Одеська національна академія зв\

Одеська національна академія зв'язку ім. О. С. Попова Русу Олександр Петрович




Скачати 396.27 Kb.
НазваОдеська національна академія зв'язку ім. О. С. Попова Русу Олександр Петрович
Сторінка1/3
Дата26.09.2012
Розмір396.27 Kb.
ТипАвтореферат
  1   2   3

Одеська національна академія зв'язку ім. О.С. Попова


Русу Олександр Петрович


УДК 621.314


МОДЕЛІ, МЕТОДИ АНАЛІЗУ І ДОСЛІДЖЕННЯ
ЕЛЕКТРИЧНИХ ТА ЕНЕРГЕТИЧНИХ ПРОЦЕСІВ
В ІМПУЛЬСНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧАХ ПОСТІЙНОЇ
НАПРУГИ З ШІМ-РЕГУЛЮВАННЯМ



05.12.17 – радіотехнічні та телевізійні системи


АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук


Одеса – 2010

Дисертацією є рукопис


Робота виконана в Одеській національній академії зв'язку ім. О.С. Попова

Міністерства транспорту та зв’язку України


Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор

^ Кадацький Анатолій Федорович,

Одеська національна академія зв'язку ім. О.С. Попова

завідувач кафедри безпеки виробничих процесів

та електроживлення систем зв’язку


Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

^ Баранов Порфирий Юхимович,

Одеський національний політехнічний університет,

завідувач кафедри радіотехнічних систем,

директор інституту радіоелектроніки та телекомунікацій;


кандидат технічних наук, доцент

^ Купровський Віктор Іванович,

Одеська національна морська академія,

доцент кафедри морського радіозв’язку


Захист відбудеться 17 грудня 2010 р. о 10.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.816.01 в Одеській національній академії зв'язку
ім. О.С. Попова за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Ковальська, 1, ауд. 223.


З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Одеської національної академії зв'язку ім. О.С. Попова за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Ковальська, 1.


Автореферат розісланий «16» листопада 2010 р.


Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

к.ф.-м.н., доцент Васіліу Є.В.

^ ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ


Актуальність теми. Однією з обов'язкових складових нормальної роботи сучасних радіотехнічних і телекомунікаційних систем є забезпечення їх електропостачанням необхідної якості.

Техніко-економічні показники (надійність, енергоспоживання, обсяг, маса) радіотехнічних і телекомунікаційних пристроїв та систем нерозривно пов'язані з характеристиками перетворювачів електричної енергії (ПЕЕ) – пристроїв і систем їх електроживлення і електропостачання.

При створенні сучасних ПЕЕ широко використовується імпульсний метод перетворення і регулювання електричної енергії, що дозволяє створювати пристрої та системи з більш високою питомою потужністю і характеристиками, недосяжними при використанні інших методів. Крім ПЕЕ імпульсний метод перетворення також використовується при створенні інших радіотехнічних пристроїв, таких як підсилювачі, генератори, формувачі напруги.

Досягнення в галузі мікроелектроніки, безперервне вдосконалення силових напівпровідникових приладів і засобів реалізації імпульсних методів перетворення (виявлення нових структур побудови, створення ефективних схемотехнічних рішень пристроїв і систем) дозволяють максимально використовувати потенційні можливості імпульсного методу перетворення і регулювання електричної енергії у силовій перетворювальній техніці.

Імпульсні перетворювачі постійної напруги (ППН) з ШІМ-регулюванням володіють рядом позитивних властивостей: високим коефіцієнтом корисної дії, надійністю, технологічністю. Однак мініатюризація їх утруднена через наявність реактивних елементів, функціонально необхідних при імпульсному перетворенні.

Одним із засобів можливої подальшої мініатюризації ПЕЕ є використання схем з трансформаторним та автотрансформаторним включенням дроселя. Це дозволяє перерозподілити максимальні та діючі значення напруг і струмів силових комутуючих елементах, тим самим знизити втрати на перемикання. При використанні багатофазного принципу перетворення автотрансформаторне включення дроселя дозволяє також зменшити масогабаритні показники вхідних та вихідних згладжувальних фільтрів за рахунок зміщення регулювальної характеристики в область, де забезпечується найкраща динамічна фільтрація вхідних і вихідних струмів.

