РЕЗОНАНСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ДОЗИРОВАННОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ НИЗКОВОЛЬТНЫХ СЕТЕЙ РАСПРЕДЕЛЕННОГО ПИТАНИЯ
A necessary requirement for the main driving a low-voltage DC power converter networks. The electromagnetic processes in the power circuit of series resonant converter with a dosage of energy transmission and limitation of the voltage on the resonance containers designed for distributed power consum...
Збережено в:
| Дата: | 2016 |
|---|---|
| Автори та афіліації: |
|
| Ключові слова: | keywords |
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Інститут електродинаміки НАН України, Київ
2016
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/849 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Technical Electrodynamics |
| Завантажити файл: |
|
Репозитарії
Technical Electrodynamics| _version_ | 1870202559003623424 |
|---|---|
| author | Павлов, Г.В. Обрубов, А.В. Винниченко, И.Л. |
| author_facet | Павлов, Г.В. Обрубов, А.В. Винниченко, И.Л. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Г.В. Павлов",
"institution": "Национальный университет кораблестроения им. адмирала Макарова, пр. Героев Сталинграда, 9, Николаев, 54001, Украина"
},
{
"author": "А.В. Обрубов",
"institution": "Національний університет кораблебудування ім. адм. С.І. Макарова, пр. Героїв Сталінграду, 9, Миколаїв, 54025, Україна"
},
{
"author": "И.Л. Винниченко",
"institution": "Національний університет кораблебудування ім. адм. С.І. Макарова, пр. Героїв Сталінграду, 9, Миколаїв, 54025, Україна"
}
] |
| author_sort | Павлов, Г.В. |
| baseUrl_str | https://techned.org.ua/index.php/techned/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2022-12-24T16:12:29Z |
| description | A necessary requirement for the main driving a low-voltage DC power converter networks. The electromagnetic processes in the power circuit of series resonant converter with a dosage of energy transmission and limitation of the voltage on the resonance containers designed for distributed power consumers in the low-voltage networks. The calculating formulas for determining external characteristics at different operating frequencies of the inverter. Experiments using a simulation model of the external characteristics of the converter obtained. The recommendations for the formation of an external inverter characteristics with constant power. References 5, figures 3. |
| doi_str_mv | 10.15407/techned2016.04.038 |
| first_indexed | 2026-06-16T01:13:12Z |
| format | Article |
| fulltext |
38 ISSN 1607-7970. Техн.електродинаміка. 2016. № 4
УДК 621.314.5
РЕЗОНАНСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ДОЗИРОВАННОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ
НИЗКОВОЛЬТНЫХ СЕТЕЙ РАСПРЕДЕЛЕННОГО ПИТАНИЯ
Г.В. Павлов*, докт.техн.наук, А.В. Обрубов**, канд.техн.наук, И.Л. Винниченко
Национальный университет кораблестроения им. адмирала Макарова,
пр. Героев Сталинграда, 9, Николаев, 54001, Украина. e-mail:nil_sound@mail.ru, oscillon@rambler.ru
Сформулированы необходимые требования к главному питающему преобразователю низковольтных сетей постоян-
ного тока. Исследованы электромагнитные процессы в силовой схеме последовательного резонансного преобразо-
вателя с дозированной передачей энергии и ограничением напряжения на резонансных емкостях, предназначенного для
распределенного питания потребителей в низковольтных сетях. Получены расчетные формулы для определения внеш-
них характеристик при различных рабочих частотах инвертора. Экспериментально с помощью имитационной моде-
ли получены внешние характеристики преобразователя. Даны рекомендации по формированию внешней характерис-
тики преобразователя с постоянной выходной мощностью. Библ. 5, рис. 3.
Ключевые слова: резонансный преобразователь, внешняя характеристика, распределенное питание.
Системы распределенного питания низковольтных устройств постоянным напряжением порядка 5−36 В стро-
ятся на основе сетей со снижением напряжений от главного источника питания к потребителям [2, 4, 5]. Напряжения
сетей (27, 48, 60, 72, 120 В) выбираются большими напряжений питания потребителей. Снижение и стабилизация на-
пряжений потребителей реализуется с помощью локальных понижающих преобразователей.
