Введение к работе
Актуальность темы. В последнее время наблюдается тенденция перехода от дроссельных к электронным пускорегулирующим аппаратам (ЭПРА) или иначе -электронным балластам для осветительных ламп высокого давления (натриевых и металл-галогенных). Достоинства применения ЭПРА по сравнению с электромагнитными балластами: высокий коэффициент мощности (0,98-0,99); отсутствие низкочастотной пульсации светового потока; больший срок службы лампы за счёт контролирования мощности - «мягкого» старта и стабилизации мощности при старении лампы; возможность регулирования мощности и соединения ЭПРА в интеллектуальные сети (по протоколам DALI, RS485, PLC и т.д.); высокий КПД - 95%; меньшие массо-габаритные параметры.
Повышение эффективности и КПД п/п светодиодов, а также совершенствования технологии их производства, сделали их превосходной альтернативой осветителям, построенным на базе ламп накаливания и ламп дневного света наряду с малым энергопотреблением, светодиоды обладают большей долговечностью, низкими затратами на эксплуатацию и не содержат опасных химических элементов.
Активное распространение светодиодных осветителей заставляет правительства разных стран устанавливать жесткие требования к их техническим характеристикам, чтобы гарантировать выполнение задач по уменьшению энергопотребления. К примеру, правительство Китая подсчитало, что если перевести лишь треть сущес-ствующих осветителей на светодиодные, они сэкономят 100 млн кВт-ч и снизят выбросы СОг в атмосферу на 29 млн тонн.
Для обеспечения максимального энергосбережения вторичные источники тока (ВИТ), применяемые для питания газоразрядных или полупроводниковых осветителей от первичной сети переменного тока, должны содержать в входной выпрямительной цепи так называемые активные корректоры коэффициента мощности (ККМ или PFC). В их задачи входит обеспечение не только синусоидальной формы потребляемого из сети тока, но и его синфазности с сетевым напряжением. Классические ККМ, применяемые практически во всех вторичных источниках питания (ВИП), представляют собой повышающий импульсный модулятор и выходной фильтрующий (буферный) электролитический конденсатор с относительно большой энергоемкостью.
Самая серьезная проблема возникает при наружном применении электронных балластов, например, в диапазоне температур от -40...60С до +105...120С (вблизи
разогретого осветителя). Импеданс и допустимый ток пульсаций у силового фильтрующего электролитического конденсатора ухудшается при температуре -40С в 12-13 раз. Кроме того, «холодный» запуск приводит к резкому снижению ресурса работы конденсатора. При повышенных температурах появляется необходимость применения специальных электролитических конденсаторов с гарантированным пределом в 105С (и более), срок службы которых существенно снижен.
Аналогичные проблемы возникают в области применения сварочных аппаратов, а также статических и аккумуляторных зарядных устройств наружного применения. Здесь уместно отметить бурный рост перспективных по экологии и энергоэкономии электромобилей. Зарядные устройства для их аккумуляторов в большинстве случаев не смогут располагаться в обогреваемых помещениях. Это также делает целесообразным разработку и широкое использование энергосберегающих ВИТ наружного применения.
Широко применяются также циклические зарядные устройства с высоковольтным ёмкостным накопителем, используемым в качестве генератора импульсов тока (ГИТ), имеющего высокую мощность импульса (МВт) при относительно низких частотах следования импульсов (от 0,1 до 100 Гц). Такие генераторы используются в системах питания импульсных лазеров, антиобледенительных вибраторов, ионно-плазменных инжекторов и двигателей, систем преднамеренного или имитационного электромагнитного воздействия, проблесковых огней и др. Во многих случаях эти ВИТ предполагают наружное применение (на земле, на летательных аппаратах и судах). Для этих устройств в случае их длительной работы также важны вопросы обеспечения максимальной энергоэкономичности.
Вопросам повышения энергоэкономичности, в частности - повышения коэффициента мощности, снижения гармонических искажений во входной цепи и повышения КПД ВИП посвящено большое количество работ. Однако подавляющее их большинство не рассматривают возможность исключения энергоемких электролитических конденсаторных фильтров из схем ВИП, что существенно затрудняет их применение в широком диапазоне температур окружающей среды. Кроме того, в них недостаточное внимание уделяется рекуперации и транзиту в нагрузку энергии, накапливаемой в цепях защиты полупроводниковых приборов от перенапряжений, а также от сквозных, диодно-инверсных и трансформаторно-насыщающих сверхтоков. Помимо этого следует констатировать зачастую неоправданный выбор силовых схем с высокочастотными конденсаторами, обладающими кроме плохих массо-габа-
ритных и надежностных показателей ещё и большими собственными потерями и вызывающими большие потери в колебательных цепях. Это также снижает энергоэкономичность силовых схем ВИП.
