Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ
ПАВЛОВ Геннадій Вікторович
УДК 621.314.58
ПЕРЕТВОРЮВАЧІ ПОСТІЙНОЇ НАПРУГИ НА ОСНОВІ ЧАСТОТНОРЕГУЛЬОВАНИХ ПОСЛІДОВНИХ РЕЗОНАНСНИХ ІНВЕРТОРІВ
Спеціальність 05.09.12 – Напівпровідникові перетворювачі електроенергії
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Київ - 2001
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі комп'ютеризованих систем управління Українського державного морського технічного університета ім. адм. Макарова Міністерства освіти і науки України, м. Миколаїв
Науковий консультант - доктор технічних наук, професор
Жуйков Валерій Якович,
Національний технічний університет України
“КПІ”, завідувач кафедри
Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, професор
Денисов Олександр Іванович,
Чернігівський державний технологічний
університет, ректор.
- доктор технічних наук, професор
Жемеров Георгій Георгійович,
Національний технічний університет
“ХПІ”, професор кафедри
- доктор технічних наук, доцент
Переверзєв Анатолій Васильович,
Запорізька державна інженерна академія,
завідувач кафедри
Провідна установа – Національна гірнича академія України Міністерства
освіти і науки України, м. Дніпропетровськ, кафедра
систем електропостачання
Захист відбудеться 30 жовтня 2001 р. 14 – 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.187.01 в Інституті електродинаміки НАН України, за адресою: 03680, м. Київ-57, проспект Перемоги, 56, тел. 446-91-15.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту електродинаміки НАН України за вищевказаною адресою.
Автореферат розісланий 27 вересня 2001 р.
Вчений секретар
Спеціалізованої вченої ради В.С. Федій
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Вступ. Енергозбереження є пріоритетним напрямком державної політики України. Аналіз процесів виробництва, передачі та перетворення електроенергії свідчить, що частка електроенергії, що споживається в перетвореному вигляді, складає в індустріально розвинених країнах (за різними оцінками) до 50-60% усього об'єму виробленої електроенергії і визначає рівень технічного розвитку держави. Етап перетворення параметрів електричної енергії зберігає великі резерви енергозбереження. У зв'язку з цим важливе значення набуває розробка і вдосконалення найбільш ефективних напівпровідникових перетворювачів (НП) електроенергії, що забезпечують рішення задач енергозбереження.
Актуальність теми. Основною тенденцією розвитку НП електроенергії є постійне поліпшення їх питомих масогабаритних показників, підвищення швидкодії і якості вихідних параметрів, зниження рівня перешкод, що генеруються їми. Поліпшення цих показників є складною технічною задачею, рішення якої вимагає комплексного підходу, що полягає в глибокому дослідженні процесів в перетворювальних схемах і електротехнічних системах загалом, а також у вдосконаленні і розробці нових найбільш ефективних перетворювачів електроенергії. Великі заслуги в питаннях створення теорії перетворювальних систем належать українським вченим Волкову І.В., Денісову О.І., Долбне В.Т., Жемерову Г.Г., Жуйкову В.Я., Комарову М.С., Ліпковському К.О., Пентегову І.В., Півняку Г.Г., Руденко В.С., Сенько В.І., Соколу Є.І., Федію В.С., Чехету Е.М., Чиженко І.М., Шидловському А.К., Юрченко М.М.
Одним з основних шляхів поліпшення масогабаритних показників і найважливіших характеристик НП є підвищення частоти комутації їх ключових елементів. Однак істотне підвищення частотної межі НП обмежується пропорційним частоті зростанням динамічних енергетичних втрат потужності в ключових елементах і підвищенням рівня високочастотних імпульсних перешкод. Суттєво не вирішує проблему застосування у високочастотних перетворювачах з “жорсткою" комутацією реактивних кіл, які формують траєкторію перемикання транзистора і слабо впливають на тривалі стадії роботи стану насичення і відсічки. Застосування таких кіл обмежує істотне підвищення робочих частот, передусім, через зростання втрат потужності в них і зниження к.к.д. перетворювача загалом.
Ефективному зниженню вказаних недоліків сприяє перехід до схем перетворення близьких по топології до класичних схем резонансних інверторів, принцип роботи яких забезпечує найбільш сприятливу траєкторію перемикання електронних ключів. Використання резонансних контурів дозволяє значно знизити комутаційні втрати і істотно (в 3-4 рази і більш) підвищити частоту комутації електронних ключів. Позитивні результати використання принципу комутації резонансних кіл дозволили використати його практично у всіх типах ключових схем перетворювачів як постійної, так і змінної напруги. Найбільше поширення резонансні інвертори отримали в структурах перетворювачів постійної напруги в постійну, де резонансний інвертор, як правило, послідовного або паралельно-послідовного типу, виконує функції проміжної високочастотної ланки.
Переваги перетворювачів з резонансними контурами обумовили появу великої різноманітності різних схем та способів регулювання вихідних параметрів. Однак при цьому часто розширення можливостей перетворювачів досягається за рахунок істотного ускладнення силових схем, що збільшує втрати, масогабаритні показники і знижує надійність. У той же час значного розширення властивостей найбільш відомих схем перетворювачів постійної напруги з частотним регулюванням можна досягнути за рахунок використання всіх можливих випадків енергообміну в резонансному контурі. Процес енерго-обміну в резонансному контурі визначає статичні та динамічні характеристики перетворювача, а також його здатність зниження збурень живильної мережі та керування. У зв'язку з цим розвиток теорії перетворювачів з ланкою підвищеної частоти резонансного типу з частотним регулюванням на основі дослідження процесу енергообміну в їх силових колах і формування на її основі структур перетворювачів із заданими властивостями є актуальною проблемою.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Науково-дослідна робота за темою дисертації проводилась у відповідності з Координаційним планом АН УРСР на 1985-1990 р.р. (комплексна проблема “Наукові основи електроенергетики”, п. 1.9.2.2.1.1.1); відповідно до тематичних планів науково-дослідних робіт, які фінансуються з коштів держбюджету Міністерства освіти і науки України на 1994-2001 р. за напрямком 06 “Перспективні інформаційні технології, прилади комплексної автоматизації”; відповідно до комплексних програм енергозбереження в Миколаївській області на період 1998-2010 р. та відповідно до планів науково-технічного розвитку підприємств, де використано результати дисертаційної роботи; відповідно до НДР, де здобувач був науковим керівником або відповідальним виконавцем (№№: ДР 01870074576, 01890080902, 0193U033842, 0101U004105).
Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розвиток теорії перетворювачів постійноі напруги з частотнорегульованими послідовними резонансними інверторами на основі узагальненого аналізу процесів енергообміну в резонансних контурах, що дозволяє здійснити формування структур високоефективних перетворювачів із заданими властивостями.
Для досягнення поставленої мети в дисертації вирішувалися наступні основні задачі:
- аналіз особливостей енергообміну в узагальненій структурі перетворювачів постійноі напруги з послідовними резонансними інверторами для формування можливих послідовностей фазових сполучень (ПФС) еквівалентних ЕРС вхідного джерела і кіл навантаження і визначення відповідних ним робочих областей перетворювачів;
- подальший розвиток методу фазової площини для розрахунку узагальнених залежностей характеристик резонансних перетворювачів для можливих ПФС та повних робочих областей;
- розробка узагальнених динамічних моделей перетворювачів постійної напруги з послідовними резонансними інверторами для малих збурень, зумовлених флуктуаціями вхідної напруги та нестабільністю керування;
- оцінка впливу флуктуацій вхідної напруги, нестабільності керування та зовнішніх параметричних збурень на вихідну напругу резонансних перетворювачів;
- розробка і впровадження високоефективних промислових зразків перетворювачів постійної напруги з послідовними резонансними інверторами, реалізуючих можливі ПФС, та вимірювально-реєструючої апаратури для визначення імовірностних та спектрально-кореляційних характеристик параметрів автономних та загальнопромислових мереж.
Об'єктом дослідження є напівпровідникові перетворювачі електроенергії на основі схем з комутацією кіл, які містять резонансні контури з реактивних елементів.
