189

Разработка автономной системы энергоснабжения от солнечных модулей на основе структур с переключаемыми конденсаторами

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Схемы преобразования постоянного напряжения. Устройства на основе конденсаторных преобразователей с переменной структурой. Повышающие преобразователи, регулировка выходного напряжения. Амплитуда тока через зарядные ключи.

Русский

2012-11-14

702.58 KB

75 чел.

Введение

Цель курсовой работы – разработка автономной системы энергоснабжения от солнечных модулей на основе структур с переключаемыми конденсаторами. Система должна обеспечивать независимость от централизованного энергоснабжения, то есть должна иметь внутреннюю генерацию электрической энергии. Актуальными на сегодняшний момент является автономные системы энергоснабжения для малоэтажного жилищного комплекса.

В настоящее время известно большое количество схем преобразования постоянного напряжения источников в напряжения, необходимой формы. К этим источникам относятся солнечные элементы, аккумуляторные батареи, топливные элементы. В данной работе в качестве источника электроэнергии рассмотрена солнечная батарея.

В работе рассмотрена автономная система энергоснабжения от солнечных модулей на основе структур с переключаемыми конденсаторами. Она включает в себя повышающие и понижающие преобразователи постоянного напряжения на основе структур с переключаемыми конденсаторами. Кроме того содержит инвертор напряжения на основе структур с переключаемыми конденсаторами, преобразующий энергию постоянного тока с выхода повышающего конденсаторного преобразователя в энергию переменного тока, напряжением 220 В, промышленной частоты 50 Гц.

Актуальность темы.

Главной задачей любой автономной системы энергоснабжения является повышение КПД и снижение уровня кондуктивных импульсных помех на выходных зажимах первичного источника.

Главным достоинством структур с переключаемыми конденсаторами заключается в том, что их применение позволит существенно повысить КПД и уменьшить уровень кондуктивных импульсных помех на выходных зажимах первичного источника.

Именно поэтому тема курсового проекта автономная система энергоснабжения на основе структур с переключаемыми конденсаторами является, вне всякого сомнения, актуальной, так как позволяет решить вышеописанные задачи.

Новизна темы.

При использовании современных высокочастотных ключей и керамических конденсаторов с высокими удельными показателями перспективно создание на их основе малогабаритных многоуровневых повышающий, понижающих преобразователей, а так же  инверторов напряжения, базирующихся на основе структур с переключаемыми конденсаторами.

Подобные устройства отличающихся высоким КПД и технологичностью ввиду отсутствия в их составе магнитных элементов, таких как трансформатор. Так же преобразователи на основе ПКП с изменяющейся структурой обладают коэффициентом преобразования более 1.

Идея построения конверторов и инверторов на основе повышающих и понижающих конденсаторных преобразователей с изменяющейся структурой принадлежит к. т. н., доценту Зотову Л.Г.


  1.  Автономная система энергоснабжения на основе структур с переключаемыми конденсаторами

Главные требования при проектировании автономных систем энерго-снабжения (АСЭ) – малые габариты, высокий КПД и низкий уровень создаваемых импульсных помех. КПД Современных устройств преобразования электрической энергии – классических высокочастотных широтно-импульсных инверторов и DC-DC преобразователей, для автономных систем энергоснабжения близок к достижению своего максимально предельного значения. Дальнейшее увеличение КПД на несколько процентов может быть достигнуто снижением коммутационных потерь мощности в силовых ключах применением резонансных методов, обеспечивающих режим их мягкой коммутации, а также уменьшением динамических перепадов напряжения при  переходе из режима отсечки в насыщение. Снижение уровня импульсных помех достигается разумной децентрализацией в сочетании с многотактным режимом работы используемых преобразователей.

Для создания функциональной и структурной схемы устройства необходимо знать механизм функционирования проектируемого устройства. На основе этого можно определить количество блоков, которые должны входить в проектируемое устройство, обозначить, для чего они предназначены, а также указать связи между ними.

Рассмотрим механизм функционирования устройства. Воспользуемся функциональной схемой устройства, представленной на рисунке 1.1

Источник напряжения – солнечная батарея (СБ). Напряжение, из СБ поступает на зарядное устройство (ЗУ), которое, в свою очередь, обеспечивает заряд аккумуляторной батареи (АБ), накопленный заряд на АБ поступает на повышающий конвертор (DC/DC 1), где увеличивается с определенным коэффициентом до нужного значения амплитуды.

