Развитие теории, принципов построения транзисторных преобразователей напряжения и распределенных систем электропитания на их основе

Актуальность проблемы. Научно — технический прогресс в различных областях радиотехники, радиоэлектроники, системах связи и т. д. связан, с одной стороны, со всё возрастающей степенью использования интегральных технологий: интегральных микросхем, микроконтроллеров, микропроцессоров и т. д., что приводит к резкому снижению массы и габаритов РЭС и её узловс другой стороны разработкой и развитием новых принципов энергои ресурсос-беререгающих методов генерирования электрических колебаний, усиления информационных сигналов и преобразования электрической энергии в системах электропитания, которые являются неотъемлемой частью каждой РЭС радиотехнической и связной системы.

Современные РЭС резко ужесточают требования к энергетическим, мас-согабаритным показателям, экономичности, надежности, качеству вырабатываемой энергии и электромагнитной совместимости систем электропитания. Решение проблем энергои ресурсосбережений в устройствах электропитания (преобразователях переменного напряжения в постоянное — AC/DCпостоянного напряжения одного уровня в постоянное напряжение другого уровняDC/DCпостоянного напряжения в переменное — инверторы DC/AC) осуществляется с использованием импульсных (ключевых) режимов работы усилительных приборов в преобразователях напряжения с промежуточным звеном высокой частоты (сотни килогерц — единицы мегагерц), современной элементной базы: мощных транзисторов (MOSFET, IGBT), мощных ультрабыстрых диодов, современных магнитных материалов и конденсаторов и современных технологий узлов и устройств (низкопрофильные, безнамоточные, плоские трансформаторыповерхностный монтаж и др.). Ключевые режимы работы усилительных приборов позволяют приблизить электронный КПД устройств к предельно достижимому (100%) путем снижения мощности потерь в усилительных приборах, тем самым увеличить надежность работы импульсного источника питания (ИП) — уменьшить массу и габариты ИП путем снижения или полного устранения системы охлаждения усилительных приборов. Преобразование энергии не на промышленной частоте (50 Гц), а на высокой частоте (сотни килогерцединицы мегагерц) с использованием высокочастотных преобразователей напряжения (ВПН) позволяет в десятки — сотни раз снизить объем и массу реактивных фильтрующих устройств и согласующих трансформаторов, которые даже в современных импульсных ИП занимают до 50 — 70% габаритов и веса всей системы.

Перспективными являются ИП на основе импульсных преобразователей напряжения (ИПН) с ШИМ, в основу которых положен принцип воспроизведения сигнала с применением широтно-импульсной модуляции параметров электрической энергии. Такие ИПН позволяют улучшить ЭМС, снизить загрузку питающих сетей реактивными составляющими мощности. Качество статических и динамических процессов в ИПН с ШИМ — дискретных нелинейных системах — может быть обеспечено лишь при разработке эффективных методов синтеза структуры и параметров устройств управления. В настоящее время получили широкое развитие методы синтеза замкнутых систем [1−8].

Точность формирования требуемых значений полезной составляющей и степень подавления пульсирующей составляющей выходного напряжения определяют качество выходного напряжения ИНП.

От степени искажения потребляемого из промышленной сети тока ИПН существенно зависит качество напряжения в сети и величина потерь активной мощности. В свою очередь, от качества выходной энергии ИПН существенно зависит эффективность работы потребителей энергии ИПН, получающих от них энергию. Поэтому повышение качества преобразуемой ИПН энергии и качество используемой из сети электрической энергии является актуальной проблемой [9 — 14].

О государственной значимости этой проблемы свидетельствует принятие нового российского ГОСТа на качество электрической энергии [15−16].

Надежность и высокое качество функционирования ответственных РЭС определило актуальность двух взаимосвязанных задач:

— определение требований к качеству вырабатываемой ими энергии;

— обеспечение этих требований.

Определение требований к качеству электроэнергии обуславливается точностью устройств. По мере усложнения задач, решаемых электронной аппаратурой, происходит повышение требований к её точности, и следовательно, к качеству электроэнергии, которой питается аппаратура. Эти требования в основном сводятся к стабильности напряжения питания в статических и динамических режимах и величине низкочастотных и высокочастотных пульсаций [17−30].

Импульсные источники питания являются одними из наиболее распространенных радиоэлектронных устройств и они используются в многомиллионном количестве в различных отраслях науки, техники, промышленности и сферах обслуживания. Непрерывное расширение областей применения импульсных источников питания, постоянное возрастание требований к их характеристикам ставит перед теорией, перед разработчиками новые всё усложняющиеся задачи, выявляет недостаточную проработку ряда важных теоретических проблем. К ним в первую очередь относятся вопросы динамики импульсных источников питанияметоды анализа устойчивостианализа нелинейных колебаний, возникающих при нарушении устойчивостиэлектромагнитной совместимости и т. д. Поэтому вплоть до сегодняшнего дня несмотря на большие исследования, проведенные советскими, российскими и зарубежными учеными: Артым А. Д., Конев Ю. И., Дмитриков В. Ф., Белов Г. А., Косов О. А., Лукин А. В., Филин В. А., Поликарпов А. Г., Сергиенко Е. Ф., Сырников Э. В., Малышков Г. М., Мелешин В. И., Александров Ф. И., Сиваков А. Р., Ромаш Э. М., Коржавин О. А., Никитин К. К., Сивере М. А., Дмитриев Б. Ф., Собалев Л. Б., Middlebrook R.D., Cuk S.A., Redly R.B., Mitchell D.M., Lee F.C., Чети П. и многие другие -«Импульсные источники питания представляют собой особый малоизученный класс нелинейных дискретных систем (НДС), требующий для их исследования, развития и разработки целого комплекса математических методов, разрабатываемых в математике, теории автоматического управления, теории автоколебаний и других областях современной науки. Несмотря на то, что в теории НДС уже имеются интересные и важные методы исследований и результаты, она всё ещё находится в состоянии становления и достаточно быстрого развития» [31].