Эксплуатация систем распределенного питания выявила проблемы, относящиеся к главному питающему пре-
образователю (ГПП): недостаточно надежная защита от коротких замыканий и большие пусковые токи, возникающие
при подаче питания на потребителя через локальные преобразователи. Рассмотрим подробнее проблему пусковых то-
ков на примере низковольтной сети на рис. 1, а. Здесь ГПП преобразует выпрямленное сетевым выпрямителем (СВ)
напряжение высоковольтной сети (ВВС) в напряжение низковольтной сети (НВС), передаваемое через проводную ли-
нию к n локальным преобразователям напряжения (ЛПН1-ЛПНn) и подключенным к ним потребителям П1-Пn. В ка-
честве потребителей выступают датчики, исполнительные механизмы, видеокамеры, элементы систем сигнализации,
освещения и т.д. ЛПН понижают напряжение линии до стабилизированного значения питания пU и совместно с по-
требителями в диапазоне напряжений пU … maxU их можно рассматривать как нагрузки с вольт-амперными характе-
ристиками, близкими к кривым вида constui = , как показано на рис. 1, б. Тогда при включении ГПП и нарастании на-
пряжения линии будет наблюдаться скачок потребляемого тока от 0 до stI с последующим снижением тока до номи-
нального значения nomI . Если еще учесть процессы запуска ЛПН и заряда емкостей потребителей, то перегрузка ГПП
по току по сравнению с номинальным значением окажется еще большей.
а б
Рис. 1
Цель работы. Для решения указанных проблем была поставлена задача разработки ГПП с малым уровнем
помех, способностью ограничивать перегрузки и с надежной защитой от коротких замыканий.
Эффективным техническим решением оказалось использование резонансного преобразователя с дозирован-
ной передачей энергии (схема силовой части − рис. 2, а). Этот преобразователь при низкой частоте преобразования
работает в квазирезонансном режиме, а при относительно высокой частоте преобразования – в резонансном режиме.
Инвертор на транзисторах VT1 и VT2 генерирует прямоугольное напряжение gu с размахом, соответствующим напря-
жению питания sU . Если напряжение нагрузки меньше половины напряжения питания sq UU <2 , в цепи с резонанс-
ной индуктивностью rL возникает стационарный переменный ток i. Частота работы инвертора устанавливается не-
сколько меньше собственной частоты контура, образованного индуктивностью rL и емкостями C1 и C2: gω < 1ω , где
2
01 4/11 Q−ω=ω – собственная частота контура, 0 1 r rL Cω = – частота идеального резонанса, 21 CCCr += –
резонансная емкость, r rQ L C r= – добротность контура, r – сопротивление потерь контура. Работа на частоте,
© Павлов Г.В., Обрубов А.В., Винниченко И.Л., 2016
*ORCID ID: http://orcid.org/0000-0002-4937-1828/ ; **http://orcid.org/0000-0001-9667-1703/
ISSN 1607-7970. Техн.електродинаміка. 2016. № 4 39
меньшей частоты контура, приводит к формированию дозированных импульсов тока контура, выпрямляемых мостом
VD3-VD6 в цепи нагрузки q qC R . Дозирование энергии достигается за счет ограничения напряжения на резонансных
емкостях C1 и C2 на уровне напряжения питания sU с помощью дополнительных ограничительных диодов VD1 и VD2
и открывания следующего транзистора только после окончания предыдущего импульса тока контура. Импульс тока
контура i на верхнем графике рис. 2, б разделен на две части. Сначала образуется часть синусоидальной полуволны,
описываемая выражением ( ) )sin()(/)()( 1101 teUUti t
qs ωωωρ−= λ− , продолжающаяся до момента времени 1t .
Здесь: CL /=ρ – волновое сопротивление контура, rL 2/=λ – фактор затухания. Напряжение vu в точке соедине-
ния конденсаторов C1 и C2, отсчитываемое от минусового потенциала напряжения питания, меняется от нуля до зна-
чения ( )s VDU U+ по косинусоидальному закону. Здесь VDU – прямое падение напряжения на диоде. Диод VD1 от-
крывается в момент времени 1t и шунтирует конденсатор C1, ограничивая рост напряжения на нем. Синусоидальная
часть полуволны прекращается. Далее ток контура при 0→r практически линейно спадает до нуля со скоростью
rVDq LUUti /)2(/ +−≈∂∂ и прекращается в момент времени 2t . Длительность включения каждого транзистора ин-
вертора всегда равна, либо больше длительности импульса тока контура 2t . Период коммутации 32tT = выбирается
несколько большим длительности импульса. Благодаря этому коммутация транзисторов происходит при нулевом токе.
