Стабілізований перетворювач з поліпшеними енергетичними та динамічними характеристиками

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

“ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Стабілізований перетворювач з поліпшеними енергетичними та динамічними характеристиками

Собчак Андрій Павлович

Харків - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківській державній академії залізничного транспорту Міністерства транспорту України.

НАУКОВИЙ КЕРІВНИК - кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Щербак Яків Васильович Харківська державна академія залізничного транспорту, доцент кафедри “Системи електричної тяги”.

ОФІЦІЙНІ ОПОНЕНТИ: - доктор технічних наук, старший науковий співробітник Павлов Віктор Борисович, Інститут електродинаміки НАН України, м. Київ, ведучий науковий співробітник відділу “Стабілізації параметрів електромагнітної енергії”

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Кіпенський Андрій Володимирович, Національний технічний університет “ХПІ”, доцент кафедри “Промислова електроніка”

ПРОВІДНА УСТАНОВА - Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, кафедра “Теоретична електротехніка”, Міністерство освіти і науки України, м. Київ

Захист дисертації відбудеться 25.01.2001 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.04 в Національному технічному університеті “Харківський політехнічний інститут” за адресою:

61002, м.Харків, вул. Фрунзе 21

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут ” за адресою:

61002, м.Харків, вул. Фрунзе 21

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Енергетична та тісно зв'язані з нею економічна, а також екологічна проблеми наприкінці минаючого тисячоріччя не тільки для України, але й для всього людства перетворилися в глобальні.

Для нашої молодої незалежної країни обмеження у розвитку потужностей електроенергетики не залишають альтернатив політиці всебічного енергозбереження на основі використання досягнень науково-технічного прогресу та його передових технологій.

Широке використання ресурсо- та енергозберігаючої силової електроніки являють собою найбільш значний резерв економії електроенергії за рахунок підвищення енергетичної ефективності перетворювачів, коефіцієнта корисної дії (ККД), а також електромагнітної сумісності за рахунок підвищення якості електричної енергії на виході.

Прагнення до поліпшення цих показників обумовило переважне поширення джерел вторинного електроживлення (ДВЕЖ) з імпульсними способами перетворення енергії первинних джерел живлення. Серед них на практиці широко застосовуються як двотактні, так і однотактні перетворювачі напруги. Наведені в даній роботі вітчизняні та закордонні дані свідчать про те, що для рівнів малої та середньої потужностей однотактні перетворювачі не поступаються двотактним і мають відомі переваги.

Детальний аналіз роботи імпульсних перетворювачів через складність процесів, що відбуваються в них, неможливий без застосування спеціального математичного апарата і чисельних методів розрахунку з залученням обчислювальної техніки. Порівняно високий ККД цих пристроїв дає можливість використання ряду спрощуючих допущень, що дозволяють описати в сталому режимі їхню роботу в першому наближенні за допомогою кусочно-лінійних диференційних рівнянь. Подібна методика дозволяє підкреслити сутність основних фізичних процесів, що визначають роботу перетворювача, виявити шляхи поліпшення енергетичних характеристик і дає результати, які добре узгоджуються з практикою.

Важливе значення при розробці ДВЕЖ має також організація управління силовою частиною. У перетворювачах імпульсної дії максимальний виграш по стабільності, стійкості роботи та динамічних характеристик дає створення в ньому умов процесу кінцевої тривалості (ПКТ). При цьому перехідний процес у системі закінчується за гранично короткий період часу, що дозволяє досягати максимальної якості електричної енергії на виході перетворювача в статичному та динамічному режимах.