Всё более жесткие требования, предъявляемые современными РЭС к качеству вырабатываемой электроэнергии: стабилизация выходного напряжения под действием различных возмущающих воздействий до 60 дБдопустимая величина низкочастотных и высокочастотных пульсаций выходного напряжения десятки-единицы милливольт, что приводит к необходимости обеспечения коэффициента фильтрации 60 — 80 дБмалая величина перерегулирования (1 — 2%) при скачкообразном изменении входного напряжения и сопротивления нагрузки в больших пределахнеобходимость обеспечения больших запасов устойчивости по фазе и амплитуде, приводят к необходимости исследования новых принципов построения и развития теории, методов анализа и синтеза импульсных источников питания с глубокой отрицательной многоконтурной обратной связью (ООС).

Для стабилизации выходных параметров импульсных ИП с ООС, являющихся дискретно-нелинейными устройствами, обычно используются ООС по выходному напряжению или току, а для обеспечения необходимых запасов устойчивости по амплитуде и фазе, малой величины перерегулирования по напряжению и току при действии различных дестабилизирующих факторов, необходимой полосы частот АЧХ разомкнутой петли ООС для подавления НЧ пульсаций необходимо использовать многоконтурные ООС по различным переменным состояния.

Для исследования стабилизации и устойчивости данных систем можно использовать метод усреднения и линеаризации, который позволяет перейти от дискретной нелинейной системы к непрерывной линейной, получить частотную передаточную функцию коэффициента петлевого усиления разомкнутой петли ООС и с использованием характеристик Боде или частотных критериев определить устойчивость системы, коэффициент стабилизации выходных параметров, полосу частот АЧХ разомкнутой петли ООС, в которой обеспечивается требуемое подавление низкочастотных пульсаций за счет ООС [32 — 46, 148 — 151].

Метод усреднения и линеаризации является приближенным. Погрешность метода усреднения и линеаризации ИПН с ШИМ в литературе не рассматривалась.

Специалистами по силовой электронике и преобразовательной технике до сих пор не используется глубоко разработанная теория синтеза реактивных LC-фильтров: не рассматриваются фильтры Чебышева с равноволновыми характеристиками в полосе пропускания, которые обладают максимальным затуханием в полосе задерживания при заданном количестве элементов и заданном произведении LzCz, где и Се — суммарные значения индуктивностей и емкостей фильтровне рассматриваются фильтры Баттерворта с максимально плоскими характеристиками в полосе пропускания и линейными фазовыми характеристиками в полосе задерживания. Не исследовалось их влияние на глубину ООС в импульсных ИП и их устойчивость.

Как отмечалось, даже в современных импульсных ИП объем и масса реактивных фильтрующих устройств и согласующих трансформаторов занимают до 50 — 60% габаритов и веса всего устройства [46]. Дальнейшее снижение мас-согабаритных показателей фильтрующих устройств возможно либо путем дальнейшего повышения частоты преобразования электромагнитной энергии, либо разработкой новой теории синтеза сглаживающих фильтров импульсных ИП, позволяющих минимизировать их объем и массу. Повышение частоты преобразования электрической энергии, определяемое частотой переключения транзисторов в импульсных высокочастотных преобразователях напряжения (ВПН), требует соответствующего режима переключения транзисторов. Это обусловлено тем, что на частотах коммутации десятки-сотни килогерц и выше все более проявляется неидеальность ключевых свойств полупроводниковых приборов, что вызывает рост коммутационных потерь. Наличие паразитных емкостей и индуктивностей полупроводниковых приборов и монтажа, создающих паразитные высокочастотные контура, приводит к возникновению перенапряжений и высокочастотных колебаний при коммутации полупроводниковых приборов. Таким образом, повышение частоты в импульсных ВПН, наряду с уменьшением массы и габаритов ИП, приводит к увеличению коммутационных потерь, т. е. снижению КПД и увеличению уровня электромагнитных помех.

ЭМП).

В такой ситуации дальнейшее снижение массогабаритных показателей фильтрующих устройств в импульсных ИП возможно при разработке теории синтеза фильтрующих устройств с минимальными массогабаритными характеристиками. В настоящее время наиболее развиты методы оптимального синтеза фильтрующих устройств, в которых минимизируется число элементов цепи. Однако число элементов не является адекватным показателем массы и габаритов фильтра. Во многих случаях в качестве такого показателя используют суммарную запасаемую реактивную энергию во всех индуктивностях и во всех емкостях цепи.

Основные теоретические результаты исследования энергетических функций реактивных четырехполюсников, с использованием которых возможна минимизация массогабаритных показателей фильтров, были опубликованы в 70-х годах прошлого столетия и относятся к LC-четырехполюсникам с двухсторонней нагрузкой. Развитой теории синтеза сглаживающих фильтров с минимальной реактивной энергией на основе энергетических функций, кроме постановки частных задач в литературе не известно. Этот пробел особенно остро ощущается в настоящее время, когда проявляется интерес к исследованию энергетических функций, как универсальных показателей эффективности электрических цепей и дальнейшей миниатюризации и улучшения массогабаритных характеристик импульсных ИП.

