CC BY
9УДК 621.396
Импульсное регулирование в преобразователях постоянного тока системы автономного электроснабжения комплексов связи
Абрамкин Р.В., Веселовский А.П., Винограденко А.М., Крачков А.А.
Аннотация: в статье рассматривается наиболее динамично развивающееся направление силовой электроники, связанное с решением задачи регулирования напряжения в преобразователях постоянного напряжения. Проведен анализ работы преобразователей напряжения. Показана возможность получения полной линейной регулировочной характеристики, используя широтно-импульсный метод. Представлен способ линейного регулирования выходного напряжения с помощью широтно-импульсной модуляции.
Ключевые слова: регулирование напряжения; статические преобразователи энергии; система автономного электроснабжения; широтно-импульсное модулирование.
Введение
В настоящее время техника связи представляет собой изделия принципиально нового уровня информатизации и интеллектуализации. Использование таких устройств позволяет существенно расширить функционал системы связи, однако их техническая сложность влечет за собой повышенные требования к вторичным источникам питания, входящим в состав системы автономного электроснабжения комплексов связи (САЭКС).
САЭКС представляет собой совокупность технических средств, предназначенных для обеспечения потребителей электрической энергией заданного качества в необходимом количестве в районе выполнения задачи.
В состав современных САЭКС входят электромеханические источники электроэнергии, а также значительное количество вторичных источников питания, представляющих собой системообразующее электротехническое оборудование.
Одними из наиболее значимых элементов данного оборудования являются импульсные преобразователи постоянного тока, так как во многом их работа определяет состояние системы, в целом. Они требуют повышенной точности и скорости регулирования в разомкнутых и замкнутых системах управления. Использование энергосберегающего регулируемого преобразователя постоянного тока позволяет улучшить эксплуатационные характеристики САЭКС, в целом.
Основным параметром преобразователя, наиболее остро влияющим на работу САЭКС, является регулировочная характеристика, степень линейности которой определяет точность и скорость регулирования [1-15].
Принципы преобразования постоянного напряжения
Выпускаемые промышленностью современные преобразователи включают в себя: пульт местного и дистанционного управления, буквенно-цифровые индикаторы отображения информации о входном и выходном напряжениях, выходном токе, частоте, точности поддержания различных параметров и других данных [5-13].
Для улучшения потребительских свойств изделий оптимизируют параметры, повышают рабочую частоту преобразования, уменьшают потери мощности на силовых элементах, а также снижают динамические нагрузки в силовой части схемы. Для регулирования переменного и постоянного напряжений используются широтно-импульсные методы модулирования с изменением скважности импульсов [5].
Широтно-импульсные преобразователи постоянного напряжения преобразуют постоянное напряжение в импульсное, среднее значение которого (т. е. его постоянную составляющую, выделяемую в нагрузке фильтрами) можно регулировать. Выходное
напряжение таких преобразователей (до выходного фильтра), как правило, имеет вид однополярных импульсов.
Частота дискретизации зависит от динамических свойств вентилей, на которых выполнен преобразователь. В связи с постоянным напряжением, на входе преобразователя естественная коммутация вентилей невозможна, что требует его исполнения на вентилях с полным управлением (запираемые тиристоры, транзисторы). ОТО-тиристоры допускают переключения до 1 кГц, /ОВТ-транзисторы - примерно до 10 кГц, полевые транзисторы - до 1 МГц и выше. Очевидно, что частота коммутации определяет возможную скорость регулирования параметров преобразованной энергии и габариты реактивных элементов.
Регулировочная характеристика широтно-импульсного преобразователя постоянного напряжения - зависимость относительного среднего значения его выходного напряжения (в долях среднего значения входного) от относительной длительности импульса напряжения на выходе. Эта длительность импульса напряжения определяется по отношению к периоду следования импульсов.
Уравнение регулировочной характеристики широтно-импульсного преобразователя с однополярными импульсами (однополярная модуляция), определяющее степень регулирования выходного напряжения, имеет вид:
„ ивых 1 гтт , (и
С =-=- ивхаг =—
ивх Швх I Т
и
(Л.