Предметом дослідження в роботі є перетворювачі постійної напруги на основі частотнорегульованих послідовних резонансних інверторів.
Методи дослідження. При рішенні поставлених задач використовувалися: методи припасування для визначення робочих областей послідовно-резонансних перетворювачів (ПРП); метод фазової площини для розрахунку зовнішніх, регулювальних та ізопараметричних характеристик ПРП; метод логарифмічних частотних характеристик для оцінки впливу параметричних збурень на резонансну частоту ПРП; метод простору змінних стану, перетворення Лапласа для отримання узагальнених динамічних моделей ПРП для малих збурень, зумовлених флуктуаціями вхідної напруги та нестабільністю керування і оцінки впливу цих збурень на вихідну напругу ПРП.
Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:
- вперше на основі узагальненого аналізу процесів енергообміну в ПРП встановлено нові ПФС, що дозволяють значно розширити можливості перетворювачів;
- встановлено раніше невідомі закономірності зміни властивостей ПРП від процесу енергообміну в резонансному контурі, що дозволило визначити зв'язок між ПФС та можливими режимами роботи, основними статичними характеристиками, діапазоном зміни вихідної напруги перетворювачів;
- набув подальшого розвитку метод фазової площини, який полягає в позиціонуванні вектора узагальненої амплітуди на фазових діаграмах (ФД), що дозволило уперше отримати узагальнені вирази, які наведені в зручній для розрахунків формі для зовнішніх, регулювальних та ізопараметричних характеристик ПРП з комутаційною частотою нижче та вище за резонансну, відповідних повним робочим областям і можливим ПФС;
- отримано нові узагальнені динамічні моделі ПРП для малих збурень, які зумовлені флуктуаціями вхідної напруги та нестабільністю керування, що дозволили провести оцінку стабільності вихідних параметрів при впливі збурень;
- вперше отримано аналітичні вирази для коефіцієнтів чутливості резонансної частоти до змін активних та індуктивних складових джерела та навантаження, які дозволяють оцінити вплив зовнішніх параметричних збурень на вихідну напругу резонансних перетворювачів.
Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:
- запропонована методика визначення робочих областей перетворювачів з резонансними контурами дозволяє на стадії проектування встановити можливі режими роботи, а також визначити межі та особливості статичних характеристик;
- подальший розвиток методу фазової площини, який полягає в позиціонуванні вектора узагальненої амплітуди на ФД, дозволив значно знизити трудомісткість і автоматизувати розрахунки зовнішніх, регулювальних та ізопараметричних характеристик по узагальнених виразах;
- методика оцінки впливу флуктуацій мережної напруги і нестабільності керування дозволяє оптимально вибрати тип і параметри регулятора для ефективного зниження випадкових збурень в замкнених структурах ПРП;
- методика визначення коефіцієнта чутливості резонансної частоти до активних і індуктивних складових джерела та навантаження дозволяє оптимально вибрати параметри фільтрів та елементів резонансного кола для зниження впливу параметричних збурень;
- отримані на основі узагальненого аналізу процесів енергообміну можливі ПФС дозволили побудувати нові схеми ПРП.
Результати дисертаційної роботи знайшли застосування при розробці промислових зразків ПРП для автоматизованих стендів випробування авіаційних компресорів, для секціонованого живлення суднових додаткових пристроїв і суднових спеціальних навантажень (ЗАТ “Електрон-комплекс", м.м. Новгород, Москва), для металообробних станків-автоматів заводу металоконструкцій (м. Миколаїв), автоматизованих стендів дослідження нових авіаційних електричних машин постійного струму (МАЗ “Дзержинец", м. Москва), для живлення давачів та виконавчих механізмів систем вимірювання рівней рідин (НВО “Аміко”, м. Миколаїв). Розроблено і впроваджено вимірювально-реєструючий комплекс (ВРК-2) для визначення імовірностних та спектрально-кореляційних характеристик параметрів автономних та загальнопромислових мереж (ХВ ВНДІ ЕМ (в теп. час відділення магнетизму ІЕД НАНУ, м. Харків)). Теоретичні і практичні результати дисертації реалізовані у навчальному процесі Українського державного морського технічного університету при викладанні здобувачем курсів лекцій “Електроніка і мікросхемотехніка”, “Електронні, мікропроцесорні та перетворювальні пристрої” та “Основи схемотехніки суднових електронних пристроїв” та виконанні дипломного та курсового проектування.
Особистий внесок здобувача в розробку нових наукових результатів, які виносяться на захист: аналіз особливостей енергообміну в узагальненій структурі ПРП та виявлення можливих ПФС; методика визначення робочих областей перетворювачів з резонансними контурами; встановлення та аналіз закономірностей зміни властивостей ПРП від процесу енергообміну в резонансному контурі; подальший розвиток методу фазової площини для розрахунку узагальнених залежностей характеристик резонансних перетворювачів для можливих ПФС та повних робочих областей; отримання та аналіз узагальнених зовнішніх, регулювальних та ізопараметричних характеристик ПРП з комутаційною частотою нижче та вище за резонансну, відповідних повним робочим областям і можливим ПФС; аналіз впливу втрат в резонансному контурі на робочі області та статичні характеристики ПРП; узагальнені динамічні моделі ПРП для малих збурень, які зумовлені флуктуаціями вхідної напруги та нестабільністю керування; оцінка стабільності вихідних параметрів ПРП при впливі випадкових збурень; оцінка впливу зовнішніх параметричних збурень та аналітичні вирази для коефіцієнтів чутливості резонансної частоти до змін активних та індуктивних складових джерела та навантаження; принципи побудови ПРП на основі ПФС.
В друкованих працях, опублікованих у співавторстві, особисто дисертанту належить: в монографії [1] автором написані §§ 4.2, 5.1, 5.2, 6.4; [2] – визначення спектрально-кореляційних характеристик випадкових низькочастотних збурень мережі і стохастичні моделі НП; [3] – методика розрахунку сталих режимів ПРП при синхронному керуванні; [5] – методика розрахунку впливу параметричних збурень на резонансну частоту ПРП; [9] – методики розрахунку робочих областей і статичних характеристик ПРП з комутаційною частотою нижче за резонансну; [11] – методика оцінки фільтруючих властивостей замкнених структур ПРП; [14] – розробка ФД ПРП і методики розрахунку зовнішніх характеристик; [15] – методика розрахунку зовнішних характеристик ПРП при постійних амплітудних значеннях резонансного струму; [16] – методика розрахунку статичних характеристик ПРП з урахуванням втрат; [20] – розрахунок регулятора струму на основі резонансного контуру; [21] – розробка динамічної моделі ПРП; [22] – методика оцінки впливу мережевих збурень на вихідну напругу ПРП; [24] – методика розрахунку статичних характеристик ПРП з комутаційною частотою вище за резонансну з урахуванням втрат; [26] – методика розрахунку регулювальних характеристик ПРП; [27,28] – написані з рівною особистою участю дисертанта та співавторів; [29] – системи керування випрямлячами, які інваріантні до відхилень і коливань напруги мережі, їх частоти і несиметрії; [30] – експериментальні дослідження параметрів якості електричної енергії на судах і визначення їх імовірностних та спектрально-кореляційних характеристик; [31] – участь у розробці структури вимірювально-реєструючого комплексу.
Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідалися та обговорювалися на міжнародних і всесоюзних конференціях, семінарах і нарадах: 3-й Всесоюзній науково-технічній нараді “Проблеми електромагнітної сумісності силових напівпровідникових перетворювачів", м. Таллінн, 1986 р.; 4-й Всесоюзній науково-технічній конференції “Проблеми перетворювальної техніки", м. Київ, 1987 р.; 3-й республіканській науково-технічній конференції “Пристрої перетворення інформації для контролю в енергетиці", м. Харків, 1988 р.; Міжнародних науково-технічних конференціях “Силова електроніка і енергоефективність", м. Алушта, 1998, 1999, 2000 р.; 6-й Міжнародній конференції “Проблеми сучасної електротехніки 2000”.
