Выводы. Таким образом, можно выделить основ-
ные признаки наличия интеллекта в технических си-
стемах:
– наличие канала связи;
– наличие функции измерения и оценки значения
факторов;
– возможность выбора из множества параметров;
– возможность реализации управляющих воздей-
ствий.
Интеллект технических систем, в общем случае,
по характеру приобретения можно подразделить на
автоматный, адаптивный и эволюционные виды. Ав-
томатный – принятие решения на основе определен-
ных на этапе создания функциональных свойств. Вос-
становление работоспособности на основе имеющихся
ресурсов. Адаптивный – статистический и вероят-
ностный, принятие решения на основе статистических
данных о возможном влиянии окружающей среды и
условиях эксплуатации. Восстановление работоспо-
собности на основе имеющихся ресурсов и самостоя-
тельного включения дополнительных резервных ре-
сурсов. Эволюционный – принятие решения в услови-
ях, не предопределенных и не предусмотренных при
проектировании и эксплуатации, опора на данные,
собранные технической системой в процессе эксплуа-
тации. Наличие возможности самостоятельного при-
обретения дополнительных ресурсов для восстановле-
ния работоспособности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Поспелов Г.С. Искусственный интеллект – основа новой информационной технологии. – М.: Наука, 1988. – 280 с.
2. Васильев В.И., Ильясов Б.Г. Интеллектуальные системы управления. Теория и практика: учебное пособие. – М.: Радио-
техника, 2009. – 392 с.
3. Управление в условиях неопределенности / Под ред. д-ра техн. наук, проф. А.Е. Городецкого. – СПб: Изд-во СПбГТУ,
2002. – 398 с.
4. Розен В.В. Математические модели принятия решений в экономике. Учеб. пособие. М.: Книжный дом «Университет»,
Высшая школа, 2002. 288 с.
5. Искаков М.Б., Есенбаев С.К. Оптимизация и поиск решений: Учеб. пособие. Караганда, 2003. 68 с.
88
Труды университета
УДК 621.314.6
Резонансные конверторы постоянного тока
на основе структур с переключаемыми
конденсаторами для автономных систем
Л.Г. ЗОТОВ
1
, к.т.н., доцент,
А.Д. МЕХТИЕВ
2
, к.т.н., доцент, зав. кафедрой,
В.В. ЮГАЙ
2
, докторант PhD,
А.Н. КОНОВАЛОВА
2
, студентка,
1
Новосибирский государственный технический университет,
2
Карагандинский государственный технический университет
Ключевые слова: электроснабжение, конвертор, энергосистема, преобразователь, конденсатор.
днонаправленные – повышающие и понижающие,
а также двунаправленные повышающие – пони-
жающие конверторы постоянного тока на основе
структур с переключаемыми конденсаторами находят
широкое применение при создании автономных си-
стем энергоснабжения (АСЭ), которые питаются от
источников постоянного тока – солнечных модулей
или аккумуляторных батарей (АБ). Данные преобра-
зователи применяются в устройствах питания специ-
альных радиоэлектронных комплексов, многоуровне-
вых системах энергоснабжения салонов автомобилей
повышенной комфортности, а также автономных
энергосистемах малоэтажных жилищных комплексов.
Характерными для DC-DC конверторов показате-
лями качествами являются: малые вес и габариты,
низкий коэффициент гармоник входного и выходного
токов, высокий КПД. Для достижения максимальных
значений параметров, применяются DC-DC конверто-
ры на основе структур с переключаемыми конденса-
торами [1-7].
Благодаря применению многотактного режима ра-
боты DC-DC конверторов, достигается уменьшение
коэффициента гармоник входного и выходного токов.
При этом снижение веса и габаритов достигается ис-
пользованием резонансного метода построения [1],
[5], [6], [7], который наряду с повышением КПД за
счет применения режима мягкой коммутации силовых
ключей, позволяет также существенно увеличить ча-
стоту преобразования f
п
до величины порядка 500 кГц
и выше [7].
