Методи та моделі дослідження електромагнітних процесів резонансних перетворювачів електроенергії

Ескіз

Файли

Obrubov_dys.pdf (6.4 MB)

Дата

2023

Автори

Науковий керівник

Назва журналу

Номер ISSN

Назва тому

Видавець

Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова

Анотація

Обрубов А.В. Методи та моделі дослідження електромагнітних процесів резонансних перетворювачів електроенергії. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.09.12. «Напівпровідникові перетворювачі електроенергії». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» МОН України, Київ, 2023. Дисертаційна робота присвячена вирішенню важливої науково-технічної проблеми розвитку теорії високочастотних перетворювачів електроенергії з резонансними контурами шляхом розробки та вдосконалення ефективних розрахункових методів та математичних моделей для підвищення ефективності аналізу електромагнітних процесів в їх силових схемах та для поліпшення динамічних параметрів проектованих систем живлення з використанням резонансних перетворювачів як керованих об’єктів. У першому розділі розглянуто актуальні питання побудови математичних моделей резонансних перетворювачів електроенергії і визначено найбільш прийнятні методи дослідження електромагнітних процесів силових схем резонансних перетворювачів. На основі вивчення особливостей різних методів було визначено дві концепції аналізу – з розділенням на паралельні в часі і з розділенням на послідовні в часі складові процесів силових схем. Перша концепція відповідає методу суперпозиції, а друга – методу припасування розв’язків. Виходячи з припущення про взаємне доповнення вказаних концепцій аналізу процесів перетворювачів електроенергії, було вирішено поєднувати метод суперпозицій з методом припасування розв’язків. Якщо послідовність станів силової схеми перетворювача однозначно визначено алгоритмом комутації вентилів незалежно від вхідних і вихідних величин перетворювача і в його схема забезпечує пряме (без дозування) передавання енергії з входу на вихід протягом робочого циклу, то для аналізу цієї схеми використовується метод суперпозицій. Якщо однозначної відповідності станів алгоритмам комутації немає і схема не забезпечує прямого передавання енергії з входу на вихід на всіх станах схеми, то для її аналізу потрібно залучати метод припасування розв’язків. В результаті розгляду вказаних методів аналізу процесів було поставлено задачі вдосконалення методу суперпозицій для його використання в аналізі процесів резонансних перетворювачів та розповсюдженні на сталі та динамічні режими роботи перетворювача з врахуванням різних алгоритмів комутації силових вентилів. Другий розділ містить аналіз властивостей резонансних перетворювачів як керованих об’єктив на прикладі двомостового резонансного перетворювача з трансформатором. В результаті аналізу визначено головні особливості резонансних перетворювачів при різних способах регулювання потужності і отримано наближені передатні функції та характеристики резонансних перетворювачів в сталих режимах роботи. Розглянуто амплітудний, частотний, фазовий, широтний і релейний способи регулювання вихідних величин. При амплітудному і релейному способах регулювання забезпечуються найбільш лінійні регулювальні характеристики. При широтно-частотному способі характеристики близькі к лінійним в початковій частині завдяки широтному регулюванню від нуля напруги. Найбільш нелінійні регулювальні характеристики мають місце при частотному і фазовому способах регулювання. Діапазон зміни вихідної напруги обмежено знизу на рівні 20-45% в залежності від опору навантаження. Але ці способи забезпечують дотримання бажаних умов комутації силових транзисторів при знижених комутаційних втратах енергії і генерованих перешкодах. Тому частотний і фазовий способи регулювання комбінуються з широтним або релейним способами регулювання для розширення діапазону регулювання вихідної напруги від нуля до максимального значення. Динамічні характеристики резонансного перетворювача в першому наближенні відповідають послідовній структурі з коливальною ланкою другого порядку та інерційною ланкою першого порядку. При змінах робочої частоти, ширини імпульсів і характеру навантаження параметри ланок змінюються. Отже для визначення лінійних та нелінійних математичних моделей резонансних перетворювачів доцільно використовувати теоретичні методи суперпозицій, припасування розв’язків та експериментально-аналітичні методи, вдосконалені для аналізу процесів резонансних перетворювачів. Третій розділ присвячено побудові математичних моделей резонансного перетворювача методом суперпозицій. Для цього розглянуто особливості застосування існуючого методу суперпозицій для аналізу процесів перетворювачів та інших електротехнічних систем. Визначено обмеження методу суперпозицій щодо лінійності і стаціонарності схеми. Основною ідеєю запропонованого методу є визначення простих за виразами та універсальних складових процесів, які можна комбінувати для формування математичних моделей резонансних перетворювачів для потрібних режимів і алгоритмів комутації вентилів. Спочатку на основі математичної моделі для миттєвих величин записуються вирази функцій часу для елементарних вхідних імпульсів і складових процесів, викликаних цими імпульсами. Потім в області зображень записуються перехідні процеси і передатні функції, що складають динамічну модель. Статична модель