Публікації. За темою дисертації опубліковано 36 наукових робіт: 1 монографія, 25 статей в професійних наукових виданнях (12 без співавторів), 1 препринт, тези 5 доповідей на конференціях, 2 авторських свідоцтва СРСР на винаходи, 1 інформаційний листок, 1 збірник методичних вказівок.
Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається із вступу, семи розділів, висновків, додатків, списку використаних джерел. Загальний обсяг роботи складає 325 сторінок, у тому числі 258 сторінок основного тексту, 78 рисунків, 32 таблиці, список використаних джерел з 176 найменувань та три додатки.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обгрунтовані актуальність та доцільність роботи, сформульовано мету та завдання наукового дослідження, викладено наукову новизну, практичне значення та реалізацію результатів дисертації, наведено відомості про апробацію та публікації.
У першому розділі розглянуто тенденції розвитку перетворювачів електроенергії з резонансними контурами. Внаслідок проведеного огляду показано, що розробка перетворювачів електроенергії на основі схем з комутацією кіл, які містять резонансні контури, є перспективним напрямком силової електроніки. Показано, що перетворювачі з резонансними контурами за економічністю, рівню електромагнітної сумісності і іншим властивостям мають переваги перед високочастотними перетворювачами з “жорсткою" комутацією.
Проведений порівняльний огляд властивостей перетворювачів постійної напруги з резонансними інверторами показав, що найбільш широкими можливостями в поліпшенні властивостей і характеристик володіють перетворювачі постійної напруги з послідовними інверторами (в тому числі з навантаженням, шунтованим додатковим конденсатором, які мають властивості перетворювачів з послідовно-паралельними інверторами).
Проведено порівняльний аналіз найбільш відомих способів регулювання вихідної напруги резонансних інверторів. Показано, що в перетворювачах постійноі напруги з резонансними інверторами частотне регулювання передбачає значне розширення властивостей перетворювачів при використанні всіх можливих випадків енергообміну в резонансному контурі. Показано, що процес енергообміну в резонансному контурі перетворювача між вхідним джерелом та реактивними елементами, що складає контур і кола вихідного фільтра і навантаження, визначають його зовнішні, регулювальні та ізопараметричні характеристики, а також визначають міру впливу збурень, зумовлених флуктуаціями мережевої напруги і нестабільністю керування на вихідні параметри.
Показана доцільність використання перетворювачів з резонансними інверторами в умовах автономних (суднових) мереж. Обгрунтована актуальність рішення задач забезпечення якості вихідних параметрів перетворювачів з резонансними інверторами при параметричних збуреннях, високому рівні мережевих перешкод і нестабільності керування. Обгрунтована доцільність подальшого розвитку теорії перетворювачів з ланкою підвищеної частоти резонансного типу з частотним регулюванням на основі дослідження процесів енергообміну в їх силових колах.
У другому розділі встановлено зв'язок між законом зміни напруги на резонансному колі і властивостями ПРП. Узагальнена структура ПРП (рис. 1,а) містить комутаційний блок КБ, послідовне резонансне коло ,, а також кола джерела вхідної ЕРС та навантаження з фільтруючим конденсатором . За допомогою силових ключів, які входять в комутаційний блок, можуть комутуватись послідовне резонансне коло, джерело електроенергії та навантаження з напругою . Навантаження ПРП шунтується фільтруючим конденсатором, ємність якого звичайно більше за резонансну в 40-100 разів. Тому постійна часу навантаження значно перевищує період коливань резонансного контура, що дає можливість подати , як незмінну величину протягом періоду перетворення. Для зручності, коло навантаження замінено (згідно з теоремою компенсації) еквівалентною ЕРС , чисельно рівною середньому падінню напруги. В результаті можливо оцінювати загальний вплив еквівалентних ЕРС та на процеси перетворення. Енергообмін в резонансному контурі визначається еквівалентними ЕРС вхідного джерела і навантаження, оскільки при всіх можливих алгоритмах комутації ключів джерело і навантаження з'єднані послідовно і через них протікає загальний струм.
Кожний напівперіод перетворення містить фази прямого Fr (forward) та зворотнього Rv (reverse) струмів. Під час фази Fr ЕРС направлена згідно з напрямом резонансного струму (потік енергії направлено з джерела в резонансне коло) (рис. 1,б). Під час фази Rv ЕРС спрямована зустрічно струму (потік енергії направлено з резонансного кола в джерело ) (рис. 1,в). Фази перетворення Fr та Rv доповнюються знаками “+" або “-“ відповідно до умовного напряму протікання струму через резонансне коло. У ЕРС, яка підключається до контура, можуть входити еквівалентні ЕРС джерела та навантаження (або одна з них), що визначається алгоритмом комутації ключів для кожної фази перетворення.
Рис. 1
Форми позитивного і негативного напівперіодів однакові, тому алгоритм комутації ключів визначається для напівпериоду перетворення, що складається з двох фаз перетворення Fr та Rv. Протягом фази перетворення приймемо . До резонансного кола, таким чином, прикладається ступінчаста прямокутна змінна напруга , напівперіод якої формується двома рівнями напруг та . Напруги та визначаються як алгебраїчні суми ЕРС джерела та навантаження . Знак, наявність або відсутність доданків в конкретній фазі задається алгоритмом комутації силових ключів ПРП. Наприклад, чотири можливих сполучення еквівалентних ЕРС та для та ПРП з комутаційною частотою нижче за резонансну приведені в першому стовпці табл. 1 (нульові значення напруг та виключені). Знаками показані напрями потоку енергії по відношенню до відповідної ЕРС в даній робочій фазі: “+" отримує енергію; “-“ – віддає; 0 – не бере участь в процесі енергообміну.
Для фаз перетворення Fr+ і Rv- можливо сполучень напруг та на резонансному колі для одного напівперіоду, які представлені в табл. 2. Номер стовпця – номер сполучення для в реверсивній фазі, номер рядка – в фазі прямого струму. Напруги та за напівперіод утворюють ПФС, що істотно визначає властивості ПРП. Енергообмін між та за період перетворення не відбувається, якщо сполучення в фазах Fr+ і Rv- однакові. Ці ПФС є неробочими і в табл. 2 розташовані по діагоналі (виділені клітини). Вище за діагональ розташовані шість ПФС, відповідні прямій передачі енергії від джерела до споживача з підвищенням або пониженням напруги, нижче – відповідні режиму рекуперації енергії до джерела при зміні полярності лише для тих ПФС, де рекуперація енергії, взагалі, можлива. Стрілками показані взаємні переходи з режиму прямої передачі енергії в режим рекуперації із збереженням алгоритму комутації ключових елементів. Режим рекуперації енергії у вхідне джерело також можливий при зміні полярності для ПФС, при якій, (формула), (формула).
Таблиця 2
Проведений аналогічний аналіз процесу енергообміну в ПРП з комутаційною частотою вище за резонансну також дозволив виділити шість можливих ПФС, які відмінні від ПФС ПРП з комутаційною частотою нижче за резонансну тільки зворотнім знаком напруг реверсивної фази перетворення. У табл. 3 приведені напруги, які прикладаються до резонансного кола під час всіх чотирьох фаз перетворення ПРП з комутаційною частотою нижче та вище за резонансну.
Таблиця 3
Таким чином, внаслідок аналізу процесів обміну енергією в узагальненій структурі ПРП між джерелом, колами навантаження з вихідним фільтром виявлено дванадцять можливих ПФС, що визначають співвідношення комутаційної та резонансної частот, властивості і характеристики ПРП.
Узагальнену структуру ПРП, яка перетворює постійну напругу в постійну, можна показати як двохмостовий перетворювач, роль резонансного інвертора, в якому виконують міст М1 і послідовне резонансне коло ,, а роль випрямляча – міст М2 (рис. 2). Наявність двох мостів дозволяє забезпечити по шість ПФС для кожного співвідношення комутаційної та резонансної частот. Активні втрати контура виділяються на опорі . Конденсатори та - згладжувальні. Різні ПФС, що визначають характеристики ПРП, забезпечуються певними алгоритмами комутації силових ключів та . За допомогою розробленої методики, заснованою на методі припасування, встановлено можливі робочі області (без урахування втрат в резонансному контурі) узагальненої двухмостової структури ПРП (табл. 4).
