Введение к работе
Актуальность темы исследования. Тенденция РЭА к миниатюризации, многообразие используемой в ней элементной базы, расширение круга решаемых ев задач резко повысили требования, предъявляемые РЭА к источникам вторичного электропитания.
Значительно возросли требования к стабильности выходных напряжений, величине коэффициента пульсаций, ыассогабаритныа показателям, потребляемой энергии и надежности. Значительно возросло требуеиое для выполнения цели функционирования РЭА число изолированных друг от друга и от сети переменного напряжения каналов электропитания с разными номинальныш! значениями постоянного напряжения. Увеличение числа каналов приводит к увеличении габаритов и объеыа источника питания, потерь мощности в его элементах и снизению надежности.
Отличительной особенностью многоканальных источников вторичного электропитания (ШЗЭ) является наличие общей для всех каналов электропитания части структуры, выходкам элементом которой является формирователь каналов (ФВК). Выходноз напряжение 5БК преобразуется з каналах в постоянное стабилизированное напряжение требуемой величины и иоцности. Наличие внутреннего сопротивления функциональных элементов общей части структуры ИИВЭ обуславливает взаимосвязь каналов, что проявляется в изменении напряжения на входе всех каналов при изиенении тока нагрузки в одной из них (или в нескольких каналах). Последнее обстоятельство отрицательно влияет на выполнение целей функционирования РЭА и повнпает требования к стабилизирующий преобразователям постоянного напряжения), что приводит к услознонио цепей управления стабилизирующих устройств, сниаает их надежность и устойчивость.
Количество альтернативных вариантов ииитрувния структур !ИВЭ велико и определяется сліадув^ики факторами:
-
Ыногестзоы типоп формирователей каналов (сетовой выпрямитель, входной сглаяивакций фильтр, стабилизатор, инвертор).
-
Множеством вариантов структур потсроеная каналов.
-
Мноаеством вариантов структур функциональных элементов, образующих канал электропитания.
Цель функционирования ШВЭ всегда шогоыерна, вследствии большого числа функциональных требований (частных целей функционирования), предъявляемых к ним. Выполнение всех этих требований в каиси-ыальной степени нсвозкозно вследствии их противоречивости, что усложняет задачу выбора варианта структуры ИИВЭ.
Поэтому возникает актуальная проблема заключающаяся в необходимости разработки научно-обоснованной методики проектирования оптимальных МИВЭ," которые обеспечивают достаточно полное выполнение всех функциональных требований при конкретном окружении. Решению этой проблема до пастсяшзго времени не уделялось достаточного внимания.
Решение указанной проблемы возможно при использовании методики векторной (многоцелевой) структурной и параметрической оптимизации. При многоцелевой оптимизации оптимальным считается такое решение при котором обеспечивается достаточно полное достижение всех частных целей функционирования 1ШЭ'.
Степень достижения частных целей определяется показателями качества (ПК); которые оценивают увеличение степени соответствия функциональным требованиям через уменьшение численного значения ПК.
Целью диссертационной работы является разработка методики проектирования оптимальных МИВЭ РЭА, которые обеспечивают достаточно полное выполнение всех частных целей (функциональных требований) при конкретном окружении.
Методы исследования.
Для достижения цели исследования были использованы положения системного анализа, методика векторной многоцелевой структурной и параметрической оптимизации технических систем с применением безусловного и условного критериев предпочтения, топопогичеокие методы, теория принятия решения.
Научная новизна заключается в следующем:
-
обоснована многомерная цель функционирования МИВЭ,отражаемая совокупностью предъявляемых к нему функциональных требования.
-
Впервые с позиций системного подхода решена задача многоцелевой (векторной) оптимизации МИЗЭ РЭА.
-
Впервые при векторной структурной оптимизации в совокупность ПК обоснован и включен показатель, оценивающий степень выполнения требования о снижении взаимосвязи выходных каналов в МЯЗЭ.
Ч'. Предложен новый способ формирования множества базовых вариан. тов структур МИВЭ, базирующийся на выделении в структуре одного канала узлов формирования другій каналов и использовании морфологической матрицы для определения допустимых вариантов функциональных элементов МИВЭ.
5. Обоснована целесообразность применения модифицированного метода структурных матриц и ветвящихся графов при формировании полного множества альтернативных.вариантов структур 1-ИЗЭ.
