Преобразователи импульсных систем электропитания с регулируемым энерговыделением

Импульсные электроэнергетические технологии получили в последние десятилетия широкое распространение. При этом ряд применений, например, лазерная резка, перфорирование, сварка, физический эксперимент и другие требует оперативного регулирования параметров процесса выделения энергии в нагрузке. Это вызывает необходимость разработки импульсных систем электропитания с регулируемым энерговыделением (ИСЭ). ИСЭ содержат зарядные устройства (ЗУ), основными компонентами которых являются зарядные преобразователи (ЗП), и генераторы импульсов тока (ГИТ) с накопительными конденсаторами (НК).

Усилиями ведущих научных коллективов, таких как ФГУП «Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина», АО «Электротермосварка», Институт проблем электрофизики РАН (г. Санкт-Петербург), и др., а также вузов МЭИ, ЛЭТИ, государственных технических университетов г. г. Санкт-Петербурга, Томска, Н. Новгорода и других разработаны высокоэффективные ИСЭ, нашедшие применение в различных областях науки и техники.

Большой вклад в развитие теории и практическую реализацию таких систем внесли ведущие ученые, среди которых следует отметить Бертинова.

A.И., Булатова О. Г., Вакуленко В. М., Волкова И. В., Грехова И. В., Иванова.

B.C., Ивашина В. В., Кныша В. А., Короткова С. В., Матханова П. Н., Мееровича Л. А., Месяца Г. А., Опре В. М., Пентегова И. В., Розанова Ю. К. и многих других, в научных трудах которых разработаны принципы построения, управления и основы теории таких устройств, предложен целый спектр востребованных на практике технических решений.

Наблюдаемое в настоящее время интенсивное развитие элементной базы преобразовательной техники и систем управления открывает новые перспективы в направлении повышения эффективности ИСЭ. Вместе с тем, применение современных полупроводниковых приборов в рамках известных совокупностей топологических и технических решений зачастую нецелесообразно и недостаточно, т.к. не позволяет в полной мере использовать их свойства и возможности при должном уровне надежности.

Кроме того, непрерывный прогресс в микроэлектронике и вычислительной технике открывает принципиальные возможности практического применения новых технологий управления ИСЭ в составе технологических и электрофизических комплексов, а увеличение единичной мощности ИСЭ повышает требования к уровню электромагнитной совместимости (ЭМС) с первичным источником питания (ИП).

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

Цель диссертационной работы — разработка и исследование ИСЭ, предназначенных для лазерных технологических (ЛТУ) и электрофизических установок (ЭФУ), а также применение и разработка новых методов оперативного управления ими в процессе накопления энергии в НК и выделения ее в нагрузке.

Задачи диссертационной работы.

1. Анализ разработанных схемных решений ЗП и ГИТ ИСЭ и сравнительной оценки их функциональных возможностей.

2. Разработка на современной элементной базе ИСЭ, обладающих повышенной надежностью работы полупроводниковых элементов, стабильностью параметров в режимах накопления и выделения энергии, а также пониженным воздействием на ИП.

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

4. Анализ возможностей управления процессом накопления энергии в НК в функции теплового состоянии ключевых элементов ЗП, и применения нейросетевых технологий в управлении процессом импульсного выделения энергии в нагрузке.

Методы исследования. При решении задач диссертационной работы использовались:

— метод кусочно-литейной аппроксимации, при описании характеристик полупроводниковых приборов, а также разработке программ аппроксимации и идентификации выходных импульсов ИСЭметоды сопряжения интервалов, классический, операторный, численный при расчете переходных процессов, а также для определения мгновенных значений токов и напряжений, интегральных характеристик ЗП и ГИТ;

— метод спектрального анализа при исследовании электромагнитной совместимости СИП и первичного источника электропитания;

— метод имитационного математического моделирования в среде MATLAB при исследовании электромагнитных и тепловых процессов в ИСЭ, описываемых системами дифференциальных уравнений высокого порядка;

— нейросетевые методы при разработке системы управления ГИТ.

Теоретические положения работы подтверждены экспериментом и совпадением результатов расчетов одних и тех же процессов различными методами.

Научная новизна.

1. Исследованы электромагнитные процессы в ЗП с ДК и процессы нагрева силовых ключей в режиме бестоковой коммутации, выявлены основные закономерности работы, предложен оптимальный способ управления ЗП, обеспечивающий минимальное время зарядки ПК при заданном перегреве IGBT.

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

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 ее работы.

4. Обоснована целесообразность и показана возможность применения нейросетевых технологий для управления ГИТ с целью формирования выходных импульсов тока с заданными параметрами.

Практическая ценность работы.

1. Предложенные схемные решения ЗП и ГИТ повышают надежность работы полупроводниковых элементов ИСЭ, стабильность выходных импульсов, позволяют снизить их массу, габариты, а также повысить уровень электромагнитной совместимости с первичным источником питания.

