CC BY
138
2. Максимычев О.И. Система повышения эффективности автоматического управления землеройно-транспортными машинами / О.И. Максимычев, А.В. Остроух // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - М.: «Научтехлитиздат», 2005. - №5. - С. 63-66.
3. Интерфейс пользователя [Электронный ресурс] // Википедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Интерфейс_пользователя (дата обращения 13.01.2018)
4. Источники питания. Часть 1 — Батарейное и сетевое питание [Электронный ресурс] // EasyElectronics. Электроника для всех. URL: http://easyelectronics.ru/istochniki-pitaniya-chast-1.html (дата обращения 11.01.2018)
5. Конец света: во сколько обходится блэкаут компаниям [Электронный ресурс] // ГЕОЛАИН Технологии. URL: http://geoline-tech.com/cost-blackout-company/
6. Тарифы на оплату электроэнергии для квартир и домов с газовыми плитами [Электронный ресурс] // МосЭнергоСбыт. URL: http://goo.gl/ZfBjgs (дата обращения 19.01.2018).
7. Ценовой диапазон [Электронный ресурс] // Записки маркетолога. URL: http://www.marketch.ru/marketing_dictionary/marketing_terms_ts/price-range/ (дата обращения 15.01.2018)
© Муковозов А.М., Якушин А.Ю., 2018
УДК 621.396.2
А.Н. Симаков, А.И. Жданов,
сотрудники Академии ФСО А.А. Горшков канд. тех. наук, сотрудник Академии ФСО E-mail: [email protected] Научный руководитель: С.В. Костин канд. тех. наук, сотрудник Академии ФСО
г.Орёл, РФ E-mail: [email protected]
АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ РОССИЙСКОГО ПРОИЗВОДСТВА ИСТОЧНИКОВ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ И ОЦЕНКА ОТЕЧЕСТВЕННЫХ СРЕДСТВ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
Аннотация
Данная статья описывает состояние производства отечественных ИВЭ, оценку их применимости в современных системах электропитания и разработку рекомендаций по совершенствованию существующих средств электропитания.
Данная статья актуальна: произведен анализ существующих отечественных ИВЭ, выявлены их проблемы и недостатки, предложены пути совершенствования и развития для последующих разработок в соответствии с требованиями современных технологий.
Ключевые слова
Средства электропитания, силовая электроника, источник вторичного электропитания, контроллер, выпрямитель, преобразователь, регулятор, конвертор.
Целью статьи является рассмотрение состояния производства отечественных ИВЭ, оценка их применимости в современных системах электропитания и разработка соответствующих рекомендаций по
совершенствованию средств электропитания.
Выделим в данной работе две основные части для достижениях поставленных целей:
Анализ состояние российского производства ИВЭ и перспективы развития средств электропитания.
Оценка отечественных средств электропитания и предложения по их модернизации.
Анализ состояния российского производства ИВЭ и перспективы развития средств электропитания
В настоящее время силовая электроника и источники вторичного электропитания (ИВЭ) являются одной из немногих, самых быстро развивающихся областей электроники в XXI веке.
Растет объем продаж AC-DC - преобразователей, т.е. импульсных ИВЭ, имеющих сетевой вход. Наиболее массовой продукцией на рынке ИВЭ и микросхем для них являются:
- AC-DC - «оффлайновый» однотактный обратноходовой преобразователь с низковольтной схемой управления, интегрированный с высоковольтным переключающим транзистором (типа TOPSwitch);
- корректор коэффициента мощности - ККМ (PFC), т. е. интегральная схема, обеспечивающая AC-DC преобразование с коррекцией коэффициента мощности;
- «продвинутые» микросхемы ШИМ- и ЧИМ-контроллеров;
MOSFET- и IGBT- драйверы для ИВЭ (и других устройств силовой электроники);
- DC-DC регуляторы или конверторы с различной схемотехникой;
- контроллеры (микроконтроллеры), позволяющие заменять ШИМ и ЧИМ регуляторы в источниках и системах бесперебойного питания и другие.
