Содержание к диссертации
Список принятых сокращений 6
Введение 7
1. АВТОНОМНЫЕ МАЛОМОЩНЫЕ УСТАНОВКИ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ С
НИЗКОВОЛЬТНЫМИ ПЕРВИЧНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ 13
Основные группы маломощных автономных установок электропитания 13
Первичные источники установок первой группы 15
1.3. Первичные источники установок второй группы (длительно
работающих в условиях, исключающих возможность технического
обслуживания) 21
1.3.1. Маломощные радиоизотопные термоэлектрические генераторы 27
1.3.2. Примеры использования радиоизотопных термоэлектрических
генераторов в установках второй группы 32
1.4.Особенности автономных маломощных установок электропитания 39
1.5. Структурная схема автономной маломощной установки электропитания
с низковольтными первичными источниками электрической энергии 43
1.6. Основные требования к низковольтным транзисторным
преобразователям напряжения автономных маломощных установок
электропитания 45
1.7. К истории вопроса создания маломощных транзисторных
преобразователей низкого постоянного напряжения с повышенным КПД 48
Выводы 53
2. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С ПОВЫШЕННЫМ КПД ДЛЯ АВТОНОМНЫХ
МАЛОМОЩНЫХ УСТАНОВОК ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ С
НИЗКОВОЛЬТНЫМИ ПЕРВИЧНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ 54
2.1. Недостатки преобразователей с обратной связью по напряжению 54
Однотрансформаторные преобразователи с обратной связью по току нагрузки 58
Однотрансформаторные преобразователи с обратной связью по току нагрузки с уменьшенными напряжениями на закрытых транзисторах 66
2.4. Однотрансформаторные преобразователи с уменьшенными
динамическими потерями в транзисторах 71
Однотрансформаторные преобразователи с обратной связью по току нагрузки с ограниченным током короткого замыкания (защитой от КЗ) 74
Преобразователи с обратной связью по току нагрузки с увеличенным коэффициентом преобразования входного напряжения 77
2.6.1.Ограниченность коэффициента преобразования входного
напряжения однотрансформаторных преобразователей с ОС по току 77
2.6.2. Однотрансформаторные преобразователи с ОС по току с
увеличенным коэффициентом преобразования входного напряжения 78
Однотрансформаторные преобразователи на полевых транзисторах 82
Двухтрансформаторные преобразователи с обратной связью по току 84
Полумостовые и мостовые однотрансформаторные преобразователи с обратной связью по току нагрузки 90
Однотрансформаторные преобразователи с обратной связью по току
нагрузки для заряда емкостных накопителей 92
2.9. Преобразователи сверхнизких постоянных напряжений для заряда
аккумуляторов 100
2.10. Стабилизированные однотрансформаторпые преобразователи с
обратной связью по току нагрузки 106
Выводы 109
3. ОСНОВЫ ТЕОРИИ МАЛОМОЩНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С МАКСИМАЛЬНЫМ КПД 110
Общие положения 110
Потери в маломощном трансформаторе преобразователя 112 3.2.1. Основное расчетное уравнение трансформатора преобразователя 115
3.3. Расчет маломощных трансформаторов преобразователей на
максимальный КПД 116
3.3.1. Перегрев маломощных трансформаторов преобразователей,
рассчитанных на максимальный КПД 133
3.4. Экспериментальное исследование маломощных трансформаторов
преобразователей, рассчитанных на максимальный КПД 134
3.5. Оптимальная геометрия маломощных трансформаторов
преобразователей с максимальным КПД 136
Выводы 140
4. ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ НИЗКОВОЛЬТНЫХ МАЛОМОЩНЫХ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С ОС ПО ТОКУ НАГРУЗКИ НА МАКСИМАЛЬНЫЙ
КПД 142
Общие положения 142
Рекомендации по выбору схемы преобразователя 143
4.3. Динамические потери в транзисторах однотрансформаторных
преобразователей с обратной связью по току нагрузки 146
Расчет транзисторной части преобразователей с обратной связью по току на максимальный КПД 154
Расчет диодной части преобразователей с ОС по току на максимальный КПД 168
Выбор оптимальной частоты преобразования 173
4.7. Выбор материала магнитопровода для трансформаторов
преобразователей с повышенным КПД 180
4.8. Расчет маломощных трансформаторов преобразователей
на максимальный КПД 184
4.9. Зависимости максимального КПД преобразователей с обратной связью
по току от величины входного напряжения и мощности 187
4.10. Вопросы надежности однотрансформаторных преобразователей
с обратной связью по току с повышенным КПД 190
4.10.1. Пути повышения надежности однотрансформаторных
преобразователей с обратной связью по току 195
Выводы 204
5. АВТОНОМНЫЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ МЕДИЦИНСКИХ
ПРИБОРОВ. ИМПЛАНТИРУЕМЫЕ ЭЛЕКТРОКАРДИОСТИМУЛЯТОРЫ С
УВЕЛИЧЕННЫМ ВРЕМЕНЕМ НЕПРЕРЫВНОЙ РАБОТЫ 206
