авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Преобразователи импульсных систем электропитания с регулируемым энерговыделением

На правах рукописи

Ваняев Сергей Валериевич ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ИМПУЛЬСНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ С РЕГУЛИРУЕМЫМ ЭНЕРГОВЫДЕЛЕНИЕМ Специальность 05.09.12 – Силовая электроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород – 2008 3

Работа выполнена в Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е. Алексеева (НГТУ) на кафедре «Промышленная электроника».

Научный руководитель кандидат технических наук, профессор Кириенко Владимир Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Гуляев Игорь Васильевич кандидат технических наук, старший научный сотрудник Стрелков Владимир Федорович Ведущая организация Институт прикладной физики (ИПФ) РАН (г. Н.Новгород)

Защита состоится 10 октября 2008 г. в 14 часов в аудитории 1258 на за седании диссертационного совета Д 212.165.02 в Нижегородском госу дарственном техническом университете (603950, ГСП – 41, г. Нижний Нов город, ул. Минина, 24) Отзывы на авторефераты, заверенные печатью организации, просим на правлять по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24, НГТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.165.02 или по факсу (831)436-93-79.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского го сударственного технического университета.

Автореферат диссертации размещен на сайте:

http:\www.nntu.ru/ rus/aspir_doktor/avtoreferat Автореферат разослан «8» сентября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент В.В.Соколов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Импульсные электроэнергетические тех нологии получили в последние десятилетия широкое распространение. При этом ряд применений, например, лазерная резка, перфорирование, сварка, физический эксперимент и другие требует оперативного регулирования па раметров процесса выделения энергии в нагрузке. Это вызывает необходи мость разработки импульсных систем электропитания с регулируемым энер говыделением (ИСЭ). ИСЭ содержат зарядные устройства (ЗУ), основными составляющими которых являются зарядные преобразователи (ЗП), и генера торы импульсов тока (ГИТ) с накопительными конденсаторами (НК).

Усилиями ведущих научных коллективов России и ряда зарубежных стран разработаны высокоэффективные ИСЭ, нашедшие применение в раз личных областях науки и техники, разработаны принципы построения, управления и основы теории таких устройств, предложен широкий спектр востребованных на практике технических решений.

Интенсивное развитие элементной базы преобразовательной техники и систем управления открывает новые перспективы в направлении повышения эффективности ИСЭ. Вместе с тем, применение современных полупроводни ковых приборов в рамках известных топологических и технических решений зачастую нерезультативно, т.к. не позволяет в полной мере использовать их свойства и возможности при должном уровне надежности.

Кроме того, непрерывный прогресс в микроэлектронике и вычислитель ной технике открывает принципиальные возможности практического приме нения новых принципов управления ИСЭ в составе технологических и элек трофизических комплексов, а увеличение единичной мощности ИСЭ повы шает требования к уровню электромагнитной совместимости (ЭМС) с пер вичным источником питания (ИП).

Все это делает актуальным продолжение исследований в направлении дальнейшего совершенствования схемных решений таких ИСЭ, адаптиро ванных к новой элементной базе, поиска новых подходов к управлению ими в направлении улучшения массоэнергетических показателей, повышения стабильности параметров формируемых импульсов, надежности и расшире ния их функциональных возможностей, а также снижения влияния на ИП.

Целью диссертации является разработка и исследование ИСЭ, предна значенных для лазерных технологических (ЛТУ) и электрофизических уста новок (ЭФУ), а также применение и разработка новых методов оперативного управления в процессе накопления энергии в накопительном конденсаторе и выделения ее в нагрузке.

Для достижения поставленной цели автором решены задачи.

1. Анализ известных схемных решений зарядных преобразователей и генераторов импульсов тока ИСЭ и сравнительная оценка их функциональ ных возможностей.

2. Разработка на современной элементной базе ИСЭ, обладающих по вышенной надежностью работы полупроводниковых элементов, стабильно стью параметров в режимах накопления и выделения энергии, а также пони женным воздействием на источник питания.

3. Анализ электромагнитных и тепловых процессов в силовых цепях и элементах, интегральных и динамических характеристик полупроводнико вых преобразователей ИСЭ, а также разработка методики их инженерного расчета.

4. Анализ возможностей управления процессом накопления энергии в накопительном конденсаторе в функции теплового состояния ключевых эле ментов зарядного преобразователя и применения нейросетевых технологий в управлении процессом импульсного выделения энергии в нагрузке.

Методы исследования определяются спецификой рассматриваемых ИСЭ, содержащих полупроводниковые преобразователи с периодически из меняемой структурой. В соответствии с этим, исследования электромагнит ных процессов на интервалах непрерывности выполнялись с применением классического, а также операторного методов решений дифференциальных уравнений с последующим припасовыванием решений на границах интерва лов и расчетом на ЭВМ основных динамических и энергетических характе ристик. Исследование особенностей совместного протекания электромагнит ных и тепловых процессов в ЗП, а также режимов работы ГИТ выполнены с привлечением средств имитационного математического моделирования. Тео ретические положения работы подтверждены экспериментом и совпадением результатов расчетов одних и тех же процессов различными методами.