Рисунок 1.1—функциональная схема устройства.

Затем увеличенное постоянное напряжение подается на управляемый инвертор напряжения (DC/AC - преобразователь), преобразуется в переменное напряжение с нужной амплитудой и формой, близкой к синусу и прикладывается к нагрузке 1. В свою очередь с АБ накопленный заряд подается на понижающий конвертор (DC/DC 2), изменяется с определенным коэффициентом до нужного значения амплитуды и подается на нагрузку 2.

Поставленная задача повышения КПД и снижения кондуктивных импульсных помех решается применением в составе АСЭ повышающих и понижающих многотактных DC-DC преобразователей (МКП), а также повышающих инверторов на основе структур с переключаемыми конденсаторами. Структурная схема АСЭ представлена на рисунке 1.2

Особенность АСЭ состоит в том, что eё электропитание осуществляется от групп из 4-х  последовательных солнечных модулей (СМ)  RZMP 240-T, соединенных параллельно. Такое решение позволяет применить входную аккумуляторную батарею (АБ) с достаточно высоким выходным напряжением 96 В и тем самым уменьшить сечение и потери мощности в подводящих кабелях. Поступающее напряжение с солнечной батарее заряжает аккумуляторную батарею. В дальнейшем напряжение с АБ дважды удваивается – вначале DC-DC, а затем  DC-AC преобразователями), преобразуется в переменное напряжение с нужной амплитудой и формой, близкой к синусу и идет на нагрузку Rd.

С целью энергосбережения применена светодиодная система освеще-ния (ССО) в сочетании с питающим её, понижающим DC-DC преобразователем с коэффициентом преобразования равным 2. Срок непрерывной светодиодных ламп не менее 100 000 реальных часов, что эквивалентно 25 годам эксплуатации, а тек же ССО отличаются высокой энергоэффективностью. Применение энергосберегающих технологий в малоэтажных жилищных комплексах поможет более эффективно распределять мощность вырабатываемую солнечной батареей. Например, можно использовать светодиодные лампы серии КИПМ42, «Приложение А».

Другая отличительная особенность данной АСЭ в том, что при увеличении напряжения заряда выше 96 Вольт СБ отключаются от АБ и переключаются на тепло-нагревательный элемент (ТЭН), осуществляющий, например, подогрев воды.

Рисунок 1.2— Структурная схема АСЭ.

В  предложенной структурной схеме автономной системы энергоснабжения на основе преобразователей и инверторов с переключаемыми конденсаторами, необходимо  проанализировать основные элементы этого устройства. Такие как, конденсаторные повышающие и понижающие, многотактовые, резонансные DC-DC преобразователи, а также конденсаторный повышающий инвертор на основе структур с переключаемыми конденсаторами. Итогом этого этапа являться выбор оптимального метода построения автономной системы энергоснабжения от солнечных модулей, а так их компьютерное моделирование системы преобразования электрической энергии с использованием программного обеспечения PSIM.


  1.   Устройства на основе конденсаторных преобразователей с переменной структурой

При разработке автономной системы энергоснабжения от солнечных модулей на основе структур с переключаемыми конденсаторами необходимо дать определение системе с переменной структурой.

  1.  Определение системы с переменной структурой и достоинства таких систем

Обычно выбор структуры системы осуществляется исходя из предположения, что совокупность функциональных элементов и характере связей между ними остаются раз и навсегда неизменными. Однако такой взгляд на проектирование систем, не является единственным. При синтезе управляющего устройства можно заранее внести в структуру системы такие функциональные элементы, которые во время протекания процесса управления изменяют структуру системы. Тогда, в зависимости от вы-бранного алгоритма и имеющейся информации система будет обладать различными свойствами. В такой системе удастся сочетать полезные свойства каждой из имеющейся совокупности структур, а иногда и получить какие-либо новые свойства, не присущие любой из них. Следует ожидать, что такой подход позволит существенно повысить эффективность работы таких систем. В дальнейшем под системами с переменной структурой (СПС), структур с переключаемыми конденсаторами,  будем понимать системы, в которых связи между функциональными элементами меняются тем или иным образом, в зависимости от состояния системы управления.