В России при производстве ИВЭ для продажи существует ряд трудностей и проблем:
- трудности сбыта своей продукции при снижении объема и нерегулярности оборонного заказа;
- на свободном рынке наблюдается снижение общего объема выпуска промышленной продукции с электроникой и т. д.;
Основными причинами организационно-технического и отставания отечественных производителей электронных систем, приборов, устройств и электронных компонентов являются:
- отсутствие государственной поддержки российскому сегменту «high-tech», поэтому производство электронных компонентов еще не стало безусловным приоритетом для государства;
- «забюрократизированность»: выделение средств по гособоронзаказу длительное; завышенные таможенные пошлины на электронные компоненты;
- слабость «стратегического» маркетинга, поскольку предприятиям-производителям недостает опыта в определении стратегии и плана работы на рынке;
- электроника сейчас становится глобальной отраслью, поэтому монополизация и закрытость рынка -отсталая тенденция;
- нерешительность и излишний консерватизм при принятии ответственных решений на самом высоком уровне.
С учетом приведенных перспектив развития и современной ситуации в производстве российских ИВЭ выделим основные требования по разработке ИВЭ:
1. Необходима миниатюризация AC-DC, особенно мощных - наиболее сложная задача, что обусловлено питанием их от сети переменного тока. Доказательством этого являются успехи в развитии MOSFET, IGBT, модулей на их основе, микросхем драйверов.
2. Интеграция - переход от дискретных компонентов и модулей - к интеллектуальным модулям, затем к интеллектуальным подсистемами и далее к силовым «суперинтегральным» интеллектуальным модулям.
3. Следующее поколение IPM-модулей (Super IPM или SIPM) должно представлять собой функционально законченную совокупность «самозащищенных» силовых ключей со встроенными интегральными контроллерами (драйверами) управления и комплексной защиты от различных перегрузок..
4. Развитие «сверхбыстродействующих» IGBT, способных эффективно работать на частотах до 100150кГц , которые наиболее эффективны при использовании на больших мощностях.
5. Внедрение устройств KKM/PFC ключей, в которых выходное напряжение составляет 360...450В
(развитие перспективных MOSFET-модулей).
В настоящее время всё вышесказанное в отношении мощных SIPM, в большинстве случаев, возможно только при условии использования импортных компонентов. На этом этапе развития IPM и SIPM за отечественными разработчиками и изготовителями остаются:
- проработка оптимальных структур;
- электронное и физическое моделирование (макетирование);
- сборочно-испытательные операции;
- рекомендации по применению.
Однако, ряд отечественных фирм достигли значительных успехов в создании современных силовых MOSFET и особенно IGBT. В частности, компания «Электрум AB» организовала разработку и выпуск около 500 различных силовых устройств. Декларированная цель фирмы - «обеспечение отечественных производителей и разработчиков силовой электроники по низким ценам полупроводниковыми элементами высочайшего качества с параметрами, соответствующими или превосходящими лучшие мировые образцы». Использование технологий тонкопленочных и толстопленочных гибридных сборок и полупроводниковых цифровых, аналоговых и оптоэлектронных компонентов позволит реализовать поставленную цель. Однако следует отметить, что в основном силовые модули предназначены для применения в мощных (единицы -десятки киловатт) и сверхмощных (сотни - тысячи киловатт) устройствах. Прежде всего, это устройства управления электроприводом, преобразователи частоты, коммутаторы нагрузок (твердотельные реле) постоянного и переменного тока, источники бесперебойного питания и т. д. Следует заметить, что новые приборы, которые производит фирма «Электрум AB» разработаны на стыке различных технологий и направлений микроэлектроники.