Научная новизна.

1. Исследованы электромагнитные процессы в зарядных преобразовате лях с дозирующими конденсаторами (ДК) и процессы нагрева силовых клю чей в режиме бестоковой коммутации, выявлены основные закономерности работы, предложен оптимальный способ управления зарядными преобразо вателями, обеспечивающий минимальное время зарядки накопительного конденсатора при заданном перегреве IGBT.

2. Исследованы электромагнитные процессы в генераторах импульсов тока с многозвенным индуктивным и комбинированным токоформирующим элементами (ТФЭ), выявлены основные закономерности работы, получены интегральные характеристики и разработана методика их расчета.

3. Разработаны математические модели расчета потерь мощности в IGBT на основе их паспортных данных и тепловая модель системы «IGBT – охладитель», позволяющие рассчитывать динамику процесса передачи тепла и одновременно исследовать электромагнитные и тепловые процессы в ИСЭ при различных ее параметрах в моноимпульсном и периодическом режимах работы.

4. Обоснована целесообразность и показана возможность применения нейросетевых технологий для управления генераторами импульсов тока с це лью формирования выходных импульсов с заданными параметрами.

Практическая ценность работы.

1. Предложенные схемные решения зарядного преобразователя и гене ратора импульсов тока повышают надежность работы полупроводниковых элементов ИСЭ, стабильность выходных импульсов, позволяют снизить их массу, габариты, а также повысить уровень ЭМС с источником питания.

2. Предложенные способы управления зарядными преобразователями и генераторами импульсов тока расширяют функциональные возможности ИСЭ, обеспечивая оперативное воздействие на процессы накопления и выде ления энергии путем формирования импульсов с заданными свойствами, по вышают их надежность и создают предпосылки создания замкнутых систем управления по выходному параметру технологического (электрофизическо го) процесса.

3. Полученные результаты исследований и разработанные методики расчета элементов ИСЭ позволяют обоснованно подходить к проектирова нию и выбору этих элементов для использования их в качестве комплектую щих изделий источников электропитания.

Связь темы диссертации с научно-техническими программами.

Работа выполнялась в рамках:

1. Ведомственной научно-технической программы министерства обра зования и науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы» на 2005–2010 г.г. (Подпрограмма 2 «Прикладные исследования и разработка по приоритетным направлениям науки и техники». Раздел 2.1 «Прикладные ис следования». Направление «Энергетика». Проект «Разработка нового поко ления полупроводниковых преобразователей и автоматизированных систем управления для повышения энергетической эффективности специальных электротехнологических и электромеханических комплексов»);

2. Программы фундаментальных научных исследований ИПФ РАН (г. Н.Новгород) по направлению «Разработка источников электропитания фи зических установок»;

3. Программы фундаментальных научных исследований отделения ин формационных технологий и вычислительных систем РАН (ОИТВС РАН, г. Москва) «Новые физические и структурные решения в инфотелекоммуни кациях» по направлению № 2 «Нейро-оптические принципы и системы обра ботки информации».

В работе автор защищает.

1. Принципы построения и схемные решения зарядных преобразовате лей и генераторов импульсов тока, повышающие надежность работы полу проводниковых элементов и расширяющие функциональные возможности ИСЭ.

2. Математические модели зарядных преобразователей и генераторов импульсов тока и результаты анализа электромагнитных и тепловых процес сов.

3. Методики и результаты расчетов динамических и интегральных ха рактеристик, а также способы управления зарядными преобразователями и генераторами импульсов тока.

4. Результаты анализа ЭМС ИСЭ и первичного источника питания.

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

региональных научно-технических конференциях «Актуальные пробле мы электроэнергетики». г. Н.Новгород, 2006, 2007 г.г.;

II-й Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнер гетики и электротехнологии», г. Тольятти, 2007;

VII Международной моло дежной научно-технической конференции «БУДУЩЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЙ НАУКИ», 16th of May, 2008, Nizhniy Novgorod, Russia;

Х Всероссийской кон ференции по совместимости и электромагнитной безопасности, ЭМС-2008, г.

Санкт-Петербург, 2008.

По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе получено патента РФ на полезные модели, 2 положительных решения о выдаче патен тов на изобретение и полезную модель и 3 свидетельства о регистрации про грамм для ЭВМ.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка лите ратуры и приложения. Работа содержит 214 стр. основного текста с 87 ри сунками, 104 наименования используемой литературы, 16 стр. приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и основные задачи исследования.