В общем случае преобразователи состоят из k
l
од-
нотипных повышающих конденсаторных преобразо-
вателей (ОКП), работающих на общую нагрузку на
высокой (несколько сотен килогерц) частоте f
п
и со-
держащих каждый по n конденсаторно-диодных цепо-
чек (КДЦ). Принцип действия повышающего (пони-
жающего) ОКП заключается в периодическом парал-
лельном (последовательном) подзаряде конденсаторов
его цепочек от АБ – Е
АБ
через зарядные ключи (VT
1
–
VT
3
), с дальнейшим последовательным (параллель-
ным) разрядом на нагрузку через разрядные ключи
(VT
4
– VT
6
).
Поскольку разряд (заряд) конденсаторов происхо-
дит через последовательно соединенную АБ, то сило-
вая цепь ОКП упрощается уменьшением числа КДЦ
на единицу. В результате выходные напряжения по-
вышающего и понижающего DC-DC конверторов
оказываются равными
2
(
1)
АБ
U
h
E
и
,
1
АБ
2
E
U
n
что соответствует коэффициентам преобразования
1
П
K
n
и
1
.
1
П
K
n
Увеличение количества ОКП
– k
1
приводит к пропорциональному увеличению вы-
ходной мощности DC-DC конвертора и снижению
коэффициентов гармоник суммарных входных токов
i
1Σ
(t).
Принципиальные схемы силовых цепей простей-
ших – трехтактных повышающего и понижающего
DC-DC конверторов приведены на рисунке 1, а на
рисунке 2 даны временные диаграммы, поясняющие
их работу.
В многотактных, резонансных повышающих DC-
DC конверторах входной ток определяется суммой
токов отдельных ОКП имеющих форму положитель-
ных синусоидальных импульсов равномерно распре-
деленных по периоду частоты коммутации силовых
ключей
1
П
к
f
T
и сдвинутых друг относительно дру-
га на
1
к
T
t
k
. При этом эффект снижения коэффици-
ента гармоник тока
1
АБ
I
t
i
t
достигается двумя
методами фазового управления силовыми ключами
(рисунок 2). В первом методе подзаряд конденсаторов
ОКП осуществляется положительными импульсами
синусоидального тока длительностью
0.5
з
к
t
T
(рисунок 2а), т.е.
1
1
1
1
0
1
sin
,
k
к
к
i
T
i
t
I
t
i
k
где
2
.
к
П
f
Его главное достоинство в резком снижении ко-
эффициента гармоник тока I
АБ
(t) при нечетных значе-
ниях числа ОКП – k
1
(таблица 1) [4]. Недостаток –
относительно большая амплитуда тока I
1
через сило-
вые элементы ОКП, определяемая для повышающего
О
Раздел «Автоматика. Энергетика. Управление»
3 2015
89
Рисунок 1 – Принципиальные схемы силовой цепи 3-тактных – повышающего и понижающего
DC-DC конверторов
Рисунок 2 – Временные диаграммы 3-тактного повышающего DC-DC конвертора
и
понижающего
конверторов,
уравнениями
1
1
,
Н
I
I
k
1
1
,
1
Н
I
I
k
n
где I
H
– среднее значе-
ние выходного тока нагрузки DC-DC конвертора
Таблица 1
k
1
1
~
1
1
гi
ср
I
K
I
k
1
2
0.483455
0.60804
1
4
0.097759
0.042200
3
6
0.042200
0.015040
5
8
0.023451
0.003803
7
Таблица 2
k
1
1
~
1
1
гi
ср
I
K
I
k
1
2
0.483455
-
1
4
0.042200
0.097759
3
6
0.015232
0.023451
5
8
0.008204
0.010732
7
Второй метод отличается от первого увеличенной
длительностью синусоидальных импульсов зарядных
токов ОКП
1
1
1
,
з
к
k
t
T
k
протекающих через
силовые ключи ОКП с такими же частотой
1
П
к
f
T
и
временным сдвигом относительно друг друга
1
к
T
t
k
(рисунок 2б), т.е.
1
1
1
1
0
1
sin
,
k
к
s
i
T
i
t
I
t
i
k
где
1
1
2
,
2 (
1)
s
к
s
k
T
k
1
1
1
2
s
к
k
T
T
k
– соот-
ветственно частота и период синусоиды, описываю-
щей импульсы зарядного тока.
