Научная статья на тему 'ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЫШАЮЩЕГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА БАЗЕ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО ИНТЕГРИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КОМПОНЕНТА'

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЫШАЮЩЕГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА БАЗЕ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО ИНТЕГРИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КОМПОНЕНТА Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
48
10
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ / ПОВЫШАЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ / ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ИНТЕГРАЦИЯ / МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ИНТЕГРИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ КОМПОНЕНТ / ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ / СНИЖЕНИЕ МАССЫ И ГАБАРИТОВ

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Кириллов Роман Вячеславович, Афлятунов Радмир Рифович, Васильев Петр Игоревич, Хазиева Регина Тагировна

Актуальность Повысить надежность и эффективность систем преобразования электрической энергии, снизить их массу и габариты позволяют методы функциональной интеграции дискретных электрических и электромагнитных компонентов. Авторами предложено схемотехническое решение, основанное на замене некоторых отдельных дискретных компонентов повышающего преобразователя постоянного напряжения на многофункциональный интегрированный электромагнитный компонент (МИЭК). Компонент выполняет функции катушки индуктивности и фильтрующего конденсатора. Цель исследования В данной статье разработан повышающий преобразователь постоянного напряжения на базе многофункционального интегрированного электромагнитного компонента. Основной задачей является разработка повышающего преобразователя постоянного напряжения на базе многофункционального интегрированного электромагнитного компонента. Методы исследования В данном исследовании использованы следующие методы: изучение научной литературы и компьютерное моделирование в среде Matlab. Результаты Разработана компьютерная модель повышающего преобразователя постоянного напряжения на базе МИЭК в программном комплексе Circuit Simulator. Получены графики выходного напряжения. Проанализированы схемы повышающих преобразователей постоянного напряжения. Собрана схема повышающего преобразователя постоянного напряжения на базе МИЭК. Сняты осциллограммы выходного напряжения. Проведен анализ компьютерной модели и лабораторного испытательного образца. Выполнен комплекс работ по улучшению выходных характеристик повышающего преобразователя на основе МИЭК. Выбрана оптимальная схема для реализации замены катушки индуктивности и фильтрующего конденсатора на многофункциональный интегрированный электромагнитный компонент. Проведенные лабораторные исследования подтвердили работоспособность МИЭК в качестве замены отдельных дискретных компонентов схемы повышающего преобразователя постоянного напряжения. Определен оптимальный режим работы повышающего преобразователя на основе МИЭК, позволяющий расширить диапазон выходного напряжения и снизить пульсации. Расширение диапазона выходного напряжения осуществимо благодаря околорезонансному либо резонансному режиму работы преобразователя, что возможно благодаря структуре МИЭК, представляющей собой резонансный LC-контур.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Кириллов Роман Вячеславович, Афлятунов Радмир Рифович, Васильев Петр Игоревич, Хазиева Регина Тагировна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

INVESTIGATION OF A DC VOLTAGE BOOSTER CONVERTER BASED ON A MULTIFUNCTIONAL INTEGRATED ELECTROMAGNETIC COMPONENT

The relevance The methods of functional integration of discrete electrical and electromagnetic components allow increasing the reliability and efficiency of electrical energy conversion systems, reducing their weight and dimensions. The authors proposed a circuit solution based on the replacement of some individual discrete components of a DC boost converter with a multifunctional integrated electromagnetic component (MIEС). The component performs the functions of an inductor and a filter capacitor. Aim of research This article discusses the investigation of a DC voltage booster converter based on a multifunctional integrated electromagnetic component. The main task is to investigate a DC voltage booster converter based on a multifunctional integrated electromagnetic component. Research methods In this study, the following methods were used: the study of scientific literature and computer simulation in the Matlab environment. Results A computer model of a step-up DC voltage converter based on MIEС in the Circuit Simulator software package has been developed. Graphs of the output voltage are obtained. The circuits of step-up DC voltage converters are analyzed. A circuit of a DC voltage boost converter based on MIEС has been assembled. Output voltage waveforms were taken. An analysis of the computer model and laboratory test sample was carried out. A set of works has been completed to improve the output characteristics of a step-up converter based on MIEС. The optimal scheme has been chosen to implement the replacement of the inductor and filter capacitor with a multifunctional integrated electromagnetic component. Conducted laboratory studies confirmed the operability of MIEС as a replacement for individual discrete components of the DC voltage boost converter circuit. The optimal mode of operation of the boost converter based on MIEС is determined, which makes it possible to expand the output voltage range and reduce ripples. Expansion of the output voltage range is feasible due to the near-resonant or resonant mode of operation of the converter, which is feasible due to the MIEС structure, which is a resonant LC circuit.

