Содержание к диссертации
Введение
1. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОБЛЕМ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ
МОЩНЫХ ИСН С ПИТАНИЕМ ОТ ПРОМЫШЛЕННЖ СЕТЕЙ 10
1.1. Область применения ИСН и связанные с ней задачи 10
1.2. Выводы 21
2. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ВАРИАНТОВ СТРУКТУРЫ СИЛОВОЙ ЧАСТИ
ИСН ПО УДЕЛЬНЫМ ОБЪЕМНЫМ ПОКАЗАТЕЛЯМ 23
2.1. Постановка задачи 23
2.2. Объемные характеристики входного фильтра . 29
2.2.1. Требования к входным фильтрам . 29
2.2.2. Ограничения на параметры входного фильтра , . 30
2.2.3. Объемные характеристики фильтра 40
2.3. Объемные характеристики ИСН первого и второго типов 51
2.4. Объемные характеристики ИСН с разделительным конденсатором и магнитосвязанными дросселями . 60
2.4.1. Оценка пульсаций входного тока 60
2.4.2. Объемные характеристики элементов ИСН . 74
2.5. Сравнительная оценка вариантов структуры ИСН . 78
2.6. Выводы 83
3. ИМПУЛЬСНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО СОЕДИНЕНИЯ ТРАНЗИСТОРОВ 85
3.1. Способ последовательного соединения транзисторов в ИРН и основные энергетические соотношения 85
3.2. Способы построения вспомогательных источников пита-
3.3. Особенности электромагнитных процессов и выбор параметров вспомогательных цепей в ИРН с последовательным соединением транзисторов 104
3.4. Устройства управления транзисторами в ИРН с последовательным соединением транзисторов 130
3.5. Устранение выбросов выходного напряжения в ИСН с последовательным соединением транзисторов 136
3.6. Выводы 141
4. ПРИМЕР ПРАКТИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ИСН МОЩНОСТЬЮ 6 КВТ С ПИТАНИЕМ ОТ СЕТИ 380 В 143
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 151
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 154
ПРИЛОЖЕНИЕ I. МАТЕРИАЛЫ ПО ВНЕДРЕНИЮ 166
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ПАРАЗИТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ НЕКОТОРЫХ ТИПОВ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИХ КОНДЕНСАТОРОВ 169
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. ВЫПОЛНЕНИЕ УСЛОВИЯ ПОДАВЛЕНИЯ ПУЛЬСАЦИЙ ВХОДНОГО ТОКА В ПРЕДЛОЖЕННОЙ КОНСТРУКЦИИ ДРОССЕЛЕЙ 171
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕНТОВ ИСН РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ПРИ СРАВНИТЕЛЬНОЙ ОЦЕНКЕ 172
- Область применения ИСН и связанные с ней задачи
- Объемные характеристики входного фильтра
- Способ последовательного соединения транзисторов в ИРН и основные энергетические соотношения
class1 ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОБЛЕМ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ
МОЩНЫХ ИСН С ПИТАНИЕМ ОТ ПРОМЫШЛЕННЖ СЕТЕЙ class1
Область применения ИСН и связанные с ней задачи
Основное назначение рассматриваемых ИСН - работа в преобразователях переменного напряжения сети 380 В в стабилизированное постоянное. Построение мощных преобразователей такого типа в большинстве случаев целесообразно по структурной схеме "выпрямитель транзисторный импульсный стабилизатор напря-жения-преобразователь постоянного напряжения с нерегулируемым инвертором" [22,62,63]. Такая структура практически равноценна с другими вариантами, основанными на использовании регулируемых инверторов по КЕЩ [бб] и имеет ряд достоинств. В стабилизированном преобразователе постоянного напряжения с регулируемым транзисторным инвертором расчетная мощность ключей и максимальное напряжение на вторичной обмотке выходного трансформатора в l/Kj. раз больше, чем в преобразователе с нерегулируемым инвертором относительная длительность открытого состояния транзисторов; Ці мин » Ці.макс минимальное и максимальное значение входного напряжения преобразователя). С уменьшением К% заметно возрастают масса и габариты регулируемого преобразователя, а при высоковольтном выходе затрудняется конструирование выходного трансформатора и высоковольтного выпрямителя. Разделение функций, выполняемых преобразователем (регулирование и преобразование величины выходного напряжения, распределение электрической энергии между потребителями при нескольких выходах, гальваническая развязка входа и выхода), между двумя сравни -II тельно простыми силовыми блоками (ИСН и нерегулируемый преобразователь) позволяет улучшить характеристики всего преобразователя.
