Источник питания емкостного накопителя энергии

Рогинская Л.Э.

Roginskaya L.E.

доктор технических наук, профессор кафедры «Электромеханика» ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный университет», Россия, г. Уфа

Рахманова Ю.В.

Rakhmanova Уи.У.

кандидат технических наук, доцент кафедры «Электромеханика» ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный университет», Россия, г. Уфа

Воронин К.А. Уоготп К.А.

магистрант кафедры «Электромеханика» ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный университет», Россия, г. Уфа

УДК 621.365.5

ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ЕМКОСТНОГО НАКОПИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ

Статья посвящена выбору наиболее рациональной схемы источника питания емкостного накопителя энергии на основе последовательного мостового инвертора с индуктивно-емкостным преобразователем. Наибольший интерес представляют высокочастотные преобразователи с повышенным коэффициентом усиления по напряжению. В процессе исследования трансформаторно-полупроводниковых источников питания повышенной частоты возникла задача учета влияния дополнительных параметров индуктивного модуля - трансформатора на работу всего устройства. Такого рода модули имеют ряд отличительных особенностей, обусловленных характером их работы. Величина нагрузки резонансных систем изменяется в широких пределах, практически от короткого замыкания до холостого хода. Поэтому работа зарядного устройства и комплекса для индукционного нагрева требует учета потерь в высоковольтном модуле. Также необходим учет паразитных параметров, влияние которых на работу всего устройства увеличивается с ростом частоты.

Предложена уточненная модель высоковольтного высокочастотного трансформатора, позволяющая учесть дополнительные электромагнитные параметры и рассчитать потери в сердечнике.

На основе разработанной модели была проведена оптимизация схем источников питания. Было проведено исследование и моделирование однотактного преобразователя, двухтактного преобразователя, мостового преобразователя и мостового с индуктивно-емкостным преобразователем. При двухкритериаль-ной оптимизации по максимальному выходному напряжению и времени заряда емкостного накопителя значительными преимуществами обладает мостовая схема с индуктивно емкостным преобразователем. Применение такого преобразователя позволит не только увеличить выходное напряжение в 104 раза, но и уменьшит время заряда накопительного конденсатора.

Ключевые слова: транзисторный инвертор, индуктивно-емкостной преобразователь, накопительный конденсатор, время заряда.

ENERGY CHARGE CAPACITOR POWER SUPPLY

This paper presents choice of the most rational scheme of the energy charge capacitor power supply on the basis of the consecutive bridge inverter with the induction-capacitor converter. High-frequency converters with the increased voltage amplification be of the utmost interest. In the course of investigations the increased frequency transformer - semiconductor power supplies, additional parameters of the inductive module - transformer affect of all elements taking account. Such modules have distinction govern kind of work. The size of load resonance

systems changes in long-range, almost from short circuit to fast up. So operation of the energy charger and a complex for high-frequency heating demands the list of losses and parasite parameters in the high-voltage module, where effect with growth of frequency is increase.

The specified model of the high-voltage high-frequency transformer allowing to consider additional electromagnetic parameters and to calculate losses in the core is offered.

Optimization of power supplies schemes on the basis of the specified model was performed. Research and modeling of the single-cycle converter, duple converter, bridge converter and bridge inverter with the induction-capacitor converter was conducted. By two-criteria optimization on the largest output voltage and time of a charge of the capacitor power supply, bridge inverter with the induction-capacitor converter has prominent advantages. Such converter allows to increase output voltage through to 104 and to reduce the reservoir capacitor charge time.

Key words: consecutive bridge inverter, induction-capacitor converter, reservoir capacitor, charge time.

Выбор наиболее рациональной схемы резонансных трансформаторно-полупроводниковых комплексов является важной частью процесса проектирования электротехнологических установок. Эффективными, для маломощных комплексов (до 20 кВт) с емкостными накопителями энергии (ЕНЭ), являются преобразователи повышенной частоты с увеличенным коэффициентом усиления по напряжению. Подобного рода устройства реализуются при помощи индуктивно-емкостного преобразователя.

