Математическое и физическое моделирование индуктивно-емкостных преобразователей

  • Сергей Геннадьевич Конесев
  • Регина Тагировна Хазиева
Ключевые слова: стабилизация тока, индуктивно-емкостный преобразователь, гиб­ридный электромагнитный элемент, многофункциональный интегрированный электромагнитный компонент, параметрический стабилизатор тока

Аннотация

Моделирование индуктивно-емкостных преобразователей (ИЕП) проводится на основе много­функционального интегрированного электромагнитного компонента (МИЭК), который представ­ляет собой единый конструкторско-технологический компонент и выполняет функции парамет­рического стабилизатора тока, колебательного контура инвертора, звена повышенной частоты и усилителя напряжения одновременно. Преобразователи на основе МИЭК значительно отличаются улучшенными массогабаритными показателями от ИЕП, выполненных на дискретных электро­магнитных элементах, собранных из отдельных конденсаторов и катушек индуктивностей. При­менение МИЭК, работающего в резонансном режиме, в качестве параметрического стабилизато­ра тока является эффективным техническим решением, так как позволяет обеспечить стабили­зацию тока нагрузки в широком диапазоне изменения сопротивления нагрузки и частоты комму­тации полупроводниковых ключей инвертора, а также минимизировать потери при коммутации. Это обусловлено тем, что в резонансном режиме работы обеспечиваются максимальные значения коэффициента стабилизации тока нагрузки и коэффициента усиления по напряжению, а также «мягкая» коммутация полупроводниковых ключей при переходе тока «через нуль». В результате получены аналитические выражения для определения токов и напряжения ИЕП с помощью инте­гральных параметров МИЭК. Анализируются частотные характеристики ИЕП на основе МИЭК. Физический эксперимент подтверждает адекватность полученных зависимостей и выражений ре­альным параметрам ИЕП на основе МИЭК.

Биографии авторов

Сергей Геннадьевич Конесев

Конесев Сергей Геннадьевич — кандидат техн. наук, доцент Уфимского государственного нефтяного технического университета, диссерта­цию защитил в 1992 г.

Регина Тагировна Хазиева

Хазиева Регина Тагировна — кандидат техн. наук, старший преподаватель Уфимского государственного нефтяного технического университета, диссерта­цию защитила в 2019 г.

Литература

1. Милях А.Н., Волков И.В. Системы неизменного тока на основе индуктивно-емкостных преобразователей. — Киев: Наукова Думка, 1974, 216 с.

2. Chin Shaoan A., John Tero, Milan M. Jovanovic, Raymond B. Ridley, and Fred C. Lee. A New IC Controller for Resonant-Mode Power Supplies. — IEEE Applied Power Electronics Conference Proceedings, Los Angeles, California, March, 1990, pp. 459—466.

3. Yuan Y.S., Chen M. and Qian Z.M. A Parallel Front-End LCL Resonant Push-Pull Converter with a Coupled Inductor for Automotive Applications, in Proceedings of IEEE APEC, Palm Springs, USA, 2010, pp. 1460—1463.

4. Волков И.В., Закревский С.И., Пшеничный В.В. Гибридный элемент электрической цепи — индукон и его использование в качестве преобразователя источника напряжения в источник тока. — Тезисы докладов Всесоюз. науч.-техн. конф. «Проблемы преобразовательной техники». Киев, 1983.

5. Кашин Ю.А., Сибагатуллин Р.С., Тухватуллин Р.А., Хомяков И.М. Деконнные системы преобразования электромагнитной энергии. — Тезисы докладов Всесоюз. науч.-техн. конф. «Проблемы преобразовательной техники». Киев, 1983.

6. Бердников С.В. Узлы принудительной коммутации тиристоров с обмоткой-емкостью. — Тезисы докладов Всесоюз. науч.-техн. конф. «Проблемы преобразовательной техники». Киев, 1983.