Текст научной работы на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЫШАЮЩЕГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА БАЗЕ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО ИНТЕГРИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КОМПОНЕНТА»

ELEcTRicAL FAciLiTiES AND SYSTEMS

Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2023. Т. 19, № 1. С. 68-81. ISSN 1999-5458 (print) Electrical and Data Processing Facilities and Systems. 2023. Vol. 19. No. 1. P. 68-81. ISSN 1999-5458 (print)

Научная статья УДК 621.31

doi: 10.17122/1999-5458-2023-19-1-68-81

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЫШАЮЩЕГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА БАЗЕ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО ИНТЕГРИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КОМПОНЕНТА

Роман Вячеславович Кириллов Roman V Kirillov

доцент базовой кафедры «Электроэнергетика и электротехнологии» в составе «Электротехника и электрооборудование предприятий», Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, Россия

Радмир Рифович Афлятунов Radmir R. Aflyatunov

аспирант, ассистент кафедры «Электротехника и электрооборудование предприятий»,

Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, Россия

Петр Игоревич Васильев Petr I. Vasilyev

аспирант, ассистент кафедры «Электроэнергетика и электротехнологии», Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, Россия

Регина Тагировна Хазиева Regina T. Khazieva

кандидат технических наук, доцент,

доцент кафедры «Электротехника и электрооборудование предприятий», Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, Россия

Актуальность

Повысить надежность и эффективность систем преобразования электрической энергии, снизить их массу и габариты позволяют методы функциональной интеграции дискретных электрических и электромагнитных компонентов. Авторами предложено схемотехническое решение, основанное на замене некоторых отдельных дискретных компонентов повышающего преобразователя постоянного напряжения на многофункциональный интегрированный электромаг-

Ключевые слова

преобразователь

электрической энергии,

повышающий

преобразователь

постоянного напряжения,

функциональная

интеграция,

© Кириллов Р. В., Афлятунов Р. Р., Васильев П. И., Хазиева Р. Т., 2023 68 -

нитный компонент (МИЭК). Компонент выполняет функции катушки индуктивности и фильтрующего конденсатора.

Цель исследования

В данной статье разработан повышающий преобразователь постоянного напряжения на базе многофункционального интегрированного электромагнитного компонента.

Основной задачей является разработка повышающего преобразователя постоянного напряжения на базе многофункционального интегрированного электромагнитного компонента.

Методы исследования

В данном исследовании использованы следующие методы: изучение научной литературы и компьютерное моделирование в среде Matlab.

Результаты

Разработана компьютерная модель повышающего преобразователя постоянного напряжения на базе МИЭК в программном комплексе Circuit Simulator. Получены графики выходного напряжения. Проанализированы схемы повышающих преобразователей постоянного напряжения. Собрана схема повышающего преобразователя постоянного напряжения на базе МИЭК. Сняты осциллограммы выходного напряжения. Проведен анализ компьютерной модели и лабораторного испытательного образца. Выполнен комплекс работ по улучшению выходных характеристик повышающего преобразователя на основе МИЭК. Выбрана оптимальная схема для реализации замены катушки индуктивности и фильтрующего конденсатора на многофункциональный интегрированный электромагнитный компонент. Проведенные лабораторные исследования подтвердили работоспособность МИЭК в качестве замены отдельных дискретных компонентов схемы повышающего преобразователя постоянного напряжения. Определен оптимальный режим работы повышающего преобразователя на основе МИЭК, позволяющий расширить диапазон выходного напряжения и снизить пульсации. Расширение диапазона выходного напряжения осуществимо благодаря околорезонансному либо резонансному режиму работы преобразователя, что возможно благодаря структуре МИЭК, представляющей собой резонансный LC-контур.

многофункциональный интегрированный электромагнитный компонент, повышение надежности, снижение массы и габаритов

Благодарности:

Исследования выполнены на средства гранта Стипендии Президента Российской Федерации в 20222024 годах для молодых ученых и аспирантов, осуществляющих перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики. Грантополучатель Хазиева Регина Тагировна.

