Развитие теории устойчивости и электромагнитной совместимости систем электропитания на основе импульсных преобразователей с широтно-импульсной модуляцией.

Актуальность темы исследования и степень её разработанности. Современная концепция построения систем вторичного электропитания (СВЭП) основана на унификации энергетически эффективных импульсных источников питания, использующих транзисторные импульсные преобразователи напряжения (ИПН) различных видов энергии, различных уровней мощности от единиц ватт до десятков-сотен киловатт, с различными входными и выходными напряжениями от единиц вольт до нескольких киловольт и т.д. в модульном исполнении. Они имеют целый ряд преимуществ перед линейными преобразователями: высокие массогабаритные характеристики, высокое качество выходного напряжения или тока, высокий коэффициент полезного действия (до 95-98%). Непрерывное расширение областей применения ИПН для различной функциональной радиоэлектронной аппаратуры сопровождается ужесточением требований к их статическим и динамическим характеристикам и параметрам; разработке новых архитектур: разработке агрегатированных (составных, сложных) приборов и распределенных в пространстве систем электропитания (РСП) с двух или трехкратным преобразованием электроэнергии и с “шиной” бесперебойного электропитания, запитываемой от основной и резервной сети первичного электропитания. Основной задачей, которую решает система управления импульсными преобразователями напряжения (ИПН) – стабилизация выходного параметра (напряжения или тока) при действии различных возмущающих факторов. Для этого требуется введение отрицательной обратной связи по требуемому параметру. Стабилизированные ИПН относятся к замкнутым дискретно-нелинейным динамическим системам, при проектировании которых возникают проблемы обеспечения их устойчивости. Экспериментальные исследования показали, что при изменении в широком диапазоне параметров как внешних (нагрузка, температура, входное напряжение) так и внутренних параметров (элементов схемы) ИПН могут возникать различные периодические, квазипериодические, субгармонические и хаотические колебания. Возникновения таких колебаний приводят к электромагнитным помехам (ЭМП), распространяемым в нагрузку (сбивая алгоритм её работы или выводя из строя) или через первичный источник в другую радиоэлектронную аппаратуру, запитываемую от этого источника. Возникшие в результате возбуждения колебания приводят к перенапряжениям и сверхтокам в полупроводниковых элементах и росту тока выходного конденсатора, тем самым снижая срок службы ИПН или выводя его из строя. Исследованию нелинейных динамических процессов импульсно-модуляционных систем, посвящены работы многих ученых: Баушев В.С., Белов Г.А., Дмитриков В.Ф., Филин В.А., Шушпанов Д.В. Смирнов В.С., Сергеев В.В., Жуйков В.Я., Жусубалиев Ж.Т. Кобзев А.В., Колоколов Ю.В., Михальченко Г.Я. Михальченко С.Г., Охотник Г.П., Aroudi A.E., Hamill D.C., Krein P.T., Angulo F., Avrutin V., Banerjee S., Bernardo M. Di., Chan W.C.Y., Dattani J., Deane J.H.B., Debbat M.B., Flegar I., Orabi M.A. и другие. Ими проведены исследования электромагнитных процессов отдельных модулей ИПН различного типа (преобразователей постоянного напряжения одного уровня в постоянное напряжение другого уровня DC/DC, переменного напряжение в постоянное AC/DC, постоянного напряжения в переменное - инверторы DC/AC). Однако, в настоящее время в различных областях техники гражданского и военного применения широко используются агрегатированные (сложные, составные) приборы и распределенные системы электропитания с “шиной” бесперебойного электропитания, запитываемой от основной и резервной сети первичного электропитания. В агрегатированных и распределенных системах электропитания используются каскадно соединенные модули ИПН, имеющие комплексные входные и выходные сопротивления с отрицательной активной (вещественной) составляющей входного сопротивления. Также во всех таких системах имеется каскадное соединение пассивного сетевого LC-фильтра радиопомех, включенного на входе ИПН с комплексным входным сопротивлением с отрицательной вещественной составляющей входного сопротивления из-за падающей входной вольтамперной характеристики (ВАХ) Iвх=f(Uвх). Такие системы, образованные из абсолютно устойчивых модулей с большими запасами устойчивости по амплитуде и фазе, будучи интегрированными в систему, могут возбудиться и выйти из строя. Проектирование таких систем, состоящих из каскадно соединенных нелинейных динамических импульсно-модуляционных модулей, из-за взаимного влияния модулей друг на друга существенно усложняется. Следует особо отметить, что проектирование фильтров радиопомех (ФРП) особо усложняется тем, что они должны обеспечивать затухания 40-60 дБ в диапазоне частот 0,15-30 МГц с двухсоткратным перекрытием по частоте, а для авиационно-космических систем, надводных кораблей и подводных лодок в диапазоне частот от 9 кГц до 100 МГц, т.