Актуальной является проблема с SIPM (IPS и IPM) для широкого класса ИВЭ с мощностью от 100 Вт до 3-5кВт. Следовательно, необходимо создание IPM, которое можно проводить в нескольких направлениях:
• Поэтапное создание базовых моделей самозащищенных SIPM на основе MOSFET-ключей с максимальным напряжением Uds=700-900В. Одновременно необходимо приступить к созданию SIPM на основе быстродействующих и «сверхбыстродействующих» IGBT. В данный момент в этой области проводятся разработки SIPM со структурой корректора коэффициента мощности (KKM/PFC). При использовании смешанной (гибридной) технологии возможно встраивание в SIPM сетевого выпрямительного моста, что повышает степень интеграции такого модуля.
• Применение встраиваемых микроконтроллеров в мощных SIPM (не менее 400Вт) как более совершенных устройств управления, контроля, защиты и необходимого информационного обеспечения, способных выполнять следующие функции:
- включение-выключение по заданному алгоритму или при возникновении экстремальных ситуаций;
- формирование последовательности импульсов управления, регулируемых по определенному параметру импульсов (например, по длительности - ШИМ);
- выполнение адаптивных функций (регулирование) по изменению сигналов обратной связи по напряжению (voltage mode), по току модуля (current mode) и коррекция по изменению входного (сетевого) напряжения;
- активное выравнивание токов при параллельном включении ряда однотипных модулей (силовых каналов);
- одновременное управление как PFC, так и преобразователем по одной из структур;
- сбор опережающих сигналов о перегрузках IPM, приводящих к его выключению, и выдача в систему сигнала о предстоящем его выключении (а значит и ИВЭ в целом) и другие.
Оценка отечественных средств электропитания и предложения по их модернизации.
Проведем анализ отечественных средств электропитания по их характеристикам и возможностям. В качестве объектов исследования возьмем наиболее используемые в современной технике ИВЭ:
- Источники питания средней мощности.
- Выпрямителей ЭПУ.
- Выпрямители феррорезонансные, трансдукторные (управляемые дросселем насыщения), тиристорные и с бестрансформаторным входом.
- Активные фильтры тока сети.
- Аккумуляторов закрытого типа.
- Защита объекта связи, как комплекса зданий, сооружений и оборудования.
Источники питания средней мощности.
Современный этап развития источников питания характеризуется построением распределенных систем питания, подразумевающих использование:
- преобразователей постоянного напряжения в постоянное DC/DC в виде модулей, монтируемых на печатную плату;
- входных источников питания, преобразующих переменное напряжение в постоянное AC/DC, создающих промежуточную шину постоянного тока.
В настоящее время отечественные производители источников питания (ИП) не смогли создать конкурентоспособные ИП по массогабаритным, надежностным и электрическим характеристикам. Маломощные ИП на отечественном рынке производят лишь несколько малых фирм: НПО "Континент"; АО "ММП-Ирбис", завод "Тайфун", ТОО "Александер", ТОО "Силовая электроника". ООО "Беннинг Пауэр Электроникс", (д. Домодедово), ЗАО "Акку-Фертриб" (г. Москва), ОАО "Источник тока" (г. Смоленск) завод прекратил свое существование. Почти все устройства, производимые ими имеют кроме обратной связи по напряжению два контура токовой связи, обеспечивающие требуемое качество динамических процессов и быстродействующую защиту.
Рассмотрим характеристики отечественных AC/DC и DC/DC преобразователей. Преобразователи переменного напряжения в постоянное (AC/DC) выполнены по двухступенчатой структуре (PFC-корректор коэффициента мощности и DC/DC-конвертор с гальванической развязкой).
Основные характеристики:
Выходное напряжение - 220В.
Частота первичной сети - 47-63Гц.
Коэффициент мощности - не менее 90 %.
КПД - 88%.
Максимальная выходную мощность - 1,2кВт.
Диапазон регулировки выходного напряжения - 6-48В.
