Система электропитания с повышенной энергетической эффективностью для гальванических производств

Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулированы
цель и задачи диссертационной работы, приведены сведения об апробации и
публикациях, личном вкладе автора в работу, а также представлена структура
работы.
Первая глава посвящена анализу структур построения систем
электропитания для гальванических производств, представленных в данный
момент на рынке. Показано, что в большинстве современных систем
электропитания применяется принцип параллельного включения модулей для
увеличения суммарной выходной мощности. Отмечено, что важным конкурентным
преимуществом является защита компонентов от агрессивной внешней среды,
имеющей место в производственных цехах. Использование высокочастотных схем
преобразования позволяет избавиться от тяжелых сетевых трансформаторов,
улучшить качество выходного тока при средних и малых нагрузках.
Результатом произведенного обзора схем преобразователей постоянного
напряжения с гальванической изоляцией стал выбор схемы преобразователя с
фазовым управлением для реализации модуля системы электропитания
гальванической установки. Для улучшения качества входного тока
преобразователя предложено использовать высокоэффективный корректор
коэффициента мощности с чередованием фаз. Обоснована целесообразность
использования силовой схемы преобразователя напряжения, представленной на
Рисунке 1.

Рисунок 1 – Силовая схема преобразователя напряжения для гальванической
установки

На основе обзора основных способов равномерного распределения
мощности между преобразователями напряжения было принято решение
использовать способ управления по среднему току преобразователей, т.к. это
позволяет обеспечить стабильность сигналов ошибок по току и
помехоустойчивость системы. В качестве средства для передачи данных о токах
преобразователей между собой выбран цифровой интерфейс связи CAN,
обладающий хорошей помехозащищенностью и арбитражем доступа к сети, что
позволяет сократить до минимума количество передаваемой по шине информации.
В общем случае, для рассмотрения работы преобразователей напряжения в
процессах модификации поверхности металла используется схема, представленная
на Рисунке 2.
Для процессов гальванического
осаждения металлов в данной схеме
можно пренебречь ЭДС Ен, т.к. ее
величина не более 0,5 В, что на
порядок ниже выходного напряжения
выпрямителя.Такжеможно
пренебречьиндуктивностью
электродов и подводящих шин Lн, т.к.
при малой частоте реверсивныхРисунок 2 – Схема замещения
импульсов тока (до 100 Гц) она ненагрузки для анализа работы
оказывает существенного влияния навыпрямителя в процессах
систему. Исходя из вышеизложенныхмодификации поверхности металла
допущений,вработебудет
рассматриваться работа выпрямителя на активное сопротивление нагрузки.
Вторая глава посвящена описанию работы преобразователя с фазовым
управлением, методике расчета его параметров, а также синтезу системы
управления преобразователем и системой в целом. Предложенная методика
комплексного расчета параметров преобразователя позволяет произвести расчет с
учетом минимизации массы изделия.
Разработанная математическая модель позволяет учесть диапазон входного
напряжения, желаемый диапазон нагрузок для достижения «мягкой» коммутации
силовых ключей, максимально допустимое обратное напряжение на ключах
выпрямителя, диапазон возможных частот коммутации силовых ключей. Блок-
схема алгоритма расчета параметров преобразователя представлена на Рисунке 3.
Входными данными для расчета являются следующие величины:
U innom , U in min , U in max – номинальное, минимальное и максимальное входное
напряжение;
U outnom , U out min , U out max – номинальное, минимальное и максимальное
выходное напряжение;
Poutnom – номинальная выходная мощность;
Pout max – максимальная выходная мощность в режиме перегрузки;
tdt – «мертвое» время между импульсами управления ключами стойки
инвертора;
I L – пульсации тока в фильтровых дросселях;
I out min – минимальный ток нагрузки, при котором преобразователь еще
работает в режиме «мягкой» коммутации.
Основными ограничивающими факторами для расчета являются следующие:
масса моточных элементов;
частота коммутации;
максимальное обратное напряжение на ключах выходного выпрямителя.
Расчет производится итерационно. В качестве переменной величины
используется коэффициент трансформации силового трансформатора.
Верхнийпределкоэффициента
трансформации выбирается исходя из
минимально возможного напряжения на
вторичной обмотке трансформатора,
необходимогодляудержания
номинального выходного напряжения.
Нижнийпределкоэффициента
трансформации выбирается исходя из
максимально допустимого напряжения
выходных ключей.
Синтез контуров регулирования
производится параметрическим методом
сиспользованиемпередаточных
функцийпреобразователя.Система
управленияимпульсным
преобразователем состоит из двух
контуров – по току индуктивностей и по
выходному напряжению, как показано на
Рисунке4.Контурывключены
параллельно, т.е. в каждый момент
времени работает только один контур
регулирования,которыйобладает
наименьшимвыходнымсигналом.
Корректирующее устройство в контурах
регулирования разделено на две части.
Перваячасть–это
пропорциональные коэффициенты Gcu 0 и
Gci 0 , вторая часть – общая динамическая
составляющая регулятора G ( s ) . Данная
структура системы управления позволяет
ограничить ток преобразователя, при
этом не уменьшая полосу пропускания
контура по напряжению. Данная система
управления реализована в аналоговом
виде.
Дляреализациисистемы
управленияпосреднемутоку
преобразователей был выбран цифровой
интерфейс CAN, так как он обладает
приемлемой скоростью обмена данными,
хорошейпомехозащищенностью,
контролем ошибок передачи и приема, а
также особым способом полученияРисунок 3 – Блок-схема алгоритма
устройством доступа к сети.расчета параметров преобразователя
Арбитраж доступа к сети
происходитследующим
образом. При свободной шине
любой узел может начинать
передачу в любой момент
времени.Вслучае
одновременнойпередачи
данных двумя или более
узлами происходит арбитраж
доступа. Для проведенияРисунок 4 – Структура системы управления
арбитража каждое сообщение,
называемое кадром данных, содержит свой код арбитража (идентификатор), как
показано на Рисунке 5. Передавая идентификатор, узел одновременно проверяет
состояние шины. Если при передаче рецессивного бита (логическая «1»)
принимается доминантный (логический «0») – считается, что другой узел передаёт
сообщение с большим приоритетом, и существующая передача откладывается до
момента освобождения шины, как показано на Рисунке 6. Таким образом, доступ к
шине получает устройство с наименьшим идентификатором.

