Високочастотні транзисторні перетворювачі у системах електроживлення технологічних установок

Представлено результати досліджень за останній рік з трьох основних напрямків наукової діяльності співробітників відділу транзисторних перетворювачів (№ 15), а саме: розробка та дослідження високочастотних високовольтних пристроїв для бортових електронно-променевих технологічних установок; розробка...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2009
Hauptverfasser:	Юрченко, О.М., Юрченко, М.М., Гуцалюк, В.Я., Павловський, В.О., Твердохліб, Ю.О., Герасименко, П.Ю.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainian
Veröffentlicht:	Інститут електродинаміки НАН України 2009
Schriftenreihe:	Праці Інституту електродинаміки НАН України
Schlagworte:	№ 15. Відділ транзисторних перетворювачів
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/63711
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Високочастотні транзисторні перетворювачі у системах електроживлення технологічних установок / О.М. Юрченко, М.М. Юрченко, В.Я. Гуцалюк, В.О. Павловський, Ю.О. Твердохліб, П.Ю. Герасименко // Праці Інституту електродинаміки Національної академії наук України: Зб. наук. пр. — К.: ІЕД НАНУ, 2009. — Вип 23. — С. 118-127. — Бібліогр.: 8 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-63711
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-637112025-02-23T19:47:33Z Високочастотні транзисторні перетворювачі у системах електроживлення технологічних установок Юрченко, О.М. Юрченко, М.М. Гуцалюк, В.Я. Павловський, В.О. Твердохліб, Ю.О. Герасименко, П.Ю. № 15. Відділ транзисторних перетворювачів Представлено результати досліджень за останній рік з трьох основних напрямків наукової діяльності співробітників відділу транзисторних перетворювачів (№ 15), а саме: розробка та дослідження високочастотних високовольтних пристроїв для бортових електронно-променевих технологічних установок; розробка та дослідження високочастотних транзисторних перетворювачів для установок індукційних технологій; дослідження електромагнітної сумісності систем електроживлення з високочастотними транзисторними перетворювачами. Представлены результаты исследований за последний год по трем направлениям научной деятельности сотрудников отдела транзисторных преобразователей (№ 15), а именно: разработка и исследование высокочастотных высоковольтных устройств для бортовых электронно-лучевых установок; разработка и исследование высокочастотных транзисторных преобразователей для установок индукционных технологий; исследование электромагнитной совместимости систем электропитания с высокочастотными транзисторными преобразователями. 2009 Article Високочастотні транзисторні перетворювачі у системах електроживлення технологічних установок / О.М. Юрченко, М.М. Юрченко, В.Я. Гуцалюк, В.О. Павловський, Ю.О. Твердохліб, П.Ю. Герасименко // Праці Інституту електродинаміки Національної академії наук України: Зб. наук. пр. — К.: ІЕД НАНУ, 2009. — Вип 23. — С. 118-127. — Бібліогр.: 8 назв. — укр. 1727-9895 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/63711 621.314 uk Праці Інституту електродинаміки НАН України application/pdf Інститут електродинаміки НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	№ 15. Відділ транзисторних перетворювачів № 15. Відділ транзисторних перетворювачів
spellingShingle	№ 15. Відділ транзисторних перетворювачів № 15. Відділ транзисторних перетворювачів Юрченко, О.М. Юрченко, М.М. Гуцалюк, В.Я. Павловський, В.О. Твердохліб, Ю.О. Герасименко, П.Ю. Високочастотні транзисторні перетворювачі у системах електроживлення технологічних установок Праці Інституту електродинаміки НАН України
description	Представлено результати досліджень за останній рік з трьох основних напрямків наукової діяльності співробітників відділу транзисторних перетворювачів (№ 15), а саме: розробка та дослідження високочастотних високовольтних пристроїв для бортових електронно-променевих технологічних установок; розробка та дослідження високочастотних транзисторних перетворювачів для установок індукційних технологій; дослідження електромагнітної сумісності систем електроживлення з високочастотними транзисторними перетворювачами.
format	Article
author	Юрченко, О.М. Юрченко, М.М. Гуцалюк, В.Я. Павловський, В.О. Твердохліб, Ю.О. Герасименко, П.Ю.
author_facet	Юрченко, О.М. Юрченко, М.М. Гуцалюк, В.Я. Павловський, В.О. Твердохліб, Ю.О. Герасименко, П.Ю.
author_sort	Юрченко, О.М.