-
Качественно и количественно оценена важная особенность МИВЭ, заключающаяся во взаимосвязи характеристик выходных каналов при изменении тока нагрузки в одном из них.
-
Показано, что достаточно полное выполнение всех" функциональных требований, предъявляемых к МИВЭ, в том числе требовании о снижении степени взаимосвязи каналов, достигается оптимальной структурной схемой, в состав которой входит стабилизатор постоянного напряжения, включены#на входе всех каналов. При этом снижается требование к величине коэффициента стабилизации стабилизаторов выходных каналов (или стабилизирующая преобразователей)
и повышается их' устойчивость и надежность.
. 8..Построены математические модели для"определения численных
значений ПК допустимых вариантов структур МИВЭ, представленные в
виде суммы аналитических зависимостей ПК отдельных компонентов,
входящих в МИВЭ. от характеристик их свойств и величины выходной
мощности.
9. Выбраны составляющие вектора варьируемых параметров (ВП)
МИВЭ влияющих на численные значения ПК и обоснованы пределы-их
варьирования.
-
Обоснован выбор ПК при параметрической оптимизации МИВЭ, базирующийся на их критичности к составляющим вектора ВП.
-
Сформулированы целевые функции (ЦФ), представляемые в" виде аналитических зависимостей ПК от составляющих вектора ВП.
Практическая ценность. Практическими результатами диссертационной работы являются:
f. Возможность практическое реализации процедур и методов векторной оптимизации при автоматизированном проектировании МИВЭ в диапазоне выходной мощности ( 10— 500 Вт .), что позволяет повысить качество проектирования при снижении затрат времени.
-
Разработаны частные программы расчета численных значений ПК вариантов структур МИЮ, ориентированные на использование ПЭВМ, что сокращает время проектирования МИВЭ при большом числе выходных каналов.
-
Выбраны оптимальные структуры трехканальных МИВЭ и оптимальные значения ВП этих структур для конкретных значений выходной мощности в диапазоне ( К)— 500 Вт), позволяющие достаточно полно обеспечить выполнение всех функциональных требований предъявляемых к МИВЭ.
-
Предложен вариант структуры МИВЭ, содержащий стабилизатор
постоянного напрлжзния включенный на входе каналов, что позволяет уменьшить степень взаимосвязи каналов и снизить требования к величине коэффициента стабилизации стабилизаторов на выходе каналов.
-
Получены расчетные соотношения для определения величины внутреннего сопротивления общей части структуры'ИИВЭ при различной величине выходной мощности, что позволит оценить степень взаимосвязи каналов различных вариантов структур ЫИВЭ.
-
Показано, что при одинаковой величине выходной мощности одно-канального КВЗ и штВЗ, КПД посдйциого определяется КПД иовціого канала и всегда ниже, чем КПД одноканального ИВЭ.
Аппробация рабо^ь. Результаты работы обсуждались на НТК проф.-преп.состава ЭИС им.проф.И.А.Бонч-Бруевича, а такае на научно-техническом семинаре кафедры ЭУСС ТЭИС (С.Петербург І99І-І99Я г).
Публикации» По результатам выполненных исследований в научно-технических журналах опубликованы 3 печатные работы.
Основные научные положения, подученные в работе и выносимые на защиту.
-
Задача проектирования оптимальных ИИВЭ сфоркулирована и решена і:ак задача многоцелевой структурной и параметрической оптимизации.
-
Совокупность формализованных процедур и методов, позволяющих реализовать методики многоцелевой оптимизации при ььйоре оптимальной структуры и оптимального вектора ВЦ МИВЭ при заданном окружении.
-
Состав вектора ПК ЫИВЭ при структурной оптимизации.
-
Метод построения математических моделей для определения численных значений ЯК ЫИВЭ на этапе структурной и параметрической оптимизации ЫИВЭ.
-
Состав вектора варьируемых параметров и совокупность накладываемых на них ограничений.
-
Методы построения целевых функций (ЦФ), представляемых аналитическими зависимостями ПК ЫИВЭ от ВП.
Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит введение, шесть разделов и заключение, изложенные на /56 страницах машинописного текста, списка литературы, а также содержит 5 приложений. Список литературы включает S6 наименований.
