CC BY
163
ЭНЕРГЕТИКА • ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ
УДК 681.5:629.735
В.М.КУЛЯПИН, И.М.АСЛЯМОВ
КОМБИНИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
Изложены результаты исследования комбинированных систем, связанных с новыми идеями по созданию комплексов устройств, предназначенных для автоматической стабилизации напряжения электрооборудования летательных аппаратов. Определены режимные параметры систем регулирования по возмущению генераторов постоянного и переменного тока. Установлена перспективность развития комбинированных систем автоматического регулирования (КСАР) для микроэлектронных источников питания. Определены общие принципы построения комплексов устройств, включающих регулирование по возмущению и по отклонению. Комбинированные системы автоматического регулирования; использование энергии высших гармоник; система гармонического компаундирования; методы расчета физических процессов в статических
и динамических режимах
ВВЕДЕНИЕ
Развитие систем электрооборудования летательных аппаратов выдвинуло задачу разработки системотехники, охватывающей вопросы проектирования, создания, испытания и эксплуатации сложных систем. Система электроснабжения летательных аппаратов включает различные комплексы устройств, предназначенных для автоматического изменения параметров объекта управления с целью установления требуемого режима его работы.
По типу управления системы автоматического управления подразделяются на замкнутые, разомкнутые и комбинированные (КСАУ).
Основной тип САУ — замкнутые, в которых отклонение управляющей величины от желаемых значений компенсируется воздействием через обратную связь вне зависимости от причин, вызвавших эти отклонения. Такое управление называется регулированием по отклонению.
В разомкнутых САР управление ведется по жесткой программе, компенсируются лишь главные из возмущений. Такое управление называется управлением по возмущению.
В комбинированных (КСАУ) используются оба этих принципа регулирования (по отклонению и по возмущению) [1]. В САУ сложными техническими системами и энер-
гетическими комплексами перспективно применение КСАР.
На кафедре ЭЛА и НТ УГАТУ в течение многих лет исследуются вопросы проектирования, создания, и эксплуатации комбинированных систем автоматического регулирования. Основная трудность создания КСАУ — нахождение режимных параметров, сильно зависящих от возмущений [2]. В данной статье приведены примеры создания комбинированных систем в электрооборудовании постоянного тока, переменного тока, интегральных микроэлектронных систем, что позволило обосновать оптимальные варианты источников питания по массе, габаритам, быстродействию и потреблению электрической энергии.
1. ГЕНЕРАТОРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
В генераторах постоянного тока применена комбинированная система регулирования, включающая компенсационную обмотку, которая является элементом системы регулирования по возмущению, и систему регулирования по отклонению (рис. 1).
Системный подход к анализу систем автоматического управления в авиационных генераторах постоянного тока позволил обосновать оптимальный вариант системы по массе и габаритам, получить передаточные функ-
ции комбинированных систем автоматического регулирования.
Особенность работы системы регулирования по возмущению в авиационных генераторах постоянного тока заключается в необходимости обеспечить режим самовозбуждения, для чего система регулирования должна быть неустойчивой. Переход системы автоматического управления из неустойчивого состояния в устойчивое обеспечивает нелинейный элемент.
г■
КО ДП
(I
я и
Рис. 1. Принципиальная схема авиационного генератора постоянного тока
На схеме гв — сопротивление обмотки возбуждения; гс — переменное сопротивление регулятора напряжения; — сопротивление нагрузки; КО — компенсационная обмотка; ДП — обмотка дополнительных полюсов.
Для того чтобы система регулирования по возмущению была неустойчивой необходимо: наличие потока остаточной намагниченности, который создает ЭДС остаточной намагниченности ;
совпадения по знаку потока обмотки возбуждения с потоком остаточной намагниченности;
сопротивление цепи возбуждения должно быть меньше критического.
Рис. 2. Относительная характеристика холостого хода и естественные внешние характеристики авиационного генератора постоянного тока
При этих условиях напряжение на шинах генератора не вернется в начальное состоя-
ние, точку 1, на характеристике холостого хода (рис. 2), а под действием тока возбуждения будет перемещаться по кривой холостого хода к устойчивому состоянию. Система переходит к устойчивому состоянию вследствие насыщения стали генератора. В точке 2 система находится в устойчивом состоянии. Для этого состояния определим уравнение генератора как объекта регулирования напряжения.