Приоритетное направление модернизации российской экономики (направление конкурса № СП-2022 Совета по грантам Президента Российской Федерации) «Энергоэффективность и энергосбережение, в том числе вопросы разработки новых видов топлива». Тема исследований: «Разработка и исследование фильтрокомпенсирующего устройства для повышения качества электроэнергии».

Для цитирования: Кириллов Р. В., Афлятунов Р. Р., Васильев П. И., Хазиева Р. Т. Исследование повышающего преобразователя постоянного напряжения на базе многофункционального интегрированного электромагнитного компонента // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2023. № 1. Т. 19. С. 68-81. http://dx.doi. org/10.17122/1999-5458-2023-19-1-68-81.

Original article

INVESTIGATION OF A DC VOLTAGE BOOSTER CONVERTER BASED ON A MULTIFUNCTIONAL INTEGRATED ELECTROMAGNETIC COMPONENT

The relevance

The methods of functional integration of discrete electrical and electromagnetic components allow increasing the reliability and efficiency of electrical energy conversion systems, reducing their weight and dimensions. The authors proposed a circuit solution based on the replacement of some individual discrete components of a DC boost converter with a multifunctional integrated electromagnetic component (MIEQ. The component performs the functions of an inductor and a filter capacitor.

Aim of research

This article discusses the investigation of a DC voltage booster converter based on a multifunctional integrated electromagnetic component.

The main task is to investigate a DC voltage booster converter based on a multifunctional integrated electromagnetic component.

Research methods

In this study, the following methods were used: the study of scientific literature and computer simulation in the Matlab environment.

Results

A computer model of a step-up DC voltage converter based on MIEС in the Circuit Simulator software package has been developed. Graphs of the output voltage are obtained. The circuits of step-up DC voltage converters are analyzed. A circuit of a DC voltage boost converter based on MIEС has been assembled. Output voltage waveforms were taken. An analysis of the computer model and laboratory test sample was carried out. A set of works has been completed to improve the output characteristics of a step-up converter based on MIEC The optimal scheme has been chosen to implement the replacement of the inductor and filter capacitor with a multifunctional integrated electromagnetic component. Conducted laboratory studies confirmed the operability of MIEС as a replacement for individual discrete components of the DC voltage boost converter circuit. The optimal mode of operation of the boost converter based on MIEС is determined, which makes it possible to expand the output voltage range and reduce ripples. Expansion of the output voltage range is feasible due to the near-resonant or resonant mode of operation of the converter, which is feasible due to the MIEС structure, which is a resonant LC circuit.

Ключевые слова

electrical energy converter, step-up DC voltage converter, functional integration, multifunctional integrated electromagnetic component, increased reliability, reduction in weight and dimensions

Acknowledgments:

The research was funded by a Grant from the President of the Russian Federation Scholarship in 2022-2024 for young scientists and graduate students carrying out promising research and development in priority areas of modernization of the Russian economy. Grantee Khaziyeva Regina T.

The priority direction of the modernization of the Russian economy (the direction of the competition No. SP-2022 of the Council for Grants of the President of the Russian Federation) «Energy efficiency and energy saving, including the development of new types of fuel». Research topic: «Development and research of a filter-compensating device to improve the quality of electricity».

For citation: Kirillov R. V., Aflyatunov R. R., Vasilyev P. I., Khazieva R. T. Issledovaniye povyshayushchego preobrazovatelya post-oyannogo napryazheniya na baze mnogofunktsional'nogo integrirovannogo elektromagnitnogo komponenta [Investigation of a DC Voltage Booster Converter Based on a Multifunctional Integrated Electromagnetic Component]. Elektrotekhnicheskie i infor-matsionnye kompleksy i sistemy — Electrical and Data Processing Facilities and Systems, 2023, No. 1,Vol. 19, pp. 68-81 [in Russian]. http://dx.doi.org/10.17122/1999-5458-2023-19-1-68-81.

Введение

Работа повышающего преобразователя постоянного напряжения основана на явлении самоиндукции. Полупроводниковый ключ коммутирует через катушку индуктивности ток. При прерывании тока запасенная в магнитном поле катушки индуктивности энергия поступает через полупроводниковый диод и фильтрующий конденсатор на нагрузку. Управляя временем переключения полупроводникового ключа и током через него, можно выполнять регулировку выходного напряжения [1-6].

