Содержание к диссертации
Введение. 3
Глава I. Однофазные выпрямители с ККМ. 8
Вступление. 8
Современные системы вторичного электропитания. 8
Классификация однофазных корректоров коэффициента мощности. 16
Пассивные ККМ. 17
Низкочастотные активные ККМ. 20
Высокочастотные активные ККМ. 22
Реализация алгоритма управления высокочастотным выпрямителем с КМ. 33
Моделирование выпрямителей с ККМ. 39
Выводы по главе I. 53
Глава П. Уменьшение динамических потерь в однофазном корректоре коэффициента мощности. 54
Вступление. 54
Уменьшение потерь на переключение ограничением тока включения ключа. 54
Уменьшение потерь на переключение при переключении при нуле напряжения. 63
Квазиодноступенчатый выпрямитель с корректором коэффициента мощности и мягким переключением на всех ключах. 72
Выводы по главе II. 83
Глава III. Применение цифровых средств управления корректорами мощности. 84
Вступление. 84
Основные структуры цифрового управления. 84
Формирование цифрового алгоритма управления. 92
Анализ повышающего преобразователя как импульсной системы автоматического управления. Моделирование и реализация цифрового управления корректором коэффициента мощности. 104
Выводы по главе III. 119
Глава IV. Проектирование однофазного корректора коэффициента мощности. 120
Вступление. 120
Основные этапы разработки однофазного корректора коэффициента мощности. 120
Силовой дроссель. 128
Выводы по главе IV. 142
Заключение. 143
Список литературы. 145
Условные обозначения. 151
Введение к работе
Актуальность темы. Современная концепция развития устройств электроснабжения - блочно-модульный принцип построения систем, на котором • основываются современные распределённые системы вторичного электропитания.
Реализация постоянно возрастающих требований к качеству электроэнергии происходит при строгих ограничениях на устройства; преобразования электроэнергии. Одно из возрастающих требований к качеству электроэнергии - качество потребляемого тока.
Повышение требований к коэффициенту мощности и форме потребляемого тока вызваны несколькими причинами. Основная причина -это обеспечение требований пожаробезопасности, так как существенно нелинейный характер тока потребления приводит к увеличению тока в нейтральном проводе.
Международная электротехническая комиссия (МЭК) и Европейская организация по стандартизации в электротехнике (CENELEC) приняли; стандарты ІЕС555 и EN60555, устанавливающие ограничения на содержание гармоник во входном токе вторичных: источников электропитания ш других: устройствах.
Один из эффективных способов решения этой задачи - применение корректоров коэффициента мощности (ККМ). На практике это означает, что во входную цепь практически любого импульсного преобразователя? необходимо включать специальное устройство, обеспечивающее снижение или полное подавление гармоник тока. Основной стандарт для разработки источников питания с коррекцией коэффициента мощности EN61000-3-2 устанавливает пределы интенсивности гармонических составляющих потребляемого тока со второй по сороковую гармоники. Это ограничение распространяется на все устройства свыше 75 Вт, питающиеся от общей электросети, и использующееся в бытовой аппаратуре. Начиная с января 2001 г, оно обязательно и для коммерческого оборудования. Типовые значения коэффициента мощности: 1 -идеальное значение; 0,95 - хороший показатель; 0,9 - удовлетворительный; 0,8 -плохой; 0,7 - компьютерное оборудование; 0,65 - двухполупериодный выпрямитель.
Прогресс в области разработки данного класса устройств базируется; в основном на развитии DC/DC преобразователей, так как они являются основой высокочастотных ККМ. При этом мало внимания уделяется особенностям ККОД таким как отличные от DC/DC преобразователей условия работы реактивных элементов, более тяжёлые условия для уменьшения динамических потерь в; полупроводниковых приборах. Так же очевиден пробел в развитии алгоритмов управления ККМ. С появлением в- 90-х годах прошлого века специализированных ШИМ - контроллеров управления ККМ, основанных на принципе перемножения дальнейшее развитие этого направления остановилось, несмотря на недостатки существующих ШИМ - контроллеров. Кроме того, быстрое развитие цифровых принципов управления и появления требований большей интеграции систем электропитания как внутри себя, так и с внешними цифровыми устройствами требует рассмотрения возможности управления ККМ цифровыми методами. В то же время? вопросу анализа цифровых систем управления импульсными нелинейными устройствами с переменной структурой уделено мало внимания. Это обусловлено тем, что в последние годы; основным; методом: анализа импульсных устройств как систем автоматического управления является анализ на основе усреднённых моделей как наиболее простой, но достоверный только при определённых условиях.