а б
Рис. 2
Энергия, передаваемая в нагрузку с каждым импульсом тока, пропорциональна его среднему значению
{ }∫∫
− ∂+∂= 121
0 20 1 )()()/2( ttt
q ttittiTI , где вторая составляющая тока между моментами времени 1t и 2t описывается
выражением ( ) )1(/)2()0()( //
22
Lrt
VDq
Lrt erUUeiti −− −+−= . Начальный ток второй составляющей равен
)()0( 112 tii = . Момент открытия ограничительного диода можно найти из уравнения
rrVDqtt LrtiLUUti /)(/)2(/ 111 1
−+−=∂∂
=
с известной приведенной выше зависимостью )(1 ti . Регулирование мощ-
ности осуществляется частотным способом с периодом коммутации regfT /1= , где 2/1 tf reg ≤ – регулируемая часто-
та инвертора, либо времяимпульсным способом с периодом коммутации )(2 2 regttT += , где 23 ttt reg −= – регулиру-
емая часть полупериода. Амплитуда тока контура зависит от напряжений питания и нагрузки
ρ−−= /)( VDqsm UUUi , где sq UU <2 , и при коротком замыкании выхода не превышает значения
ρ−= /)( VDsm UUi . Это позволяет осуществить естественное ограничение тока на безопасном уровне при уменьше-
нии сопротивления нагрузки и коротком замыкании выхода. С помощью имитационной модели были исследованы
электромагнитные процессы схемы и получены внешние статические характеристики (рис. 3) для значений резо-
нансной индуктивности 33 мкГнrL = , емкостей 1,2 0,47 мкФC = (рис. 2, а), индуктивности трансформатора 1 мГн,
напряжения питания 190 ВsU = и выходной емкости 100 мкФqC = .
Рабочие частоты были следующие. Для кривой 1 − частота 10 кГц, для кривой 2 – 25 кГц, 3 – 37,5 кГц, 4 – 50
кГц, 5 – 75 кГц. На относительно низких частотах имеют место вогнутые внутрь (кривая 1) и линейные (кривая 2)
участки внешних характеристик. Преобразователь работает в квазирезо-
нансном режиме с дозированной передачей энергии. На более высоких
частотах, когда амплитуда колебаний напряжения на конденсаторах неве-
лика и ограничительные диоды не открываются, внешние характеристики
выпуклые и соответствуют внешним характеристикам последовательно-
резонансного преобразователя [3]. Преобразователь при этом работает в
резонансном режиме. Кривая 1 близка к линии вида constui = и соответ-
ствует вольт-амперной характеристике нагрузок с фиксированной потреб-
ляемой мощностью. Внешняя характеристика данного преобразователя
должна проходить выше вольт-амперной характеристики его нагрузки.
Смещение внешней характеристики при изменении напряжения питания
должно компенсироваться частотным либо времяимпульсным регулиро-
ванием, зависящим от напряжения питания. При сбросе нагрузки в резуль- Рис. 3
40 ISSN 1607-7970. Техн.електродинаміка. 2016. № 4
тате авторегулирования может наступать режим прерывистой последовательности импульсов инвертора преобра-
зователя. Если и это приводит к критическому повышению уровня помех, то на малой мощности вместо снижения
частоты следует переходить к широтному регулированию с сохранением непрерывного режима генерирования им-
пульсов инвертора.
Выводы. Задача снижения генерируемых помех, предотвращения перегрузок и защиты от короткого
замыкания выхода была решена с помощью резонансного преобразователя с дозированной передачей энергии.
Данный преобразователь в непрерывном режиме генерирования импульсов создает меньше высокочастотных
помех по сравнению с ШИМ-преобразователями благодаря коммутации вентилей в нуле тока [1,3]. Внешняя
характеристика преобразователя обеспечивает высокое быстродействие ограничения выходной мощности и
согласуется с задачей питания потребителей через дополнительные преобразователи мощности. Амплитуда
тока контура не возрастает выше определенного значения, поскольку амплитуда колебаний напряжения на
конденсаторах ограничена напряжением питания.
1. Горяшин Н.Н. Анализ эффективности использования резонансных режимов в импульсных высокочастотных
преобразователях напряжения // Вестник СибГАУ. − 2009. − №1-2. − С. 32-37.
2. Лукин А.В. Распределенные системы электропитания. [Э. − Режим доступа: http://www.mmp-
irbis.ru/content/files/Rasp1.pdf
3. Павлов Г.В. Обрубов А.В., Винниченко И.Л. Метод обобщенного анализа стационарных процессов резонанс-
ных преобразователей [электронний ресурс] / Вісник НУК. − 2014. − Вип. 3.