Применение методов функциональной интеграции позволяет заменить катушку индуктивности и фильтрующий конденсатор на единый гибридный элемент. Так, согласно источнику [7], замена отдельных дискретных компонентов на многофункциональный интегрированный электромагнитный компонент (МИЭК) позволяет повысить надежность и энергетическую эффективность повышающего преобразователя постоянного напряжения, снизить его массу и габариты. В условиях нынешнего дефицита проводников и диэлектриков актуально исследование методов функциональной интеграции электромагнитных компонентов. Подробно эффективность гибридных преобразователей постоянного тока рассмотрена в источнике [8], где авторами разработаны схемы преобразователей постоянного тока с двумя индуктивными элементами и распределенной емкостью, что позволило снизить пульсации выходного напряжения.

Научная значимость исследований заключается в возможности применения

данной технологии в направлениях, связанных с преобразованием электрической энергии, в том числе преобразованием в тепловую энергию посредством индукционного нагрева. Практическая значимость разработанного технического решения заключается в снижении ресурсоемкости систем, основанных на гибридных электромагнитных компонентах, а также повышении надежности за счет снижения количества соединений и отдельных дискретных элементов.

Многофункциональный интегрированный электромагнитный компонент

Объектом исследования является МИЭК, который представляет собой две токопроводящие медные обкладки, разделенные полиимидным диэлектриком и свернутые в рулон (рисунок 1).

Рисунок 1. Многофункциональный интегрированный электромагнитный компонент

Figure 1. Multifunctional integrated electromagnetic component

Схема замещения многофункционального интегрированного электромагнитного компонента представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема замещения МИЭК Figure 2. Equivalent circuit of multifunctional integrated electromagnetic component

Компьютерная модель

Для схемы замещения МИЭК в программном комплексе Circuit Simulator была создана компьютерная модель на основе математической модели двухсекционного МИЭК с параметрами индуктивности обкладок 10 мкГн и эквивалентной емкостью 250 нФ.

Исследование математических моделей проведено при помощи методов конечных элементов в программном комплексе MATLAB [9, 10]. Особенностью моделирования МИЭК является распределенная по всей площади обкладок, выполняющих роль индуктивностей, емкость. С целью упрощения моделиро-

вания принято допущение, согласно которому распределенная емкость представлена в виде эквивалентной емкости в начале и конце обкладок.

Компьютерная модель упрощенной схемы повышающего преобразователя постоянного напряжения на базе МИЭК в программном комплексе Circuit Simulator (рисунок 3) представляет собой источник постоянного напряжения 12 В, подключенный положительным полюсом к началу первой обкладки МИЭК и отрицательным полюсом — к началу второй обкладки МИЭК, конец второй обкладки и сама обкладка в целом являются общей точкой (землей) схемы, при

Рисунок 3. Компьютерная модель Figure 3. Computer model

этом конец первой обкладки соединен со стоком транзистора, регулирующего накачку энергии в обкладку и эквивалентную емкость компонента [11].

Результаты компьютерного моделирования представлены на рисунке 4 в виде графиков напряжения на входе схемы, управляющего сигнала на затворе транзистора и напряжения на выходе схемы. Изменение параметров управляющего сигнала в цепи затвора транзистора позволило сократить пульсации выходного напряжения модели повышающего преобразователя напряжения из источника [12] с амплитудного значения от 17 до 4,8 В [13].

Наряду с регулировкой выходного напряжения форма сигнала в цепи затвора транзистора играет важную роль в величине пульсаций на выходе схемы. В ходе компьютерного моделирования

достигнута форма сигнала, обеспечивающая минимальные пульсации напряжения на выходе схемы. Главной особенностью такого сигнала является плавный фронт нарастания импульса (рисунок 4).

Лабораторные исследования

Полученные в ходе компьютерного моделирования результаты показали целесообразность лабораторных исследований и создания схемы повышающего преобразователя постоянного напряжения на базе МИЭК. Была выбрана оптимальная схема преобразователя постоянного напряжения (рисунок 5) [14].

Дискретные элементы Тг1 и С7 были заменены на многофункциональный интегрированный электромагнитный компонент (рисунок 6).

Рисунок 4. Графики напряжения на входе управляющего сигнала в цепи затвора

транзистора и на выходе схемы

Figure 4. Graphs of Ше voltage at Ше трШ; of Ше соПхо1 signal т Ше gate агсиИ of Ше transistor and at Ше оШрШ; of Ше агсиИ

Figure 5. DC voltage converter circuit

Рисунок 6. Собранная схема преобразователя

Figure 6. Assembled converter circuit

При питании схемы от напряжения 12 В осциллограмма выходного сигнала имеет сильные пульсации, достигающие амплитудного значения 27 В (рисунок 7).

