Электронные трансформаторы на основе высокочастотных структур с переключаемыми конденсаторами для автономных систем электроснабжения

Из основных тенденций развития радиоэлектронных средств (РЭС) и систем связи следует отметить с одной стороны все возрастающую степень использования интегральных микросхем, микроконтроллеров и микропроцессоров, что приводит к резкому снижению массы и габаритов РЭС и ее узлов; с другой стороны разработку и развитие новых принципов энерго- и ресурсосберегающих методов генерирования электрических колебаний, усиления информационных сигналов и преобразование электрической энергии в системах электропитания, которые являются неотъемлемой частью каждой РЭС.

Современные РЭС резко ужесточают требования к массогабаритным показателям, экономичности, надежности, качеству вырабатываемой энергии и электромагнитной совместимости систем электропитания. Решение проблем энерго- и ресурсосбережений в устройствах электропитания осуществляется с использованием импульсных (ключевых) режимов работы усилительных приборов в преобразователях напряжения с промежуточным звеном высокой частоты (сотни килогерц - единицы мегагерц) современной элементной базы: мощных транзисторов (IGBT), мощных ультрабыстрых диодов, современных магнитных материалов и конденсаторов и современных технологий узлов и устройств (низкопрофильные, безнамоточные, плоские трансформаторы; поверхностный монтаж и др.). Ключевые режимы работы усилительных приборов позволяют приблизить электронный КПД устройств к предельно достижимому путем снижения мощности потерь в усилительных приборах, тем самым увеличить надежность работы импульсного источника питания.

При создании автономных радиосистем, а так же экологически чистых, многоуровневых, интеллектуальных систем электроснабжения находят применение понижающие конденсаторные преобразователи постоянного напряжения (ПКП), работающие по принципу последовательного заряда конденсаторов от входного источника постоянного напряжения с их последующим параллельным разрядом на нагрузку.

Существует множество первичных источников электроэнергии, которые вырабатывают ее в виде постоянного напряжения. Такие как солнечные батареи, термоэлектрогенераторы, магнитогидродинамические генераторы, топливные элементы (энергия химических реакций), аккумуляторы, электромашинные генераторы постоянного напряжения. Для приведения постоянных напряжений этих источников к требуемому уровню, его стабилизации и регулирования и требуются устройства преобразования постоянного напряжения в постоянное (DC-DC).

Преобразователь напряжения - это устройство, предназначенное для преобразования постоянного напряжения одной величины в постоянное напряжение другой величины. Преобразователи постоянного тока в постоянный, называемые регуляторами постоянного тока (электронными "трансформаторами"), обозначаются ОТ-ОТ (ОТ - Однонаправленный Ток) аналогично их зарубежному сокращению DC-DC (DC - DirectCurrent - Постоянный Ток).

В работе рассмотрена автономная радиоэлектронная система энергоснабжения на основе структур с переключаемыми конденсаторами. При этом снижение веса и габаритов достигается использованием резонансного метода их построения,который наряду с повышением КПД за счет применения режима мягкой коммутации силовых ключей, позволяет также существенно увеличить частоту преобразования до величины порядка 500 кГц и выше[7]. Уменьшение коэффициента гармоник входного и выходного токов достигается применением многотактного режима работы DC-DC конверторов. В частности, в работе рассмотрены однотактные, двухтактные и трехтактные схемы преобразователей.

Кроме того, подобная система электроснабжения включает в себя повышающие, понижающие преобразователи и двунаправленные повышающие/понижающие преобразователи постоянного напряжения.

Задача работы - провести исследование резонансных DC-DC-конверторов на основе структур с переключаемыми конденсаторами для автономных систем энергоснабжения, а также разработка регуляторов постоянного тока, позволяющих максимально уменьшить помехи на входе и пульсации на выходе преобразователя.

В проекте рассмотрен принцип построения многотактных электронных силовых трансформаторов на основе резонансных структур с переключаемыми конденсаторами.

Показано, что увеличением числа тактов преобразования достигается заметное увеличение КПД и резкое снижение суммарной емкости конденсаторов силовой цепи трансформатора. Кроме того, существенно улучшаются коэффициент гармоник входного тока и входной коэффициент мощности. Компьютерное моделирование основных узлов системы преобразования электрической энергии выполнялось с использованием программного обеспечения PSIM.

Актуальность темы

Целесообразность построения электронных силовых трансформаторов (ЭСТ) обусловлена стремлением замены громоздких сетевых трансформаторов, работающих на частоте промышленной сети, на более технологичные высокочастотные и, следовательно, малогабаритные устройства. ЭСТ могут быть использованы для согласования различных уровней напряжений промышленной частоты при питании электрических машин от низковольтной или высоковольтной сети.