Главное достоинство второго метода – снижение
амплитуд синусоидальных импульсов токов через
силовые элементы ОКП в
1
1
1
2
k
k
раза по сравнению
с первым методом. Для повышающего и понижающе-
го DC-DC конверторов они соответственно равны
1
1
,
2 (
1)
Н
I
I
k
1
1
.
2 (
1) (
1)
Н
I
I
k
n
Кроме
того, сравнение величин коэффициентов гармоник
токов
1
АБ ВЧ
I
t
i
t
для обоих методов (таблицы
1,2) показывает преимущество второго метода по
сравнению с первым при четном числе ОКП в DC-DC
конверторе.
При первом методе фазового управления для по-
вышающего и понижающего конверторов количество
ОКП – k
1
, величины емкости C
1
и индуктивности L
1
цепочек определяются величиной I
H
, пульсацией
90
Труды университета
напряжения на конденсаторах C
1
–
ΣU
C1
и частотой
коммутации ключей ω
к
.
1
1
1
1
2
1
2
1
,
C
Н
к
к
I
k C
L
U
С
– для повышающего
конвертора,
1
1
1
2
1
1
2
1
,
1
Н
к
C
к
I
k C
L
n
U
С
– для пони-
жающего конвертора.
При втором методе фазового управления величи-
ны индуктивностей в цепи заряда L
1з
и в цепи разряда
L
1р
отличаются друг от друга и для обоих типов
преобразователей
определяются
выражениями
1
2
1
1
,
з
s
L
С
1
1
2
1
1
.
1
р
з
L
L
k
Конденсатор С
Ф
предназначен для обеспечения
режима мягкой коммутации разрядных транзисторных
ключей (VT
4
, …, VT
6
). Величина его емкости выбира-
ется из условия
1
1
1
1
1
2
1
C
Н
Ф
к
АБ
АБ
U
I
С
C
k
E
n
E
n
–
для повышающего конвертора;
2
1
1
1
1
1
1
2
Н
C
Ф
к
АБ
АБ
I
n
U
С
C
n
k
E
E
– для
понижающего конвертора.
Моделирование режимов работы DC-DC конвер-
торов (рисунок 1), для типовых технических условий
показывает, что режим мягкой коммутации их разряд-
ных ключей гарантировано обеспечивается при С
Ф
=
С
1
.
При создании АСЭ современных автомобилей с
повышенной комфортностью и увеличенным энерго-
обеспечением салона, достигающим 6-10 кВт и пита-
емых от АБ с различными уровнями напряжения,
необходимы универсальные, двунаправленные преоб-
разователи, способные работать в режимах повыше-
ния и понижения постоянного напряжения. Энергоси-
стема составлена из двух аккумуляторных батарей с
напряжениями 14 и 42 Вольта, взаимодействующих
друг с другом через двунаправленный преобразова-
тельный модуль (ПМ), имеющий коэффициент преоб-
разования, равный К
П
=
n
+
1. На рисунке 3 показана
принципиальная схема его силовой цепи и даны вре-
менные диаграммы, поясняющие ее работу. Двуна-
правленный режим работы ПМ обеспечивается при-
менением в его силовой цепи двунаправленных клю-
чей на основе IGBT транзисторов – (V
1
, V
2
) и (V
3
–
V
5
),
соединенных последовательно через емкости С. В
данном случае ПМ представляет собой двухуровне-
вую систему обмена электрической энергией постоян-
ного тока аккумуляторных батарей E
1
и E
2
. Если
уровни напряжения батарей удовлетворяют условию
Е
2
=
Е
1
·(n
+
1), то обмен электрической энергией от-
сутствует. При изменении напряжения батарей баланс
нарушается и возникает режим обмена электрической
энергией, причем если Е
1
·(n
+
1)
>
Е
2
, то батарея E
1
подзаряжает батарею E
2
, а если Е
1
·(n
+
1)
<
Е
2
, то про-
исходит обратный процесс. Временные диаграммы
(рисунок 3) показывают различие форм входного –
i
1
(t) и выходного – i
2
(t) токов ПМ. Ток i
1
(t) является
прерывистым и представляет собой суперпозицию
синусоидальных импульсов, с амплитудами I
1
и
1
1
I
n
сдвинутых друг относительно друга на 0,5·T
к
. Функ-
ция тока i
2
(t) является разрывной и представляет со-
бой периодическую последовательность синусоидаль-
ных импульсов длительностью 0,5·T
к
и амплитудой I
2
.