Использование многозвенных сглаживающих фильтров в импульсных ИП постоянного напряжения, построенных на основе преобразователей понижающего или повышающего типа, или в импульсных ИП переменного напряжения (инверторах) промышленной частоты с одной стороны приводит к улучшению массогабаритных показателей СФ, но с другой стороны ухудшает устойчивость таких источников питания, уменьшает глубину ООС, а следовательно, стабильность их выходных характеристик под действием возмущающих факторов. В литературе эта важная проблема — работа импульсных ИП с ООС, использующих многозвенные СФ, не нашли своего должного освещения.

Важная также не освещенная в литературе проблема импульсных ИП связана с влиянием характера нагрузки на устойчивость работы и глубину ООС импульсных ИП. Нагрузка импульсных ИП, как правило, имеет комплексный характер: активно-емкостной, активно-индуктивный или более сложный характер. Естественно, что комплексный характер нагрузки может оказывать влияние на устойчивость работы ИП и приводить к их самовозбуждению. В тоже время отечественная практика проектирования и испытания импульсных ИП основана на учете резистивного характера нагрузки, что не отражает реальных режимов работы импульсных ИП, ухудшает устойчивость работы ИП и их эксплуатационные характеристики.

Таким образом, необходимо провести исследование реализации максимально возможного коэффициента стабилизации выходных параметровзапасов устойчивости по амплитуде и фаземинимальной величины перерегулирования выходного напряжения при действии различных дестабилизирующих факторовмаксимальной полосы частот АЧХ разомкнутой петли ООС, в которой обеспечивается требуемое подавление низкочастотных пульсаций, для импульсных преобразователей напряжения с ШИМ понижающего и повышающего типов, использующих однозвенные и многозвенные сглаживающие фильтры с характеристиками Чебышева и Баттерворта, с различными контурами ООС, при различной величине пульсаций выходного напряжения, различных типах и параметрах комплексной нагрузки. Оценить погрешность анализа и синтеза ИПН с ШИМ с ООС, представляющих дискретно-нелинейные системы с ООС, при использовании метода усреднения и линеаризации.

При проектировании, разработки и эксплуатации импульсных ИП с ООС возникает необходимость экспериментального измерения реальных частотных характеристик в режиме их нормального функционирования с замкнутой петлей ООС с учетом реальных паразитных связей, реальных потерь во всех элементах ИП, инерционности транзисторов, диодов, частотной зависимости и влияния температуры на коэффициент усиления ОУ в цепи ООС и т. д., что трудно поддается учету при теоретическом исследовании.

Подобные измерители частотных характеристик (ИЧХ) производятся зарубежными фирмами и в англоязычных источниках имеют название Frequency Response Analysis (FRA). Возможности этих приборов различны по частотному диапазону, перечню измеряемых характеристик, но их стоимость не опускается ниже $ 11 000−12 000, что делает их практически недоступными для малых лабораторий и исследовательских групп в России. Поэтому разработка отечественных ИЧХ представляется своевременной и актуальной.

В состав современных систем электропитания, как отмечалось, входят ИПН, преобразующие переменное напряжение в постоянное (AC/DC), постоянное напряжение одного уровня в постоянное напряжение другого уровня (DC/DC), а также постоянное напряжение в переменное — инверторы (DC/АС). Качество энергии, вырабатываемое инверторами промышленной частоты (50 Гц), должно удовлетворять ГОСТу или отраслевым стандартам при работе инвертора на линейную комплексную нагрузку, нелинейную (выпрямитель с емкостным или LC-фильтром) нагрузку и при работе инвертора в режиме холостого хода. Качество выходного синусоидального напряжения частотой 50 Гц определяется значением коэффициента гармоник и спектральным составом. Известные в литературе однофазные инверторы напряжения, реализуемые, как правило, по схеме класса BD (одноуровневое однополярное напряжение на входе СФ в течение полупериода синусоидального напряжения с частотой 50 Гц) [47 — 53], даже при использовании громоздких фильтров не обеспечивают коэффициент гармоник (Кг < 5%), удовлетворяющий ряду отраслевых стандартов в режиме холостого хода.

Поэтому актуальной является проблема разработки однофазного инвертора промышленной частоты, обеспечивающего требуемое качество выходного напряжения и минимальные габариты СФ при работе инвертора на линейную, нелинейную нагрузки и в режиме холостого хода.

Из-за наличия широкополосного спектра последовательности импульсов с ШИМ, ухудшающего ЭМС, необходимости применения фильтров нижних частот (ФНЧ), сложности введения глубокой ООС из-за наличия ФНЧ и других недостатков невозможно использование энергетически эффективных инверторов промышленной частоты, использующих ключевые режимы, в измерительной или другой прецизионной аппаратуре. Это делает необходимым поиск принципов построения энергетически эффективных инверторов промышленной частоты с отсутствием или снижением указанных недостатков для питания прецизионной аппаратуры. Построение энергетически эффективных инверторов промышленной частоты, в которых могут быть устранены указанные недостатки, возможно при использовании аналого-дискретных режимов усиления [54 — 61]. Такие инверторы должны состоять из нескольких работающих поочередно на общую нагрузку усилительных каналов, переключение которых происходит в зависимости от величины выходного напряжения. Первый из каналов работает при малом выходном напряжении в аналоговом (линейном) режиме. Все остальные каналы могут работать в аналогом режиме или режиме D (импульсном). Каждый из каналов использует свой источник питания. Причем при малых значениях выходного напряжения используется источник с меньшим напряжением, а каждый последующий канал питается от источников с увеличивающимся напряжением. При этом все каналы работают при больших значениях коэффициента использования напряжения питания, а следовательно, и большом КПД. Необходимо исследовать принципы построения и методику расчета инверторов промышленной частоты при использовании аналого-дискретных режимов усиления, в которых устранены или существенно снижены недостатки, свойственные инверторам с использованием ключевых режимов усиления.