С целью снижения пульсаций для экспериментального подтверждения возможной нехватки емкости фильтрующего конденсатора, функцию которого выполняет МИЭК, дополнительно подключен внешний дискретный конденсатор номиналом 1000 мкФ [15]. При этом пульсации значительно снизились, и выходное напряжение приняло постоянную форму сигнала (рисунок 8).

74 -

Electrical and

Наличие пульсаций выходного напряжения напрямую зависит от алгоритма управления преобразователем, ввиду чего был изменен сигнал, подаваемый на силовой транзистор Т1 схемы преобразователя постоянного напряжения. Частота следования импульсов преобразователя до замены частотозадающей RC-цепи составляла 791 Гц (рисунок 9).

В повышающем преобразователе преобразование электрической энергии происходит в два этапа (рисунок 10). На первом этапе транзистор открыт, и ток через него от источника поступает на обмотки

Рисунок 7. Осциллограмма выходного напряжения Figure 7. Output voltage waveform

Рисунок 8. Осциллограмма выходного напряжения с дополнительной емкостью Figure 8. Output voltage waveform with additional capacitance

Рисунок 9. Осциллограмма частоты следования импульсов преобразователя до замены

частотозадающей RC-цепи

Figure 9. Oscillogram of the pulse repetition rate of the converter before replacing

the frequency-setting RC circuit

- 75

Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 1, т. 19, 2023

Рисунок 10. Этапы преобразования электрической энергии Figure 10. Stages of conversion of electrical energy

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

МИЭК. При этом ток на индуктивности МИЭК достигает максимума за время После закрытия транзистора наступает второй этап, индуктивность МИЭК перестает быть потребителем энергии и начинает отдавать ее на нагрузку. Таким образом, напряжение на выходе преобразователя складывается из напряжения источника питания и напряжения на индуктивностях МИЭК.

Уравнение регулировочной характеристики имеет вид:

. 'олг+'ои?

Vqut — VIN *

IN

toFF

где Уоиг — напряжение на выходе преобразователя;

Уш — напряжение источника питания; ¿оы — время, когда транзистор открыт; ¿ор-р- — время, когда транзистор закрыт. Из формулы следует, что управлять напряжением на выходе преобразователя можно, изменяя время открытого и закрытого состояния транзистора (рисунок 11). Это действует также и на пульсации напряжения. Таким образом, сокращение времени закрытого состоя-

Рисунок 11. Графики зависимости напряжения и тока от времени

Figure 11. Graphs of voltage and current versus time

ния транзистора позволяет снизить пульсации на выходе схемы.

Несущая частота преобразователя напряжения после модернизации схемы составила 66,15 кГц (рисунок 12), что привело к снижению пульсаций выходного напряжения преобразователя без

Рисунок 12. Осциллограмма несущей частоты преобразователя после замены

частотозадающей RC-цепи

Figure 12. Oscillogram of the carrier frequency of the converter after replacing

the frequency-setting RC circuit

внесения в схему дополнительной емкости. Изменился также фронт нарастания управляющего сигнала в цепи затвора транзистора. Длительность нарастания фронта приняла те же значения, что и в компьютерной модели.

С заменой частотозадающей RC-цепи повышающего преобразователя расши-

рился диапазон регулируемого выходного напряжения, таким образом, лабораторный образец повышающего преобразователя напряжения на основе МИЭК способен обеспечить диапазон выходного напряжения 20-110 В, при питании схемы от 12 В (рисунок 13). Пульсации напряжения при этом не превышают 1,5 В.

Рисунок 13. Осциллограмма выходного напряжения после замены частотозадающей RC-цепи

Figure 13. Oscillogram of the output voltage after replacing the frequency-setting RC circuit

Расширение диапазона регулировки выходного напряжения обусловлено околорезонансным режимом работы преобразователя, так как МИЭК представляет собой колебательный LC-контур с резонансной частотой 100,6 кГц при индуктивности обкладок 10 мкГн и емкости компонента 250 нФ [12-16].

Для достоверности полученных данных в лабораторных условиях исследованы частотные характеристики нескольких МИЭК, выполненных по многосекционной структуре (рисунок 14).

Результаты исследований подтвердили корректность зависимости параметров емкости и индуктивности многофункционального интегрированного электромагнитного компонента от изменения диапазона выходного напряжения повышающего преобразователя напряжения.