Структурная схема КСАР с компаундирующей связью, не образующей второго канала воздействия возмущения, представлена на рис. 3.
II
- 3
И'п А-
"•уу-
Рис. 3. Структурная схема генератора
постоянного тока
Система описывается передаточной функцией относительно возмущения
У
и'"'= 7 = ї+
I И.И,.ИК,-И .11 1 .И 11
ж
— ЙТ77 И7/ V'
1 + \VsWn-Wo ' И .и ,.и ,,
I И ; И 1 ; И к,- ■ И 1 1 И 1.;
КР
ж
раз
И ;П | ;П | |
I И ;.И ,;.И к,- ■ И , , И
= -Жі4(1 - \¥2\¥12\¥кс)1 (1 - 1¥2 \¥і 2 к с+IV 11 \¥і з+\¥0 1¥і 2 1¥і і ).
(1)
где , , , — передаточные функции генератора; , , — передаточные
функции элементов регулятора.
Передаточная функция обращается в нуль при выполнении компаундирующей связи с передаточной функцией
'¥кс = ■ (2) Это равенство является условием независимости (инвариантности) регулируемой координаты от возмущения . Наличие компенсационной обмотки приводит к тому, что магнитное поле в воздушном зазоре остается практически неизменным при переходе от холостого хода к максимальному току нагрузки.
Применение КСАР позволило снизить массу авиационных генераторов постоянного тока.
+
2. ГЕНЕРАТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Результаты исследования КСАР генераторов постоянного тока позволили развить фундаментальные исследования систем регулирования по возмущению и разработки новых комбинированных систем на его основе для систем переменного тока.
Типичная схема фазового компаундирования с самовозбуждением применена в элек-тромашинных преобразователях. Обмотка возбуждения генератора ОВ получает питание через выпрямитель от последовательного УТ1 и параллельного УТ2 трансформаторов.
Система амплитудно-фазового компаундирования по возмущению поддерживает напряжение генератора с точностью ±5%. Для повышения точности стабилизации напряжения вводится канал регулирования по отклонению — корректор напряжения.
В Уфимском авиационном техническом университете проведены исследования и разработки комбинированных систем автоматического управления с гармоническим компаундированием бесконтактных авиационных генераторов переменного тока [3].
Типичная схема авиационного бесконтактного генератора с самовозбуждением и гармоническим компаундированием изображена на рис. 4. На статоре размещена основная 3 и гармоническая обмотка 4. Напряжение гармонической обмотки выпрямляется и подается на обмотку возбуждения возбудителя 6.
Комбинированные системы автоматического регулирования напряжения, сочетающие принцип регулирования по возмущению и по отклонению, возможно создавать без образования второго канала регулирования, рис. 4, или с образованием второго канала регулирования, рис. 5.
Структурная схема САР с компаундирующей связью, образующей второй канал воздействия возмущений, представлена на рис. 6. Система описывается передаточной функцией относительно возмущения
И// = -И/14(И/і2 - \¥пШ2Шкс)/
(1+1¥і 21¥і з - 1¥і 11¥2 IVк с И7! з+Т^о и/і і и/2 )
где , , , — передаточные функ-
ции элементов генератора;
И^, И^з, — передаточные функции регу-
лятора.
V 1- V 6 т =3
І =1200Гц 5 6
0 т = 3 А І=400Гц с и =208/120В 1
Рис. 4. Схема системы гармонического компаундирования бесконтактного авиационного генератора
1 *
=1200Гц
Статор
♦ о
Ї =400Гц
А В С
І I
4
10
$
11
__1
7 12 13 Ротор
Рис. 5. Схема комбинированной системы с регулированием по отклонению на роторе
Передаточная функция обращается в нуль при выполнении компаундирующей связи с передаточной функцией
Т^12
И^кс =
(4)
(3)
В этом случае возмущение не оказывает никакого влияния на регулируемую величину (напряжение генератора).
