WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Личный вклад соискателя заключается в непосредственном его участии при решении всех поставленных в работе задач:

– в структурировании обзорного материала, в систематизации направлений структурно-алгоритмического синтеза инверторов напряжения (ИН) с промежуточным высокочастотным преобразованием (ПВЧП);

– в формировании информационно-методологического базиса для проектирования ВЧ трансформаторов малой и средней мощности (от сотен ВА до единиц кВА), в том числе: в расчете и систематизации исходных проектных данных по удельным потерям в материалах их магнитопроводов, в расчете дополнительных потерь в обмотках ВЧ трансформаторов, вызванных эффектом близости (ЭБ), в разработке методики проектирования ВЧ трансформаторов на этой основе и в определении зависимости их удельного показателя и КПД от значения рабочей частоты в диапазоне 50 Гц 50 кГц ;

– в проведении имитационного компьютерного моделирования (ИКМ) всех исследуемых в работе схем ИН с ПВЧП, позволившего подтвердить заложенный в них проектный замысел и оперативно и достаточно точно решить ряд проектных задач по расчету выходных фильтров, по определению потерь в ключевых элементах и по определению величин, необходимых для вычисления потерь в обмотках ВЧ трансформатора;

– в разработке методики системного проектирования применительно к исследуемому в работе классу устройств.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 248 страницах (226 стр. текста, 102 рисунка, 41таблиц), состоит из 5 глав, заключения, библиографии из 69 наименований и приложений.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформирована цель и решаемые в диссертации задачи.

В первой главе анализируется состояние, перспективы развития ИН с ПВЧП и рассматриваются известные и усовершенствованные в процессе работы новые, наиболее перспективные для практического применения (в системах) их решения. Показано, что в целом поисковое проектирование ОИН (и ТИН) с ПВЧП по заданной совокупности показателей качества представляет собой многокритериальную системную задачу, успешное (и, главным образом, доказательное) решение которой требует предварительной проработки не только ряда частных задач, прежде всего, таких, как оптимизация частоты ПВЧП и материала магнитопровода трансформатора, но и ряда других структурно-алгоритмических и параметрических задач, например, задачи оптимизации тактовой (несущей) частоты ШИМ в выходном (высоковольтном) инверторном (или демодуляторном) звене и взаимосвязанной с ней задачи структурно-параметрической оптимизации выходного фильтра.

Что касается методологии решения проектных задач, касающихся полупроводниковых звеньев структуры и фильтров, то к ней также должен быть сформулирован свой особый поход. Не уменьшая полезность традиционного подхода к проектированию на основе предварительного модельного описания процессов в структуре УСЭ, нужно сказать, что современные компьютерные возможности (а именно имитационное компьютерное моделирование - ИКМ) позволяют решать эту достаточно непростую задачу значительно более оперативно, точнее и в большем (требуемом) объеме. И, что не менее важно, при одновременной визуализации всех интересующих разработчика процессов. Это особенно важно и ценно при синтезе новых решений. При достаточном опыте у разработчика такой подход к проектированию дает ему возможность контролировать результаты на адекватность их проектному замыслу.

Аналитический обзор известных схемотехнических решений ИН с ПВЧП показал, что, несмотря на известную перспективность этого класса УСЭ, широкому их применению на практике препятствует недостаточная глубина проработанности этого направления синтеза, как в части необходимой степени совершенства решений на уровне их схемотехники, так и на уровне завершенности методики их проектирования (то есть параметрической оптимизации). С целью систематизации известных схемотехнических решений ИН с ПВЧП проведена укрупненная классификация направлений их синтеза, в основу которой положены наиболее общие классификационные структурные и алгоритмические признаки. Предложено различать два направления синтеза ИН с ПВЧП – на основе четырехзвенной (см. пример на рис.1) и шестизвенной структур. При выборе САОр необходимо учитывать функциональные особенности этих структур: шестизвенные структуры характеризуются однонаправленностью передачи активной мощности от источника постоянного тока к нагрузке при отсутствии обмена между ними реактивной мощностью, а четырехзвенные структуры – способностью двунаправленного обмена как реактивной, так и активной мощностью между источником питания и нагрузкой. Показано, что при синтезе подвижных электротехнических комплексов, например, в гибридных автомобилях, в системах резервного электропитания и в электромеханических системах эти свойства могут быть полезно использованы.

Проведенный аналитический обзор направлений синтеза ИН с ПВЧП (с анализом их достоинств и недостатков) позволил выделить несколько наиболее простых в части практической реализации решений. С целью дальнейшего совершенствования четырехзвенных структур ИН с ПВЧП для однофазных (ОИН) и трехфазных (ТИН) вариантов предложены новые алгоритмы управления, обеспечивающие устранение динамических потерь в их выходном звене – демодуляторе (ДМ). Предложение защищено патентом [7]. Общим признаком для всех рассмотренных преобразующих структур ИН с ПВЧП является наличие высокочастотного (ВЧ) трансформаторного звена и низкий уровень питающего напряжения (порядка 30 В). Для оптимального проектирования данного класса УСЭ по заданной совокупности показателей качества (например, по массогабаритным показателям и КПД) требуется соответствующее информационное и методическое обеспечение, прежде всего, именно для этого звена. Решению этой задачи посвящены 3-я и 4-я главы диссертации.

Во второй главе изложены результаты имитационного компьютерного моделирования (ИКМ) традиционной трехзвенной структуры ИН без ПВЧП и четырех структур ИН с ПВЧП. В качестве средства исследования использовано программное обеспечение OrCAD 9.2 (PSpice Schematics). Проведено сопоставительное исследование двух вариантов однофазных инверторов напряжения – по традиционной трехзвенной структуре (ОИН–повышающий трансформатор–комбинированный фильтр) и по шестизвенной структуре (четырехзвенный повышающий конвертор–ОИН–простейший Г образный LC фильтр). В первой структуре формирование выходного напряжения осуществляется по простейшему алгоритму широтного регулирования. Спектр напряжения здесь содержит все нечетные гармоники, включая самую низкую по частоте 3-ю гармонику. Результаты ИКМ подтвердили эффективность использования для данного типа спектров напряжения комбинированного фильтра в виде Г образного L1C1 фильтра, обеспечивающего заданное ослабление 5-й гармоники напряжения, и последовательной резонансной L2C2 цепочки, настроенной на 3-ю гармонику напряжения (1-й тип фильтра). Преимущество этого типа фильтра перед простейшим Г образным LC фильтром (2-й тип) оценивалось по их установленной мощности. Сравнение дросселей индуктивностей (L1 + L2) – для 1-го типа фильтра и L – для 2-го типа осуществлялось по их энергии.

Во второй (шестизвенной) структуре ОИН формирование напряжения осуществляется по более эффективному алгоритму однополярной ШИМ (ОШИМ). Здесь спектральный состав напряжения характеризуется кратностью тактовой и выходной частот = fт / f2(1). Чем больше значение параметра, тем дальше по частоте удалена ближайшая высшая гармоника от основной и тем меньше требуемое значение произведения Г образного LC фильтра. На конкретном примере показано, что увеличение параметра с = 20 до =40 приводит к значительному (более, чем в 8 раз) снижению произведения параметров фильтра LC. Для удобства системного проектирования зависимость LC=f() представлена в графическом виде и в виде степенной функции. Основной целью ИКМ в данном исследовании являлось определение минимальных значений параметров фильтров в этих двух структурах при соответствующих (используемых на практике) алгоритмах формирования выходного напряжения в каждой из них, которые обеспечивают заданное значение его коэффициента гармоник (для бортового применения с КГ(U) 8%).

Применительно к, по сути, новым и ранее не исследованным вариантам инверторов ОИН и ТИН с ПВЧП по 4-звенной структуре, перед процедурой ИКМ были поставлены следующие задачи:

1) Подтвердить работоспособность нового предложенного алгоритма управления данными структурами, суть которого заключается в исключении динамических потерь в демодуляторе (ДМ), за счет введения нулевых пауз в его входном напряжении (см. рис.2, рис.3) в моменты коммутации его ключевых элементов (КЭ);

2) Определить рациональные значения параметров выходного Г образного LC фильтра в функции тактовой частоты ОШИМ – fT, учитывая, что в данной структуре она же является и частотой ПВЧП – fВЧ, на которой осуществляется трансформация (повышение) напряжения;

3) Определить процессы в элементах УСЭ (прежде всего, в его КЭ) в функции времени, которые являются отправной информацией для вычисления (компьютерными средствами):

– действующих значений токов через эти элементы, а также потерь в них;

– действующих значений тока в обмотках ВЧ трансформатора и производной от этого тока, знание которых необходимо при вычислении потерь в них, обусловленных эффектом близости.

Вычислительные процедуры по п. 3) проводятся в главе 5 диссертации.

Показано, что в 4-х звенных ИН с ПВЧП низковольтное инверторное звено с целью повышения его КПД целесообразно выполнять по многоканальной структуре на инверторных ячейках нулевого типа (НИЯ). В рассматриваемых примерах канальность преобразования с целью упрощения взята минимальной L=2 (рис.1). При ИКМ коэффициенты магнитной связи между первичными полуобмотками и вторичной обмоткой приняты равными 1. Регулирование напряжения широтным способом на входе ДМ осуществляется фазовым сдвигом на угол выходных напряжений (с формой меандр) НИЯ1 и НИЯ2.

При моделировании основной функциональной задачи трансформатора нелинейность материала магнитопровода не учитывалась. Очевидно, что такое упрощение недопустимо при определении КПД трансформатора. Эта задача в

должном объеме решается в 3 и 4 главах диссертации. С позиции же решаемых в данном разделе задач это упрощение не влияет на получаемые результаты. С учетом еще и других допущений (в части, например, в КЭ, которые также представлены идеализированными моделями), проводимое здесь моделирование, по сути, характеризуется как макромоделирование. Принятые допущения, однако, с достаточной для инженерной практики точностью позволяет получить ответы-решения для большинства проектных задач.

Функциональная модель трансформатора, отражающая две его основные функции – коэффициент трансформации и гальваническую развязку, в среде OrCAD 9.2 (PSpice Schematics) задается значениями главных (рабочих) индуктивностей обмоток, посредством которых и осуществляется собственно процесс трансформации параметров энергетического потока. Значения этих индук тивностей задавалось, исходя из представлений о типовом значении тока

холостого хода трансформатора – I1хх, который определяется мощностью трансформатора и значением частоты, на которой он работает: I1хх=(0,030,06) · I1н, где I1н – номинальное значение первичного тока ВЧ трансформатора. При ИКМ параметры повышающих трансформаторов подбирались, на каждом из задаваемых значений промежуточной высокой частоты fВЧ (см. раздел по определению потерь в КЭ в главе 5). Полученные в главе 2 имитационные компьютерные модели используются также при решении задач в главе 5.

Третья глава посвящена расчету удельной массы и КПД трансформаторов – gTV = f(fTV) и TV =f(fTV) в диапазоне частот fTV = 50Гц50кГц для диапазона малой и средней мощности (по крайней мере, до единиц кВА) с учетом потерь в магнитопроводе, но без учета потерь в обмотках трансформатора, обусловленных токами высокой частоты. Основной задачей здесь является разработка упрощенного подхода к решению поставленной задачи и получение отправной информации, необходимой, в конечном счете, для оценки (в 4-й главе) степени ухудшения исследуемых показателей качества при учете указанных потерь в обмотках. Для упрощения решения задачи расчеты базировались на использовании стандартных типоразмеров магнитопровода типа ШЛ (как наиболее технологичных для намотки обмоток). В качестве исходных данных для расчета использовались: габаритная мощность трансформатора – SГ и задаваемое значение его частоты – fTV = fВЧ. На основании известной формулы

определялось требуемое при этом произведение Sст ·Sок, а далее по общеизвестным методикам для каждой частоты находились типоразмер магнитопровода, масса и КПД трансформатора. При решении поставленной задачи систематизировались, а при необходимости и дополнительно определялись удельные потери в используемых магнитомягких материалах магнитопровода, в частности, выполненных из нанокристаллических сплавов. Расчетные параметры ВЧ трансформаторов (Bm, j, Кст, Кок, Кф) задавались в соответствии с известными рекомендациями. Полученные искомые результаты представлены в виде таблиц, графиков и в виде аппроксимирующих графики полиномиальных или степенных зависимостей.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»