Основні теоретичні аспекти та питання моделювання імпульсних ППН
з ШІМ-регулюванням отримали розвиток в роботах С.С. Букрєєва, А.Г. Віленкіна, В.А. Головацького, Ю.І. Дробовича, А.Ф. Кадацького, Н.С. Комарова,
Ю.І. Конєва, В.С. Моіна, В.І. Мелешина, Е.М. Ромаша, В. І. Сінько, Л.Є. Смольнікова, Ю.К. Розанова, І.М. Чиженко, А.К. Шидловського, А.І. Юрченко.

Однак, незважаючи на ряд вирішених питань аналізу електричних і енергетичних процесів найбільш поширених типів імпульсних перетворювачів ППН з ШІМ-регулюванням, існують проблеми, які обмежують оптимальне використання імпульсного принципу перетворення в пристроях і системах електроживлення радіотехнічних та телевізійних систем.

Існуючі методи аналізу та дослідження електричних і енергетичних процесів ППН мають ряд обмежень і потребують подальшого вдосконалення. Отримані з їх використанням результати аналізу електричних процесів імпульсних ППН найбільш поширених типів не дозволяють проводити потрібний комплекс розрахунків при рішенні задач дослідження і проектування перетворювачів з автотрансформаторним та трансформаторним включенням дроселя.

Математичні моделі є недостатньо компактними, вони не узагальнені відносно сукупності найбільш поширених схемотехнічних рішень ППН, автотрансформаторного і трансформаторного включення накопичувального дроселя, безрозривного і розривного режимів роботи, функціонування в режимах стабілізації та стеження, в квазісталому і перехідному режимах.

Вказані недоліки призводять до значного збільшення кількості математичних моделей, необхідних для аналізу різних схемотехнічних рішень однотипних пристроїв, а також до істотного збільшення кількості досліджень, необхідних для виявлення специфічних особливостей ППН, і, як наслідок, до суттєвого збільшення витрат часу на розробку і дослідження розглянутих ППН.

Таким чином, розробка й удосконалення сучасних математичних моделей і методів аналізу та дослідження імпульсних перетворювачів постійної напруги з ШІМ-регулюванням є актуальним завданням.

^ Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи відповідає основним напрямкам розвитку науки та техніки, сформульованим у законі України «Про пріоритетні напрями розвитку науки і техніки» (ст.7, п.6.) і в законі України «Про телекомунікації» (ст.7. п.3). Поставлені та вирішені в дисертації задачі тісно пов’язані з проблемами, сформульованими в «Концепції розвитку ВАТ «Укртелеком» до 2010 р.» (п.4.3.4). Дисертаційна робота відповідає основним напрямкам науково-дослідних робіт, які проводяться на кафедрі Безпеки виробничих процесів та електроживлення систем зв’язку Одеської національної академії зв'язку ім. О.С. Попова. Результати роботи представлені у звітах держбюджетних НДР «Теорія та проектування багатофазних імпульсних перетворювачів постійної напруги для пристроїв електроживлення телекомунікаційних систем», «Розробка проекту концепції розвитку ВАТ «Укртелеком» до 2010 року» (НДР № 423-1822, державний реєстраційний номер 0105U007417, 2005 р.).

^ Мета і завдання дослідження. Метою роботи є розробка математичних моделей та розвиток методів аналізу та дослідження електричних і енергетичних характеристик імпульсних перетворювачів постійної напруги з ШІМ-регулюванням для виявлення специфічних особливостей перетворювачів з автотрансформаторним та трансформаторним включенням накопичувального дроселя.

Для досягнення поставленої мети слід було вирішити наступні задачі.