Решение данных научно-практических проблем на основе применения более современной элементной базы, увеличения эффективности с помощью уменьшения динамических потерь, создания новых методов управления и разработки моделей для анализа и синтеза является актуальным на сегодняшний день.
Цель работы заключается в создании однофазного высокочастотного корректора коэффициента мощности для распределённых систем электропитания на основе теоретического анализа, моделирования и разработки новых алгоритмов управления.
Основные задачи, решаемые в работе для выполнения поставленной цели:
• Теоретические исследования корректора коэффициента мощности (ККМ) как линейной импульсной системы автоматического управления и разработка моделей для анализа и синтеза..
• Построение цифрового алгоритма управления ККМ на основе дискретных фильтров.
• Проведение сравнительной оценки различных вариантов построения выпрямителей с ККМ как с точки зрения этапов преобразования энергии, так и с точки зрения топологии используемых преобразователей.
• Теоретические и экспериментальные исследования увеличения эффективности ККМ на основе повышающего преобразователя с помощью различных способов уменьшения динамических потерь в силовых ключах.
• Теоретические и экспериментальные исследования возможности применения различных магнитных материалов для силового дросселя ККМ.
Методы исследований. Основаны на теоретических и практических вопросах построения импульсных источников вторичного электропитания и в первую очередь ККМ; глубоком анализе рынка современных полупроводниковых приборов, магнитных материалов и средств управления; ККМ; современных представлениях в теории управления импульсных систем и технических средствах микропроцессорной техники; экспериментальном исследовании ККМ.
Достоверность научных результатов. Достоверность научных результатов, изложенных в работе, обеспечена корректным применением математических методов, использованием различных способов решения одной и той же задачи, схемотехническим моделированием, а также экспериментальными исследованиями макетных образцов.
Научная новизна.
1. Проведена адаптация теоретического аппарата анализа дискретных систем для анализа ККМ как дискретной линейной системы с переменной структурой.
2. Созданы модели для анализа и синтеза ККМ при реализации цифрового управления такого класса устройств.
3. Предложен алгоритм управления однофазным ККМ на основе интегрирования по периоду коммутации. Разработаны модели для анализа ККМ с классическим и предложенным алгоритмом управления.
4. Разработан вьшрямитель с ККМ на основе квазиодноступенчатого преобразования энергии с переключением при нуле напряжения во всех звеньях.
Практическая ценность.
1. Разработанные модели ККМ для применения различных аналоговых алгоритмов управления позволяют проводить детальный анализ разрабатываемых ККМ.
2. Предложенная дискретная модель и цифровой алгоритм управления ККМ дают возможность реализовать большую интеграцию ККМ в составе выпрямителя и получить более универсальную СУ по сравнению с классической СУ.
3. Рассмотренные методы уменьшения динамических потерь позволяют получить максимальную эффективность ККМ как импульсного устройства.
4. Разработанный квазиодноступенчатый вьшрямитель обеспечивает минимальные динамические потери по сравнению с двухступенчатым преобразованием энергии.
5. Предложенный алгоритм выбора сердечника позволяет получить большую сходимость расчётных данных с практикой.
На защиту выносится:
1. Математический аппарат анализа корректора коэффициента мощности как импульсной системы с переменной структурой.
2. Алгоритм цифрового управления корректором коэффициента мощности.
3. Алгоритм управления корректором коэффициента мощности с помощью интегрирования по периоду коммутации.
4. Усреднённые и мгновенные модели корректора коэффициента мощности для анализа и синтеза в среде PSpice с различными алгоритмами управления.
5. Квазиодноступенчатый выпрямитель с коррекцией мощности и переключением при нуле напряжения.
Апробация работы. По результатам диссертации опубликовано двенадцать статей. Основные положения работы докладывались на научных семинарах кафедры «Электрооборудование ЛА» МАИ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы, списка обозначений. Содержит 144 стр. основного текста, 72 рисунка. Список литературы содержит 71 наименований на 6 страницах.