Как правило, система содержит ключевые элементы, которые в соответствии с выбранным логическим законом разрывают или восстанавливают различные каналы передачи информации и энергии, в результате чего изменяется структура системы. Всевозможные сочетания положений контактов определяют совокупность имеющихся в распоряжении фиксированных структур. Система управления на основе анализа поступающей информации дает команду на изменение структуры системы. Рассмотрим специфические достоинства таких систем на примере преобразователей и инверторов с переключаемыми конденсаторами, которые будем использовать для построения системы автономного энергоснабжения. Устройства, реализованные на основе системам с переменной структурой, обладают высокими массогабаритными показателями, поскольку в устройстве нет нетехнологичных элементов, таких как силовых трансформаторов, за счет чего повышается уровень стандартизации схем, что приводит к удешевлению и повышению надежности этих устройств.

  1.  Преобразователи на основе на основе структур с переключаемыми конденсаторами

На основе современных МОП и IGBT ключах и керамических конденсаторах с высокими удельными показателями перспективно создание преобразователей. Эти преобразователи базируются на основе структур с переключаемыми конденсаторами постоянного напряжения – конденсаторные преобразователи, отличающихся высоким КПД и технологичностью ввиду отсутствия в их составе магнитных элементов. Конденсаторные преобразователи включают в себя идентичные конденсаторно-диодные цепочки (КДЦ), состоящие из последовательно соединенных конденсатора и диода, как показано на рисунке 2.1.

Цифрами обозначены ключи, обеспечивающие коммутацию цепочек в систему и позволяющие создавать переменные структуры, в которых связи между функциональными элементами меняются тем или иным образом, в зависимости от состояния системы управления.

Рисунок 2.1 — Конденсаторно-диодная цепочка.

Рассмотрим устройство и принцип работы управляемого повышающего преобразователя постоянного напряжения основе структур с переключаемыми конденсаторами (СПК) и переменной структурой. Базовая схема приведена на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 — Управляемый повышающий

преобразователь основе СПК.

На схеме рисунка 2.2 приведен управляемый повышающий преобразователь на основе СПК с переменной структурой. Схема состоит из источника питания (Еп), КДЦ, сопротивления нагрузки (Rн) и управляемых ключей (1, 2, 3, 4). Ключ 1 служит для управления зарядом КДЦ и носит название зарядный, остальные (2, 3, 4) предназначены для подключения определенного уровня напряжения к нагрузке и называются разрядными.

Принцип работы преобразователя на основе СПК с переменной структурой состоит в параллельном заряде от входного  источника напряжения конденсаторов, входящих в состав идентичных конденсаторно – диодных цепочек (КДЦ) с их последовательным разрядом на нагрузку. Количество включенных в схему КДЦ определяет количество ступеней, которое можно создать при помощи этой схемы,

а амплитуда каждой сформированной ступени равна амплитуде входного напряжения.

Рассмотрим формирование каждой ступени выходного напряжения. В начальный момент времени, открываются зарядные ключи (ключ 1) , и конденсаторы через диоды заряжаются от входного источника напряжения до напряжения питания . На следующем этапе, зарядные ключи закрываются и открываются разрядные ключи в такой комбинации, которая будет обеспечивать на выходе схемы требуемый уровень напряжения.

Формирование первой ступени напряжения, когда напряжение на нагрузке равно напряжения питания (Uн = Eп). Такой уровень напряжения получается при непосредственном подключении источника питания к нагрузке. Разрядный ключ 4 открыт, все остальные ключи закрыты, напряжение питания через диод приложено к нагрузке.

Формирование второй ступени напряжения, когда напряжение на нагрузке равно удвоенному напряжению питания (Uн = 2Eп). Такой уровень напряжения получается при открытии разрядных ключей 2 и 4 первой цепочки. Напряжение питания оказывается включенным последовательно с конденсатором, заряженным до того же напряжения. К нагрузке приложено удвоенное входное напряжение.

Формирование третей ступени напряжения, когда напряжение на нагрузке равно утроенному напряжению питания (Uн = 3Eп). Такой уровень напряжения получается при открытии разрядного ключа 4 для первых двух цепочек. Напряжение питания включено последовательно с уже двумя конденсаторами и на выходе схемы имеем утроенное входное напряжение.

Таким образом, меняя количество КДЦ, можно получить преобразователь с необходимым количеством уровней напряжения. При этом если количество КДЦ принять равным N, то количество уровней напряжения, которые способен генерировать конвертор будет равно N+1, а максимальный уровень выходного напряжения окажется равным .

Частотные свойства данной схемы ограничиваются временем заряда/разряда конденсаторов, временем перехода ключей из открытого состояния в закрытое и обратно.