1. Розробити на основі відомого методу (метод аналізу електричних процесів імпульсних перетворювачів постійної напруги з ШІМ-регулюванням, заснований на виборі в якості базових параметрів – параметрів струму накопичувального дроселя перетворювача) метод, що дозволяє враховувати:

– особливості схемотехніки восьми найбільш поширених типів ППН;

– можливість автотрансформаторного та трансформаторного включення дроселя;

– різні режими роботи перетворювача (безрозривний, розривний).

2. Розробити адаптовані для використання на сучасних обчислювальних пристроях математичні моделі ППН з ШІМ-регулюванням для розрахунку електричних і енергетичних параметрів перетворювачів у квазісталому і перехідному режимах.

3. Розробити методи моделювання розглянутих ППН з урахуванням специфіки отриманих математичних моделей і метода аналізу.

4. Розробити програмне забезпечення, призначене для аналізу та дослідження електричних і енергетичних характеристик ППН в квазісталому і перехідному режимах на основі отриманих моделей і методів.

5. Виконати дослідження перетворювачів понижувального типу з автотрансформаторним і трансформаторним включенням дроселя. На підставі отриманих результатів виявити специфічні особливості ППН з безтрансформаторним, трансформаторним і автотрансформаторним включенням дроселя.

^ Об'єкт дослідження – електричні та енергетичні процеси в імпульсних перетворювачах постійної напруги з ШІМ-регулюванням.

Предмет дослідження – математичні моделі і методи дослідження електричних і енергетичних характеристик імпульсних перетворювачів постійної напруги з ШІМ-регулюванням.

^ Методи дослідження. У дисертації використані методи теорії електричних кіл і метод аналізу електричних процесів імпульсних перетворювачів постійної напруги з ШІМ-регулюванням, заснований на виборі в якості вихідних базових параметрів – параметрів струму накопичувального дроселя – під час розробки математичних співвідношень для визначення основних параметрів електричних процесів перетворювачів. Методи математичного моделювання електричних процесів перетворювачів постійної напруги, методи цифрового моделювання та кусково-припасувальний метод – при розробці алгоритмів і програмного забезпечення для дослідження та проектування.

^ Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному.

1. Отримав подальший розвиток метод аналізу електричних процесів імпульсних перетворювачів постійної напруги з ШІМ-регулюванням, заснований на виборі в якості базових параметрів – параметрів струму накопичувального дроселя перетворювача:

– розширено кількість параметрів, що характеризують імпульсний процес перетворення – запропоновано додатковий базовий параметр – інтервал часу
(і коефіцієнт, що його характеризує – коефіцієнт накопичення-повернення), протягом якого електрична енергія в накопичувальному дроселі більше нульового значення, що дозволяє з єдиних позицій проводити аналіз різних типів перетворювачів при розривному та безрозривному режимах роботи;

– обґрунтовано використання додаткових базових параметрів – коефіцієнтів топології схеми і коефіцієнта передачі вхідного кола, які враховують особливості схемотехнічної реалізації перетворювача, що дозволяє з єдиних позицій проводити аналіз восьми найбільш відомих типів схем перетворювачів;

– обґрунтовано використання додаткового базового параметра – коефіцієнта трансформації накопичувального дроселя, що дозволяє з єдиних позицій проводити аналіз перетворювачів з безтрансформаторним, автотрансформаторним і трансформаторним включенням накопичувального дроселя.

Спільне використання запропонованого і обґрунтованих додаткових базових параметрів зберігає позитивні властивості кожного з них і дає сумарний ефект.

2. Розроблено нові математичні моделі електричних процесів імпульсних перетворювачів постійної напруги з ШІМ-регулюванням, узагальнені до восьми найбільш відомих типів схем перетворювачів, безрозривного і розривного режимів роботи, безтрансформаторного, трансформаторного і автотрансформаторного включення накопичувального дроселя, що дозволяють виконувати потрібний комплекс розрахунків при вирішенні задач дослідження і проектування:

– вперше отримано два комплекти розрахункових співвідношень: перший для квазісталого, другий – для перехідного режимів роботи перетворювача. Розрахункові співвідношення дозволяють обчислювати електричні і енергетичні параметри як окремо взятих елементів, так і перетворювача в цілому при роботі останнього в режимах стабілізації та стеження: миттєві, мінімальні, максимальні, середні, діючі значення струмів, напруг та потужностей.