Таблиця 4
Робочі області для можливих ПФС перетворювача з комутаційною частотою вище за резонансну співпадають з приведеними в табл. 4. Усі ПФС забезпечують знижувальний режим роботи ПРП. При трьох ПФС (IV, V, VI) ПРП може працювати як перетворювач, який підвищує напругу. ПФС I, II, V, VI забезпечують режим рекуперації енергії, при якому вхідна напруга ПРП менше за вихідну. Робочі області дозволяють судити про можливі режими роботи ПРП та межі його зовнішніх характеристик. Методика визначення робочих областей може бути застосована також для перетворювачів постійної напруги з іншими типами резонансних інверторів.
У третьому розділі розглянуто статичні характеристики ПРП без урахування затухання в резонансному контурі. Зовнішні, регулювальні та ізопараметричні характеристики ПРП були розраховані за допомогою методу фазової площини, який отримав в роботі подальший розвиток, що перебуває в позиціонуванні вектора узагальненої амплітуди на ФД. Це дозволило спростити розрахунки статичних характеристик шляхом заміни векторів прямої і зворотньої фаз перетворення одним вектором з центром обертання навколо точок вимушених напруг та отримати узагальнені вирази для статичних характеристик ПРП з комутаційною частотою нижче та вище за резонансну, які представлені в зручній для розрахунків формі та відповідають повним робочим областям і можливим ПФС.
На рис. 3 наведено узагальнені фазові та часові діаграми, які ілюструють зміни резонансного струму та напруги на резонансному конденсаторі при роботі ПРП: в зоні безперервного струму на рис. 3,а,б; та на рис. 3,в,г. ФД зручні тим, що містять один вектор узагальненої амплітуди , який, почавши обертання з точки , робить півоберт на кут і опиняється в точці із затуханням і зміною центра обертання ( - затухання в резонансному контурі за напівперіод перетворення; - затухання в резонансному контурі за фази перетворення Fr та Rv). Початковий і кінцевий вектори діаграми в сталому режимі відрізняються тільки на величину затухання за напівперіод, що дозволяє скоротити кількість невідомих величин на ФД.
Рис. 3
При частотному регулюванні міняється відносна тривалість прямої Fr та зворотньої Rv фаз перетворення. Кутова тривалість напівперіода перетворення включає в себе тривалість фази Rv – та фази Fr – ; Безперервний резонансний струм має місце при . По перевазі амплітуди коливань тієї або іншої фази перетворення можна судити про режим роботи ПРП.
Узагальнена амплітуда V на ФД (наприклад, для ПРП з(ормула)) може бути виражена як, (формула), де (формула). Враховуючи, що, (формула) узагальнена амплітуда коливань визначається позитивним коренем (формула). Складові середнього струму навантаження рівні:
формула,
де (формула) - хвильовий опір контура. У залежності від ПФС середній струм навантаження можна подати як:
формула (1)
де знак і наявність доданка складової середнього струму, визначається ПФС. Якщо струм направлено зустрічно еквівалентної ЕРС навантаження (тобто енергія надходить до навантаження), складова середнього струму цієї фази перетворення враховується зі знаком плюс, якщо згідно – з мінусом. Якщо резонансний струм не проходить скрізь навантаження, то дана складова рівна нулю.
Для кінцевих характеристик (при відсутності в резонансному контурі втрат та затухання):
Формули (2)
Середні значення струмів фаз перетворення визначаться виразами:
формула (3)
Відносні значення струму навантаження та вимушених напруг визначаються співвідношеннями:
формули (4)
де за базову одиницю обрана величина .
Середнє значення вихідного струму з урахуванням (2) – (4) дорівнює:
формула (5)
де доданки в фігурних дужках визначаються ПФС.
За допомогою узагальненого виразу (5) отримано зовнішні характеристики для шести можливих ПФС для зони безперервних струмів (формула), де (формула) (табл. 5). Аналогічним шляхом отримано зовнішні характеристики для шести можливих ПФС ПРП. Сімейства зовнішніх характеристик сходяться в точці, відповідній межі робочих областей перетворювача у відповідності з ПФС (на межі робочої області q=const).
За допомогою ФД отримано узагальнені вирази для регулювальних характеристик ПРП з комутаційною частотою нижче та вище за резонансну для всіх можливих випадків енергообміну в резонансному контурі. Вирази відображають зв'язок між вихідною напругою і тривалістю напівперіода перетворення при різних навантаженнях і дають можливість встановити залежності між вхідною та вихідною напругами ПРП для всіх ПФС і всього діапазону регулювання. У табл. 6 приведені вирази і графічні залежності регулювальних характеристик ПРП для різних (формула), де (формула).
За допомогою ФД отримано узагальнені вирази для ізопараметричних характеристик ПРП при фіксованих амплітудних значеннях резонансного струму та напруги на резонансному конденсаторі, відповідних повним робочим областям ПРП з комутаційною частотою нижче та вище за резонансну для всіх можливих ПФС. Вирази дозволяють встановити зв'язок між струмом навантаження та екстремальними значеннями резонансного струму і напруги на резонансному конденсаторі, що дає можливість оптимально вибрати ключові елементи по напрузі та струму, а також контролювати резонансний струм та напругу на резонансному конденсаторі через величину вихідного струму і керуючого параметра.
Проведено оцінку несинусоідальності резонансного струму для повних робочих областей ПРП з комутаційною частотою нижче та вище за резонансну при можливих випадках енергообміну, що дозволяє оцінити рівень втрат, зумовлених вищими гармоніками резонансного струму. Встановлено, що форма резонансного струму ПРП при регулюванні з частотою комутації вище за резонансну не значно відрізняється від синусоідальної (), що свідчить про низький рівень втрат, зумовлених несинусоідальністю струму резонансного контура. При регулюванні з частотою комутації нижче за резонансну, коефіцієнт форми струму зростає в зоні переривистих струмів, що супроводжується збільшенням втрат.
Таблиця 5
Таблиця 6
У четвертому розділі розглянуто питання впливу втрат в резонансному контурі на статичні характеристики ПРП. У перетворювачах з ланкою високої частоти резонансного типу питання втрат має особливе значення, оскільки крім зниження ефективності перетворювача, погіршення його масогабаритних показників вони визначають величину затухання в резонансному контурі і, отже, мають більш складний механізм впливу на робочі області перетворювачів та їх характеристики. За допомогою розробленої методики проведено оцінку впливу втрат на робочі області ПРП. Отримано залежності, що характеризують зміщення робочих областей ПРП від величини затухання в резонансному контурі, що дозволило встановити загальні закономірності впливу втрат на статичні характеристики ПРП для всіх ПФС.
За допомогою ФД проведено оцінку впливу втрат ПРП з комутаційною частотою нижче та вище за резонансну на зовнішні характеристики, що дозволило встановити закономірності впливу затухання в резонансному контурі на зовнішні характеристики для різних ПФС. Встановлено ПФС (I – III), при яких втрати в резонансному контурі впливають найменше на зовнішні характеристики, що зумовлено передачею енергії в навантаження з джерела протягом прямої фази перетворення. Тому ПФС I – III доцільно використати для широкого діапазону частотного регулювання. У табл. 7 показані зовнішні характеристики ПРП, відповідні двом (I та III) з шести можливих ПФС. Безперервною лінією показані зовнішні характеристики, які відповідні добротності резонансного контура Q=2, пунктирною Q=20.
Таблиця 7
Проведено оцінку впливу втрат в резонансному контурі на максимальні значення резонансного струму та напруги на резонансному конденсаторі, що дозволяє оптимально вибрати ключові та реактивні елементи по струму та напрузі. Встановлено, що амплітудні значення резонансного струму та напруги на резонансному конденсаторі ПРП при ПФС I, III (табл. 7) мають більш слабку залежність від рівня втрат в резонансному контурі, на відміну від інших можливих ПФС.