Дополнительным достоинством структуры, особенно при использовании ее в мощных устройствах (единицы киловатт и более) с питанием от промышленных сетей, является то, что в нерегулируемом преобразователе постоянного напряжения можно применить тиристорный резонансный инвертор [8,15] . Такое построение повышает надежность всего преобразователя, поскольку инвертор получается проще, без параллельного или последовательного соединения полупроводниковых приборов, которое необходимо в случае использования транзисторов. Кроме того, преобразователь в целом имеет наименьшее число высоковольтных транзисторных ключей, рассчитанных на полное напряжение питания, что также увеличивает надежность, так как высоковольтные транзисторные ключи чаще других элементов преобразователей выходят из строя.
Наиболее общие технические требования к ИСН, как элементу преобразователя переменного напряжения в стабилизированное постоянное, заключаются в обеспечении заданных параметров электроэнергии (напряжение, мощность, пульсации напряжения) на входе и выходе ИСН при удовлетворении требований по КПД, надежности, стоимости и т.п. Заметим, что пульсации выходного напряжения ИСН обычно ограничиваются менее жестко, чем высокочастотные пульсации напряжения сети. Это связано с тем, что после ИСН следует преобразователь постоянного напряжения с выходным фильтром, который осуществляет окончательное сглаживание выходного напряжения преобразователя. Практически максимально допустимые пульсации на выходе ИСН определяются допустимым значением переменной составляющей напряжения на конденсаторах, примененных в фильтре ИСН. Уровень высших гармоник напряжения в сети (под высшими здесь и далее понимаются гармоники частоты переключения в ИСН) регламентируются на гораздо меньшем уровне, исходя из требований электромагнитной совместимости ИВЭП и другими радиоэлектронными устройствами, подключенными к той же сети. В качестве примера на рис.1.1 приведены европейские нормы допустимого уровня высших гармоник в сети UIN5787I/VDE087I для промышленного, научного и медицинского оборудования [103] Они охватывают диапазон частот 10...150 кГц, в котором находятся частоты переключения современных импульсных полупроводниковых преобразователей электроэнергии.
class2 СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ВАРИАНТОВ СТРУКТУРЫ СИЛОВОЙ ЧАСТИ
ИСН ПО УДЕЛЬНЫМ ОБЪЕМНЫМ ПОКАЗАТЕЛЯМ class2
Объемные характеристики входного фильтра
Входной фильтр выполняет две функции: уменьшает до требуемого уровня переменную составляющую тока, потребляемого ИСН от первичного источника питания и демпфирует кратковременные переходные процессы на выводах первичного источника питания, обусловленные разного рода переключениями.
Входной фильтр, в отличие от фильтра радиопомех, призван подавлять гармонические составляющие потребляемого тока в диапазоне от частоты переключения в ИСН до частот порядка нескольких сотен килогерц. Основным требованием ко входному фильтру является обеспечение заданного уровня этих гармонических составляющих. Выполнение входным фильтром функций подавления радиопомех в диапазоне от 0,15 мГц и выше в мощных преобразователях электроэнергии осуществить, как правило, не удается. Это связано с противоречием между специфическими требованиями [бі] к фильтрам радиопомех (такими, как малые паразитные параметры элементов) и значительной реактивной мощностью элементов входного фильтра с соответствующими повышенными геометрическими размерами и паразитными параметрами.