и вых
ь
Тт
Рис. 1. Выходное напряжение преобразователей с однополярными импульсами
Существенным моментом в преобразователях постоянного тока является желаемая линейная зависимость выходного напряжения от управляющего воздействия. Особенностью зависимости и = /(и ) при широтно-импульсной модуляции (ШИМ) напряжения является
нелинейность выходной характеристики [1]. Регулировочная характеристика при таком способе регулирования имеет круто падающий характер.
Разработан способ получения линейной регулировочной характеристики с помощью широтно-импульсного метода управления силовыми элементами преобразователя [1].
Частичное линейное регулирование постоянного напряжения возможно, используя метод широтно-импульсного модулирования при изменении угла управления а по арккосинусоидальному закону [1]. Линейность характеристики является большим достоинством преобразователя, обеспечивающим оптимальное построение устройств автоматического управления процессами в выходной цепи выпрямителей. В настоящий момент существует метод регулирования выходного напряжения с ШИМ, который позволяет получить линейную регулировочную характеристику в пределах 0,5бивх. Подобный подход был предложен для инверторов (регулирование переменного напряжения), где амплитуда синусоиды не превышает амплитуду треугольных импульсов.
Наибольшее применение на практике получили три способа широтно-импульсного регулирования:
1) Регулирование по закону, когда среднее значение выходного напряжения и ширина изменяются по прямоугольному признаку.
2) Регулирование по трапецеидальному закону - в этом случае среднее значение выходного напряжения имеет вид трапеции.
3) Регулирование по синусоидальному закону, когда ширина импульсов выходного напряжения регулируется по синусоидальному закону.
В основу устройств широтно-импульсного регулирования однофазных и трехфазных инверторов напряжения положен нуль-орган (компаратор), на неинвертирующий вход которого подается опорное (?Уоп) напряжение треугольной формы, а на инвертирующий -модулирующее напряжение и прямоугольной, трапецеидальной или синусоидальной формы.
На рис. 2 показан принцип формирования модулирующих импульсов с помощью нуль-органа при модулирующем напряжении £/м прямоугольной формы и опорном напряжении треугольной формы ?Уоп: а) нуль-орган (компаратор); б) кривые опорного и модулирующего напряжений; в) кривые выходного напряжения нуль-органа.
Рис. 2. Формирователь модулирующих импульсов
В точках равенства опорного и модулирующего напряжений в моменты времени Ь, Ь, ¿3, и происходит срабатывание компаратора. В результате, на выходе формируются импульсы напряжений, длительность которых изменяется пропорционально модулирующему напряжению. Отсюда, данный способ получил название широтно-импульсного модулирования (ШИМ).
В промежутках времени 0 — ^, ^ — ^ значение ЦУоп < ¿Ум, в результате чего на выходе формируются отрицательные импульсы выходного напряжения.
В промежутках времени ^ — , — , иоп > им, что приводит к изменению полярности выходных импульсов напряжения. Изменяя величину постоянного модулирующего напряжения, можно регулировать ширину положительных и отрицательных импульсов выходного напряжения компаратора. Полученные импульсы напряжения позволяют с помощью программируемых контроллеров сформировать импульсы управления транзисторами инверторов по заданному закону.
Принципиально, в однофазных инверторах формирование импульсов напряжения может быть выполнено при однополярном опорном напряжении треугольной формы и двуполярном - пилообразной формы. В трехфазных инверторах система управления ШИМ может быть выполнена только при двуполярном опорном напряжении.
Авторами предложен метод регулирования выходного напряжения с ШИМ, который позволяет получить линейную регулировочную характеристику постоянного напряжения в диапазоне регулирования от 0 до 1 [13].
Особенности регулирования напряжения методом ШИМ
Реализация метода ШИМ осуществляется на основе представленного на рис. 3-6 принципа.
Рис. 3. Схема реализации метода ШИМ Схема управления содержит генератор положительных полуволн синусоидального напряжения (1) и треугольных импульсов (2), блок формирования управляющего сигнала (3), состоящий из блоков сравнения опорного и модулирующего напряжений (4) и (6), триггера Шмидта (5) и силового блока (7).
