - корабельная электротехническая система
ДПТ - двигатель постоянного тока ;
УВ - управляемый выпрямитель
СУЭЭС - система управления электроэнергетической системой
ЕК - естественная коммутация
ИК - искусственная коммутация
ТКИС - трансформаторно-ключевые исполнительные системы
ИМП - импульсно-модуляционные преобразователи
КПД - коэффициент полезного действия
МИВЭ - модуляционные источники вторичного электропитания
МИМ - многозонная импульсная модуляция
ЛМ - линейная модуляция
ФМ - фазовая модуляция
КМ - комбинированная модуляция
ККМ - корректор коэффициента мощности
FK - коммутационная функция
у - относительная продолжительность замкнутого состояния ключа в силовой
цепи Q - угловая частота коммутационной функции а - начальная фаза коммутационной функции Ud - среднее значение выходного напряжения Кп - коэффициент пульсаций
Кн - коэффициент несинусоидальности входного тока cos фі - коэффициент сдвига по фазе первой гармоники тока питающей сети
относительно питающего напряжения Км - коэффициент мощности Ід - действующее значение входного тока m - число фаз питающей сети
q - число коммутаций на интервале п
tn - длительность импульса напряжения на нагрузке [сек]
Тк - период коммутации [сек]
со = 2тгї - угловая частота источника питания [рад/сек]
ТК - транзисторный ключ с односторонней проводимостью
КЛ - транзисторный ключ с двухсторонней проводимостью
ZH - сопротивление нагрузки в [Ом]
т - символ траспонирования
D0, U — относительная постоянная и относительная переменная
составляющие сигнала управления фу- начальная фаза управляющего сигнала 32 j (М) - функция Бесселя первого рода (2р+1)го порядка. М = racUy
аргумент функции Бесселя 32р (М) - функция Бесселя первого рода 2р ~г порядка
GTO - запираемый тиристор
Smart Power 1С - интеллектуальные силовые интегральные схемы
IGBT -биполярный транзистор с изолированным затвором
МОП - полевой транзистор с изолированным затвором (MOSFET)
АЦП - аналогово-цифровой преобразователь
ОЭВМ - однокристальная электронно-вычислительная машина
Введение к работе
Одной из устойчивых тенденций развития производственных технологий является все более широкое внедрение силовой электроники,
Силовая электроника является наиболее интенсивно развивающейся и перспективной областью техники. В [ 244 ] отмечается, что в XXI веке две технологии будут иметь наибольшее значение - компьютеры и силовая электроника с электроприводом. Первая станет выполнять функции разума, а последняя - мускулов. Значительное увеличение доли силовой электроники приводит к существенным искажениям сетевого напряжения и тока, вызывая отрицательное влияние на питающую сеть.
Технико-экономические показатели (надежность, энергопотребление, объем, масса) электронной аппаратуры объекта техники (вычислительных систем, аппаратуры связи, транспортного средства, комплексных систем управления (КСУ)) неразрывно связаны с характеристиками систем электроснабжения.
Полупроводниковые преобразователи электрической энергии являются одним из наиболее распространенных технических устройств, работающих на разветвленную сеть потребителей. От степени искажения потребляемого ими из питающей сети тока существенно зависит качество напряжения в сети и значение потерь активной мощности. В свою очередь, от качества выходной энергии преобразователей существенно зависит эффективность работы электропотребителей, получающих питание от них. Поэтому повышение качества преобразования и использования электрической энергии является актуальным в аспекте обеспечения энергосбережения [ 2, 3, 29, 35, 89, 100, 101, 165, 166, 183, 209-211, 241 ].
О государственной значимости этой проблемы свидетельствует принятие нового российского ГОСТ на качество электрической энергии [ 1, 205].
Перспективы развития теории систем электропитания автоматики
транспорта и их практического использования неоднократно
рассматривались на международных; научных конференциях и симпозиумах (Международный симпозиум «Энергетика-96», Санкт-Петербург, 1996; 3-я Международная научно-техническая конференция «Математическое моделирование в электротехнике, электронике, электроэнергетике, Львов, 1999; 6-я Международная конференция «Проблемы современной электротехники», Киев, 2000; 6-ой Международный симпозиум по ЭМС и электромагнитной экологии, Санкт-Петербург, 2001.), а также на страницах ведущих научных журналов (Электричество; Электротехника, Изв. высш. учебн. заведений «Энергетика», Изв. высш. учебн. заведений «Электромеханика», Изв. высш. учебн. заведений «Приборостроение», ШЕ Trans Industry AppHcal и др).
В автономных системах электропитания (АСЭ) потребители электрической энергии, имеющие различный характер нагрузки, получают питание от одной распределительной сети, которая должна обеспечивать надежное снабжение всех потребителей при требуемом качестве электроэнергии.
Значительная часть оборудования имеет в своем составе выпрямители, сварочные установки, агрегаты бесперебойного питания, особенностью которых является работа на разветвленную сеть потребителей с нелинейным характером нагрузки. [ 10, 25, 35, 38, 45, 46, 125, 132, 136, 143, 185, 192, 195, 196, 201 ].
Воздействие потребителей с нелинейными характеристиками на сеть заключается в генерации ими высших гармонических составляющих тока и напряжения. Высшие гармоники повышают вероятность возникновения резонансных явлений, нарушают нормальную работу вычислительной техники, устройств релейной защиты и автоматики; в результате повышенного нагрева токами высших гармоник происходит ускоренное старение изоляции электрических машин и кабелей и т.д. В связи с этой
проблемой остро встает вопрос об обеспечении в системах электроснабжения электромагнитной совместимости^ 20, 28, 71, 78, 83, 142, 206, 241, 247-258].