7. Бутырин П.А., Гусев Г.Г., Михеев Д.В., Сиренко В.В., Шакирзянов Ф.Н. Разработка математической модели и анализ особенностей режимов индуктивно-емкостного преобразователя на основе каткона. — Вестник МЭИ, 2018, № 4, с. 81—88.

8. Бутырин П.А., Гусев Г.Г., Кужман В.В. Математическая модель фильтрокомпенсирующего устройства на основе катушки-конденсатора. — Изв. РАН. Энергетика, 2014, № 2, с. 130—135.

9. Бутырин П.А., Гусев Г.Г., Михеев Д.В., Шакирзянов Ф.Н. Алгоритм определения параметров каткона — элемента оптимизации режимов электрических сетей. — Изв. РАН. Энергетика, 2015, № 2, с. 69—75.

10. Пат. РФ № 2585248. Многофункциональный интегрированный электромагнитный компонент/С.Г. Конесев. — БИ, 2016, № 15.

11. Кувалдин А.Б., Утегулов Б.Б., Захаров И.В., Ижикова А.Д. Анализ потерь активной мощности в многослойном индукторе с самокомпенсацией реактивной мощности. — Элек­тричество, 2005, № 2, с. 53—56.

12. Пат. РФ № 1492453. Спиральный генератор импульсов напряжения/В.И. Мельников, С.Г. Конесев, С.В. Осинцев, Р.А. Тухватуллин. - БИ, 1989, № 24.

13. Конесев С.Г., Хазиева Р.Т., Кириллов Р.В. Исследование частотных характеристик двухсекционных многофункциональных интегрированных электромагнитных компонентов. — Вестник УГАТУ, 2015, т.19, № 4 (70), с. 66—71.

14. Konesev S.G., Khazieva R.T., Kirillov R.V., Konev A.A.
Research on stabilization properties of inductive-capacitive transducers based on hybrid electromagnetic elements. — Journal of Physics: Conf. Series, 2017, vol. 803. No. 1. Doi: 10.1088/1742-6596/803/1/012076.

15. Konesev S.G., Khazieva R.T., Kirillov R.V. The research of stabilization properties of inductive-capacitive converters based on the two-sections hybrid electromagnetic elements. Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines. — X International IEEE Scientific and Technical Conference, 15-17 November 2016, Omsk, 2017, pp. 1-7. DOI: 10.1109/Dynamics.2016.7819030.

16. Кабан В.П. Сравнительный анализ Т-образных индуктивно-емкостных преобразователей CLL-структуры по установленной мощности реактивных элементов. — Сб. Института электродинамики НАН Украины, Киев, 2012, № 33, с. 87—91.

17. Губаревич В.Н., Спирин В.М., Кабан В.П., Матвеев В.Ю. Регулирование выходного напряжения в инверторе в однофазной системе инвертор - индуктивно-емкостный преобра­зователь. — Сб. Института электродинамики НАН Украины. Киев, 2010, № 25, с. 114—118.

18. Кабан В.П., Матвеев В.Ю., Губаревич В.Н., Спирин В.М. Расчет схем Г-образных индуктивно-емкостных преобразователей CL-вида с учетом характера нагрузки. — Сб. Института электродинамики НАН Украины, Киев, 2012, № 33 с. 83—87.

19. Брылина О.Г., Гельман М.В. Исследование двухзвенных преобразователей частоты. — Электротехнические системы и комплексы, 2013, № 21, с. 270—278.

20. Храмшин Т.Р., Храмшин Р.Р., Корнилов Г.П., Крубцов Д.С. Формирование фазных напряжений четырехуровневого высоковольтного преобразователя частоты. — Электротехниче­ские системы и комплексы, 2011, № 1, c. 174—181.

21. Конесев С.Г., Хазиева Р.Т. Анализ стабилизационных свойств индуктивно-емкостных преобразователей при различных способах подключения гибридного электромагнитного эле­мента. — Электротехнические системы и комплексы, 2017, № 1. c. 49-55. DOI: 10.18503/2311-8318-2017-1(34)-49-55.