В ходе лабораторных исследований была подтверждена корректность разработанной компьютерной модели повышающего преобразователя постоянного напряжения. Разница между выходными

напряжениями компьютерной модели и лабораторного образца составила 2,5 %.

Проблема недостатка емкости фильтрующего конденсатора, функцию которого выполняет МИЭК, решена внесением дополнительной емкости в схему преобразователя. Однако для повышения емкости необходимо увеличивать длину или ширину обкладок, что приведет к увеличению массы и габаритов системы. Изменение алгоритма управления силовой частью системы позволило снизить уровень пульсаций выходного напряжения, а, следовательно, обеспечить более ровную форму выходного напряжения.

Представленная авторами схема повышающего преобразователя постоянного напряжения на базе многофункционального интегрированного электромагнитного компонента обладает более высоким коэффициентом усиления по напряжению и позволяет снизить массу и габариты электротехнических систем и устройств по сравнению со схемами, выполненными с использованием дискретных элементов емкости и индуктивности.

Рисунок 14. Лабораторные образцы МИЭК Figure 14. Laboratory samples of multifunctional integrated electromagnetic component

78 -

Electrical and data processing facilities and systems. № 1, v. 19, 2023

Выводы

В ходе математического моделирования системы преобразования постоянного напряжения на основе многофункционального интегрированного электромагнитного компонента получены графики выходного напряжения, позволяющие сделать вывод о целесообразности создания схемы повышающего преобразователя с заменой дискретных элементов емкости и индуктивности на единый гибридный компонент.

Лабораторные исследования подтвердили результаты математического моделирования и позволили сформировать заключение о работе повышающего преобразователя постоянного напряжения

Список источников

1. Андриянов А.И. Проектирование импульсных преобразователей постоянного напряжения с учетом динамических нелинейностей // Электротехнические системы и комплексы. 2021. № 2 (51). С. 39-44. doi: 10.18503/2311-8318-2021-2(51)-39-44.

2. Володин Е.В., Осипов О.И. Экспериментальное исследование повышающего DC-DC преобразователя // Электротехнические системы и комплексы. 2019. № 3 (44). С. 47-52. doi: 10.18503/2311-8318-2019-3(44)-47-52.

3. Дунаев М.П., Довудов С.У. Сравнение энергетических показателей импульсных преобразователей постоянного тока по результатам имитационного компьютерного моделирования // Электротехнические системы и комплексы. 2021. № 1 (50). С. 35-41. doi: 10.18503/2311-8318-2021-1(50)-35-41.

4. Huynh D. M., Ito Y., Aso S., Kato K., Tera-oka K. New Concept of the DC-DC Converter Circuit Applied for the Small Capacity Uninterruptible Power Supply // 2018 International Power Electronics Conference (IPEC-Niigata 2018 -ECCE Asia). 2018. P. 3086-3091. doi: 10.23919/ IPEC.2018.8507821.

5. Dasari R. K., Immanuel D. G. Comprehensive Review of Single Switch DC-DC Converters for Voltage Lift in RES Application // 2018 International Conference on Power, Energy, Control and Transmission Systems (ICPECTS). 2018. P. 281288, doi: 10.1109/ICPECTS.2018.8521598.

6. Liya P.F., Aathira K.V. A Coupled Inductor Buck-Boost DC-DC Converter with Wide Voltage

на основе МИЭК. Целесообразно исследование свойств повышающего преобразователя напряжения на основе МИЭК с измененной геометрией и, как следствие, параметрами емкости и индуктивности компонента с целью снижения пульсаций напряжения на выходе преобразователя. Дополнительно снизить пульсации выходного напряжения позволяет применение специального алгоритма управления схемой преобразователя постоянного напряжения на основе МИЭК. Работа повышающего преобразователя в околорезонансном либо резонансном режиме позволяет расширить диапазон регулировки выходного напряжения.

Conversion Range // 2014 International Conference on Circuits, Power and Computing Technologies [ICCPCT-2014]. 2014. P. 708-713. doi: 10.1109/ ICCPCT.2014.7054817.

7. Саттаров Р.Р, Хазиева Р.Т., Хабибул-лин Т.Р., Горшенин А.И. Исследование понижающего преобразователя на базе многофункционального интегрированного электромагнитного компонента // Электротехнические комплексы и системы: сб. междунар. науч.-практ. конф. Уфа: УГАТУ, 2020. С. 71-77.