3. Отримали подальший розвиток методи дослідження електричних процесів імпульсних перетворювачів постійної напруги з ШІМ-регулюванням з урахуванням нових запропонованих у роботі моделей:

– обґрунтовано використання в якості додаткового базового параметра – відносного коефіцієнта реактивності навантаження перетворювача, що дозволяє з єдиних позицій проводити дослідження різних типів перетворювачів при розривному та безрозривному режимах.

4. Виявлено специфічні особливості перетворювачів понижувального типу при функціонуванні в розривному і безрозривному режимах з безтрансформаторним, автотрансформаторним і трансформаторним включенням накопичувального дроселя:

– показано, що шляхом вибору коефіцієнта трансформації дроселя можна перерозподілити максимальні значення напруг (струмів) та діючі значення струмів силових комутуючих елементах; вперше виявлено, що кількісна величина вказаної зміни не залежить від режиму (розривний, безрозривний) функціонування перетворювача;

– вперше показано, що у випадках, коли напруги живлення значно перевищує напругу навантаження, шляхом вибору коефіцієнта трансформації дроселя можна підвищити ККД перетворювача.

^ Практичне значення отриманих результатів.

1. Розроблені математичні моделі електричних процесів ППН з ШІМ-регулюванням орієнтовані на широке використання сучасних обчислювальних пристроїв, зручні при виконанні досліджень, поширюються на багатофазний і однофазний принципи перетворення електроенергії, на різні типи силових каналів, забезпечують ефективні розрахунки електричних та енергетичних процесів.

2. Розроблені алгоритми та програмне забезпечення складають обчислювальну основу запропонованих методів моделювання і дослідження, відрізняються компактністю процедур, можливістю вирішення різних завдань аналізу в рамках єдиного програмного забезпечення, а також можливістю реалізації автономних режимів роботи окремих програмних модулів. Програмне забезпечення дозволяє проводити необхідні розрахунки при вирішенні завдань дослідження, кінцевою метою яких є створення пристроїв і систем електроживлення з заданими показниками якості вихідної напруги.

3. Результати роботи у вигляді лабораторного практикуму (програмне забезпечення, теоретичні положення та методичні вказівки) впроваджені в навчальні процеси:

– Одеської національної академії зв’язку (ОНАЗ) ім. О.С. Попова (навчально-науково-виробничі центри у містах Київ, Вінниця, Донецьк, Дніпропетровськ та кафедра Безпеки виробничих процесів та електроживлення систем зв'язку);

– Запорізького національного технічного університету (кафедра Радіотехніки);

– ВАТ «Укртелеком» (центр післядипломної освіти).

Основні наукові та практичні результати роботи використовуються у науковій діяльності кафедри Безпеки виробничих процесів та електроживлення систем зв'язку ОНАЗ ім. О.С. Попова у вигляді універсальної програми для досліджень та динамічно-зв’язаної бібліотеки, а також впроваджені в навчальний процес у вигляді глав лекційного курсу.

^ Особистий внесок здобувача. Автор самостійно виконав всі теоретичні та практичні дослідження, які становлять основу дисертаційної роботи.
У дисертаційній роботі особисто автором розроблено математичні моделі для визначення основних параметрів електричних процесів імпульсних перетворювачів постійної напруги в ШІМ-регулюванням. Доповнені та розширені методи аналізу та дослідження електричних процесів імпульсних перетворювачів. Розроблені алгоритми та програмне забезпечення для аналізу та дослідження восьми найбільш поширених типів схем перетворювачів.

Особистий внесок автора у спільних публікаціях полягає в наступному. В роботах [1, 2, 7] автором запропоновано використання додаткових базових параметрів, та розробка математичної моделі. В роботах [3, 8, 9] – розробка математичних моделей. В роботі [5] – методика моделювання перетворювачів у середовищі MicroCap V. В роботах [6, 10, 12] – розробка методик обчислення та програмного забезпечення. У роботі [15] особисто автору належить розробка методик дослідження. У роботах [16, 17] особисто автору належать розробка математичних моделей, методик обчислення та програмного забезпечення.