На рис. 4-6 показан принцип формирования управляющих импульсов при помощи схемы, представленной на рис. 3.
ШИМ осуществляется следующим образом: положительная полуволна синусоидального сигнала управления пересекает треугольные импульсы в диапазоне 0 ... п. Регулируемое напряжение постоянного тока (для силовой части схемы) разбивается на прямоугольные импульсы, в соответствии с условием пересечения треугольных импульсов с синусоидальной кривой. Получаем девять импульсов различной длительности.
Рис. 4. Регулирование выходного напряжения ШИМ для постоянного напряжения (и^ > и^еуг)
Таким образом, постоянное напряжение разбивается на ряд участков с наличием или отсутствием напряжения. При этом, модулированное напряжение будет присутствовать в диапазонах, где значение напряжения синусоидальной формы превышает значение напряжения треугольных импульсов (рис. 4). Среднее значение напряжения на нагрузке будет определяться длительностью и частотой прямоугольных импульсов, т. е. их скважностью. Изменение скважности, а равно и регулирование напряжения на выходе преобразователя (ио), достигается изменением амплитуды положительной полуволны синусоидального напряжения (рис. 5).
и +
f
Рис. 5. Изменение скважности импульсов путем изменения амплитуды положительной
полуволны синусоидального сигнала
Не смотря на полученную линейность регулировочной характеристики, при таком способе регулирования напряжения и0 на выходе преобразователя, диапазон регулирования составляет чуть более половины от входного значения напряжения.
С целью осуществления возможности регулирования выходного напряжения ио от 0 до 1, применяются способ, представленный на рис. 6.
г
Рис. 6. Регулирование выходного напряжения ШИМ для постоянного напряжения ( и^ < и )
Формирование прямоугольных импульсов происходит в моменты, когда амплитуда напряжения треугольных импульсов превышает значение синусоиды ( и^п < и^еуг ).
Регулирование выходного напряжения и также достигается изменением амплитуды синусоиды.
Регулировочная характеристика, полученная в результате применения настоящего способа регулирования напряжения, будет иметь вид, представленный на рис. 7.
и ■ 1
о,а о,а 0.7 0.6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 о
- и »ш sin а
Рис. 7. Регулировочная характеристика преобразователя постоянного тока в диапазоне регулирования от 0 до 1
Основное достоинство ШИМ связано с отсутствием в нем каких-либо реактивных элементов (дросселей, конденсаторов), что позволяет выполнять его в едином технологическом процессе в виде твердотельного модуля. Это обеспечивает низкие удельные значения массогабаритных показателей преобразователя. Недостатки же связаны с импульсным характером токов и напряжений, что обуславливает высокие уровни помех и низкий уровень электромагнитной совместимости.
Заключение
В результате применения метода ШИМ, регулировочные характеристики постоянного напряжения имеют линейный характер и позволяют производить регулирование напряжения от нулевых значений до максимальных. При этом, значительно упрощается использование микропроцессорной техники для изготовления регуляторов напряжения. Результаты по разработанному алгоритму работы управляющего устройства методом ШИМ могут найти широкое применение в силовой электронике САЭКС.
Дальнейшими направлениями совершенствования САЭКС являются ориентация на разработку способов преобразования электроэнергии, а также улучшение эксплуатационно-технических характеристик вторичных источников электропитания, стабильная работа которых определяет стабильность работы системы связи, в целом.
Литература
1. Семенов Б.Ю. Силовая электроника: профессиональные решения. М.: Солон-пресс. 2011.
416 с.
2. Розанов Ю.Г. Основы силовой электроники. М.: Энергоатомиздат, 1992. 296 с.
3. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. М.: ACADEMA. 2006. 265 с.
4. Роташ Э.М., Дробович Ю.И., Юрченко Н.Н., Шевченко П.Н. Высокочастотные транзисторные преобразователи. М.: Радио и связь. 1988.