Среднее время включения современных полевых транзисторов tФ колеблется в районе 50нс. За один период коммутации происходит открытие и закрытие ключа, таким образом общее время, которое ключ находится в неуправляемом состоянии tН = 100нс. Необходимо, чтобы tН было не более 5% от периода коммутации.

Из этого условия можем посчитать максимально возможную частоту коммутации ключей:

                               (2.1)

                                       (2.2)

                              (2.3)

Из формулы (2.3) следует, что , где  – частота коммутации ключей. Максимально возможная частота коммутации ключей .

  1.  Моделирование повышающего преобразователя с переключаемыми конденсаторами постоянного напряжения в программной среде PSIM

На рисунке 2.3 представлена схема преобразователя напряжения с режимом мягкой коммутации. Конвертор напряжения работает на одну нагрузку Rd = 10 Ом, обеспечивает коэффициент преобразования равный   (уровень напряжения на нагрузке ).

Катушки индуктивности L1 – L6 предназначены для устранения токовых перегрузок, создают условия для того чтобы потребление тока от источника более плавным и равномерным. Индуктивность введена в каждую из зарядных цепей, тем самым создается режим мягкой коммутации зарядных ключей.

В схеме конденсаторно-диодные цепочки объединены в 3 группы по 2 КДЦ. При моделировании обеспечиваем фазовый сдвиг  в 120 между управляющими сигналами каждой из групп. Емкость каждого из конденсаторов 100 мкФ, тактовая частота – 20 кГц. Необходимо рассчитать значение зарядовой индуктивности.

Рисунок 2.3 — Преобразователь напряжения с переключаемыми конденсаторами

  1.  Расчет зарядной индуктивности

Величина индуктивности, которая требуется для цепи заряда, рассчитывается на выбранную тактовую частоту так, чтобы период получившегося в результате колебательного контура равнялся периоду, соответствующему тактовой частоте.

Схема с последовательным соединением RLС, аналогично соединению конденсаторно – диодной цепочки (КДЦ) с катушкой индуктивности для обеспечения режима мягкой коммутации. Схема последовательного соединения индуктивности и емкости представлена на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 — Схема последовательного включения индуктивности и емкости

Эпюр с приведенной функцией зарядного тока на интервале приведен на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 — Напряжение в RLC контуре

Форма тока, протекающего в цепи на рисунке 2.4 описывается выражением (2.4).

      (2.4)

Или               ,    где

                                       (2.5)

Полагая, R = 0 определяем формируем условия для определения периода  синусоидального колебания зарядного тока .

                                             (2.6)

                                           (2.7)

Проанализировав выражения (2.4) – (2.7) можно сделать следующий вывод:

                                                 (2.8)

Принимая во внимания, что , получаем следующее выражение для расчёта индуктивности мягкого включения КДЦ.

                                               (2.9)

Тактовая частота конвертора при моделировании была задана равной 20 кГц. Зная значение емкости конденсатора (С) и тактовую частоту (f)  найдем требуемое значение индуктивности для режима мягкого включения:

                                               (2.10)

              (2.11)

На рисунке 2.6 представлена модель преобразователя напряжения в программной среде PSIM. Со следующими параметрами. Емкость каждого из конденсаторов C1 – С6 = 100 мкФ, тактовая частота F – 20 кГц, величина индуктивностей в зарядных цепях L1 – L6 = 0.6332 мкГн. Напряжение питания ЕП = 100 В. Нагрузка представлена сопротивлением, номиналом Rd = 10 Ом.

Данное схемотехническое решение построения преобразователя с переключаемыми конденсаторами постоянного напряжения позволяет получить коэффициент преобразования равный 3, следовательно напряжение на нагрузке Rd должно быть на уровне 300 В

Рисунок 2.6 — Модель преобразователя напряжения в PSIM 

  1.  Анализ результатов моделирования

Работа преобразователя на одну нагрузку, уровень напряжения на нагрузке . В схеме цепочки объединены в 3 группы по 2 КДЦ. При моделировании схемы отсутствует фазовый сдвиг между управляющими сигналами КДЦ, входящих в одну группу, но обеспечиваем фазовый сдвиг  в 120 между управляющими сигналами каждой из групп. 

График выходного напряжения, получившийся в результате моделирования, приведен на рисунок 2.7. График выходного напряжения, получившийся в результате моделирования, в установившемся режиме и без переходного процесса приведен на 2.8. Максимальное значение напряжение Uout_max = 304,74 В, минимальное значение напряжение Uout_min = 294,97 В, среднее значение напряжение Uout_x = 299,85 В.

