Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор методов повышения эффективности преобразователей постоянного напряжения 12
1.1 Обзор ПН с прямоугольной формой тока и напряжения, и тенденции их развития ..,, 12
1.2 Классификация резонансных высокочастотных преобразователей напряжения 18
1.3 Методы исследования квазирезонансных ПН 25
Выводы 29
2 Разработка математической модели квазирезонансного ПН 30
2.1 Элементы теории работы резонансного контура в цепи электронного ключевого элемента 31
2.2 Гипотезы и допущения принятые при разработке математической модели ПИТ-преобразователя 34
2.3 Формирование структуры квазирезонансного ПНТ-преобразователя с учетом параметрических нелинейностей 36
2.4 Определение регулировочной характеристики с учетом особенности частотно-импульсной модуляции 41
2.5 Анализ влияния пульсаций тока дросселя выходного фильтра на время открытого состояния КЭ 45
2.6 Анализ переходных процессов, при ступенчатом изменении нагрузки 55
Выводы 59
3 Исследование стабилизатора напряжения на базе квазирезонансного преобразователя напряжения 60
3.1 Анализ СН на базе ПНТ - преобразователя при ступенчатом изменении нагрузки 60
3.2 Формирование критерия для определения рационального с точки зрения динамических свойств соотношения внутренних параметров силовой части квазирезонансного преобразователя 66
3.3 Динамический анализ стабилизатора напряжения на базе квазирезонансного преобразователя 78
3.4 Методика синтеза стабилизатора напряжения на базе ПНТ - преобразователя 87
Выводы . 91
4 Анализ результатов имитационного моделирования переходных процессов на выходе стабилизатора напряжения на базе квазирезонансного преобразователя , 93
4.1 Расчет параметров СН на базе ПНТ - преобразователя , 93
4.2 Анализ результатов моделирования рассчитанного СН на базе ПНТ
- преобразователя 98
Выводы 111
Заключение
- Обзор ПН с прямоугольной формой тока и напряжения, и тенденции их развития
- Элементы теории работы резонансного контура в цепи электронного ключевого элемента
- Анализ СН на базе ПНТ - преобразователя при ступенчатом изменении нагрузки
- Расчет параметров СН на базе ПНТ - преобразователя
Введение к работе
Импульсные преобразователи постоянного напряжения из-за высоких энергетических показателей, высокой степени надежности и малых габаритах получили широкое распространение в системах электропитания различных устройств автоматики, электроники, вычислительной техники.
Из-за высоких показателей КПД и удельной мощности импульсные преобразователи напряжения (ИПН) являются неотъемлемой частью автономных систем электроснабжения (СЭС), в частности космических аппаратов (КА). Такие схемы ИПН должны оптимально использовать частотные свойства элементов, обеспечивать электромагнитную совместимость с основной электронной аппаратурой, низкий уровень коммутационных потерь мощности и помех, создаваемых преобразователями [18, 33].
Совершенствование современных ИПН направлено на достижение таких требований как высокие удельные энергетические характеристики и высокое качество электроэнергии при использовании импульсно-модуляционных законов преобразования и управления потоками электроэнергии. Об актуальности развития данного направления свидетельствуют работы ведущих ученых в этой области: Соустина Б.П., Иванчуры В.И., Эльмана В.О., Казанцева Ю.М., Ловчикова А.Н. [11-13, 33].
Так, в современных КА системы энергообеспечения, распределения электроэнергии, системы обеспечения ее заданного качества и аккумулирования занимают по массе объему и стоимости до 30% самого КА [33]. Хотя разница между удельными характеристиками вторичных источников питания и первичных источников электроэнергии, входящих в состав СЭС КА, достаточно велика, но, учитывая развитие современных технологий в области преобразования различных видов энергии в электрическую и появлению новых способов аккумулирования электроэнергии, развитие преобразователей напряжения (ПН) для СЭС КА направленное на повышение удельных энергетических характеристик может быть оправдано. С другой
стороны современная космическая отрасль производит аппараты, где мощности СЭС могут варьироваться в широких пределах от единиц ватт (технологические и исследовательские спутники) до десятков киловатт (космические станции). Следовательно, такие энергетические характеристики как КПД и удельная мощность ПН в зависимости от мощности СЭС (как правило, при малых мощностях до 1000 Ватт) могут в значительной степени определять массогабаритные характеристики КА в целом.
