Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ современного состояния исследований квазиустановившихся режимов преобразователей силовой электроники 10
1.1. Оценка эффективности устройств с коррекцией мощности искажений при работе на динамическую нагрузку 10
1.2. Сравнительный анализ динамики различных видов модуляции на основе бифуркационного подхода 15
1.3. Основные выводы по главе 37
Глава 2 Разработка математических моделей импульсного инвертирующего преобразователя на базе однополярной нереверсивной модуляции 39
2.1. Описание объекта исследований 39
2.2. Математическое описание замкнутой модели преобразователя с применением численно - аналитических методов расчетов 41
2.3. Алгоритм поиска стационарных периодических режимов в импульсных системах с ШИМ численно-аналитическими методами 49
2.4. Алгоритм поиска и построения двухпараметрических бифуркационных диаграмм объекта исследований 53
2.5. Результаты и выводы по второй главе 57
Глава 3 Анализ нелинейной динамики импульсно-модуляционного преобразователя напряжения с однополярной нереверсивной модуляцией 58
3.1. Определение области устойчивости проектного режима инвертирующего DC/DC преобразователя напряжения 58
3.2. Анализ динамики преобразователя в области прерывных токов дросселя (ПТ) 64
3.3. Анализ динамики преобразователя в области непрерывных токов дросселя (НТ)..78 3.4. Анализ динамики преобразователя на границе разрывных и неразрывных токов дросселя (ПТ-НТ) 108
3.5. Оценка статических характеристик инвертирующего преобразователя 121
3.6. Результаты и выводы по третьей главе 124
Глава 4 Стабилизатор напряжения с корректором коэффициента мощности на базе инвертирующего преобразователя с различной топологией системы управления и внедрение результатов исследований 125
4.1. Описание устройства 125
4.2. Математическое описание и анализ одноконтурной схемы корректора коэффициента мощности 127
4.3. Математическое описание и анализ двухконтурной схемы корректора коэффициента мощности ; 130
4.4. Математическое описание и анализ двухконтурной схемы корректора коэффициента мощности с системой управления на базе ОСС 134
4.5. Внедрение результатов исследований 138
4.6. Основные результаты и выводы по четвертой главе 145
Заключение 146
Список литературы 148
- Сравнительный анализ динамики различных видов модуляции на основе бифуркационного подхода
- Математическое описание замкнутой модели преобразователя с применением численно - аналитических методов расчетов
- Анализ динамики преобразователя в области прерывных токов дросселя (ПТ)
- Математическое описание и анализ двухконтурной схемы корректора коэффициента мощности
Введение к работе
Преобразователь однофазного переменного напряжения в постоянное находит широкое применение в таких устройствах как: сварочные аппараты инверторного типа; зарядные устройства аккумуляторных батарей; зарядные устройства емкостных накопителей энергии; источники питания озонаторов, а так же в технологических источниках питания, нагрузка которых может изменяться в широких пределах.
Современные тенденции развития технологий компенсации мощности искажений связаны с использованием импульсно-модуляционных методов преобразования электрической энергии. В частности, активные компенсаторы реактивной мощности и мощности искажений (КРМиМИ), в том числе и многофазные, базируются на схеме преобразователя повышающего типа, имеющей высокие энергетические характеристики по качеству потребляемой энергии. Такие устройства позволяют получить близкое к единице значение коэффициента мощности бестрансформаторных преобразователей с нелинейным выпрямителем, например выпрямителем с емкостным или индуктивным фильтром и постоянной (или изменяющейся в ограниченном диапазоне) нагрузкой. В тоже время, для защиты от перегрузок и коротких замыканий в цепи нагрузки в известных устройствах, основанных на базе повышающего преобразователя, требуется применять дополнительные довольно сложные схемотехнические решения, что приводит к снижению надежности, увеличению энергопотребления, увеличению массогабаритных показателей, а так же к увеличению себестоимости продукции.
В этой связи, актуальной задачей является поиск путей повышения надежности и живучести устройств компенсации. Такая задача является многоплановой как с точки зрения схемотехнической реализации придания ККМ «естественных» свойств токоограничения., так и с точки зрения обеспечения требуемых динамических свойств нелинейных замкнутых систем автоматического управления (САУ). В контурах регулирования САУ такого рода присутствуют не только глобальные нелинейности и глобальные постоянные времени, но и тонкие нелинейности импульсно-модуляционных преобразователей. Совокупность этих факторов приводит к возникновению аномальных режимов функционирования, зачастую сопровождающихся катастрофическими отказами с неконтролируемым высвобождением накопленной энергии.