При использовании импульсных источников, преобразующих переменное напряжение сети в постоянное напряжение или в переменное напряжение другой частоты, возникают нелинейные искажения тока и импульсные помехи в сети. Отрицательное действие этих искажений проявляется с одной стороны на функционирующие РЭС, а с другой стороны на электросеть.

В автономных системах электропитания (АСЭ) потребители электрической энергии, имеющие различный характер нагрузки, получают питание от одной сети, которая должна обеспечить надежное снабжение всех потребителей при требуемом качестве электроэнергии.

Особенность современных ИПН заключается в том, что они представляют собой для питающей сети нелинейный характер нагрузки [62 — 67].

Специфическое воздействие потребителей с нелинейными характеристиками на сеть заключается в генерации ими высших гармонических составляющих тока и напряжения. Высшие гармоники повышают вероятность возникновения резонансных явлений, нарушают нормальную работу вычислительной техники, автоматикив результате повышенного нагрева токами высших гармоник происходит ускоренное старение изоляции электрических машин и кабелей и т. д. В связи с этим остро встает проблема об обеспечении в системах электроснабжения электромагнитной совместимости [68 — 79].

При импульсном потреблении тока импульсными источниками возникающие гармонические составляющие тока не совпадают по фазе с напряжением сети и протекают в нейтральном проводе. Обычно сечение нейтрального провода много меньше сечения фазовых проводов, поэтому гармонические составляющие тока, достигая критического значения, могут привести к пожару электросети. Для устранения негативного влияния импульсных источников на сеть Международная электрическая компания (МЭК) и Европейская организация по стандартизации в электротехнике (CENTELEC) приняли стандарты IEC555, устанавливающие ограничение на содержание гармоник и коэффициент мощности импульсных источников. Коэффициент мощности Км определяется как отношение активной мощности, передаваемой источником потребителю, к кажущейся (полной) мощности, преобразуемой источником. В соответствии с принятым стандартом IEC555 норма Км вновь разрабатываемой аппаратуры должна быть не ниже 0,98. Для сравнения в импульсных выпрямителях с емкостным фильтром Км = 0,66. Эффективный метод реализации данного Кмприменение корректоров коэффициента мощности (ККМ) на входе любого импульсного преобразователя. Основной стандарт EN61000−3 устанавливает также соотношение гармонических составляющих потребляемого из сети тока со второй по сороковую гармоники. Эти ограничения на коэффициент мощности и гармонические составляющие тока импульсных источников распространяются на все разрабатываемые устройства мощностью свыше 75 Вт с января 2001 г. и в России.

Анализ процессов в ККМ на основе преобразователя повышающего типа, расчет Км, гармонических составляющих проводился в ряде литературных источников при работе ККМ на резистивную нагрузку [80 — 85]. Однако ККМ, как правило, работает не на резистивную нагрузку, а на импульсные преобразователи напряжения повышающего или понижающего типа, имеющие комплексное входное сопротивление и отрицательную активную составляющую сопротивления по переменному току. Поэтому режим работы ККМ и его характеристики могут отличаться при работе на резистивную нагрузку от режима работы ККМ на импульсные преобразователи повышающего или понижающего типа.

Кроме активных ККМ используются также пассивные корректоры коэффициента мощности (ГПСКМ), которые имеют существенно худшие массогаба-ритные показатели по сравнению с активными ККМ, но они не имеют высокочастотных составляющих входного тока (гармоник с тактовой частотой коммутации транзисторов). В этом их принципиальное преимущество перед активными ККМ, что позволяет высокоэффективные импульсные источники питания с ПККМ использовать в измерительной, медицинской аппаратуре, в малошу-мящих усилителях, в усилителях с высоким коэффициентом усиления и т. д., где обычные импульсные устройства и активные ККМ не применяются из-за ухудшения электромагнитной совместимости с чувствительными РЭС. Анализ ПККМ также проводился при работе на резистивную нагрузку [86], что совершенно не отражает реальных процессов и характеристик ПККМ при их работе на импульсные источники питания.

Значительное повышение надежности, улучшение эксплуатационных характеристик, снижение стоимости разработки системы питания достигается благодаря применению распределенных (децентрализованных) систем электропитания, которые долгое время не применялись, поскольку DC/DC преобразователи до недавнего времени с выходной мощностью до сотни ватт были громоздкими и тяжелыми. Термин «распределенное электропитание» означает, что каждый модуль функциональной аппаратуры имеет свой собственный DC/DC преобразователь в непосредственной близости от нагрузки. При распределенном электропитании энергия передается при высоких уровнях напряжения и малых токах с целью минимизации потерь и стоимости медных шин, контактов, соединений с одной стороны и повышения отказоустойчивости с другой. В распределенных системах минимизируются паразитные связи и тем самым улучшаются динамические процессы, имеется возможность включения/выключения DC/DC преобразователей внешним сигналом малой мощности и обеспечивать необходимую последовательность в распределении энергии. Модернизация систем распределенного питания часто осуществляется простой заменой локальных DC/DC преобразователей. Распределенные системы позволяют уменьшить цикл разработки благодаря применению в них стандартных преобразователей [87−91].