title	Високочастотні транзисторні перетворювачі у системах електроживлення технологічних установок
title_short	Високочастотні транзисторні перетворювачі у системах електроживлення технологічних установок
title_full	Високочастотні транзисторні перетворювачі у системах електроживлення технологічних установок
title_fullStr	Високочастотні транзисторні перетворювачі у системах електроживлення технологічних установок
title_full_unstemmed	Високочастотні транзисторні перетворювачі у системах електроживлення технологічних установок
title_sort	високочастотні транзисторні перетворювачі у системах електроживлення технологічних установок
publisher	Інститут електродинаміки НАН України
publishDate	2009
topic_facet	№ 15. Відділ транзисторних перетворювачів
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/63711
citation_txt	Високочастотні транзисторні перетворювачі у системах електроживлення технологічних установок / О.М. Юрченко, М.М. Юрченко, В.Я. Гуцалюк, В.О. Павловський, Ю.О. Твердохліб, П.Ю. Герасименко // Праці Інституту електродинаміки Національної академії наук України: Зб. наук. пр. — К.: ІЕД НАНУ, 2009. — Вип 23. — С. 118-127. — Бібліогр.: 8 назв. — укр.
series	Праці Інституту електродинаміки НАН України
work_keys_str_mv	AT ûrčenkoom visokočastotnítranzistorníperetvorûvačíusistemahelektroživlennâtehnologíčnihustanovok AT ûrčenkomm visokočastotnítranzistorníperetvorûvačíusistemahelektroživlennâtehnologíčnihustanovok AT gucalûkvâ visokočastotnítranzistorníperetvorûvačíusistemahelektroživlennâtehnologíčnihustanovok AT pavlovsʹkijvo visokočastotnítranzistorníperetvorûvačíusistemahelektroživlennâtehnologíčnihustanovok AT tverdohlíbûo visokočastotnítranzistorníperetvorûvačíusistemahelektroživlennâtehnologíčnihustanovok AT gerasimenkopû visokočastotnítranzistorníperetvorûvačíusistemahelektroživlennâtehnologíčnihustanovok
first_indexed	2025-11-24T19:17:11Z
last_indexed	2025-11-24T19:17:11Z
_version_	1849700469872525312
fulltext	УДК 621.314 О.М. Юрченко, М.М. Юрченко, В.Я. Гуцалюк, В.О. Павловський, Ю.О. Твердохліб, П.Ю. Герасименко ВИСОКОЧАСТОТНІ ТРАНЗИСТОРНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ У СИСТЕМАХ ЕЛЕКТРОЖИВЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ УСТАНОВОК Представлено результати досліджень за останній рік з трьох основних напрямків наукової діяльності співробітників відділу транзисторних перетворювачів (№ 15), а саме: розробка та дослідження високочасто- тних високовольтних пристроїв для бортових електронно-променевих технологічних установок; розробка та дослідження високочастотних транзисторних перетворювачів для установок індукційних технологій; дослі- дження електромагнітної сумісності систем електроживлення з високочастотними транзисторними пере- творювачами. Представлены результаты исследований за последний год по трем направлениям научной деятельно- сти сотрудников отдела транзисторных преобразователей (№ 15), а именно: разработка и исследование вы- сокочастотных высоковольтных устройств для бортовых электронно-лучевых установок; разработка и ис- следование высокочастотных транзисторных преобразователей для установок индукционных технологий; исследование электромагнитной совместимости систем электропитания с высокочастотными транзистор- ными преобразователями. 1. Розробка принципів побудови систем електроживлення бортових електронно- променевих технологічних установок Використання сучасної елементної бази з метою досягнення граничних характеристик високочастотних транзисторних перетворювачів (ВТП) для технологічного устаткування як на- земних, так і тих, що експлуатуються у навколоземному просторі, вимагає вивчення електромаг- нітних процесів у них з урахуванням специфіки режимів енергоперетворення та керування. Одним із важливих принципів побудови таких ВТП є принцип перетворення електро- енергії на високій частоті (20...1000 кГц), який дає змогу не тільки поліпшувати масогабари- тні показники цих пристроїв, а й здійснювати якісні зміни у технологічних процесах. Висока частота перетворення дає можливість досягти потрібних динамічних характеристик систем електроживлення (СЕЖ), тобто забезпечувати високу швидкодію у керуванні вихідними вольт-амперними характеристиками СЕЖ і тим самим здійснювати повну керованість, яку вимагають фази технологічних процесів. Створення сучасних СЕЖ вимагає розробки нових принципів конструювання, зокрема побудови силових перетворювальних