2. Предложенные способы управления ЗП и ГИТ расширяют функциональные возможности ИСЭ, обеспечивая оперативное воздействие на процессы накопления и выделения энергии путем формирования импульсов с заданными свойствами, повышают надежность работы полупроводниковых элементов и создают предпосылки создания замкнутых систем управления ими по выходному параметру технологического (электрофизического) процесса.

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

Связь темы диссертации с научно-техническими программами.

Работа выполнялась в рамках программ:

1. Ведомственной научно-технической программы министерства образования 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 исследования». Направление «Энергетика». Проект «Разработка нового поколения 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 физических установок»;

3. Программы фундаментальных научных исследований отделения информационных технологий и вычислительных систем РАН (ОИТВС РАН, г. Москва) «Новые физические и структурные решения в инфотелекоммуникациях» по направлению № 2 «Нейро-оптические принципы и системы обработки информации».

Реализация результатов работы.

Результаты проведенных исследований нашли применение в практике проектирования ИСЭ ЭФУ и разработке систем управления ими в ИПФ РАН (г. Н. Новгород), ЦОНТ НИИСИ РАН (г. Москва), а также в учебном процессе на кафедрах «Промышленная электроника», «Электропривод и автоматизация промышленных установок» НГТУ им. Р. Е. Алексеева при выполнении бакалаврских работ, дипломного проектирования и магистерских диссертаций.

В работе автор защищает.

1. Принципы построения и схемные решения ЗУ и ГИТ, повышающие надежность работы полупроводниковых элементов и расширяющие функциональные возможности ИСЭ.

2. Математические модели ЗУ, ГИТ и результаты анализа электромагнитных и тепловых процессов.

3. Методики и результаты расчетов динамических и интегральных характеристик.

4. Способы управления ЗУ и ГИТ.

5. Результаты анализа ЭМС ИСЭ и ИП.

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на: региональных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы электроэнергетики», г. Н. Новгород, 2006, 2007 г. г.- II-й Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии», г. Тольятти, 2007; VII Международной молодежной научно-технической конференции «БУДУЩЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЙ НАУКИ», 16th of May, 2008, Nizhniy Novgorod, RussiaX конференции по совместимости и электромагнитной безопасности, ЭМС-2008, г. Санкт-Петербург, 2008.

По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе получено 2 патента РФ на полезную модель, 2 положительных решения о выдаче патентов на изобретение и полезную модель и 3 свидетельства о регистрации программ для ЭВМ.

Диссертация состоит из 5 глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит 214 стр. основного текста, 87 рисунков, 104 наименований используемой литературы, 16 стр. приложения.

ВЫВОДЫ.

1. Анализ нестабильности напряжения зарядки НК показывает, что величина его отклонения от заданного значения, даже с учетом пульсаций и колебаний напряжения в звене постоянного тока ЗУ, не превышает долей процента при соотношении частот /р//п < 10″ 2. Поэтому в ИСЭ, работающих в указанном диапазоне частот следования зарядных циклов, или в моноимпульсных режимах с длительным интервалом зарядки могут не предъявляться жесткие требования к уровню пульсаций напряжения в звене постоянного тока ЗП. Функция входного фильтра в этом случае, заключается в блокировании внутри ЗУ высших гармоник потребляемого ЗП тока.

2. Гармонический состав тока ЗП с бестоковой коммутацией ключей содержит переменные составляющие с частотами кратными частоте напряжения входного выпрямителя gcoB, частоте ЗП /ссо, и комбинационными частотами кщ ±-дюв (где к= 1, 2, 3, .- q = 1, 2, 3, .), амплитуды которых в 3.5 раз ниже, чем в токе, состоящем из эквивалентных прямоугольных импульсов, имеющих ту же амплитуду и среднее значение, что характерно для ЗП с ШИР. Это, при прочих равных условиях, повышает уровень ЭМС разработанных ЗП в диапазоне радиочастот.

3. В начале каждого интервала повторяемости тока входного выпрямителя ЗУ и в фазных токах наблюдаются затухающие осцилляции, амплитуда которых определяется напряжением питания, величиной суммарной емкости L-C фильтра, добротностью контура и не зависит от его индуктивности. Осцилляции имеют соответственно одну или две гармонические составляющие при однозвенной и двухзвенной структуре входного фильтра, соответственно. В первом случае частота осцилляций соосц близка к частоте собственных колебаний фильтра соосц «со0, а во втором — к значениям соосц"0,62со0 и соосц «1,62со0. Теоретический анализ совпадает с результатами имитационного моделирования с погрешностью в пределах 6.8%.