Однако широкое внедрение перспективных децентрализованных систем питания сдерживается не решенной проблемой обеспечения их устойчивости. При интеграции импульсных ИП, устойчиво работающих на резистивную нагрузку в автономном режиме, они очень часто возбуждаются в составе децентрализованной системы. Возбуждение всей децентрализованной системы электропитания или ведущего импульсного ИП (генератора) обусловлено комплексным характером и отрицательным значением активной составляющей входного сопротивления ведомого источника (приемника). Таким образом, разработка методов исследования устойчивости работы децентрализованных систем электропитания и принципов их построения, проводимая в данной работе, является своевременной и актуальной.

Одной из важнейших проблем в теории проводной связи с использованием медных кабелей, что в основном свойственно для России, является проблема обеспечения дистанционного питания, т. е. передача электроэнергии от генераторов, размещаемых в обслуживаемых пунктах электропитания (ОПП) до необслуживаемых пунктах питания (НПП), находящихся до 20 км от ОПП [92 — 94]. Специфика устройств дистанционного питания от обычных источников вторичного электропитания (ИВЭП) состоит в том, что с целью снижения потерь в омических сопротивлениях проводов необходимо подавать электрическую энергию при высоких напряжениях (единицы киловольт) и низких токах (десятки-сотни миллиампер), в то время как питание аппаратуры аналоговых и цифровых систем передачи информации осуществляется напряжением десятки вольт и токами десятки ампер. Эффективное решение проблемы дистанционного питания требует исследования принципов построения таких систем и разработки теории их расчета, что не отражено в литературе.

Цель и основные задачи работы. Целью работы является развитие теории, принципов и методов построения и разработка энергетически эффективных транзисторных преобразователей напряжения постоянного и переменного тока, работающих как в автономном режиме, так и в системах дистанционного и распределенного (децентрализованного) питанияактивных и пассивных корректоров коэффициента мощности с улучшенными массогабаритными, динамическими характеристиками, устойчивостью и ЭМС.

Достижения поставленной цели предусматривает решение следующих основных задач:

1. Развитие теории и исследование энергетических функций реактивных сглаживающих фильтров в ИПН.

2. Разработку методики синтеза реактивных сглаживающих фильтров ИПН с минимальной реактивной энергией, массой и габаритами.

3. Развитие теории и исследование динамических характеристик, предельной глубины обратной связи, устойчивости, максимальной величины коэффициента стабилизации выходного напряжения и коэффициента ослабления низкочастотных пульсаций выходного напряжения ИПН с ШИМ понижающего и повышающего типа с многоконтурными ООС, представляющих собой нелинейные дискретные устройства.

4. Исследование устойчивости работы преобразователей постоянного напряжения понижающего и повышающего типа при работе на комплексную нагрузку.

5. Исследование принципов построения и разработку инверторов промышленной частоты, обеспечивающих требуемые ГОСТом качественные показатели выходного напряжения при работе инверторов на комплексную линейную, нелинейную нагрузки и в режиме холостого хода при минимальных массе и габаритах СФ.

6. Исследование принципов построения, структур, параметров и алгоритмов управления активных и пассивных ККМ при их работе на ИПН.

7. Исследование устойчивости децентрализованных (распределенных) систем питания.

8. Разработку принципов построения и методики расчета устройств дистанционного питания.

Основные методы исследования. Теоретические исследования базируются на использовании фундаментальных положений теории электрических цепей, в частности, современного синтеза электрических цепей, теории нелинейных дискретных систем, теоремы Телледжена, теории матриц, численного моделирования на ЭВМ.

Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту. Наиболее значимые новые научные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

— развита теория и проведены исследования энергетических функций сглаживающих реактивных LC-фильтров, на основе которых разработаны методы синтеза реактивных сглаживающих фильтров с минимальными массогабарит-ными характеристиками и потерями;

— развита теория и проведены исследования динамических и статических характеристик, предельной глубины ООС, устойчивости, коэффициента ослабления низкочастотных пульсаций выходного напряжения за счет ООС, входного и выходного сопротивления в высокочастотных преобразователях напряжения понижающего и повышающего типов с ШИМ с однозвенными и двухзвен-ными СФ, с равноволновыми характеристиками Чебышева, максимально плоскими характеристиками Баттерворта, с характеристиками равнозвенных фильтров, различными контурами ОС и корректирующими устройствами в цепи ООС;

— проведена оценка погрешности метода усреднения и линеаризации дискретно-нелинейных систем;

— исследована устойчивость работы ВПН понижающего и повышающего типов при работе на комплексные нагрузки;

— предложены и исследованы принципы построения инверторов промышленной частоты, работающих в режиме класса D, и методика расчета СФ, обеспечивающая минимальные массогабаритные характеристики фильтра при работе на комплексную линейную, нелинейную нагрузки и в режиме холостого хода;

— предложены и исследованы принципы построения инверторов промышленной частоты с использованием аналого-дискретных режимов;

— исследованы принципы построения, структур и алгоритмов управления активными и пассивными ККМ при их работе на ИПН с ШИМ;

— предложены и разработаны устройства дистанционного питания;

— проведены исследования устойчивости, динамических и статических характеристик распределенных (децентрализованных) систем электропитания.

