Реферат на тему:


Воспользуйтесь поиском к примеру Реферат        Грубый поиск Точный поиск






Загрузка...
НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ

Институт электродинамики

РЕВКО Анатолий Сергеевич

УДК 621.316.722.1

квазирезонансного импульсный преобразователь
ДЛЯ СИСТЕМ ТОЧНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА
ПОСТОЯННОГО ТОКА

Специальность 05.09.12 полупроводниковые преобразователи электроэнергии

АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Киев 2004

Актуальность темы исследования.

Работа выполнена на кафедре промышленной электроники Черниговского государственного технологического университета Министерства образования и науки Украины,. Чернигов.

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент
Денисов Юрий Александрович,
Черниговский государственный технологический университет (г.. & Nbsp Чернигов), доцент кафедры промышленной электроники.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Сенько Виталий Иванович,
Национальный технический университет Украины "КПИ" (г.. & Nbsp; Киев), профессор кафедры теоретической электротехники;

кандидат технических наук
Сидорец Владимир Николаевич,
Институт электросварки им. & Nbsp; Е. А. Патона НАН
Украина (г.. & Nbsp; Киев), старший научный сотрудник
отдела специализированной высоковольтной техники
и лазерной технологии.

Ведущая организация Национальный технический университет "Харьковский
политехнический институт "Министерства образования и науки
Украина, кафедра промышленной и биомедицинской
электроники., г. Харьков.

Защита состоится "27" октября 2004 о 1100 часов на заседании диссертационного совета Д 26.187.01 в Институте электродинамики НАН Украины по адресу: 03680, Киев 57, проспект Победы, 56, тел. 456-91-15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института электродинамики НАН Украины по вышеуказанному адресу.

Автореферат разослан "24" сентября 2004

Ученый секретарь диссертационного совета В. С Федий

Общая характеристика работы

Вступление. В последние десятилетия в стадии интенсивных исследований находятся ключевые схемы на основе квазирезонанса, переключение которых происходит в момент нулевого тока или при нулевой напряжения. Применение квазирезонансных ключей по сравнению с широтно-импульсными ключами повышает энергетические, динамические и удельные характеристики преобразователей, электромагнитную совместимость с питающей сетью. Работа квазирезонансных ключей на высокой частоте также способствует уменьшению пульсаций выходного тока или напряжения. Теория и практика квазирезонансных импульсных преобразователей со статической нагрузкой (R, RC, LCR) разработана относительно глубоко.

Что касается теории и практики квазирезонансных импульсных преобразователей с динамической нагрузкой, когда в качестве нагрузки используется, например, двигатель постоянного тока с противо-э.д.с якоря, которая может варьироваться в широких пределах, то они почти не разработаны. < / p>

Актуальность темы. Учитывая роль силовой электроники в энергообеспечении электронных устройств, связанные с обработкой, передачей и хранением информации, с управлением технологическими процессами i электроприводами и iнш., Специалисты постоянно отмечают необходимость повышения их технико-экономических характеристик: энергетических, удельных, ценовых, точностных.

Во многих электронных устройствах преобразователи для питания электродвигателей является звеном со значительным энергопотреблением. За последние годы произошло резкое расширение об объемов выпуска i улучшения качества силовых полупроводниковых приборов с высокими статическими и динамическими характеристиками, что позволяет создать новое поколение импульсных преобразователей электроэнергии для применения в различных системах электроприводов.

Реализация возможностей современной элементной базы с целью достижения предельных характеристик импульсных преобразователей для электропривода д связана сции скорости;

получило дальнейшее развитие исследования электромагнитной совместимости УКРОП-ПНC с сетью питания;

получены новые аналитические зависимости выходного сигнала системы управления укроп, оптимального по быстродействию.

Практическое значение полученных результатов:

доказано, что использование квазирезонансных преобразователей в качестве ключевых элементов источников питания для двигателей постоянного тока позволяет улучшить технико-экономические характеристики точных электроприводов и их электромагнитной совместимости с питающей сетью;

на основе принципа максимума Понтрягина для УКРОП-ПНС с ДПС разработана цифровая система управления с оптимизацией по быстродействию;

разработаны рекомендации по использованию УКРОП-ПНС в системах электроприводов постоянного тока;

теоретические результаты исследований использованы в качестве основы при создании эффективных реверсивных УКРОП-ПНС для питания ДПС, которые рекомендованы для использования в разработках совместного научно-производственного медицинского предприятия "Солинг" (г.. Киев) и в разработках ОАО "ЧеЗаРа" (г.. Чернигов)

теоретические и практические результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры промышленной электроники Черниговского государственного технологического университета.