е. в диапазоне частот с перекрытием в одиннадцать тысяч раз. При таких больших диапазонах частот необходимо учитывать паразитные параметры дросселей и конденсаторов фильтра. К сожалению, ни отечественные, ни зарубежные производители конденсаторов и дросселей, необходимые для проектирования ФРП эквивалентные электрические схемы замещения дросселей и конденсаторов, т.е. так называемые “поведенческие модели”, а также их “паразитные параметры” не представляют. Паразитные параметры конденсаторов и дросселей, как показано в диссертационной работе, резко ослабляют затухание ФРП в высокочастотной части защищаемого диапазона частот и изменяют частотную характеристику ослабления с характеристики фильтра нижних частот (ФНЧ)) на характеристику режекторного фильтра. Таким образом, для проектирования системы «ФРП-ИПН» с учетом обеспечения устойчивости работы системы и электромагнитной совместимости кроме перечисленных задач следует решать важную и актуальную задачу разработки эквивалентной структурнопараметрической электрической схемы замещения конденсаторов и дросселей с учетом их конструкции и частотно-зависимых характеристик комплексной диэлектрической проницаемости диэлектриков конденсаторов и комплексной магнитной проницаемости сердечников дросселей. В настоящее время при проектировании силового сглаживающего фильтра решается лишь одна задача: ослабления пульсаций выходного напряжения, на тактовой частоте, тогда как показано в диссертации проектирование СФ следует производить с учетом целого ряда других крайне важных и актуальных задач: его влияния на устойчивость работы ИПН, качество переходных процессов, выравнивание токов параллельно включенных модулей, максимальные значения токов через транзисторы, диоды, и конденсаторы СФ. То-есть проектирование СФ является многокритериальной и сложной задачей, решаемой в диссертации. При разработке отечественной концепции построения устройств и систем электропитания на основе унифицированных модулей в отечественных нормативных документах и ГОСТах не учитывается характер нагрузки. Однако, характер нагрузки, как показано в работе, сильно влияет на устойчивость работы, ЭМС и на динамические характеристики ИПН. Отсюда следует вывод о необходимости унификации модулей ИВЭП с учетом их работы не на резистивную нагрузку, что имеет место в настоящее время, а на реальную комплексную нагрузку. Повышенный интерес разработчиков РЛС к радиолокационным комплексам на основе АФАР, которые имеют существенные преимущества по сравнения с пассивными решетками привел к необходимости разработки для них особенных ИВЭП. Любые пульсации, шумы, нестабильности по питанию из-за линейного режима работы ППМ приводят к амплитудной паразитной модуляции сигнала, а, следовательно, ухудшению селекции и сопровождению цели. ИВЭП ППМ АФАР работают на импульсную нагрузку, изменяющуюся практически от 0 до 100 % с переменной скважностью. Особенность такого режима работы от обычных ИВЭП, непрерывно потребляющих энергию от первичного источника, заключается в переходных процессах, происходящих не только во время включения и выключения источников, но и в начале и конце каждого импульса. Все эти отличия и особенности ИВЭП ППМ АФАР от источников питания с непрерывным потреблением энергии от первичного источника требуют других методов проектирования силового СФ, накопительного конденсатора, структуры отрицательной обратной связи. Эти актуальные проблемы рассматриваются и решаются в диссертации. Очень важное значение при построении систем ИВЭП имеет актуальная проблема параллельного включения модулей ИПН. Основная проблема при построении таких систем является равномерное выравнивание токов модулей при разбросе параметров силовой части и устройства управления модулей и одновременно обеспечения стабильности выходного параметра. В диссертации показано, что эта проблема обуславливает необходимость в таких системах использовать два контура ООС: контур ООС по выходному напряжению и контур по переменной, составляющей тока дросселя или конденсатора СФ. Но, к сожалению, они выполняют противоположные функции. Контур ООС по выходному напряжению обеспечивает стабилизацию выходного напряжения и уменьшение выходного сопротивления ИПН. Последний фактор способствует увеличению разбросов тока выравнивания модулей. Контур с перекрестной ООС по току выравнивает токи модулей, но увеличивает выходное сопротивление модулей, что препятствует стабилизации выходного напряжения при действии возмущающих факторов. Наличие этих двух необходимых контуров ООС и для стабилизации выходного напряжения, и для выравнивания токов противоречит реализации функций каждого и к тому же в дискретно-нелинейных динамических системах, т.е. в ИПН с широтноимпульсной модуляцией наличие двух таких контуров ООС из-за их взаимодействия приводит к возбуждению системы. В работе рассматриваются принципы и методы решения этой сложной проблемы.