В умовах переходу до ринкової економіки реалізація політики всебічного енергозбереження та поліпшення якості електричної енергії зумовлює актуальність теми, що розглядається в даній роботі, а також економічну зацікавленість у впровадженні її результатів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася відповідно до науково-дослідної роботи (НДР) 25/07 №ГР0195U013379 “Модернізація статичного перетворювача для живлення власних потреб трамвайного вагона”, де автором розроблені та досліджені функціональні вузли перетворювача, виконані експериментальні дослідження перетворювача. Деякі ідеї та результати, що стосуються систем управління та регулювання, також використовувалися при проведенні науково-дослідних робіт:

25/01 №ГР0197U003552, Інв. №0200V001740 “Поліпшення електромагнітної сумісності напівпровідникових перетворювачів шляхом компенсації низькочастотних неканонічних гармонік”. Автором розроблені функціональні вузли та проведені експериментальні дослідження системи управління та регулювання;

25/12 №ГР0196U010122 “Розроблення, виготовлення та дослідження експериментальних зразків перетворювача системи вентиляції трамвайного вагона”. Автором розроблений і досліджений алгоритм управління та функціональні вузли системи управління, виконані експериментальні дослідження перетворювача.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є комплексне вирішення проблем по поліпшенню силової частини, а також системи управління та регулювання, та синтез стабілізованого перетворювача з поліпшеними енергетичними та динамічними характеристиками.

Поставлена мета вимагає вирішення наступних задач:

детальне дослідження електромагнітних процесів у напівпровідниковому імпульсному перетворювачі, визначення причин виникнення втрат потужності та синтез силової схеми з поліпшеними енергетичними характеристиками;

дослідження математичних моделей широтно-імпульсного перетворювача (ШІП) при різних видах модуляції, в режимі неперервного та переривистого струму;

синтез передатних функцій регуляторів для одно- і двоконтурної системи автоматичного регулювання (САР) при реалізації граничної швидкодії, визначення умов ПКТ;

розроблення двоконтурної САР, що реалізує граничну швидкодію на всьому робочому діапазоні ШІП незалежно від зміни вхідної напруги, струму навантаження і параметра регулювання;

розроблення функціональних вузлів і принципових схем на базі теоретичної роботи та експериментальне дослідження перетворювача з поліпшеними енергетичними і динамічними характеристиками.

Об'єкт дослідження. Електромагнітні процеси та динамічні характеристики.

Предмет дослідження. Напівпровідниковий перетворювач постійної напруги широтно-імпульсної модуляції (ШІМ) та його система автоматичного регулювання.

Методи дослідження. Для дослідження електромагнітних процесів застосовувався метод кусочно-лінійних диференціальних рівнянь, а для дослідження систем управління та регулювання метод узагальнених функцій, імпульсні моделі ШІП, аппарат z-перетворення, метод параметричного формування процесу кінцевої тривалості.

Наукова новизна одержаних результатів:

за рахунок введення насичуючихся трансформаторів (НТ) у силову частину поліпшені енергетичні властивості напівпровідникового перетворювача та надійність його роботи;

запропоновано цифро-аналогову систему управління ШІП;

вперше на підставі методу параметричного формування ПКТ синтезовані одно- та двоконтурна САР на базі ШІП з LC-фільтром, що реалізують граничну швидкодію;

вперше синтезована структурна схема адаптивного регулятора в функції струму навантаження та регулюючого параметра для одноконтурної САР;

вперше визначені впливи факторів пульсацій на двоконтурну САР при одно- та двосторонній ШІМ;

вперше синтезована структура вузла автоматичної корекції для реалізації умов ПКТ у двоконтурній САР, інваріантного до зміни вхідної напруги ШІП, параметра регулювання та струму навантаження;

розлоблено вимоги до функціональних вузлів перетворювача.

Теоретичне та практичне значення отриманих результатів роботи полягає в наступному:

введення насичуючихся трансформаторів в схему однотактного прямоходового конвертора дозволило забезпечити безпечний режим роботи силових приладів, виключити можливість протікання наскрізного струму, зменшити вимоги до частотних параметрів зворотних діодів, зменшити втрати та збільшити ККД перетворювача на 3-5%;

запропонована цифро-аналогова система управління працює в реальному масштабі часу, як аналогова, та має точність, властиву цифровому методу управління ШІП;

запропоновані структури САР дозволяють підвищити якість електричної енергії на виході імпульсного перетворювача з LC-фільтром в статичному та динамічному режимах роботи;

синтезована в роботі структурна схема адаптивного регулятора для одноконтурної САР надає їй інваріантності в функції струму навантаження та регулюючого параметра;

отримані вирази для факторів пульсацій дають можливість враховувати динамічний коефіцієнт передачі перетворювача, при зміні його параметрів в разі одно- та двосторонньої модуляції;

запропонована структурна схема вузла автоматичної корекції дозволяє параметричним способом реалізувати близькі до граничних динамічні характеристики незалежно від зміни вхідної напруги ШІП, напруги стабілізації і струму навантаження в широких межах.

