Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время импульсные преобразователи постоянного напряжения (ИППЮ применяются во многих отраслях промышленности. Их применение обусловлено снижением расхода дефицитных материалов, например, электротехнической стали и меди, уменьшением массы и объема, улучшением динамических характеристик. Источники вторичного электропитания. (ИВЗП) на базе ШШН по многий показателям превосходят ИВЭП непрерывного действия.
Развитие техники высокочастотного преобразования электроэнергии характеризуется дальнейшим ростом частот преобразования, появлением новых силовых полупроводниковых приборов, ужесточением требований к параметрам преобразовательных устройств.
Одними из наиболее перспективных высокочастотных преобразователе'/, являются ИППН резонансного типа, имеквде ряд достоинств по сравнению с другими типами ИППН, например.меньшие уровни излучаемых и передаваемых в сеть и потребителю электромагнитных помех, благоприятные траектории переключения силовых ключей. Резонансные высокочастотные инверторы, являкзЕкеся силозой частью таких ИППН, известны и широко применяются в ткристорной преобразовательной технике.
Однако режимы работы резонансного инвертора в составе ИППН с замкнутыми контурами управления изучены недостаточно. Не разработаны удобные для практики, основанные на точных математических моделях програли анализа и расчета на ЗБМ режимов и характеристик ИППН с последовательным резонансным инвертором при работе в составе замкнутой системы управления. Судествушке интегрированные системы схемотехнического моделирования (Шсго-С/Р. FSplce, Design Center и др.) либо предназначены для моделирования аналоговых схем, либо требуют ПК расширенной конфкгурадии. Появившиеся недазно мощные и достаточно универсальные пакеты программ MatbCAD. MatLAB. Derive, MathemticaS. Maple и др. не всегда доступны пользователя из-за их высокой стоимости и требуемой расширенной конфигурации ПК. В то же время для анализа конкретных схем не требуются все предусмотренные в этих программах, возможности, они малоэффективны для анализа и расчета предварительно плохо изученных схем.
В ИППН с мостовым последовательным резонансным инвертором в режимах прерывистого тока колебательного контура не рассмотрено влияние алгоритмов переключения силовых ключей на основные статические и динамические характеристики.
- A -
He рассмотрены особенности работы последовательного резонансного инвертора с обратными диодами в режиме источника тока на частотах преобразования порядка 10Q кГц и выше, когда начинает уменьшаться диапазон изменения выходного тока.
Не до конца решены проблемы обеспечения высокой надежности транзисторных высокочастотных ШШН при сохранении высокого КПД и допустимых уровней генерируешх преобразователем электромагнитных помех, а также требуемого качества процессов в замкнутой системе.
Целью работы являются: разработка программ анализа и расчета на ЭВМ режимов и характеристик ШШН с последовательным резонансным инвертором при замкнутых контурах управления, основанных на точных аналитических выражениях для элементов переходной матрицы линейной части; расчет статических характеристик и экспериментальное исследование двух новых схем ИШШ на базе последовательного резонансного инвертора с обратными диодами; разработка ряда высокочастотных транзисторных ШШН повышенной надежности и КПД; разработка устройства, обеспечивающего требуемое качество выходного напряжения и процессов в ШШН.
Методы исследований. Основные результаты работы подучены на основе методов вычислительной математики и программирования, теории цепей, теории дифференциальных и разностных уравнений в матричной форме. Достоверность полученных результатов обеспечена экспериментальными исследованиями разработанных ИШШ.
Научная новизна.
-
Разработаны специализированные программы анализа и расчета на ЭВМ режимов работы и характеристик ШШН с последовательным резонансным инвертором и замкнутыми контурами управления, отличаощиеся высокой эффективностью, экономичностью, высокой точностью, быстродействием и легкостью перестройки при изменениях схемы.
-
Выполнен анализ влияния алгоритмов: переключения силовых ключей в ШШН с мостовым последовательным резонансным инвертором на внешние, регулировочные характеристики и качество переходных процессов в замкнутой системе.
-
Получены выражения для статических характеристик и проведено экспериментальное исследование двух ранее не рассмотренных вариантов схем ШШН на базе последовательного резонансного инвертора с обратными диодами, позволяших расширить диапазон изменения выходного тока.
-
Разработаны, защищены авторскими свидетельствами на изобретения и исследованы схеми ЖШ повышенной надежности на основе последовательного соединения регулирующих транзисторов с реализацией эмиттерного запирания, а'также на основе последовательного соединения двух преобразователей по входу и выходу.
-
Разработаны, защищены авторскими свидетельствами на изобретения и исследованы ряд схем ИППН с цепями формирования траектории переключения транзисторов с передачей энергии, накопленной в реактивных элементах цепей, з нагрузку или источник входного напряжения без дополнительных ключевых элементов. Получены соотношения дхя расчета параметров формирующих цепей.
-
Разработана схема устройства, устраняющего подъем внешней характеристики ИППН в режимах малых токов нагрузки и холостого хода, а тагасе улучшающего качество процессов в замкнутой системе.