каскадів у вигляді модулів на основі паралельного з’єднання комірок. Кожна комірка має у своєму складі різноманітні елементи – транзистор, діод, конденсатор або набір конденсаторів та запобіжник. При цьому важливою задачею, яка вирішувалась, є зниження комутаційних перенапруг на транзисторах при великій швидкості їх перемикання та незалежність від індуктивностей з’єднувальних провідників між комірка- ми та загальних з’єднувальних провідників. На основі цих модулів були створені СЕЖ для бортової електронно-променевої техно- логічної установки (БЕПТУ) [5, 8]. Особливістю цих СЕЖ є перетворення бортової напруги (23..34 В) постійного струму у високу постійну напругу близько 10 кВ з потужністю декілька кіловат. Ця СЕЖ складається з двох блоків – високочастотного транзисторного перетворювача та високочастотного високовольтного пристрою (ВВП). Для надійної роботи БЕПТУ СЕЖ по- винна відповідати одночасно як електричним вимогам, що забезпечують технологічний про- цес, так і загальним вимогам щодо бортової апаратури. Така СЕЖ використовувалась для зва- рювання, паяння, різання та напилення металів на борту автономних об’єктів. У зв’язку з особливостями експлуатації дуже важливою характеристикою ВВП є жор- сткість його вихідної характеристики. В умовах ускладненого охолодження, що має місце під © Юрченко О.М., Юрченко М.М., Гуцалюк В.Я., Павловський В.О., Твердохліб Ю.О., Герасименко П.Ю., 2009 час роботи бортової апаратури, значно зростає значення такого важливого параметру, як на- дійність. Виходячи з цього, основними вимогами при побудові ВВП для БЕПТУ є: - забезпечення жорсткості вихідної характеристики у широкому діапазоні зміни наван- таження (від холостого ходу до максимального навантаження); - забезпечення необхідної надійності ВВП . Частково ці питання розглянуті у роботах [2, 3, 4, 5]. Однак аналіз надійності ВВП БЕПТУ представляє собою більш складну задачу. Особливо це стосується кіл, які містять ви- сокочастотні високовольтні трансформатори (ВВТ). Виникає необхідність забезпечити елек- тричну міцність конструкції, безпеку експлуатації та врахувати електромагнітні процеси у пристроях перетворення рівня напруги, а також наявність високої напруженості електрично- го поля, яка призводить до погіршення електромагнітної сумісності. Відомо, що застосування методу глибокого секціонування дає змогу досягти високої надійності схемотехнічної частини ВВП при заданому ресурсі роботи [3, 4, 7]. Тому, з прак- тичної точки зору, надійність ВВП може визначатися станом електричної ізоляції ВВТ. У процесі експлуатації старіння електричної ізоляції значно прискорюється при одно- часній дії двох або більше факторів, внаслідок їх взаємного впливу. Разом з тим механізми старіння ізоляції до цього часу достатньо ще не вивчені, тому надійним способом збільшення ресурсу роботи ВВП є ретельне проектування та зменшення впливу згаданих факторів на ви- готовлення ВВТ. Послаблення дії принаймні одного з них буде сприяти багаторазовому збіль- шенню ресурсу роботи ВВП. Одним із основних вузлів ВВП є ВВТ, який створює великі щільності магнітних та електричних полів, які впливають на навколишнє середовище, особливо на власні кола та інші пристрої. Враховуючи, що у високовольтному трансформаторі ВВП вторинна обмотка розбита на n секцій, що споряджені власними випрямлячами та фільтрами, напруга, яка на- водиться на зажимах приймача, буде дорівнювати сумі напруг, наведених на кожній із n об- моток, що мають в n раз меншу ЕРС. Якщо припустити, що ємнісний опір ( )X& між ВВТ та елементами схеми у стільки ж разів більший повного опору ( )Z& між елементами схеми та корпусом )( ZX && >> , тоді напру- га, яка наводиться між ВВТ та елементами схеми, буде приблизно в n раз меншою напруги, яка наводиться на тому ж приймачі ВВТ. У такому разі можна зробити висновок, що засто- сування способу підсумовування випрямляючих напруг дає змогу суттєво покращити елект- ромагнітну сумісність ВВП. Загальна безвідмовність роботи ВВП БЕПТУ може бути значно підвищена при засто- суванні більш сучасних комплектуючих елементів, що мають кращі масогабаритні, частотні та інші експлуатаційні параметри. Щодо подальшого дослідження розглянутих питань та їх доцільності, необхідно зро- бити достатньо широке коло різних системних випробувань ВВП у СЕЖ, які могли б забез- печити високу надійність бортової апаратури, в яку вони входять. 