5.1. Общие положения * 206
5.2. Основные пути увеличения времени непрерывной работы
имплантируемых электрокардиостимуляторов 209
5.3. Электрофизиологические аспекты электрической стимуляции сердца 218
5.4. Экспериментальное исследование пороговых характеристик
возбудимости сердца 222
5.5. Схема замещения входной цепи сердца 228
Изменение параметров системы электрод-сердце во время длительной стимуляции 232
Влияние формы стимулирующего импульса на пороговую энергию стимуляции 235
5.8. Способы стимуляции сердца 238
Стимуляция импульсами тока и напряжения 238
Стимуляция сердца импульсами с постоянным зарядом 245
5.9. Имплантируемые электрокардиостимуляторы с постоянным
зарядом импульса 252
Выводы 258
Заключение 259
Список литературы 263
Приложение 275
Список принятых сокращений
АМУ - автономная маломощная установка электропитания
ПИ - первичный источник электрической энергии
ППН - преобразователь постоянного напряжения в постоянное
ТГ - термоэлектрический генератор
РТГ - радиоизотопный термоэлектрический генератор
СБ - солнечная батарея
АБ - аккумуляторная батарея
ЛЛ - люминесцентная лампа
ЛН - лампа накаливания
ОІТПН - однотрансформаторный преобразователь постоянного напряжения в
постоянное МТ - маломощный трансформатор ЭКС - электрокардиостимулятор ФИ - формирователь стимулирующих импульсов МС - межэлектродное сопротивление УМБ - установленная мощность батареи
Введение к работе
Автономные маломощные (до 60-ьІОО Вт) установки электропитания (АМУ) широко используются в различных областях техники, медицины, спорта и в быту.
Автономные установки жизненно необходимы при отсутствии централизованного электроснабжения или при его частых временных перебоях, а также во время стихийных бедствий и катастроф.
АМУ применяются для питания переносных радиостанций, различных маяков, бытовых, медицинских и спортивных электроприборов и др.
Большую группу АМУ составляют установки длительно (в течение нескольких лет) работающие в условиях, практически полностью исключающих возможность технического обслуживания и ремонта. К ним относятся АМУ для метеорологических, геофизических и океанологических станций, буев для сбора океанографической информации, навигационных надводных и подводных маяков и др., работающих в труднодоступных, отдаленных незаселенных районах Земного шара, необитаемых островах, морских глубинах.
В различных районах России используется около тысячи таких установок различного назначения. Радиомаяки, расположенные на трассе Северного Морского пути, значительно повышают безопасность навигации в этом районе Земного шара.
К этой же группе также относятся АМУ имплантируемых, т.е. вживляемых в организм человека, медицинских аппаратов, среди которых наибольшее распространение получили электрокардиостимуляторы (ЭКС). В настоящее время в мире ежегодно проводится 45СМ-500 тысяч операций по имплантации ЭКС. Только
в России выпускается 25-30 тыс. шт. ЭКС в год.
Основными направлениями совершенствования автономных установок электропитания являются: увеличение времени непрерывной работы (ВНР), повышение надео/сности, снижение массы, габаритов и стоимости,
В качестве первичных источников электрической энергии (ПИ) в АМУ
используются аккумуляторы и гальванические элементы, различные
термоэлектрические генераторы, термоэмиссионные преобразователи, солнечные
батареи (СБ), топливные и ампульные элементы, тепловые химические источники
- тока и др.
Отличительной особенностью рассматриваемых ПИ является их низкое (1-ИЗ В, реже 6-И2 В) или даже сверхнизкое (0,4-=-0,5 В) выходное напряжение, непригодное для питания большинства потребителей.
В связи с этим каждая из установок включает низковольтный
транзисторный преобразователь постоянного напряжения (І7ПН). ППН согласует
низкое напряжение ПИ с напряжениями потребителей и является важнейшим и
неотъемлемым узлом установки. К низковольтному ППН предъявляется ряд
4требований, главными из которых являются КПД и надежность.
Через ППН проходит вся мощность нагрузки АМУ, поэтому его КПД позволяет при заданной энергоемкости ПИ пропорционально увеличить ВНР АМУ. В автономных установках, длительно работающих в условиях, исключающих техническое обслуживание, это дает возможность увеличить периодичность замены АМУ, т.е. значительно снизить затраты на новую АМУ, ее транспортировку, монтаж и т.д. В ряде случаев повышение КПД ППН позволяет использовать ПИ
меньшей мощности, т.е. значительно уменьшить габариты и стоимость АМУ.
Увеличение КПД ППН всегда приводит к повышению его надежности. Схемы низковольтных ППН с повышенным КПД имеют относительно меньшее число элементов. Электрические нагрузки на элементы ППН с повышенным КПД невелики, что и обеспечивает высокую надежность ППН, а, следовательно, и АМУ в целом.