5. Веселовский А.П., Будко П.А., Бурьянов О.Н., Винограденко А.М. Особенности систем управления вентильных преобразователей // Тезисы докладов II межвузовской НПК «Проблемы технического обеспечения войск в современных условиях» ВАС; СПб, 2017 г., с. 150-154.
6. Веселовский А.П., Будко П.А., Винограденко А.М., Косарева Л.И. Реализация способа преобразования переменного напряжения // Тезисы докладов II межвузовской НПК «Проблемы технического обеспечения войск в современных условиях» ВАС; СПб, 2018 г., с. 172-176.
7. Веселовский А.П., Будко П.А., Винограденко А.М., Косарева Л.И. Регулирование напряжения в преобразователях высокочастотными импульсами с изменяющейся скважностью // Мехатроника, автоматизация, управление. 2018. №8 (19). С. 516-522. DOI: 10.17587/mau. 19.516-522.
8. Винограденко А.М., Веселовский А.П., Вжесневский С.В., Гальвас А.В. Способ и устройство синхронизации систем управления преобразователей напряжения // Практическая силовая электроника. 2018. № 2 (70). С. 53-55.
9. Гельман М.В., Гельман М.М., Преображенский К.А. Преобразовательная техника. Челябинск. ЮУрГУ. 2009. 425 с.
10. Кулик В.Д. Силовая электроника. Автономные инверторы, активные преобразователи: Учебное пособие. СПб.: СПбГТУРП, 2010. 90 с.
11. Зиновьев Г.С. Силовая электроника. Учебн. пособие для бакалавров. Москва: Юрайт. 2012. 671с.
12. Abraham L., Heumann K., Koppelmann F. Wechselrichter fur Dzehzahlsteurung von Kafiglaufermotoren. AEG-Mitt., 1964. N. 2. P. 89-106.
13. Volkov A.G. Mathematical model of AC-AC converter without passive elements in DC-link // Source of the Document International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM 2014). 2014. P. 403-407.
References
1. Semenov B.Yu. Power electronics: professional solutions. Moscow. Solon-press. 2011. 416 p. (in Russian).
2. Rozanov Yu.G. Fundamentals of power electronics. Moscow. Energoatomizdat, 1992. 296 p. (in Russian).
3. Sokolovsky G.G. Elektroprivody peremennogo toka s chastotnym regulirovaniem [Electric drives of alternating current with frequency regulation]. Moscow. Academa. 2006. 265 p. (in Russian).
4. Rotash E.M., Drobovich Yu.I., Yurchenko N.N., Shevchenko P.N. Vysokochastotnye tranzistornye preobrazovateli [High-Frequency transistor converters. Moscow. Radio and communications]. 1988 (in Russian).
5. Veselovsky A.P., Budko P.A., On Weeds.N., аnd Vinogradenko.M. Osobennosti sistem upravleniya ventil'nyh preobrazovatelej [Features of control systems valve converters]. Proceedings of the second Intercollegiate NPK "problems of technical support of troops in modern conditions". Saint-Petersburg. 2017 p. 150-154 (in Russian).
6. Veselovsky A.P., Budko P.A., Vinogradenko And.M. Kosareva L.I. Realizaciya sposoba preobrazovaniya peremennogo napryazheniya [The Implementation of the method of conversion of alternating voltage]. Abstracts of the second inter-University SPC "problems of technical support of troops in modern conditions". Saint-Petersburg 2018 p. 172-176 (in Russian).
7. Veselovsky A.P., Budko P.A., Vinogradenko a.m., Kosareva L.I. Regulirovanie napryazheniya v preobrazovatelyah vysokochastotnymi impul'sami s izmenyayushchejsya skvazhnost'yu [Voltage Regulation in converters by high-frequency pulses with varying duty cycle]. Mechatronics, automation, and control. 2018. No. 8 (19). Pp. 516-522. DOI: 10.17587/mau. 19. p. 516-522 (in Russian).
8. Vinogradenko A.M., Veselovsky A.P., Vzhesnevsky S.V., Galvas A.V. Sposob i ustrojstvo sinhronizacii sistem upravleniya preobrazovatelej napryazheniya [Method and device for synchronizing control systems of voltage converters]. Practical power electronics. 2018. No. 2 (70). Pp. 53-55 (in Russian).