За допомогою ФД встановлено загальні закономірності впливу втрат ПРП на його регулювальні характеристики при різних ПФС, що дозволяє врахувати зміни регулювальних властивостей перетворювачів від величин навантажень і затухання в резонансному контурі. У табл. 8 пунктиром надані регулювальні характеристики без урахування втрат в резонансному контурі. Безперервною лінією показані характеристики, відповідні добротності резонансного контура Q=20. Сімейства регулювальних характеристик приведено для . Встановлено, що регулювальні характеристики ПРП з ПФС I – III в меншій мірі залежать від рівня втрат в резонансному контурі і мають схожість з частотною характеристикою смугового LC-фільтра, що дозволяє забезпечити при ПФС I - III найкращі характеристики частотного регулювання. Встановлено підвищуючі можливості ПРП з ПФС IV – VI, а також закономірності зміни регулювальних характеристик поблизу резонансної частоти від величини втрат в резонансному контурі і навантаження, що дозволяє встановити обмеження діапазону зміни навантажень і комутаційної частоти для стійкої роботи ПРП.
Таблиця 8
У п'ятому розділі розглянуто вплив зовнішніх параметричних збурень на частоту власних коливань резонансного контура ПРП. Резонансний контур ПРП періодично, в залежності від ПФС, замикається через кола навантаження та первинного джерела живлення. Активні та реактивні складові джерела і навантаження можуть впливати на резонансну частоту та умови резонансу. Прагнення підвищити резонансну частоту приводить до зниження величин індуктивності та ємності резонансного кола, які стають сумірними з паразитними реактивними складовими силового кола. Неминучі в реальній схемі зміни частоти власних коливань, зумовлені нестабільністю активних і реактивних складових резонансного контура, (з урахуванням складаючих кіл джерела і навантаження) можна кваліфікувати як параметричні збурення в системі з ПРП. Флуктуації частоти власних коливань, які зумовлені нестабільністю активних і реактивних складових резонансного контура, призводять до несанкціонованих змін кута керування. Тому резонансне коло треба розглядати разом з активними і реактивними складовими джерела і навантаження.
За допомогою розробленої методики, заснованої на оцінці зміщення фазового зсуву і частоти полюсів силового кола через внесення в резонансний контур елементів кіл джерела і навантаження, визначені коефіцієнти чутливості зміни основної резонансної частоти до змін активного опору і індуктивності в колах вхідного джерела і навантаження. Коефіцієнт чутливості основної резонансної частоти до зміни індуктивності контура джерела (навантаження) визначається виразом:
формула (6)
де - хвильовий опір контура джерела (навантаження);
- ємності фільтруючих конденсаторів вхідного джерела (навантаження);
(формула) - відношення частот резонансного контура ПРП та контура джерела (навантаження);
(формула) - загальний фазовий кут на частоті основного резонансу, що створюється тільки зовнішнім контуром джерела (навантаження);
- коефіцієнт затухання контурів джерела (навантаження).
Найбільші зміни активної складової мають місце на стороні навантаження при аперіодичному характері кола навантаження. Для відносних змін опору навантаження коефіцієнт чутливості визначається співвідношенням:
формула (7)
де (формула);
(формула) - фазовий зсув на резонансній частоті резонансного контура ПРП, що вноситься колом навантаження.
Розроблена методика визначення коефіцієнтів чутливості (6), (7) резонансної частоти до активних і індуктивних складових джерела і навантаження, дозволяє оптимально вибрати параметри фільтрів і елементів резонансного кола для зниження впливу параметричних збурень. Міра впливу активних і індуктивних складових контурів джерела і навантаження на резонансну частоту ПРП визначається співвідношенням добротності контурів джерела (навантаження) та резонансного контура перетворювача. Підвищення добротності резонансного кола ПРП забезпечує зниження чутливості резонансної частоти до змін активних і індуктивних складових джерела і навантаження.
У шостому розділі на основі розробленої методики отримано узагальнені динамічні моделі ПРП з можливими ПФС і співвідношеннями комутаційної та резонансної частот для малих збурень, зумовлених флуктуаціями мережевої напруги і нестабільністю керування, що дозволило провести оцінку стабільності вихідних параметрів при впливі випадкових збурень. При обраному стохастичному підході необхідне знання закону розподілу і параметрів енергетичного спектра збурень, що мають широкий частотний діапазон і різні причини появи, а також передаточних функцій ПРП по цих збуреннях. Імовірностні та спектрально-кореляційні характеристики параметрів мережної напруги були визначені за допомогою розробленого вимірювально-реєструючого комплексу “ВРК-2". Трудність визначення передаточних функцій полягає в складному характері модуляційного процесу параметрів ПРП, оскільки при частотному регулюванні вихідної напруги має місце модуляція не тільки амплітуди, частоти, скважності, але і форми куснево-синусоідального імпульсу. Передаточні функції для збурень мережевої напруги і нестабільності керування до вихідної напруги ПРП були визначені шляхом апроксимації відповідних процесу, що розглядається ЛАЧХ та ЛФЧХ, отриманих розрахунковим шляхом з використанням методу простору змінних стану. Узагальнену схема ПРП для визначення передаточних функцій для збурень, зумовлених флуктуаціями мережевої напруги і нестабільністю керування, приведено на рис. 4. На рис. 5 приведена модель ПРП з урахуванням вхідних збурень та вихідного параметра.
Вхідними діями на моделі ПРП є ЕРС джерела та комутаційна частота . Вихідним параметром є напруга на опорі навантаження - у(t). Процеси, що відбуваються у резонансному контурі, характеризуються вектором стану. Для опису процесів, що відбуваються в ПРП досить розглянути напівперіод перетворення , що складається з двох фаз перетворення і (рис. 6,а,б): для ПРП з комутаційною частотою нижче за резонансну - пряму Fr+ та реверсивну Rv- (рис. 6,а); для ПРП з комутаційною частотою вище за резонансну - пряму Fr- та реверсивну Rv+ (рис. 6,б).
Системи матричних рівнянь для фаз перетворення, що описують роботу ПРП з комутаційною частотою нижчою за резонансну, мають вигляд:
а) фаза Fr+
формула (8)
формула (9)
б) фаза Rv-
формула (10)
формула (11)
Аналогічно, матричні рівняння для співвідношення частот (формула) мають вигляд:
а) фаза Rv+
формула (12)
формула (13)
б) фаза Rv-
формула (14)
формула (15)
Матриці А описують топологію ПРП, матриці b – підключення джерела до резонансного кола, матриці С – підключення навантаження до резонансного кола. Усі ПФС для співвідношень частот та описуються певними комбінаціями 9-ти основних матриць (табл. 9).
Таблиця 9
формула (16)
формули (17)
формули (18)
Збурення вектора стану і середньої вихідної напруги, які зумовлені нестабільністю комутаційної частоти та вхідної напруги, визначалися як (рис. 7):
формула (19)
формула (20)
формула (21)
де - збурення середньої вихідної напруги.
Враховуючи, що динамічні моделі ПРП розглядалися для малих збурень, було проведено лінеаризацію рівнянь вектора стану і середнього значення вихідної напруги, що дозволило значно спростити вирази без істотного зниження точності розрахунків (погрішність не більше за 7 %). За допомогою (8) – (18) з урахуванням (21) – (23) було отримано в матричному вигляді передаточні функції ПРП для малих збурень, зумовлених флуктуаціями мережної напруги та нестабільністю керування. По передаточних функціях отримано сімейства ЛЧХ ПРП при зміні частоти комутації і навантаження для всіх ПФС і співвідношень комутаційної і резонансної частот (для ПФС I ЛЧХ показані в табл. 10, характеристики розраховані для параметрів елементів ПРП: =0,185 мГн; =0,05 мкФ; = 52,3 кГц; =30 мкФ; =0,1 Ом).