^ Апробація результатів дисертації. Основні матеріали дисертації доповідалися і обговорювалися на науково-технічних конференціях і семінарах: ССПОІ-2000, 2001, 2004, 2005, НПК «Сучасні інформаційні та електронні технології 2006, Українсько-китайському форумі УКФ «Наука і виробництво» 2007. Лабораторний практикум з дисципліни «Електроживлення систем зв'язку» удостоєний золотої медалі на виставці «Сучасні навчальні заклади – 2010» (м. Київ 17 – 19 березня 2010) у номінації «Компетентнісній підхід в освітній діяльності вищої школи».

Публікації. У дисертіції є посилання на 17 друкованих робіт автора, на яких базується текст роботи. Основні результати дисертаційної роботи опубліковано у 15 наукових роботах, в тому числі: 4 статті (3 у співавторстві) у наукових виданнях, що увійшли до переліку наукових фахових видань, затвердженого ВАК, 11 доповідей (7 у співавторстві), у збірниках праць міжнародних науково-технічних та науково-практичних конференцій, а також 2 нав­чальних посібника (2 у співавторстві).

^ Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з введення, п'яти розділів, висновку, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг роботи становить 205 сторінок, з тому числі: основний текст –
147 сторінок, 56 рисунків, 18 таблиць, список використаних джерел – 12 сторінок, 99 найменувань, 3 додатки на 46 сторінках.


^ ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ


У вступі розкриті стан і зміст проблеми, обґрунтована актуальність теми дослідження, визначена мета роботи і сформульовано завдання дослідження, визначені об'єкт, предмет і методи дослідження, формулюється наукова новизна і практичне значення отриманих результатів.

^ У першому розділі – «Особливості імпульсних перетворювачів постійної напруги» розглянуто принципи побудови та функціонування сучасного телекомунікаційного обладнання, показано особливості імпульсного способу перетворення і електричних процесів у силовій частини ППН при розривному, та безрозривному струмах накопичувального дроселя у режимах стабілізації та стеження.

На сьогоднішній день найбільш поширеними є вісім типів схем (y) силової частини ППН (табл. 1), які зводяться до трьох типів перетворювачів, відомих також як регулятори постійної напруги (РН) (РНI – PHIII), які можуть використовувати автотрансформаторне включення дроселя (y = 1 – 4). За значних відхилень напруги живлення Uж від напруги навантаження Uн перетворювач може бути побудований за схемами з подвійним перетворенням енергії (y = 5 – 8).

У відомих роботах показано, що кількісні і якісні характеристики ППН залежать від форми струму і коефіцієнта трансформації накопичувального дроселя L. Залежно від форми струму існує два режими роботи: безрозривний і розривний, які в більшості відомих публікацій відображаються окремими математичними моделями. При цьому кожен період перетворення, тривалістю Т, в загальному випадку, можна розбити на три інтервали з відповідною тривалістю: накопичення tн, повернення tв і паузи tп.

У розділі показано, що використання в якості базового параметра інтервалу часу tнв = tн + tв (і коефіцієнта накопичення-повернення, що його характеризує кнв = (tн + tв) / Т), протягом якої електрична енергія в дроселі L відмінна від нуля, дозволяє здійснити об'єднання різних режимів роботи перетворювача. При розривному режимі роботи кнв < 1, при безрозривному кнв = 1.


^ Таблиця 1

Параметри найбільш поширених схем перетворювачів

y

Перетворювач

РН

Fн

Fв

квх

1

Понижувальний

I

1

0

1

2

Підвищувальний

II

0

1

1

3

Інвертувальний

III

0

0

1

4

Із зворотнім включенням діода

III

0

0

1

5

Із прямим включенням діода

I

1

0

ктр

6

З виведенням середньої точки трансформатора

I

1

0

ктр

7

Півмостовий

I

1

0

ктр / 2

8

Мостовий

I

1

0

ктр

ктр – коефіцієнт трансформації трансформатора ланки підвищеної частоти


Три базові типи регулятора РНI – РНIII можна об'єднати за допомогою коефіцієнтів: ^ Fн – коефіцієнта топології на інтервалі накопичення, Fв – коефіцієнта топології на інтервалі повернення.