9. Gelman M.V., Gelman M.M., Preobrazhensky K.A. Transformative technology. Chelyabinsk. SUSU. 2009. 425 p. (in Russian).
10. Kulik V.D. Power electronics. Stand-alone inverters, active converters. Saint Petersburg, 2010, 91 p. (in Russian).
11. Zinoviev G.S. Power electronics. Moscow: Yurayt. 2012. 671 s. (in Russian).
12. Abraham L., Heumann K., Koppelman, F. von Wechselrichter fur Dzehzahlsteurung Kafiglaufermotoren. AEG-Mitt., 1964. N. 2. P. 89-106.
13. Volkov A.G. mathematical model of frequency Converter AC to AC without passive elements in DC link. Source document of the International conference of young specialists on micro/nanotechnologies and electron devices (EDM 2014). 2014. Pp. 403-407.
Статья поступила 28 августа 2020 г.
Информация об авторах
Абрамкин Роман Викторович — Aдъюнкт кафедры Технического обеспечения связи и автоматизации Военной академии связи. Тел. +7-999-980-85-13. E-mail: avg62rus@rambler.ru.
Веселовский Анатолий Платонович — Кандидат технических наук, доцент института электропитания СПбГПУ. Тел. +7-904-559-48-44. E-mail: aveselovskij@mail.ru.
Винограденко Алексей Михайлович — Кандидат технических наук, доцент, докторант кафедры Технического обеспечения связи и автоматизации Военной академии связи. Тел. +7-921-443-90-22. E-mail: vinogradenko.a@inbox.ru.
Крачков Андрей Александрович — Адъюнкт кафедры Технического обеспечения связи и автоматизации Военной академии связи. Тел. +7-938-863-51-73. E-mail: kr.andrew@mail.ru.
Адрес: 194064, Россия, Санкт-Петербург, Тихорецкий пр., д.3.
Pulse regulation in dc converters of autonomous power supply systems for communication complexes
R.V. Abramkin, А.Р. Veselovsky, A.M. Vinogradenko, A.A. Krackow
Abstract: the article deals with the most dynamically developing direction of power electronics associated with the solution of the problem of voltage regulation in DC converters the analysis of the work of voltage converters. The possibility of obtaining a complete linear adjustment characteristic using the pulse-width modulation is presented.
Keywords: voltage regulation; static energy converters;independent power supply system; pulse-width modulate.
Information about Authors
Abramkin Roman Viktorovich - Associate of the Department of Technical Support of Communications and Automation of the Military Academy of Communications. Tel. +7-999-980-85-13. E-mail: avg62rus@rambler.ru.
Veselovsky Anatoly Platonovich - Candidate of technical sciences, associate professor of the power supply institute of St. Petersburg State Pedagogical University. Tel. +7-904-559-48-44. E-mail: aveselovskij@mail.ru.
Vinogradenko Alexey Mikhailovich - Ph.D., associate professor, doctoral student of the Department of Technical Support of Communications and Automation of the Military Academy of Communications. Tel. +7-921-443-90-22. E-mail: vinogradenko.a@inbox.ru.
Krachkov Andrey Alexandrovich - Associate Professor of the Department of Technical Support of Communications and Automation of the Military Academy of Communications. Tel. +7-938-863-51-73. E-mail: kr.andrew@mail.ru.
Address: 194064, Russia, Saint-Petersburg, Tikchoretskiy pr., d. 3.
Для цитирования: Абрамкин Р.В., Веселовский А.П., Винограденко А.М., Крачков А.А. Импульсное регулирование в преобразователях постоянного тока системы автономного электроснабжения комплексов связи // Техника средств связи. 2020. № 3 (151). С. 29-36.
For citation: Abramkin R.V., Veselovsky А.Р., Vinogradenko A.M., Krackow A.A.Pulse regulation in dc converters of autonomous power supply systems for communication complexes. Means of communication equipment. 2020. No 3 (151). Pp. 29-36 (in Russian).