На основе проведенных исследований решена важная научно-техническая проблема — разработаны импульсные преобразователи постоянного и переменного напряжения с ШИМ, а также устройства дистанционного питания и децентрализованные системы электропитания на их основе с улучшенными статическими, динамическими, массогабаритными характеристиками, ЭМС, удовлетворяющие современным ГОСТам по качеству выходного напряжения и коэффициенту мощности, потребляемой из сети энергии.

В диссертационной работе защищаются следующие основные научные положения:

1. Развитие энергетической теории реактивных четырехполюсников, на основании которой научно обоснованы принципы минимизации реактивной энергии фильтрующих цепей, приводящие к снижению их массогабаритных показателей.

2. Полученные выражения для энергетических функций сглаживающих фильтров ИПН, определяющих реактивную энергию, массу и габаритные характеристики СФ. Доказательство того, что энергетические функции СФ определяются передаточными входными функциями и групповым временем задержки и не зависят от структуры фильтра.

3. Эффективные методы анализа энергетических характеристик и минимизации реактивной энергии, а следовательно, массы и габаритов сглаживающих LC-фильтров.

4. Доказанные положения, что при заданных требованиях к затуханию СФ при минимуме массогабаритных показателей требуется примерно один и тот же порядок равнозвеных или классических фильтров Баттерворта, Чебыше-ва, Золотарева-Кауэра. При этом массогабаритные показатели фильтров Золо-тарева-Кауэра в два раза лучше, чем у полиномиальных фильтров (фильтров Баттерворта, Чебышева) или у равнозвенных фильтров.

5. Развитие теории и полученные методом усреднения и линеаризации передаточные функции коэффициента усиления разомкнутой петли ООС ИПН постоянного напряжения понижающего типа с однозвенным и двухзвенным LC-фильтром и повышающего типа с емкостным и П-образным CLCфильтром с многоконтурными ООС. Полученные передаточные функции ИПН, позволяют определить коэффициент стабилизации выходного напряжения, запас устойчивости по амплитуде и фазе, полосу частот АЧХ, обеспечивающую подавление НЧ пульсаций за счет ООС, входное и выходное сопротивления.

6. Доказанное положение, что для существенного увеличения коэффициента стабилизации и запаса устойчивости по фазе и амплитуде для ИПН понижающего типа с однозвенным СФ следует использовать два контура ОС по выходному напряжению и току конденсатора. При этом обеспечивается существенное увеличение запаса устойчивости по фазе до Дф = 60° при Ru = /?ном и до Аф = 30° при RH = Rxx для фильтра Баттерворта при стабилизации выходного напряжения 60 -г 70 дБ и Аф = 70° при Ru = /?ном и Аф = 47° -при /?н = -^хх Для фильтра Чебышева. При одноконтурной ОС по выходному напряжению запас устойчивости при номинальной нагрузке /?н = -Яном не превышает 20°, а в режиме холостого хода i? H = Rxx — Аф < 10°.

7. Рассмотренный с использованием импульсных моделей и замкнутого контура точный метод расчета частотных характеристик петлевого усиления ООС ИПН с ШИМ и проведенные исследования погрешности расчета частотных характеристик петлевого усиления с использованием метода усреднения и линеаризации, позволяющие определить реальные запасы устойчивости по амплитуде и фазе, коэффициент стабилизации, полосу частот АЧХ и повысить точность синтеза цепей ООС и выходного фильтра ИПН, являющихся дискретно-нелинейными устройствами, при замене их эквивалентными линейными системами.

8. Полученный результат, что по совокупности динамических и статических характеристик, устойчивости работы, массогабаритным показателям предпочтение следует отдать ИПН с однозвенным чебышевским фильтром и двухконтурной ОС по выходному напряжению и току конденсатора фильтра. Найденная структура ООС и параметры выходного сглаживающего фильтра ИПН, при которых величина перерегулирования по напряжению на всех элементах не превышает 2% при всех режимах работы.

9. Показанная возможность увеличения коэффициента стабилизации свыше 40 дБ при запасе устойчивости по фазе больше 60° для ИПН повышающего типа, передаточная функция петлевого усиления ООС которого содержит неминимально-фазовое звено, при использовании инерционного звена коррекции в контуре ОС по выходному напряжению. Без найденных цепей коррекции коэффициент стабилизации не достигает и 25 дБ.

10. Проведенные исследования инвертора промышленной частоты и предложенная методика расчета выходного фильтра, которые позволили не только получить коэффициент гармоник выходного напряжения (Кг < 2%) в режиме холостого хода, но и на порядок снизить индуктивность дросселя и емкость конденсатора выходного фильтра по сравнению с выходными фильтрами известных в литературе аналогов.

11. Рассмотренный принцип построения и разработанный инвертор промышленной частоты, использующий аналого-дискретный режим усиления, в котором устранены недостатки, свойственные инверторам, использующим режим класса D (наличие высокочастотных ЭМП, сглаживающего реактивного фильтра и т. д.).

12. Проведенные исследования различных принципов построения и алгоритмов управления, а также различных структур активных и пассивных корректоров коэффициента мощности. Проведенные исследования коэффициента мощности Км позволили определить оптимальные значения постоянной времени Тц = С1/?н и характеристическое сопротивление р активного ККМ, при которых Км = 1, Кг = 2%. Доказанные положения, что для активного ККМ характер изменения и значения Км, Кг, cosq) при работе на резистивную нагрузку и на ИСН практически одинаковы. Найденная структура пассивного ККМ, обеспечивающая Км, удовлетворяющий ГОСТ. Найденные условия возникновения нерабочих режимов в активных и пассивных ККМ и методы их устранения.

