Введение к работе
Актуальность темы. Неотъемлемой частью любой радиоэлектронной аппратуры является источник вторичного электропитания С ИВЭП). Его характеристики во многих случаях определяют показатели аппаратуры и ее работоспособность. К сохалению, приходится констатировать тот факт, что доля ИВЭП в обшем объеме аппаратуры, еа массе и ненадежности достаточно велика. Кроме того, производство ИВЭП является одним из самых нетехнологичных и слабо поддающихся автоматизации.
Основний направлением развития и совершенствования ИВЭП является их миниатюризация и децентрализация. При этой, напряжения с требуемыми параметрами и качеством формируются в непосредственной близости от потребителя электроэнергии в аппаратуре. 8 условиях жестких требований к массо-габаритным характеристикам, технологичности, КПД практически единственным устройством, способным удовлетворить все эти требования, является высокочастотный преобразователь постоянного напряжения (ППН).
Вместе с тем, использование ППН не всегда приводит к ожидаемому улучшению характеристик. Это связано с недостатками, присущими импульсным системам преобразования энергии, а именно: высоким уровнем создаваемых радиопомех, их сложностью и напряженным режимом работы полупроводниковых приборов. Указанные обстоятельства осложняются тем, что процессы, происходящие в ППН, недостаточно изучены. Кроме того, существующие базовые схемы регуляторов практически исчерпали свои возможности. Устранение недостатков ППН возможно на пути их схемотехнического совершенствования и повышения рабочей частоты. Однако, до сих пор отсутствует единый системный подход к этону вопросу, не сформулированы основные требования, предъявляемые к схеме ППН.
Основополагающее влияние на характеристики ППН оказывают такие их составные части, как магнитные элементы (МЭ) и цепи фильтрации. Традиционное выполнение ИЭ не всегда соответствует требованиям, предъявляемым к ним в ППН. Пути улучшения характеристик МЗ, расчета их параметров и специфики применения при работе в ППН исследованы недостаточно полно. Недостаточно исследованы и вопросы снижения влияния паразитных паракетров этих
компонентов на работу всего устройства.
Выполнение цепей фильтрации на основе обычных LC-фильтров противоречит требованию миниатюризации и исчерпало свои возмохности. Вместе с тем, вопросам разработки новых технических решений фильтров ППН не уделяется достаточного внимания, , отсутствуют методики расчета перспективных схемотехнических ! решений, недостаточно проанализированы их характеристики.
При разработке ППН необходимо решать вопросы, связанные с обеспечением устойчивости замкнутой системы. Это осложняется тем, что ППН в обшей случае относится к классу нелинейных импульсных систем с переменной структурой. Методы исследования таких систем, особенно в случае высокого порядка силовой части, разработаны недостаточно.
Исследования по диссертационной работе выполнялись в рамках научно-исследовательской работы 'Разработка и исследование макетных образцов унифицированных ИВЗП в модульном исполнении для бортовой аппаратуры и перспективных методов их построения" ff20448?00 Ctf ГР 0187003/562) на кафедре Промышленной злетроники МЭИ.
Яель диссертационной работы - разработка и исследование высокочастотных ИВЭП с улучшенными характеристиками на основе системного подхода при формулировке предъявляемых к ППН требований с последующим удовлетворением этих требований схемотехническим путем, исследование характеристик предложенных решений, развитие методов их анализа и внедрение результатов в промышленность.
Поставленная цель достигается решением следующих задач: обзор и выбор наиболее перспективних методов построения высокочастотных ППН и их составных частей,- формулировка требований, предьявляемых к высокочастотным ППН; разработка схемотехнических решений силовой части ППН. удовлетворяющих перечисленным требованиям; анализ основных характеристик разработанного высокочастотного ППН: схемотехническое совершенствование функциональных узлов силовой и несиловой части; исследование путей улучшения характеристик магнитных элементов (МЗ); разработка методов расчета Ю с улучшенными характеристиками; разработка методов снижения влияния паразитных параметров МЗ на работу ППН; разработка цепей фильтрации с улучшенными показателями; исследование характеристик
перспективных цепей фильтрации; разработка методик расчета цепей фильтрации; разработка модифицированного метода усреднения в пространстве состояний и его применение для анализа схем ППН; разработка схем и опытных образцов высокочастотных ИВЗП с улучшенными характеристиками.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались: аналитические методы, принятые в электротехнике и теории электрических цепей; методы теории автоматического регулирования и управления; вычислительная техника и пакеты прикладных программ математического анализа и схемотехнического моделирования; экспериментальная проверка в необходимых случаях полученных выражения и допущений; метод усредненного пространства состояний как объект модификации.