Розрахункові формули для ЛЧХ, що ілюструють зниження рівня збурень в розімкненій структурі ПРП, громіздкі і не залучають передаточних функцій типових ланок. Для оцінки впливу збурень по мережевої напрузі та нестабільності керування на вихідну напругу в замкнених структурах ЛЧХ були апроксимовані типовими ланками:
формула (22)
формула (23)
де апериодична ланка являє навантаження, вихідний фільтр і внутрішній опір ПРП в області низьких частот, визначаємий ПФС; коливальна ланка являє резонансний контур ПРП, постійна часу якого визначається співвідношенням резонансної і комутаційної частот та ПФС; - визначається диференціюванням виразів для регулювальних характеристик ПРП, що визначаються ПФС. Погрішність апроксимації на частотах сполучення для всіх ПФС складає не більше за 5%.
Таблиця 10
За допомогою узагальнених динамічних моделей ПРП, для малих збурень, зумовлених низькочастотними флуктуаціями мережної напруги та нестабільністю керування, був проведений аналіз зниження коливань напруги мережі в замкнених структурах ПРП з ПІ-регулятором. Встановлено параметри ПІ-регулятора, при яких забезпечується ефективне зниження коливань вхідної напруги (в 40-50 разів). Розглянуті питання стійкості замкнених структур ПРП для можливих ПФС.
Сьомий розділ присвячено розробці, на основі проведених досліджень, практичних схем ПРП, які реалізовують можливі ПФС, і призначених для різних цілей. Досвід розробки перетворювачів постійної напруги на основі послідовних резонансних інверторів показав, що застосування резонансних принципів комутації економічно виправдано і дозволяє істотно поліпшити масогабаритні і вартісні показники за рахунок зниження вимог до фільтруючих пристроїв і поліпшення умов електромагнітної сумісності перетворювачів та живильних мереж. Однак при цьому необхідне використання ефективних алгоритмів комутації ключових елементів, оптимізація структури перетворювача і параметрів кіл зворотніх зв'язків.
Для живлення секціонованих суднових додаткових пристроїв з повним опором 0,2…2 Ом розроблено ПРП, який реалізує ПФС I, потужністю 1,45 кВт. Високочастотна ланка ПРП являє собою частотно-регульований послідовно-резонансний інвертор з комутаційною частотою вищою за резонансну. Діапазон зміни комутаційної частоти від 300 до 30 кГц. При зменшенні вихідного струму при незмінному навантаженні зменшується рівень пульсацій струму в індуктивному фільтрі, оскільки комутаційна частота перетворювача збільшується. Нарівні з іншими перевагами резонансних схем дана властивість стала визначальною при виборі співвідношення резонансної і комутаційної частот.
ПРП, що являє собою кероване джерело ЕРС – передаточна ланка в автоматичній системі стабілізації швидкості двигуна постійного струму, був розроблений для випробувальних стендів авіаційних компресорів максимальною потужністю 2,6 кВт. ПРП забезпечує як стабільну швидкість обертання, так і можливість безаварійного гальмування до зупинки при постійному і обмеженому моменті. ПРП реалізовує ПФС I (передбачений перехід до ПФС VI).
Розроблений для суднових спеціальних навантажень комбінований ПРП потужністю 1,8 кВт забезпечує високу якість вихідних параметрів, генерує мінімальний рівень перешкод радіочастотного діапазону і має надійний захист від перевантажень в умовах несиметричних і спотворених напруг мережі. ПРП реалізовує ПФС III. Таким чином, забезпечується значне зниження струму к.з. за рахунок природної зовнішньої характеристики ПРП. Зниження рівня низькочастотної гармоніки, зумовленої несиметрією напруг мережі у випрямленій напрузі, забезпечується за рахунок введення корекції кутів керування вентилями вхідного керованого випрямляча за розімкненим принципом. При цьому кути керування випрямляча змінюються тільки в межах декількох градусів, що дозволяє значно знизити негативний вплив керованого випрямляча на живильну мережу.
З використанням результатів проведених досліджень розроблені ПРП, що реалізовують ПФС I, III, для металообробних станків автоматів, для живлення системи датчиків і керування виконавчими механізмами в системах вимірювання і контролю рівнів рідини, розроблені модулі комбінованого перетворювача з ланкою підвищеної частоти резонансного типу для випробувальних стендів авіаційних електричних машин постійного струму.
Максимальні значення струму і напруг ключових і реактивних елементів резонансного інвертора всіх розроблених ПРП, що реалізовують різні ПФС, розраховувалися за допомогою запропонованої методики розрахунку ізопараметричних характеристик, заснованою на методі фазової площини (р.р. 3,4). Параметри регуляторів розраховувалися з урахуванням зниження впливу коливань вхідної напруги, з використанням для цього динамічних моделей ПРП для малих збурень (22), (23).
Високі технічні характеристики розроблених перетворювачів постійної напруги з послідовними резонансними інверторами, що реалізовують нові ПФС, підтверджують достовірність основних виводів і практичних рекомендацій по розрахунку основних характеристик перетворювачів їх ключових і реактивних елементів, підвищенню якості вихідних напруги і струму при роботі перетворювача в умовах несиметричних, спотворених і нестабільних мережевих напруг, вдосконаленню схемотехнічних принципів побудови перетворювачів.
ВИСНОВКИ
В дисертаційній роботі отримала подальший розвиток теорія перетворювачів постійної напруги з частотнорегульованими послідовними резонансними інверторами на основі узагальненого аналізу процесів енергообміну в резонансних контурах, що дозволяє здійснити формування структур перетворювачів із заданими властивостями. Отримані в дисертації результати у сукупності складають суттєвий внесок у подальший розвиток теорії резонансних перетворювачів електроенергії з поліпшеними енергетичними показниками.
1. Обгрунтовано доцільність подальшого розвитку теорії перетворювачів з ланкою підвищеної частоти резонансного типу з частотним регулюванням. Проведений аналіз довів, що в перетворювачах постійної напруги з резонансними інверторами частотне регулювання забезпечує значне розширення властивостей перетворювачів при використанні найбільш ефективних з випадків енергообміну в резонансному контурі.
2. На основі аналізу процесів енергообміну в двохмостовій узагальненій структурі послідовно-резонансного перетворювача встановлено дванадцять можливих ПФС, відповідних роботі перетворювача з комутаційною частотою нижче та вище за резонансну. Вісім з них раніше були невідомі. За допомогою розробленої методики отримані робочі області перетворювачів з комутаційною частотою нижче та вище за резонансну для всіх можливих ПФС, що дозволяють вичерпно характеризувати режими роботи перетворювача та межі його зовнішніх характеристик. Встановлено, що шість ПФС забезпечують підвищуючий режим перетворювачів. Вісім ПФС забезпечують рекуперацію енергії у вхідне джерело.
3. Отримав подальший розвиток метод фазової площини, що перебуває в позиціонуванні вектора узагальненої амплітуди на фазових діаграмах, що дозволило спростити розрахунки статичних характеристик послідовно-резонансних перетворювачів з комутаційною частотою нижче та вище за резонансну та отримати узагальнені вирази, які представлені в зручній для розрахунків формі та відповідні повним робочим областям і можливим ПФС. Запропоновані узагальнені вирази для статичних характеристик визначають загальні закономірності і дозволяють у відповідності з ПФС отримати залежності для зовнішніх, регулювальних та ізопараметричних характеристик, що вичерпно характеризують властивості перетворювачів в статичних режимах роботи.
4. Встановлено загальні закономірності впливу втрат на зовнішні, регулювальні та ізопараметричні характеристики послідовно-резонансних перетворювачів з можливими ПФС, що дозволяють врахувати зміни властивостей перетворювачів від величини навантаження та затухання в резонансному контурі. Встановлено ПФС (I – III) при яких втрати в резонансному контурі впливають найменше на зовнішні та регулювальні характеристики, що вказує на доцільність використання їх при широкому діапазоні частотного регулювання. Встановлено підвищуючі можливості перетворювачів з ПФС IV – VI, а також закономірності зміни регулювальних характеристик поблизу резонансної частоти від величини втрат в резонансному контурі та навантаження, що дозволяє встановити обмеження діапазону зміни навантажень і комутаційної частоти для стійкої роботи перетворювачів.