Тактовая частота конвертора при моделировании была задана равной 20 кГц. Учитывая фазовый сдвиг между сигналами управления группами КДЦ, частота пульсаций выходного напряжения должна быть в 3 раз больше.

Рисунок 2.7 — Выходное напряжение повышающего преобразователя

Рассмотрим график на рисунке 2.8, на нем представлено выходное напряжение Uout уже в установившемся режиме, можно убедиться, что частота пульсаций выходного напряжения действительно в 3 раза больше, так как период пульсаций выходного напряжения . Частоту пульсаций можно рассчитать по формуле (2.12)

Рисунок 2.8 — Выходное напряжение повышающего конвертора

(2.12)

Соответственно частота пульсаций .

Рассмотрим зарядные токи через индуктивности схемы преобразователя напряжения в установившемся режиме работы схемы, график которых представлен на рисунке 2.9.

Рисунок 2.9 — Зарядные токи повышающего конвертора

Из рисунка 2.9 видно, что зарядные токи через индуктивности L1L6 равны и максимальное значение IL_max =  31,5 А, заряд происходит по синусоидальному закону. Итак, подтверждается, введение в каждую из зарядных цепей индуктивности устраняет токовые перегрузки, создания условия, чтобы потребление тока от

источника было более плавным и равномерным.

Рассмотрим ток на нагрузке Rd, график с учетом переходного процесса представлен на рисунке 2.10. Как и ожидалось форма тока в нагрузке Rd повторяет форму напряжения Uout. В установившемся режиме и без переходного процесса можно определить значения тока в нагрузке. 

Рисунок 2.10 — Ток на нагрузке Rd

Максимальное значение тока в нагрузки IRd_max = 30,474 А, минимальное значение IRd_min = 29,497 А, среднее значение IRd_x = 29,985 А.

Рассмотрим ток через конденсатор C1первой конденсаторно-диодной цепочки, график которого приведен на рисунке 2.11.

Рисунок 2.11 — Ток через конденсатор С1

Зарядный ток на конденсаторе C1первой конденсаторно-диодной цепочки

повторяет форму тока через зарядную индуктивность, достигая того же максимального значения соответственно IС1_max =  31,5 А. Затем структура изменяется и конденсатор С1 разряжается на нагрузку до нулевого значения.

Рассмотрим ток, потребляемый от источника питания (I_in). На рисунке 2.12 показан график этого тока, полученный в результате моделирования.

Рисунок  2.12 — Ток, потребляемый конвертором от источника питания

Проведя анализ схемы повышающего преобразователя на основе структур с переключаемыми конденсаторами можно сделать следующие выводы. Для устранения токовых перегрузок и чтобы сделать потребление тока от источника более равномерным в зарядную цепь КДЦ необходимо ввести катушку индуктивности для обеспечения равномерного с минимальной амплитудой зарядного тока. Индуктивность этой катушки нужно рассчитывать исходя из параметров схемы и руководствуясь формулой (2.10). За счет введения катушки в зарядную цепь существенно снизились зарядные токи, токи, потребляемые конвертором от источника питания, рисунок 2.12.

Введение индуктивностей в цепи заряда приводит к наличию переходного процесса в начальный момент времени и к тому, что среднее значение напряжения на нагрузке максимально приближено к желаемому , Uout_x = 299,85 В.


  1.   Конденсаторные преобразователи постоянного напряжения на основе структур с переключаемыми конденсаторами для автономных энергосистем

В данной главе рассмотрен метод построения  повышающих конденсаторных преобразователей резонансного типа с переключаемыми конденсаторами, имеющих высокий КПД и способных путем изменения структуры перераспределять энергетические потоки от основного источника между одновременно работающими потребителями. Приведены результаты анализа электрических процессов и оптимизации по критерию минимума уровня кондуктивной импульсной помехи.

  1.  Повышающие преобразователи

В автономных сетях постоянного тока находят применение конденсаторные преобразователи постоянного напряжения (КППН), работающие по принципу параллельного (последовательного) заряда конденсаторов от входного  источника постоянного напряжения с их последующим последовательным (параллельным) разрядом на нагрузку. Инвестиционная привлекательность КППН обусловлена областью применения в автономных объектах с высокой требуемой энергоэффективностью – энергосистемы малоэтажных жилых комплексов, автомобилей и т.д. Предлагаемые КППН обладают не только малыми габаритами, технологичностью производства (сетевые трансформаторы отсутствуют), но и высоким КПД  благодаря применению резонансных высокочастотных ключевых элементов – МОП и IGBT  транзисторов. Кроме того, внедрение новых, перспективных методов построения КППН с изменяющейся структурой, дает реальную возможность дополнительно снизить их габариты и существенно уменьшить уровень создаваемых ими импульсных помех.