Личный вклад соискателя. Научные положения и результаты, изложенные в диссертации, получены автором лично.

Работы [4], [5] написаны соискателем лично. В печатных работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателю принадлежит: в [1] экспериментальное исследование спектра тока, потребляемого из сети; в [2] расчет электромагнитных процессов в УКРОП-ПНС с ДПС, комп Компьютерное моделирование и экспериментальная проверка результатов расчета; в [3] расчет импульсных механических характеристик и пульсаций скорости ДПС с питанием от УКРОП, экспериментальная проверка результатов расчета на макете.

Апробация результатов диссертации. Основные положення, результаты и выводы диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях "Проблемы современной электротехники" (Киев, 2000 г.), "Силовая электроника и энергоэффективность" (Алушта, 2001 г.), на научных семинарах Национальной академии наук Украины "Научные основы электроэнергетики "(Чернигов, 1999 2004 гг.).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 5 статьях, опубликованных в научных изданиях (из них 2 статьи без соавторов) и 1 научно-техническом отчете.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Общий объем работы составляет 161 страницу, в том числе 130 страниц основного текста, 60 рисунков, 1 таблица, список использованных источников из 101 наименования и 6 приложений.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность и целесообразность работы, приведены н связь
работы с научными программами, планами, темами, сформулированы цель и задачи исследований, изложены научная новизна, практическое значение и реализация результатов диссертационных исследований, отмечено личный вклад соискателя в печатных работах с соавторами, указано апробацию полученных результатов и публикации.

В первом разделе рассмотрена целесообразность использования КРИП для питания ДПС. Для этого проанализированы пути улучшения характеристик импульсных источников питания, особенности КРИП и его использование в электроприводе аппаратуры точной магнитной записи.

К наиболее важным характеристикам импульсных источников питания для применения в электроприводе можно отнести КПД, электромагнитную совместимость с сетью питания, влияние преобразователя на точность стабилизации скорости, массогабаритные показатели, уровень помех, генерируемых в сеть питания и эфир.

В последние годы внимание специалистов силовой электроники привлекает силовой ключ на основе квазирезонанса, что позволяет достичьхорошей электромагнитной совместимости с питающей сетью, низкого уровня помех, хороших удельных характеристик за счет синусоидальной формы тока, потребляемой и высокой частоты (до 10 МГц) переключение. Практической реализации идеи квазирезонанса в силовой электронике способствуют современные достижения в области силовых полупроводниковых приборов, микроэлектроники и высокое качество пассивных элементов схем. Основными полупроводниковыми компонентами, на которых выполняется квазирезонансный ключ, является MOSFET и IGBT транзисторы.

Различные топологии УКРОП (однополупериодный (ОП), двухполупериодном (ДП), с переключением при нулевом токе, при нулевом напряжении, с повышением напряжения, с понижением напряжения и т.д.) можно получить с ШИП, путем добавления к их силового круга резонансной звена. По сравнению с ШИП, укроп имеют существенные преимущества. Силовой транзистор в КРИП переключается во время нулевого тока или напряжения, что позволяет снизить до минимума динамические потери на силовом транзисторе. Эта особенность позволяет повысить рабочую частоту преобразователя и в результате улучшаются массогабаритные показатели, уменьшаются пульсации выходного тока или напряжения. Форма тока, потребляемой в КРИП близка к синусоидальной, что улучшает электромагнитную совместимость преобразователя с сетью.

Учитывая преимущества УКРОП, его использование для питания ДПС позволяет значительно улучшить основные технико-экономические показатели электропривода для устройств магнитной записи, точной механики и оптики. Известно, что качество записи и воспроизведения информации в аппаратуре точной магнитной записи (АТМЗ) зависит от неравномерности движения носителя, которая в свою очередь в частности зависит от пульсаций выходного тока импульсного преобразователя (ИП), питающей двигатель привода носителя. Также в АТМЗ среднее отклонение частоты вращения дисковых механизмов, блоков вращающихся головок, за один оборот не должно превышать 0.01 0.0001%. Высокие требования по точности требуют при расчете таких систем учитыватьлежности продолжительности второго коммутационного интервала от противо-э.д.с. якоря остался таким же, как и для ОП УКРОП, однако продолжительность этого интервала уменьшилась в несколько раз. Таким образом, на высоких частотах необходимо использовать двухполупериодном УКРОП-ПНС, в которых увеличение рабочей частоты достигается за счет уменьшения продолжительности второго коммутационного интервала.