Закон сохранения заряда дает строгие соотношения
средних и амплитудных значений токов в ПМ.
1
1
2
2
1 ,
.
cр
cр
I
I
n
n
I
I
Главным достоинством ОКП (рисунок 3) является
простота его силовой цепи, включающей в себя один
ПМ, а недостатком – высокий уровень коэффициентов
гармоник входного i
1
(t) и выходного i
2
(t) токов.
Устранение указанного недостатка достигается
объединением нескольких ПМ в группу, образующую
многотактный, двунаправленный DC-DC конвертор
МДК (рисунок 4). Временные диаграммы токов и
напряжений, поясняющие его работу приведены на
(рисунок 5). Если количество ПМ равно k
1
, то умень-
шение коэффициента гармоник токов на входе и вы-
ходе двунаправленного конвертора достигается рав-
номерным распределением их импульсов по периоду
Т
к
, со сдвигом во времени друг относительно друга на
величину
1
,
к
T
t
k
как показано на рисунке 5.
Суммарные входной i
1Σ
(t) и выходной i
2Σ
(t) токи
определяются суммой токов отдельных ПМ
1
1
1
1
0
1
1
sin
1
sin
2
1
,
2
k
к
к
i
к
к
к
T
t
I
t
i
k
T
T
t
i
i
n
k
i
1
1
2
1
0
1
1
sin
2
1
.
2
k
к
к
к
i
T
T
i
t
I
t
i
i
n
k
При этом коэффициенты гармоник суммарных
входного i
1Σ
(t) и выходного i
2Σ
(t) токов также опреде-
ляются из таблицы 1, откуда следует, что их снижение
для нечетных k
1
происходит более быстрыми темпами
и на существенно пониженном уровне. Отсюда следу-
ет вывод о целесообразности построения двунаправ-
ленных DC-DC конверторов, состоящих только из
нечетного количества ПМ.
Учитывая все вышеизложенное, можно сделать
следующие выводы:
На основе двунаправленных, многотактных, резо-
нансных DC-DC конверторов предложен новый метод
построения высокоэффективной двухуровневой си-
стемы обмена электрической энергией постоянного
тока для энергоснабжения современных автомобилей.
Предложены новые методы построения много-
тактных, резонансных – повышающих, понижающих
и двунаправленных повышающе-понижающих DC-DC
конверторов на основе структур с переключаемыми
конденсаторами, отличающихся высоким КПД и низ-
ким уровнем коэффициентов гармоник входного и
выходного токов.
Раздел «Автоматика. Энергетика. Управление»
3 2015
91
Рисунок 3 – Принципиальная схема силовой цепи двунаправленного ПМ и временные диаграммы,
поясняющие ее работу
Рисунок 4 – Принципиальная схема силовой цепи двунаправленного МДК
Проанализированы два метода фазового управле-
ния предложенных DC-DC конверторов. При этом
показано, что первый метод позволяет резко снизить
коэффициенты гармоник входного и выходного токов
конвертора при нечетных количествах ОКП. Исполь-
зование второго метода существенно снижает ампли-
туды импульсов токов через элементы силовой цепи
конверторов. Кроме того, второй метод имеет пре-
имущество перед первым по уменьшению коэффици-
ентов гармоник входного и выходного токов при чет-
ных количествах ОКП.
Приведены выражения для расчета параметров ре-
активных элементов силовой цепи конверторов, а
также для средних и импульсных значений токов че-
рез силовые ключи, позволяющие осуществить их
выбор.
Рисунок 5 – Временные диаграммы, поясняющие
работу двунаправленного МДК
Достарыңызбен бөлісу: |