Научная новизна результатов работы состоит в следующем:
сформулирован базис схемотехнических требований, на основании
которого разработана схема высокочастотного однотактного ППН;
получены аналитические выражения, характеризующие работу
магнитно-связанного ППН нового типа в режимах непрерывного СНТЭ и
прерывистого СГГО токов. Показано, что в режиме ПТ данный ППН
ведет себя как идеализированный источник тока; на основании
рассмотрения режимов работы МЗ установлено, что их характеристики
значительно зависят от конфигурации немагнитного зазора и катушки;
предложены новые конфигурации немагнитного зазора МЭ и его
катушки, обеспечивающие улучшение статических и динамических
характеристик, уменьшение внешних магнитных полей и обеспечивающие
режим НТ в широком диапазоне изменения тока; установлена
неминимально-фазовость схем магнитно-связанных фильтров;
разработан новый тип магнитно-связанных фильтров, позволяющий
обеспечить работу на источник тока и исключить влияние паразитных
сопротивлений конденсаторов на величину пульсаций выходного
напряжения; проведен анализ передаточных характеристик
магнитно-связанных фильтров, установивший. что их
амплитудно-частотная характеристика имеет наклон 80 Дб/дек с наличием достаточно широкой полосы частот полного подавления пульсаций; установлено, что гармонический состав переменных состояния при внешнем воздействии содержит составляющие, соответствутаие сигналу с амплитудной модуляцией, и составляющую
самого воздействия; установлено, что малосигнальные характеристики регуляторов первого и второго типов содержат передаточную функцию
—T S
вила е э , гдз Тэ зависит от типа характеристики и вида модуляции.
Практическая ценность работы определяется тем, что в ней: предложен магнитно-связанный ППН нового типа и разработана методика его расчета; разработан способ обеспечения режима НТ магнитных элементов ППН и даны рекомендации по его реализации; разработаны эффективные схемотехнические решения функциональных узлов силовой и несиловой частей ППН; разработаны методики расчета МЭ, работающих с постоянной составлявшей тока намагничивания, с новыми конфигурациями немагнитного зазора и катушки; разработан метод снижения влияния индуктивностей рассеяния на работу ППН; получены уточненные соотношения, позволяющие выбрать параметры компонентов магнитно-связанных фильтров с целью максимального подавления пульсаций; предложены новые схемотехнические решения магнитно-связанных фильтров; разработана методика применения модифицированного метода усреднения в пространстве состояний,-приведены уточненные малосигнальные передаточные характеристики регуляторов первого и второго типов.
Основные положения, выносимые на защиту; базис основных
требований, предьявляемых к высокочастотным ППН; топология перспективного высокочастотного ППН; конфигурация немагнитного зазора МЗ; конфигурация катушки МЭ; методики расчета МЭ с предложенной конфигурацией немагнитного зазора и катушки; топология емкостного магнитно-связанного фильтра; методики расчета индуктивных и емкостных магнитно-связанных фильтров; модифицированный метод усреднения в пространстве состояний дл; анализа ППН с высоким порядком силовой части.
Реализация результатов работы в промышленности. Результаті
работы нашли практическое применение в образцах новой техники нг
ряде предприятия гг.Калуги и Москвы, что отражено в актах с
внедрении о суммарным полученным экономическим эффекте»
400 тыс.руб.С доля соискателя 134 тыс.руб.). Ожидаемы!
экономический эффект от внедрения в 1991-1932 гг. новых разработої составляет около 500 тыс.руб.
Экономическая эффективность обусловлена применение!
перспективных схемотехнических решении, что привело к снихению материалоемкости, трудоемкости, себестоимости и повысило технологичность изделии. Использование разработанных ИЮП значительно улучшает характеристики всего комплекса аппаратуры. Разработанные методики расчета и полученные в работе соотношения значительно сокращают время проектирования новых Ш'М. Модифицированный метод усреднения в пространстве состоянии позволяет эффективно анализировать схемы ППІЇ с высоким порядком силовой части, что такхе сокрашает время разработки новых устройств.
Апробация работы, Основные полоїєния диссертационной работы докладывались и обсугдались на: Научно-технической конференции молодых специалистов С г.Москва, 1986г.); Научно-технической конференции 'Перспективы развития оконечной телеграфном аппаратуры* Сг.Калуга, 1986г.); Научно-технической конференции молодых специалистов С г.Ленинград, .1987т-.); Научно-технической конференции "Перспективы развития оконечной телеграфной аппаратуры" Сг.Калуга, 1987г.); Всесоюзном научно-техническом семинаре "Опыт разработки, внедрения в аппаратуру и освоения в серийном производстве унифицированных источников вторичного электропитания импульсного типа" С г.Севастополь, 198?г.); Всесоюзном научно-техническом семинаре "Высокоэффективные источники и системы вторичного электропитания РЭА" (г.Москва, 1989г.);
Публикации, Материалы диссертации опубликованы в 19 печатных работах, в их числе 9 авторских свидетельств на изобретения.
Работа "Источник питания телеграфного аппарата" отмечена третьей премией на республиканском конкурсе НТО РЭС им.А.С. Попова в 1986г.
Обьен и структура работы. Диссертационная работа состоит га введения, пяти глав и заключения, изложенных на 194 страницах машинописного текста и иллюстрированных 57* рисунками и 6 таблицами, списка литературы, вклочающего 9? наименовании на ю' страницах, приложении на 29 страницах. Обший обьем работы составляет 233 страницы.