Для уточнения теоретических результатов было проведено электронное моделирование и эксперимент на макете преобразователя.

Моделирование проводилось на комп Серверы в программе PSpice, что входит в пакет программ Orcad 9.2. Схема для моделирования аналогичная рис.1. В качестве системы управления использовался генератор прямоугольных импульсов. Модели пассивных компонентов идеальные, а полупроводниковых компонентов максимально приближены к реальным, построенные с учетом характеристик полупроводниковых приборов.

Экспериментальный КРИП базируется на схеме, рис.1. Использовались следующие элементы: ДПС HSM150, транзистор BUZ10, диоды MBR2535CT, конденсатор контура емкостью 39 нФ, индуктивность контура 0.25 мкГн. Транзистор руководствовался от генератора Г5-56 через драйвер на микросхеме MC34152. Напряжение питания 24В. Максимальная рабочая частота экспериментального УКРОП-ПНС 2 МГц.

Во время моделирования и эксперимента для ОП и ГП УКРОП-ПНC были получены графики и осциллограммы токов контура и якоря, напряжения на конденсаторе контура в момент пуска и в установившемся режиме, пульсации выходного тока. Результаты, полученные при моделировании и эксперимента, совпадают с теоретическими результатами с погрешностью не более 10%.

Также при моделировании и эксперимента было проведено исследование спектра тока, потребляемого из сети питания, для ШИП, ОП и ГП УКРОП-ПНC. Это исследование показало, что КРИП имеет лучшую электромагнитную совместимость с сетью по сравнению с ШИП. С квазирезонансных ИП лучше совместимостью с сетью обладает двухполупериодном УКРОП.

Результаты исследования пульсаций выходного тока УКРОП-ПНС показали, что с небольшой нагрузкой ОП преобразователь имеет меньшую амплитуду пульсаций тока, чем ГП УКРОП-ПНC, а с большой нагрузкой наоборот. Амплитуда пульсаций тока ГП преобразователя меньше зависит от колебания нагрузки и частоты переключения, чем в ОП УКРОП-ПНC.

В приводах АТМЗ целесообразно использование двухполупериодном укроп. В этом случае увеличивается частота преобразования, снижаются помехи, распространяющиеся по сети и в эфир, повышается КПД преобразователя.

В третьем разделе рассмотрены статические характеристики УКРОП-ПНC с ДПС, выявлено влияние КРИП на механические характеристики и пульсации скорости ДПС.

Поскольку электродвигатель питается от импульсного источника, то для этого случая его механические характеристики называют импульсными. Для их нахождения разделены левую и правую часть выражений (11, 12, 13) на ток короткого замыкания IКЗ = UЖ / Rя и в результате получены относительные значения тока якоря для различных временных интервалов: для того, для того, для. Среднее значение тока в относительных единицах

(14)

Учтя в выражении (14) то, что относительная скорость, а момент, и решив полученное выражение относительно, найдено уравнение для импульсной механической характеристики без учета зависимости продолжительности первого и второго коммутационных интервалов (t1, t2) от противо-Е.Р .с. Поэтому полученные импульсные механические характеристики, как у обычного ДПС с ШИП (прямые линии с пересечением в одной точке), однако, они м якиши, поскольку в силовой звене КРИП присутствует резонансный контур. С уменьшением частоты работы УКРОП, что эквивалентно уменьшению скважности импульсов, жесткость механических характеристик увеличивается. Это объясняется тем, что с уменьшением частоты увеличивается продолжительность третьего интервала, на котором двигатель закорочен открытым обратным диодом DО, а это приводит к изменению (увеличение) электрической постоянной времени звена, так как на первом и втором интервалах в звено якоря включенеще и резонансный контур.

