WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 ||

В четвертой главе приводятся результаты расчета этих же показателей качества – gTV = f(fВЧ) и TV =f(fВЧ) ВЧ трансформаторов по двум другим методикам. Первая из них основана на использовании 1-го модельного описания (МО) эффекта близости (ЭБ), приведенного в книге Горского А.Н., Русина Ю.С. и др., а вторая – на использовании 2-го МО ЭБ, предложенного ирландскими исследователями (William Gerard Hurley, Eugene Gath, John Breslin). Работы датируются 1988 г. и, 2000 г. соответственно, а их полные библиографические данные приведены в диссертации. Принимая во внимание невозможность (в данном конкретном случае) экспериментальной проверки полученных результатов исследования, целью использования двух различных модельных описаний ЭБ является сопоставительная их проверка по конечному результату. Помимо утверждений авторов двух МО ЭБ о хорошем их совпадении с экспериментом, факт хорошего совпадения результатов расчета ВЧ трансформаторов по двум различным методикам может служить дополнительной (хотя и косвенной) проверкой их на адекватность. На основе 1-го МО в работе проведена серия численных экспериментов, подтверждающая их физическую непротиворечивость. Результаты и полученные выводы и рекомендации представлены графиками и таблицами и опубликованы в [8]. В частности, в [8] получен следующий, неочевидный для низкочастотных (НЧ) трансформаторов, вывод: увеличением плотности тока в обмотках (в указанных разумных пределах) за счет уменьшения толщины ленты обмоток (например, с b = 0,7 мм до b = 0,1 мм на частоте 25 кГц) и, соответственно, его сечения можно существенно уменьшить потери в обмотках, уменьшить типоразмер магнитопровода, а в результате улучшить удельную массу трансформатора при фактическом сохранении того же значения КПД. Этот вывод полностью согласуется с аналогичным выводом, который получен другими авторами (W. G. Hurley и др.) в рамках 2-го МО ЭБ. Физическая суть полученного вывода в том, с уменьшением параметра b коэффициент добавочных потерь от тока ВЧ в проводнике обмотки в определенном диапазоне изменения параметра b снижается быстрее, чем увеличивается его сопротивление на постоянном токе. Отданное в работе, в конечном счете, предпочтение 2-й методике заключается в том, что используемое в ней 2-ое МО ЭБ, во-первых, более физично и доказательно, а во-вторых, более практически ориентировано, поскольку в ней изначально акцентируется внимание разработчика на рациональную конфигурацию проводника обмотки (лента) и на рациональные его параметры (толщина ленты – b = f(fВЧ) ). Этот факт в работе положен в основу предложенной методики проектирования ВЧ трансформаторов. Отличительной ее особенностью при этом является использование нестандартных типоразмеров магнитопроводов, имеющих удлиненный размер Н (и h) и укороченный размер L (использованы стандартные обозначения).

При относительно большой мощности трансформатора (SГ) требуемая ширина ленты обмотки b (при выбранной рациональной ее толщине b) влечет за собой увеличение высоты окна магнитопровода h и его общей высоты Н. Объем магнитопровода в этом случае увеличивается, возрастают при этом также и магнитные потери в нем. Расчеты показывают, что они могут быть значительно больше, чем потери в обмотках. Для выравнивания потерь в магнитопроводе и в обмотках необходимо уменьшать высоту окна h (и соответственно параметр Н) и уменьшать ширину ленты обмотки b. Если эту процедуру выполнить при условии равенства потерь в этих частях трансформатора, то плотность тока в обмотке, естественно, увеличивается (при фактическом сохранении общих потерь в трансформаторе), а масса трансформатора заметно уменьшается. Поскольку каждый из двух рассмотренных вариантов ВЧ трансформатора имеет свои достоинства и недостатки и (в зависимости от условий охлаждения) может иметь свои области применения, в работе получены зависимости искомых показателей качества в функции частоты для каждого из них. Показано, что в зависимости от плотности тока в обмотках (и соответственно – условий охлаждения) удельная масса активных материалов ВЧ трансформаторов малой и средней мощности при частотах 2030 кГц может состав-

лять gТV 0,57 кг/кВА (рис.4) при КПД TV 0,98. Для удобства пользования результаты исследования представлены в виде таблиц, графиков и аппроксимирующих их полиномиальных и степенных функций.

Пятая глава посвящена разработке методики системного проектирования многозвенных структур инверторов напряжения с ПВЧП класса DC/AC. Конечным ее результатом является определение двух показателей качества – абсолютной и удельной массы устройства и его КПД в функции частоты ПВЧП. Задача решается на конкретном примере 4-х звенной структуры ИН с ПВЧП и ОШИМ выходного напряжения мощностью 500 ВА (рис.5а, рис.3). Результаты расчета масс ВЧ трансформатора, Г-образного LC фильтра и теплоотводов, на которых размещаются КЭ, в функции тактовой частоты fВЧ, представлены в графической и аналитической форме (рис.5).