Режим доступу: http://evn.nuos.edu.ua/article/view/48925/45153
4. Charles H. Small. Distributed Power Takes Center Stage / EDN. − April 28, 1994. − Pp. 54-64.
5. Goodenough F. 100-W Converters Forge Practical Modular Power // Electronic Design. − 1990. − No 2. − Vol. 38. −
Pp. 29-32.
УДК 621.314.5
РЕЗОНАНСНИЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ З ДОЗОВАНОЮ ПЕРЕДАЧЕЮ ЕНЕРГІЇ ДЛЯ НИЗЬКОВОЛЬТНИХ МЕРЕЖ
РОЗПОДІЛЕНОГО ЖИВЛЕННЯ
Павлов Г.В., докт.техн.наук, Обрубов А.В., канд.техн.наук, Вінниченко І.Л.
Національний університет кораблебудування ім. адмірала Макарова,
пр. Героїв Сталінграду, 9, Миколаїв, 54001, Україна. e-mail:nil_sound@mail.ru, oscillon@rambler.ru
Сформульовано необхідні вимоги до головного перетворювача живлення низьковольтних мереж постійного
струму. Досліджено електромагнітні процеси у силовій схемі послідовно-резонансного перетворювача з дозо-
ваною передачею енергії та обмеженням напруги на резонансних ємностях, призначеного для розподіленого
живлення в низьковольтних мережах. Отримано розрахункові формули для визначення зовнішніх характерис-
тик при різних робочих частотах інвертора. Експериментально за допомогою імітаційної моделі отримано
зовнішні характеристики перетворювача. Представлено рекомендації щодо формування зовнішньої характе-
ристики перетворювача з постійною вихідною потужністю. Бібл. 5, рис. 3.
Ключові слова: резонансний перетворювач, зовнішня характеристика, розподілене живлення.
RESONANT CONVERTERS WITH THE DOSED TRANSFER OF ENERGY FOR LOW-VOLTAGE
POWER DISTRIBUTION NETWORKS
Pavlov G.V., Obrubov A.V., Vinnichenko I.L.
Admiral Makarov National University of Shipbuilding,
pr. Geroev Stalingrada, 9, Nikolaev, 54001, Ukraine. e-mail:nil_sound@mail.ru, oscillon@rambler.ru
A necessary requirement for the main driving a low-voltage DC power converter networks. The electromagnetic
processes in the power circuit of series resonant converter with a dosage of energy transmission and limitation of the
voltage on the resonance containers designed for distributed power consumers in the low-voltage networks. The
calculating formulas for determining external characteristics at different operating frequencies of the inverter.
Experiments using a simulation model of the external characteristics of the converter obtained. The recommendations
for the formation of an external inverter characteristics with constant power. References 5, figures 3.
Keywords: resonant converter external characteristic, distributed supply.
1. Goryashin N.N. Analysis of the effectiveness of using the resonant modes in pulsed high-voltage converters // Vestnik SibSAU. −
2009. − No 1-2. − Pp. 32-37. (Rus)
2. Lukin A.V. Distributed power supply system. Available at: http://www.mmp-irbis.ru/content/files/Rasp1.pdf. (Rus)
3. Pavlov G.V., Obrubov A.V., Vinnichenko I.L. Method generalized analysis of stationary processes of resonant converters.
Available at: http://evn.nuos.edu.ua/article/view/48925/45153. (Rus)
4. Charles H. Small. Distributed Power Takes Center Stage / EDN. − April 28, 1994. − Pp. 54-64.
5. Goodenough F. 100-W Converters Forge Practical Modular Power // Electronic Design. − 1990. − No 2. − Vol. 38. − Pp. 29-32.