2. Транзисторні інвертори напруги для установок індукційного нагрівання з НЧ імпульсною модуляцією У рамках робіт, спрямованих на розвиток теорії та принципів побудови високочастот- них транзисторних перетворювачів для технологічного устаткування індукційного нагріван- ня, проводились дослідження режимів роботи високочастотних транзисторних інверторів з послідовним резонансним контуром на виході та розробка ефективних способів регулювання вихідного струму при широкому діапазоні зміни параметрів навантаження. Використання транзисторних перетворювачів частотою 10…440 кГц замість широко розповсюджених лампових генераторів є одним із енергозберігаючих заходів у галузі висо- кочастотних індукційних технологій. Це дає змогу зменшити споживання електричної енергії на 35…45 %, відмовитись від водяного охолодження, зменшити у кілька разів масу, габарити і відповідно матеріалоємність обладнання, збільшити ресурс роботи за рахунок відмови від електровакуумних приладів. Круг технологічних задач дуже широкий (плавлення, паяння, нагрівання, загартування та інше), а серійне виробництво таких перетворювачів в Україні не налагоджено. Тому ця тематика є актуальною та перспективною. Для забезпечення технологічних режимів необхідно здійснювати регулювання і стабі- лізацію вихідного струму чи потужності. Використання структурної схеми, яка складається з некерованого випрямляча напруги трифазної мережі живлення та інвертора напруги, в якому регулюється вихідний струм, дає змогу суттєво спростити силову частину перетворювача, тим самим знизити собівартість та підвищити надійність. Існують різні способи регулювання та стабілізації вихідного струму транзисторного інвертора, такі як частотне регулювання, ре- гулювання з використанням імпульсної та НЧ імпульсної модуляції, а також різні їх комбі- нації. Дослідження можливості використання способів НЧ імпульсної модуляції для подіб- ного застосування недостатньо представлені в публікаціях. Практично нульові динамічні втрати потужності є значною перевагою інверторів з НЧ регулюванням порівняно зі способами регулювання на основній частоті [1]. Нульові втрати потужності досягаються за рахунок перемикання транзисторів при струмі, близькому до ну- ля, що відповідає режиму роботи на частоті, близькій до резонансної. Для забезпечення цьо- го використовується система автоматичного підстроювання частоти (АПЧ). На рис. 1 наведені діаграми вихідних напруги u(t) та струму i(t) інвертора та напруги керування Su при НЧ імпульсній модуляції. При НЧ модуляції час модуляції MT , час ввімкненого стану ONt та час вимкненого стану OFFt зручно характеризувати цілими числа- ми, що кратні періоду вихідної напруги інвертора 0T : 0sTTM = , 0mTtON = , 0nTtOFF = , (1) де msn −= – кількість періодів за час вимкненого стану OFFt ; m – кількість періодів за час ввімкненого стану ONt ; s – кількість періодів 0T за час модуляції MT . При високих доб- ротностях Q можна знех- тувати вищими гармоні- ками у вихідній напрузі інвертора. Це дає змогу суттєво спростити аналіз та отримати вирази у аналітичному вигляді. В результаті аналізу отри- мано вирази для вихідного струму інвер- тора в усталеному режи- мі, які дозволяють прово- дити аналіз при різних комбінаціях msn ,, . Аналіз показав, що швидкість зростання та спаду амплітуди струму визначається постійною часу π τ 02 QT R L == , яка збільшується при збільшенні згаданої вище добротності. Середнє за модулем значення струму cepI , максимальне maxaI , мінімальне minaI зна- чення амплітуди струму та різниця між максимальним та мінімальним значеннями амплітуди струму aIΔ можна визначити спрощеними виразами: R U I m cep π γ)1(2 = ; (2) ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − − −= ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −−− − − 4 1 )1( max 1 11 ns Q s Q n Q m a e e e R U I π π π ; (3) Рис. 1 ( ) ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −− − −− − − = 4 1 )1( min 1 1 n Q s Q ns Q m a e e e R U I π π π ; (4) ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − +− −=Δ − −−−− Q s Q n Q s Q ns Q m a e e eee R U I 4 )( )1( 1 21 π π πππ , (5) де Um(1) – амплітуда першої гармоніки напруги інвертора після трансформатора; s m T t M ON==γ – коефіцієнт заповнення модульованої напруги. На практиці впродовж технологічного циклу активний опір навантаження може як збільшуватись, що характерно для немагнітних матеріалів, так і зменшуватись, що відповідає процесу нагрівання магнітних