4. Предложенная методика выбора параметров фильтра позволяет определить величину емкости фильтра из условия ограничения осцилляций тока, потребляемого ЗУ, на заданном уровне. Так при величине осцилляций тока М^ 0,1 и частоте работы ЗП / = 20 кГц требуемая относительная величина емкости фильтра не превышает значения С* <6,1.

5. Применение L-C фильтров малой энергоемкости однозвенного или двухзвенного типа позволяет эффективно подавлять гармоники, генерируемые ЗУ, приблизить кривую потребляемого ими тока к кривой тока при активной нагрузке выпрямителя и получить значение коэффициента мощности км «0,95. При значениях коэффициента передачи по току высших гармоник кт <0,063 целесообразно применять двухзвенную схему, а при кт> 0,063 более эффективна однозвенная схема.

6. Имитационное моделирование процессов в периодическом режиме работы ИСЭ показало, что его воздействие на ИП соизмеримой мощности аналогично влиянию неуправляемого выпрямителя с активной нагрузкой и проявляется в искажениях напряжения ИП на интервалах коммутации вентилей, а кратковременные превышения напряжения при выключении ЗП известными методами могут быть ограничены на допустимом уровне.

7. Ток, потребляемый ИСЭ, не вызывает заметной модуляции кривой питающего напряжения, что свидетельствует об удовлетворительной ЭМС разработанной ИСЭ и ИП.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Выполненный сравнительный анализ известных технических решений и структур ЗП и ГИТ ИСЭ позволил обосновать структуру ИСЭ для ЛТУ и ЭФУ, обеспечивающую оперативное регулирование параметров генерируемых импульсов при заданном уровне нестабильности, обладающую повышенной надежностью работы полупроводниковых элементов, низкими значениями энергоемкости компонентов силовых цепей, содержащую транзисторный ЗП с ДК и каскадный ГИТ с ИТФЭ и КТФЭ.

2. Разработаны математические модели ЗП с ДК и каскадных ГИТ с ИТФЭ и КТФЭ, на базе которых выполнен анализ электромагнитных процессов в различных схемных модификациях этих устройств, выявлены основные закономерности работы и получены количественные соотношения между параметрами их элементов и параметрами режимов работы. При этом расхождение результатов не превышает 10.12% в определении мгновенных значений переменных величин.

3. Разработанные методика расчета потерь мощности в IGBT на основе их паспортных данных и тепловая модель системы «транзисторохладитель» позволяют определить перегрев в заданных точках тепловой цепи при изменяющемся токе коллектора, что дает возможность рассчитывать динамику процесса передачи тепла от структуры транзистора в окружающую среду с погрешностью в пределах 15. 18%. Предложена математическая модель, позволяющая на основе результатов моделирования моноимпульсных режимов работы ЗП и ГИТ аналитически исследовать периодические установившиеся процессы нагрева IGBT и существенно сократить время расчетов.

4. Предложенный способ управления ключами в функции температуры IGBT позволяет повысить надежность их работы при минимальном воздействии ЗУ на ИП.

5. Разработанные методики кусочно-линейной аппроксимации и идентификации выходных импульсов позволяет с требуемой точностью аппроксимировать импульсы сложных форм, генерируемых ГИТ, устанавливать их соответствие формам импульсов наиболее распространенным в лазерных и других технологиях, а также определять значения контролируемых параметров.

6. Проведенные исследования иллюстрируют принципиальную возможность построения систем управления каскадных ГИТ на базе НС, что позволяет отрабатывать заданные импульсы с относительной погрешностью не более 3% в воспроизведении контролируемых параметров. Экспериментально определена оптимальная топология НС для ГИТ с числом звеньев N = 5.

7. Выполнен анализ нестабильности напряжения зарядки НК, определен гармонический состав тока, потребляемого ЗП с бестоковой коммутацией ключей, определена функция входного фильтра ЗУ и предложена методика выбора его параметров из условия ограничения на заданном уровне осцилляций потребляемого тока. Установлено, что применение L-C фильтров малой энергоемкости позволяет эффективно подавлять гармоники, генерируемые ЗП, и получить значение коэффициента мощности км ~ 0,95.

8. Разработан ряд новых схемных решений узлов ИСЭ, обладающих повышенной стабильностью выходных параметров, и позволяющих повысить надежность работы полупроводниковых приборов. Предложена инженерная методика расчета основных элементов ИСЭ.

9. Результаты проведенных исследований нашли применение в практике проектирования ИСЭ ЭФУ в ИПФ РАН (г. Н. Новгород), разработках НСУ в ЦОНТ НИИСИ РАН (г. Москва), а также в учебном процессе на кафедре «Электропривод и автоматизация промышленных установок» НГТУ им. Р. Е. Алексеева при выполнении бакалаврских работ, дипломного проектирования и магистерских диссертаций.