22. Бутырин П.А., Гусев Г.Г., Кужман В.В., Михеев Д.В., Шакирзянов Ф.Н. Математическая модель фильтрокомпенсирующих устройств на основе гармонической линеаризации ха­рактеристики магнитопровода каткона. — Вестник Московско­го энергетического института, 2015, № 5, с. 79—84.

23. Бутырин П.А., Гусев Г.Г., Михеев Д.В., Шакирзянов Ф.Н. Идентификация математической модели фильтрокомпенсирующего устройства на основе каткона с учетом нелинейной характеристики магнитопровода. — Электричество, 2017, № 10, с. 55—60.

24. Бутырин П.А., Гусев Г.Г., Кужман В.В., Михеев Д.В. Математическое и физическое моделирование фильтрокомпенсирующего устройства на основе каткона. — Электричество, 2014, № 11, с. 58—62.

25. Пат. РФ № 2632412. Индуктивно-емкостный преобра­зователь/ С.Г. Конесев, Р.Т. Хазиева, Т.А. Бочкарева. — БИ, 2017, № 28.
#
1. Milyakh A.N., Volkov I.V. Sistemy ntizmennogo toka na osnove induktivno-emkostnykh preobrasovatelei (Constant current systems on the basis of combined inductive-and-capacitive converters). Kiev, Naukova Dumka, 1974, 216 p.

2. Chin Shaoan A., John Tero, Milan M. Jovanovic, Raymond B. Ridley, and Fred C. Lee. A New IC Controller for Resonant-Mode Power Supplies. — IEEE Applied Power Electronics Conference Proceedings, Los Angeles, California, March, 1990, pp. 459-466.

3. Yuan Y.S., Chen M. and Qian Z.M. A Parallel Front-End LCL Resonant Push-Pull Converter with a Coupled Inductor for Automotive Applications, in Proceedings of IEEE APEC, Palm Springs, USA, 2010, pp. 1460-1463.

4. Volkov I.V., Zakrevsky S.I., Pshenichnyi V.V. Gibridnyi element elektricheskoi tsepi — indukon i ego ispol’zovaniye v kachestve preobrazovatelya istochnika napryazheniya v istochnik toka (Inducon: an electric circuit hybrid element and its application as a voltage source to current source converter), in Proceedings of the All-Russia Scientific-Technical Conference «Converter Engineering Problems». Kiev, 1983.

5. Kashin Yu.A., Sibagatullin R.S., Tukhvatullin R.A., Khomyakov I.M. Dekonnye sistemy preobrazovaniya elektromagnitnoi energii (Decon-based electromagnetic energy conversion systems), in Proceedings of the All-Russia Scientific-Technical Conference «Converter Engineering Problems»). Kiev, 1983.

6. Berdnikov S.V. Uzly prinuditel’noi kommutatsii tiristorov s obmotkoi-emkost’yu (Forced thysistor switching units with a winding-capacitor), in Proceedings of the All-Russia
Scientific-Technical Conference «Converter Engineering Problems»). Kiev, 1983.

7. Butyrin P.A., Gusev G.G., Mikheyev D.V., Sirenko V.V., Shakirzyanov F.N. Vestnik MEI — in Russ. (Bulletin of National Research University «Moscow Power Engineering Institute»), 2018, No. 4, p. 81—88.

8. Butyrin PA, Gusev G.G., Kuzhman V.V. Izvestiya RAN. Energetika — in Russ. (News of Russian Academy of Sciences. Energetics), 2014, No. 2, p. 130—135.

9. Butyrin P.A., Gusev G.G., Mikheyev D.V., Shakirzyanov F.N.
Energetika — in Russ. (News of Russian Academy of Sciences. Energetics), 2015, No. 2, p. 69—75.

10. Pat. RF No. 2585248. Mnogofunktsional’nyi integrirovannyi elektromagnitnyi komponent (A multifunctional integrated electromagnetic component) / S.G. Konesev. Bulletin of inventions, 2016, No. 15.