Надійшла 03.02.2016
Остаточний варіант 21.04.2016
|
| id | techned_org_ua-article-849 |
| institution | Technical Electrodynamics |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-06-16T01:13:12Z |
| publishDate | 2016 |
| publisher | Інститут електродинаміки НАН України, Київ |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | technedorgua/00/f4978f0a464f4118068e39106ec1a000.pdf |
| spelling | techned_org_ua-article-8492022-12-24T16:12:29Z RESONANT CONVERTERS WITH THE DOSED TRANSFER OF ENERGY FOR LOW-VOLTAGE POWER DISTRIBUTION NETWORKS РЕЗОНАНСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ДОЗИРОВАННОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ НИЗКОВОЛЬТНЫХ СЕТЕЙ РАСПРЕДЕЛЕННОГО ПИТАНИЯ Павлов, Г.В. Обрубов, А.В. Винниченко, И.Л. resonant converter external characteristic distributed supply резонансный преобразователь внешняя характеристика распределенное питание A necessary requirement for the main driving a low-voltage DC power converter networks. The electromagnetic processes in the power circuit of series resonant converter with a dosage of energy transmission and limitation of the voltage on the resonance containers designed for distributed power consumers in the low-voltage networks. The calculating formulas for determining external characteristics at different operating frequencies of the inverter. Experiments using a simulation model of the external characteristics of the converter obtained. The recommendations for the formation of an external inverter characteristics with constant power. References 5, figures 3. Сформулированы необходимые требования к главному питающему преобразователю низковольтных сетей постоянного тока. Исследованы электромагнитные процессы в силовой схеме последовательного резонансного преобразователя с дозированной передачей энергии и ограничением напряжения на резонансных емкостях, предназначенного для распределенного питания потребителей в низковольтных сетях. Получены расчетные формулы для определения внешних характеристик при различных рабочих частотах инвертора. Экспериментально с помощью имитационной модели получены внешние характеристики преобразователя. Даны рекомендации по формированию внешней характеристики преобразователя с постоянной выходной мощностью. Библ. 5, рис. 3. Інститут електродинаміки НАН України, Київ 2016-06-21 Article Article application/pdf https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/849 10.15407/techned2016.04.038 Tekhnichna Elektrodynamika; No. 4 (2016): TEKHNICHNA ELEKTRODYNAMIKA; 038 ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА; № 4 (2016): ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА; 038 2218-1903 1607-7970 10.15407/techned2016.04 uk https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/849/727 Авторське право (c) 2022 ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | резонансный преобразователь внешняя характеристика распределенное питание Павлов, Г.В. Обрубов, А.В. Винниченко, И.Л. РЕЗОНАНСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ДОЗИРОВАННОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ НИЗКОВОЛЬТНЫХ СЕТЕЙ РАСПРЕДЕЛЕННОГО ПИТАНИЯ |
| title | РЕЗОНАНСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ДОЗИРОВАННОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ НИЗКОВОЛЬТНЫХ СЕТЕЙ РАСПРЕДЕЛЕННОГО ПИТАНИЯ |
| title_alt | RESONANT CONVERTERS WITH THE DOSED TRANSFER OF ENERGY FOR LOW-VOLTAGE POWER DISTRIBUTION NETWORKS |
| title_full | РЕЗОНАНСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ДОЗИРОВАННОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ НИЗКОВОЛЬТНЫХ СЕТЕЙ РАСПРЕДЕЛЕННОГО ПИТАНИЯ |
| title_fullStr | РЕЗОНАНСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ДОЗИРОВАННОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ НИЗКОВОЛЬТНЫХ СЕТЕЙ РАСПРЕДЕЛЕННОГО ПИТАНИЯ |
| title_full_unstemmed | РЕЗОНАНСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ДОЗИРОВАННОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ НИЗКОВОЛЬТНЫХ СЕТЕЙ РАСПРЕДЕЛЕННОГО ПИТАНИЯ |
| title_short | РЕЗОНАНСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ДОЗИРОВАННОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ НИЗКОВОЛЬТНЫХ СЕТЕЙ РАСПРЕДЕЛЕННОГО ПИТАНИЯ |
| title_sort | резонансный преобразователь с дозированной передачей энергии для низковольтных сетей распределенного питания |
| topic | резонансный преобразователь внешняя характеристика распределенное питание |
| topic_facet | resonant converter external characteristic distributed supply резонансный преобразователь внешняя характеристика распределенное питание |
| url | https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/849 |
| work_keys_str_mv | AT pavlovgv resonantconverterswiththedosedtransferofenergyforlowvoltagepowerdistributionnetworks AT obrubovav resonantconverterswiththedosedtransferofenergyforlowvoltagepowerdistributionnetworks AT vinničenkoil resonantconverterswiththedosedtransferofenergyforlowvoltagepowerdistributionnetworks AT pavlovgv rezonansnyjpreobrazovatelʹsdozirovannojperedačejénergiidlânizkovolʹtnyhsetejraspredelennogopitaniâ AT obrubovav rezonansnyjpreobrazovatelʹsdozirovannojperedačejénergiidlânizkovolʹtnyhsetejraspredelennogopitaniâ AT vinničenkoil rezonansnyjpreobrazovatelʹsdozirovannojperedačejénergiidlânizkovolʹtnyhsetejraspredelennogopitaniâ |