Механические характеристики с учетом противо-э.д.с. двигателя построены с использованием численных методов. Для этого решалась система уравнений, с приравненных к нулю выражений (5), (8) и выражения. С первых двух выражений находилась продолжительность первого и второго интервалов работы УКРОП, а с последнего против-э.д.с ДПТ. Решая данную систему для различных значений частоты работы ОП УКРОП-ПНC и различных значений относительного момента найденные значения относительной скорости в соответствующих точках, по которым построены импульсные механические характеристики (рис. 3), при следующих параметров: Rя = 1 Ом, Lя = 90 & nbsp ; мкГн, Lк = 0.25 мкГн, Ск = 0.039 мкФ,? К = 0.31 мкс. Во время их построения теоретические характеристики были смещены влево на величину относительного статического момента. Механические характеристики нелинейные и подобные соответствующим характеристикам ДПС с последовательным возбуждением. Нелинейность д связана со спецификой КРИП как звена силовой части, проявляется, в непостоянстве продолжительности первого и второго интервалов работы КРИП с изменением нагрузки.

Рис. 3

Также исследованы импульсные механи-
ские характеристики ДПС с ГП УКРОП-ПНС. Для них характерна большая жесткость и большая зона линейности, по сравнению с ОП укроп. Эта особенность объясняется тем, что в ГП схеме электромагнитная энергия, накопленная в контуре, передается к источнику питания. Таким образом, можно заключить, что ГП преобразователь имеет преимущества для использования в АТМЗ. Его использование позволит уменьшить необходим динамический диапазон системы в процессе управления для стабилизации скорости.

Исследование пульсаций скорости ДПС показало, что с изменением частоты работы преобразователя форма пульсаций скорости остается постоянной. Меняется только продолжительность положительной полуволны пульсаций скорости и ее амплитуда. Форма пульсаций не зависит от вида преобразователя (ОП или ГП укроп), но в ГП УКРОП-ПНС амплитуда пульсаций меньше.

Установлено, что амплитуда пульсаций скорости в разработанном макете УКРОП-ПНС с ДПС в худшем случае превышающую 1% для ГП и 10% для ОП укроп. При нормальном режиме (= 0.5, f / fK = 3) амплитуда пульсаций ОП и ГП КРИП составляет менее 0.6%.

Анализируя полученные результаты, сделан вывод, что ГП УКРОП-ПНС имеет преимущества по уровню пульсаций скорости ДПС. Их зависимость от ГП УКРОП-ПНС от частоты и нагрузки меньше заметна, чем в ОП укроп. Пульсации и момент ДПТ с ГП КРИП слабо зависят от противо-э.д.с якоря, и от частоты вращения. В свою очередь ГНС по ОТ КРИП развивает больший момент на низкой частоте вращения, однако с ростом этой частоты момент снижается и становится меньше, чем в ГНС с ГП УКРОП.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что для прецизионного электропривода целесообразно использовать ГП УКРОП.

В четвертом разделе проведена оптимизация УКРОП-ПНС с ДПС по быстродействию с помощью принципа максимума Понтрягина. Выполнена оптимизация систем управления КРИП для позиционирования и разгона.

Для оптимизации системы для позиционирования по принципу максимума найден закон изменения сигнала управления УКРОП-ПНС, который обеспечивает отработку углового перемещения из исходного положения до конечного по минимальной время без перерегулирования и найден минимальное время перехода из начального в конечное положение. Анализ выполнен по постоянной составляющей, так как диапазон рабочих частот УКРОП (сотни килогерц единицы мегагерц) значительно больше собственной частоты ДПС. При таком предположение ошибка не превысила 10%. В качестве переменных состояния принятые ток, частота вращения и угол поворота якоря ДПС, а в качестве переменной управления напряжение на якоре ДПС. Введены соответствующие обозначения: Iя = x1, Щ = x2, и = x3, Uя = u и ограничения на управляющее воздействие:. Для работы преобразователя в безопасном режиме, наложено ограничение и на ток якоря:.

В соответствии со структурной схемой ДПС, рис. 4, и принятыми обозначениями, справедлива следующая система уравнений:

Рис. 4. Структурная схема ДПС. (15)

Для нулевых начальных условий оптимальный управляющее воздействие, рассчитанный по системе уравнений (15) через вспомогательную функцию Гамильтона имеет вид:

, (16)

где; С1, С2, С3 константы интегрирования.

Для случая, когда ток якоря не достигает порогового значения, кривые для управляющего воздействия и переменных состояния приведены на рис. 5а. В соответствии с теоремой о n интервалов количество переключений управляющего воздействия будет не более трех. Для случае отсутствия возмущающих воздействий и неизменных параметрах системы продолжительности каждого управляющего интервала? T1, Дt2, Дt3, находятся путем численного

Загрузка...

Страницы: 1 2