Входной фильтр вместе с подключенными к его выходу импульсным стабилизатором должен образовывать устойчивую динамическую систему. Потенциальная неустойчивость такой системы в некоторой области параметров ее элементов объясняется наличием отрицательного входного дифференциального сопротивления у импульсного стабилизатора и была отмечена впервые, по-видимому, в работе [106]. Указанная неустойчивость проявляется в виде автоколебаний напряжения на выходе фильтра (входе импульсного стабилизатора) с собственной частотой фильтра [106]. Амплитуда этих колебаний значительна и может достигать десятков процентов по отношению к среднему напряжению питания. Ясно, что в мощных транзисторных ИСН с повышенным напряжением питания (от сети 380 В) режим автоколебаний недопустим. В связи с этим в некоторых работах [104,105] накладываются ограничения на величину пиков амплитудно-частотной характеристики собственно входного фильтра. Такие ограничения недостаточно эффективны, поскольку импульсный стабилизатор, включенный на выходе фильтра и обладающий отрицательным дифференциальным сопротивлением, изменяет амплитудно-частотную характеристику. Более целесообразно требовать устойчивости переходных процессов в системе "входной фильтр импульсный стабилизатор".
Кроме перечисленных требований, для надежной работы конденсаторов фильтра необходимо, чтобы пульсации напряжения на них не превышали допустимую по ТУ.
class3 ИМПУЛЬСНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО СОЕДИНЕНИЯ ТРАНЗИСТОРОВ class3
Способ последовательного соединения транзисторов в ИРН и основные энергетические соотношения
В первой главе было отмечено, что наиболее эффективным способом снижения напряжения на транзисторах в ИРН является разделение питающего напряжения на ряд ступеней, каждая из которых включается с помощью самостоятельного полупроводникового ключа. Недостатком этого способа, существенно ограничивающим его применение, являются большие масса и объем секционированного источника питания.
В [9] была предложена схема ИЇН с последовательным соединением транзисторов, в которой обеспечивается точное деление напряжения между транзисторами, а дополнительные цепи не вызывают существенного ухудшения энергетических и массо-объемных показателей. Схема легко может быть видоизменена для случая п. последовательно соединенных транзисторов.
Рассмотрим сущность работы предложенной схемы на примере ИРН первого типа (рис.3.1) с тремя последовательно соединенными транзисторами. Для разделения напряжения питания УП между транзисторами TI...T3 используются вспомогательные источники питания 1/всп , соединенные последовательно, и поочередное запирание транзисторов. В общем случае необходимо иметь мигательных источников. Напряжение на выходе каждого вспомогательного источника должно быть равно У всп -1/п/іг.
Пример практической реализации ИСН мощностью 6 квт с питанием от сети 380 в
На рис. 4.1 приведена упрощенная схема ИСН на основе импульсного регулятора второго типа мощностью 6 кВт, разработанного автором на основе результатов, полученных в предыдущих главах. ИСН предназначен для работы в преобразователе переменного напряжения 380 В в стабилизированное постоянное. На схеме показана силовая часть ИСН, выходные каскады устройства управления силовыми транзисторами, узел для одновременного включения и поочередного выключения силовых транзисторов, выполненные по новым схемам. Остальные узлы, схемы которых общеизвестны и в значительной степени установились(цепи формирования безопасной траектории переключения силовых транзисторов, цепи защиты, включения, обратной связи и т.п.) показаны упрощенно, либо опущены.
Силовая часть ИСН содержит, трехфазный мостовой выпрямитель ВІ, входной П-образный фильтр LI, СІ, С2, импульсный регулятор постоянного напряжения второго типа на транзисторах ТІ...ТЗ, соединенных последовательно. На выходе ИШ включен нерегулируемый преобразователь напряжения НППН.
Управляющая часть ИСН содержит широтно-импульсный модулятор ШИМ, узел поочередного выключения, выполненный на ТТЛ микросхемах Uf..,D3 и выходные каскады устройства управления на транзисторах T5...TI0.
Выбор ИШ второго типа был произведен на основе исследований во второй главе. Применение ИШ второго типа в преобразователе кроме высоких удельных показателей дает дополнительные преимущества, связанные с реализацией вспомогательных источников питания. Поскольку в данной схеме напряжение, приклады