Основные положения, выносимые на зашиту.
-
Специализированные программы анаїкза и расчета на ЭВМ режимов работы и характеристик ИППН с последовательным резонансным, инвертором и замкнутыми контурами упр.азления при широтно-импульсной модуляция.
-
Результаты, анализа влияния двух алгоритмов переключения силовых кгочей ИППН с мостовым последовательны;* резонансным инвертором на внешний, регулировочные характеристики и качество переходных процессов в замкнутой системе.
-
Выражения для статических характеристик и результаты экспериментального исследования двух схем ИППН на основе последовательного резонансного инвертора с образными диодами, имеющих расширенный диапазон изменения выходного тока.
-
Схемы ИППН повышенной надежности на основе последовательного соединения регулирующих транзисторов с реализацией змиттеркого запирания, а также на основе двух соединенных последовательно по входу и выходу преобразователей с реализацией новых методов выравнивания напряжений между ними.
-
Схемы ИППН с оригинальными- цепями формирования траекторий переключения транзисторов без дополнительных ключевых элементов и соотношения для расчета параметров формирующих цепей.
-
Схема устройства, обеспечивающего улучшение качества выходного налряления ИППН в режимах мачых токов нагрузки и холостого хода, а также процессов з замкнутой системе.
Практическая ценность работы.
-
Разработанные специализированные программы позволяют не только проводить расчеты основных статических и динамических характеристик ЮШН, но и удобны для выявления ранее не изученных дина>,ш-ческих режимов и оптимального проектирования.
-
Выявленные особенности алгоритмов переключения силовых ключей мостового последовательного резонансного инвертора ИППН позволяют проектировать схемы с лучшими динамическими и энергетические характеристиками.
-
Прозедекные исследования схем КППН на базе последовательного резонансного инвертора с обратными диодами показали возможность повышения мощности Еысскочастогного ЛППН без усложнения конструкции силового трансформатора.
-
Разработанные схемы ИШІН на основе последовательного соединения двух преобразователей по входу и выходу или на основе последовательного соединения регулирующих транзисторов с эмиттеркым запиранием позволяют создавать источники питания повышенной надеж-ос-ти и высоковольтные стабилизаторы напряжения, применяемые з радиоустановках, шахтком электрооборудовании и т.д.
-
Разработанные транзисторные ИППН с оригинальными цепями формирования траектории переключения трглзкстороз позволяют повысить КПД и наде:шость, .а такае уменьшить уровни электромагнитных помех.
-
Разработанная схема дополнительного нагрузочного узла позволяет устранить подъем внешней характеристики ШІГІН в реізшах малых токов нагрузки и.холостого хода, а б ШЗПН с замкнутыми системами управления устранить режимы колебаний на частотах- субгармоник или другие виды сло&ных колебаний л, таким образом, обеспечить высокое качество процессоз и хороше динамические показатели ШЛИ при наличии возмущающих воздействий.
Реализация результатов работы. Теоретические и практические результаты, полученные в диссертации, связаны с участием автора с: 1931 г. в. ряде хоздоговорных и госбюджетных НИР, выполненных кафедрой прсмэлектронкки Чувашского госуниверситета.. Результаты экспериментальных исследований разных типов МШН .'и разработанные автором ИВЭП Еа их оснозе внедрены во ВНИИ "Альтаир", (Москва). На АО "Завод Чузашкабель" изготовлен .макетный образец, устройства регулирования подачи лака при производстве Емальлроводов. з котором автором раз-
работала электронная часть устройства с источником вторичного электропитания на основе высокочастотного ШШН. На АО "Царица" (Волгоград) изготовлена опытная партия разработанных автором преобразователей на базе последовательного резонансного инвертора с обратными диодами, для реверсизкого электропривода постоянного тока антенн спутникового телевидения. В электроприводе станков с ЧПУ, разработанном кафедрой электропривода ЧувГУ по договору с АО "Завод Іуваакабель ", использован разработанный автором ИВЗП с высокочастотным преобразованием электроэнергии.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и эбсуждались на Международной конференции "Проблемы преобразования электроэнергии" (М.,МЗИ, 1993 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы преобразовательной техники" (Киев, 1987 г.), за Всесоюзном семинаре "Высокоэффективные источники и системы вторичного электропитания" (М..МДНТП, 1986 г.), на Республиканской научно- практической конференции молодых ученых и специалистов ЧАССР (Чебоксары, 1985 г.), на итоговых научных конференциях ЧувГУ.
Публикации. По теме диссертация опубликовано 26 печатных ра-5от, в том числе получено 16 авторсгаях свидетельств на изобретения.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав^заключения. сш:ска литературы из 169 наименований, 2 приложе-ш'л. Обший объем работы в 163 стр. включает: 82 стр.машинописного текста, 38 рис. на 25 стр., список литературына 19 стр. и 38 стр. іриложекин.