Эффективным является также применение регулируемого ЭСТ в качестве стабилизатора сетевого напряжения не требующего гальванической развязки входа и выхода.

Принцип построения ЭСТ на основе высокочастотных резонансных структур с переключаемыми конденсаторами c точки зрения методологии является оригинальным, т.к. в отличие от известных методов [1-3], исключает промежуточное преобразование переменного напряжения сети в постоянное с последующим высокочастотным инвертированием.

Главные показатели качества таких устройств - масса, габариты, КПД, коэффициент мощности и коэффициенты гармоник входного и выходного токов.

Главные показатели качества таких устройств - масса, габариты, КПД, коэффициент мощности и коэффициенты гармоник входного и выходного токов. Принципиальные схемы силовой цепи (СЦ) однотактных (k=1), нерегулируемых - повышающего и понижающего ЭСТ на основе резонансных двунаправленных преобразовательных модулей ДПМ (~) приведены на (рис. 1.1), а на (рис. 1.2) даны временные диаграммы токов и напряжений, поясняющие их работу в обоих направлениях.

Рис. 1.1. Принципиальные схемы СЦ однотактных повышающего и понижающего ЭСТ

силовой коммутация транзистор трансформатор

Принцип действия повышающего (понижающего) ЭСТ основан на периодическом параллельном (последовательном) подзаряде конденсаторов его ДПМ(~) на высокой частоте преобразования(десятки килогерц) от сети переменного тока, с их дальнейшим последовательным (параллельным) разрядом на нагрузку. Зарядные - VT(1-2), VT(3-2) и разрядные ключи - VT(2-1), VT(2-2) ЭСТ работают поочередно без перекрытий в течение половины периода частоты . Поскольку разряд (заряд) конденсаторов происходит через последовательно соединенную сеть, то силовая цепь ДПМ(~) упрощается уменьшением числа конденсаторов на единицу. В результате выходные напряжения повышающего и понижающего ЭСТ зависят от числа конденсаторов его СЦ - и оказываются равными и , что соответствует коэффициентам преобразования и . Фильтрация напряжения на нагрузке осуществляется с помощью ФНЧ образованном элементами самой нагрузки .

Важное свойство предлагаемых структур состоит в том, что благодаря введению во входную и выходную цепи ДПМ(~) реакторов , а также конденсаторав контур нагрузки, все двунаправленные ключи, входящие в их состав, работают в режиме мягкой коммутации.

Мягкая коммутация практически устраняет динамические потери в указанных ключах, вследствие чего, рассматриваемые ЭСТ имеют высокий КПД.

С другой стороны мягкая коммутация позволяет в несколько раз увеличить частоту преобразования ключей в ДПМ(~), и тем самым значительно улучшить удельные массообъемные показатели ЭСТ за счет пропорционального снижения величин емкостей и индуктивностей его СЦ, определяемых по формулам (1),(2).

Кроме того, при коэффициенте преобразования используемых ДПМ(~) , все двунаправленные ключи выбираются одинаковыми, т.к. их токи и напряжения соответственно в открытом и закрытом состояниях совпадают по форме и величине.

При этом максимальные напряжения на указанных ключах в закрытом состоянии равны амплитудному напряжению сети .

Рис.1.2. Временные диаграммы, поясняющие работу однотактных повышающего и понижающего ЭСТ

Для улучшения массообъемных и энергетических показателей, а также входных и выходных характеристик целесообразно применить многотактные ЭСТ (рис.3). На рис. 4. даны временные диаграммы, поясняющие работу трехтактного ЭСТ. Особенность работы k-тактных ЭСТ в том, что работа отдельных ДПМ(~) равномерно распределена по периоду частоты преобразования , т.е. происходит со сдвигом друг относительно друга на время

Рис. 1.3. Структурные схемы двух и трехтактного повышающих ЭСТ

Рис.1.4. Временные диаграммы, поясняющие работу трехтактного повышающего и понижающего ЭСТ

Достоинство многотактного ЭСТ заключается в резком снижении коэффициента гармоник входного тока , особенно при k=3, за счет увеличения частоты его пульсации до значения

Величины емкости и индуктивности конденсаторов и реакторов всех ДПМ(~) в составе СЦ многотактного повышающего ЭСТ, обеспечивающие резонанс на высокой частоте преобразования , не зависят от числа конденсаторов - N и определяются выражениями

, (1)

- максимальное действующее значение тока нагрузки ЭСТ,

- допустимая относительная пульсация напряжения на конденсаторах в ДПМ(~).