Целью диссертационной работы является развитие теории устойчивости и электромагнитной совместимости систем электропитания на основе транзисторных преобразователей напряжения с широтно-импульсной модуляцией.
В работе поставлены и решены следующие задачи: 1. Разработка методики и рекомендаций проектирования системы «ФРП-ИПН» с учетом требуемого ослабления ЭМП и устойчивости работы системы. 2. Проектирование, выбор типа и расчет параметров элементов силового СФ с заданным затуханием на тактовой частоте с учетом его влияния на устойчивость и динамические характеристики, максимальные значения токов через транзисторы, диоды и конденсаторы СФ, и выравнивание токов параллельно включенных модулей. 3. Разработка эквивалентных структурно-параметрических электрических схем замещения конденсаторов и дросселей с учетом конструкции обмоток и сердечников дросселей; проводов и металлизации обкладок конденсаторов, а также свойств материала: частотно-зависимой диэлектрической проницаемости диэлектрика конденсатора и частотнозависимой магнитной проницаемости сердечника дросселя. 4. Исследование влияния характера нагрузки (резистивная или комплексная; линейная или нелинейная, выпрямитель с емкостью или LC фильтром; статическая или импульсная) на устойчивость и динамические характеристики ИПН. 5. Исследование влияния на частотные характеристики ослабления ЭМП, выходное сопротивления ФРП и устойчивость системы «ФРП-ИПН» эквивалентного сопротивления первичного источника и нагрузки (входное сопротивление ИПН). 6. Исследование особенностей проектирования и расчета силовой части, накопительного конденсатора и устройства ООС источников питания для ППМ АФАР РЛС. 7. Исследование влияния разброса параметров элементов силовых СФ и устройств управления параллельно включенных модулей ИПН с перекрестной ООС по току между модулями на выравнивание токов модулей и устойчивость их работы. 8. Экспериментальное исследование импульсно-модуляционных систем с целью подтверждения корректности и применимости разработанной теории, методов и методик проектирования и расчета ФРП, эквивалентных структурно-параметрических электрических схем замещения конденсаторов и дросселей с учетом их конструкций и свойств материалов; ИВЭП ППМ АФАР РЛС 9. Внедрение основных результатов диссертационного исследования в практическое проектирование и разработки отечественных устройств и систем электропитания.
Научная новизна работы. 1. Исследовано влияние характера и параметров нагрузки (резистивная или комплексная, статическая или импульсная), типа силового СФ (фильтр Баттерворта или Чебышева) на устойчивость и динамические характеристики импульсно-модуляционных преобразователей напряжения (ИПН). 2. Разработана методика проектирования ФРП для подавления симметричных и несимметричных ЭМП с учетом устойчивости системы ФРП-ИПН, а также влияния параметров эквивалента сети и нагрузки (комплексного входного сопротивления ИПН с отрицательной активной составляющей сопротивления) на ЭМС и устойчивость системы «ФРП-ИПН». 3. Разработаны и предложены эквивалентные структурно-параметрические электрические схемы замещения конденсаторов и дросселей ФРП и найдены их паразитные параметры с учетом конструкций обмоток и сердечников дросселей, проводов и металлизации обкладок конденсаторов, а также свойств материала: частотно-зависимой диэлектрической проницаемости диэлектрика конденсатора и частотно зависимой магнитной проницаемости сердечника дросселя. 4. С использованием феноменологических уравнений, описывающих процессы намагничивания сердечника дросселя и поляризации диэлектрика конденсатора, установлена связь паразитных параметров дросселей и конденсаторов с электрофизическими параметрами диэлектрика конденсатора и магнитного материала дросселя. Это позволяет улучшить частотные свойства конденсаторов и дросселей. 5. Рассмотрен и проведен выбор типа и расчет параметров элементов силового сглаживающего фильтра (СФ) не только с учетом обеспечения им заданного затухания на частоте коммутации транзисторов ИПН, как рассматривается в настоящее время в литературе, но также с учетом его влияния на устойчивость, динамические характеристики ИПН, максимальные значения токов через транзисторы, диоды ИПН и конденсатор СФ и выравнивание токов параллельно включенных модулей источника питания. В диссертации показано что проектирование СФ является многокритериальной задачей. В диссертации даны рекомендации решения данной проблемы и приведены результаты исследований. 