Одним из основных способов решения этой задачи является повышение рабочих частот ПН, и как следствие, снижение массогабаритных характеристик выходных фильтров, что не возможно осуществить для классических импульсных преобразователей напряжения, так как с ростом частоты возрастают и динамические потери на коммутирующих ключах [72].
В данной работе повышение удельных энергетических характеристик вторичных источников электропитания, построенных на базе высокочастотных ПН, предлагается реализовать за счет использования резонансных режимов работы регулирующего элемента ПН - электронного ключа, с частотно-импульсным законом управления, где коммутация ключевого элемента происходит при нулевых значениях мощности [9, 11- 13, 21, 22, 41- 44, 46, 51, 53,61].
К основным достоинствам преобразователей, использующих резонансные режимы работы, следует отнести: уменьшение габаритных размеров и массы радиаторов силовых ключей за счет снижения потерь на переключение ключевого элемента (КЭ), снижение габаритных размеров и массы емкостных и индуктивных элементов выходного фильтра, повышение быстродействия, благодаря возможности повышения частоты коммутации без увеличения потерь мощности на КЭ.
По сравнению с ПН, использующими широтно-импульсный закон регулирования, резонансные ПН с частотным управлением являются более сложным объектом управления. Это обусловлено нелинейной зависимостью выходных параметров силовой части от тока нагрузки, которая объясняется
изменением добротности резонансного контура (РК). Поэтому для обеспечения надежной работы ПН с РК необходимо определить ограничения, наложенные на режимы управления резонансными ключевыми элементами. Таким образом, задачи построения резонансного преобразователя напряжения с эффективным законом управления при больших отклонениях возмущающих воздействий по току нагрузки, разработки методики его синтеза и анализа динамических процессов являются актуальными.
Объектом исследований является стабилизатор напряжения, построенный на базе высокочастотного ПН, использующего резонансные режимы работы.
Предметом исследований являются электромагнитные процессы в резонансном контуре работающим в цепи силового ключевого элемента и их взаимодействие с электромагнитными процессами в линейных инерционных цепях.
Цель работы: Повышение эффективности управления квазирезонансным преобразователем в цепи стабилизатора напряжения при действии больших возмущений.
Исходя из поставленной цели, в работе решены следующие научные и практические задачи:
Классификация режимов работы электронного ключевого элемента в цепи резонансного контура.
Синтез математической модели с учетом особенности работы ключевого элемента, в цепи резонансного контура с коммутацией при нулевых значениях тока.
Исследование влияния параметров силовой части на режимы работы квазирезонансного преобразователя напряжения и определение его регулировочных режимов.
Исследование полученной математической модели квазирезонансного ПН, и вывод аналитических критериев для определения рациональных соотношений параметров силовой части.
Разработка методики синтеза корректирующих устройств для стабилизатора напряжения (СН) на базе квазирезонансного ПН.
Разработка алгоритма реализации квазирезонансного СН с законом управления посредствам частотно-импульсной модуляции (ЧИМ), с заданными динамическими и энергетическими параметрами с использованием средств автоматизированного проектирования.
Исследование влияния подключаемой к квазирезонансному СН с ЧИМ активно - индуктивно - емкостной нагрузки на динамические показатели качества СН.
Методы исследований. Решение поставленных задач было осуществлено на основе теории автоматического управления, теории электротехники, дифференциального исчисления, имитационного моделирования на ЭВМ с использованием пакетов: MathCADl 1, Math Lab6.5, Micro Cap7.0.
Наиболее существенные новые научные результаты:
Разработана нелинейная непрерывная аналитическая модель квазирезонансного ПН с коммутацией ключевого элемента при нулевых значениях тока, позволяющая производить динамический расчет данного ПН при больших отклонениях возмущающих и задающих воздействий,
Установлена аналитическая зависимость динамических свойств квазирезонансного ПН от соотношения параметров его линейной части при неизменной постоянной времени.
Предложен критерий, количественно объединяющий энергетические и динамические характеристики квазирезонансного ПН.
Предложена методика синтеза, квазирезонансного стабилизатора напряжения, с ЧИМ при действии больших возмущений по нагрузке с применением задачи о накоплении Б.В. Булгакова.