Общие потери в ключевых элементах (КЭ) определяются на основе использования компьютерной методики в соответствии с выражением:

. (1)

Алгоритм расчета с помощью ИКМ следующий: 1-й шаг – определение мгновенного значения напряжения на ключевом элементе (КЭ) – на отрезке времени, равном нескольким периодом, например, 4T, где T– период выходного напряжения; 2-й шаг – определение мгновенного значения тока через КЭ – ; 3-й шаг – вычисление произведения этих 2-х функций:

;

4-й шаг – интегрирование этого произведения (взятие неопределенного интеграла):

; (2)

5-й шаг – определяется значение общих потерь в КЭ путем взятия определенного интеграла в соответствии c (1) следующим образом:

,

где: A, В – значения функционала (2) в начале и в конце периода соответственно; Т – значение расчетного периода.

Показано, что данный алгоритм позволяет выделить также динамические потери. С учетом принятых допущений, определяющих ИКМ как макромоделирование, степень адекватности такого метода определения потерь определяется степенью соответствия задаваемых времен переключения и сопротивлений КЭ (в открытом состоянии) реальным их значениям. В исследуемом вари анте они приняты равными 50ns и 0,077 Ом соответственно. Полученные результаты являются более адекватными в сравнении с результатами, полученными по известным упрощенным выражениям расчета потерь в КЭ, поскольку ИКМ точно учитывает достаточно сложную форму протекающего через них

тока. Результаты расчета показали, что с ростом частоты fВЧ от 20кГц до 30кГц исследуемые показатели качества рассмотренного 4-х звенного устройства (ОИН с ПВЧП и ОШИМ) изменяются следующим образом: удельная масса активных материалов его силовой части несколько увеличивается (gОИН 1,922,14 кг/кВА), а его КПД несколько снижается (ОИН = 0,860,85) – рис.5.

Заключение

1. На основе аналитического обзора основных альтернативных вариантов структурно-алгоритмических решений инверторов напряжения (ИН) с промежуточным высокочастотным преобразованием (ПВЧП) выделены две их группы – 6-звенная необратимая структура и 4-звенная обратимая структура. Указаны целесообразные области применения этого класса устройств (DC/AC) в системах и сформулированы подлежащие решению задачи, создающие информационно-методологическое обеспечение для их проектирования.

2. Для 4-звенной структуры в однофазном и трехфазном вариантах ИН с ПВЧП предложен новый, защищенный патентом способ их структурно-алго-ритмической организации (САОр). Способ обеспечивает исключение динамических потерь в выходном звене структуры – в демодуляторе (ДМ) за счет формирования пауз (порядка 1-2 S) между полуволнами высокочастотного напряжения, подаваемого на вход ДМ. Это переводит известное структурное решение из категории потенциально перспективного в категорию практически значимого решения.

3. В качестве основного средства исследования УСЭ и формирования информационно-методического базиса для их проектирования использовано программное обеспечение OrCAD 9.2 (PSpice Schematics). Изложены результаты имитационного компьютерного моделирования (ИКМ) традиционной трехзвенной структуры ИН без ПВЧП и четырех структур ИН с ПВЧП.

4. Для решения системной задачи по определению рационального значения частоты ПВЧП разработана практически ориентированная (упрощенная) методика расчета удельного массового показателя трансформаторов – gTV (fВЧ) и их КПД – TV (fВЧ) в диапазоне рабочих частот 50 Гц50 кГц. Ее особенностью является использование стандартных типоразмеров магнитопроводов. Результаты представлены в графическом и аналитическом виде. Для оценки влияния высокой частоты (эффекта близости – ЭБ) на потери в обмотках искомые результаты представлены в 2-х версиях – без учета ЭБ и с его учетом.

5. На основе обзора магнитомягких магнитных материалов магнитопроводов выделены наиболее частотные из них – марганец-цинковые российские и зарубежные ферриты (М2500НМС2 и марки N87, N97 фирмы Epcos AG), российские аморфные и нанокристаллические сплавы (например, ГМ42ДС). Систематизирована информация по удельным потерям в этих материалах.

6. На основе известного 1-го модельного описания потерь в обмотках высокочастотных трансформаторов получены количественные оценки коэффициента добавочных потерь, учитывающего потери от поверхностного эффекта и эффекта близости (ЭБ). Показано, что при высоких частотах порядка десятков кГц уменьшением сечения провода обмоток можно снизить результирующие потери в них. Полученный вывод в том или ином виде подтверждается в публикациях зарубежных исследователей.