Исходя из вышеизложенного проблема разработки схемотехнических средств повышения энергоэкономичности ВИТ наружного применения представляется весьма актуальной.
Упрощенно-сконцентрированно можно основную цель исследований свести к минимизации целевой функции обобщённого энергетического показателя для ВИТ наружного применения:
(1 -* *7)->min , где х - коэффициент мощности на входе ВИТ, л - КПД, при заданных ограничениях (например, Up0є[-60С...+115С]).
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы являются разработка схемотехнических средств повышения энергоэкономичности вторичных источников тока (ВИТ) за счёт активной коррекции коэффициента потребляемой мощности (снижения потерь в питающей сети), повышения КПД и функционального регулирования выходной мощности ВИТ (с учётом заданных показателей надёжности и помехоэмиссии, в климатических условиях наружного применения).
Достижение поставленной цели предполагает решение ряда задач, среди которых:
анализ и выбор направлений модернизации известных и разработки новых решений;
разработка новых схемотехнических решений для энергосберегающих ВИТ наружного применения;
аналитическое и компьютерное моделирование процессов и зависимостей, расчёт основных параметров;
экспериментальные исследования, подтверждение теоретических положений, разработка рекомендаций по выбору решений, расчёту и проектированию.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались
общепринятые в электротехнике и теории электрических цепей аналитические методы и современные средства компьютерного моделирования с применением специализированного пакета прикладных программ PSPICE.
Достоверность теоретических положений и полученных результатов схемно-компьютерного моделирования подтверждена экспериментальными исследовании-
ями на специально разработанном и изготовленном унифицированном стенде, на макетных и опытных образцах.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
сформулированы и обоснованы вспомогательные критерии энергосберегающей, надёжностной и помехоэмиссионной эффективности схем ВИТ наружного применения:
предложен и детализирован новый принцип совмещения в индуктивном звене выпрямленного тока буферной функции с коррекцией коэффициента потребляемой мощности и с обеспечением прямоугольной формы выходного тока, позволяющий исключить многокаскадность преобразования и нетермостабильный электролитический буфер;
развиты и модернизированы малоизученные обратимые способы расщепления (размножения) тока и деления (умножения) напряжения, позволяющие снизить уровень потерь и помехоэмиссии и осуществить модульное наращивание мощности;
определены зависимости спектрального состава напряжений на элементах понижающего ШИМ-конвертора от коэффициента регулирования; получены выражения для граничных значений тока дросселя, необходимых для его проектирования;
для корректора коэффициента мощности (ККМ) получены соотношения, позволяющие синтезировать структурную схему управления;
для регулятора выпрямленного тока предложена методика расчёта управляемых процессов, позволяющая существенно снизить энергоёмкость конденсаторного фильтра (исключить электролитические конденсаторы);
для ВИТ на базе мостового инвертора с интегрированным трансреактором получены регулировочная характеристика, соотношения для расчёта трансреактора с учётом заданных пульсаций выходных токов и напряжений, а также схемы замещения, пригодные для компьютерного моделирования.
для расщеплённых ККМ предложена методика расчёта максимальных токов и напряжений, необходимых для их выбора и обобщённых на другие повышающие модуляторы;
разработаны схемно-компьютерные модели вторичных источников однопо-лярного и прямоугольно-двуполярного тока, состыкованные с моделями схем управления.
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным использованием исходных теоретических и экспериментальных данных, компьютерным моделированием и поэтапной верификацией теоретических выкладок с экспериментальными данными, полученными в ходе лабораторно-стендовых и всесторонних испытаний макетных и опытных образцов.