Значение для теории. Автором предложено развитие методов синтеза нелинейных систем, с нелинейностями в виде гладких функций, подобных объекту исследований данной работы.
Практическая ценность заключается в улучшении удельных энергетических характеристик, качества выходной электроэнергии и динамических свойств, импульсных СН, за счет созданных методов проектирования, позволяющих более эффективно использовать квазирезонансные ПН в различных системах энергообеспечения, в том числе и в СЭС КА.
Достоверность научных и практических результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждается согласованием результатов теоретических расчетов, математического и имитационного моделирования в пакете Micro Сар 7.0, а также экспериментальных исследований на лабораторном макете.
Использование результатов диссертации. Материалы диссертационных исследований использованы в ФГУП «Научно-производственное объединение прикладной механики» имени академика М.Ф. Решетнева, в учебном процессе на кафедре «Систем автоматического управления» СибГАУ им. академика М.Ф. Решетнева, что подтверждено соответствующими актами о внедрении.
Работа выполнялась в рамках НИР: «Разработка и исследование квазирезонансных преобразователей напряжения для систем электроснабжения космических аппаратов» по гранту Федерального агентства по науке и инновациям в рамках приоритетного направления: «Поддержка интеграции науки и высшей школы» от 01/01/2005г., тема: БП4-05 код 4427.
Личный вклад автора. Автору принадлежат: постановка задач данного исследования, обоснование и разработка всех положений определяющих научную новизну и практическую значимость работы, результаты теоретических и экспериментальных исследований, анализ и обобщение результатов, формулировка выводов и заключений.
Рекомендации по использованию результатов диссертации. Рекомендуется использовать результаты диссертационной работы при проектировании СЭС КА с повышенными требованиями к удельной мощности
и качеству выходного напряжения (уровень коммутационного шума и пульсаций).
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались: на VII Всероссийской научной конференции «Решетневские чтения» в г. Красноярске (2003г.); на VIII Всероссийской научной конференции «Решетневские чтения» в г. Красноярске (2004г.); на III международной конференции Сибирского авиационно-космического салона «САКС-2004» в г. Красноярске (2004г.); на XII международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения» в г. Казань (2004г.); на I Всероссийской научной конференции «Актуальные проблемы авиации и космонавтики» в г. Красноярске (2005г.)
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ из них стаей - 3, тезисов докладов - 4, материалов конференций - 3. Кроме того, по материалам диссертации опубликована одна заявка на изобретение.
Результаты решения перечисленных задач составляют основное содержание данной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и двух приложений. Работа изложена на 128 страницах машинописного текста, включает 48 рисунков, два приложения на 7 страницах, в список литературы включено 80 наименований, 11 из которых принадлежат автору.
Обзор ПН с прямоугольной формой тока и напряжения, и тенденции их развития
Так как совершенствование высокочастотных преобразователей напряжения (ВПН) с точки зрения удельных энергетических характеристик актуально в первую очередь для автономных систем электроснабжения с ограниченной мощностью или энергией, наиболее наглядным будет анализировать поставленную задачу применительно к СЭС КЛ.
Современные системы электроснабжения космических аппаратов представляют собой сложный комплекс из источников электроэнергии, преобразующих и распределительных устройств, объединенных в систему автоматического регулирования предназначенных для питания бортовых нагрузок. Вторичные источники электропитания представляют собой энергопреобразовательный комплекс, состоящий из N-oro количества идентичных импульсных преобразователей напряжения работающих на общую нагрузку [18,33].
Поскольку мощность современных СЭС лежит в диапазоне от единиц ватт до десятков киловатт, сами ИПН должны сочетать высокие значения удельной мощности и КПД, допустимый уровень пульсаций, низкий уровень электромагнитных помех, большую преобразуемую мощность, стабильность выходного напряжения, высокое быстродействие и т.д.
Оценить качество любой технической системы, в том числе и преобразователя напряжения, возможно лишь в случае наличия объективно доказанного критерия. Большое количество известных на сегодняшний день оценок дает достаточно оснований полагать, что многие из них критериями, как таковыми, не являются. Так, например, часто употребляемая масса, безотносительно к мощности или энергии в качестве оценки использована быть не может, поскольку сама по себе не характеризует технический уровень энергосистемы. Такие оценки как стабильность выходного напряжения, его пульсации, динамические показатели качества в переходном процессе являются техническими требованиями, выполнение которых обязательно, а поэтому также не могут быть отнесены к критериям.
Из вышеизложенного логически вытекает, что в качестве объективных критериев можно ограничиться лишь двумя; удельной энергией для звеньев, энергия которых ограничена, например аккумуляторной батареи (АБ) и удельной мощностью для батарей солнечной (БС) и ПН. Удельная полетная масса [кг/кВт] есть величина обратная удельной мощности. Применительно к ПН техническими требованиями являются: динамические и статические показатели качества выходного напряжения, а критерием удельная мощность, которая максимизируется при обязательном выполнении технических требований.
Максимизация удельной мощности осуществляется с учетом многопараметрической зависимости от частоты коммутации, которая в свою очередь зависит от используемой элементной базы: быстродействия ключевых элементов - транзисторов и диодов, материалом магнито про водов индуктивных элементов - трансформаторов и дросселей и конденсаторами фильтров. В ИПН удельная мощность в основном определяется индуктивными элементами и теплоотводами активных элементов (транзисторных ключей, диодов). Массогабаритные параметры теплоотводов активных элементов в свою очередь напрямую связаны с рассеиваемой на последних мощностью, которая определяет фактический КПД преобразователя. Таким образом, удельная мощность — это много параметрический критерий, который не возможно задать при синтезе ИПН без определения прочих параметров и технических требований, С другой стороны если рассматривать с позиций максимизации удельной мощности всю систему электроснабжения, то по сравнению с массой и габаритами таких элементов как АБ и БС преобразователи напряжения занимают лишь малую часть от всего используемого объема. Из этого следует, что при существующих на сегодняшний день первичных источниках электроэнергии (ПИЭ) СЭС КА повышение удельных характеристик преобразователей напряжения, входящих в состав СЭС, не является приоритетной задачей, по крайней мере, для тех КА, где мощность бортовых СЭС измеряется единицами киловатт. Однозначно можно дать оценку эффективности повышения удельных энергетических характеристик энерго преобразовательной части СЭС, только рассмотрев соотношения удельных характеристик элементов различных СЭС ранжируя их по мощности.
Объективным подходом может быть улучшение ПН по совокупности параметров на фоне одного критерия, исходя из основных недостатков присущих существующим ПН применяемым в СЭС К А.
Теоретически, регулирование выходного напряжения осуществляется путем периодического прерывания цепи питания, которое характеризуется переходом КЭ из состояния "полностью открыт" в состояние "полностью закрыт", предполагает нулевые потери мощности. Реальная работа КЭ, в качестве которого может быть использован биполярный транзистор, полевой транзистор или ЮВТ-транзистор, связана с потерями энергии. Эти потери можно разделить на два типа: потери на переключение (динамические) и потери на открытом КЭ (статические). Также потери в ИПН распределяются на элементы фильтра, обусловленные неидеальностыо его компонентов, на омические потери монтажных соединений, коммутационный шум как следствие влияния паразитных реактивных компонентов реальной схемы и т.д. [2,6,11-13,27].
Используемые на сегодняшний день ПН с прямоугольной формой напряжения и тока фактически достигли своего предела в развитии применительно к данной задаче. Дальнейшее улучшение энергетических характеристик ИПН определяется совершенствованием элементной базы: повышением быстродействия КЭ, уменьшением падения напряжения на КЭ в открытом состоянии, но такая тенденция усилит влияние паразитных реактивных составляющих реальной схемы, т.е. с увеличением скорости изменения напряжения на коллекторе (стоке) КЭ возрастает амплитуда сигнала на высших гармониках, частоты которых могут совпадать с собственными частотами резонансных контуров, образованных паразитными элементами схемы, что приводит к увеличению высокочастотных помех, наложенных на выходное напряжение ИПН [11, 72, 74]. Осциллограммы импульсных помех на выходной шине ИПН приведены на рисунке 1.1 описание этого эксперимента приведено в [74].
Элементы теории работы резонансного контура в цепи электронного ключевого элемента
Пусть первоначально КЭ заперт. Выходной ток течет за счет энергии, запасенной в дросселе выходного фильтра ф через рекуперативный диод VD2. В некоторый момент времени, определяемый схемой управления, КЭ открывается. Колебательный контур образованный катушкой Lp и конденсатором Ср, начинает получать энергию от первичного источника. Заряд конденсатора Ср и последующий его разряд будут происходить по закону близкому к синусоидальному, с частотой равной собственной частоте РК. Одновременно ток в индуктивности Lp также будет изменяться по синусоидальному закону - вначале увеличиваться, затем уменьшаться. Когда этот ток уменьшится до нуля, необходимо запереть КЭ. При этом диод VD1 предотвращает обратный ток через шунтирующий диод реального полупроводникового транзистора, который может быть вызван продолжающимся резонансным процессом.
Когда ток в индуктивности Lp становится равным нулю и КЭ заперт, выходной ток течет через дроссель фильтра ф и конденсатор Ср. Как только последний разрядится до нуля открывается диод VD2. На этом один резонансный цикл заканчивается и с открыванием КЭ начитается следующий [9].
Один период работы КЭ в цепи РК ПНТ - преобразователя можно разбить на четыре временных интервала (рисунок 2.2), которые описываются уравнениями (2.1-2.4) [12, 40, 51], где hp (t) - ток через индуктивность РК 1р, Ucp (0 - напряжение на конденсаторе РК Ср, /„ - ток нагрузки, t/ynp (f) -напряжение управляющего сигнала, Z0 - волновое сопротивление РК, UBX -напряжение питания преобразователя, су0-собственноая частота РК:
Из уравнений (2.1, 2.2) и временных диаграмм изображенных на рисунке 2.2 следует, что время открытого состояния КЭ определяется суммой At]+At2, которое является нелинейной функцией зависящей от тока нагрузки в установившемся режиме, когда значение последнего равно среднему значению тока дросселя выходного фильтра. Если рассматривать систему в момент коммутации нагрузки, то в переходном режиме между током нагрузки и среднем токе дросселя фильтра наблюдается фазовый сдвиг. Поэтому при существенном изменении сопротивления нагрузки время интервала Л//+Ль будет изменяться в течение переходного процесса и примет другое значение в установившемся режиме. Учитывая такую особенность работы ПНТ -преобразователя, реализовать режим переключения при нулевых значениях тока в широком диапазоне нагрузок возможно, если управлять КЭ в соответствии с функциональной схемой изображенной на рисунке 2.3, где при каждом периоде коммутации устройство, следящее за переходом тока через его нулевое значение ФОСК, формирует запирающий сигнал и отправляет его на устройство управления КЭ [76].
В соответствии с поставленной задачей моделирования, ее основным результатом должна быть математическая модель, которая может быть подвергнута аналитическому или численному анализу, иметь существующее решение, адекватно отражающее поведение напряжения и тока на элементах силовой части ПНТ — преобразователя, при больших отклонениях возмущающих и задающих воздействий.
Для упрощения задачи математического описания элементов исследуемого преобразователя вводятся некоторые допущения на основании объективной оценки влияния физических процессов протекающих в цепях ПН во времени на те или иные качественные характеристики ПНТ -преобразователя. 1) Считаем, что в схеме силовой части ПН отсутствуют паразитные реактивные элементы образованные конструктивными особенностями реальных электронных компонентов, и способов их электрических соединений между собой.
2) Считаем все ключевые элементы (транзисторы и диоды) идеальными, так как токи и напряжения в коммутируемых цепях ПНТ - преобразователя имеют форму максимально приближенную к синусоидальной. Поэтому скорости изменения этих сигналов значительно ниже быстродействия применяемых силовых транзисторов и диодов, которые предполагается использовать в данном классе ПН.
3) Вторичные источники электропитания, питающие бортовою аппаратуру КА, должны обеспечивать устойчивую работу в широком диапазоне нагрузок, значения которых изменяются произвольно, а также поддерживать необходимый уровень выходного напряжения, при всех возможных вариантах коммутации нагрузки. Поэтому основной задачей синтеза ПН для СЭС К А становится определение критериев и взаимосвязей параметров элементов ПН, которые позволят создать методику синтеза преобразователей удовлетворяющих как энергетическим так и динамическим требованиям, предъявляемым к ПН СЭС КА. Учитывая, что ПИЭ запитывающие энергопреобразовательные блоки снабжены буферными фильтрами [33], напряжение на которых не может измениться мгновенно, то при динамическом анализе ПНТ - преобразователя считаем входное напряжение постоянным.
