Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1) Регулятор переменного напряжения был промоделирован в PSIM. Для сравнения был рассмотрен и двухзонный вариант регулятора переменного напряжения. Для исследования были взяты следующие параметры элементов: L1 = 25.33 мГн, C1 = 400 мкФ, C2 = 40 мкФ, мощность выходной нагрузки достигает 3.5 кВт с выходным коэффициентом сдвига 0,8. Были получены регулировочные характеристики, при разных токовых загрузках, где Ib – базовый ток, определяемый из входных параметров схемы. Были получены характеристики для базового варианта схемы, с пилообразным опорным сигналом и синфазными импульсами управления. По графику можно сделать вывод, что при самом оптимальном уровне загрузки 0,4 диапазон регулирования двухзонного вариант регулятора значительно больше базового 15% против 63% для минимального уровня напряжения и 125% против 115% для максимума. На средних уровнях глубин модуляции возможна максимальная загрузка регулятора, превышающая двухкратную, тогда как максимальный уровень напряжения достигается только при глубине модуляции близкой к нулю. Стоит отметить, что пилообразная форма сигнала не меняет работу регулятора, который работает при треугольном опорном сигнале. Также на этих характеристиках не видно влияния синфазного импульса управления. Для исследования влияния регулятора переменного напряжения на питающую сеть была снята зависимость входного коэффициента сдвига от глубины модуляции, начиная с глубины модуляции 0,375 и до 0 входной коэффициент сдвига лучше выходного и стремится к единице. 2) С помощью метода алгебраизации дифференциальных уравнений были получены математические модели для четырех разных вариаций регулятора, базового, с двумя коммутируемыми конденсаторами, с одним коммутируемым конденсатором и двухуровневого. Для расчета по высшим гармоникам была взята сто двадцатая гармоника коммутационной функции без учета первой гармоники. Были получены результаты расчета, где представлены доли высших гармоник относительной первой гармоники. По представленным результатам видно, что доля высших гармоник во входном токе составляет менее 12% при M>0,375 из чего можно сделать вывод, что входной ток имеет практически синусоидальную форму, при этом данные расчета совпадают с данными моделирования при M>0,375. 3) Представлен алгоритм управления регулятором. Была разработана разомкнутая система управления, одноконтурная система управления и двухконтурная система управления. Был введен внутренний контур регулирования тока нагрузки в системе подчиненного регулирования. Выходной сигнал внешнего контура является сигналом задания для внутреннего, стремящегося скомпенсировать возмущения и стабилизировать уже два компонента вектора состояния всей системы – ток и напряжение нагрузки. Видно, что с введением второго внутреннего контура регулирования по току при набросе нагрузки обеспечивается стабилизация по напряжению. В системе подчинённого регулирования обеспечивается настройка внутреннего контура (контур тока) гораздо более высокого быстродействия относительно внешнего контура (контур напряжения). Был написан код для системы управления преобразователя, на языке Си. 4) Для базовой схемы подготовлена модель в среде SOLIDWORKS экспериментального макета. В преобразователе были использованы: модуль GD200CEY120C2S; конденсаторы Epcos B32373A4207J080, Electronicon E54.G85-203G30, дроссель производства фирмы Галсен, индуктивностью 100 мГн, драйверы на базе ADUM4135BRWZ, датчики тока LA55-P и датчики напряжения LV25-P. Кроме того, разработана модель системы управления на базе STM32F407ZGT6 в среде Altium Designer. 5) Было выполнено моделирование с применением тепловых моделей транзисторов, которые были использованы в экспериментальном макете GD200CEY120C2S фирмы STARPOWER. В технической документации были приведены параметры для модели типа Foster. Были взяты следующие параметры элементов: дроссель L1 = 100 мГн, конденсатор C1 = 100 мкФ, C2 = 10 мкФ. Были получен эпюры выходного напряжения, совмещенные с входным напряжением и током нагрузки. Произведена оценка тепловых потерь относительно выхода в разных вариантах схем (LCC – базовый вариант, C – с одним коммутируемым конденсатором, CC – с двумя коммутируемыми конденсаторами, и двухуровневый (двухзонный) вариант, представленный ранее). Из данного анализа можно сделать, что наиболее эффективной схемой можно считать LCC, в особенности при работе на напряжение 310 В, в связи с этим в эксперименте был выбран именно вариант LCC РПН. 6) Была написана программа и методика испытаний проведения эксперимента. По результатам эксперимента была определена работоспособность узлов, сняты осциллограммы тока и напряжения нагрузки. 7) Для сравнения результатов с имитационной моделью было выполнено моделирование в среде Matlab Simulink. Первая гармоника напряжения нагрузки может принимать любое промежуточное положение, как видно на построенной векторной диаграмме из минимума в максимум на кривой перехода. Влияние резонанса также представлено на частотной характеристике. Частотная характеристика преобразователя с резонансным увеличением на частоте напряжения питающей сети обеспечивает повышение напряжения нагрузки. Для предлагаемого регулятора переменного напряжения была получена регулировочная характеристика. По графику можно сделать вывод, что можно добиться полного диапазона регулирования, где максимальное напряжение в 1,6 раза превышает номинальное. Также была снята внешняя характеристика. На средних уровнях глубин модуляции максимальная загрузка регулятора уступает результатам при малой модуляции, тогда как максимальный уровень напряжения достигается только при глубине модуляции близкой к нулю. Зависимость входного коэффициента мощности от глубины модуляции показала, что регулятор не вносит реактивной составляющей в сеть. Качество входного тока было оценено коэффициентом гармоник, достаточно высокое на рабочем диапазоне регулирования, до 5%. По результатам сравнения с моделью в Matlab Simulink можно сделать вывод, что в предлагаемом регуляторе получилось добиться более высокого диапазона регулирования, регулятор переменного напряжения держит требуемый уровень напряжения при загрузке током. 8) По результатам оценки, габариты экспериментального макета составили 490,84х313,91х633мм3, общая масса с радиатором и конструкцией составила 27,5 кг, также была рассчитана стоимость комплектующих, составила 197515,05 руб. Предельная мощность преобразователя, на которую могут использоваться ключи составляет 47 кВт на фазу, таким образом стоимость 1 кВт можно оценить в 1374 руб. По удельному весу на 1 кВт приходится 11 кг/кВт, с учетом того, что радиатор был рассчитан на предельную мощность рассеивания 2,5 кВт. Тогда как с ростом мощности будет увеличиваться мощность радиатора, но удельная масса будет падать. КПД был снят относительно глубины модуляции и изменялся от 97,8 до 71% в зависимости от режима работы схемы.