Проблемами изучения нелинейной динамики хаотических и стохастических систем посвящены работы таких ученых, как Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси, Колмогорова А.Н., Арнольда В.И, Мозера, Айзермана М. А., Меерова М. В., Петрова В. В., Алексеева А. С, Баутина Н. Н., Берштейна И. Л., Горелика Г. С, Майера А. Г., Рытова С. М, Фейгенбаума М, Фейгина М.И., Кобзева А.В., БаушеваВ.С, Жусубалиева Ж.Т., Михальченко Г.Я., Михальченко С.Г., Белова Г.А., Ко ло ко лова Ю.В.,
Неймарка Ю. И. и др., а так же труды математиков Понтрягина Л. С, АйзерманаМ. А., Пятницкого Е. С. и Гантмахера Ф. Р., Боголюбова Н. Н., Крылова Н. М. и др.
Исторически сложилось, что исследования динамики бифуркационных процессов проводились на основе понижающего преобразователя, и позже, повышающего преобразователя в связи с тем, что они нашли наибольшее применение в различных устройствах. Схема инвертирующего преобразователя стала известна примерно в то же время, что и схема повышающего, однако, за столь длительный срок её базовая структура не подверглась детальному анализу динамики, хотя функциональные возможности не менее широки. Существенным недостатком по исследованию нелинейной динамики инвертирующего преобразователя является то, что их авторами не рассматривается динамика бифуркационных процессов, не просчитываются карты динамических режимов преобразователя, а так же не анализируются инженерные характеристики, такие как размах колебаний выходного напряжения или тока дросселя, влияние частоты квантования на топологию режимов и т.д.
В работе рассматривается решение проблемы коррекции коэффициента мощности и мощности искажений с обеспечением требуемого уровня надежности на основе преобразователя инвертирующего типа с дозированием накапливаемой и отдаваемой в сеть энергии. Для уверенного проектирования такого рода устройств необходимо построение математических моделей этих новых решений, их реализация, поведение всестороннего анализа динамических свойств и синтеза на основе полученных знаний силовых цепей и цепей управления САУ.
Цель работы. Разработка стабилизатора напряжения с корректором коэффициента мощности на базе инвертирующего преобразователя и исследование динамических режимов функционировании с целью определения путей расширения областей устойчивости проектного режима и исключения субгармонических, квазипериодических и хаотических колебаний параметров замкнутой системы регулирования.
Для реализации поставленной цели определены следующие направления исследований:
Разработка и создание надежных технических средств компенсации реактивной мощности и мощности искажений.
Разработка математических моделей инвертирующего преобразователя и преобразователя с функцией коррекции коэффициента мощности, а так же методики их численно - аналитического решения.
Разработка алгоритмов поиска периодических режимов и расчета карт динамических режимов инвертирующего преобразователя в пространстве параметров системы.
Выявление закономерностей смены динамических режимов и анализ их устойчивости на основе полученных результатов с применением теории бифуркаций.
Практическое применение результатов анализа при выполнении государственного контракта № 02.740.11.0068, в учебном процессе и при проектировании компенсаторов реактивной мощности и мощности искажений.
Методы исследования базируются на современных методах численного и численно-аналитического решения систем нелинейных дифференциальных уравнений, методологии бифуркационного анализа замкнутых систем регулирования, методах теории матричного исчисления.
Объектом исследования является схема инвертирующего преобразователя энергии с постоянным и гармоническим воздействиями.
Достоверность и обоснованность результатов подтверждается математическими доказательствами, экспериментальными данными и опытом эксплуатации компенсаторов реактивной мощности и мощности искажений (КРМиМИ) при выполнении государственного контракта №02.740.11.0068 от 15 июня 2009 года, а так же при построении источников питания микропроцессорных систем управления различных преобразователей, выпускаемых в компании «Промышленная электроника». Новизна технических решений подтверждается патентом РФ на полезную модель.
Научная новизна:
Предложено использовать дозирующие свойства преобразователя инвертирующего типа для реализации задач стабилизации напряжения и компенсации реактивной мощности и мощности искажений.
Разработаны численно-аналитические и имитационные модели инвертирующего преобразователя и преобразователя с корректором коэффициента мощности на его основе, в которых учтены прерывистые токи дросселя.
Адаптированы к рассматриваемым моделям алгоритмы поиска периодических режимов и расчета карт динамических режимов.
Выявлены основные закономерности эволюции динамических режимов стабилизатора напряжения на основе инвертирующего преобразователя в зависимости от параметров системы автоматического управления.
Практическая ценность:
Определен один из путей построения стабилизаторов напряжения с повышенной живучестью в широком диапазоне изменения нагрузки - с индуктивным дозатором энергии передаваемой в нагрузку.
Создана основа для синтеза и проектирования стабилизаторов напряжения и компенсаторов реактивной мощности и мощности искажений
нового типа, базирующаяся на полученных знаниях о нелинейной динамике преобразователей инвертирующего типа.
3) Получены аналитические зависимости, аппроксимирующие границы устойчивости областей проектного режима стабилизатора.
Реализация результатов работы:
-при выполнении государственного контракта №02.740.11.0068 от 15 июня 2009 года по лоту «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления тепла и электроэнергии» шифр «2009-1.1-230016» по теме: «Комплексные исследования и разработка энергосберегающих технологий компенсации реактивной мощности и мощности искажений»;
при построении источников питания микропроцессорных систем управления различных преобразователей в компании «Промышленная Электроника»;
в лабораторных комплексах на кафедре «Промышленная электроника» ТУСУР и учебном процессе при обучении студентов по специальности: 210106 «Промышленная электроника», по курсам «Основы преобразовательной техники», «Импульсные модуляционные системы», «Энергетическая электроника».
Основные положения, выносимые на защиту:
Новый тип корректора коэффициента мощности в преобразователях однофазного переменного напряжения в постоянное с приданием ему функций «естественного» токоограничения.
Численно-аналитические математические модели, позволяющие с единых позиций рассчитывать процессы, учитывающие режимы непрерывных, прерывных токов и граничные режимы между ними, а так же методы и алгоритмы их численно-аналитического решения, алгоритмы поиска периодических режимов и расчета диаграмм динамических режимов в пространстве параметров.
Результаты анализа динамических режимов преобразователя инвертирующего типа, особенности построения карт динамических режимов и границ областей устойчивости.
Выявленные закономерности смены режимов, зависимости изменения показателей качества преобразования энергии в различных режимах функционирования и аналитические зависимости, аппроксимирующие границы устойчивости областей проектного режима стабилизатора.
Личный вклад автора состоит в разработке схемы замещения корректора коэффициента мощности на базе инвертирующего преобразователя, выборе методик эксперимента, проведении исследований и анализе их результатов с выявлением закономерностей.
В работах, выполненных в соавторстве, автор является инициатором постановки задач исследований, проведении анализа результатов исследований, получении математических зависимостей, вынесенных на защиту, и формулировании рекомендаций для проектирования преобразователей с дозированием энергии.
Автор выражает благодарность Михальченко С.Г. за помощь в разработке и реализации методики численно-аналитического решения задачи.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на XVI Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых "Современные техника и технологии" СТТ-2010 от 12-16 апреля 2010г., Томск, ТПУ; всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Научная сессия ТУ СУР - 2010" в секции 16 от 4 - 7 мая 2010г.; 4 Международной научно-практической конференции ТУ СУР от 31 октября - 3 ноября 2007 г; 21 научно-технической конференции студентов ТУ СУР; двух научно-технических семинарах студентов и аспирантов ТУСУР от 26.09.2006 и 08.12.2006 в ТУСУР.
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в двух печатных изданиях, входящих в перечень ВАК и трех печатных изданиях докладов международных научно-практических конференций (монографии).
Структура и объем. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, 1 приложений, списка используемых источников, включающего 118 наименований, изложена на 175 страницах и поясняется 118 рисунками и 14 таблицами.
Сравнительный анализ динамики различных видов модуляции на основе бифуркационного подхода
Тридцатые годы прошлого века считаются началом бурного развития в СССР научно исследовательских работ по исследованию колебаний. Фундаментальную роль в исследованиях и пропаганде идей общей нелинейной теории колебаний сыграла школа Л. И. Мандельштама (1879-1944) и Н. Д. Папалекси (1880—1947). Мандельштамом совместно с Папалекси выполнены основополагающие исследования по нелинейным колебаниям. Методы и результаты работ этой школы лежат в основе исследований колебательных процессов в системах.
В 1978 г американским ученым М. Фейгенбаумом было сделано открытие, которое явилось началом значительного количества исследований в области хаотических динамических систем. Им было обнаружено, что аттракторы в бесконечной цепи суперкритических бифуркаций (удвоение периода) образуют самоподобные (фрактальные), структуры с величиной скейлинга, равной 2-й универсальной константе Фейгенбаума и не зависят от конкретных особенностей механизма перехода от порядка к хаосу, как в реальных системах, так и различных моделях. Было показано, что хаос - это не отсутствие структуры, а очень развитая, чрезмерно усложненная структура [101].
Труды математиков Айзермана М. А. [1,2], Пятницкого Е. С. и Гантмахера Ф. Р. стали фундаментальными работами по исследованию систем, описываемых уравнениями с разрывными правыми частями. В работах ФейгжаМ.И. [102-105] на примере математических моделей механических объектов создана обобщенная теория нелинейных колебаний и введено понятие С-бифуркации, а также систематизированы методы определения данных типов бифуркаций. В зарубежной литературе чаще всего встречается название Border Collision Bifurcation. Показано, что при данном виде бифуркаций возможно не только удвоение {2т - цикл), но и рождение Ът - цикла, Ат,5т - циклов, описаны случаи перехода к хаосу через последовательность С-бифуркаций.
Среди современных отечественных ученых, занимающихся нелинейной динамикой хаотических и стохастических систем, следует выделить Фейгша М.И. [102-105], Кобзева А.В. [65, 25, 26], БаушееаB.C. [21-24], Жусубалпева Ж.Т. [52-57], Мшалъченко Г.Я. [64, 76],
Михалъченко С.Г. [77-57], Белова Г.А. [27-29], Колоколова Ю.В. и др. Вклад в развитие данного направления исследований в отечественной науке этих людей огромен. Их исследования затрагивают анализ динамики широкого класса силовой электроники с различного рода модулирующими воздействиями и типами обратных связей. Основной вопрос при анализе поведения открытой динамической системы состоит в поиске и выборе наиболее качественного устойчивого проектного режима, а так же исследование возможных катастроф.
Работы Баушееа B.C. с соавторами [21-26] ознаменовали собой бурное развитие теории анализа динамики нелинейных импульсных систем. Данными авторами определены причины хаотизации движений в процессе численного эксперимента, введены и определены понятия нормальных и аномальных структур, локальной устойчивости замкнутых импульсных систем, понятие радиуса области конвергентносте и внутреннего радиуса области притяжения, а так же определены критерии выбора проектного режима функционирования для инженерного проектирования.
Исторически сложилось, что исследования динамики бифуркационных процессов проводились на основе понижающего преобразователя, и позже, повышающего преобразователя в связи с тем, что они нашли наибольшее применение в различных устройствах. Схема инвертирующего преобразователя стала известна примерно в то же время, что и схема повышающего, однако, за столь длительный срок её базовая структура не подверглась детальному анализу динамики, хотя функциональные возможности не менее широки. Общие исследования, во многих источниках обычно заканчивается записью основных уравнений Кирхгофа по той или другой схемам замещения и переводом полученных данных к матричному виду [108].
Существенным недостатком по исследованию нелинейной динамики инвертирующего преобразователя является то, что их авторами не рассматривается динамика бифуркационных процессов, не просчитываются карты динамических режимов преобразователя, а так же не анализируются инженерные характеристики, такие как размах колебаний выходного напряжения или тока дросселя, влияние частоты квантования на топологию режимов и т.д. Как было уже отмечено выше, авторы констатируют лишь возможности анализа преобразователя, предполагают факт наличия каскада бифуркаций такого же вида, как в повышающем или понижающем преобразователях и не дают рекомендаций, способствующих улучшению динамической ситуации.
Преобразователь понижающего типа на основе ДРМ достаточно полно рассмотрен авторами [79,81] и позволяет регулировать выходное напряжение в сторону уменьшения /вых Е0. Повышающий преобразователь на основе ОСС рассмотрен автором [75] и позволяет осуществлять регулирование в сторону повышения С/Вых EQ. Инвертирующий преобразователь выступает в роли источника тока и позволяет регулировать выходное напряжение как в сторону повышения /выч EQ, так и в сторону понижения /выч Е0, обеспечивая, при этом, дозирование энергии и «естественные» функции токоограничения при коротких замыканиях в нагрузке.
Проведем сравнительный анализ изученных непосредственных преобразователей энергии на основе различных видов ШИМ-модуляций, с выделением в них областей проектного режима.
Математическое описание замкнутой модели преобразователя с применением численно - аналитических методов расчетов
Наиболее полную картину для понимания процессов нелинейной динамики может дать представление результатов в виде двухпараметрических буфуркационных диаграмм. К варьируемым параметрам относятся: управляющее напряжение Uv изменяется в пределах от 1В до 20В, коэффициент усиления а пропорционального регулятора ОС от 1 до 5000.
Существует несколько подходов к получению информации о поведении системы при динамически изменяемых параметрах. Один из таких подходов представлен на рис. 25. Данный алгоритм основан на расчете вектора неизвестных X(t) установлением (как показано на рис. 22), начиная с некоторых начальных условий.
Для построения требуется: последовательно (при изменении времени t) определять на каждом тактовом интервале момент коммутации 4, интегрировать исходную модель на участках непрерывности и производить сравнения полученных векторов переменных состояний с описанной в 2.3 точностью (алгоритм рис. 22, пример рис. 23). Далее, изменяя параметр Uy или а с минимального до максимального значения повторять вычисления и отслеживать изменение вектора неизвестных X(t) (алгоритм рис. 25, пример рис. 26). Проводя анализ сравнения изменения Uc, iL, Zk],Zk2 выявлять периодические, квазипериодические и хаотические режимы системы. ґ Начало Л у программы J
Алгоритм построения двухпараметрических диаграмм периодических режимов в пространстве параметров Uy, а Рис. 26. Пример реализации алгоритма поиска периодических режимов и построения двухпараметрической диаграммы
Все приведенные расчеты и алгоритмы вычисления мгновенных значений Х(ґ) и определения m-циклов по фазовым портретам могут быть проверены с использованием численных методов решения дифференциальных уравнений типа Рунге-Кутта четвертого порядка на основе САПР моделей spice программ. Проверка автором показала совпадение результатов в областях периодических режимов и значительные отличия численных методов от разработанных алгоритмов во множествах параметров, соответствующих хаотической динамике преобразователя. Машинное время, необходимое для решения Х(7) и нахождения w-циклов, при использовании предложенных алгоритмов на порядок меньше в отличие от программ, основанных на численных методах решения.
Алгоритм планирования эксперимента Разработка математической модели рассматривается в 2.2. На данном этапе происходит переход с допущениями от реальной модели к математической. Выбранные допущения играют важную роль в дальнейшей работе. Разработка алгоритма поиска стационарных периодических режимов в импульсных системах с ІТТИМ численно-аналитическими методами представлена в 2.3, 2.4. На данном этапе планируется и проверяется математический аппарат для нахождения поставленных задач. Далее происходит решение и верификация полученных результатов с оценкой погрешности, при достаточной точности и выполнении всех поставленных задач, происходит завершение расчетов и обработка полученных результатов.
Результаты и выводы по второй главе 1. Построены математические модели преобразователя напряжения с постоянным и синусоидальным управляющим воздействием методом точечного преобразования. 2. Разработаны и реализованы алгоритмы, позволяющие проводить анализ поведения нелинейных динамических систем, начиная с процесса установления, вплоть до установившегося режима. 3. Разработаны и реализованы алгоритмы для нахождения и определения областей периодичности и недетерминированности, уточнения границ и характера перехода областей. 4. Впервые в численно-аналитических математических моделях ККМ инвертирующего преобразователя учтено, что входное напряжения преобразователя изменяется по синусоидальному закону. 5. Показано, что существующих на данный момент одних пакетов программ систем автоматического проектирования пока не достаточно для исследования устойчивости системы, а требуется проведение совместного теоретического и математического анализа разрабатываемого устройства с изучением САПР-модели.