На рисунке 3.1 приведена схема регулируемого повышающего КППН, обладающего всеми перечисленными положительными свойствами. Снижение габаритов и увеличение КПД достигается соответственно благодаря увеличению частоты преобразования до величины порядка 500кГц и выше и уменьшением коммутационных потерь в высокочастотных зарядных ключах 1 введением в силовую цепь  последовательных реакторов 2, обеспечивающих режим  их мягкой коммутации.

Рисунок  3.1 — Структурная схема резонансного,

регулируемого повышающего КППН

Преобразователь состоит из идентичных конденсаторно-диодных цепочек (КДЦ) – (элементы 1, 2, 3, 4), объединенных в группы однотипных конденсаторных преобразователей (ОКП) по числу потребителей на которые они нагружены. Если количество КДЦ в отдельном  ОКП – nj, а число ОКП в группе равно kj,где j = 1, 2,…, K -  число потребителей КППН, то при условии, что все цепочки задействованы, выражение  связывающее   kj и nj с общим числом цепочек преобразователя N, имеет вид:

      (3.1)

КППН имеющий две нагрузки, работает следующим образом. В исходном состоянии преобразователь состоит из двух групп, содержащих соответственно k1 и k2 (целые числа) повышающих  ОКП. Последние состоят из n1 и n2 цепочек каждый. Группы ОКП работают на соответствующие нагрузки.

Принцип действия повышающего ОКП заключается в периодическом параллельном подзаряде конденсаторов его цепочек от входного источника постоянного напряжения E через зарядные ключи 1 с их последующим последовательным разрядом на нагрузку через соответствующие данному состоянию разрядные ключи.

Так как разряд конденсаторов на нагрузку происходит через последовательно соединенный источник E, то силовая цепь ОКП упрощается уменьшением числа КДЦ на единицу. В результате выходные напряжения преобразователя оказываются равными:

 ,     (3.2)

.    (3.3)

Регулировка выходного напряжения осуществляется изменением n1 и n2. Увеличение количества ОКП – k1 и k2 приводит к пропорциональному увеличению максимальных токов соответствующих нагрузок. При этом цепочки могут отключаться от слаботочной нагрузки и подключаться к потребителю, ток которого увеличился и наоборот. Это позволяет более полно использовать установленную емкость силовой цепи преобразователя и, следовательно, улучшить его массогабаритные показатели. Изменение структуры силовой цепи КППН и связанное с ним изменение n1, n2 и k1, k2 легко осуществляется коммутацией сигналов управления разрядных ключей (5-27).

С целью минимизации уровня кондуктивной импульсной помехи на зажимах входного источника E подзаряд конденсаторов ОКП в группах осуществляется положительными импульсами синусоидального тока длительностью  . При этом импульсы  равномерно распределенными по периоду  со сдвигом друг относительно друга равным  рисунок 3.2. Зарядный ток ОКП - той группы определяется выражением:

    (3.4)

где  временной сдвиг последовательности импульсов зарядного тока j - той группы ОКП относительно начала координат,   амплитуда зарядного тока ОКП   j - той группы, пульсация напряжения на конденсаторах ОКП  j - той группы.


Рисунок  3.2 — Временные диаграммы процессов группы ОКП

 - характеристическое сопротивление зарядного контура ОКП j - й группы,  - среднее значение тока j - той нагрузки, - резонансная частота зарядного контура, L,C- индуктивность и емкость КДЦ, - разрывная единичная функция равная единице внутри интервала указанного в квадратных скобках и равная нулю вне его.

Кондуктивную импульсную помеху, создаваемую j – той группой ОКП  удобно оценить действующим значением переменной составляющей тока :

,  (3.5)

где – среднее значение зарядного тока .

С увеличением количества ОКП в группе - kj происходит уменьшение . В таблице 3.1 приведены результаты моделирования иллюстрирующие темпы снижения уровня кондуктивной импульсной помехи с увеличением kj.