В бесконтактных генераторах с системой гармонического компаундирования необходимо обеспечить надежное самовозбуждение, то есть в начальный период запуска САУ должна быть неустойчивой. Начало развития самовозбуждения характеризуется: наличием ЭДС остаточной намагниченности стали генератора и возбудителя, а сопротивление цепи возбуждения возбудителя должно быть меньше критического. При этих условиях начинается процесс самовозбуждения, и напряжение генератора возрастает, не возвращаясь
9
2
3
5
6
к начальному значению. В системах гармонического компаундирования с положительной обратной связью устойчивость системы регулирования напряжения при холостом ходе и нагрузке обеспечивает насыщение стали первой гармонической составляющей поля генератора.
ющей связью, образующей второй канал воздействия возмущения
Рассмотрим устойчивость системы гармонического компаундирования при аварийных режимах, в частности, при коротком замыкании основного генератора.
При трехфазном коротком замыкании активное сопротивление пренебрежимо мало, и ток короткого замыкания определяется индуктивным синхронным сопротивлением по продольной оси
т Е0 1к = V
Ас1
(5)
Ток короткого замыкания индуктивный, реакция якоря по первой гармонике продольная размагничивающая. Поле обмотки возбуждения полностью компенсируется полем реакции якоря, магнитная система генератора не насыщена.
По третьей гармонике наоборот, при реакция якоря намагничивающая, поле третьей гармоники полюсов и реакции
якоря складываются
кания генератора. Следовательно, при коротком замыкании магнитная система генератора по первой гармонике не насыщена, система регулирования неустойчива и сопровождается увеличением установившегося тока короткого замыкания.
Стабилизация системы гармонического регулирования наступает, вследствие насыщения стали генератора полем третьей гармоники. Стабилизация наблюдается при токах короткого замыкания, превосходящих номинальное значение в несколько раз. Исходя из равенства поля генератора по первой гармонике при холостом ходе и поля третьей гармоники при коротком замыкании, определяется кратность тока трехфазного короткого замыкания
Акз —
1
1
В-
'Л!вл
0,221
= 4,54.
Аналогично определяется кратность тока при различных видах короткого замыкания. При двухфазном коротком замыкании амплитуда третьей гармоники равна
Е£
В1 / к‘2
В
/з
в,
сіл
= —0,19,
В\ В\
кратность тока короткого замыкания
Кк-2 —
Кк-з ■ Кф2 • Хд _
Ха + Х2
л/3 - 4,54 -0,86 -2,78
= 6,3
2,78 + 0,199 При однофазном коротком замыкании
(ВА =^1_з.1^ = _0139 \Ві)КІ Вг 2 3 Вг ! !
кратность тока
3 • Ккз ■ Аф1 ■ Ха _
Ккі —
Ха + Х-2 + А0
3 • 4,54 • 0,72 • 2,78 “ 2,78 + 0,199 + 0,0495
= 9,0.
В\
В
/з
В\
ЗДй 2 Вг
= -0,128 --0,062 = -0,221. (6)
Напряжение гармонической обмотки возрастает, соответственно возрастает ток возбуждения и как следствие тока короткого замы-
где , — сопротивление обратной и нуле-
вой последовательности;
, — коэффициенты приведения
гармоник при холостом ходе:
Кф2 =
В
УВл
1/ К-2 ,
В
3/Ві
Аф! =
В
УВл
КЗ
В
3/Ві
КЗ
Таким образом, в аварийных режимах система гармонического компаундирования стабилизируется, обеспечивает форсировку тока короткого замыкания (1кз > 3,3/н) и надежное срабатывание защиты в соответствии с требованиями ГОСТ 19704-89.
Разработка бесконтактных синхронных генераторов с системой гармонического компаундирования является перспективным направлением развития систем автоматического управления авиационных машин.
3. МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
Импульсное преобразование электрической энергии является основной тенденцией совершенствования источников вторичного электропитания бортового оборудования летательных аппаратов [4]. Статические преобразователи являются функциональными блоками, встраиваемыми в аппаратуру летательных аппаратов различного назначения. Они обеспечивают преобразование электроэнергии первичной сети и питание вторичных систем электроснабжения.
Применение микроэлектронных структур, повышение частоты преобразования являются действенными методами снижения массы преобразователей постоянного напряжения. С повышением частоты преобразования проявляется неидеальность ключевых свойств силовых полупроводниковых приборов при применении только систем регулирования по отклонению. Растут динамические потери, возникают значительные перенапряжения за счет наличия паразитных индуктивностей и емкостей. Простой переход на высокочастотное преобразование повышенных напряжений и мощностей не устранил барьеры к получению существенных выгод. Значительные перегрузки ключевых элементов, снижение КПД и высокий уровень помех таких источников явились следствием отсутствия систем регулирования по возмущению, обеспечивающих естественное прекращение процесса передачи энергии. В плане применения систем регулирования по возмущению перспективным является появление резонансных преобразователей — устройств нового типа, способных автоматически прекращать рабочий цикл сразу после передачи кванта энергии. Регулирование по возмущению обеспечивает коммутацию электрической энергии при нулевых значениях тока или напряжения, гармонически изменяющихся в силу физической природы резонанса. Такая система позволила прак-
тически устранить потери на переключение и регулирование.
3.1. Двусторонний ключ
В статических преобразователях емкостных накопителей энергии частота преобразования выбирается из условия обеспечения минимума габаритов и потерь. Вместе с тем повышение частоты требует соответствующей организации процессов переключения силовых полупроводниковых приборов, поскольку все более проявляется неидеальность ключевых свойств транзисторов и возникновение значительных перенапряжений и высокочастотных колебаний в моменты коммутации.
Особенность работы однотактных преобразователей на емкостной накопитель энергии заключается в периодической смене режимов работы от короткого замыкания, в момент начала зарядки накопителя, до холостого хода, когда накопитель заряжен до максимального напряжения. А режим холостого хода однотактного преобразователя опасен из-за возникновения высоких перенапряжений.
Введение в силовую цепь преобразователя постоянного напряжения двустороннего ключа [5] обеспечивает плавную форму тока или напряжения на силовых ключах, что позволяет исключить указанные выше недостатки. Данный подход положен в основу резонансного однотактного преобразователя постоянного напряжения (рис. 7).
3.2. Однотактный преобразователь
Преобразователь содержит силовой транзистор 1, коллектор присоединен к первому выводу первичной обмотки 2 трансформато-ра3, а база — к эмиттеру транзистора4 управления, коллектор которого подключен к первичной обмотке 5 трансформатора 6 управления, базовая обмотка 7 которого соединена с управляющими переходами силового транзистора 1 и транзистора 4 управления через первый 8, второй 9 и третий 10 резисторы, первый 11, второй 12, третий 11 и четвертый 14 диоды и конденсатор 15.
Автогенераторный режим обеспечивается введением в схему пускового резистора 9. При подаче напряжения питания благодаря пусковому резистору 9 транзистор 4 приоткрывается. При этом появляющееся на обмотке 5 напряжение трансформируется в обмотку 7 и создает ток в цепи баз транзисторов 1 и 4. Развивается лавинообразный блокинг-
процесс открытия транзисторов 4 и 1. Коллекторный ток транзистора 1 протекает через обмотку 2 выходного трансформатора.
Рис. 7. Однотактный преобразователь постоянного напряжения
При этом в электромагнитной системе выходного трансформатора 3 запасается энергия. По достижении трансформатора 6 насыщенного состояния резко увеличивается коллекторный ток транзистора 4. Рабочая точка транзистора 4 начинает переходить на горизонтальную ветвь вольт-амперной выходной характеристики, что свидетельствует об увеличении напряжения, приложенного к транзистору 4, и соответствующем снижении напряжения на обмотке 5 и, следовательно, на обмотке 7. Ток базы начинает уменьшаться, вызывая еще больший рост напряжения на транзисторе 4, и происходит лавинообразный процесс закрытия транзистора 4. Изменение магнитного потока меняет знак на противоположное. Одновременно с транзистором 4 закрывается транзистор 1 . После этого в резонансном контуре, состоящем из индуктивности обмотки 2 и емкости конденсатора 15, возникают электромагнитные колебания и часть энергии, запасенной в электромагнитной системе трансформатора 3 , передается конденсатору 15.