5. Розроблено методику оцінки впливу зовнішніх параметричних збурень на резонансну частоту і вихідну напругу послідовно-резонансних перетворювачів. Отримано аналітичні залежності, які характеризують зміни резонансної частоти перетворювачів від активних і індуктивних складових вхідного джерела та навантаження, що дозволяє вибрати параметри фільтрів, знижуючих вплив зовнішніх параметричних збурень.
6. Запропоновано узагальнені динамічні моделі послідовно-резонансних перетворювачів для малих збурень, зумовлених флуктуаціями мережної напруги та нестабільністю керування, що дозволяють провести оцінку стабільності вихідних параметрів перетворювачів для усіх можливих ПФС при впливі випадкових збурень. Запропоновано методику оцінки впливу флуктуацій мережної напруги та нестабільності керування, що дозволяє оптимально вибрати тип і параметри регулятора для ефективного (в 40-50 разів) зниження коливань напруги в замкнених структурах перетворювачів.
7. На основі отриманих результатів розроблено високоефективні промислові зразки послідовно-резонансних перетворювачів з комутаційною частотою нижче та вище за резонансну, які реалізують різні ПФС.
8. Результати виконаних в дисертації теоретичних досліджень та практичних розробок знайшли застосування в ряді українських та зарубіжних промислових підприємств, дослідницьких організацій та учбовому процесі.
9. Сформульовані в дисертації наукові положення, рекомендації і висновки є достатньо обгрунтованими, бо базуються на глибокому теоретичному аналізі, коректній постановці розв'язуваних завдань, узгодженням розрахунків з експериментальними даними і раніше відомими з літературних джерел результатами, апробацією основних положень та результатів на представницьких наукових конференціях.
ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Замкнутые системы преобразования электрической энергии / Жуйков В.Я., Коротеев И.Е., Рябенький В.М., Павлов Г.В., В. Рачек, А. Вегг, Н. Липтак / Под ред. В.Я. Жуйкова. – К.: Техніка; Братислава: Альфа, 1989. – 320 с.
2. Рябенький В.М., Павлов Г.В., Ухань В.Д. Стохастическая модель управляемого выпрямителя при случайных управляющих и возмущающих воздействиях // Техническая электродинамика. – 1989. - № 2. – С. 52–57.
3. Павлов Г.В., Обрубов А.В. Установившиеся режимы работы последовательно-резонансного преобразователя при асинхронном и синхронном управлении // Технічна електродинаміка. Спеціальний випуск, №2. Т.1. - 1998. - С. 166-169.
4. Павлов Г.В. Особенности работы последовательно-резонансных преобразователей в автономных сетях // Электроника и связь. - 1998. - №5. - С. 74-79.
5. Павлов Г.В., Обрубов А.В. Влияние внешних индуктивностей на работу последовательно-резонансного преобразователя // Електромашино-будування та електрообладнання. Респ. межвід. науково-техн. зб. - К.: Техніка -1998.- Вип. 51. – С. 104-109.
6. Павлов Г.В. Оценка несинусоидальности выходного тока последовательно-резонансных преобразователей с рабочей частотой ниже резонансной // Электроника и связь. - 1999. - №7. - С. 64-67.
7. Павлов Г.В. Коэффициенты формы выходного тока последовательно-резонансных преобразователей с рабочей частотой выше резонансной // Праці Ін-ту електродинаміки НАН України. Електротехніка. - Київ: ІЕД НАНУ, 1999. – С. 54-59.
8. Павлов Г.В. Режимы работы последовательно-резонансного преобразователя // Технічна електродинаміка. – 1999. - №5. - С. 13-17.
9. Павлов Г.В., Обрубов А.В., Покровский М.В. Особенности энерго-обмена в последовательно-резонансных преобразователях // Технічна електродинаміка. – 1999. - №6. - С. 36-41.
10. Павлов Г.В. Анализ режимов работы последовательно-резонансного преобразователя // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск “Системи електроживлення електротехнічних установок і комплексів”. - 1999. - С. 83-88.
11. Павлов Г.В., Обрубов А.В. Оценка фильтрующих свойств последовательно-резонансного преобразователя // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск “Системи електроживлення електротехнічних установок і комплексів”. - 1999. - С. 77- 82.
12. Павлов Г.В. Влияние сетевых помех на выходное напряжение последовательно-резонансного преобразователя // Праці Ін-ту електродинаміки НАН України. Електроенергетика: Зб. наук. пр. - Київ: ІЕД НАНУ, 2000. – С. 113-117.
13. Павлов Г.В. Энергообмен в последовательно-резонансных преобразо-вателях с учетом потерь // Технічна електродинаміка. Темат. випуск “Силова електроніка та енергоефективність”. Київ: ІЕД НАНУ. Ч. I. – 2000. - С. 29-34.
14. Павлов Г.В., Обрубов А.В., Покровский М.В. Внешние характеристи-ки последовательно-резонансного преобразователя с рабочей частотой выше резонансной // Технічна електродинаміка. – 2000. - №2. - С. 26-29.
15. Павлов Г.В., Обрубов А.В., Покровский М.В. Изотоковые характери-стики последовательно-резонансного преобразователя с рабочей частотой выше резонансной // Технічна електродинаміка. – 2000. - №3. - С. 10 -13.
16. Павлов Г.В., Обрубов А.В., Покровский М.В. Влияние потерь на работу последовательно-резонансного преобразователя с рабочей частотой выше резонансной // Електромашинобудування та електрообладнання. Респ. межвід. науково-техн. зб. - К.: Техніка -2000.- Вип. 54. – С. 43-48.
17. Павлов Г.В. Влияние потерь последовательно-резонансного преобразователя на его изопараметрические характеристики. Электроника и связь // Электроника и связь. - 2000. - №8. - Т. 2. - С. 216-219.
18. Павлов Г.В. Внешние характеристики последовательно-резонансного преобразователя при максимальном напряжении на резонансной емкости // Праці Ін-ту електродинаміки НАН України. Енергоефективність: Зб. наук. пр. - Київ: ІЕД НАНУ, 2000. – С. 13-17.
19. Павлов Г.В. Влияние потерь на внешние характеристики последовательно-резонансного преобразователя // Праці Ін-ту електродинаміки НАН України. Електродинаміка: Зб. наук. пр.- Київ: ІЕД Праці Ін-ту електродинаміки НАН України, 2000. – С. 35-42.
20. Павлов Г.В., Обрубов А.В. Регулятор тока на основе резонансной ячейки // Збірник наук. пр. УДМТУ. – Миколаїв: УДМТУ, 2000. – С. 157–164.
21. Павлов Г.В., Обрубов А.В., Покровский А.В. Оценка динамических характеристик последовательно-резонансного преобразователя // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск “Проблеми сучасної електротехніки” Київ: ІЕД НАНУ. Ч. 6. – 2000. - С. 42-47.
22. Павлов Г.В., Обрубов А.В., Покровский М.В. Воздействие сетевых помех на последовательно-резонансный преобразователь. // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск “Силова електроніка та енергоефективність”. Київ: ІЕД НАНУ. Ч. I. – 2000. - С. 73-78.
23. Павлов Г.В. Влияние нестабильности управления на выходные параметры последовательно-резонансного преобразователя // Электроника и связь. - 2000. - №9. - С. 49-51.
24. Жуйков В.Я., Павлов Г.В. Статические характеристики последовательно-резонансного преобразователя с учетом потерь // Электроника и связь. - 2001. - №10. - С. 125–128.
25. Павлов Г.В. Динамические модели последовательно-резонансного преобразователя по помехе сетевого напряжения и нестабильности управления // Праці Ін-ту електродинаміки НАН України. Енергоефективність: Зб. наук. пр. - Київ: ІЕД НАНУ, 2001. – С. 33-49.
26. Павлов Г.В., Обрубов А.В., Покровский А.В. Регулировочные харак-теристики преобразователей постоянного напряжения с последовательными резонансными инверторами // Технічна електродинаміка. – 2001.-№4. - С.18-22.