Проблема обеспечения ЭМС характеристик силовых
полупроводниковых преобразователей и других элементов - одна из
центральных для судовых систем электроэнергетики. Электромагнитная
совместимость полупроводниковых преобразователей носит
системотехнический характер и оценивают ее с помощью методов исследования электромагнитных процессов как в судовых электроэнергетических системах (СЭС), так и в системах электропитания устройств автоматики. [ 3, 10, 11, 78, 79, 82-84, 87, 88, 90, 96, 97, 101, 102, 121, 132, 184].
Надежность и высокое качество функционирования ответственных потребителей предопределило актуальность двух взаимосвязанных задач [16, 17,85,86,89,116,136]:
определение требований к качеству электроэнергии, используемой при работе устройств автоматики и вычислительной техники;
обеспечение этих требований при проектировании и эксплуатации средств автоматики.
Определение требований к качеству электроэнергии осуществляется разработчиками аппаратуры автоматики и обуславливается точностью устройств. По мере усложнения задач, решаемых электронной аппаратурой, происходит повышение требований к ее точности, и следовательно, к качеству электроэнергии.
Для устройств автоматики и вычислительной техники постоянного тока, эти требования сводятся в основном к стабильности напряжения питания в статических и динамических режимах. [ 16, 17, 35, 85,-88, 96, 97, 116, 133, 148, 152, 154, 173,169, 181, 189, 191, 206].
Особо сложной и трудно разрешаемой задачей является задача обеспечения стабильности напряжения в автономных подвижных объектах,
где всегда имеют место жесткие ограничения на массогабаритные показатели оборудования.
Регулируемые электроприводы являются основой автоматизации управления многими производственными процессами. Современные устройства и технологии требуют от электропривода хороших регулировочных свойств, высоких быстродействия и надежности, понижения вносимых системой «преобразователь-электродвигатель» искажений в сетевое напряжение. [ 34, 38, 100, 101, 132, 143, 192, 195, 196, 254, 256].
Достижения в области микроэлектроники, непрерывное совершенствование силовых полупроводниковых приборов и средств реализации импульсно-модуляционных методов преобразования (формирование новых структур построения, создание эффективных схемотехнических решений устройств и систем) позволяют максимально использовать потенциальные возможности импульсных методов преобразования и регулирования (стабилизации) электрической энергии и в силовой преобразовательной технике.
Перспективными являются импульсжьмодуляционные преобразователи, в основу которых положен принцип воспроизведения входного модулирующего воздействия на выходе с применением ступенчатого преобразования параметров электрической энергии [11, 76, 82, 84, 95, 97, 98, 133, 134, 140, 141]. Такие преобразователи позволяют повысить скорость управления энергетическим потоком и на этой основе повысить ЭМС, снизить загрузку питающих сетей неактивными составляющими мощности. Качество динамических процессов в преобразователях со ступенчатым формированием и регулированием выходного напряжения - дискретных системах регулирования, может быть обеспечено лишь при разработке эффективных методов синтеза структуры и параметров закона управления. В настоящее время получили широкое развитие методы синтеза замкнутых систем, основанные на решении оптимизационных задач, характеризующие качество процессов управления. [ 12, 72, 91-93, ПО, 112, 129, 144].
Существующие методы управления в модульных и многоканальных системах [92, 147] имеют недостаточную эффективность или сложную реализацию регулирующих устройств, которая не учитывает нелинейные свойства систем. При этом приходится решать сложные процедуры оптимизации функционалов, характеризующих степень близости реальной траектории тока (напряжения) к назначенной и разработки полной математической модели.
Точность формирования требуемых траекторий полезной составляющей и степень подавления пульсирующей составляющей напряжения определяют качество преобразователя- Следовательно, задача синтеза управления, обеспечивающего желаемые статические и динамические характеристики, является актуальной.
Постановка задачи исследования.
В данной диссертационной работе предлагается решить следующий комплекс задач:
теоретически обосновать и разработать новые способы формирования и регулирования выходного напряжения с использованием многоуровневого принципа преобразования параметров электрической энергии, широтно-импульсного регулирования и с применением многократной коммутации за период сетевого напряжения;
развить теорию анализа и рассчитать статические и энергетические характеристики многоуровневых преобразователей в составе АСЭ с заданными показателями качества электрической энергии;
провести исследование частотных свойств и переходных процессов в многоуровневых преобразователях;
разработать частотный подход к анализу и синтезу одномерных систем с широтжьимпульсной модуляцией, заданных в виде моделей «вход-выход»;
провести исследование электромагнитных и тепловых процессов в силовых модулях преобразователей;
разработать преобразователи на основе новых способов формирования и регулирования выходного напряжения для АСЭ;
выполнить проверку достоверности предложенных теоретических разработок и рекомендаций экспериментальными исследованиями на лабораторных макетах и промышленных образцах с применением компьютерного моделирования;
Диссертационная работа выполнялась в рамках научно-технической программы «Оптимум» по научному направлению «Разработка новых полупроводниковых преобразователей расширенного диапазона регулирования, высокого быстродействия^ 1983- 1987гг.), научно-технической программы «Университеты России» по направлению «Новые технологии и автоматизация производственных процессов в машиностроении» (1994-1996гг.), межвузовской научно-технической программы «Университеты России - фундаментальные исследования» по разделу «Физика современных радиоэлектронных технологий» (1997-1998гг.), программы «Научные исследования высшей школы в области производственных технологий по разделу «Электроника» (1999-2001гг.)