11. Kuvaldin A.B., Utegulov B.B., Zakharov I.V., Izhikova A.D. Elektrichestvo — in Russ. (Electricity), 2005, No. 2, p. 53—56.

12. Pat. RF No. 1492453. Spiral’nyi generator impul’sov napryazheniya (A helical generator of voltage impulses)/V.I. Melnikov, S.G. Konesev, S.V. Osintsev, R.A. Tukhvatullin. Bulletin of inventions, 1989, No. 24.

13. Konesev S.G., Khaziyeva R.T., Kirillov R.V. Vestnik UGATU — in Russ. (Bulletin of Ufa State Aviation Technical University), 2015, vol. 19, No. 4 (70), pp. 66—71.

14. Konesev S.G., Khaziyeva R.T., Kirillov R.V., Konev A.A. Research on stabilization properties of inductive-capacitive transducers based on hybrid electromagnetic elements. — Journal of
Physics: Conf. Series, 2017, vol. 803, No. 1. Doi: 10.1088/1742-6596/803/1/012076.

15. Konesev S.G., Khazieva R.T., Kirillov R.V. The research of stabilization properties of inductive-capacitive converters based on the two-sections hybrid electromagnetic elements. Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines. — X International IEEE Scientific and Technical Conference, 15—17 November, 2016, Omsk, 2017, pp. 1-7. DOI: 10.1109/Dynamics. 2016.7819030.

16. Kaban V.P. Sb. Instituta elektrodinamiki NAN Ukrainy — in Ukraine (Proc. Institute Electrodynamics NAS of Ukraine), Kuev, 2012, No. 33, pp. 87—91.

17. Gubarevich V.N., Spirin V.M., Kaban V.P., Matveyev V.Yu. Sb. Instituta electrodinamiki NAN Ukrainy — in Ukraine (Proc. Institute of Electrodinamics NAS of Ukraine), Kuev, 2010, No. 25, pp. 114—118.

18. Kaban V.P., Matveyev V.Yu., Gubarevich V.N., Spirin V.M. Sb. Instituta electrodinamiki NAN Ukrainy — in Ukraine (Proc. Institute of Electrodinamics NAS of Ukraine). Kuev, 2012, No. 33, pp. 83—87.

19. Brylina O.G., Gel’man M.V. Elektrotekhnicheskiye sistemy i kompleksy — in Russ. (Electrical Engineering systems and complexes), 2013, No. 21, pp. 270—278.

20. Khramshin T.R., Khramshin R.R., Kornilov G.P., Krubtsov D.S. Elektrotekhnicheskiye sistemy i kompleksy — in Russ. (Electrical Engineering systems and complexes), 2011, No. 1, pp. 174—181.

21. Konesev S.G., Khaziyeva R.T. Electrotekhnicheskiye sistemy i kompleksy — in Russ. (Electrical Engineering systems and complexes). DOI: 10.18503/2311-8318-2017-1(34)-49-55.

22. Butyrin P.A., Gusev G.G., Kuzhman V.V., Mikheyev D.V., Shakirzyanov F.N. Vestnik Moskovskogo energeticheskogo instituta — in Russ. (Bulletin of Moscow Power Engineering Institute), 2015, No. 5, pp. 79—84.

23. Butyrin P.A., Gusev G.G., Mikheyev D.V., Shakirzyanov F.N. Elektrichestvo — in Russ. (Electricity), 2017, No. 10, pp. 55—60.

24. Butyrin P.A., Gusev G.G., Kuzhman V.V., Mikheyev D.V. Elektrichestvo — in Russ. (Electricity), 2014, No. 11, p. 58—62.

25. Pat. RF No. 2632412. Induktivno-emkostnyi preobrazovatel’ (Inductive-capacitive converter)/S.G. Konesev, R.T. Khaziyeva, T.A. Bochkareva. Bulletin of inventions, 2017, No. 28.
Опубликован
2020-01-01
Раздел
Статьи