Практическая ценность работы:
схемотехнически решена задача исключения из состава ВИТ относительно нетермостойкого и недолговечного электролитического конденсаторного буфера с переложением его функции на дроссельное звено выпрямленного тока;
предложены однокаскадные схемы ВИТ имеющие повышенные надёжность и КПД по сравнению с известными многокаскадными схемами;
разработаны схемотехнические способы повышения эффективности помехо-эмиссионных подавителей и защитно-демфирующих цепочек, а также способы снижения статических и коммутационных потерь;
предложен ряд схем ВИТ с использованием обратимых способов расщепления (размножения) тока и деления (умножения) напряжения, позволяющих снизить уровень потерь и помехоэмиссии и обеспечить возможность модульного наращивания мощности;
предложены схемы универсального автотрансформаторного сварочно-пуско-регулирующего аппарата (ЭС-ПРА), мостовых ЭПРА (четырёх и трёхтранзистор-ного), а также регуляторов выпрямленного тока, использующие в качестве сглаживающего буфера трансреактор, который в отличие от электролитического конденсатора не требует термостабилизации и имеет практически неограниченный срок службы, исключающие сквозные и инверсно-диодные сверхтоки, а также позволяя-ющие совместно заземлять сетевую нейтраль, основную шину и нагрузку, имеющие сниженное число ключей, при этом не содержащие конденсаторов с большой реактивной мощностью, имеющие простую схему управления, пригодные для многофазных (расщеплённых) вариантов и имеющие сниженные помехоизлучения;
модернизирован принцип расщепления тока применительно к синхронно-групповым ВИТ, снижены число и установленная мощность транзисторов, потери и внутренние реактивные мощности, минимизировано число п/п и электромагнитных элементов.
модернизированы схемы защитных и коммутационно-демпфирующих цепей, что позволяет повысить их эффективность в аспектах: ограничения «сверхтоков» и
перенапряжений для транзисторов, снижения тепловых потерь и повышения надёжности п/п приборов, снижения уровня генерируемых помех;
Все новые схемотехнические решения защищены приоритетами и патентами РФ.
получены соотношения для расчёта интегрированного трансреактора мостового ВИТ;
для схемы активного ограничения напряжения на транзисторе прямоходо-вого трансформаторного преобразователя получены соотношения, доказывающие применимость относительно низковольтных транзисторов (до 600 В);
схемно-компьютерное и физическое моделирование ВИТ выявило не только качественную справедливость теоретических положений, но и количественные погрешности аналитических и компьютерных расчётов (соответственно 15-20% и 8-10%);
даны практические рекомендации по выбору, расчётам и исследованию схем ВИТ, полезные для разработчиков ВИТ и им подобных (широкого класса и назначения);
разработан универсальный экспериментальный стенд, достаточно просто трансформируемый применительно ко многим типам структур и схем вторичных источников питания.
Реализация результатов. Разработанные автором критерии оценки эффективности схемотехнических решений, конкретные схемы высокоэффективных ВИТ, методики аналитических расчётов и программы для схемно-компьютерного моделирования переданы промышленным предприятиям (ОАО АКБ «Якорь», г.Москва, ФГУП ПО «УОМЗ», г.Екатеринбург) и используются при проектировании нового перспективного класса ВИТ с питанием от сети переменного тока для таких типов потребителей, как сварочные аппараты, электронные пускорегулирующие аппараты для осветительных ламп высокого давления, системы оптической накачки лазеров, рекламных светодиодных транспарантов и др.
Результаты диссертационной работы внедрены в госбюджетную НИР (тема 1.5.06, «Разработка научно-технических основ создания высокоэффективных систем управления, пилотажно-навигационных приборных комплексов и электроэнергетических систем ЛА на основе современных информационных технологий», гос.per. №01200702211 УДК 629.7 0645.5, этап 4,5), а также используются в курсах лекций, в лабораторном практикуме, в дипломном и курсовом проектировании по дисциплинам «Электромагнитная совместимость комплексов ЛА», «Электротехника и электроника», «Электроэнергетические сети ЛА» для студентов электромеханических и энергетических специальностей МАИ. Внедрение результатов подтверждено соответствующими актами.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на различных российских и международных конференциях, симпозиумах и совещаниях, в том числе: на международной конференции «Авиация и космонавтика» в 2007 и 2008 году, МАИ, г.Москва, на Всероссийской конференции молодых учёных и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике - 2008», МАИ, г.Москва, международных симпозиумах по электромагнитной совместимости ЭМС - 2007, ЭМС - 2009, г.Санкт - Петербург; на международных научно - технических семинарах «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», г.Алушта, Украина, 2007 г, 2008 г.
Публикации. Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 10 печатных работах, две - в журнале «Технологии ЭМС», рекомендованном ВАК РФ, а также в их числе 3 патента на полезные модели. Список публикаций, кроме публикаций в сборниках тезисов докладов, перечисленных конференций и симпозиумов, приведён в конце автореферата.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка используемых источников и 4-х приложений; имеет 141 страницу, 42 рисунка, 5 таблиц и 95 наименований списка литературы.