27. Устройство для управления m-пульсным выпрямителем: А.с. 1363405 СССР, МКИ Н02М 7/12 / Рябенький В.М., Пекер Б.Н., Павлов Г.В., Тистол Н.К. - №4096716; Заявлено 28.07.86; Опубл. 30.12.87, Бюл. № 48. – 8 с. ил.
28. Устройство для формирования управляющих импульсов: А.с. 1525833 СССР, МКИ Н02М 1/08 / Павлов Г.В., Рябенький В.М., Кришталь А.Г., Пекер Б.Н.–№ 4250216; Заявлено 17.03.87; Опубл. 30.11.89, Бюл. № 44. - 4 с. ил.
29. Принципы компенсации низкочастотных помех сети в выпрямленном напряжении / Бухинский С.М., Рябенький В.М., Пекер Б.Н., Павлов Г.В. – Препр. / АН Украины. Ин-т электродинамики; № 503. – К.: 1987. – 50 с.
30. Рябенький В.М., Павлов Г.В., Пекер Б.Н. Вероятностные и спектрально-корреляционные характеристики параметров качества электрической энергии судовых электроэнергетических систем / Тез. докл. III респ. научн.-техн. конф. “Устройства преобразовательной информации для контроля в энергетике”, Харьков. - 1988. – С. 51–52.
31. Измерительно-моделирующий комплекс для оптимизации структур тиристорных преобразователей / Рябенький В.М., Пекер Б.Н., Павлов Г.В. Ухань В.Д. Тез. докл. IV Всесоюзн. научн.-техн. конф. “Проблемы преобразовательной техники”, Киев. - 1987. Ч. 6. – С.217–218.
АНОТАЦІЇ
Павлов Г.В. Перетворювачі постійної напруги на основі частотнорегульованих послідовних резонансних інверторів. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук по спеціальності 05.09.12 – напівпровідникові перетворювачі електроенергії. – Інститут електродинаміки НАН України, Київ, 2001.
Дисертація присвячена розвитку теорії перетворювачів постійної напруги з частотнорегульованими послідовними резонансними інверторами на основі узагальненого аналізу процесів енергообміну в резонансних контурах. На основі теоретичних досліджень виявлені закономірності змін властивостей перетворювачів від процесу енергообміну в резонансному контурі і отримано нові структури перетворювачів. Запропоновано узагальнені залежності характеристик перетворювачів та розроблені узагальнені динамічні моделі перетворювачів для малих збурень. Основні результати роботи знайшли промислове впровадження при створенні ряду конкретних перетворювачів з поліпшеними технічними характеристиками.
Ключові слова: послідовно-резонансний перетворювач, резонансний інвертор, частотне регулювання.
Pavlov G.V. The DC converter based on the frequency-controlled series resonant inverter. - Manuscript.
Thesis for doctors degree by specialty 05.09.12 – semiconductor converters of electric energy. – The Institute of Electrodynamics of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2001.
The dissertation is devoted to the development of DC converter with frequency-controlled series resonant inverters based on the generalized analysis of energy exchange in resonant circuits. The mechanisms of converter property changes depending on the energy exchange in resonant circuits have been predicted. The new converter structures, the converter generalized characteristics converter and the converter generalized dynamic models for small disturbances have been developed. The results of work have found an industrial utility in the creation of semiconductor converters with enhanced technical characteristics.
Key words: series-resonant converter, resonant inverter, frequency regulation.
Павлов Г.В. Преобразователи постоянного напряжения на основе частотнорегулируемых последовательных резонансных инверторов. - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.09.12 – полупроводниковые преобразователи электроэнергии. – Институт электродинамики НАН Украины, Киев, 2001.
Диссертация посвящена развитию теории преобразователей постоянного напряжения с частотнорегулируемыми последовательными резонансными инверторами на основе обобщенного анализа процессов энергообмена в резонансных контурах, позволяющего осуществить формирование структур преобразователей с заданными свойствами.
В работе рассмотрены тенденции развития преобразователей электроэнергии с резонансными контурами. Проведен сравнительный анализ наиболее известных способов регулирования выходного напряжения резонансных инверторов. Показано, что в преобразователях постоянного напряжения с резонансными инверторами частотное регулирование предполагает значительное расширение свойств преобразователей при использовании всех возможных случаев энергообмена в резонансном контуре. Показано, что процесс энергообмена в резонансном контуре преобразователя между входным источником и реактивными элементами, составляющими контур и цепь выходного фильтра и нагрузки, определяют его статические характеристики, а также определяют степень влияния возмущений, обусловленных флуктуациями сетевого напряжения и нестабильностью управления на выходные параметры. Обоснована целесообразность использования преобразователей с резонансными инверторами в условиях автономных (судовых) сетей.
На основе анализа процессов энергообмена в двухмостовой обобщенной структуре последовательно-резонансного преобразователя (ПРП) установлено двенадцать возможных последовательностей фазовых сочетаний (ПФС) эквивалентных ЭДС входного источника и нагрузки, соответствующих работе преобразователя с коммутационной частотой ниже и выше резонансной и существенно влияющих на свойства ПРП. Восемь из них ранее были неизвестны. С помощью разработанной методики получены рабочие области ПРП с коммутационной частотой ниже и выше резонансной для всех возможных ПФС, позволяющие исчерпывающе судить о режимах работы ПРП и границах его внешних характеристик. Установлено, что шесть ПФС обеспечивают повышающий режим ПРП. Восемь ПФС обеспечивают рекуперацию энергии во входной источник.
В работе получил дальнейшее развитие метод фазовой плоскости, которое состоит в позиционировании вектора обобщенной амплитуды на фазовых диаграммах. Это позволило получить обобщенные выражения, представленные в удобной для расчетов форме, внешних, регулировочных и изопараметрических характеристик ПРП с коммутационной частотой ниже и выше резонансной, соответствующих полным рабочим областям и возможным ПФС.
С помощью разработанной методики проведена оценка влияния потерь на рабочие области ПРП, что позволило установить общие закономерности влияния потерь на статические характеристики ПРП для всех ПФС. Проведена оценка влияния потерь ПРП с коммутационной частотой ниже и выше резонансной на внешние, регулировочные и изопараметрические характеристики, позволившая установить общие закономерности влияния затухания в резонансном контуре на статические характеристики ПРП при различных ПФС. Установлены повышающие возможности ПРП, а также закономерности изменения регулировочных характеристик вблизи резонансной частоты от величины потерь в резонансном контуре и нагрузки, что позволило установить ограничения диапазона изменения нагрузок и коммутационной частоты для устойчивой работы ПРП.
С помощью разработанной методики получены аналитические выражения для коэффициентов чувствительности резонансной частоты к изменениям активных и индуктивных составляющих источника и нагрузки, позволяющие оценить влияние параметрических возмущений на выходное напряжение резонансных преобразователей.
На основе разработанной методики получены обобщенные динамические модели ПРП с коммутационной частотой выше и ниже резонансной для малых возмущений, обусловленными флуктуациями сетевого напряжения и нестабильностью управления, позволившие провести оценку стабильности выходных параметров при воздействии случайных возмущений.
Проведена оценка влияния возмущений, обусловленных колебаниями сетевого напряжения на выходное напряжение ПРП с коммутационной частотой ниже и выше резонансной для всех возможных ПФС. Установлены параметры регулятора, обеспечивающие эффективное подавление колебаний сетевого напряжения с сохранением устойчивых режимов работы.
Разработана и внедрена измерительно-регистрирующая аппаратура, позволяющая автоматизировать измерения параметров автономных и общепромышленных сетей и определения их вероятностных и спектрально-корреляционных характеристик.
Результаты исследований и рекомендаций диссертационной работы использованы при разработке промышленных образцов ПРП и в учебном процессе.
Ключевые слова: последовательно-резонансный преобразователь, резонансный инвертор, частотное регулирование.
Підписано до друку 11.09.2001 р. Формат 21х29,7/2. Папір офсетний.
Гарнітура Таймс. Умовн.-друк. аркуш. 1,8. Тираж 100. Замовл. 61.
Поліграфічний центр НДІ прикладної електроніки,
03056, м. Київ, вул. Політехнічна, 16, тел. 241-86-00