В результате подключения коллектора транзистора управления через последовательно включенные резистор и диод к коллектору силового транзистора, энергия, запасенная в конденсаторе, включенном параллельно коллекторному переходу силового транзистора, через первичные обмотки импульсного силового трансформатора и трансформатора управления, частично возвращается в источник питания, что обеспечивает повышение КПД преобразователя. Разрядный ток конденсатора, протекая через обмотки трансформаторов, вызывает размагничивание их магнитопроводов, что позволяет существенно
снизить массу и габариты трансформаторов и всего преобразователя в целом.
Применение интегральных микросхем управления позволяет помимо коммутации высоковольтного ключевого транзистора однотактного преобразователя с обратным включением выпрямительных диодов выполнять функции: плавного запуска, управления, контроля, защиты мощного ключевого транзистора от токов короткого замыкания и перегрузки.
Способ регулирования напряжения определим из рассмотрения резонансных процессов в преобразователе (рис. 8).
Рис. 8. Временная диаграмма работы преобразователя
В момент времени И при токе 7км транзистор 1 закрывается и начинается резонансный процесс передачи энергии, запасенной в индуктивности трансформатора 3 , через открытый диод 16 в нагрузку, конденсатор 17 и происходит зарядка конденсатора 15. Длительность процесса определяется резонансной частотой контура. В момент времени ток в первичной цепи снижается до нуля, конденсатор 15 заряжается до максимального напряжения . В следующий полупериод начинается разряд емкости 15 через индуктивность трансформатора на источник питания. Ток в цепи меняет направление и в момент времени £3 достигает максимального значения, перемагничивая сердечник трансформатора. В момент времени 4 включается транзистор. При достижении момента времени 5 начинается возрастание тока от источника питания и аккумуляция энергии в индуктивности трансформатора. В момент времени 1
транзистор закрывается, и процесс повторяется вновь. Выходная мощность и напряжение имеют максимум на резонансной частоте.
Перспективным для резонансных преобразователей является широтно-импульсное регулирование. Частота следования импульсов у преобразователей с широтно-импульсной модуляцией постоянна, выходное напряжение регулируют изменением коэффициента заполнения импульса. Система применима для преобразователей с непрерывным и прерывистым магнитным потоком трансформатора и обеспечивает работу однотактного преобразователя емкостного накопителя энергии в режиме холостого хода, короткого замыкания и стабилизацию выходных параметров при изменении питающего напряжения.
Введение в силовую цепь преобразователя постоянного напряжения резонансного ЬС контура (РК) обеспечивает канал регулирования по возмущению и выгодный режим коммутации транзисторов и диодов преобразователя и подавление высокочастотных колебаний.
Создание систем регулирования по возмущению на основе целевого использования резонансных свойств последовательно или параллельно демпфированных нагрузкой ЬС-контуров является характерным признаком РП. Ударное возбуждение контуров посредством периодического подключения к источнику энергии и введение в канал регулирования по возмущению в силовую часть является основой создания новых источников питания.
Процессы, протекающие в элементе управления с последовательными ЬС-контурами определяются резким уменьшением сопротивления контуров при возникновении состояния резонанса напряжений.
Принцип работы КСАР с параллельными ЬС-контурами, питаемыми импульсами тока, базируется на резком увеличении сопротивления контуров при приближении к состоянию резонансов токов.
Непосредственное подключение ЬС-кон-тура к источнику напряжения вызвало бы протекание в каждом элементе независимого переходного процесса без возникновения резонанса. Для обеспечения нормального функционирования РП величина добротности резонансных контуров должна превышать . Очевидно, что при меньших значениях добротности целевое использование вырождающихся колебаний оказалось бы невозможным, так как по определению добротность
есть умноженное на число полных колебаний, по истечении которых амплитуда уменьшается в п раз: ф = п ■ ж.