В процессе исследования высокочастотных трансформаторно-полупроводниковых источников питания появилась необходимость в учете воздействия параметров индуктивного модуля на устройство в целом, так как существует несколько специфических свойств, продиктованных принципом их работы. Как известно, в резонансных системах значение параметров нагрузочного контура модифицируется от холостого хода до короткого замыкания, что оказывает значительное влияние на паразитные параметры, а, следовательно, и потери в модуле повышенной частоты.

В качестве среды моделирования был выбран пакет OrCad, включающий собственную модель индуктивного модуля с магнитным сердечником. Программа имеет функции настройки параметров магнитопровода по основным характеристикам петли гистерезиса [1-3]. Однако существует несколько минусов:

- при моделировании система запрашивает ряд параметров, которые невозможно найти в нашей технической литературе, такие как: характер безги-стерезисной кривой намагничивания, коэффициенты подвижности доменов и упругого смещения их границ;

- при моделировании невозможно учесть частотные свойства сердечников;

- при величине индукции менее индукции насыщения корректность расчетов снижается.

Поэтому оригинальная модель схемотехнического пакета нуждается в адаптации к наличию оте-

чественной информации по магнитным материалам.

Следующей задачей является выбор наиболее оптимальной схемы источника питания емкостного накопителя энергии с учетом реальных параметров трансформатора и возможностью получения максимального выходного напряжения при минимальном времени заряда.

Изучение ряда работ по этой теме [4-6], выявило необходимость создания уточненной модели высокочастотного высоковольтного трансформатора, учитывающего специальные электромагнитные параметры и потери в магнитопроводе [7]. Поэтому расчет согласующего трансформатора проводится оригинальной программой [8].

Далее на основе такой модели была проведена оптимизация схем источников питания на основе математического моделирования. Было проведено исследование однотактного, двухтактного, мостового преобразователя и мостового с индуктивно-емкостным преобразователем (ИЕП). Наиболее рациональной схемой оказалась схема с ИЕП.

При схемотехническом моделировании ИЭП были сделаны следующие допущения: так как длительность заряда ЕНЭ в несколько раз больше времени разряда, то считаем, что эти процессы являются совершенно самостоятельными; величину емкости ЕНЭ принимаем меньше коммутирующей емкости, что позволит сократить длительность моделирования.

Оценка длительности заряда Тн емкости ЕНЭ Сн2 по длительности заряда Т емкости С (емкость при моделировании), если мощность заряда постоянна, происходит следующим способом. Мощности емкостей Сн2 и С при равном напряжении заряда и

одинаковы, в соответствии С • и2 / 2 и Сн2 • и2 / 2, а

си си н

и1 2- ^ и 2 Следовательно

мощности заряда -

CJх

2 1 2

U — '. Исследование последних (полностью по-

-'и!

добранных под условия) вариаций схем ЗУ проводилось при предельной величине емкости ЕНЭ.

Так как разные схемные решения ЗУ выполняются на одинаковых элементах с использованием идентичных конструкционных материалов, то будем считать, что объем ЗУ соразмерен массе.

Модель последовательного мостового инвертора с ИЭП изображена на рис. 1. В данном случае согласующий трансформатор выполнен в виде эквивалентной схемы замещения [9].

Рис. 1. Модель инвертора с ИЕП

Схема с ИЕП запитывается от источника У6. ИЕП представлен: активными сопротивлениями КЗ и К4 величиной 100 мОм, парой конденсаторов СЗ и С4 номиналом 250 пФ и дросселями ЬЗ и Ь4 с индуктивностью 0,027 мГн. Согласующий трансформатор представляет собой схему, состоящую из двух дросселей Ь1 (77 витков) и Ь2 (3850 витков), а также резисторов К1 и К2 с номиналом 100 мОм и 0,25 МОм

соответственно. Элемент К1 описывает магнитопро-вод согласующего трансформатора. Мост выпрямительный, выполненный на диодах £1-£4, подключен к вторичной обмотке трансформатора.

Схемотехническая модель мостового транзисторного преобразователя с ИЕП с оригинальной моделью согласующего трансформатора приведена на рис. 2.