Для понижающего ЭСТ параметры этих элементов, зависят от и вычисляются по формулам

. (2)

Сравнение (1) и (2) показывает, что при одинаковых понижающий ЭСТ способен отдать в нагрузку ток превышающий ток нагрузки повышающего ЭСТ в (N+1) раз. Это означает, что так же, как и обычный силовой трансформатор ЭСТ имеет одинаковую мощность при работе в обоих направлениях.

Моделирование электрических процессов в ЭСТ показывает, что для любых значений k низкочастотные (на частоте сети) огибающие токов сети и нагрузки совпадают по форме и фазе, отличаясь амплитудой в раз, что соответствует эквивалентной схеме рис.5.

Поскольку фазы напряжений и также совпадают, то это означает, что фазовый сдвиг между и первой гармоникой и, следовательно, коэффициент мощности входной цепи ЭСТ равный [3], определяется фазой комплексного сопротивления контура нагрузки .

Это означает, что максимальное значение достигается при , т.е. на резонансной частоте контура нагрузки, определяемой выражением

. (3)

Рис.1. 5. Эквивалентная схема и временные диаграммы огибающих входного и выходного токов ЭСТ

Отсюда легко получить выражение для определения величины емкости контура нагрузки, обеспечивающей максимум коэффициента мощности входной цепи ЭСТ

. (4)

Интересно отметить, что ввиду сравнительно низкой добротности контура нагрузки, максимум функции входного коэффициента мощности , не является ярко выраженным, т.е. допускает уменьшение величины без заметного ухудшения энергетических характеристик ЭСТ рис.6. Уменьшение номинала позволяет существенно снизить габариты ЭСТ. При этом, темпы снижения величины емкости возрастают с увеличением числа тактов преобразования ЭСТ - k . Из графика видно, что если для k=1 заметного уменьшения не наблюдается при снижении емкости с 170 мкФ до 150мкФ, то уже при k=2 её можно уменьшить до величины 90 мкФ, а в трехтактном ЭСТ до 50 мкФ.

Кроме того, графики рис.6 наглядно показывают преимущество двух и трехтактных ЭСТ по сравнению с однотактным (k=1) по КПД (г), коэффициентам мощности (б) и гармоник входного тока (в), а также виду нагрузочной характеристики (а).

Рис.1.6. Технические характеристики одно, двух и трехтактных ЭСТ

При создании систем стабилизации сетевого напряжения необходимы регулируемые ЭСТ. Максимальный КПД и минимальный коэффициент гармоник выходного напряжения достигается регулировкой выходного напряжения по принципу многозонной широтно- импульсной модуляции (ШИМ) [7]. Силовая цепь регулируемого двухтактного ЭСТ отличается от схемы рис.3 отсутствием конденсатора и алгоритмом управления зарядных VT(1-2) и разрядных VT(2-2) двунаправленных транзисторных ключей в ДПМ 1(~) и ДПМ 2(~). Регулировка выходного напряжения осуществляется ШИМ сигналов управления коммутацией разрядных ключей VT(2-2). При этом многозонная ШИМ достигается дополнительным инверсным управлением коммутацией зарядных ключей VT(1-2). Алгоритм управления ключами ДПМ1(~) и ДПМ2(~) определен соответствующими матрицами управления (5).

Здесь

управляющий сигнал - последовательность управляющих импульсов длительностью следующих с частотой;

управляющий сигнал - инвертированный сигнал ;

управляющий сигнал - сигнал X регулируемый по длительности от до ;

управляющий сигнал - инвертированный сигнал ;

- управляющий сигнал - задержанный на время сигнал ;

управляющий сигнал - инвертированный сигнал .

Регулировочные характеристики двухтактного регулируемого ЭСТ приведены на рис.7.

Рис.1.7.Регулировочные характеристики двухтактного регулируемого ЭСТ

• Понятие о входном коэффициенте мощности
• Расчет режима мягкой коммутации
• Расчет частоты коммутации транзисторов (МOSFET и IGBT)
• Электронные силовые трансформаторы (ЭСТ)

Лучшие статьи по информатике

Схемотехника параметрических, линейных и импульсных стабилизаторов напряжения постоянного тока
Для выполнения курсовой работы были выбраны две схемы источников вторичного электропитания с линейным и импульсным регулированием. Импульсное регулировани ...

Электронавигационные приборы
На каждом судне для следования по намеченному курсу, выбора пути следования, контроля местонахождения в открытом море с учетом изменяющейся навигационной и ...

Таймер на микроконтроллере MSP430F2013
Практически в любой современной электронной технике можно найти микроконтроллеры. Столь широкое применение этих микросхем обусловлено чрезвычайно удачным со ...