Дані коефіцієнти можуть приймати значення 0 або 1. Значення 0 відповідає випадкам коли накопичувальний дросель на відповідному інтервалі перетворення підключається паралельно джерелу живлення (для Fн) (рис. 1, а) або навантаженню (для Fв) (рис. 1, в). У випадку включення дроселя послідовно з джерелом живлення та навантаженням, значення відповідного коефіцієнта дорівнює 1 (рис. 1, б).




Рис. 1. Визначення коефіцієнтів топології Fн та Fв


Визначивши спосіб підключення за допомогою коефіцієнтів топології Fн, Fв отримаємо, в загальному випадку чотири можливі типи ППН. Комбінація
Fн = 1, Fв = 0 відповідає РНI, Fн = 0, Fв = 1 – РНII, Fн = 0, Fв = 0 – РНIII. Схема з комбінацією Fн = 1, Fв = 1 не є ППН, оскільки за такої побудови не відбувається комутація дроселя L.

Для схем з двократним перетворення енергії (y = 5 – 8), урахування ланки підвищеної частоти проводиться за допомогою відповідного коефіцієнта передачі квх. Для схем з однократним перетворенням (y = 1 – 4) квх = 1 (див. табл. 1).

Урахування топології перетворювача за допомогою коефіцієнтів квх, Fн
та Fв дозволило з єдиних позицій розглянути процес імпульсного перетворення різних перетворювачів, та отримати узагальнені до восьми типів схем перетворювачів співвідношення для визначення напруг та струмів в елементах силової частини перетворювачів. Так, наприклад, напруга uL(t) на силовому дроселі L може бути представлена у вигляді



0 ≤ ttн

(1)

tн < ttн + tв

tн + tв < tT
  1   2   3

Схожі:

Одеська національна академія зв\Одеська національна академія зв’язку ім. О. С. Попова
Робота виконана в Одеській національній академії зв’язку ім. О. С. Попова Міністерства транспорту та зв’язку України
Одеська національна академія зв\Одеська національна академія зв’язку ім. О. С. Попова коваленко тетяна леонідівна
Робота виконана в Одеській національній академії зв’язку ім. О. С. Попова Міністерство транспорту та зв’язку України
Одеська національна академія зв\Одеська національна академія зв’язку ім. О. С. Попова іщенко Микола Олександрович
Робота виконана в Одеській національній академії зв’язку ім. О. С. Попова Міністерства транспорту та зв’язку України
Одеська національна академія зв\Одеська національна академія зв’язку ім. О. С. Попова
Захист відбудеться 5 березня 2010 р о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради д 41. 816. 03 Одеської національної академії...
Одеська національна академія зв\Одеська національна академія зв’язку ім. О. С. Попова чеглатонєв в’ячеслав іванович
Захист відбудеться 14 січня о 14. 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради д 41. 816. 03 в Одеській національній академії...
Одеська національна академія зв\Одеська національна академія зв’язку ім. О. С. Попова програма

Одеська національна академія зв\Одеська національна академія зв’язку ім. О. С. Попова станкевич ірина володимирівна
Складові організаційно-економічного механізму управління якістю послуг поштового зв’язку
Одеська національна академія зв\Р 1,Р 1,Р 1,Р 1м р 2, 2, 2 2м
Одеська національна академія зв'язку ім. О. С. Попова розклад занять по нні радіо, телебачення, електроніки
Одеська національна академія зв\Одеська національна академія зв’язку ім. О. С. Попова
Організація мережі поштового зв’язку України. Вплив структури мережі поштового зв’язку на її техніко-економічні показники
Одеська національна академія зв\Одеська національна академія зв’язку ім. О. С. Попова
Організація мережі поштового зв’язку України. Вплив структури мережі поштового зв’язку на її техніко-економічні показники
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи