Введение к работе
пуальность проблемы. В настоящее время существует много устройств силовой ектроники, которые в своей работе используют разряд энергии конденсатора. К м относятся источники питания оптических квантовых генераторов, импульсных точников света, генераторы импульсных токов и напряжений для ектротехнологий, системы формирования импульсных магнитных полей, и др.
Для того чтобы зарядить емкостной накопитель энергии применяют зличные методы. Общей чертой их является построение зарядной части в той їй иной степени обладающей характеристикой источника тока. Поскольку, в силу ізических своих особенностей, емкостной накопитель отождествим с источником пряжения, и в подавляющем своем большинстве источники энергии являются кже источниками напряжения, то зарядный преобразователь является, по сути, тивным элементом, преобразующим напряжение источника в требуемый зарядный к. Он должен, с одной стороны, обеспечить необходимую передачу энергии от іточника в накопитель, с другой стороны, обладать высоким "сопротивлением", ібота зарядного преобразователя помимо этого осложнена и тем, что номинальный жим соответствует периодическому накоплению энергии в емкостном накопителе, значит и непрерывному изменению его напряжения. Поэтому, построение эеобразователей для заряда ЕН, обладающих высокими энергетическими ірактеристиками (такими как коэффициент полезного действия, коэффициент эщности, коэффициент использования источника), а также высокими массо-баригными параметрами является сложной задачей, отличающейся от задачи строения других классов устройств силовой электроники.
Решению этой задачи посвящено значительное число работ выполненных ентеговым И.В., Булатовым О.Г., Кныш В.А., Волковым И.В. и др.
На основе многочисленных теоретических и практических работ по зарядным эеобразователям в настоящее время считается общепринятым, что подобные :тройства должны работать либо в режиме источника тока, либо в режиме ;точника мощности. Второй из названных режимов считается предпочтительным, :обенно когда мощность первичного источника соизмерима с преобразуемой.
Известно ограниченное число устройств, в которых принципиально может зіть реализован этот режим с малой пульсацией мгновенных значений федаваемой мощности. Среди них перспективны управляемые формирователи ї базе индуктивно-ключевых структур, в которых преобразование энергии эоизводиться на повышенной частоте, а требуемый закон изменения тока 5еспечивается с помощью индуктивных элементов и модуляции прикладываемого ним напряжения.
Цель работы - теоретическое обоснование предпочтительных режимов работы здуктивно-ключевых формирователей зарядного тока, практическая разработка и следование базовых схем формирователей, создание и внедрение реальных лройств.
Поставленная цель потребовала решения следующих задач:
-
Введение обобщенных коэффициентов, характеризующих качест] преобразования энергии в процессе заряда и сравнительный анализ на их осно основных способов заряда.
-
Исследование взаимодействия формирователя зарядного тока и входно сглаживающего фильтра.
-
Выделение базовых схем ИКФТ на основе взаимодействия потоков силово дросселя и трансформатора и анализ работы элементов зарядно преобразователя.
-
Анализ способов регулирования и их устойчивости.
-
Исследование с помощью математической и физической моде, работоспособности предложенных систем формирования зарядного тока.
Методы исследования. Теоретические выкладки и выражения получень использованием аппарата дифференциальных уравнений, метода точечні преобразований и численных методов. При расчетах и моделировании широ применялись программы математического моделирования MathCAD топологического моделирования PSpice.
Научная новизна
-
Пролучены аналитические соотношения для расчета коэффициеь амплитуды зарядной мощности и коэффициента обменной энерг зарядных устройств. Расчитаны оптимальные параметры ступенча-падающего тока.
-
Разработаны модели базовых схем индуктивно-ключеві формирователей тока (ИКФТ) и проанализированны релейный релейно-импульсный способы формирования перемени составляющей тока. Показано, что при втором способе возмож автоколебания и предложен вариант их устранения.
-
Показана предпочтительность построения зарядных устройств в ві систем формирования ступенчатого тока, как из обобщенных критери так и с точки зрения режимов работы элементов преобразователей.
-
Установлены зависимости между режимами работы заряди устройств и параметрами входного сглаживающего фильтра.
Практическая ценность. В результате проведенных исследований:
-
Предложены и исследованы новые схемные решения и алгоритмы рабе зарядных преобразователей на основе индуктивно-ключевого формирования ток сочетании с дискретным изменением трансформаторно-выпрямителного узла.
-
Получены выражения для расчета элементов входного фильтра при раб< на ЗП, даны рекомендации по оптимальному взаимодействию фильтра и ЗП;
-
Получены зависимости для коэффициентов расчетных мощностей гментов ЗП, позволяющие оценить КПД и режимы работы элементов.
-
Разработаны зарядные устройства на основе индуктивно-ключевого ірмирования тока и с дискретным изменением трансформаторно-вьшрямителного ла, которые обладают рядом положительных качеств, выделяющих их из вестных аналогов.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
В качестве параметра, характеризующего степень приближения ЗУ к точнику мощности целесообразно использовать коэффициент обменной энергии, ри формировании ступенчато-падающего тока для обеспечения минимума азанного коэффициента относительные амплитуды и длительности ступеней юбходимо выбирать из соотношений , где л, N - соответственно номер и число упеней.
-
В качестве классификационного признака ИКФТ для заряда ЕН может ужить характер взаимодействия силового трансформатора и дросселя. Схемы, в ггорых гоменение потока дросселя не связано с изменением потока трансформатора і всем протяжении процесса заряда в наибольшей степени подходит к реализации істем формирования тока.
-
Коэффициенты расчетных мощностей основных элементов ИКФТ зависят формы тока дросселя и минимальны при постоянном токе. При этом формировать эедпочтительный ступенчато-падающий ток целесообразно путем дискретного шенения коэффициента трансформации согласующего трансформатора.
4. Наиболее рациональным режимом работы индуктивно-ключевых
ормирователей зарядного тока является режим, при котором амплитуда тока
иксирована, а частота напряжения на трансформаторе пропорциональна
шряжению накопителя. При этом с момента равенства приведенного напряжения
їкопителя половине питающего всегда возникают субгармонические колебания,
ля их устранения с указанного момента целесообразно фиксировать не амплитуду,
минимальное значение заданного тока.
Личный вклад автора в разработку положений выносимых на защиту:
результаты расчета элементов входного фильтра при работе на ЗП;
результаты расчета параметров ступеней тока, позволяющие оптимизировать аботу ЗП в системе ступенчатого формирования тока;
топологические и математические модели предложенных зарядных реобразователей;
разработка схемотехнических решений ЗП на основе индуктивно-ключевого юрмирования тока и в сочетании с дискретным изменением коэффициента передачи рансформаторно-вьтрямителного узла.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работ использованы при разработке источника питания генератора атомарного водород предназначенного для очистки полупроводников и системы питания источниі импульсных электронных пучков.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались обсуждались на:
-1,2,3,4 научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учены Томск, 1994-98 гг;
- 3 международной научно-технической конференции "Актуальные проблем электронного приборостроения". Новосибирск 1996 г.
Публикации. По результатам выполненных в диссертации исследовані! опубликовано 10 печатных работ, в том числе получено 1 авторское свидетельсті на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введени трех глав, заключения, списка литературы, включающего 86 наименований, содержит 115 страниц основного машинописного текста и 51 рисунок.
