Введение к работе
Актуальность исследования. Импульсные электроэнергетические технологии получили в последние десятилетия широкое распространение. При этом ряд применений, например, лазерная резка, перфорирование, сварка, физический эксперимент и другие требует оперативного регулирования параметров процесса выделения энергии в нагрузке. Это вызывает необходимость разработки импульсных систем электропитания с регулируемым энерговыделением (ИСЭ). ИСЭ содержат зарядные устройства (ЗУ), основными составляющими которых являются зарядные преобразователи (ЗП), и генераторы импульсов тока (ГИТ) с накопительными конденсаторами (НК).
Усилиями ведущих научных коллективов России и ряда зарубежных стран разработаны высокоэффективные ИСЭ, нашедшие применение в различных областях науки и техники, разработаны принципы построения, управления и основы теории таких устройств, предложен широкий спектр востребованных на практике технических решений.
Интенсивное развитие элементной базы преобразовательной техники и систем управления открывает новые перспективы в направлении повышения эффективности ИСЭ. Вместе с тем, применение современных полупроводниковых приборов в рамках известных топологических и технических решений зачастую нерезультативно, т.к. не позволяет в полной мере использовать их свойства и возможности при должном уровне надежности.
Кроме того, непрерывный прогресс в микроэлектронике и вычислительной технике открывает принципиальные возможности практического применения новых принципов управления ИСЭ в составе технологических и электрофизических комплексов, а увеличение единичной мощности ИСЭ повышает требования к уровню электромагнитной совместимости (ЭМС) с первичным источником питания (ИП).
Все это делает актуальным продолжение исследований в направлении дальнейшего совершенствования схемных решений таких ИСЭ, адаптированных к новой элементной базе, поиска новых подходов к управлению ими в направлении улучшения массоэнергетических показателей, повышения стабильности параметров формируемых импульсов, надежности и расширения их функциональных возможностей, а также снижения влияния на ИП.
Целью диссертации является разработка и исследование ИСЭ, предназначенных для лазерных технологических (ЛТУ) и электрофизических установок (ЭФУ), а также применение и разработка новых методов оперативного управления в процессе накопления энергии в накопительном конденсаторе и выделения ее в нагрузке.
Для достижения поставленной цели автором решены задачи.
Анализ известных схемных решений зарядных преобразователей и генераторов импульсов тока ИСЭ и сравнительная оценка их функциональных возможностей.
Разработка на современной элементной базе ИСЭ, обладающих повышенной надежностью работы полупроводниковых элементов, стабильно-
стью параметров в режимах накопления и выделения энергии, а также пониженным воздействием на источник питания.
Анализ электромагнитных и тепловых процессов в силовых цепях и элементах, интегральных и динамических характеристик полупроводниковых преобразователей ИСЭ, а также разработка методики их инженерного расчета.
Анализ возможностей управления процессом накопления энергии в накопительном конденсаторе в функции теплового состояния ключевых элементов зарядного преобразователя и применения нейросетевых технологий в управлении процессом импульсного выделения энергии в нагрузке.
Методы исследования определяются спецификой рассматриваемых ИСЭ, содержащих полупроводниковые преобразователи с периодически изменяемой структурой. В соответствии с этим, исследования электромагнитных процессов на интервалах непрерывности выполнялись с применением классического, а также операторного методов решений дифференциальных уравнений с последующим припасовыванием решений на границах интервалов и расчетом на ЭВМ основных динамических и энергетических характеристик. Исследование особенностей совместного протекания электромагнитных и тепловых процессов в ЗП, а также режимов работы ГИТ выполнены с привлечением средств имитационного математического моделирования. Теоретические положения работы подтверждены экспериментом и совпадением результатов расчетов одних и тех же процессов различными методами.
Научная новизна.
Исследованы электромагнитные процессы в зарядных преобразователях с дозирующими конденсаторами (ДК) и процессы нагрева силовых ключей в режиме бестоковой коммутации, выявлены основные закономерности работы, предложен оптимальный способ управления зарядными преобразователями, обеспечивающий минимальное время зарядки накопительного конденсатора при заданном перегреве IGBT.