В первой главе рассмотрены особенности работы и сформулированы требования, предъявляемые к ИСЭ, предназначенных для ЛТУ и ЭФУ.

Структура энергетического канала ИСЭ, осуществляющего преобразо вание потока энергии потребляемой от ИП, содержит ЗУ и ГИТ с НК.

ЗУ, включающее в себя ЗП и систему управления им, а также входной выпрямитель и фильтр, осуществляет зарядку НК ГИТ в паузе между им пульсами тока в нагрузке и согласует напряжение ИП с напряжением НК.

Выполненный анализ показал, что наиболее полно совокупности требований, предъявляемых к ЗП ИСЭ, удовлетворяют ЗП с ДК и дросселем в цепи пере менного тока. Эти устройства при постоянной частоте дозирования характе ризуются постоянством среднего значения потребляемой мощности ( P1 const ) и высоким уровнем ЭМС с ИП, имеют малые массу и габариты, высокий КПД, простую силовую схему, несложную систему управления и обеспечивают, при необходимости, независимую зарядку нескольких НК до напряжений различного, в общем случае, уровня.

К настоящему времени разработано большое число различных вариантов ЗП с ДК на тиристорах для ИСЭ различного назначения мощностью до де сятков киловатт и выходным напряжением до десятков киловольт. Вместе с тем, применение тиристоров ограничивает диапазон рабочих частот ЗП зна чениями f 8...10 кГц и вызывает необходимость защиты тиристоров от вы соких значений du D dt.

Разработанные с участием автора и защищенные патентом на полезную модель новые IGBT ЗП с ДК за счет введения в силовой контур разделитель ного конденсатора (РК) и бестоковой коммутации ключей позволяют избе жать указанных затруднений, а также снизить потери и значительные тепло вые перегрузки структуры IGBT, особенно в начальной стадии зарядки НК.

ГИТ включает в себя накопитель энергии, в качестве которого в боль шинстве случаев применяют НК, коммутаторы (чаще всего тиристоры) и ТФЭ. Набор указанных компонентов при соответствующем выборе тополо гии и схемных решений ГИТ, алгоритмов управления ими позволяет форми ровать в нагрузке импульсы тока различных заданных форм с широкими возможностями оперативного регулирования их параметров.

Выполненный сопоставительный анализ различных типов ГИТ показал, что для рассматриваемых областей применения ИСЭ наиболее перспектив ными являются каскадные ГИТ с многозвенным НК и параллельным соеди нением звеньев. Они характеризуются несложной схемой, относительно ма лыми массой и габаритами ТФЭ и наиболее широкими возможностями опе ративного регулирования параметров выходных импульсов по сравнению с другими вариантами ГИТ.

Недостаток известных ГИТ данного типа – высокие скорости нарастания тока тиристорных коммутаторов (di dt ) при формировании выходных им пульсов, что ведет к увеличению потерь в них, снижает допустимую токовую нагрузку и надежность работы. В диссертации предложен вариант ГИТ с многозвенным индуктивным ТФЭ (ИТФЭ) и пониженным значением (di dt ).

Введение в схему ГИТ ИТФЭ позволяет снизить (di dt ) и формировать им пульсы тока улучшенной формы с нестабильностью, приемлемой для ЛТУ.

В ЭФУ наиболее востребованы прямоугольные импульсы тока, находя щие применение в системах питания соленоидов для формирования им пульсных магнитных полей и лазерных экспериментальных установках. К ним предъявляются достаточно жесткие требования по уровню относитель ной нестабильности I * вершины ( I * 1%). Генерирование высокостабиль ных импульсов в каскадных ГИТ осложнено колебательным характером про цессов в их силовых контурах, содержащих реактивные ТФЭ. Качество вы ходных импульсов может быть повышено введением в ГИТ комбинирован ных ТФЭ (КТФЭ), содержащих ИТФЭ и активный ТФЭ (АТФЭ).

Разработанный с участием автора ГИТ с КТФЭ, на который получено положительное решение о выдаче патента на полезную модель, наряду с эле ментами ИТФЭ содержит АТФЭ на базе силового IGBT, работающего в ак тивном режиме, подключенного параллельно нагрузке и входящего в систему автоматического регулирования, замкнутую по току нагрузки. Это позволяет уменьшить пульсации тока нагрузки до требуемых значений за счет выбора соответствующего коэффициента передачи и типа регулятора системы управления АТФЭ.

В результате выполненного в главе анализа предложены новые варианты ИСЭ (рис. 1) для активной (лампы накачки лазеров ЛТУ и ЭФУ) и индуктив ной (соленоиды ЭФУ) нагрузок.

Вторая глава посвящена исследованию электромагнитных процессов в разновидностях ЗП, выполненных на IGBT с шунтирующими диодами (ЗП с ШД) и на IGBT, способных блокировать обратные напряжения (ЗП без ШД).