Теоретичні результати роботи використані при виконанні наукових досліджень і в навчальному процесі Харківської державної академії залізничного транспорту.

Практичні розробки дисертації:

дослідний зразок статичного перетворювача для живлення власних потреб трамвайного вагона, впроваджений в Комінтернівському трамвайному депо м. Харкова, згідно з НДР 25/07 №ГР0195U013379;

дослідний зразок перетворювача системи вентиляції трамвайного вагона, впроваджений в Комінтернівському трамвайному депо м. Харкова, згідно з НДР 25/12 №ГР0196U010122;

лабораторно-дослідний макет високочастотного статичного перетворювача з поліпшеними енергетичними та динамічними характеристиками, впровадження якого планується в НДІ ВО ХЕМЗ.

Перетворювачі виконані на широкодоступній вітчизняній елементній базі (за винятком MOSFET-приладів в останньому) і можуть бути широко використані не тільки для зазначених цілей.Технічні акти впровадження зазначених перетворювачів та експертний висновок державної інспекції з енергозбереження про відповідність роботи вимогам Комплексної програми з енергозбереження України прикладаються в додатках до дисертації.

Особистий внесок здобувача в розробку наукових результатів, що виносяться на захист:

розробка силової схеми напівпровідникового перетворювача з поліпшеними енергетичними характеристиками;

запропонована цифро-аналогова система управління ШІП;

визначено умови ПКТ для одноконтурної та двоконтурної САР на базі ШІП із LC-фільтром;

отримані вирази для визначення впливу факторів пульсацій на двоконтурну САР при одно- і двосторонній ШІМ;

синтезована структура вузла автоматичної корекції для реалізації умов ПКТ у двоконтурній САР незалежно від зміни вхідної напруги ШІП, параметра регулювання та струму навантаження;

розроблено принципові електричні схеми функціональних вузлів;

проведені експериментальні дослідження стабілізованих перетворювачів.

Апробація результатів дисертації. Наукові положення та результати дисертаційної роботи доповідалися на конференціях ХарДАЗТ, семінарі НАН України “Наукові основи електроенергетики”, Міжнародній конференції ”Силова електроніка та енергоефективність СЕЕ'2000”, а також на семінарах в окремих організаціях, що займаються розробкою і впровадженням пристроїв силової напівпровідникової техніки.

Публікації. Результати, отримані в дисертації, опубліковані в семи друкарських роботах, у тому числі три статті - у науково-технічному журналі “Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті”, дві статті - у збірнику наукових праць ХарДАЗТ, одна - в віснику ХДПУ і одна - в науково-технічному журналі “Технічна електродинаміка”.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків і додатка. Повний обсяг дисертації 183 сторінки, 31 ілюстрація на 19 сторінках, 1 таблиця і 47 ілюстрацій по тексту, 1 додаток на 5 сторінках, список використаних літературних джерел із 99 найменувань на 10 сторінках.

ЗМІСТ РОБОТИ

напівпровідниковий перетворювач потужність схема

У вступі обгрунтована актуальність теми, сформульована мета та задачі досліджень. Викладено основні наукові та практичні результати, які отримані в роботі, а також основні положення, що виносяться на захист.

У першому розділі розглядається сучасний стан і вимоги до перетворювальної техніки, існуючі шляхи та методи її поліпшення. Відомо, що від характеристик силової частини, в великій мірі, залежать енергетичні властивості перетворювача, а від правильної побудови системи автоматичного регулювання - динамічні.