Исследованы электромагнитные процессы в генераторах импульсов тока с многозвенным индуктивным и комбинированным токоформирующим элементами (ТФЭ), выявлены основные закономерности работы, получены интегральные характеристики и разработана методика их расчета.
Разработаны математические модели расчета потерь мощности в IGBT на основе их паспортных данных и тепловая модель системы «IGBT -охладитель», позволяющие рассчитывать динамику процесса передачи тепла и одновременно исследовать электромагнитные и тепловые процессы в ИСЭ при различных ее параметрах в моноимпульсном и периодическом режимах работы.
Обоснована целесообразность и показана возможность применения нейросетевых технологий для управления генераторами импульсов тока с целью формирования выходных импульсов с заданными параметрами.
Практическая ценность работы.
1. Предложенные схемные решения зарядного преобразователя и генератора импульсов тока повышают надежность работы полупроводниковых
элементов ИСЭ, стабильность выходных импульсов, позволяют снизить их массу, габариты, а также повысить уровень ЭМС с источником питания.
Предложенные способы управления зарядными преобразователями и генераторами импульсов тока расширяют функциональные возможности ИСЭ, обеспечивая оперативное воздействие на процессы накопления и выделения энергии путем формирования импульсов с заданными свойствами, повышают их надежность и создают предпосылки создания замкнутых систем управления по выходному параметру технологического (электрофизического) процесса.
Полученные результаты исследований и разработанные методики расчета элементов ИСЭ позволяют обоснованно подходить к проектированию и выбору этих элементов для использования их в качестве комплектующих изделий источников электропитания.
Связь темы диссертации с научно-техническими программами. Работа выполнялась в рамках:
Ведомственной научно-технической программы министерства образования и науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы» на 2005-2010 г.г. (Подпрограмма 2 «Прикладные исследования и разработка по приоритетным направлениям науки и техники». Раздел 2.1 «Прикладные исследования». Направление «Энергетика». Проект «Разработка нового поколения полупроводниковых преобразователей и автоматизированных систем управления для повышения энергетической эффективности специальных электротехнологических и электромеханических комплексов»);
Программы фундаментальных научных исследований ИПФ РАН (г. Н.Новгород) по направлению «Разработка источников электропитания физических установок»;
Программы фундаментальных научных исследований отделения информационных технологий и вычислительных систем РАН (ОИТВС РАН, г. Москва) «Новые физические и структурные решения в инфотелекоммуни-кациях» по направлению № 2 «Нейро-оптические принципы и системы обработки информации».
В работе автор защищает.
Принципы построения и схемные решения зарядных преобразователей и генераторов импульсов тока, повышающие надежность работы полупроводниковых элементов и расширяющие функциональные возможности ИСЭ.
Математические модели зарядных преобразователей и генераторов импульсов тока и результаты анализа электромагнитных и тепловых процессов.
Методики и результаты расчетов динамических и интегральных характеристик, а также способы управления зарядными преобразователями и генераторами импульсов тока.
Результаты анализа ЭМС ИСЭ и первичного источника питания.
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
региональных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы электроэнергетики», г. Н.Новгород, 2006, 2007 г.г.; П-й Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии», г. Тольятти, 2007; VII Международной молодежной научно-технической конференции «БУДУЩЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЙ НАУКИ», 16* of May, 2008, Nizhniy Novgorod, Russia; X Всероссийской конференции по совместимости и электромагнитной безопасности, ЭМС-2008, г. Санкт-Петербург, 2008.
По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе получено 2 патента РФ на полезные модели, 2 положительных решения о выдаче патентов на изобретение и полезную модель и 3 свидетельства о регистрации программ для ЭВМ.
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит 214 стр. основного текста с 87 рисунками, 104 наименования используемой литературы, 16 стр. приложения.