Характерная особенность ЗП с ШД состоит в возможности обмена энер гией между ИП (входным фильтром) и реактивными элементами силового контура. За счет этого в цикле зарядки НК имеется начальный этап tнач, из меряемый с момента включения ЗП до начала граничного режима в момент выхода его в режим полной передачи энергии ДК в НК, на каждом периоде работы ( P1 const ).

а) L VS 2.1 VS 2. N VS 2. 2 VS 2. L1.1 L1. N L1.2 L1. VS1. Rн VS1. VS VS1. VS1. N C1 C2 C3 CN б) L VS 3. VS 3. 1 VS 3. L1.1 L1.2 L1. VS 4.1 VS 4. VD L н VD 3. 1 VD 3. VS 4. 2 VS 4. C1 C2 C VS 2.1 VS 2. 2 VS 2. 3 VS 2. 4 VS 2. 5 VS 2. Рис. 1. ИСЭ для активной (а) и индуктивной (б) нагрузки В ЗП без ШД поток энергии имеет одно направление от ИП в НК и усло вие постоянства среднего значения потребляемой мощности выполняется в пределах всего цикла.

Разработанные математические модели ЗП с ДК позволили выявить осо бенности процессов и получить основные аналитические расчетные соотно шения на начальном tнач и основном tосн этапах цикла зарядки НК.

Анализ полученных результатов показывает, что режимы работы ЗП обоих типов на интервале зарядки НК от нуля до приведенного к первичной обмотке напряжения равного 0,5U d определяются относительной величиной * емкости C1 C1 C2 ДК. Установлено, что ЗП с ШД характеризуются практи * чески постоянным при C1 0,15 (рис.2, а) или близким к постоянному при Расчетные соотношения ЗП ЗП с ШД ЗП без ШД а) относительная наибольшая рабочая частота 2C* U 23 * 2C * * * max 1 arccos 1 6C1 2C1 arccos 1 1 2C * 1 2C1 3 2C * * 1 U 23 * max ;

(1) ;

(2) f max* max* f * * 2C1 1 U 23 * 2C * max * 4 C1 1 2C1 arctg arctg * * max * 6C1 2C1 U б) относительная длительность интервалов цикла зарядки * * * 1 2C1 2 1 2C1 2C tнач ;

(3) * * tнач 0 ;

(4) tнач 1 tнач tосн * * 8C1 2C C * 1 2C1* * ;

(5) tосн 3 * tосн 1 ;

(6) * 16 fC в) мощность зарядки * 2 * Pmax P 2 fC1 C2U d ;

(7) Pср Pmax P 2 fC1 C2U d ;

(8) 1 г) коэффициент использования ИП * * Pср 8C1 2C * ;

(9) ;

(10) kи 1 2C1 kи Pmax * * 1 2C1 2C д) наибольшая амплитуда тока max* 2C1 (1 2U 23 * - 2C1 )cos02t2 m * max * * Im 2C max* ;

(11) (12) Im * (2C1 U 23 * ) sin02t2m, * max 1 2C 2C1 (1 2U 23 * 2C1 ) * max * ** C2 2QC1 C где U 23 * max, I баз U d.

, 02t2 m arctg 2C1 U 23 * * max * L C3 4Q * C1 0,15 зарядным током на начальном этапе цикла зарядки и относительно небольшой токовой нагрузкой силовых контуров. Однако это ведет к увели * * * чению tнач. Выбор величины емкости C1 в пределах C1 = 0,025…0,075 позво ляет сократить относительную длительность начального этапа до значений * tнач = 0,06…0,2 и получить kи в диапазоне kи = 0,9…0,98.

а) б) Рис. 2. Осциллограммы электромагнитных процессов в ЗП * * а – ЗП с ШД ( C1 0,2 );

б – ЗП без ШД ( C1 0,05 ) ( i3, id - гладкие составляющие тока НК и входного тока ЗП) В ЗП без ШД за счет отсутствия энергообмена в силовых цепях дости жимо предельно возможное значение коэффициента kи 1 (рис.2, б). Это практически исключает субгармоническую составляющую потребляемого тока, что особенно важно в ИСЭ, работающих в режиме периодических раз рядов в нагрузке и питании от ИП соизмеримой мощности. При одинаковых * значениях C1 максимальное мгновенное значение тока в силовой цепи в 1,6…1,7 раза больше, по сравнению с ЗП с ШД. Выявлено незначительное влияние относительной емкости НК при значениях ее С3* 50 на параметры ЗП и процесса зарядки, изменение которых находится в пределах 10%.

На основе приведенных в главе аналитических выражений с применени ем численных методов получены интегральные характеристики, позволяю щие выполнять инженерный расчет ЗП и ЗУ в целом.