Активная мощность j - той  нагрузки определяется средним значением . Поэтому, сравнивая величины  для  одинаковых  средних значений , приходим к выводу, что уменьшение действующего значения тока помехи  для нечетных kj 

   Таблица 3.1

kj

kj

2

0.483455

0.042200

3

4

0.097759

0.015040

5

6

0.042200

0.007927

7

происходит  на существенно меньшем уровне. Например, величины  для k j равных трем и шести совпадают. Отсюда следует вывод о целесообразности построения групп только из нечетного количества ОКП.

Из закона сохранения заряда следует, что средние значения токов всех ключей ОКП j - той группы одинаковы и равны:

,      (3.6)

Амплитуда тока через зарядные ключи 1 ОКП j - той группы определяется выражением:

.     (3.7)

Количество ОКП  в группах  , величина емкости С и индуктивности L цепочек определяются из максимального требуемого тока  , коэффициента пульсации напряжения по первой гармонике       j – той нагрузки и частоты коммутации ключей

   (3.8)

     (3.9)

Если закон изменения структуры КППН задан, то его силовая цепь существенно упрощается. Например, если при n1 = 1, n2 = 2 и N = 6 требуется обеспечить работу КППН в двух состояниях (k1 = 2, k2 = 2) и (k1 = 0, k2 = 3), то один из возможных вариантов реализации его силовой цепи представлен на рисунке 3.3.

 

Рисунок  3.3 — Принципиальная схема силовой цепи КППН

Первое состояние реализуется запиранием ключа 11. При этом четыре первые и две последние цепочки образуют группы по два ОКП с коэффициентами преобразования равными трем и двум, что соответствует состоянию КППН (k1 = 2, n1 = 1, k2 = 2, n2 = 2). Второе состояние (k1 = 0, k2 = 3) реализуется запиранием ключей 10,13 и 14. При этом  две последние  цепочки  объединяются в ОКП  с коэффициентом  преобразования равным трем, который совместно с двумя  аналогичными ОКП и диодами (15-17) образуют новую группу, обеспечивающую второе состояние КППН (k1 = 0, n1 = 0, k2 = 3, n2 = 2).

Если для реализации каждого из состояний используется  установленная мощность всех элементов силовой цепи, то выигрыш по их количеству максимален и определяется отношением  числа  КДЦ необходимых для одновременного обеспечения максимальной мощности всех потребителей к числу цепочек достаточному для создания максимальной мощности в одной из них. Выигрыш максимален при поочередной работе потребителей и равен их числу - K.

   (3.10)

Дальнейшее уменьшение уровня кондуктивной импульсной помехи при одновременной работе КППН на несколько нагрузок достигается оптимальным  выбором временных сдвигов , (j=1, 2,…, K) последовательностей зарядных токов  отдельных групп ОКП. Критерий оптимизации формулируется следующим образом: при одинаковых частотах коммутации ключей , работающих со скважностью равной двум, определить временные сдвиги  последовательностей синусоидальных импульсов тока  отдельных групп ОКП, доставляющих минимум квадрату действующего значения суммарного зарядного тока , потребляемого всеми группами ОКП от входного источника Е:

   (3.11)

здесь  наименьшее количество ОКП в группах КППН. Оптимальный выбор временных сдвигов  обеспечивает также минимум квадрата действующего значения переменной составляющей суммарного зарядного тока . Его значение характеризует энергию кондуктивной импульсной помехи, создаваемой КППН. Величина постоянной составляющей суммарного зарядного тока не зависит от  и равна:

  (3.12)

Если  наибольшее количество ОКП в группах  КППН, то для двух нагрузок анализ дает следующие выражения для оптимальных временных сдвигов .   и , соответственно для четных и нечетных значений .  Например для первого состояния КППН рисунок.3.3 (k1 = 2, n1 = 1), (k2 = 2, n2 = 2), оптимальный временной сдвиг   рисунок.3.4.

Рисунок  3.4 — Временные диаграммы КППН при k1=k2=2

При этом минимальное действующее  значение  переменной составляющей суммарного зарядного тока КППН определяется выражением

 (3.13)

При    его величина максимальна и равна

 (3.14)

 Если  КППН одновременно работает на две нагрузки, группами из трех ОКП      (k1 = k2 = 3), то  оптимальный сдвиг   рисунок 3.5, а соответствующее ему минимальное значение квадрата действующего суммарного зарядного тока:

                     (3.15)

Его максимум также достигается  при

   (3.16)

Важно отметить, что для типовых  эффективность проведенной оптимизации    весьма существенна.