8. Бутырин П.А., Гусев Г.Г., Михеев Д.В., Сиренко В.В., Шакирзянов Ф.Н. Разработка математической модели и анализ особенностей режимов индуктивно-емкостного преобразователя на основе каткона // Вестник Московского энергетического института. 2018. № 4. С. 81-88.

9. Muntean N., Gavris M., Cornea O. Dual Input Hybrid DC-DC Converters // 2011 IEEE EUROCON - International Conference on Computer as a Tool. 2011.P. 1-4.doi: 10.1109/EUR0C0N.2011.5929268.

10. Porselvi T., Arounassalame M. A Novel Single Switch High Gain DC-DC Converter // 2018 8th IEEE India International Conference on Power Electronics (IICPE). 2018. P. 1-6. doi: 10.1109/ IICPE.2018.8709508.

11. Конесев С.Г., Хазиева Р.Т. Анализ стабилизационных свойств индуктивно-емкостных преобразователей при различных способах подключения гибридных электромагнитных элементов // Электротехнические системы и комплексы. 2017. № 1(34). С. 49-55. doi: 10.18503/2311-8318-2017-1(34)-49-55.

12. Барсуков В.К. Исследование искажения формы напряжения в точке подключения выпрямителя с емкостным фильтром // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2009. № 9-10. С. 52-60.

13. Малев Н.А., Погодицкий О.В., Козелков О.В., Малацион А.С. Цифровой алгоритм контроля функционирования электромеханического преобразователя постоянного тока // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2022. Т. 24. № 1. С. 126-140. doi: 10.30724/1998-9903-2022-24-1-126-140.

14. Garg M.M., Hote Y.V., Pathak M.K., Behera L. An Approach for Buck Converter PI Controller Design Using Stability Boundary Locus // IEEE/ PES Transmission and Distribution Conference and Exposition (TD). IEEE. 2018. P. 1-5. doi: 10.1109/ TDC.2018.8440291.

15. Конесев С.Г., Хазиева Р.Т. Математическое и физическое моделирование индуктивно-емкостных преобразователей // Электричество.

2020. № 1. С. 32-38. https://doi.org/10.24160/0013-5380-2020-1-32-38.

References

1. Andriyanov A.I. Proektirovanie impul'snykh preobrazovatelei postoyannogo napryazheniya s uchetom dinamicheskikh nelineinostei [Design of Pulse-Width DC/DC Converters Taking into Account Dynamic Nonlinearity]. Elektrotekh-nicheskie sistemy i kompleksy — Electrical Systems and Complexes, 2021, No. 2 (51), pp. 39-44. doi: 10.18503/2311-8318-2021-2(51)-39-44. [in Russian].

2. Volodin E.V., Osipov O.I. Eksperimental'noe issledovanie povyshayushchego DC-DC preobra-zovatelya [Experimental Research of Step-Up DC-DC Converter]. Elektrotekhnicheskie sistemy i kompleksy — Electrical Systems and Complexes, 2019, No. 3 (44), pp. 47-52. doi: 10.18503/2311-8318-2019-3(44)-47-52. [in Russian].

3. Dunaev M.P., Dovudov S.U. Sravnenie energeticheskikh pokazatelei impul'snykh preobrazovatelei postoyannogo toka po rezul'tatam imitatsionnogo komp'yuternogo modelirovaniya [Comparing the Energy Performance of Pulsed DC Converters according to the Results of Computer Simulation]. Elektrotekhnicheskie sistemy i kompleksy — Electrical Systems and Complexes,

2021, No. 1 (50), pp. 35-41. doi: 10.18503/2311-8318-2021-1(50)-35-41. [in Russian].

4. Huynh D. M., Ito Y., Aso S., Kato K., Tera-oka K. New Concept of the DC-DC Converter Circuit Applied for the Small Capacity Uninterruptible Power Supply. 2018 International Power Electronics Conference (IPEC-Niigata 2018 -ECCE

Asia), 2018, pp. 3086-3091. doi: 10.23919/ IPEC.2018.8507821.

5. Dasari R. K., Immanuel D. G. Comprehensive Review of Single Switch DC-DC Converters for Voltage Lift in RES Application. 2018 International Conference on Power, Energy, Control and Transmission Systems (ICPECTS), 2018, pp. 281288. doi: 10.1109/ICPECTS.2018.8521598.