для стаціонарних вхідних величин є крайньою формою динамічних моделей при постійних вхідних величинах. Для побудови статичної моделі в області оригіналів формуються стаціонарна функція і вирази стаціонарних величин для одного періоду коливань. Із розрахованих статичних характеристик визначаються коефіцієнти динамічної моделі для малих варіації величин. Таким чином, вдосконалений метод суперпозицій дав можливість створити лінеаризовану математичну модель резонансного перетворювача для миттєвих величин, яка враховує різні алгоритми комутації вентилів та в свою чергу дає можливість розрахувати характеристики перетворювача. Лінійна математична модель резонансного перетворювача для миттєвих величин складається за схемою лінійного пасивного багатополюсника методами контурних струмів або вузлових потенціалів за законами Ома і Кірхгофа. В операторній формі вона дає можливість визначити частинні передатні функції лінійного пасивного багатополюсника, що є складовими динамічної моделі резонансного перетворювача. Отримана динамічна модель резонансного перетворювача для амплітудної модуляції описує взаємозв’язок значень напруги живлення і вихідних величин в моменти початку кожного робочого циклу резонансного перетворювача. Період дискретності дорівнює періоду робочого циклу перетворювача. Для визначення динамічної моделі з дрібними періодом квантування треба застосовувати метод припасування розв’язків. Але модель з дрібним періодом не поглинає в одному періоді інвертування і випрямлення коливань в силовій схемі перетворювача, тому потребує особливої інтерпретації розв’язків. Отже доцільно в ході розв’язання поєднувати використання базової динамічної моделі і еквівалентної неперервної моделі резонансного перетворювача. Експерименти імітаційного моделювання дозволили встановити адекватність дискретних динамічних моделей на основі структурних схем неперервним моделям на основі електричних ланцюгів. Похибка моделювання процесів резонансного осцилятора як різниця між вихідними величинами обох моделей в різних режимах не перевищувала 0,5%. Очевидно, що частина цієї похибки обумовлена різними системними похибками розрахунків моделей. У четвертому розділі представлено вирішення задачі узгодження параметрів еквівалентних генераторів з процесами схеми заміщення резонансного перетворювача. Необхідність узгодження виникла із прийняття умови методу суперпозицій про незалежність еквівалентних генераторів, які не завжди можна вважати незалежними. Із множини розв’язків математичної моделі перетворювача обираються ті розв’язки, які узгоджуються з принципом дії перетворювача. Узгодженими повинні бути амплітуди і фази коливань еквівалентних генераторів, які в схемі, наближеній до реальної схеми перетворювача, були б залежними від процесів в схемі або відомими джерелами. Це є, наприклад, діодні і синхронні випрямлячі, інвертори з автогенерацією, тиристорні схеми. В результаті досліджень було встановлено умови узгодження для загального випадку і для двомостового резонансного перетворювача, схема заміщення якого має два еквівалентні генератори. Наведено графіки залежностей фази генератора від регулюючої величини і опору навантаження. Визначено функції стаціонарного струму контуру з використанням методу припасування розв’язків, які дають можливість розрахувати статичні характеристики резонансного перетворювача. Виконано перевірку отриманих залежностей і результатів розрахунків процесів з результатами імітаційного моделювання. Перевірка показала добру збіжність результатів з точністю на гірше 1%, що свідчить про спроможність вдосконаленого методу суперпозицій. П’ятий розділ містить дослідження характеристик резонансного перетворювача вдосконаленим методом суперпозицій. Для досліджень стаціонарних процесів схеми силової частини з трьома джерелами напруги створено схему заміщення і лінійну математичну модель. Наведено два варіанти розрахунків статичних характеристик, зокрема зовнішніх, регулювальних і характеристик ефективності для двох алгоритмів комутації силових вентилів. Розраховані статичні характеристики перетворювача сходяться з даними імітаційного моделювання силової схеми на комп'ютері й підтверджують правильність розрахунків. Також розглянуто динамічну модель для малих відхилень величин процесів. Для визначення концепції динамічної моделі. побудованої методом суперпозицій, розглянуто три приклади резонансних перетворювачів з множинним підключенням джерел. Динамічна модель дає можливості врахувати різні алгоритми комутації вентилів і визначити їхній вплив на динамічні характеристики перетворювача. Головним обмеженням вдосконаленого методу суперпозицій є вимоги до лінійності елементів резонансного ланцюга й навантаження перетворювача, оскільки метод заснований на підсумовуванні окремих складових струму контуру. Для уточнення результатів і обліку нелінійностей елементів перетворювачів доцільно використовувати чисельне моделювання та експериментально-аналітичні методи. Але цінність методу суперпозицій полягає в визначенні максимальних оцінок величин та функціональних залежностей, які досяжні при прагненні до ідеальних характеристик силових елементів перетворювачів. Шостий розділ присвячено дослідженню властивостей резонансного перетворювача вдосконаленим експериментально-аналітичним методом. Використання експериментально-аналітичного методу для дослідження процесів резонансного перетворювача є