Рисунок  3.5 — Временные диаграммы КППН при k1=k2=3.

Для ее оценки достаточно сравнить максимальные и минимальные значения . При одинаковых амплитудах импульсов тока в группах I1 = I2 величина выигрыша составляет 24.41 раза для k1 = k2 = 2 и 15.46 раза для k1 = k2 = 3.

Вывод.

В данной работе был предложен принцип построения регулируемых конденсаторных повышающих преобразователей  постоянного напряжения резонансного типа, имеющих высокий  КПД и  способных путем изменения структуры перераспределять энергетические потоки от основного источника между одновременно работающими потребителями. Проведен анализ электрических процессов, позволяющий рассчитать параметры режимов работы элементов силовой цепи и дать рекомендации по применению в группах КППН только нечетного количества ОКП. А так же оптимальный выбор временных  сдвигов управляющих сигналов подтвердил высокую эффективность КППН по снижению уровня создаваемой кондуктивной импульсной помехи.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

30676. Тема греха и покаяния в русской литературе 13.81 KB
  Особенно остро ставил проблему греха и покаяния в своем творчестве Ф.Проблему нравственного греха и покаяния ставил не только Ф.Таким образом тема греха и покаяния проходит через творчество многих русских писателей.
30677. Философские вопросы бытия в лирике С.А. Есенина (на примере 3 -4 стихотворений по выбору экзаменуемого). Тема жизни и смерти в стихотворении «Мы теперь уходим понемногу…» 14.68 KB
  Тема жизни и смерти в стихотворении Мы теперь уходим понемногу В своей философской лирике Есенин ставит множество вопросов обращенных в первую очередь к самому себе: чем я жил что я успел для чего пришел в этот миЕсенин всегда ощущал себя частью этого мира. Часто он находил отклик своим мыслям в мире природы поэтому его философская лирика темно переплетается с пейзажной и наполнена аналогиями между законами человеческой жизни и законами природы. Жизненный путь пройден природа завершила свой кругСоотношение весны человека и...
30679. Тема подвига и самопожертвования в русской литературе 14.15 KB
  Подвиг самопожертвование могут восприниматься писателями поразному. Человек совершает подвиг не только в исключительные моменты своей жизни но и в семейнобытовом социальном философском плане. Если бы не слова князя Андрея никто бы не узнал о его подвиге.
30680. Тема России в лирике Блока. Чтение наизусть «Река раскинулась. Течет, грустит лениво…» 14.97 KB
  Течет грустит лениво Тема Родины России занимала в творчестве Блока особое место и была для него поистине всеобъемлющей. В стихотворении Осенняя воля 1905 отчетливо прослеживаются лермонтовские традиции творчества Блока:Выхожу я в путь открытый взорамВетер гнет упругие кустыБитый камень лег по косогорамЖелтой глины скудные пластыЛирический герой Блока не случайный прохожий а один из сыновей России идущий знакомым путем и сопричастный горькой судьбе тех кто умирает не любя но кто стремится к слиянию с родиной: Приюти ты в...
30682. Тема чести в произведениях отечественной классики XIX века 18.92 KB
  Проблема чести была актуальна во все времена но особенно ярко это проявилось в литературе 19го века.Тема чести – одна из основных в романе А. Кодекс дворянской чести требовал чтобы герой отдал за императрицу свою жизнь и Гринев был готов на это.
30683. Тематика и художественные особенности «Сказок» М. Е. Салтыкова-Щедрина 15.75 KB
  СалтыковаЩедрина Известно что СалтыковЩедрин начал писать свои политические сказки еще в шестидесятые годы и что именно эти небольшие по объему произведения стали вершиной его творчества итоговым произведением. Одной из самых известных сказок СалтыковаЩедрина является “Повесть о том как один мужик двух генералов прокормилâ€. Спасенные и разбогатевшие генералы проявляют свою “благодарность†высылают ему пятак серебром да рюмку водки “веселись мужичинаâ€Во многих других сказках Салтыкова можно встретить применение...
30684. Тип «гордого человека» и его воплощение в произведениях отечественной литературы 14.8 KB
  Гордость – один из семи смертных грехов. Все эти герои несмотря на разнообразие их характеров обладают одной ведущей чертой – гордостью. Своей гордостью и эгоизмом он приносит несчастья многим героям даже совершает убийство друга на дуэли. Любовь и гордость находятся на разных полюсах.