Справка: Горяшин, Николай Николаевич. Квазирезонансный стабилизатор напряжения : диссертация кандидата технических наук : 05.09.03 Красноярск, 2005 131 c. : 61 05-5/4203
Объем: 131 стр.
Информация: Красноярск, 2005
Содержание:
Принятые сокращения
1 Аналитический обзор методов повышения эффективности преобразователей постоянного напряжения
11 Обзор ПН с прямоугольной формой тока и напряжения, и тенденции их развития
12 Классификация резонансных высокочастотных преобразователей напряжения
13 Методы исследования квазирезонансных ПН
Выводы
2 Разработка математической модели квазирезонансного ПН
21 Элементы теории работы резонансного контура в цепи электронного ключевого элемента
22 Гипотезы и допущения принятые при разработке математической модели ПНТ-преобразователя
23 Формирование структуры квазирезонансного ПНТ-преобразователя с учетом параметрических нелинейностей
24 Определение регулировочной характеристики с учетом особенности частотно-импульсной модуляции
25 Анализ влияния пульсаций тока дросселя выходного фильтра на время открытого состояния КЭ
26 Анализ переходных процессов, при ступенчатом изменении нагрузки
Выводы
3 Исследование стабилизатора напряжения на базе квазирезонансного преобразователя напряжения <
31 Анализ СН на базе ПНТ преобразователя при ступенчатом изменении нагрузки
32 Формирование критерия для определения рационального с точки зрения динамических свойств соотношения внутренних параметров силовой части квазирезонансного преобразователя
33 Динамический анализ стабилизатора напряжения на базе квазирезонансного преобразователя
34 Методика синтеза стабилизатора напряжения на базе ПНТ -преобразователя
Выводы
4 Анализ результатов имитационного моделирования переходных процессов на выходе стабилизатора напряжения на базе квазирезонансного преобразователя
41 Расчет параметров СН на базе ПНТ преобразователя
42 Анализ результатов моделирования рассчитанного СН на базе ПНТ - преобразователя
Выводы
Введение:
Импульсные преобразователи постоянного напряжения из-за высоких энергетических показателей, высокой степени надежности и малых габаритах получили широкое распространение в системах электропитания различных устройств автоматики, электроники, вычислительной техники.Из-за высоких показателей КПД и удельной мощности импульсные преобразователи напряжения (РШН) являются неотъемлемой частью автономных систем электроснабжения (СЭС), в частности космических аппаратов (КА). Такие схемы ИЛИ должны оптимально использовать частотные свойства элементов, обеспечивать электромагнитную совместимость с основной электронной аппаратурой, низкий уровень коммутационных потерь мощности и помех, создаваемых преобразователями [18,33].Совершенствование современных ИЛИ направлено на достижение таких требований как высокие удельные энергетические характеристики и высокое качество электроэнергии при использовании импульсно-модуляционных законов преобразования и управления потоками электроэнергии. Об актуальности развития данного направления свидетельствуют работы ведущих ученых в этой области: Соустина Б.П., Иванчуры В.И., Эльмана В.О., Казанцева Ю.М., Ловчикова А.Н. [11-13, 33].Так, в современных КА системы энергообеспечения, распределения электроэнергии, системы обеспечения ее заданного качества и аккумулирования занимают по массе объему и стоимости до 30% самого КА [33]. Хотя разница между удельными характеристиками вторичных источников питания и первичных источников электроэнергии, входящих в состав СЭС КА, достаточно велика, но, учитывая развитие современных технологий в области преобразования различных видов энергии в электрическую и появлению новых способов аккумулирования электроэнергии, развитие преобразователей напряжения (ПН) для СЭС КА направленное на повышение удельных энергетических характеристик может быть оправдано. С другой стороны современная космическая отрасль производит аппараты, где мощности СЭС могут варьироваться в широких пределах от единиц ватт (технологические и исследовательские спутники) до десятков киловатт (космические станции).Следовательно, такие энергетические характеристики как 1СПД и удельная мощность ПН в зависимости от мощности СЭС (как правило, при малых мощностях до 1000 Ватт) могут в значительной степени определять массогабаритные характеристики КА в целом.Одним из основных способов рещения этой задачи является повышение рабочих частот ПН, и как следствие, снижение массогабаритных характеристик выходных фильтров, что не возможно осуществить для классических импульсных преобразователей напряжения, так как с ростом частоты возрастают и динамические потери на коммутирующих ключах [72].В данной работе повышение удельных энергетических характеристик вторичных источников электропитания, построенных на базе высокочастотных ПН, предлагается реализовать за счет использования резонансных режимов работы регулирующего элемента ПН - электронного ключа, с частотноимпульсным законом управления, где коммутация ключевого элемента происходит при нулевых значениях мощности [9, 11- 13, 21, 22, 41- 44, 46, 51, 53,61].К основным достоинствам преобразователей, использующих резонансные режимы работы, следует отнести: уменьшение габаритных размеров и массы радиаторов силовых ключей за счет снижения потерь на переключение ключевого элемента (КЭ), снижение габаритных размеров и массы емкостных и индуктивных элементов выходного фильтра, повышение быстродействия, благодаря возможности повышения частоты коммутации без увеличения потерь мощности на КЭ. По сравнению с ПН, использующими широтно-импульсный закон регулирования, резонансные ПН с частотным управлением являются более сложным объектом управления. Это обусловлено нелинейной зависимостью выходных параметров силовой части от тока нагрузки, которая объясняется изменением добротности резонансного контура (РК). Поэтому для обеспечения надежной работы ПН с РК необходимо определить ограничения, наложенные на режимы управления резонансными ключевыми элементами. Таким образом, задачи построения резонансного преобразователя напряжения с эффективным законом управления при больших отклонениях возмущающих воздействий по току нагрузки, разработки методики его синтеза и анализа динамических процессов являются актуальными.Объектом исследований является стабилизатор напряжения, построенный на базе высокочастотного ПН, использующего резонансные режимы работы.Предметом исследований являются электромагнитные процессы в резонансном контуре работающим в цепи силового ключевого элемента и их взаимодействие с электромагнитными процессами в линейных инерционных цепях.Цель работы: Повышение эффективности управления квазирезонансным преобразователем в цепи стабилизатора напряжения при действии больших возмущений.Исходя из поставленной цели, в работе решены следующие научные и практические задачи: 1. Классификация режимов работы электронного ключевого элемента в цепи резонансного контура.2. Синтез математической модели с учетом особенности работы ключевого элемента, в цепи резонансного контура с коммутацией при нулевых значениях тока.3. Исследование влияния параметров силовой части на режимы работы квазирезонансного преобразователя напряжения и определение его регулировочных режимов.4. Исследование полученной математической модели квазирезонансного ПН, и вывод аналитических критериев для определения рациональных соотношений параметров силовой части.5. Разработка методики синтеза корректирующих устройств для стабилизатора напряжения (СН) на базе квазирезонансного ПН.
