Содержание к диссертации
1. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ И ВЫБОР СХЕМ ИНВЕРТОРОВ
ДЛЯ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ НЛВД 11
1.1. Требования к источникам питания НЛВД 11
Недостатки работы НЛВД совместно с электромагнитными ПРА 12
Согласование вольтамперных характеристик
НЛВД и выходных характеристик ЭПРА 14
1.2. Обзор схем ЭПРА 17
1.2.1. Применение электронных ПРА
для питания НЛВД 17
Полумостовой инвертор напряжения с индуктивным балластом 19
Обзор схем резонансных инверторов 23
Схемы инверторов с дозированной
передачей энергии (ДПЭ) в нагрузку 31
1.2.5. Обзор низкочастотных ЭПРА 35
1.3. Эффект «акустического резонанса» при питании НЛВД
током повышенной частоты 40
1.4. Сравнение схем инверторов в составе ЭПРА 49
Выводы по главе 52
2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ
МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ИНВЕРТОР-РЛ 53
2.1. Обзор математических моделей
электрических параметров разрядных ламп 53
2.2. Математическое описание модели проводимости
разрядной лампы 60
Описание экспериментальной установки для определения параметров модели проводимости РЛ 62
Математическое описание семейства статических характеристик натриевой лампы высокого давления 66
Моделирование динамических процессов при
изменении электрического режима разрядной лампы 73
2.6. Моделирование электрических процессов
в разрядной лампе с учетом изменения температурного
параметра равновесной характеристики 77
Методика численного решения модели проводимости разрядной лампы 80
Математическая модель инвертора
с дозированной передачей энергии 82
2.9. Результаты моделирования системы
инвертор с ДПЭ - НЛВД 88
Выводы по главе 92
3. ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
И ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СИСТЕМЫ ИДПЭ-НЛВД 93
3.1. Методы регулирования выходной мощности
инвертора с ДПЭ 93
Режим ограничения тока в инверторе с ДПЭ 98
Методы увеличения зоны параметрической стабилизации мощности в инверторе с ДПЭ 102
Использование развязывающего трансформатора и дополнительного дросселя для согласования зоны рабочих напряжений РЛ и зоны параметрической стабилизации ИДПЭ 108
Применение инверторов с ДПЭ с двумя дозаторами
для уменьшения влияния АР 114
3.6. Исследование динамических свойств
системы инвертор с ДПЭ - НЛВД 117
3.6.1. Исследование устойчивости системы
при изменении входного напряжения 120
3.6.2. Исследование устойчивости системы
при изменении частоты инвертора 127
Выводы по главе 128
4. ПРИМЕНЕНИЕ ИНВЕРТОРА С ДПЭ В ЭПРА 130
Ограничения при расчете инвертора с ДПЭ 130
Методика расчета схемы инвертора с ДПЭ 133
Расчет инвертора с ДПЭ в составе регулируемого ЭПРА.... 139
Практическая реализация ЭПРА с инвертором с ДПЭ 141
Выводы по главе 148
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 149
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 152
Введение к работе
Современные электротехнологические и светотехнические
установки, использующие в качестве активной рабочей среды дуговой электрический разряд, предъявляют высокие требования к динамическим показателям источников питания [1,29,30,86]. Это вызвано, прежде всего, свойствами разряда и характером протекания технологического процесса. Разряд, как элемент электрической цепи, представляет собой активную нелинейную малоинерционную нагрузку, проводимость которой зависит от изменения внешних условий и условий электропитания [8,9,101,102]. Времена релаксации проводимости составляют от единиц до сотен микросекунд.
Эксплутационные режимы и протекание технологического процесса целого ряда установок характеризуется резким изменением нагрузки от режима холостого хода к режиму короткого замыкания и обратно. При этом источник должен иметь, как правило, сложную характеристику в зависимости от типа установки и технологических режимов работы, которая может содержать участки стабилизации тока, мощности, напряжения или иметь возможность устанавливать требуемый тип характеристики.
Особое место среди источников питания таких установок нашли
ключевые конденсаторные преобразователи с дозированной передачей
энергии. Отличительной особенностью таких устройств является
наличие дозирующего конденсатора, включенного последовательно в цепь
нагрузки на этапе передачи энергии. Достоинствами таких
преобразователей являются ограничение энергии на периоде модуляции,
надежная работа на высоко динамичную нагрузку, изменяющуюся в
широких пределах, вплоть до короткого замыкания, низкие
коммутационные потери в силовых ключах.
Известные фундаментальные работы [15-17,98] касаются, прежде всего, преобразователей, построенных на одно-операционных тиристорах, однако для реализации преобразователей мощностью до 1 кВт, удовлетворяющих современным требованиям (масса, габариты, КПД и пр.), применение тиристорных схем неоправданно, благодаря наличию мощных полностью управляемых ключей.
Наиболее полно исследованы импульсные преобразователи постоянного тока с ДПЭ [107,108], схемная реализация которых на транзисторах в значительной степени совпадает с тиристорными схемами. В то же время реализация и исследования транзисторных инверторов с ДПЭ (ИДПЭ) практически не отражены в литературе.
Однако существует область применения таких инверторов, где их характеристики весьма востребованы, а именно, источники питания электрических разрядов током повышенной частоты (сварка, спектрография, плазмотроны, разрядные лампы) [1,105,106]. Одним из применений являются источники питания натриевых ламп высокого давления.