матеріалів. Також змінюється L , хоч і меншою мірою, та відповідно Q . Залежно від цього вибирається початковий режим роботи системи керування. Розглянуто режими стабілізації струму при зменшенні опору навантаження від почат- кового значення пR , якому для прикладу буде відповідати 1=γ , до кінцевого значення кR . При цьому вважатимемо constL = . На рис. 2 представлено графіки залежності відносних максимального та мінімального значень п m a a R U I I )1( max* max = , п m a a R U I I )1( min* min = при стабілізації сeрI для НЧ-ШІМ (s=const) при зміні пR RR =* . Приймемо 10=s , початкову добротність 10,5=пQ . З рис. 2 видно, що зменшення R * призводить до появи НЧ пульсації стру- му, однак у всьому діапазоні зміни R * система працює в режимі безперервного струму. Максимальне значення амплі- туди пульсації відповідає 5,0* =R та 5,0=γ . * maxaI при 5=пQ досягає мак- симального значення 1,68, що слід вра- ховувати при виборі елементів схеми. При НЧ-ШІМ нестабільність та дискретність регулювання визначаються параметром s . Дискретність зміни струму майже рівномірна. Однак при зменшенні γ збільшується амплітуда НЧ пульсації струму та може виникнути режим роботи інвертора, коли струм спадає до нуля. Це обмежує можливість використання цього способу регулювання при ши- рокому діапазоні зміни параметрів навантаження та при малих значеннях Q . При цьому ви- никають складності практичної реалізації системи керування з АПЧ. Рис. 3, 4 відображають результати досліджень НЧ-ЧІМ ( 1=n ) та НЧ-ЧІМ ( 2=n ) при аналогічних умовах. Для НЧ-ЧІМ при 1=n * maxaI збільшується до 1,18, а при 2=n * maxaI досягає 1,31. Перевагою НЧ-ЧІМ перед НЧ-ШІМ є те, що амплітуда НЧ пульсації струму обмежена і є меншою. Але для НЧ-ЧІМ характеристика регулювання нерівномірна та не дає змоги стабілізувати струм при зменшенні R більше ніж у 2 рази для n=1 та більше ніж у 3 рази для n=2. Збільшення n збільшить амплітуду НЧ пульсації струму. Доцільне використан- ня одночасно n=1 та n=2, що покращить характеристики. Рис. 2 Параметри регулювання msn ,, впливають на дискретність регулювання струму, нестабільність, величину пульсації амплітуди струму. При великих значеннях s ( 10>s ) дискретність регулювання зменшується, однак стають можливими режими переривистого струму, що ускладнює роботу системи керування з АПЧ та збільшує вимоги до вхідного фільтра. Було проведено експериментальні дослідження на макеті транзисторного перетворю- вача індукційної установки з НЧ-ШІМ керуванням, призначеної для паяння інструмента. Еквівалентна схема заміщення навантаження мала такі параметри: 47,10=C мкФ; 72,0=нL мкГ; 87,57=нf кГц; 026,0=нR Ом; 2,10=пQ . Величини L , R та Q отримані в результаті розрахунків на основі експериментальних досліджень. Схема керування з НЧ-ШІМ модуляцією забезпечувала стабілізацію середнього зна- чення вихідного струму за модулем та мала систему АПЧ. У процесі нагрівання активний опір навантаження зменшився на 40 %, а індуктивність – на 8 %. Осцилограми вихідного струму протягом циклу нагрівання наведені на рис. 5. а б в г Рис. 5 Під час нагрівання коефіцієнт заповнення змінювався від початкового значення 1=пγ до кінцевого 6,0=кγ . При цьому максимальне та мінімальне значення амплітуди струму по відношенню до початкової амплітуди струму досягали 1,46 та 0,71 відповідно, що підтверджує правомірність отриманих виразів. Експериментальні дослідження показали можливість використання НЧ-ШІМ для виконання даної технологічної задачі. Наявність пульсації струму необхідно враховувати при виборі елементів схеми. Однак зменшення добротності контура навантаження призводить до появи режимів переривистих струмів і є неприпустимим. НЧ-ШІМ ( consts = ) та НЧ-ЧІМ ( constn = ) мають свої переваги та недоліки. Їх вико- ристання можливе при високих рівнях добротності або невеликому діапазоні регулювання. Рис. 3 Рис. 4 Подальші дослідження мають проводитись в напрямку розробки ефективних способів та алгоритмів регулювання при змінних па- раметрах регулювання msn ,, , що дасть змогу покращити характеристики при ши- рокому діапазоні зміни параметрів наван- таження. Практично нульові динамічні втрати потужності є значною перевагою інверторів з НЧ регулюванням. Їх використання дозволяє спростити силову частину перетворювача, зменшити втрати потужності, тим самим розширити частотні можливості. Зазначені вище недоліки НЧ-ШІМ та НЧ-ЧІМ роблять недоцільним їх широке застосування. Їх використання доцільне при високих рівнях добротності, невеликому діапазоні зміни параметрів наванта- ження, незначних вимогах до характеристик регулювання та стабілізації. Подальші дослідження мають проводитись у напрямку розробки НЧ способів та алгоритмів регулю- вання при змінних параметрах регулювання msn ,, , що дасть змогу покращити характери- стики при широкому діапазоні зміни параметрів навантаження. 