6. На основании проведенного исследования влияния разброса параметров элементов силового сглаживающего фильтра и устройств управления параллельно включенных модулей ИПН с активным выравниванием токов, с помощью перекрестной ООС по току между модулями установлено: - с увеличением разброса параметров элементов СФ уменьшается глубина перекрестной ООС по току между модулями, при которой устройство работает устойчиво и увеличивается разброс токов; - при заданном разбросе параметров элементов СФ модулей большая глубина перекрестной ООС по току между модулями и меньший разброс токов модулей имеет место при использовании СФ с характеристиками Баттерворта; - увеличение запасов устойчивости по фазе и амплитуде отдельных (автономных) модулей позволяет увеличить глубину перекрестной ООС по току между модулями и уменьшить разброс токов модулей; - разнесение частотных диапазонов контуров ООС по выходному напряжению и контуров перекрестных ООС по току, т.е. разделение ООС на широкополосные (“быстрые”) для контура по выходному напряжению и узкополосные (“медленные”) для перекрестных ООС по току способствует увеличению глубины перекрестной ООС по току и уменьшению разброса токов модулей;
Теоретическая и практическая значимость работы. Диссертационная работа посвящена актуальной теме: - развитию теории устойчивости и ЭМС модулей ИПН модуляционного типа, которые относятся к дискретно-нелинейным динамическим система, а также развитию теории устойчивости агрегатированных (сложных, составных) приборов и распределенных систем электропитания с “шиной” бесперебойного электропитания с непрерывным потреблением энергии от первичного источника и с импульсным потреблением; комплексной линейной и нелинейной (выпрямитель с емкостной нагрузкой и LC фильтром) нагрузкой; - развитию теории устойчивости и принципов построения систем с параллельным включением ИПН с принудительным выравниванием токов модулей с использованием перекрестной ООС по току; - развитию методик расчета ФРП и силовых сглаживающих фильтров. Причем ФРП рассчитываются как с учетом обеспечения затухания ослабления симметричных и несимметричных ЭМП, так и с учетом обеспечения устойчивости системы «ФРП-ИПН». - развитию методики расчета силового СФ с учетом многокритериальной оптимизации: 1) обеспечения заданных пульсаций выходного напряжения, 2) устойчивости ИПН, 3) перенапряжений выходного напряжения при работе ИПН на динамические нагрузки, 4) выравнивание токов параллельно включенных модулей, 5) максимальные значения токов через транзисторы, диоды и конденсатор СФ. - разработке эквивалентных структурно-параметрических электрических схем замещения конденсаторов и дросселей как с учетом влияния их конструкций: проводов и металлизации обкладок конденсаторов и проводов обмоток дросселей, так и с учетом свойств материалов: комплексной диэлектрической проницаемости диэлектриков конденсаторов и комплексной магнитной проницаемости сердечника дросселя. Значения для практики заключаются в том, что проведенные в работе исследования и разработанные методики проектирования фильтров радиопомех для подавления симметричных и несимметричных помех; силовых СФ; эквивалентных схем замещения конденсаторов и дросселей позволили разработать ряд унифицированных ФРП для сетей постоянного тока с функциями защиты от перенапряжений. Работа проводилась в рамках программы импортозамещения и импортонезависимости ЭКБ. Полученные результаты исследований агрегатированных приборов, распределенных систем, систем использующих параллельное соединение модулей, работающих как в режиме постоянного потребления мощности от первичного источника, так и в импульсном режиме, были использованы при проектировании, расчете и моделировании источников питания для приемопередающих модулей активных фазированных антенных решеток радиолокационных станций.
Методы исследований - базируются на теории линейных и нелинейных электрических цепей, теории кусочно-гладких нелинейных динамических систем на основе импульсно модуляционных преобразователей напряжения, методах линеаризации нелинейных импульсных систем, методах рядов Фурье, теории аналоговых фильтров нижних частот.