Применение инверторов с ДПЭ позволяет обеспечить
параметрически ограничение тока лампы в пусковом режиме и стабилизацию мощности при изменении проводимости. Однако реализации инвертора с ДПЭ с учетом специфических требований и динамических режимов эксплуатации лампы [18] требует отдельного исследования.
Цель работы:
Разработка и исследование транзисторных инверторов с дозированной передачей энергии (ДПЭ) с улучшенными статическими и динамическими характеристиками для источников питания натриевых ламп высокого давления.
Реализация поставленной цели потребовала решения следующих задач:
Анализ технических требований, сравнительный обзор и выбор схем преобразователей для питания НЛВД.
Математическое моделирование проводимости НЛВД.
Анализ статических характеристик инвертора с ДПЭ. Исследование и разработка методов и схем инверторов с расширенной зоной параметрической стабилизацией мощности.
Исследование квазистационарных и динамических режимов работы системы «ИДПЭ - НЛВД».
Разработка методики расчета и построение практических схем ИДПЭ.
Методы исследования: При решении поставленных задач использовались методы математического и схемотехнического моделирования, а также аналитические методы: классический операторный метод, метод гармонического анализа и метод преобразований Фурье. Экспериментальные исследования системы «ЭПРА - НЛВД» проводились с применением цифровых измерительных приборов и последующей компьютерной обработкой с использованием пакета программ «Mathcad».
Научная новизна:
1. Выявлено влияние напряжения питания на статические характеристики ИДПЭ. Показано, что ИДПЭ обеспечивают параметрическую стабилизацию мощности с точностью 5% в диапазоне изменения напряжения 0,45-0,9 относительно входного постоянного напряжения инвертора при требуемом значении коэффициента амплитуды тока (не более 1,7). Установленные возможности ИДПЭ позволили сформулировать рекомендации по выбору элементов схемы и способа управления мощностью
Для согласования зоны параметрической стабилизации ИДПЭ с диапазоном рабочих напряжений НЛВД, предложена схема включения корректирующего конденсатора и дополнительного дросселя. Показана эффективность использования корректирующего конденсатора и дополнительного дросселя для увеличения зоны параметрической стабилизации на 20%. Показано, что применение согласующего трансформатора в цепи нагрузки позволяет расширить зону параметрической стабилизации мощности, и его применение оправданно в тех случаях, когда зона параметрической стабилизации не совпадает с диапазоном рабочих напряжений РЛ. Для увеличения зоны параметрической стабилизации на 15-20% в области больших напряжений предложено использовать дополнительный дроссель в диагонали инвертора.
Получены статические характеристики позиционно следящей системы ограничения выходного тока в инверторе, которые позволяют утверждать о применимости данного метода для ограничения тока в НЛВД при пусковых или аномальных режимах работы лампы. Выявлена зависимость действующего значения и частоты пускового тока от заданного порога переключения.
На основе исследования математической модели системы «ИДПЭ - НЛВД» в переходных и установившихся режимах установлено, что переходные процессы в системе носят апериодический характер, определяются постоянной времени проводимости лампы и наклоном статических характеристик источника питания и лампы. Определено условие устойчивости системы при изменении входного напряжения и при частотном регулировании.
Предложена методика расчета ИДПЭ, учитывающая характеристики лампы и динамические режимы эксплуатации.
Практическая ценность
Предложена, защищенная патентом РФ на полезную модель [19], оригинальная схема ЭПРА с ДПЭ с расширенной зоной параметрической стабилизации мощности.
Разработанная модель лампы, включая методику измерения ее параметров, позволяет проводить исследования динамических режимов работы источника питания в квазиустановившихся и переходных режимах. Получены аппроксимирующие выражения для коэффициентов базовых уравнений модели проводимости лампы Днат-100-3.
Разработанные схемы инверторов с ДПЭ, методики расчета и математическая модель НЛВД использованы при проектировании ЭПРА, нашедших практическое применение.
Предложена схема инвертора с ДПЭ с 2-мя дозаторами, которая позволяет исключить влияние АР на НЛВД. Определены основные соотношения между элементами, при которых достигается квазипрямоугольное выходное напряжение с пониженным уровнем пульсаций мощности.
Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы на ООО «Горизонт» г. Екатеринбург при проектировании серийно выпускаемого ЭПРА для НЛВД мощностью 250 Вт и на ОАО «Завод Стелла» г. Зеленоград при проектировании ЭПРА для НЛВД мощностью 400 Вт.
Апробация работы: Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на VI и VII научно-технической
конференции студентов и аспирантов МЭИ в 2000 и 2001 г.г., а также на научных семинарах кафедры Промышленной Электроники.
Публикации: По результатам работы опубликовано 8 печатных работ, получен 1 патент РФ на полезную модель. Отдельные вопросы, связанные с диссертационной работой отражены в 3 отчетах по НИР [99,103,104].
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю - кандидату технических наук, доценту Полякову Валерию Дмитриевичу за руководство и помощь при выполнении работы.
1. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ И ВЫБОР СХЕМ ИНВЕРТОРОВ ДЛЯ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ НЛВД
В данной главе описываются требования, предъявляемые натриевыми лампами высокого давления к пускорегулирующим аппаратам. Но основе этих требований проводится сравнительный анализ схем инверторов в составе электронных пускорегулирующих аппаратов (ЭПРА) и обосновывается применение в составе ЭПРА схем инверторов с дозированной передачей энергии (ИДПЭ).