3. Моделювання електромагнітних завад випромінення в автономних системах електроживлення із високочастотними транзисторними перетворювачами Одним з важливих аспектів електромагнітної сумісності (ЕМС) в автономних СЕЖ із високочастотними транзисторними перетворювачами є електромагнітні завади (ЕМЗ) ви- промінення. Процеси виникнення та розповсюдження ЕМЗ у автономних СЕЖ різноманіт- них електротехнологічних установок аналогічні таким же процесам, що протікають у СЕЖ автономних електротранспортних засобів (АЕЗ). Тому результати досліджень, що були отримані при аналізі СЕЖ АЕЗ та наведені нижче, будуть використані при створенні будь- яких автономних систем електроживлення. Добре відомо [7], що ЕМЗ випромінення тісно пов’язані з кондуктивними завадами, особливо на частотах нижче 1000 МГц. Існують прості співвідношення між ЕМЗ випромінення та кондуктивними завадами [6]. Проте ці співвідношення є справедливими лише для дуже простих геометричних форм випромінювачів та низьких частот і електрично коротких кабелів, де розподіл струму завади вздовж випромінюючого провідника можна вважати приблизно рівномірним. Для оцінки ЕМЗ випромінення у ситуаціях з реальними геометрією та розмірами кабелів АЕЗ часто застосовують методи електронного моделювання. Ці методи потребують достатньо складних моделей завад і кабелів, а точність результату моделювання є не завжди достатньою. Для моделювання ЕМЗ випромінення від систем зі складними геометричними фор- мами запропоновано емпіричний алгоритм [1], який дає змогу визначити коефіцієнти випромінення від кабелів АЕЗ та рівень випромінення від всього АЕЗ, використовуючи прості тестові процедури. При цьому спочатку визначаються основні канали розповсюджен- ня ЕМЗ, після чого сумарне випромінення ЕМЗ в АЕЗ нескладно визначити шляхом комбінації одержаних коефіцієнтів випромінення і виміряних кондуктивних завад у них. На рис. 6 спрощено показаний механізм розповсюдження ЕМЗ випромінення від оди- ночного електронного модуля або функціонального вузла АЕЗ, до якого під’єднаний кабель. Тут прийняті такі позначення: 1 – електронний модуль або функціональний вузол; 2 – проб- ник напруги; 3 – кабель; 4 – приймальна антена. Електронний модуль генерує кондуктивні завади, струм яких певним чином розподілений по кабелю АЕЗ. Прийнято, що струм завади розподілений нерівномірно вздовж кабеля і може бути описаний таким рівнянням: ),()0,(),( xDIxI CECE ωωω ⋅= , (6) Рис. 6 де ),( xI CE ω – струм кондуктивної завади в точці x кабелю; )0,(ωCEI – струм кондуктивної завади на початку кабелю, в точці під’єднання кабелю до електричного модуля; ),( xD ω – функція розподілу, яка залежить від частоти та геометрії джгута кабелів. Частину енергії завади, яка випромінюється кабелем у навколишнє середовище, мож- на визначити з рівняння ∫ = = L x CERE dxxRxIF 0 ),(),()( ωωω , (7) де )(ωREF – напруженість поля ЕМЗ випромінення, виміряна в точці розташування антени; L – довжина кабелю; ),( xR ω – функція, що пов’язує між собою струм кондуктивної завади та поле її випромінення на невеликому сегменті кабелю в точці x . Ця функція теж залежить від частоти, геометрії розводки кабелів та властивостей навколишнього середовища. Підставляючи (6) у (7), одержимо: ,),(),()0,(),(),()0,()( 00 dxxRxDIdxxRxDIF L x CECE L x RE ωωωωωωω ⋅=⋅= ∫∫ == (8) або )()0,()( ωωω FIF CERE ⋅= , (9) де dxxRxDF L Lx ∫ = ⋅= ),(),()( ωωω . (10) З рівняння (9) видно, що поле випромінення можна однозначно пов’язати зі струмом кондуктивної завади в точці 0=x , де кабель виходить з електронного модуля. Зазвичай струм кондуктивної завади вимірюється за допомогою стандартного пробни- ка струму: )()()( ωωω probeCECE KIV ⋅= і )()0,(),( ωωω probeCECE KIoV ⋅= , (11) де )(ωprobeK – коефіцієнт передачі пробника; )(ωCEV – напруга на виході пробника. З іншого боку, поле ЕМЗ приймає антена, яка перетворює це поле в напругу )(ωREV , пропорційну полю: )()()( ωωω antRERE AFV ⋅= , (12) де )(ωantA – це антенний фактор. Підставляючи рівняння (9) і (11) в (12), одержимо: )()0,( )( )()( )0,()( ωω ω ωω ωω FV K AF VV CE probe ant CERE ′⋅= ⋅ = , (13) де )( )()( )( ω ωω ω probe ant K AF F ⋅ =′ . (14) Для системи, яка містить лише один кабель (поле визначається тільки одним чинни- ком), рівняння (14) можна записати в іншій формі: )0,( )()( ω ωω CE RE V VF =′ . (15) З цього рівняння випливає можливість емпірично оцінювати ефективність випромі- нення поля ЕМЗ кабелем. Для цього достатньо виміряти напругу на зажимах антени, напругу на виході пробника струму і обчислити відношення цих напруг. Якщо система містить декілька кабелів, то сумарне поле ЕМЗ є векторною сумою полів, які випромінюються кожним кабелем: )()0,()( 1 ωωω i n i CEiRE FVV ′⋅= ∑ = , (16) де )0,(ωCEiV – напруга кондуктивної завади, виміряна в і-му кабелі; )(ωiF ′ – ефективність випромінення. Це рівняння достатньо точно описує всю систему кабелів, якщо взаємні зв´язки по по- лю між кабелями слабкі. Така умова є природньою і легко виконується при грамотному, з точки зору ЕМС, конструюванні АЕЗ і системи його кабелів. Один з можливих способів визначити коефіцієнт )(ωiF ′ одиночного кабелю з системи кабелів полягає в тому, щоб примусово внести значне загасання для всіх інших кондуктив- них завад. Це можна досягти шляхом встановлення в кожен з решти кабелів високоімпе- дансних котушок індуктивності [7]. У такій ситуації ефективність випромінення )(ωiF ′ в і-му кабелі дорівнює ijVV V F jCEiCE RE i i ≠≈ =′ ,0)0,()0,( )( )( ωω ω ω . (17) Звичайно, введення високоімпедансних котушок індуктивності послідовно у кожен з кабелів змінює імпеданс цих кабелів і відповідно рівень кондуктивних завад у них. Але імпеданс кабелю без котушок індуктивності, який, власне, і підлягає дослідженню, лишиться тим самим, і тому випромінення цього кабелю теж не зміниться. З цієї причини еквівалентна ефективність випромінення, яка характеризується коефіцієнтом )(ωiF ′ , залишиться такою ж, як і при відсутності котушок індуктивності. Для подальшого розгляду важливо зазначити, що напруга )(ωiCEV у рівнянні (17) може бути напругою кондуктивної завади, яка виникає всередині електронного модуля СЕЖ; але з другого боку, цю напругу можна подати на електронний модуль ззовні, і спектральний склад такої тестової напруги може бути наперед заданим або відомим. Якщо тестову напругу (невеликої амплітуди) подати в точку, де кабелі виходять з електронного модуля, так, щоб не порушити нормального функціонування згаданого модуля, то струм, спричинений цією на- пругою, потече по кабелю тим самим шляхом, що і струм власної завади модуля, і в результаті з’явиться поле випромінення, яке матиме таку ж структуру, що і поле від “своєї” кондуктивної завади. Знання спектрального складу тестової напруги дає змогу застосувати досконалі кореляційні алгоритми обробки результуючого сигналу. При цьому можна чітко від- межуватись від усіх паразитних ефектів, що зазвичай супроводжують високочастотні вимі- рювання, і одержати достовірний результат. Тому при проведенні таких тестових вимірювань необхідно використовувати спеціалізовані генератори сигналів та спектроаналізатори [7]. Після того, як обчислені коефіцієнти випромінення для кожного з кабелів джгуту, їх можна співставити з напругою реальних кондуктивних завад АЕЗ (як результат вимірювань у системі, де заданий вище електронний модуль функціонує у штатному режимі роботи). У результаті такого співставлення є можливість вирахувати реальний рівень випромінення ЕМЗ, використовуючи вираз (16). Оскільки рівняння (16) є векторним, то напруга )0,(ωiCEV і коефіцієнт )(ωiF ′ також є векторними величинами. Це означає, що при вимірюваннях, наприклад, )0,(ωiCEV потрібно використовувати спектроаналізатори, які вимірюють не тільки амплітуду, але також і почат- кову фазу напруги. Для того щоб можна було використовувати більш доступні спектро- аналізатори скалярного типу, без необхідності вимірювати початкову фазу векторної напру- ги, доцільно запропонувати вираз для обчислення середньоквадратичного значення амплітуди поля випромінення ЕМЗ: ∑∑ == ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ ′⋅≈′⋅= n i iiCE n i iiCERE FVFVV 1 22 1 )()0,()()0,()( ωωωωω . (18) За допомогою виразу (18) можна достатньо просто оцінити рівень випромінення ЕМЗ від АЕЗ з прийнятною точністю. Для перевірки запропонованого методу моделювання співробітниками відділу транзи- сторних перетворювачів та лабораторії електромобілів ІЕД НАН України були