Третья глава посвящена исследованию электромагнитных процессов, разработке ГИТ с ИТФЭ и КТФЭ, а также методов управления ими.

Разработаны математические модели и впервые исследованы процессы формирования импульсов тока в ГИТ с ИТФЭ. Получены аналитические вы ражения, позволяющие по известным параметрам силовой цепи и заданной огибающей кривой тока нагрузки определить длительности интервалов 1 j...3 j (рис. 3), амплитудное значение тока нагрузки, значения токов и на пряжений НК на границах интервалов, а также рассчитать требуемые уровни начальных напряжений НК и моменты отпирания тиристорных ключей ГИТ.

Рассмотрены наиболее характерные I 2m( j 1) I1 j I 2mj I 1mj режимы работы ГИТ: формирование фронта, I1m( j1) i I2j i1 j вершины и среза импульсов. Установлено, что i2 j при формировании импульсов тока с гладкой I2( j 1) i3 j вершиной в условиях полной разрядки НК i3( j 1) звеньев на интервале повторяемости t j const в линеаризованной нагрузке 0 t1 t2 t3 t ?

?2 j ?1 j 3j решетчатая функция напряжений зарядки НК u u j uj U н n пропорциональна решетчатой функции u j Uн( j 1) I n U нj U1( j ) временной зависимости гладкой U1j U1( j ) составляющей iгл выходного тока i U2 j U2( j1) Uкj U н n I n, U к( j1) (13) С t j Рис. 3. Процесс формирования выходного импульса ГИТ где C – емкость звена ГИТ.

Определены основные расчетные соотношения N – звенного ГИТ с ИТФЭ и зависимости его параметров от величины пульсаций импульса тока * * I1 и I 2 для трапецеидального импульса на интервалах проводимости одно го вентиля 1 j 1 и интервале коммутации 2 j 3 j 2 соответственно. Ус тановлено, что оптимальным с точки зрения минимальной энергоемкости элементов ТФЭ является режим равенства пульсаций (рис. 4). Получены ана литические выражения оптимальных значений параметров ГИТ * 2 N L* opt WL min* ;

(14) WL Q WC 2N opt opt ;

(15) L1 C RнQ opt Q3 0,91, (16) где 1 1 ;

1 2 ;

L* L2 L1 ;

– скважность выходных импульсов.

* Выполнен анализ электромагнитных процессов в ГИТ с КТФЭ. Получе ны аналитические выражения для выполнения инженерных расчетов и выбо ра силовых элементов АТФЭ. Результаты исследований показывают, что применение разработанной структуры КТФЭ позволяет формировать выход ные импульсы с высоким уровнем стабильности вершины, определяемым Рис. 4. Зависимости параметров ТФЭ от величины пульсаций тока ( N 5 ;

10 ) коэффициентом усиления разомкнутого контура системы регулирования.

В главе решаются вопросы управления ГИТ рассматриваемого типа.

Разработан алгоритм управления, обеспечивающий формирование импульсов тока различных форм (рис.5) в линеаризованной нагрузке.

i i t t а) б) Рис. 5. Примеры форм выходных импульсов ГИТ Предложено использовать нейросетевые принципы управления, позво ляющие управлять ГИТ ЛТУ при разветвленной структуре ТФЭ и неполной разрядке звеньев НК, учете нелинейности нагрузки или качественном харак тере описания связи между параметрами лазерного излучения и конечными параметрами технологического процесса. Разработаны методики кусочно линейной аппроксимации и идентификации, которые дают возможность с требуемой точностью аппроксимировать импульсы сложных форм, генери руемых ГИТ, устанавливать их соответствие формам импульсов наиболее распространенным в лазерных и других технологиях, а также определять значения контролируемых параметров, что необходимо для создания и обу чения нейросетевой системы управления (НСУ). В работе синтезирована НСУ ГИТ (рис. 6), позволяющая формировать регулируемые импульсы раз личных форм. Установлено, что для решения поставленной задачи (при N 5 ) оптимальной, с точки зрения топологии, является трехслойная с iз I MAX I MIN t t I X (tip, t, I MIN, I MAX ) Y (U1...U N, t1...t N ) iа iа I* i MAX I* MIN * t t t t iа ( t ) i (t ) I* C Рис. 6. Функциональная схема НСУ ГИТ прямыми связями нейронная сеть (НС) и количеством нейронов в слоях – 6, 18, 10. Исследования подтверждают принципиальную возможность построе ния систем управления ГИТ на базе НС, что позволяет отрабатывать задан ные импульсы с относительной погрешностью не более 3% в воспроизведе нии контролируемых параметров.

В четвертой главе решаются вопросы тепловых расчетов, определения потерь мощности и допустимой токовой нагрузки полупроводниковых эле ментов ИСЭ.

