CC BY
10МОДЕЛИРОВАНИЕ СХЕМ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ ЭКСИМЕРНОГО ЛАЗЕРА НА БАЗЕ ДВУХТАКТНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ
MODELING OF POWER SUPPLY CIRCUITS OF EXCIMER LASER ON THE BASIS OF THE TWO-STROKE VOLTAGE CONVERTER
Минитаева А.М. — кандидат технических наук, доцент, кафедры информационных технологий Российского экономического университета им. Г.В. Плеханова
Minitaeva A.M. — Assistant Professor of the Department for Information Technologies, Russian Plekhanov University of Economics
Аннотация
В данной статье описывается работа двухтактного преобразователя напряжения в режимах обеспечивающих максимальное напряжение на ёмкостном накопителе и минимальное время заряда. Рассматривается модель зарядного устройства на базе двухтактного преобразователя напряжения. Приводятся параметры схемы зарядного устройства на базе двухтактного преобразователя напряжения.
Abstract
This article describes the work of the two-stroke voltage Converter modes providing maximum voltage on capacitive storage and minimum charge. The model of charger on the basis of the two-stroke voltage Converter. Are the parameters of the scheme charger on the basis of the two-stroke voltage Converter.
Ключевые слова: эксимерный лазер, двухтактный преобразователь напряжения, человеко-машинная система.
Keywords: excimer laser, two-stroke voltage Converter, human-machine system.
Потребление электрической энергии промышленной системы энергоснабжения в преобразованном виде, которое осуществляется на повышенной частоте, приводит к значительной экономии материальных и энергетических ресурсов, поскольку уменьшается вес,
519
габариты электромагнитных компонентов и повышается КПД процесса преобразования.
Широко применяемые и распространенные двухтактные мостовые и полумостовые преобразователи имеют сложные системы управления, контроля, защиты ключей, обеспечивающие симметричное намагничивание магнитопровода выходного трансформатора, исключающие сквозные токи в ключах, защиту от токов короткого замыкания нагрузки, защиту от перенапряжений на ключах.
Одно из направлений повышения надежности и уменьшения стоимости преобразователей связано с сокращением количества ключей в преобразователе и упрощения системы управления и контроля.
Известны двухтактные преобразователи на полевых транзисторах с резонансным контуром, где роль индуктивности играет входная обмотка трансформатора. Параллельно к ней подключена ёмкость, подбираемая по заданной частоте. Такая схема позволяет осуществлять мягкую коммутацию ключей преобразователя и повысить надежность преобразователя. Модифицировав схему, заменив параллельный колебательный контур последовательным колебательным контуром, получим преобразователь, пригодный для получения большого коэффициента усиления по напряжению.
Двухтактный преобразователь с резонансным контуром в отличии от мостового преобразователя имеет удвоенное напряжение на ключах и колебательном контуре. Следовательно, в колебательном контуре двухтактного преобразователя при прочих равнозначных параметрах циркулирует энергия, большая, чем в колебательном контуре мостового преобразователя.
Рассмотрим работу двухтактного преобразователя в режиме максимальной раскачки (рис. 1). При включении первого ключа V! энергия из источника переходит через трансформатор в нагрузку и частично запасается в колебательном контуре С^1. Но в отличии от мостового преобразователя процесс перезаряда ёмкости колебательного контура происходит быстрее и через четверть периода ток ключа падает до нуля и к ключу VI прикладывается обратное напряжение перезарядившегося колебательного контура С^1. Ток в колебательном контуре продолжает спадать до нуля, при этом напряжение на обмотке трансформатора достигает максимума. Затем ток в колебательном контуре меняет знак и слабо нарастает в противоположном направлении до включения второго ключа V2 и процесс повторяется.
520
Входной ток при этом носит прерывистый характер. По мере заряда ёмкости нагрузки энергия, передаваемая в нагрузку, уменьшается и увеличивается доля энергии циркулирующей в колебательном контуре, что приводит к увеличению напряжения на обмотках трансформатора и на нагрузке [1].
V1 JC
| LI1 20 V2 Jt" C1 ) L1
■ о, ,
-г
ta.
Рис. 1. Схема зарядного устройства на базе двухтактного преобразователя напряжения
В рассматриваемой модели зарядного устройства на базе двухтактного преобразователя напряжения применены типовые модели IGBT транзисторов IR4PH50U фирмы International Rectifier. Система управления имитируется источником импульсного напряжения VPULSE. Для согласования с накопительной ёмкостью применяется модель воздушного трансформатора K_Linear.
Поскольку в доступных пользователю библиотеках PSpice моделей элементов отсутствуют модели высоковольтных выпрямительных столбов, в модели рассматриваемого устройства применяется модель мостового выпрямителя, построенного на базе разработанной в настоящей работе модели псевдоидеального диода с сопротивлением ключа в закрытом состоянии Roff=109 Ом.