виконані ви- мірювання поля ЕМЗ від електромобіля ЗАЗ 11029, який перебував на відкритому повітрі. При вимірюваннях використовувались стандартні вимірювальні прилади: еквівалент мережі типу NNB111, селективний мікровольтметр типу SMV11 (для частот до 30 МГц) та типу SMV 8.5 (для частот від 30 до 100 МГц), а також штирьова вимірювальна антена, пробники струму типу FCC F-130A та FCC F-61. Антена була встановлена над металевим листом розмірами 75 х 100 мм спереду автомобіля на відстані приблизно 0,5 м від нього. На рис. 7 повторено фінальний результат моделювання за наведеною методикою [4] (суцільна лінія), і для порівняння показано криву вимірювань фактичного поля ЕМЗ СЕЖ (пунктирна лінія). З порівняння двох кривих видно, що вони проходять достатньо близько одна від одної. Це означає, що запропонована методика моделювання ЕМЗ випромінення від електромобіля є правильною і може бути ефективно використана для моделювання, передбачення і дослідження поля випромінення будь-якої автономної СЕЖ. У подальшому планується розши- рення та поглиблення наукових дослі- джень в галузі електромагнітної суміснос- ті високочастотних транзисторних пере- творювачів, а також проведення фундаме- нтальних досліджень в галузі ЕМС авто- номних систем електроживлення з такими перетворювачами. В узагальненому вигляді згадані вище дослідження включають у себе: аналіз процесів в електротехнічних системах з напів- провідниковими перетворювачами з точки зору виникнення ЕМЗ; аналіз та вивчення можли- вих шляхів розповсюдження ЕМЗ від місця виникнення до заданої точки у просторі; розробку економічних та ефективних методів зменшення ЕМЗ (трансформація спектра ЕМЗ, зменшен- ня інтенсивності гармонійних складових спектра, раціональний вибір робочого циклу силових компонентів у перетворювачах напруги тощо). Проведення цих досліджень, у першу чергу, має на меті зменшення інтенсивності кон- дуктивних завад та завад випромінення, які генерують високоефективні транзисторні пере- творювачі та системи електроживлення з такими перетворювачами в бік первинної мережі та до споживача, до рівнів, що регламентуються сучасними стандартами та нормативними до- кументами. 1. Юрченко М.М., Гуцалюк В.Я., Шевченко П.М., Герасименко П.Ю. Транзисторні інвертори напруги устано- вок індукційного нагріву з НЧ імпульсною модуляцією в режимі стабілізації струму навантаження // Техн. електродинаміка. Темат. вип. “Проблеми сучасної електротехніки”. – 2008. – Ч. 2. – С. 109–112. 2. Юрченко М.М., Павловський В.О., Юрченко О.М., Гуцалюк В.Я. Формування вихідної характеристики сис- тем електроживлення технологічної установки без тигельного зонного переплаву // ІІІ МНТК “Світотехніка й електроніка: історія, проблеми й перспективи”. – Тернопіль. – 2008. – С. 26–28. 3. Юрченко М.М., Твердохліб Ю.О. Високовольтні перетворювальні пристрої джерел живлення бортового тех- нологічного устаткування // Пр. Ін-ту електродинаміки НАН України: Зб. наук. пр. – К.: ІЕД НАНУ. – 2008. – Вип. 19. – С. 91–94. 4. Юрченко М.М., Твердохліб Ю.О. Високочастотні перетворювальні пристрої з підвищеною вихідною напру- гою бортового технологічного устаткування // Пр. Ін-ту електродинаміки НАН України: Зб. наук. пр. – К.: ІЕД НАНУ. – 2008. – Вип. 20. – С. 49–50. 5. Юрченко М.М., Шевченко П.М., Сенько В.І. Особливості побудови високочастотного високовольтного при- строю бортової електронно-променевої технологічної установки // Техн. електродинаміка. Темат. вип. “Про- блеми сучасної електротехніки”. – 2008. – № 4. – С. 91–92. 6. Юрченко О.М., Павловський В.О., Твердохліб Ю.О. Моделювання та передбачення виникнення та розповсю- дження електромагнітних завад в системах енергоживлення автономних електротранспортних засобів // Техн. електродинаміка. Темат. вип. “Проблеми сучасної електротехніки”. – 2008. – Ч. 4. – С. 82–86. 7. Юрченко О.М., Павловський В.О., Юрченко М.М. Моделювання електромагнітних завад випромінення в ав- тономних електротранспортних засобах // Техн. електродинаміка. Темат. вип. “Силова електроніка та енер- гоефективність”. – 2008. – Ч. 4. – С. 26–28. Рис. 7 8. Пат. 83148. Установка для електронно-променевої зонної плавки матеріалу в космосі в умовах мікрограві- тації і космічного вакууму / Б.Є. Патон, Ю.А. Асніс, М.М. Юрченко, П.М. Шевченко та інш. – 2008. – Бюл. № 11.

Високочастотні транзисторні перетворювачі у системах електроживлення технологічних установок

Institution

Ähnliche Einträge