Особенность тепловых расчетов полупроводниковых элементов ИСЭ со стоит в непрерывно изменяющемся и, нередко, кратковременном режиме их работы, что затрудняет использование справочных материалов изготовителей IGBT, соответствующих, в основном, установившимся режимам и требует анализа динамических процессов нагрева системы «транзистор (IGBT мо дуль) – охладитель» с учетом электромагнитных процессов, протекающих в ЗП и АТФЭ ГИТ.

В работе суммарные потери мощности P в IGBT определяются в ими тационных моделях ЗУ и АТФЭ, реализованных в среде MATLAB Simulink (рис. 7) по формулам в f * U CE (E on E off )dt P UTO rT iC iC п ;

(17) в P uCE iC, (18) соответственно, где uCE, iC - мгновенные значения напряжения коллектор эмиттер и тока коллектора;

U TO, rT dU CE dI C - пороговое напряжение и Рис.7. Схема имитационной модели ЗУ дифференциальное сопротивление ВАХ открытого транзистора соответст венно;

( Eon Eoff ) – кусочно-линейная аппроксимация паспортных зависимо * стей Eon(I C ) и Eoff (IC ) ;

U CE - относительное значение напряжения «коллек тор-эмиттер» закрытого IGBT;

f п - рабочая частота преобразователя;

в длительность выборки токового сигнала в моменты, предшествующие началу интервала коммутации.

Определяемые на каждом периоде работы ЗП (или при формировании импульса ГИТ) значения потерь мощности P поступают на вход тепловой модели системы «транзистор (IGBT модуль) – охладитель» (рис. 8), что по зволяет рассчитывать перегрев в заданных точках тепловой цепи при любом законе изменения тока коллектора и динамику процесса передачи тепла от структуры IGBT в различных режимах работы ЗП и АТФЭ ГИТ.

Рис.8. Эквивалентная электрическая схема тепловой модели системы «транзистор - охладитель» Параметры тепловой модели (тепловые сопротивления и теплоемкости участков цепи) рассчитывают исходя из паспортных данных IGBT и конст руктивных данных охладителя при допущениях однородности и изотермич ности как кристалла кремния, так и основания IGBT, равномерности распре деления теплового потока по их поверхности, а также его нормальной на правленности к ней.

Предложена математическая модель тепловых процессов, позволяющая на основе результатов моделирования моноимпульсных режимов работы ЗП и АТФЭ ГИТ аналитически исследовать периодические установившиеся процессы нагрева IGBT и существенно сократить время расчетов. Согласно ей в периодических установившихся режимах работы ЗП и АТФЭ (рис.9) при уст среднем на цикле значении потерь мощности Pср наибольший перегрев m структуры IGBT рассчитывают по формуле 1 уст (19) m m1 ср1 1 Rthja Pср, 2 где значения ср1 ;

1 ;

– определяют по результатам моделирования m уст m t1k (t) mk уст k m k +1 k+2 n n+ уст п m1 T t T kT (k+1)T (k +2)T nT (n+1)T Рис.9. Диаграмма процесса нагрева кристалла IGBT в периодическом режиме работы ЗП и АТФЭ устройства в моноимпульсном режиме, а величина коэффициента пропор циональности зависит от отношения 1 m1.

Адекватность процессов в разработанных моделях и реальном устройст ве подтверждена экспериментально в ИПФ РАН при разработке ИСЭ ЭФУ.

Расхождение значений температур, в идентичных контрольных точках IGBT и их моделей, составляет 15….18%.

Предложен разработанный с участием автора способ управления ЗП с ДК, согласно которому, рабочую частоту f р изменяют в функции температу ры T j структуры IGBT, ограничивая ее на уровне заданного значения. Этот способ, на который получено положительное решение о выдаче патента на изобретение, позволяет получить минимально возможное время начального этапа зарядки НК, повысить коэффициент kи ИП и надежность работы IGBT.

В главе приведена методика выбора полупроводниковых приборов ИСЭ.

Пятая глава посвящена исследованию ЭМС ИСЭ с ИП. Выполнен ана лиз нестабильности выходного напряжения ЗУ. Установлено, что при малых значениях емкости и индуктивности входного фильтра ЗУ относительная ве личина отклонения напряжения зарядки НК от заданного значения, опреде ляется по формуле p2 fр * U * 1, (20) U 3 1 d fп p2 2 max где f р - частота разрядки НК;

p, U d - соответственно пульсность и наи большее отклонение напряжения входного выпрямителя ЗУ от среднего зна чения, обусловленное колебаниями напряжения ИП. При соотношении час тот f р fп 10-2 величина U 3 не превышает долей процента, поэтому в ИСЭ * ЛТУ и ЭФУ, с учетом возможности применения АТФЭ, не предъявляются жесткие требования к уровню пульсаций напряжения в звене постоянного тока ЗУ.