13. Проведенные исследования устойчивости децентрализованной (распределенной) системы питания на основе ИПН с ШИМ с использованием частотных характеристик комплексного выходного сопротивления «ведущего».

ИПН (генератор) и комплексного входного сопротивления «ведомых» ИПН (потребители).

14. Предложенные принципы построения и разработанные устройства дистанционного питания, осуществляющие передачу электрической энергии на десятки километров по медным двухпроводным линиям или коаксиальным кабелям с КПД выше 90%.

15. Разработанный отечественный измеритель частотных характеристик, позволяющий измерять частотные характеристики петлевого усиления замкнутого контура ООС ИПН, проходные характеристики, входное и выходное сопротивления преобразователей постоянного напряжения понижающего и повышающего типов, преобразователей переменного напряжения с учетом реальных паразитных связейпотерь в дросселях и конденсаторах СФ, транзисторах и диодахинерционности транзисторов, диодов, компараторов в схеме управления и т. д., которые трудно учесть при теоретическом исследовании.

Теоретическая значимость работы. Диссертационная работа является логическим продолжением комплекса исследований по развитию и совершенствованию теории энергетических функций, заложенных в трудах советских и зарубежных ученых: Белецкого А. Ф., Дмитрикова В. Ф., Сергеева В. В, Пен-фильда П. и др.- теории синтеза сглаживающих реактивных фильтров ИПН с минимальной реактивной энергией, минимальными массой и габаритами — в трудах Малышкова Г. М., Гольдштейна Е. И., Болдырева В. Г., Федорова К. А., Сергеева В. В. и др.- теории импульсных преобразователей напряжения с ШИМ, сводящихся к дискретно-нелинейным системам — в трудах Цыпкина ЯЗ., Бес-секерского В.А., Попова Е. П., Дмитрикова В. Ф., Белова Г. А., Лукина А. В., Ши-пилло В.П., Кузьмина С. А., Мелешина В. И., Коржавина О. А., Middlebrook R.D., Ridly R.D., Lee F.C., Mitchell D.M. и многих других.

Практическая ценность работы. Проведенные теоретические исследования послужили основой для разработки инженерных методов анализа и синтеза реактивных фильтров, которые обеспечивают минимизацию массы, габаритов, потерь энергии и направлены на решение проблем по созданию энергои ресурсосберегающих методов фильтрации гармонических составляющих сети и тактовой частоты преобразования энергии в преобразователях постоянного и переменного напряжения.

Проведенные исследования принципов реализации многоконтурных ООС, корректирующих устройств в цепях ООСиспользования различных типов СФ в преобразователях повышающего и понижающего типов постоянного напряжения, преобразователях переменного напряжения промышленной частоты, использующих режим класса D или аналого-дискретный режим усиленияпринципов построения устройств дистанционного питания, а также систем распределенного (децентрализованного) электропитания и полученные результаты их исследований позволяют выбрать тип ИПН, структуру ООС, тип фильтра и т. д. в зависимости от технических требований на стабильность выходных параметров, величину пульсаций, запасы устойчивости по амплитуде и фазе, ЭМС, величину перерегулирования, длительность установления, коэффициент мощности, коэффициент гармоник и т. д.

Найденные частотные зависимости входных и выходных сопротивлений позволяют предсказывать неустойчивость децентрализованной системы электропитания и открывают возможность её рационального проектирования.

Основные научные положения диссертации служат методической базой для создания новых учебных курсов радиотехнического профиля, а также для дипломного проектирования и аспирантских исследований на кафедре ТЭЦ СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича.

Внедрение результатов диссертационной работы. Теоретические и практические результаты диссертации использовались в научно-исследовательских работах, проводимых на кафедре ТЭЦ СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича по программе фундаментальных исследований шифр «Аспект» с Минсвязи РФ, по гранту СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича «Разработка программно-аппаратного комплекса для автоматизированного измерителя частотных характеристик нелинейных импульсных преобразователей и систем электропитания, включающих цепи с распределенными параметрами для модернизации учебно-лабораторной базы кафедр ТЭЦ и «Линии связи», по хоздоговорам с ОАО «Газпром», ФГУП «НПО «Аврора», ФГУП «ЦНИИ «Морфизприбор», ФГУП «НТЦ «Радиосвязь, радиовещание и телевидение» и др.

Предложенное и разработанное устройство снижения коммутационных потерь в транзисторах ИПН с ШИМ, синтез сглаживающих фильтров с минимальными массогабаритными характеристиками, результаты исследований устойчивости работы ИПН, результаты исследований методов улучшения динамических характеристик внедрены в преобразователе постоянного напряжения 60 В в постоянное напряжение 48 В для телефонной станции «Коралл" — в преобразователе AC/DC, преобразующим переменное напряжение 220 В, 50 Гц в постоянное напряжение 48 В, ток 22 А для станции катодной защиты аппаратуры связи от электрохимической коррозиив устройстве по размагничиванию газонефтепродуктопроводов «КП-1420», преобразующем напряжение трехфазной сети 380 В, 50 Гц в напряжение, изменяющееся от 0 до 100 В с выходной мощностью 10 кВт.