4) Ввиду того, что постоянная времени выходного фильтра намного больше, чем резонансного контура, а исследуемый режим работы ПН предполагает относительно малый уровень пульсаций выходного тока и напряжения, поэтому считаем возможным рассматривать данный преобразователь как непрерывную систему.
Анализ СН на базе ПНТ - преобразователя при ступенчатом изменении нагрузки
Проектирование систем автоматического регулирования имеет смысл только в том случае, если поставлены определенные требования и введены определенные ограничения, которыми применительно к исследуемой системе могут быть: выходная мощность, КПД, ограничения, наложенные на максимально возможные отклонения возмущающих и задающих воздействий.
Стандартом питания ESA [34] допускается отклонение напряжения на выходе СЭС не более чем ±4% относительно его допустимых статических значений на время не более 2мс, а также регламентированы малые допустимые значения модуля выходного сопротивления СЭС.
В результате анализа динамики процессов в СЭС описанного в [33] установлено: для того чтобы удовлетворить требованиям по качеству выходного напряжения и гарантировать устойчивость процессов в системе при минимальной массе выходных фильтров ПН законы управления конверторами должны обеспечивать минимальную конечную длительность переходных процессов по току нагрузки и минимальное значение модулей выходных сопротивлений ПН.
В данном случае взаимовлияние изменяющихся во времени сигналов в силовой части и динамических свойств ПНТ-преобразователя установленных во второй главе, не позволяют получить оптимальный результат при таком подходе к проектированию ПН для СЭС КА, Возвращаясь к вопросу о критериальной оценке рассмотренному в первой главе стоить подчеркнуть целесообразность единого подхода к решению динамической и энергетической подзадач при проектировании ПН для СЭС КА.
Особенности квазирезонансных ПН заключающиеся в работе КЭ практически без динамических потерь ограничивают рост частоты коммутации лишь быстродействием полупроводниковых транзисторов и диодов применяемых в качестве электронных ключей. А близкая к гармонической форма коммутируемого сигнала позволяет работать на тех частотах, при которых фронты переключения КЭ могут быть соизмеримы с длиной импульса открытого состояния КЭ. Таким образом, если провести сравнение между квазирезонансными ПН и ПН с прямоугольной формой тока и напряжения где ориентировочно-допустимое соотношение между длиной фронта и длиной импульса составляет один к десяти, то можно сделать вывод что в первом случае при прочих равных условиях частоту коммутации, возможно повысить на порядок без увеличения потерь на КЭ - это допущение становиться базовым для дальнейшего анализа. Таким образом, проблема минимизации постоянной времени фильтра для повышения динамических показателей качества ПН (перерегулирование и время регулирования) удовлетворяющих заданным требованиям не является первоочередной задачей, так как режимы работы ПНТ-преобразователя не имеют жестких ограничений по частоте коммутации, а дальнейшее ее повышение обозначено проблемой поиска высокочастотных магнитомягких материалов и емкостных элементов, с позиции соотношения динамических потерь и удельных энергетических характеристик выходного фильтра в целом. На основании последнего вывода и поставленной цели, определенной в начале работы, можно определить задачу анализа модели стабилизатора напряжения (СН) на базе квазирезоиансного ПНТ-преобразователя, как поиск аналитических критериев связывающих параметры элементов силовой части ПН определяемых исходя из соотношения КПД и удельной мощности с динамическими свойствами СН как САР. И как результат использование этих критериев при синтезе СН на базе ПНТ - преобразователей с заданными энергетическими и динамическими характеристиками.
Для исследования СН на базе ПНТ - преобразователя необходимо ввести цепь отрицательной обратной связи, как показано на рисунке 3.1. Таким образом, задавшись Uony можно получить требуемое напряжение на выходе, значение которого определяется отношением опорного напряжения к коэффициенту обратной связи.