В данной главе проводится анализ нелинейной динамики импульсно-модуляционного преобразователя напряжения с однополярной нереверсивной модуляцией, в частности, дается определение области устойчивости проектного режима инвертирующего DC/DC преобразователя напряжения, а так же приведены результаты анализа динамики преобразователя в области разрывных, неразрывных и их граничных режимов токов дросселя.
Точечные отображения динамических процессов рассчитывались при следующем наборе параметров математической модели (1) преобразователя: входное напряжение преобразователя — Е0 = 220В, мощность нагрузки -Л/=Ю00Вт, сопротивление, учитывающее потери в преобразователе -R=\OM, сопротивление нагрузки - RH= 1600м, опорное напряжение -Uon = 5В, частота коммутации силового ключа - /= 40кГц, р = 0.025, максимальный коэффициент заполнения умакс = 0.71, управляющее напряжение обратной связи - Uy = изменяемая, индуктивность -L = изменяемая, емкость - С = изменяемая.
Расчет пассивных элементов проводился на основе существующих методик, например [75, 81, 108]. Параметры системы управления для каждого конкретного случая выбирались также на основе существующих рекомендательных методов, например [50, 64, 89, 96, 118].
Анализ динамики преобразователя в области прерывных токов дросселя (ПТ)
Данный режим характеризуется присутствием в нем как прерывных (верхняя и нижняя ветвь бифуркационной картины С/вых рис. 70) и непрерывных, так и их граничных значений токов дросселя (центральная ветвь рис. 70). Доминирующим является режим ПТ, близкий к НТ. Многократный рост пульсаций вызван появлением в ПТ постоянной составляющей (НТ), вследствие изменения скважности Zk2 обратного диода VD1. Спустя шестнадцать единиц по а, динамика преобразователя под действием процесса жесткой бифуркации мгновенно возвращается к одноцикловому ПТ с низким уровнем Кп, который существует до а = 1411.
При а 1411 до а 1540 вновь происходит рождение трех ветвей бифуркаций (т = 3), в двух из которых явно видно мягкое удвоение периода, в третьей наблюдается только хаотическая динамика. Появление в токе дросселя и выходном напряжении доминирующих ветвей с мягкой бифуркацией вызвано коммутационными процессами Zk2 в диоде VD1 (рис. 76). Особенностью трехциклового режима является одновременное присутствие в нем доминирующего ПТ с НТ. На данном интервале варьируемого параметра а рост пульсаций тока дросселя практически линейно возрастает со 110% до 130% (рис. 74).
На участке а = 1550-1750, после окончания процессов широкополосного хаоса, система вновь возвращается к проектному одноцикловому режиму (ПТ) и близкого к нему узкополосной хаотической динамики с низким коэффициентом пульсаций. На участке в узкой области при а= 1590-1600 происходит зарождение четных режимов (ПТ), начиная с четырехциклового с каскадом мягких бифуркаций и переходом к хаотической динамике.
При а 1750 наблюдается каскад бифуркаций, с последующей эволюцией удвоения периода, хаотизации и их кризисом начиная с четырех (т = 4). Рост пульсаций тока достигает максимального фиксированного значения равного Кп iL = 168%.
Фазовые портреты для окон перемежаемости четырех циклового (таблица 13, а5) и восьми циклового режима (таблица 13, а6) показывают, что характер работы преобразователя близок к режиму с разрывными токами дросселя. Время нахождения в нулевых значениях токах дросселя может достигать 40% от периода. Рост величины пульсаций тока (рис. 74) с момента потери проектного режима (т = 1), до момента ограничения и запределивания происходит практически по линейной зависимости.
Скважность Zkl (VT1) в режимах близких к ограничению и запределиванию изменяется с минимального (ZkiMH„ = 0) до максимального значения (ZkiMaKC = 0,71). Скважность диода Zk2 (VD1) ограничена уровнем 2к2макс = 0,4. Пульсации тока дросселя фиксированы уровнем 1,68. Пульсации выходного напряжения в режиме ограничения тока достигают 0,02% (рис. 75). Низкое влияние бифуркационных процессов на уровень пульсаций объясняется достаточно высокой величиной выходной емкости
На (рис. 77) представлена карта динамических режимов (т - циклы) инвертирующего преобразователя на основе модели с разрывными токами дросселя, в осях задающее напряжение Uy - коэффициент усиления а обратной связи. Вычисления происходили при фиксированных значениях величин индуктивности L и емкости С.
Карта динамических режимов на границе режимов ПТ-НТ Можно видеть, что имеет место линейная зависимость зарождения т - циклов от усиления а, характерная для режима ПТ, при изменении задающего напряжения 1В Uv 8В обратной связи. Для области 8В Uv 13В преобладают режимы высшей кратности, характерные для режима НТ. Область IB Uv 8В качественно повторяет карту (рис. 37) для режима прерывистых токов дросселя.
На рис. 78 и рис. 79 представлены трехмерные зависимости коэффициентов пульсаций тока и напряжения при различных уровнях задающего напряжения (Uy). При Uy 13В происходит запределивание преобразователя, вызванное максимальной скважностью ключа VT1 с уровнем умакс = 0,71. Ошибка обратной связи при у = умакс не отрабатывается, . Абсолютный коэффициент пульсаций тока дросселя в зависимости J[Uv,a) на границе режимов ПТ-НТ
Можно видеть, что на графиках присутствуют локальные области устойчивости одноциклового режима с низким К„, однако общий характер изменения пульсаций близок к картине ПТ. Средняя скорость роста амплитуды пульсаций улп тока дросселя, с момента потери устойчивости одноциклового режима, максимальна для значений Uy 7В и плавно спадает с уменьшением задающего напряжения, смещаясь в сторону больших значений коэффициента усиления (а) ОС преобразователя.
Области с проектным режимом (т - 1) выделяются на фоне многоцикловых практически нулевым значением пульсаций по напряжению.
Средняя скорость изменения амплитуды К„, после смены одноциклового режима, максимальна для значений Uv 7В и плавно спадает с уменьшением задающего напряжения. Граница устойчивости одноциклового режима функции flJJy, акр), в отличие от НТ и ПТ, представляет собой ломанную кривую.
Абсолютный коэффициент выходного напряжения в зависимости J[UY,a) на границе режимов ПТ-НТ
Максимальное значение уровня пульсаций тока дросселя при UV = \2B (рис. 79) достигает 2 и линейно снижается с уменьшением величины задающего напряжения.
Выводы для переходного граничного режима прерывистых и непрерывных токов дросселя - Динамика на границе режимов НТ и ПТ характеризуется одновременным существованием как прерывных (ПТ), так и непрерывных (НТ) токов дросселя, а так же их граничных значений. - Бифуркационные процессы в преобразователе вызывают изменение доминирующего режима работы, который является определяющим для энергетических показателей устройства. Смена доминирующего режима происходит мгновенно и в большинстве случаев под действием жестких бифуркаций. - Многократный рост пульсаций для данного граничного режима вызван появлением в режиме ПТ постоянной составляющей (НТ), вследствие бифуркационных процессов изменения скважности Zk2 обратного диода VD1. - Нелинейная динамика в режиме ПТ происходит по сценарию удвоения периода с последующим каскадом мягких бифуркаций, приводящих к широкополосной хаотической динамике. НТ характеризуется процессами с жесткой бифуркацией, хаотической и квазипериодической динамики. - Средняя скорость изменения амплитуды пульсаций тока дросселя, с момента потери устойчивости одноциклового режима, максимальна для значений Uy 7В и плавно спадает с уменьшением задающего напряжения, смещаясь в сторону больших значений коэффициента усиления (а) ОС преобразователя. - Исследования с а 200 имеют практическое значение для прецизионных систем стабилизации напряжения.
Оценка статических характеристик инвертирующего преобразователя Проведем оценку входных - выходных (иъых/ивх) характеристик разомкнутого инвертирующего преобразователя. На рис. 80 видно, что добротность преобразователя достигает 5,99, при этом напряжение нагрузки достигает значения 1318 В с величиной активных потерь R„0mePb - 0.6 Ом и экстремуме у = 0.9. Добротность снижается до 2,6 при увеличении RL = 4 Ом и у = 0.85.
Математическое описание и анализ двухконтурной схемы корректора коэффициента мощности
Источник управляется от внешнего управляющего устройства, в качестве которого может выступать либо компьютер, либо выносной пульт управления либо любое устройство поддерживающее протокол обмена, описанный в руководстве по эксплуатации. Перед включением питания источника должен быть включен компьютер и запущена программа «Управление источником».