В даний час розроблювачі ДВЕЖ виявляють підвищений інтерес до однотактних перетворювачів напруги (ОПН), що обумовлений такими їхніми гідностями, як відсутність схем симетрії роботи трансформаторів, мала кількість ключів, простота схем управління. Більш того, як випливає з даних, наведених у вітчизняних і закордонних джерелах, у діапазоні малих і середніх потужностей, характерних для РЕА, ОПН навіть мають деякі переваги перед двотактними перетворювачами.

Серед ОПН перевагу мають прямоходові, оскільки мають кращі питомі показники і дають можливість одержання “жорсткої” навантажувальної характеристики.

Докладний розгляд енергетичних характеристик перетворювачів дав можливість в апріорі визначити причини втрат потужності в них і зробити висновки про доцільність детального дослідження електромагнітних процесів.

Порівняльний аналіз засобів фільтрації, від яких залежить якість вихідної напруги в сталому режимі, показав, що в стабілізованих перетворювачах призначених для живлення споживачів із струмами навантаження, що змінюються в широких межах, доцільно застосування простих і перевірених часом на надійність LC-фільтрів.

Підвищити енергетичні характеристики перетворювача можна не тільки поліпшенням силової частини, але й у деякій мірі за допомогою поліпшення системи управління та регулювання, що також веде до поліпшення динамічних властивостей.

У роботі проведено аналіз існуючих систем управління ШІП, їхні переваги та недоліки. Запропоновано цифро-аналогову систему управління (рис.1), що здатна реалізовувати одно- та двосторонню ШІМ.

Перевага комбінованої цифро-аналогової системи управління широтно-імпульсним перетворювачем перебуває в тому, що вона, як аналогова не вимагає додаткового часу на обчислення математичних операцій, як у чисто цифровому методі та працює в реальному масштабі часу, а також має точність властивому цифровому методу управління, що практично неможливо досягти в чисто аналоговому вигляді.

Граничне поліпшення динамічних характеристик ШІП можливо тільки при реалізації в системі автоматичного регулювання умов процесу кінцевої тривалості, при якому вільна складова перехідного процесу загасає за число тактів, рівне порядку характеристичного рівняння замкнутої системи. При чому існуючий досвід показує, що для реалізації максимальної швидкодії необхідно також вносити корекцію відповідно до зміни параметрів системи в процесі роботи перетворювача.

В другому розділі проведено детальний аналіз роботи однотактного прямоходового конвертора (ОПК), як базового варіанта силової схеми перетворювача, що дав можливість оцінити характер протікання електромагнітних процесів у режимі неперервного та переривчастого струмів, визначені граничні умови переходу з одного режиму в інший і зовнішні характеристики перетворювача.

Теоретичне дослідження процесу переключення силового ключа в ОПК показало характер його роботи на контур протікання вхідного струму, що поводиться як коливальний контур ударного збудження, де в ролі шунтуючого опору виступає приведений опір навантаження з вихідним фільтром. Виявлено причини виникнення динамічних втрат у перетворювачі.

Запропоновано схему перетворювача з поліпшеними енергетичними характеристиками (рис.2), де введення насичуючихся трансформаторів дозволило:

обмежити швидкість наростання вхідного струму, через силові ключі ОПК;

обмежити швидкість наростання розрядного струму конденсаторів захисних RCD-ланцюжків, через силові ключі в момент їх вмикання;

обмежити швидкість наростання напруги на зворотних діодах;

знизити вимоги до швидкодії застосовуваних зворотних діодів і виключити необхідність застосування захисних ланцюжків для них;

виключити можливість протікання наскрізного струму через силові ключі, що вмикаються, та ще провідні зворотні діоди.

У третьому розділі проведено аналіз динамічних процесів із використанням імпульсних моделей ШІП і апарата z-перетворення та синтезовано структури САР для реалізації граничної швидкодії в ШІП з LC-фільтром.

Вихідний ланцюг перетворювача містить коливальну ланку, передатна функція якого описується виразом

, (1)

де - постійна часу фільтра, - коефіцієнт демпфування.

Узагальнена структурна схема системи автоматичного регулювання вихідної напруги (рис.3) має в собі ШІП із статичним коефіцієнтом передачі КП, що поданий у вигляді ідеального імпульсного елемента з періодом квантування Т. Вплив пульсаційної складової вихідної напруги перетворювача на систему управління враховується фактором пульсацій F .

Властивості САР визначаються передатною функцією регулятора, синтез якої в роботі виконано за допомогою методу параметричного формування ПКТ, заснованому на точній рівності нулю вільної складової через визначене порядком системи число тактових інтервалів. Так для одноконтурної САР отримано:

, (2)

З урахуванням передатної функції оптимального регулятора (2), в роботі отримано умови процесу кінцевої тривалості для одноконтурної системи автоматичного регулювання

; (4)

; (5)

, (6)

де

В роботі показано, що на процеси кінцевої тривалості в одноконтурній САР істотний вплив мають зміни регульованого параметра перетворювача та параметрів навантаження. Залежність ? від ступеня демпфування ? при зміні струму навантаження показана на рис.4.

Однозначність перехідних процесів у всьому діапазоні регулювання досягається наданням регулятору G(p) адаптивних властивостей шляхом застосування параметричного регулювання його параметрів в функції регульованого параметра перетворювача ? або ? та струму навантаження Iн. Структурна схема аналогової реалізації такого регулятора пропонується на рис.5.

Перехідний процес в одноконтурній САР при східчастому вхідному впливі визначається найденим виразом:

, (7)

а для ШІП із , , , КПF=4, він має вигляд поданий графіком на рис.6.

Перехідний процес (рис.6) закінчується за три тактові інтервали перетворювача, що відповідає порядку характеристичного рівняння системи. На перших двох тактових інтервалах перехідний процес має коливальний характер, який обумовлено форсуючою дією диференційної частини регулятора G(p). До кінця третього інтервалу вільна складового перехідного процесу згасає й у системі настає сталий стан. Дія диференціальної частини, що превалює, передатної функції регулятора G(p) над інтегральною знижує завадостійкість системи регулювання, однак не виключає застосування для побудови вкрай-швидкодіючих САР на базі ШІП із LC-фільтром.

Заміна операцій диференціювання інтегруванням у передатній функції приведеної неперервної частини системи приводить до двоконтурної структурної схеми, зображеної на рис. 7.

Внутрішній контур регулювання, що містить ланку

, (8)

служить для динамічного демпфування LC -фільтра по струму iC конденсатора. Постійна часу T2 визначається ємністю конденсатора Сн фільтра і опором вимірника струму iС.

Зовнішній контур, що служить для стабілізації вихідної напруги містить ланки:

, , (9)

Одержані умови процесу кінцевої тривалості мають вигляд:

; (10)

; (11)

. (12)

Реакція двоконтурної замкнутої системи на східчастий вплив визначається найденим в роботі виразом

, (13)

де , ,

.

Перехідний процес у системі автоматичного регулювання на базі ШІП з LC-фільтром на виході при реалізації умов ПКТ (10)-(12), частоті модуляції кГц, коефіцієнті демпфування та постійних часу , , має вигляд, поданий на рис.8, відкіля видно, що сталий процес настає в САР за число тактів рівне порядку характеристичного рівняння.

Одним з основних внутрішніх дестабілізуючих параметрів САР є фактор пульсацій, що враховує зміну контурного коефіцієнта підсилення ШІП внаслідок впливу пульсаційної складової вихідної координати по каналах зворотнього зв'язку на вхід системи управління.

, (14)

; (15)

, (16)

где ; ;

; ; ; ;

; .

Для двоконтурної САР були знайдені в роботі вирази для факторів пульсацій при односторонній (14) та двосторонній ШІМ (15)-(16), по яких побудовані графіки залежності факторів пульсацій від регульованого параметра при різних значеннях статичного коефіцієнта передачі ШІП KП , подані на рис.9 і рис.10 (при рівних кутах нахилу лівої та правої сторін пилоподібного опорного сигналу ) відповідно.

Аналіз показав, що при односторонній ШІМ (рис.9) фактор пульсацій F=1 при г=1, що фізично пояснено відсутністю пульсацій, тому що силовий ключ у ШІП на всьому періоді знаходиться в замкнутому стані. Мінімальне значення фактора пульсацій, що відповідає максимальній “загрубілості” системи, спостерігається при значеннях г близьких до нуля.

При двосторонній ШІМ (рис.10), максимальний вплив факторів пульсацій у розглянутій системі становить у момент вимикання силового ключа при , а в момент його відмикання при , При г = 0.5 спостерігається рівнозначність впливу факторів пульсацій на систему на всьому періоді дискретності T, тобто F1=F2. Це пояснюється тим, що лівосторонні значення похідних сигналу управління в точках зустрічі з опорним сигналом рівні між собою, так як вихідні імпульси ШІП набувають форми меандру.

Для підтримки в САР максимальної швидкодії найбільш доцільно варіювати коефіцієнтом передачі ПІ-регулятора G0(p), при чому відповідно до отриманого виразу:

. (17)

Фізично змоделювати отриманий закон корекції з урахуванням фактора пульсацій представляється досить складною задачею, тому в роботі шляхом графічної апроксимації даної залежності від сукупності факторів, що впливають на САР, виведено апроксимований закон корекції:

, (18)

де , , , , - параметри для настройки автоматичної корекції.

Реалізація отриманого закону корекції нескладно виконати як із застосуванням цифрових методів моделювання, так і за допомогою аналогового, при якому структурна схема автоматичної корекції має вигляд, поданий на рис.11.

У завершенні третього розділу проведено комплексний аналіз стійкості двоконтурної САР із застосуванням апарата z-перетворення. Отримано аналітичне вираження для визначення межі стійкості, яке без урахування фактора пульсацій має вигляд:

, (19)

де ; ; .

Проаналізувавши умову (19) в функції сукупності впливаючих на САР факторів, у роботі були зроблені висновки, що зменшення коефіцієнта демпфірування LC-фільтра ? приводить до зменшення запасу стійкості, а при зменшенні відносної тривалості імпульсу г та статичного коефіцієнта передачі перетворювача межа стійкості піднімається і САР стає більш стійкою до виникнення автоколивань. Дано рекомендації щодо вибору параметрів настройки вузла автоматичної корекції (рис. 11).

У четвертому розділі розглядається практичне застосування отриманих у дисертаційній роботі теоретичних викладень і розрахунків та приведені результати експерементальних досліджень електромагнітних та динамічних процесів перетворювача.

Відповідно з данною роботою був розроблений та впроваджений дослідний зразок статичного перетворювача для живлення власних потреб трамвайного вагона Т-3М потужністю 4.9 кВт на замикаючихся тиристорах із частотою модуляції 400 Гц, що володіє:

широким діапазоном регулювання, поліпшеними тепловими характеристиками за рахунок зменшення втрат;

високим ККД, що є особливо актуальним у зв'язку з ростом цін на електроенергію;

поліпшеними динамічними характеристиками для забезпечення працездатності перетворювача при накиданні навантаження у всьому діапазоні аж до короткого замикання, а також для зниження динамічних перевантажень в акумуляторної батареї з метою збільшення її терміна служби.

Підвищення частоти перетворення дозволяє зменшити масогабаритні показники та, як відомо, питому потужність перетворювача в цілому. В ході роботи був створений макет високочастотного ШІП із LC-фільтром з частотою модуляції 20 кГц та потужністю до 1 кВт для живлення власних потреб гірничого електровоза. В якості силових ключів використовуються MOSFET-прилади. Перетворювач має поліпшені енергетичні характеристики (ККД до 93%) та динамічні властивості (перехідний процес закінчується за незалежно від зміни вхідної напруги, струму навантаження та параметра регулювання в усьому робочому діапазоні), що підтверджується нискою експериментальних досліджень, поданих у дисертації.

ВИСНОВКИ

Виконана дисертаційна робота являє собою рішення комплексу задач, що мають наукове та практичне значення.

1. Введення насичуючихся трансформаторів в схему однотактного прямоходового конвертора дозволило забезпечити безпечний режим роботи силових приладів, виключити можливість протікання наскрізного струму, зменшити вимоги до частотних характеристик зворотних діодів і виключити необхідність застосування захисних ланцюгів до них, зменшити втрати та збільшити ККД перетворювача на 3-5%;

2. Запропонована цифро-аналогова система управління працює в реальному масштабі часу та має точність, властиву цифровому методу управління ШІП;

3. Запропоновані структури САР мають широкі перспективи застосування в імпульсних перетворювачах з LC-фільтром, так як дозволяють підвищити якість електричної енергії на виході в статичному та динамічному режимах роботи;

4. Запропонована структурна схема адаптивного регулятора для одноконтурної САР надає їй інваріантності до зміни струму навантаження та регулюючого параметра перетворювача;

5. Отримані вирази для факторів пульсацій дають можливість враховувати динамічний коефіцієнт передачі перетворювача, при зміні його параметрів в разі одно- та двосторонньої модуляції;

6. Запропонована структурна схема вузла автоматичної корекції для двоконтурної САР дозволяє параметричним способом реалізувати близькі до граничних динамічні характеристики незалежно від зміни вхідної напруги ШІП, напруги стабілізації та струму навантаження в широких межах;

7. Розроблені електричні принципові схеми функціональних вузлів дають широкі можливості побудови нових перетворювачів із поліпшеними енергетичними і динамічними характеристиками, а також модернізації вже існуючих, що особливо актуально у важких сьогоднішніх економічних умовах.

Результати роботи використовувалися при розробці та впровадженні перетворювачів на об'єктах народного господарства України, лабораторного макета високочастотного ШІП, а також у навчальному процесі в Харківській державній академії залізничного транспорту.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Щербак Я.В., Собчак А.П. Статический преобразователь трамвайного вагона // Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті.- 1998. - №2. - С.22-25.

2. Собчак А.П. Цифро-аналогова схема управління широтно-імпульсним перетворювачем // Напівпровідникові та мікропроцесорні пристрої в електроенергетичних системах транспорту: Збірник наукових праць ХарДАЗТ. - Харків: ХарДАЗТ. - 1999. - Вип.39. -С.29-32.

3. Щербак Я.В., Собчак А.П. Процессы конечной длительности в САР полупроводникового преобразователя с LC-фильтром // Электроэнергетика и преобразовательная техника: Вісник ХДПУ. - Харків: ХДПУ. - 2000. - Вип.92. - С.111-118.

4. Собчак А.П., Щербак О.Я. Пускорегулюючий перетворювач для живлення дугового розряду // Напівпровідникові та мікропроцесорні пристрої в електроенергетичних системах транспорту: Збірник наукових праць ХарДАЗТ. - Харків: ХарДАЗТ. - 1999. - Вип.39. -С.75-81.

5. Щербак Я.В., Собчак А.П. Влияние фактора пульсаций на двухконтурную систему регулирования широтно-импульсного преобразователя с LC-фильтром. //Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті.-2000.-№1 -С.3-7.

6. Собчак А.П. Параметрическая коррекция системы автоматического регулирования при реализации условий процесса конечной длительности //Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті.-2000.-№2 -С.51-55.

7. Щербак Я.В., Собчак А.П. Улучшение динамических свойств САР с широтно-импульсным преобразователем // Технічна електродинаміка. - 2000. - Тематичний випуск: Силова електроніка та енергоефективність.- Т.2. - С.60-64.

АНОТАЦІЇ

Собчак А.П. Стабілізований перетворювач з поліпшеними енергетичними та динамічними характеристиками. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.12 - напівпровідникові перетворювачі електроенергії. - Національний технічний університет “ХПІ”, Харків, 2000.

Дисертаційна робота присвячена питанням розробки шляхів кількісного та якісного поліпшення перетворення електричної енергії.

Захищається спосіб підвищення енергетичних показників широтно-імпульсного перетворювача за рахунок введення в силову схему насичуючихся трансформаторів і динамічних характеристик за рахунок застосування нових структур управління та регулювання, що дозволяють домагатися максимальної швидкодії в системі.

Ключові слова: широтно-імпульсний перетворювач, насичуючийся трансформатор, управління, регулювання, максимальна швидкодія.

Собчак А.П. Стабилизированный преобразователь с улучшенными энергетическими и динамическими характеристиками. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.12 - полупроводниковые преобразователи электроэнергии. - Национальний технический университет “ХПИ”, Харьков, 2000.

Диссертационная работа посвящена вопросам разработки путей количественного и качественного улучшения преобразования электрической энергии.

В первом разделе рассматривается современное состояние и требования к преобразовательной технике, существующие пути и методы ее улучшения. На основании сравнительных анализов производиться выбор базовой схемы преобразователя и выходного фильтра.

Предложена цифро-аналоговая система управления широтно-импульсным преобразователем (ШИП), работающая в реальном масштабе времени и имеющая точность, присущую цифровому методу управления. Рассматривается существующие пути повышения быстродействия в замкнутой системе.

Второй раздел посвящен детальному анализу работы однотактного прямоходового конвертора, который дал возможность оценить характер протекания электромагнитных процессов в режиме непрерывного и прерывистого токов, определены граничные условия перехода из одного режима в другой и внешние характеристики преобразователя.

Теоретическое исследование процесса переключения силового ключа в полупроводниковом преобразователе показало характер его работы и выявило причины возникновения динамических потерь.

Предложена силовая схема преобразователя с улучшенными энергетическими характеристиками, что достигается путем введения в контур протекания входного тока насыщающихся трансформаторов.

В третьем разделе анализируются динамические свойства широтно-импульсного преобразователя, как элемента замкнутой системы автоматического регулирования (САР).

Предложена одноконтурная САР на базе ШИП с LC-фильтром и структурная схема адаптивного регулятора для реализации максимального быстродействия независимо от изменения параметра регулирования и тока нагрузки. А также двухконтурная САР, для которой получены выражения факторов пульсаций при одно- и двухсторонней модуляции. Синтезирована структура узла автоматической коррекции для реализации условий процесса конечной длительности в двухконтурной САР независимо от изменения входного напряжения ШИП, параметра регулирования и тока нагрузки. Проведен анализ устойчивости двухконтурной системы с узлом автоматической коррекции и даны рекомендации по выбору настроечных параметров при его проектировании.

В четвертом разделе рассмотрен разработанный преобразователь для питания собственных нужд трамвайного вагона на запираемых тиристорах с частотой модуляции 400 Гц, который обладает рядом преимуществ перед широко использующимися и макет высокочастотного (20 кГц) ШИП с LC-фильтром, в котором в качестве силовых ключей используются MOSFET-приборы и, обладающего улучшенными энергетическими характеристиками (КПД до 93%) и динамическими свойствами (переходный процесс заканчивается за независимо от входного напряжения, тока нагрузки и параметра регулирования во всем рабочем диапазоне), что подтверждается рядом экспериментальных исследований, представленных в диссертации.

Основные результаты работы нашли применение при создании опытных образцов преобразователей напряжения и в учебном процессе Харьковской государственной академии железнодорожного транспорта.

Ключевые слова: широтно-импульсный преобразователь, насыщающийся трансформатор, управление, регулирование, максимальное быстродействие.

Sobchak A.P. The stabilized converter with improved power and dynamic characteristics. - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.09.12 - semi-conductor converters of the electric power. - National Technical University |”Kharkiv Polytechnical Institute”, Kharkov, 2000.

Dissertation is devoted to questions of elaboration of ways of quantitative and qualitative improvement of electrical energy's transformation.

The way of increase in power parameters of the pulse-width converter is defended at the expense of introduction of sated transformers in the power circuit and dynamic characteristics at the expense of application of new structures of management and regulation, which allow to achieve the maximal speed in system.

Key words: the pulse-width converter, sated transformer, management, regulation, maximal speed.

Размещено на Allbest.ru

...