Расчет параметров СН на базе ПНТ - преобразователя
Для исследования СН на базе ПНТ-преобразователя с ЧИМ, синтезированного по разработанной методике, выбраны следующие параметры одной ячейки СН: — мощность нагрузки выч = 300Вт; — величина опорного напряжения С/оп = 4В; — номинальное (среднее) значение выходного напряжения С/вых = 40В ±2%; — входное напряжение UbK = 100В; — максимальный ток нагрузки / = 7,5А (RHmin = 5,30м); — минимальный ток нагрузки /Hmin = 3,75A (RHmax = 10,6 Ом); — амплитуда пульсаций напряжения на нагрузке относительно номинального значения AUn = 0,5%; — максимальная частота преобразования/=300 кГц — минимальный КПД 94%
Определяем параметры резонансного контура в соответствии с методикой описанной в [42,46].
Запас по току дросселя фильтра определяем из учета резервирования ячеек и перерегулирования по току. Исходим из наихудшего случая, который фактически справедлив при замыкании входа и выхода ПН, тогда максимальное значение тока можно выразить как: /тах=( ДЛыхИн » отсюда находим волновое сопротивление резонансного контура учитывая условие ZQ UBX/IK; тогда: Zo=t/BX//max =5,33 ОМ. Находим значения емкости и индуктивности резонансного контура: г -—!— = 39,789нФ Z0-o G L= - - = 1,132мкГн Согласно разработанной методике, описанной в третьей главе, определяем параметры выходного фильтра исходя из заданного коэффициента пульсаций напряжения и минимальной частоте коммутации fwvai. Отсюда находим постоянную времени выходного фильтра: ГФНЧ =-7Г - = 2,251-10 0 Л/ под Я Лшн
В соответствии с пунктом (2) разработанной методики определяем максимальное и минимальное значения индуктивности дросселя выходного фильтра:тах=2І,884мкГн; /,тіп=16,659мкГн. Из полученного интервала выбираем среднее значение индуктивности (Хф=19мкГн), которое будет использовано при вычислительном эксперименте в пакете Micro Сар 7.0. Отсюда вычисляем значение емкости конденсатора фильтра Сф-26,663мкФ.
Исходя из заданной статической точности 2% выбираем коэффициент разомкнутого контура СН в режиме максимального тока нагрузки ЛГР=50,
Далее, подставляем все полученные параметры в ПФ (3.5) при максимальном значении тока нагрузки строим ЛАЧХ разомкнутого контура линеаризованной модели СН (рисунок 4.3а).
В соответствии с частотными методами расчета параметров корректирующих звеньев [31] находим значения постоянных времени интегро -дифференцирующего звена (3.12), ЛАЧХ которого изображен на рисунке 4.3а. Так как рассматриваемый случай является наихудшим по динамическим характеристикам, для обеспечения устойчивости во всем диапазоне токов нагрузки, достаточно обеспечить минимальный запас по фазе - ц , для рассматриваемого режима. Таким образом, выбираем 9 32 (рисунок 4.36), тогда в соответствии с ПФ (3.12): 7V=2,5 10" с, Т2= 1,176-10 с.
Далее, для определения параметров коррекции с учетом нелинейности, согласно пункту (4) разработанной методики, описанной в разделе (3.4), построим два переходных процесса на выходе непрерывной нелинейной замкнутой модели СН на базе ПНТ-преобразователя, и линеаризованной модели, при одинаковых условиях от возмущающего воздействия (в данном случае это ступенчатое изменение сопротивления нагрузки от максимального до минимального).
Правильность выбранных параметров нелинейной непрерывной модели СН иллюстрирует рисунок 4.1, на котором изображены переходные процессы на выходе некорректированного СН, при вышеопределенном возмущающем воздействии, при решении системы ДУ (3.1) и имитационном моделировании, где коэффициент пульсаций тока дросселя выходного фильтра подбирался из условия максимального совпадения этих двух графиков. Полученное при этом значение размаха пульсаций тока дросселя несколько ниже по сравнению с реальным, полученным при вычислительном эксперименте. Это объясняется тем, что при выводе формулы (2.20) были приняты допущения, описанные в разделе (2.2) данной работы. Но так как связь между приращением относительного коэффициента заполнения импульса управляющего ключевым элементом и изменением среднего значения напряжения на емкости резонансного контура - нелинейная и зависит от тока нагрузки, то в соответствии с разделом (2.5), наиболее точно, полученная зависимость будет отражать динамику системы, с учетом пульсаций тока дросселя, при фактическом максимальном значении тока нагрузки.