Получение высокого КПД ППН при низких входных напряжениях и малых мощностях является сложной научно-технической проблемой, до последнего - времени не нашедшей окончательного решения. Разработкой ППН с повышенным КПД для АМУ с низковольтными ПИ занимаются многие научно-технические организации: ВНИИТФА (бывш. ВНИИРТ), НПО Квант, АО ПОЗИТ и др. Одними из первых этой проблемой начали заниматься в Московском энергетическом институте (ТУ) д.т.н., проф. В.Г. Еременко и автор данной работы. Литературный обзор по ППН для АМУ с низковольтными ПИ (см. главу 1) показал, что в опубликованных работах не рассмотрены схемы ППН, позволяющие удовлетворить современным требованиям к АМУ, особенно по ВНР и надежности. В теоретическом плане остались без внимания следующие важные вопросы: методологии выбора схемы ППН, разработки маломощных трансформаторов (МТ) с максимальным КПД, определения динамических потерь в транзисторах ППН с обратной связью (ОС) по току нагрузки, выбора оптимальной частоты работы ППН, выбора материала магаитопровода, обеспечивающего минимальные потери в МТ.
Среди вышерассмотренных, отдельной проблемой является увеличение ВНР и повышение надежности АМУ медицинских приборов, наиболее многочисленную
группу которых составляют ЭКС. Увеличение ВНР ЭКС может быть достигнуто, наряду с повышением КПД его электронной части (низковольтного ППН), уменьшением расхода энергии на стимуляцию сердца.
В области имплантируемых ЭКС не проведено энергетическое сравнение различных способов стимуляции сердца и не исследован способ стимуляции импульсами с постоянным электрическим зарядом и реализующие его схемы, позволяющие уменьшить расход энергии на стимуляцию и повысить ВНР и надежность ЭКС.
Вышеизложенное показывает насколько была необходима разработка и исследование низковольтных ППН с повышенными КПД и надежностью для широкого круга АМУ, отвечающих современным требованиям по ВНР и надежности.
Это определяет важность, научную актуальность и практическую значимость выбранной темы исследований.
Целью данной диссертационной работы является увеличение времени непрерывной работы, повышение надежности, снижение массы, габаритов и стоимости широкого круга автономных маломощных установок электропитания с низковольтными первичными источниками электрической энергии.
Для достижения указанной цели в диссертации решены следующие задачи.
Проведен анализ широкого круга АМУ с низковольтными ПИ и сформулированы основные требования к их ППН.
Выбран и разработан класс ППН с обратной связью (ОС) по току нагрузки, имеющих повышенный КПД при низких входных напряжениях и высокую
надежность.
Созданы методики расчета и проектирования низковольтных ППН с ОС по току нагрузки на максимальный КПД.
Разработан способ стимуляции сердца импульсами с постоянным электрическим зарядом с уменьшенным расходом энергии на стимуляцию сердца.'
Разработаны схемы ЭКС, реализующие способ стимуляции импульсами с постоянным зарядом, позволяющие увеличить ВНР имплантируемых ЭКС.
Для решения поставленных задач было проведено теоретическое и широкое
- экспериментальное сравнение основных схем ППН. Проведен глубокий патентный
поиск по ППН. Это позволило выбрать класс схем ППН с ОС по току нагрузки,
имеющих повышенный КПД при низких входных напряжениях и высокую
надежность.
В дальнейшем были разработаны и исследованы:
Основы теории ППН с ОС по току нагрузки.
Основы теории маломощных трансформаторов (МТ) ППН с максимальным КПД. - .
Методика расчета и проектирования МТ ППН.
Методика расчета транзисторной части ППН на максимальный КПД.
Исследованы возможности снижения расхода энергии на стимуляцию сердца.
Разработанные ППН при низких входных напряжениях 0,4ч-12В и малых мощностях (от долей до десятков Вт) имеют КПД 60^-96%,
Разработанный способ стимуляции позволяет в 1,3-5-1,5 раза уменьшить расход энергии на стимуляцию сердца.
*
*
Результаты работы позволяют значительно увеличить время непрерывной
работы и повысить надежность широкого круга автономных маломощных
установок электропитания с низковольтными первичными источниками, а также
расширить область использования принципиально низковольтных первичных
источников (термоэмиссионные преобразователи, радиоизотопные
термоэлектрические генераторы и др)
В заключение отметим, что значение автономной энергетики, в частности
автономных маломощных установок электропитания, определяется не ее долей в
, энергетическом балансе России, а возможностью удовлетворить потребности в
электроэнергии научно-исследовательского, бытового и различного другого
оборудования) особенно в отдаленных или труднодоступных районах страны.
Забродину Ю.С.
кл\н., с.н.с.
Выражаю искреннюю и глубокую благодарность моим друзьям и коллегам, которые словом, советом и делом оказывали мне помощь в работе над диссертацией: дл\н. проф. Еременко В.Г., д.т.н., проф Шумову М.А., н.с. Попову Б.А.
Особая благодарность к.т.н., с.н.с. Румянцеву М.Ю., который взяд на себя труд прочитать рукопись диссертации и сделал все для того, чтобы она стала лучше.