Данные ИП выполнены на основе структур с бестрансформаторным подключением к питающей сети переменного тока. Схемы управления позволяют работать в режимах холостого хода и ограничения тока нагрузки. Короткое замыкание в цепи и перенапряжение в первичной сети выше 10% приводят к автоматическому отключению. Специально разработанные фильтры радиопомех позволяют ослаблять радиопомехи до уровня, соответствующего принятым нормам.
Преобразователи постоянного напряжения в постоянное (ДС/ДС) обладают следующими характеристиками:
• входное напряжение - 60В
• выходное напряжение - 48В
• ток нагрузки - 0-15А
• напряжение пульсаций на выходе - не более 100мВ
• КПД - не менее 85%
Во всех устройствах применяется естественное охлаждение, частота коммутации транзисторов составляет 132 кГц, также предусмотрено дистанционное включение/выключение и управление с помощью телеметрии.
Таким образом, отечественные ИП средней мощности более совершенны и не уступают по
характеристикам импортным производителям в данном области, имеющим свой товар на российском рынке.
1. Выпрямители ЭПУ
Исходя из состояния отечественного производства выпрямительной техники и говоря о перспективах ее развития, выделим рекомендации по и предложения по модернизации рассматриваемых устройств:
• В связи с увеличением потребителей, подключенных к промышленной сети требуется усиление контроля за качеством энергосети. Для выпрямительной техники следствием этого является: запрещение использования мощных тиристорных выпрямителей, помехи от работы которых проникают в питающую сеть; повышение коэффициента мощности выпрямителей до 0,99-1,0 (такие выпрямители называют "выпрямители с синусоидальным входным током");
• Рекомендуется более широкое использование однофазных выпрямителей, что обуславливается наличием нескольких способов повышения коэффициента мощности выпрямителя до 0,99-1,0. Для снижения искажений, вносимых трехфазным выпрямителем в форму входного тока, используются различные входные фильтры;
• Следует более широко использовать выпрямители на малые мощности, до 2 кВт, что связано с появлением большого количества нагрузок на сравнительно малые мощности;
• Использование в составе ЭПУ большого количества однотипных выпрямителей делает необходимым использование микропроцессорного контроля на уровне ЭПУ и отдельных выпрямителей;
• Совершенствование систем самоконтроля и самодиагностики выпрямителей, что необходимо для оперативного обнаружения неисправного выпрямителя;
• Стоит отказ от гонки за снижением удельных массогабаритных и мощностных показателей, результатом которой стало появление выпрямителей с принудительным воздушным охлаждением. Это связано как с сокращением потерь энергии в самом выпрямителе, повышением его КПД и коэффициента мощности, так и с уменьшением энергопотребления питаемой аппаратуры;
• Необходим переход на частоты преобразования 100-200кГц и 300-400кГц, что значительно повышает надежность выпрямителей, в частности за счет отказа от использования в ответственных узлах электролитических конденсаторов.
Также стоит отметить, что в настоящее время большое внимание уделяется экологичности выпрямителей. В этом направлении рядом фирм проводятся исследования по определению вредности различного рода излучений, создаваемых выпрямителем при его работе (при частоте преобразования 40200 кГц).
Вывод: таким образом, в данной статье произведен анализ существующих отечественных ИВЭ, выявлены их проблемы и недостатки, и предложены пути совершенствования и развития для последующих разработок в соответствии с требованиями современных технологий. Список использованной литературы:
1. Федеральный закон № 184-ФЗ «О техническом регулировании», объекты стандартизации и общие положения при разработке и применении стандартов организаций Российской Федерации от 27 декабря 2002 г.
2. ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
3. Приказ Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт) №1322 от 05.09.2014
4. Гужов Н. П., Ольховский В. Я., Павлюченко Д. А. Системы электроснабжения. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2008. - 258 с.
5. Шеховцов В.П. Справочное пособие по электрооборудованию и электроснабжению. - М.: Форум: Инфра-М, 2006. - 137 с.
© Симаков А.Н., Жданов А.И., Горшков А.А., 2018