Рассчитан гармонический состав входного тока ЗП с бестоковой комму тацией ключей. Получены расчетные соотношения входных L C фильтров ЗУ, связывающие их параметры с требуемым значением коэффициента пере дачи по току высших гармоник kт, генерируемых ЗП.

Установлено, что применение однозвенного или двухзвенного L C фильтра малой энергоемкости позволяет эффективно блокировать гармони ки, генерируемые ЗП и обеспечить значение коэффициента мощности ЗУ kм 0,95. Для получения значений k т 0,063 целесообразно применять двух звенную схему фильтра, а при kт 0,063 более эффективна однозвенная схе ма.

Выполнен анализ затухающих колебаний (осцилляций) потребляемых от ИП фазных токов, обусловленных пульсациями напряжения входного вы прямителя ЗУ, получены аналитические соотношения для их расчета в одно звенном и двухзвенном фильтре. Предложена методика расчета параметров фильтра, позволяющая при известном kт определить величину его емкости из условия ограничения осцилляций тока на заданном уровне. Так при величине max* осцилляций I dосц 0,1 и частоте работы ЗП f 20 кГц требуемая относи тельная величина емкости фильтра не превышает значения C * 6,1.

Выполнено имитационное моделирование процессов в периодическом режиме работы ИСЭ при питании от ИП соизмеримой мощности, результаты которого свидетельствуют об удовлетворительной совместимости разрабо танной ИСЭ и ИП.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Выполненный сравнительный анализ известных технических решений и структур зарядных преобразователей и генераторов импульсов тока ИСЭ позволил обосновать целесообразность структуры ИСЭ для лазерных техно логических и электрофизических установок, содержащую транзисторный за рядный преобразователь с дозирующими конденсаторами и каскадный гене ратор импульсов тока с индуктивным и комбинированным токоформирую щими элементами. Предложенная структура обеспечивает оперативное регу лирование параметров генерируемых импульсов при заданном уровне неста бильности, повышает надежность работы полупроводниковых элементов, имеет низкие значения энергоемкости компонентов силовых цепей.

2. Разработаны математические модели зарядных преобразователей с до зирующими конденсаторами и каскадных генераторов импульсов тока с ин дуктивным и комбинированным токоформирующими элементами, на базе которых выполнен анализ электромагнитных процессов в различных схем ных модификациях этих устройств, выявлены основные закономерности ра боты и получены количественные соотношения между параметрами их эле ментов и параметрами режимов работы. При этом расхождение результатов не превышает 10…12% в определении мгновенных значений переменных ве личин.

3. Разработанные методика расчета потерь мощности в IGBT на основе их паспортных данных и тепловая модель системы «транзистор – охлади тель» позволяют определить перегрев в заданных точках тепловой цепи при изменяющемся токе коллектора и рассчитывать динамику процесса передачи тепла от структуры транзистора в окружающую среду с погрешностью в пре делах 15…18%. Предложенная математическая модель, дает возможность на основе результатов моделирования моноимпульсных режимов работы заряд ных преобразователей и генератора импульсов тока, аналитически исследо вать квазиустановившиеся процессы нагрева IGBT, и существенно сократить время расчетов.

4. Предложенный способ управления ключами в функции температуры IGBT повышает надежность работы транзисторных ключей зарядного уст ройства при минимальном воздействии на первичный источник питания.

5. Разработанные методики кусочно-линейной аппроксимации и иден тификации выходных импульсов дают возможность с требуемой точностью аппроксимировать импульсы сложных форм, генерируемых ГИТ, устанавли вать их соответствие формам импульсов наиболее распространенным в ла зерных и других технологиях, а также определять значения контролируемых параметров.

6. Проведенные исследования иллюстрируют принципиальную возмож ность построения систем управления каскадных ГИТ на базе нейронных се тей, что позволяет отрабатывать заданные импульсы с относительной по грешностью не более 3% в воспроизведении контролируемых параметров.

Экспериментально определена оптимальная топология нейронной сети для генератора с числом звеньев N 5.

7. Выполнен анализ нестабильности напряжения зарядки накопительно го конденсатора, определен гармонический состав тока, потребляемого за рядным преобразователем с бестоковой коммутацией ключей, определена функция входного фильтра ЗУ и предложена методика выбора его парамет ров из условия ограничения на заданном уровне осцилляций потребляемого тока. Установлено, что применение L C фильтров малой энергоемкости по зволяет эффективно блокировать гармоники, генерируемые зарядным преоб разователем, и получить значение коэффициента мощности kм 0,95.

8. Разработан ряд новых схемных решений узлов ИСЭ, обладающих по вышенной стабильностью выходных параметров и надежностью работы по лупроводниковых приборов. Предложена инженерная методика расчета ос новных элементов ИСЭ.