Данная модель обладает следующими особенностями:
• для сокращения времени моделирования в качестве ЕНЭ применена ёмкость 0,001 мкФ;
• рабочая частота выбрана равной 20 кГц, это определяется максимально допустимой частотой высоковольтных столбов физической модели выходного выпрямителя зарядного устройства;
• в качестве повышающего трансформатора применена модель индуктивно связанных катушек без сердечника, коэффициент трансформации принят равным 50, коэффициент связи — 0,8.
521
Рассматриваемая модель, приведённая на рис. 1 состоит из двух потенциально несвязанных блоков и поэтому анализ не может производиться из-за топологических ограничений (табл. 1), которые снимаются путем «заземления» блоков
Модели транзисторов ШД4РН50и работают в режимах, при которых предельные значения параметров не превышаются. Это не требует при моделировании дополнительного анализа аварийных режимов.
Реализация принципиальной схемы (рис. 1) не требует использования упрощенных моделей блоков за исключением упомянутой выше модели псевдоидеального диода. В частности, использовать в качестве источника питания модель «источник постоянного напряжения — диод» нецелесообразно, поскольку питание зарядного устройства производится от источника с двусторонней проводимостью.
В связи с тем, что в данной схеме не применяется модель схемы управления, построенная с использованием цифровых элементов, то есть модель всего устройства является силовой и упрощенной, для решения задачи численной неустойчивости была применена эмпирическая процедура подбора параметров, позволяющих уменьшить вероятность возникновения численной неустойчивости.
При моделировании использовался прием определения токовой загрузки вентиля по средней рассеиваемой вентилем мощности и максимально допустимой мощности, рассеиваемой корпусом транзистора ШБ4РН50и [2, 3, 4].
В работе [5] приведены осциллограммы токов и напряжений на элементах модели схемы зарядного устройства на базе двухтактного преобразователя напряжения.
В результате моделирования удалось определить параметры схемы, обеспечивающие оба режима (табл. 1).
Таблица 1
Таблица параметров схемы зарядного устройства на базе двухтактного преобразователя напряжения
Режим Параметры и, кВ мс U , В в,МАХ 'в, MAX, А Е, Дж
иМАХ Ь = 190 мкГн к С = 0,22 мкФ 68 9,4 1200 163 0,938
^МШ Ь, = 5 мкГн к С = 1 мкФ к 13,4 2,8 364 171 0,024
В таблице 1 приведены следующие параметры. Ьк и Ск — индуктивность и ёмкость колебательного контура, из — напряжение заряда
522
накопительной ёмкости, t3 — время заряда накопительной ёмкости, U МАХ — максимальное значение напряжения на транзисторе, IB MAX — максимальный ток через транзистор, E — энергия, запасенная в накопительной емкости [5,6].
Приведенная модель зарядного устройства на базе двухтактного преобразователя напряжения использовалась для определения режимов, обеспечивающих максимальное напряжение на ёмкостном накопителе и минимальное время заряда.
Библиографический список
1. Гвоздев В.Е., Таназлы Г.И., Таназлы А.И., Разработка функциональной и физической структуры систем заряда емкостных накопителей энергии // Труды XIV Международной конференции «Проблемы управления и моделирования в сложных системах», Самара, 19-22 июня 2012 г., с. 356 — 369.
2. Болотовский Ю.И., Таназлы Г.И., OrCAD 9.x. OrCAD 10.x. Практика моделирования — М., «Солон-Пресс», 2008 г. — 208 с.
3. Болотовский Ю.И., Таназлы Г.И. PSpice-модели силовых тиристоров // Электромеханика, электротехнические комплексы и системы: Межвуз. науч. сб. Уфа: УГАТУ, 2002. С. 88-90.
4. Таназлы Г.И., Об эффективных режимах работы IGBT транзисторов в схемах автономных инверторов // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. док. восьмой междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. М.: МЭИ, 2002. Т. 2. С. 120.
5. Минитаева А.М., Межаков О.С. Модели человеко-машинного анализа и полагания целей в организационных системах. Журнал «Ученые записки РГСУ», 2013, №1(112). — С. 113 — 117.
6. Минитаева А.М. Организация человеко-машинного интерфейса с учетом интеллектуализации взаимодействия человека и вычислительного комплекса. Журнал «Программные продукты и системы», Тверь: НИИ «Центрпрограммсистем» 2013, №3(103). — С. 104 — 107.
Контактная информация:
117997 Российская Федерация, г. Москва, Стремянный пер., 36, Тел.: +7 (499) 236-7373. e-mail: [email protected]
Contact links:
117997 Russian Federation, Moscow, Stremyanny Lane, 36, Ph.: +7 (499) 236-7373. e-mail: [email protected]
523