Реализация режимов «синусоидального» преобразования энергии на основе системы регулирования по возмущению открывает уникальные возможности повышения энергетической эффективности за счет минимизации динамических потерь. Поскольку синусоида не содержит высших гармоник, генерируемые ими уровни электромагнитных помех в среднем на 15 дБ ниже, чем у традиционных преобразователей.
3.3. КСАР импульсных стабилизаторов
3.3.1. Компенсационно-параметрические стабилизаторы
В компенсационно-параметрических импульсных стабилизаторах напряжения (КПИС) реализуется комбинированная система автоматического регулирования (КСАР), сочетающая систему регулирования по отклонению и систему регулирования по возмущению, что обеспечивает инвариантность выходного напряжения относительно входного. На рис. 9 приведена функциональная схема наиболее часто применяемого стабилизатора первого типа (понижающего) с последовательным транзистором УТ2 и дросселем 1. Времязадающая цепочка подключена не на источник опорного напряжения, а на изменяющееся напряжение питания .
КПИС системы регулирования по отклонению содержит регулирующий элемент на транзисторе УТ2, демодулятор из Ь, С2 и УИ1, делитель напряжения Д3-Д4, источник опорного напряжения на стабилитроне 2, усилитель постоянного тока ИА1, узел сравнения 2 и согласующее устройство СУ. Широтно-импульсный модулятор (ШИМ) включает компаратор 2, генератор пилообразного напряжения, состоящий из задающего генератора Г, времязадающего конденсатора 1, резистора 1 и шунтирующего транзистора 1.
Система регулирования по возмущению реализуется тем, что времязадающая цепь подключена к входу стабилизатора на нерегулируемое питающее напряжение . Сущность действия параметрического канала в том, что амплитуда пилообразного напряжения пропорциональна питающему напряжению , соответственно изменяется и наклон напряжения на конденсаторе 1. Вследствие этого изменяется и коэффициент заполнения импульса и осуществляется параметрическая
связь. Канал регулирования по отклонению работает как обычно, сигнал рассогласования формируется путем сравнения выходного напряжения 1!ц с опорным ^оп-
Возможны два варианта реализации системы управления регулирующим элементом по фазе управляющих сигналов. В первом варианте включение РЭ должно производиться одновременно с подачей синхроимпульсов с выхода задающего генератора Г, а выключение — по сигналу с выхода ШИМ, т. е. в моменты или ^2- То есть задающий генератор должен фиксировать моменты включения РЭ, а длительность включенного состояния (импульса) определяется временем £1 или .
VT2 L1
Рис. 9. Компенсационно-параметрические
стабилизаторы
Во втором варианте схема сравнения и усилитель постоянного тока DA1 должны обеспечивать инверсный сигнал на выходе УПТ относительно выходного напряжения стабилизатора. Согласующее устройство СУ может быть выполнено фазоинверсным или нефазоинверсным, при этом УПТ должен быть подключен соответственно к инверсному или неинверсному входу компаратора, как указано на рис. 9.
По сравнению с обычными импульсными стабилизаторами комбинированные системы автоматического регулирования с параметрическим каналом регулирования КПИС имеют существенные преимущества:
• высокий коэффициент стабилизации при низком коэффициенте усиления усилителя постоянного тока;
• повышенную устойчивость и высокое качество переходных процессов при скачкообразном изменении напряжения питания;
инвариантность выходного напряжения относительно низкочастотных пульсаций
входного напряжения, т. е. подавление их параметрическим каналом регулирования.
В целом, абсолютно инвариантные КПИС эквивалентны САР, имеющей звено с бесконечно большим коэффициентом усиления.
Разработка резонансных инверторов — это также разработка комбинированных систем управления инверторами.
3.3.2. Мостовой резонансный инвертор
Схема мостового резонансного инвертора представлена на рис. 10. В диагональ моста включен последовательно контур и
первичная обмотка трансформатора.