9. Результаты проведенных исследований нашли применение в практике проектирования ИСЭ электрофизических установок в ИПФ РАН (г.

Н.Новгород), разработках нейросетевых систем управления в ЦОНТ НИИСИ РАН (г. Москва), а также в учебном процессе на кафедрах «Промышленная электроника» и «Электропривод и автоматизация промышленных установок» НГТУ им. Р.Е.Алексеева при выполнении бакалаврских работ, дипломного проектирования и магистерских диссертаций.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

Научные работы, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК Кириенко В.П., Ваняев В.В., Ваняев С.В. Генераторы импульсов тока с 1.

многозвенным токоформирующим элементом. - Изв. Вузов, «Электромеха ника», 2008, №1, с. 77 – 83.

Патенты и свидетельства о регистрации Свидетельство об офиц. регистр. программ для ЭВМ № 2.

РФ. Имитационная математическая модель электротехнологической установ ки «Генератор импульсов напряжения – электрохимический преобразова тель» / В.П. Кириенко, С.В. Ваняев, К.Ю. Кузнецов. – Опубл. 20.03.2006, Бюл. № 1.

Свидетельство об офиц. регистр. программ для ЭВМ № 3.

РФ. Имитационная математическая модель системы «Импульсный генератор – электрофизическая установка» / В.П. Кириенко, С.В. Ваняев. – Опубл.

20.09.2006, Бюл. № 3.

Свидетельство об офиц. регистр. программ для ЭВМ № 4.

РФ. Имитационная математическая модель системы «Транзисторный заряд ный преобразователь – емкостный накопитель энергии» / В.П. Кириенко, В.В. Ваняев, С.В. Ваняев. – Опубл. 20.12.2006, Бюл. № 4.

Патент на полезную модель № 58524 РФ, МПК С01В 13/11. Озонатор с 5.

импульсным источником электропитания / Кириенко В.П., Ваняев С.В., Куз нецов К.Ю. // Опубл. 27.11.2006, Бюл. № 33.

Патент на полезную модель № 63622 РФ, МПК Н 03 К 3/53. Зарядное 6.

устройство накопительного конденсатора / Кириенко В.П., Ваняев С.В., Ва няев В.В. // Опубл. 27.02.2007, Бюл. № 15.

Решение от 28.05.08 о выдаче патента на изобретение по заявке № 7.

2007118006 Н03к 3/53 от 14.05.07. Способ зарядки емкостного накопителя энергии / В.П.Кириенко, В.В.Ваняев, С.В.Ваняев, Е.А.Копелович.

Решение от 26.06.08 о выдаче патента на полезную модель по заявке № 8.

2008118170 Н03к 3/53 от 06.05.08. Генератор импульсов / В.П.Кириенко, В.В.Ваняев, С.В.Ваняев, Е.А.Копелович.

Статьи, опубликованные в других изданиях Кириенко В.П., Ваняев В.В., Копелович Е.А., Ваняев С.В. Моделирова 9.

ние тепловых процессов в зарядных устройствах импульсных источников электропитания. - Труды НГТУ т. 59 «Актуальные проблемы электроэнерге тики». Н.Новгород, 2006, с. 17 -25.

10. Ваняев С.В. Аппроксимация и идентификация выходных импульсов источников питания электрофизических установок - Труды НГТУ т.59 «Ак туальные проблемы электроэнергетики». Н.Новгород, 2006, с. 97 - 105.

11. Кириенко В.П., Ваняев В.В., Ваняев С.В. Зарядное устройство накопи тельного конденсатора. - Материалы II-й Всероссийской н-т конф. «Пробле мы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии». Тольятти, 2007, с 324 - 328.

12. Кириенко В.П., Ваняев С.В., Петухов Н.А. Расчет допустимых режимов работы конденсаторов зарядных устройств. - Труды НГТУ т.66 «Актуальные проблемы электроэнергетики». Н.Новгород, 2007, с. 63 - 69.

13. Кириенко В.П., Ваняев С.В. Расчет трансформатора зарядного устрой ства. - Труды НГТУ т.66 «Актуальные проблемы электроэнергетики».

Н.Новгород, 2007, с. 102 - 105.

14. Ваняев С.В., Кириенко В.П. Нейросетевая система управления генера тором импульсов. – Тезисы докладов VII Международной молодежной науч но - технической конференции «БУДУЩЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЙ НАУКИ», 16th of May, 2008, Nizhniy Novgorod, Russia, с. 61 – 62.

Личный вклад автора. В работах, выполненных в соавторстве, автору принадлежат: разработка математических моделей и расчет электромагнит ных процессов [1, 7, 9];

разработка и настройка имитационных моделей [2 – 4];

теоретическое обоснование технических решений [5, 6, 13, 14];

разработка методик инженерного расчета [10, 11];

синтез системы управления [12].



 


Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.