ефективним завдяки тому, що резонансний перетворювач представляє собою нелінійну систему з визначеною структурою. Тому для визначення математичної моделі в компактному вигляді в експериментально-аналітичний метод закладено похідні моделі як частини складного об’єкту досліджень. Отже ідеєю вдосконаленого експериментально-аналітичного методу є побудова похідних моделей резонансних перетворювачів як сукупності так званих «аналітичних», «алгоритмічних», «схемних», та «ідентифікованих» блоків, які розрізняються за визначенням та побудовою. Паралельно створено прототип вихідної математичної моделі на основі припущень щодо структури силової частини і принципу дії перетворювача. Це є аналітична математична модель з деякими невизначеними параметрами, які визначено в ході ідентифікації похідної моделі. Таким чином виконано параметричну ідентифікацію резонансного перетворювача з використанням імітаційних структурних моделей. Вдосконалений експериментально-аналітичний метод дає можливості: - Побудувати динамічні моделі резонансного перетворювача як об’єкта управління на основі моделей різних типів і для нестаціонарних режимів роботи. В порівнянні з використанням схемної моделі перетворювача це дозволяє визначити взаємозв’язки між параметрами елементів силової схеми і динамічними характеристиками. - Обійти труднощі аналітичного визначення динамічних характеристик і передатних функцій перетворювача, оскільки їх визначення аналітичним шляхом більш складне і в результаті вийдуть занадто громіздкі математичні вирази. В той й же час визначення похідних математичних моделей для простіших структурних складових підсхем перетворювача не викликає труднощів. - Отримати еквівалентні передатні функції меншого порядку, ніж передатні функції, які можуть бути отримані аналітичними методами. Сьомий розділ представляє експериментальний резонансний перетворювач потужністю 300 Вт, призначений для перевірки результатів теоретичних досліджень та для розробки цифрового регулятора вихідних величин. Розраховано характеристики ККД та регулювальні частотні характеристики методом першої гармоніки, символічним методом і методом суперпозицій. Для підтвердження теоретичних результатів окрім натурних експериментів проводилися експерименти з імітаційними моделями резонансного перетворювача і регулятора вихідних величин. Порівняння розрахованих характеристик трьома методами з результатами експериментів показало більшу збіжність характеристик, отриманих методом суперпозицій, з експериментальними даними. Також в даному розділі представлено конструкцію цифрового адаптивного регулятора вихідної напруги, який забезпечив ліпші динамічні характеристики системи, ніж при використанні стаціонарного регулятора. Таким чином, в дисертаційній роботі розвинуто метод суперпозицій для аналізу процесів резонансних перетворювачів електроенергії, який дав можливості створити нові лінеаризовані математичні та динамічні моделі резонансних перетворювачів з різною кількістю джерел електроенергії та різними алгоритмами комутації вентилів. Запропоновано новий комбінований метод аналізу стаціонарних процесів резонансних перетворювачів на основі суміщення методів суперпозиції і припасування розв’язків для отримання функцій стаціонарного струму. Комбінований метод дав змогу визначити статичні характеристики резонансного перетворювача для різних алгоритмів комутації і робочих областей для обмеження регулюючих величин. Теоретичний аналіз процесів резонансних перетворювачів, оснований на припущенні про умовне представлення динамічної моделі як сукупності нелінійної безінерційної частини і лінійної інерційної частини, доповнено і уточнено експериментально-аналітичним методом. В результаті отримав розвиток експериментально-аналітичний метод побудови математичних моделей в часті створення комбінованих моделей резонансних перетворювачів на сонові математичних моделей підсхем і структурних моделей нелінійних елементів. Це дало можливість розширити обмеження теоретичного аналізу і побудувати уточнені динамічні моделі резонансних перетворювачів. Визначено нові залежності для узгодження фаз функції еквівалентних генераторів схеми заміщення резонансного перетворювача з фазою коливань стаціонарного струму контуру, що дали можливість встановити умови подібності розрахованих з використання математичної моделі процесів процесам силової схеми реального резонансного перетворювача. Розроблено лінеаризовані математичні і динамічні моделі, які враховують різні алгоритми комутації вентилів, і уточнені експериментально-аналітичні моделі, які непрямо враховують нелінійність елементів схем резонансних перетворювачів. Встановлено ряд нових закономірностей, корисних для проектування силових схем резонансних перетворювачів і для створення нових систем електроживлення.

Опис

Ключові слова

динамічна модель, математична модель, метод припасування розв’язків, метод суперпозиції, резонансний перетворювач, dynamic model, mathematical model, resonant converter, solution fitting method, superposition method

Бібліографічний опис

Обрубов, А. В. Методи та моделі дослідження електромагнітних процесів резонансних перетворювачів електроенергії : дис. … д-ра техн. наук : 05.09.12 – Напівпровідникові перетворювачі електроенергії / Обрубов Андрій Валерійович. – Миколаїв, 2023. – 405 с.

URI

https://ela.kpi.ua/handle/123456789/63715

DOI

Зібрання

Дисертації (вільний доступ)