Масса источника, кг не более 350 Силовые блоки обеспечивают выходные параметры источника по сигналам модуля контроля и демодуляции. Каждый из силовых блоков состоит из двух силовых ячеек (преобразователей) с промежуточным высокочастотным преобразованием и блока управления.
Силовой блок ИАТ 200-1-1000 на 20кВт с обозначенной областью внедрения результатов диссертации Напряжение сети 220/380 В, 50 Гц подается на входной выпрямитель ячейки через автоматический выключатель и контактор силового блока. Выпрямленное напряжение фильтруется входным фильтром и поступает на транзисторный автономный инвертор. Блок управления ячейками считывает текущую информацию с датчиков напряжения, тока, температуры и формирует модулированные по длительности сигналы управления силовыми транзисторами инвертора по задающим сигналам модуль контроля и демодуляции. Таким образом, инвертор преобразует выпрямленное напряжение сети в регулируемое переменное напряжение частотой 66 кГц, действующее на первичной обмотке согласующего трансформатора TV. Напряжение вторичной обмотки выпрямляется выходным выпрямителем, фильтруется индуктивно-емкостным фильтром и передается на входные шины модуля управления и демодуляции в однополярном виде. Модуль управления и демодуляции периодически изменяет полярность поданного на вход напряжения, в результате чего на его выходе формируется переменное напряжение программируемыми параметрами асимметрии.
Основные результаты и выводы по четвертой главе 1. Представлены схемные решения и их spice модели применения инвертирующего преобразователя в качестве корректора коэффициента мощности с различной топологией системы управления. 2. Представлены изготовленные вторичные источники питания, в которых внедрены результаты исследований данной диссертационной работы. 3. Определен один из путей построения стабилизаторов напряжения с повышенной живучестью в широком диапазоне изменения нагрузки - с индуктивным дозатором энергии передаваемой в нагрузку. 4. Создана основа для проектирования надежных стабилизаторов напряжения, базирующаяся на новых знаниях о нелинейной динамике преобразователей инвертирующего типа. Диссертационная работа1 «Динамика инвертирующего полупроводникового преобразователя с коррекцией коэффициента мощности» выполнена в Томском университете систем управления и радиоэлектроники.
При проведении научных исследований, связанных с темой диссертационной работы и решении поставленных задач были достигнуты следующие результаты:
1. Разработаны и созданы надежные технические средства компенсации реактивной мощности и мощности искажений.
2. Разработан преобразователь однофазного переменного напряжения в постоянное с корректором коэффициента мощности на основе преобразователя инвертирующего типа.
3. Разработаны математические модели инвертирующего преобразователя и преобразователя с функцией коррекции коэффициента мощности, а так же методики их численно - аналитического решения.
4. Разработаны алгоритмы поиска периодических режимов и расчета карт динамических режимов инвертирующего преобразователя в пространстве параметров системы.
5. Выявлены закономерности изменения энергетических показателей системы в зависимости от параметров системы автоматического управления и силовой части, а так же определены параметры силовой части, обеспечивающие достижение оптимальных и критических значений энергетических показателей преобразователя.
6. Проведен однопараметрический и двухпараметрический анализ нелинейных динамических режимов инвертирующего преобразователя в областях разрывных и неразрывных токов дросселя. Получены однопараметрические и двухпараметрические бифуркационные диаграммы, карты динамических режимов и инженерные характеристики преобразователя. Выявлены закономерности смены режимов и проведен анализ устойчивости системы с применением теории бифуркаций.
7. Определен путь расширения областей устойчивости проектного режима преобразователя и приведены диаграммы, отображающие изменение критических границ устойчивости режимов в зависимости от замкнутой системы регулирования параметров, позволяющие синтезировать параметры системы управления, исключающие работу преобразователя в аномальных режимах.
8. Результаты, полученные в работе, внедрены в НИИ «Промышленная электроника», и использовались при построении источников питания микропроцессорных систем управления различных преобразователей, в лабораторных комплексах на кафедре «Промышленная электроника» ТУСУР, а так же при выполнении государственного контракта №02.740.11.0068. Созданные в ООО «Промышленная электроника» устройства разрабатывались по заказу ФГУП «Краемашзавод» и ГОУ ВПО «СибГАУ».
