43 использование повышающего преобразователя в качестве

III российская молодежная научная школа-конференция
«Энергетика, электромеханика и энергоэффективные технологии глазами молодежи»
Секция 1. Энергоэффективные технологии в электромеханике
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОВЫШАЮЩЕГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ В КАЧЕСТВЕ
ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
Федюк Р. С., Мочалов А. В., Тимохин А. М., Муталибов З. А., Ильинский Ю. Ю.
Дальневосточный федеральный университет, г. Владивосток
Используя электронный конвертер-источник тока, можно сформировать ток на
входе, обозначенном мостовым выпрямителем, синусоидальный и находящийся в фазе
с входным напряжением.
Выбор электронного преобразователя базируется на следующих положениях:
- в основном, электрическая изоляция между входом нагрузки и выходом силовой
электронной системы не нужна (например, в двигателях постоянного и переменного
тока) или может быть выполнена при условии применения преобразователя второго
уровня, как в переключателе режима силовых устройств постоянного тока;
- во многих случаях желательно стабилизировать напряжение постоянного тока Ud
немного c запасом от максимального входного напряжения переменного тока;
- входной ток должен быть как можно более идеальным, как при коэффициенте
мощности, равном единице, так, чтобы интерфейс силовой электроники имитировал
резистор, представленный источником нагрузки. Это также подразумевает, что
электрический ток всегда однонаправленный – из источника нагрузки в
электрооборудование.
- цена, потери и размеры источника тока должны быть минимизированы [1].
Базируясь на этих правилах, изоляция линейно-частотного преобразователя
исключена. Также, если это приемлемо, то Ud>Us, где Us – пик переменного входного
напряжения. Таким образом, очевидным выбором для источника тока является
повышающий DC-DC преобразователь.
Этот преобразователь представлен на рис. 1, где конденсатор Сd используется для
минимизации пульсаций Ud и удовлетворения требований накопления энергии систем
силовой электроники. Постоянный ток Iload, представляет собой мощность, подаваемую
в остальной части системы (высокочастотный компонент в выходном токе фактически
отфильтровывается Сd). Для простоты, внутренняя индуктивность Ls источника не
включена на данный рисунок.
Входной ток is желательно подавать синусоидальным и софазным с Us. На практике,
потери в мостовом выпрямителе и повышающем DC-DC преобразователе довольно


малы и в ряде случаев ими можно пренебречь. Учитывая, что U S  2U S , I S  2I S ,
входная мощность источника переменного тока:

pin (t )  Uˆ S sin t I S sin t  U S I S U S I S cos 2t
Из-за довольно большой емкости Сd, напряжение Ud может изначально считаться
постоянным: Ud (t) = Ud. Поэтому выходная мощность Рd (t) = UdId(t),
где согласно рис. 1:
Id (t) = Iload+ic(t)
Если повышающий преобразователь на рис. 1 идеальный, то можно предположить,
что он будет функционировать на частоте переключения приближенной к
бесконечности. и Ld будет пренебрежительно мала. Это позволяет предположить,
что pin (t)  pd (t) в любой мгновенный момент времени.
Поэтому i d (t )  i load  i c (t )  U S I S cos 2t , где среднее значение I d  I load  U S I S и ток
Ud
через конденсатор: I c (t )   U S I S cos 2t   I d cos 2t
Ud
43
Ud
III российская молодежная научная школа-конференция
«Энергетика, электромеханика и энергоэффективные технологии глазами молодежи»
Секция 1. Энергоэффективные технологии в электромеханике
Даже если это предположение выполняется, на конденсаторе будет напряжение
постоянного тока практически без пульсаций, а пульсации Ud могут быть вычислены
как:
Vd , ripple (t ) 
I
1
i c dt   d sin 2t , которые можно поддерживать на низком уровне,
Cd 
2C d
выбрав соответствующим образом большое значение Сd. Серия LC-фильтров,
настроенная на удвоенную частоту переменного тока, может быть включена в
параллель к Сd для минимизации пульсации постоянного напряжения [2].
Рис. 1. Схема повышающего преобразователя
Следует отметить, что частотные компоненты токов id и высокочастотные
компоненты токов нагрузки будут также протекать через Сd. Поскольку входной ток
повышающего преобразователя имеет определенную форму, повышающий
преобразователь работает в токорегулируемом режиме, в связи с преобразованием из
постоянного в переменный ток [3].
Управление с обратной связью показано на блок-схеме (рис. 2), где - заданное или
требуемое значение тока i*L
Рис. 2. Управление с обратной связью повышающего преобразователя
Здесь i*L имеет такую же форму как U S Амплитуда i*L должна быть такая, чтобы
поддерживать выходное напряжение на заданном или исходном уровне U*d , несмотря
на изменения при нагрузке и отклонения напряжения в сети от номинального значения.
Форма сигнала i*L получена путем измерения U S с помощью резистивного делителя
напряжения и умножив его с усиленной ошибки между исходной величиной U*d и
фактическим измеренным значением Ud. Фактический ток iL определяется, как
правило, путем измерения напряжения через небольшой резистор, вставленный в
44
III российская молодежная научная школа-конференция
«Энергетика, электромеханика и энергоэффективные технологии глазами молодежи»
Секция 1. Энергоэффективные технологии в электромеханике
направлении, обратном iL. Состояние переключателя в повышающем преобразователе
управляется посредством сравнения фактического тока iL и i*L.
Мгновенное значение i*L и iL определяется различными способами реализации
текущего контроля режима из повышающего преобразователя. Четыре таких способа
представлены ниже, где fs – частота переключения и Irip – пиковая пульсация iL в
течение одного периода времени от частоты переключения. Определение контроля
постоянной частоты описано более подробно.
1. Контроль постоянной частоты. Здесь частота переключения fs держится
постоянной. Когда iL достигает i*L, переключатель повышающего преобразователя
отключается. Переключатель включен на определенное время на фиксированной
частоте fs, что приводит к значению iL, как показано на рис 6, а. Компенсация наклона
разгона должна быть выполнена, в противном случае iL будет неравномерным в
соотношении переключателя долг в избыток 0,5 нормального Irip как показано на рис. 3.
Рис. 3. Контроль постоянной частоты
а) «пилообразный» вид iL при постоянной частоте переключения fs,; б) установившееся
значение пиковой пульсации Irip ; в) зависимость коэффициента d oт ωt
2. Постоянная допуска к диапазону регулирования. Здесь ток iL управляется таким
образом, что пиковая пульсация Irip остается постоянной. С предварительным выбором
значений Irip, iL вынуждена быть в пределах допуска iL   1 I rip и iL   1 I rip и путем
2
2
регулирования положения переключателя [4].
3. Переключение на ручной контроль. Здесь пиковая пульсация Irip увеличивается
пропорционально мгновенному значению U S .
45
III российская молодежная научная школа-конференция
«Энергетика, электромеханика и энергоэффективные технологии глазами молодежи»
Секция 1. Энергоэффективные технологии в электромеханике
В противном случае, этот подход аналогичен управлению постоянной допускадиапазона.
4. Управление прерывистым током. В этой схеме, ключ выключен, когда iL достигает
двукратного значения i*L.
Ключ держится закрытым, пока iL не достигает нуля. В этот момент времени
выключатель обратно включается. Это можно рассматривать как частный случай
переменной допуска диапазона регулирования.
В течение периода частоты переключения предполагается, выходное напряжение
постоянно Vd и входное напряжение повышающего преобразователя считается
постоянным в этот момент времени; Irip – пиковая пульсация тока в течение одного
периода времени частоты переключения.
Следующие формулы могут быть выведены из рис. 1, в течение интервала ton и
интервала закрытия ключа toff
Ld I rip
(1)
t on 
t off 
Частота переключения fs:
fS 
US
L d I rip
(2)
Ud  US
U d  U S U S
1

t on  t off
Ld I ripU d
(3)
В схеме с контролем постоянной частоты fs , которая в этой формуле постоянна, и,
следовательно:
I rip 
U
d
 U S U S
(4)
f S Ld U d
Рис. 3, б показывает график нормальной Irip как функцию от U S / U d , учитывая, что в
повышающем преобразователе отношение U S / U d должно быть ≤ 1.
Максимальный ток пульсаций задается как
Ud
(5)
I rip, max 
4 f S Ld
где
US 
1
Vd
2
ЛИТЕРАТУРА
1. Mohan N. Power electronics. – New York, 2005. – 802 p.
2. Шкрабец Ф.П. Контроль параметров изоляции и режима настройки дугогасящих
реакторов / Ф.П. Шкрабец, А.В. Остапчук // Горный информационно-аналитический
бюллетень (научно-технический журнал). - 2004. - № 6. - С. 320-322.
3. Костинский С.С. Регулируемый дугогасящий реактор / С.С. Костинский, В.В.
Михайлов, Д.С. Алексеева, В.В. Лопанский // Известия высших учебных заведений.
Электромеханика. - 2014. - № 3. -С. 51-54.
4. ЧэньВей Сянь. Новый способ гашения дуги однофазного короткого замыкания в
сетях с изолированной нетралью / ЧэньВей Сянь, Чень Хо // Электричество . - 2009.
- № 1. - С. 54-57.
46