6. Разработка алгоритма реализации квазирезонансного СН с законом управления посредствам частотно-импульсной модуляции (ЧИМ), с заданными динамическими и энергетическими параметрами с использованием средств автоматизированного проектирования.7. Исследование влияния подключаемой к квазирезонансному СН с ЧРШ активно - индуктивно - емкостной нагрузки на динамические показатели качества СН. Методы исследований. Решение поставленных задач было осуществлено на основе теории автоматического управления, теории электротехники, дифференциального исчисления, имитационного моделирования на ЭВМ с использованием пакетов: MathCADl I, Math Lab6.5, Micro Cap7.0.Наиболее существенные новые научные результаты: - Разработана нелинейная непрерывная аналитическая модель квазирезонансного ПН с коммутацией ключевого элемента при нулевых значениях тока, позволяющая производить динамический расчет данного ПН при больщих отклонениях возмущающих и задающих воздействий, - Установлена аналитическая зависимость динамических свойств квазирезонансного ПН от соотношения параметров его линейной части при неизменной постоянной времени. - Предложен критерий, количественно объединяющий энергетические и динамические характеристики квазирезонансного ПН. - Предложена методика синтеза, квазирезонансного стабилизатора напряжения, с ЧИМ при действии больших возмущений по нагрузке с применением задачи о накоплении Б.В. Булгакова.Значение для теории. Автором предложено развитие методов синтеза нелинейных систем, с нелинейностями в виде гладких функций, подобных объекту исследований данной работы.Практическая ценность заключается в улучшении удельных энергетических характеристик, качества выходной электроэнергии и динамических свойств, импульсных СН, за счет созданных методов проектирования, позволяющих более эффективно использовать квазирезонансные ПН в различных системах энергообеспечения, в том числе и в СЭС КА. Достоверность научных и практических результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждается согласованием результатов теоретических расчетов, математического и имитационного моделирования в пакете Micro Сар 7.0, а также экспериментальных исследований на лабораторном макете.Использование результатов диссертации. Материалы диссертационных исследований использованы в ФГУП «Научно-производственное объединение прикладной механики» имени академика М.Ф. Решетнева, в учебном процессе на кафедре «Систем автоматического управления» СибГАУ им. академика М.Ф. Решетнева, что подтверждено соответствующими актами о внедрении.Работа выполнялась в рамках НИР: «Разработка и исследование квазирезонансных преобразователей напряжения для систем электроснабжения космических аппаратов» по гранту Федерального агентства по науке и инновациям в рамках приоритетного направления: «Поддержка интеграции науки и высшей школы» от 01/01/2005г., тема: БП4-05 код 4427.Личный вклад автора. Автору принадлежат: постановка задач данного исследования, обоснование и разработка всех положений определяющих научную новизну и практическую значимость работы, результаты теоретических и экспериментальных исследований, анализ и обобщение результатов, формулировка выводов и заключений.Рекомендации по использованию результатов диссертации.Рекомендуется использовать результаты диссертационной работы при проектировании СЭС КА с повышенными требованиями к удельной мощности и качеству выходного напряжения (уровень коммутационного шума и пульсаций).Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались: на VII Всероссийской научной конференции «Решетневские чтения» в г. Красноярске (2003г.); на VIII Всероссийской научной конференции «Решетневские чтения» в г. Красноярске (2004г.); на III международной конференции Сибирского авиационно-космического салона «САКС-2004» в г.Красноярске (2004г.); на XII международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения» в г. Казань (2004г.); на I Всероссийской научной конференции «Актуальные проблемы авиации и космонавтики» в г.Красноярске (2005г.) Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ из них стаей - 3, тезисов докладов - 4, материалов конференций - 3. Кроме того, по материалам диссертации опубликована одна заявка на изобретение.Результаты решения перечисленных задач составляют основное содержание данной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и двух приложений. Работа изложена на 128 страницах машинописного текста, включает 48 рисунков, два приложения на 7 страницах, в список литературы включено 80 наименований, 11 из которых принадлежат автору.