Результаты исследований устойчивости и методов улучшения динамических характеристик внедрены в преобразователях переменного напряжения в постоянное AC/DC мощностью 300 Вт с выпрямленным входным напряжением 500 В, выходными напряжениями 28 В, 350 Вв преобразователе DC/DC постоянного напряжения 175−350 В в постоянное 28 В, 350 В мощностью 300 Вт и 500 Вт. Результаты снижения коэффициента гармоник внедрены в инверторе напряжения промышленной частоты мощностью 300 Вт. При этом инвертор работает в распределенной системе, где ведущий источник — преобразователь AC/DC, а ведомый источник — инвертор.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы обсуждались на научных семинарах кафедры ТЭЦ СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича и кафедры ТОЭ СПбГТУ, в 18-и докладах на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, а также на 2-й, 3-й, 4-й, 5-й и 6-й Всероссийских конференциях «Состояние и перспективы развития энергетики связи», научно-технической конференции «Состояние, результаты и перспективы развития генераторных устройств гидроакустических средств», СПб, 2006 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 43 печатные работы, в том числе 1 монография «Повышение эффективности преобразовательных и радиотехнических устройств» издательство «Радио и связь», М., 2005 г., 423 стр.- 33 статьи, из них 30 статей опубликовано в научно-технических журналах, включенных ВАК РФ в перечень изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора наук- 8 докладов на конференцияходин патент РФ.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, восьми глав, заключения, приложения и списка литературы, включающего 213 наименований. Диссертация содержит 197 страниц текста, 191 рисунок и 47 таблиц.

8.6. Выводы.

Экспериментальные исследования ИПН (AC/DC и DC/DC), работающего на инвертор промышленной частоты, подтвердили: справедливость полученных теоретических исследований устойчивости работы ИПН как нелинейного устройства с отрицательной обратной связью, стабильности выходных характеристик и результаты исследований динамических характеристик.

Экспериментальные исследования инвертора промышленной частоты (DC/AC) подтвердили: справедливость теоретических расчетов коэффициента гармоник выходного напряжения при работе инвертора на комплексную линейную, нелинейную (выпрямитель с емкостным фильтром) нагрузки и в режиме холостого хода и расчета сглаживающего LC-фильтра.

Проведенные экспериментальные исследования подтверждают правильность основных теоретических положений об устойчивости системы, включающей ведущий преобразователь (AC/DC и DC/DC) и ведомый ИПН (инвертор).

Создание транзисторных импульсных источников питания, в которых в качестве звена высокой частоты используется исследованный ИПН с ШИМ с предложенными пассивными демпфирующими цепями [46], с найденной структурой и параметрами сглаживающих фильтров и контуров обратной связи, их сравнение с отечественными разработками подтвердило перспективность использования таких ИПН.

Разработанное мощное малогабаритное устройство по размагничиванию магистральных нефтегазопроводов на основе двухканальных однотактных преобразователей позволяет обеспечить регулирование выходного тока в 200 раз от 100 А до 0,5 А, а выходной мощности — в 40 000 раз и тем самым обеспечить размагничивание стыков и торцов трубопроводов в автоматическом режиме.

Разработанный автоматизированный измеритель частотных характеристик позволяет проводить комплексное тестирование импульсных устройств и систем питания, мощных усилителей, следящих систем и другой радиоэлектронной аппаратуры, использующей принцип отрицательной обратной связи.

Работа прибора полностью автоматизирована и основана на введении (инжекции) достаточно малого возмущающего воздействия в нормально функционирующее устройство и последующем анализе реакции на данное возмущение. Эффективные алгоритмы цифровой обработки, заложенные в прибор, позволяют с высокой степенью точности производить обработку сложной (негармонической) реакции и оперативно получать интересующие частотные характеристики в широком диапазоне частот.

Измеренные с помощью разработанного ИЧХ частотные зависимости модуля и фазы петлевого усиления преобразователя при подключении произвольной комплексной нагрузки позволяют с высокой степенью достоверности определять реальные запасы устойчивости, т. е. надежность преобразователя.

П. 5.

Заключение

.

Проведенное исследование позволяет сделать следующие выводы:

Влияние нелинейных свойств ШИМ на устойчивость преобразователя понижающего типа можно учесть, заменив блок ШИМ и силовой транзисторный ключ линейным усилителем с постоянным частотно-независимым коэффициентом усиления и фазовым звеном, создающим задержку усиливаемого сигнала на время Т0/2, равное половине периода тактовой частоты со0.

Предложенные эквивалентные частотные характеристики функции петлевого усиления позволяют определить устойчивость данного преобразователя при помощи частотных критериев устойчивости активных линейных цепей. При этом синтез корректирующих цепей, максимизирующих глубину ООС в требуемой полосе усиливаемых частот, становится возможным на основе применения теорем Боде о связи вещественной и мнимой составляющих функции линейной цепи.

Максимально возможная глубина ООС Лотах в преобразователе понижающего типа всегда ограничена и определяется найденной в данной работе функцией (П. 19) и зависит от отношения частоты среза корректирующей цепи й) ср к тактовой частоте ШИМ со0.

Сформулированные в работе требования к АЧХ и ФЧХ идеализированной цепи коррекции и найденная зависимость (П. 19) представляют собой исходные данные для синтеза реальных корректирующих цепей, обеспечивающих с требуемыми запасами предельно глубокую устойчивую обратную связь в рабочей полосе частот преобразователя.