7. На основе известного (разработанного в последнее время ирландскими специалистами) 2-го модельного описания эффекта увеличения сопротивления проводника обмоток трансформатора от ЭБ предложена упрощенная методика проектирования ВЧ трансформаторов малой мощности (до единиц кВА). Отправным ее моментом является выбор оптимальной толщины ленты – bопт, из которой изготавливается обмотка. Ее толщина зависит от формы тока, числа витков (слоев) и должна уменьшаться с ростом частоты fВЧ. Например, в исследуемом варианте ОИН с ОШИМ и ПВЧП токи через обмотки трансформатора имеют сложную форму тока типа биений так, что оптимальная толщина ленты bопт (при времени переключения транзисторов tr = 50ns) для диапазона fВЧ = 1050кГц bопт=0,050,017мм (значения определены с помощью ИКМ). При прямоугольной же форме этот параметр приобретает следующие значения: при tr=200ns для fВЧ =1050кГц bопт = 0,12 0,069мм; а при tr = 50ns для fВЧ = 1050кГц bопт =0,080,05мм (здесь значения определены аналитическим путем). На этой основе определяются практически реализуемый параметр b, затем ширина ленты обмотки – b и далее – геометрические размеры магнитопровода. Методика требует использования нестандартных типоразмеров трансформаторов, отличающихся увеличенным значением их высоты Н.

8. На основе полученных результатов предложена методика системного проектирования данного класса устройств, обеспечивающая обоснованный выбор частоты ПВЧП по критерию минимума общей активной массы устройства при ограничениях на КПД. В частности, предложена компьютерная методика определения общих (квазистатических и динамических) потерь в ключевых элементах, на основе которых определяется тип теплоотвода и его масса. На примере 4-х звенного ОИН с ПВЧП мощностью 500 ВА (бортового применения) показано, что при рабочей частоте fВЧ = 20кГц и использовании ключевых элементов с временами включения и выключения порядка 50 nS и магнитопровода из нанокристаллического сплава ГМ42ДС общая масса активных материалов его силовой части может составлять 0,96 кг при КПД 86%.

9. Полученные результаты исследования эффективности использования ПВЧП при синтезе устройств силовой электроники (УСЭ) класса DC/AC создают основу для разработки инновационных проектов систем электроснабжения (СЭС) подвижных автономных объектов (АО), для которых рациональное сочетание критериев минимума массогабаритных показателей и максимума КПД при проектировании систем является определяющим.

10. Приведенный в работе спектр возможных решений как в части их САОр, так и в части проектирования ВЧ трансформаторов (которые характеризуются различными сочетаниями электромагнитных нагрузок и различными конфигурациями магнитопроводов) отражает одну из целей работы – определить возможные пути и подходы к решению системной задачи выбора рационального значения частоты ПВЧП в устройствах класса DC/AC с учетом реального многообразия постановок задач.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1. Берилов А.В., Мыцык Г.С., Хлаинг Мин У. Об особенностях проектирования и возможностях улучшения показателей качества инверторов с промежуточным высокочастотным преобразованием // Вестник МЭИ, 2007, № 4. С. 85-92.

2. Берилов А.В., Коняхин С.Ф., Мыцык Г.С., Хлаинг Мин У, Цишевский В.А. Преобразователь постоянного напряжения в переменное (Варианты) // Патент РФ на полезную модель № 76183, Бюл.№25, 2008.

3. Мыцык Г.С., Хлаинг Мин У. Вопросы структурно-алгоритмического и параметрического синтеза бортовых инверторов напряжения с промежуточным высокочастотным преобразованием // Научно-технические проблемы электропитания / Труды Всероссийской науч.-техн.-конф. – М.: Изд-о МАИ, 2006. – С.53-58.

4. Хлаинг Мин У, Мыцык Г.С. Сопоставительный анализ характеристик магнитомягких материалов в диапазоне частот 50 Гц 50кГц // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. Докл. ХІІІ МНТК студентов и аспирантов: Т.2. B 3-х т. – М.: Издательский дом МЭИ, 2007. – С.85-86.

5. Хлаинг Мин У, Мыцык Г.С. Эффективность использования промежуточного высокочастотного преобразования при синтезе бортовых инверторов напряжения // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. Докл. ХІІІ МНТК студентов и аспирантов. Т.2. B 3-х т. – М.: Издательский дом МЭИ, 2007. – С.86-87.

6. Хлаинг Мин У, Мыцык Г.С. О методологии проектирования инверторов с промежуточным высокочастотным преобразованием // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. Докл. ХІІІ МНТК студентов и аспирантов. Т.2. B 3-х т. –М.: Издательский дом МЭИ, 2008. – С.72-73.

7. Хлаинг Мин У, Зарьков. В.С., Берилов А.В. Имитационное компьютерное моделирование инверторов с промежуточным высокочастотным преобразованием // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. Докл. ХІІІ МНТК студентов и аспирантов: B 3-х т. – М.: Издательский дом МЭИ, 2008. – Т.2. С.72-73.

Pages:     | 1 | 2 ||






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