6. Liya P.F., Aathira K.V. A Coupled Inductor Buck-Boost DC-DC Converter with Wide Voltage Conversion Range. 2014 International Conference on Circuits, Power and Computing Technologies [ICCPCT-2014], 2014, pp. 708-713. doi: 10.1109/ ICCPCT.2014.7054817.

7. Sattarov R.R., Khazieva R.T., Khabibul-lin T.R., Gorshenin A.I. Issledovanie ponizha-yushchego preobrazovatelya na baze mnogofun-ktsional'nogo integrirovannogo elektromagnitnogo komponenta [Study of a Step-Down Converter Based on a Multifunctional Integrated Electromagnetic Component]. Sbornik Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii «Elektrotekhnicheskie kompleksy i sistemy». [Collection of the International Scientific and Practical Conference «Electro-technical Complexes and Systems»]. Ufa, USATU, 2020, pp. 71-77. [in Russian].

8. Butyrin P.A., Gusev G.G., Mikheev D.V., Sirenko V.V., Shakirzyanov F.N. Razrabotka mate-maticheskoi modeli i analiz osobennostei rezhimov induktivno-emkostnogo preobrazovatelya na osnove katkona [The Mathematical Model of a Katkon-Based Inductive-Capacitive Converter and Specific Features of Its Operation Modes]. Vestnik Moskovskogo energeticheskogo instituta — Bulletin of the Moscow Power Engineering Institute, 2018, No. 4, pp. 81-88. [in Russian].

9. Muntean N., Gavris M., Cornea O. Dual Input Hybrid DC-DC Converters. 2011 IEEE EUROCON - International Conference on Computer as a Tool, 2011, pp. 1-4. doi: 10.1109/EUR0C0N. 2011.5929268.

10. Porselvi T., Arounassalame M. A Novel Single Switch High Gain DC-DC Converter. 2018 8th IEEE India International Conference on Power Electronics (IICPE), 2018, pp. 1-6. doi: 10.1109/ IICPE.2018.8709508.

11. Konesev S.G., Khazieva R.T. Analiz stabilizatsionnykh svoistv induktivno-emkostnykh preobrazovatelei pri razlichnykh sposobakh podklyucheniya gibridnykh elektromagnitnykh elementov [Stabilization Properties of Inductive-Capacitive Converters with Different Connection Methods of Hybrid Electromagnetic Elements]. Elektrotekhnicheskie sistemy i kompleksy — Electrical Systems and Complexes, 2017, No. 1

(34), pp. 49-55. doi: 10.18503/2311-8318-2017-1(34)-49-55. [in Russian].

12. Barsukov V.K. Issledovanie iskazheniya formy napryazheniya v tochke podklyucheniya vypryamitelya s emkostnym fil'trom [Investigation of Voltage Waveform Distortion at the Connection Point of a Rectifier with a Capacitive Filter]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Problemy energetiki — Proceedings of Higher Educational Institutions. Energy Sector Problems, 2009, No. 9-10, pp. 52-60. [in Russian].

13. Malev N.A., Pogoditskii O.V., Kozel-kov O.V., Malatsion A.S. Tsifrovoi algoritm kontrolya funktsionirovaniya elektromekha-nicheskogo preobrazovatelya postoyannogo toka [Digital Algorithm for Monitoring the Operation of an Electromechanical DC Converter]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Problemy energetiki

— Proceedings of Higher Educational Institutions. Energy Sector Problems, 2022, Vol. 24, No. 1, pp. 126-140. doi: 10.30724/1998-9903-2022-24-1-126140. [in Russian].

14. Garg M.M., Hote Y.V., Pathak M.K., Behera L. An Approach for Buck Converter PI Controller Design Using Stability Boundary Locus. IEEE/PES Transmission and Distribution Conference and Exposition (TD), 2018, pp. 1-5. doi: 10.1109/TDC.2018.8440291.

15. Konesev S.G., Khazieva R.T. Matema-ticheskoe i fizicheskoe modelirovanie induktivno-emkostnykh preobrazovatelei [Mathematical and Physical Modeling of Inductive-Capacitive Converters]. Elektrichestvo — Electricity, 2020, No. 1, pp. 32-38. https://doi.org/10.24160/0013-5380-2020-1-32-38. [in Russian].

Статья поступила в редакцию 08.02.2023; одобрена после рецензирования 15.02.2023; принята к публикации 16.02.2023. The article was submitted 08.02.2023; approved after reviewing 15.02.2023; accepted for publication 16.02.2023.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.