Рис. 2. Модель с ИЕП и оригинальной моделью трансформатора

Характеристики, полученные в результате схемотехнического моделирования приведены на рис. 3-6. Управляющие сигналы одинаковы для обеих схем.

Рис. 3. Напряжение на транзисторе U1

2кВ

0,5мс

Рис. 4. Напряжение на коммутирующем конденсаторе С3

4кВ

-4кВ

200кВ

-200кВ

.Эмс

О 0.5мс 1мс 1.5мс 2мс 2.5мс

б)

Рис. 5. Напряжение на: а) первичной обмотке трансформатора; б) вторичной обмотке трансформатора

Согласно приведенным зависимостям можно сделать следующие выводы: напряжение на обмотке L1 согласующего трансформатора в 200 раз превосходит напряжение на транзисторных ключах (4 кВ и 23 В соответственно); длительность заряда конденсатора С3 равна 0,004 с; форма кривых напряжений обмоток трансформатора (рис. 5) для двух схем близка к синусоидальной, коэффициент трансформации равен 50, амплитуда напряжений отличается меньше чем на 0,5 %; кривая напряжения на конденсаторе С1 (ЕНЭ) имеет экспоненциальную форму и ток на конденсаторе С3 изменяется по импульсному закону.

Согласно рис. 6 длительность заряда конденсатора С1 до 57 кВ равна 21 с. Схожесть характера тока и напряжения в частях инвертора возникает вследствие того, что собственная частота колебательного контура при закрытом режиме ключей немного превышает частоту коммутации, а при открытых ключах наоборот. В самом деле, при закрытых транзисторах имеем:

' 1 '

р С

/

+ рL2 + р/2

р С

Рис. 6. Напряжение на емкостном накопителе энергии

Отсюда, при коэффициенте связи, равном 1

2р 2ЬЪЬ]С1 + Х3 + = 0.

Для избранных величин получим 2 1Ъ+АЬ\

2

Р -

™2 =

2Z3Z1

¿3+4^

=

+2С3)

Согласно графикам, представленным на рис. 3-6

Уравнение для отключенного накопителя энер- коэффиЦиент усиления по напряжению адставгает

величину 2900.

Все проведенные исследования приведены в таблице.

гии имеет вид

2р 2ЬЪЬ1 (2 Сх + С3 ) + {Ьъ + 41^) = 0;

Основные параметры зарядных устройств ЕНЭ при двухкритериальной оптимизации по времени заряда и выходному напряжению

Тип Напряжение на ЕНЭ и, кВ Напряжение на транзисторе ит, В Ток на транзисторе /т, А Время заряда Тз, с

Мостовая схема 48,0 1200,0 70,0 43,0

Мостовая схема с ИЕП 57,31 23,0 185,0 21,61

Однотактная схема 37,12 250,0 139,0 200,0

Двухтактная схема 53,0 1200,0 163,0 188,0

В соответствии с информацией, приведенной в таблице, самой рациональной является схема с индуктивно емкостным преобразователем, что доказывается не только малой длительностью заряда накопительной емкости Тз и большей величиной напряжения на конденсаторе (по сравнению с остальными схемами), но также меньшим в 50 раз значением напряжения на транзисторных ключах. Коэффициент усиления по напряжению при проведенных исследованиях составил величину 104.

Список литературы

1. Хайнеман Р. PSpice. Моделирование работы электронных схем [Текст] / Р. Хайнеман; пер. с нем. - М.: ДМК Пресс, 2002. - 336 с.

2. Болотовский Ю.И. Опыт моделирования систем силовой электроники в среде OrСad 9.2. Часть 3 [Текст] / Ю.И. Болотовский, Г.И. Таназлы // Сило-

вая электроника. - 2005. - № 2. - С. 90-98.

3. Болотовский Ю.И. Опыт моделирования систем силовой электроники в среде OrСad 9.2. Часть 5 [Текст] / Ю.И. Болотовский, Г.И. Таназлы // Силовая электроника. - 2006. - № 1. - С. 88-92.