При открывании транзисторов УТ1 и УТА происходит формирование положительной полуволны синусоиды. В момент ток і\ = = 0. Транзисторы ^Т1 и УТА закрываются, и открываются диоды УБ1 и Т^ІМ, через которые происходит рекуперация в источник питания энергии, запасенной в емкости Ск, и начинается формирование отрицательной полуволны тока
В момент открываются транзисторы УТ2 иУТ3, рекуперация прекращается, диоды ^1)1 и УОА закрываются, и формируется отрицательная полуволна тока н (ток *кг).
Стабилизация напряжения осуществляется системой регулирования по отклонению за счет изменения времени паузы , до момента открывания транзисторов при неизменной частоте преобразования. Собственная (резонансная) частота контура /о выше частоты подачи импульсов управления /п.
Рис. 10. Мостовой резонансный преобразователь
3.3.3. Полумостовой преобразователь
Преобразователь фирмы Hewlett-Packard (США) резонансный, полумостовой на мощных МДП транзисторах с частотой 200 кГц, рис. ll. Мощные полевые транзисторы с изолированными затворами обогащенного типа с -каналом и с внутренним соединением подложки и истока.
V05 Ы Ьф2
R н
Рис. 11. Полумостовой резонансный преобразователь
Колебательный контур состоит из дросселя £к (с добавлением индуктивности рассеяния обмоток силового трансформатора ТУ 1) и конденсатора Ск, емкость которого вместе с параллельно включенной емкостью вторичной обмотки трансформатора ТУ 1 пересчитывается к первичной обмотке. Выпрямитель собран на диодах Шоттки УБ5, УБв. Сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения осуществляет двухзвенный фильтр Ьф\ — — Сф1 и Ьф2 — Сф2. Резонансный контур осуществляет основное регулирование по возмущению с резонансной частотой .
Контур регулирования по отклонению осуществляет стабилизацию выходного напряжения частичной модуляцией. Для этого частота тактовых импульсов /п генератора Г (/п < 200 кГц) выбрана несколько выше резонансной частоты колебательного контура. Если сигнал обратной связи £/ос с выхода усилителя уменьшает частоту коммутации /п транзисторов УТ1 и УТ2, то напряжение на выходе преобразователя (на возрастает, а точность стабилизации — 0,1%. По сравнению с преобразователем с ШИМ уровень помех уменьшается на 15 дБ.
Ключ установлен для перехода на меньший уровень питающего напряжения (127 В). При его замыкании закорачивается конденсатор С2 емкостного делителя С1-С2, а входной выпрямитель через диод 1 переходит в режим однополупериодного выпрямления.
3.3.4. Однотактный резонансный инвертор
Схема инвертора приведена на рис. 12. Колебательный контур состоит из реактивных элементов мкГн, ,
= 40, 1!ц = 12 В. При открывании мощного МДП транзистора в реактивных элементах колебательного контура накапли-
вается энергия, которая затем через выходной выпрямитель передается в нагрузку. Выпрямитель с умножением напряжения на че-
тыре (п = 4) собран на диодно-конден-
саторных ячейках (^!)1-^1М-Д312А, С1-С4-К10-0,1 мк). Стабилизацию напряжения осуществляет система регулирования по отклонению за счет изменения частоты тактовых импульсов относительно резонансной (/о = 435 кГц).
+ и п
VII
С к 01
Ч1~
V0l
-ит 0
03
НК
02
-И——И-
т VD
-----1Ьа
R н
О
Рис. 12. Однотактный резонансный инвертор
Преимущества инверторов с комбинированными системами автоматического регулирования:
минимальные потери при переключении;
отсутствие перегрузок по току при несимметричном режиме работы;
быстрозатухающий спектр радиопомех; отсутствие высокочастотных колебаний;
• естественная защита от перегрузок и КЗ.
ВЫВОДЫ
На основании исследования авиационных КСАР напряжения, частоты генераторов постоянного и переменного тока, КСАР полупроводниковых источников на основе микроэлектронных устройств установлены общие принципы построения таких систем.
