Материал: s_electro

1. НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТРОЙСТВ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Цели нет передо мною

Сердце пусто, празднен ум...

О, сколько нам открытий чудных Готовит просвещенья дух...

А. С. Пушкин

1.1. МЕТОДОЛОГИЯ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА К АНАЛИЗУ УСТРОЙСТВ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Задачи изучения основ силовой электроники прежде всего опираются на анализ базовых типов этих устройств, т. е. на установление свойств устройств в функции их параметров. Классическая методология обучения индуктивного характера предполагает при этом движение от частного к общему, от простого к сложному. Но по мере усложнения изучаемых устройств появляется необходимость регуляризации «здравого смысла» при анализе, позволяющей проводить однотипное по подходу и эффективное по результату исследование любых сложных устройств заданного назначения. Такой подход к исследованию, интенсивно развиваемый в предшествующие несколько десятилетий, получил название системного подхода. Он характеризуется следующими признаками:

1)установлением границ исследуемой системы заданного назначения как целого, т. е. выделением системы из окружающей ее среды, рассматриваемой как подсистема;

2)определением целей системы, критериев качества ее функционирования и методов их расчета;

3)декомпозицией системы на составные части или подсистемы, которые на более низком уровне иерархии тоже рассматриваются как подсистемы, точно так же, как сама исследуемая система является частью надсистемы;

4)изучением системы во всех требуемых целевым назначением аспектах с учетом всех значимых связей как между частями системы одного уровня, так и между различными уровнями.

Прежний классический, досистемный подход к исследованию основывался на том, что свойства целого (системы) в большей степени определяются свойствами составляющих его элементов (подсистем). Сис-

11

темный же подход основывается на другой парадигме: система не детерминируется однозначно совокупностью элементов и не сводится к ним, а, наоборот, элементы детерминируются целым, в рамках которого они и получают свое функциональное назначение; при этом у системы в целом появляются новые свойства, отсутствующие у ее элементов.

Применительно к изучаемым в курсе устройствам силовой электроники указанные четыре принципа системного подхода заключаются в следующем.

Во-первых, рассматривается не само по себе устройство преобразования электрической энергии из одного вида в другой, а в совокупности с источником питания на входе и нагрузкой (потребителем) на выходе. Эта триада и составляет систему для исследования. Кроме того, выявляются все виды полупроводниковых устройств преобразования электрической энергии в соответствии с их назначением.

Во-вторых, определяется необходимый набор критериев качества создания и функционирования устройств силовой электроники (в рамках данного курса для энергетиков – энергетических критериев качества устройств и их режимов работы) и рассматриваются существующие методы их расчета.

В-третьих, производится декомпозиция устройств силовой электроники для упрощения анализа на функциональном и структурном уровнях. В общем случае любое преобразовательное устройство должно реализовать совокупность следующих функциональных операций:

–собственно преобразования рода тока;

–регулирования параметров преобразованной энергии (постоянной составляющей в цепях постоянного тока, первой гармоники в цепях переменного тока);

–согласования уровней напряжения источника питания и нагрузки преобразователя;

–потенциальной изоляции (при необходимости) источника питания и нагрузки;

–электромагнитной совместимости преобразователя с источником питания и нагрузкой.

Первые две операции в устройствах силовой электроники реализуются посредством полупроводниковых управляемых вентилей, следующие две – посредством трансформатора на входе, внутри или на выходе устройства, а последняя операция – с помощью пассивных (LC) или активных (управляемая генерация напряжения или тока требуемой формы) фильтров.

12

Структурная декомпозиция устройств силовой электроники будет выполняться на двух уровнях. На верхнем уровне сложная преобразовательная система разделяется на совокупность элементарных базовых ячеек, характеризующихся однократностью преобразования вида электрической энергии (например, переменный ток – постоянный ток). На нижнем уровне элементарные базовые преобразователи рассматриваются как совокупность трансформатора, вентильного комплекта, фильтров, системы управления.

В-четвертых, принцип системного подхода к исследованию устройств силовой электроники в соответствии с целевым назначением курса будет реализовываться здесь только в энергетическом аспекте. При этом будет три уровня анализа электромагнитных процессов в исследуемых устройствах в соответствии с тремя уровнями допущений при анализе.

•При первом уровне анализа все элементы преобразователя – идеальные (без потерь), питающая сеть – источник бесконечной мощности (тоже без потерь внутри источника), нагрузка также идеализирована. Процедура анализа элементарна.

•При втором уровне анализа учитываются реальные параметры элементов преобразовательного устройства и питающей сети, нагрузка преобразователя остается идеализированной. Процедура анализа остается простой и аналитической.

•При третьем уровне анализа все элементы триады: питающая сеть – преобразователь – нагрузка замещаются моделями с реальными параметрами элементов. Процедура анализа заметно усложняется, и не всегда возможно обойтись без средств вычислительной техники.

Такой подход позволяет наращивать мощность анализа по мере роста понимания курса и углубления исследования, обеспечивая в то же время вложенность результатов низких уровней анализа как частных случаев в результаты более высоких уровней анализа. Это, в свою очередь, позволяет просто проследить влияние учета реальных параметров отдельных элементов системы на характеристики системы.

В соответствии с этой процедурой системного подхода построено

иизложение материала, схематически показанное в табл. 1.1.1. Последовательность прохождения курса определяется содержанием ячеек таблицы, сканируемой по строкам слева направо.

В соответствии с четырьмя приведенными выше этапами системного анализа в третьей колонке таблицы представлены эти действия применительно к изучаемым объектам – устройствам силовой элек-

13

троники. Во второй колонке таблицы представлена та требуемая предварительная информация, на которую опираются эти действия. В четвертой колонке таблицы представлены получаемые результаты от обучающих действий на соответствующем этапе системного анализа, усвоение которых проверяется контрольными вопросами и упражнениями по каждой главе. Контрольные вопросы и упражнения, отмеченные звездочками, имеют повышенную трудность и предназначены, как правило, «для сцециалистов» по силовой электронике (третий и четвертые уровни изложения материала, в соответствии с условной квалификацией обучающихся, приведенной в предисловии).

14

1.2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ В ВЕНТИЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ

Энергетическая эффективность преобразования электрической энергии в устройствах силовой электроники характеризуется энергетическими показателями электромагнитных элементов и устройства в целом, определение которых и составляет цель этого раздела.

1.2.1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ

Важнейшими из этих показателей являются следующие.

1. Коэффициенты преобразования устройства по напряжению и току соответственно

Они определяются в режимах, соответствующих максимально возможному напряжению на выходе преобразователя, т. е. при отсутствии его регулирования, для полезных составляющих напряжения и тока. В цепях переменного тока полезными составляющими, переносящими активную мощность, являются как правило, первые гармоники напряжения и тока, а в цепях постоянного тока – средние значения напряжения и тока.

2. Коэффициент искажения тока (аналогично и для напряжения)

где I(1) – действующее значение первой гармоники тока, I – действующее значение тока.

3. Коэффициент гармоник тока (коэффициент несинусоидальности Кнс)

где IВ.Г – действующее значение высших гармоник тока (отличных от первой гармоники).

Эти два коэффициента очевидным образом связаны между собой.