4. Мустафаев Р.И. К аппроксимации кривой намагничивания [Текст] / Р.И. Мустафаев, М.А. На-биев, З.А. Гулиев, Н.М. Гаджибалаев // Электричество. - 2004. - № 5. - С. 47-49.

5. Недолужко И. Модификация PSpice-модели магнитного сердечника [Текст] / И. Недолужко, Д. Каюков // Силовая электроника. - 2005. - № 1. -С. 116-119.

6. Айчхорн Т. Определение потерь мощности в импульсных источниках электропитания [Текст] / Т. Айчхорн // Компоненты и технологии. - 2005. -№ 1. - С. 148-151.

7. Рахманова Ю.В. Модель согласующего вы-

сокочастотного трансформатора с учетом реальных магнитных и электрических параметров [Текст] / Ю.В. Рахманова // Электромеханика, электротехнические комплексы и системы: Межвузов. научн. сб. Уфа, 2006. - С. 259-264.

8. Индуктивный модуль с учетом реальных магнитных и электрических параметров: программы [Текст] / Л.Э. Рогинская, Ю.В. Рахманова. -№ 2005612797. - Опубл. 10.01.06.

9. Пат. 2216090 Рос. Федерация; МПК H02M3/315 Автономный инвертор со стабилизированным выходным напряжением [Текст] / Л.Э. Рогинская, Ю.В. Шуткова (Рахманова), М.С. Фетисова; патентообладатель: Уфимский государственный авиационный университет (RU). - Опубл. 10.11.03. - Бюл. № 31.

References

1. Hajneman R. PSpice. Modelirovanie raboty jelektronnyh shem [Tekst] / R. Hajneman; per. s nem. -M.: DMK Press, 2002. - 336 s.

2. Bolotovskij Ju.I. Opyt modelirovanija sistem silovoj jelektroniki v srede OrSad 9.2. Chast' 3 [Tekst] / Ju.I. Bolotovskij, G.I. Tanazly // Silovaja jelektronika. -

2005. - № 2. - S. 90-98.

3. Bolotovskij Ju.I. Opyt modelirovanija sistem silovoj jelektroniki v srede OrSad 9.2. Chast' 5. [Tekst] / Ju.I. Bolotovskij, G.I. Tanazly // Silovaja jelektronika. -

2006. - № 1. - S. 88-92.

4. Mustafaev R.I. K approksimacii krivoj namagnichivanija [Tekst] / R.I. Mustafaev, M.A. Nabiev, Z.A. Guliev, N.M. Gadzhibalaev // Jelektrichestvo. -2004. - № 5. - S. 47-49.

5. Nedoluzhko I. Modifikacija PSpice-modeli magnit-nogo serdechnika [Tekst] / I. Nedoluzhko, D. Kajukov // Silovaja jelektronika. - 2005. - № 1. - S. 116-119.

6. Ajchhorn T. Opredelenie poter' moshhnosti v impul'snyh istochnikah jelektropitanija [Tekst] / T. Ajchhorn // Komponenty i tehnologii. - 2005. - № 1. - S. 148-151.

7. Rahmanova Ju.V. Model' soglasujushhego vysokochastotnogo transformatora s uchetom real'nyh magnitnyh i jelektricheskih parametrov [Tekst] / Ju.V. Rahmanova // Jelektromehanika, jelektrotehnicheskie kompleksy i sistemy: Mezhvuzov. nauchn. sb. Ufa, 2006. - S. 259-264.

8. Induktivnyj modul' s uchetom real'nyh magnitnyh i jelektricheskih parametrov: programmy [Tekst] / L.Je. Roginskaja, Ju.V. Rahmanova. - № 2005612797. -Opubl. 10.01.06.

9. Pat. 2216090 Ros. Federacija; MPK H02M3/315 Avtonomnyj invertor so stabilizirovannym vyhodnym naprjazheniem [Tekst] / L.Je. Roginskaja, Ju.V Shutkova (Rahmanova), M.S. Fetisova; patentoobladatel': Ufims-kij gosudarstvennyj aviacionnyj universitet (RU). -Opubl. 10.11.03. - Bjul. № 31.