1. При комбинированном регулировании основной трудностью на пути реализации является необходимость измерения главных возмущений. В некоторых случаях эту трудность удается обойти, используя косвенные методы измерения возмущений. Поэтому первое требование — это отыскание режимных параметров (координат), сильно зависящих от возмущений, т. е. использование так называемого компаундирования по таким координатам.
Необходимо обнаружить две физические величины, которые зависят от одних и тех же внешних воздействий и взаимосвязаны.
Если одна из этих величин — — является
регулируемой, то другая — гу\ — может быть
использована для создания дополнительного воздействия на регулятор. Такая дополнительная связь внутри замкнутого контура регулирования по отклонению называется компаундирующей.
2. В комбинированных КСАР основное регулирование осуществляется при помощи разомкнутых компенсирующих контуров по главному возмущению. Поэтому необходимо, чтобы контур регулирования по отклонению обеспечивал самовозбуждение системы без постороннего источника энергии.
3. КСАР в режиме самовозбуждения должна быть неустойчивой, чтобы система из начального положения переходила в устойчивое состояние.
4. Для перехода КСАР в устойчивое состояние при номинальных параметрах необходимо наличие нелинейности, которая приводит к переходу КСАР из неустойчивого режима — к устойчивому.
В генераторах постоянного тока и генераторах с гармоническим возбуждением при холостом ходе и различных нагрузках, изменяется насыщение стали.
5. Реализации системы гармонического компаундирования осуществляется при условии, что, реакция якоря по г;-й гармонике должна быть направлена встречно реакции якоря по основной гармонике.
6. КСАР при аварийных режимах генераторов переменного тока остается устойчивой при установившихся коротких замыканиях за счет насыщения стали полем третьей гармоники.
7. Наличие положительной обратной связи снижает устойчивость системы, но позволяет получить существенные преимущества. На примере компенсационно-параметрического стабилизатора — КСАР, сочетающая систему регулирования по отклонению и систему регулирования по возмущению, что обеспечивает инвариантность выходного напряжения относительно входного.
8. КСАР имеют преимущества: высокий коэффициент стабилизации
при низком коэффициенте усиления усилителя;
повышенная устойчивость и высокое качество переходных процессов при скачкообразном изменении возмущений;
инвариантность выходных параметров
за счет влияния параметрического канала регулирования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кулебакин, В. С. Высококачественные инвариантные системы регулирования. Теория инвариантности и ее применение в автоматических устройствах / В. С. Кулебакин. Киев : Изд-во АН УССР, 1959.
2. Кулебакин, В. С. Системы электроснабжения летательных аппаратов / В. С. Кулебакин, В. Т. Морозовский, И. М. Синдеев, К. Д. Ру-нов. М.: Машиностроение, 1973. 420 с.
3. Утляков, Г. Н. Комбинированные системы регулирования напряжения синхронных генераторов / Г. Н. Утляков, В. М. Куляпин, Е. В. Бовтрикова. М. : Изд-во МАИ, 1998. 224 с.
4. Куляпин, В. М. Системы электрооборудования летательных аппаратов (транзисторные преобразователи) : учеб. пособие / В. М. Ку-ляпин, Г. Н. Утляков. М.: МАИ, 2004. 115 с.
5. Куляпин, В. М. А. с. 1417134 (СССР). Одно-тактный преобразователь постоянного напряжения / В. М. Куляпин, М. Ф. Мударисов, Ю. А. Никитин, В. Н. Гладченко, Р. Р. Сулейманов. Заявл. 26.06.86. Опубл. 15.08.88.
ОБ АВТОРАХ
Куляпин Владислав Максимилианович, проф., каф.
электрооборуд. ЛА. Дипл. инж.-электромех. (Новосиб. электротехн. ин-т, 1958). Д-р техн. наук по по эл-там и уст-вам систем упр-я (УГАТУ, 2003). Иссл. в обл. систем упр-я с электрич. разрядами.
Аслямов Ирек Мирзафати-хович, асп. той же каф. Дипл. инж. по электрооборуд. ЛА (УГАТУ, 2005). Иссл. в обл. систем регулир. электрообо-руд. ЛА.
Бюл. № 30. 6 с.