Рисунок 5 – Структура кадра данных

Для реализации управления по среднему току преобразователей необходимо
знать токи всех ячеек и усреднить их. Однако, предполагая, что токи в системе
распределяются с достаточной точностью, можно ограничиться данными о двух
токах – минимальном среди преобразователей и максимальном. С помощью
интерфейса CAN это можно реализовать следующим образом. Величина тока
преобразователя инвертируется и помещается в поле идентификатора при отправке
сообщения. Сообщения от разных ячеек, содержащие идентификаторы с
информацией о токе, одновременно отправляются на шину. Арбитраж выигрывает
ячейка, имеющая наименьший идентификатор, то есть наибольший ток. Все ячейки
считывают сообщение с шины, снова инвертируют идентификатор для получения
максимального тока. Аналогично производится передача данных о минимальном
токе ячеек, с той лишь разницей, что перед отправкой он не инвертируется.
Полученные значения используются для расчета среднего тока ячеек, который
используется в качестве сигнала задания на собственные токи преобразователей.
После приема сообщения с
шины все ячейки снова
одновременно отправляют
обновленную информацию
о собственном токе на
шину. Чтобы исключить
коллизиюнашине
интерфейсапри
возникновении ситуации,
когданесколько
преобразовательных ячеек
имеютодинаковыйРисунок 6 – Процедура арбитража доступа к сети
выходной ток, в конец
идентификатора устройства добавляется серийный номер преобразователя. Тогда
из всех ячеек, проводящих одинаковый ток, арбитраж выиграет ячейка с
наименьшим серийным номером.
Третья глава посвящена имитационному моделированию системы
электропитания. В главе также представлено явление возникновения статической
ошибки в выходном напряжении при многократном обрыве связи у одного из
модулей системы питания.
Частота передачи сообщений по интерфейсу CAN составляет 2 кГц. В
систему введены разбросы коэффициентов передачи датчиков токов и напряжений:
датчики напряжения имеют разброс 2%, датчики тока 10%. Частота вычисления
скользящего среднего составляет 1 кГц. На Рисунке 7 представлены результаты
моделирования сброса и наброса нагрузки 45%-90%-45%. В установившемся
режиме при 45% нагрузки минимальный ток среди модулей составляет 71,9 А,
максимальный – 80,4 А. Разброс токов составляет 12%. В установившемся режиме
при 90% нагрузки минимальный ток среди модулей составляет 144,7 А,
максимальный – 159,9 А. Разброс токов составляет 11%.
В результате моделирования выявлено, что в случае многократного обрыва
связи у одной из ячеек, выходное напряжение системы постепенно увеличивается,
как показано на Рисунке 8.
Из Рисунка 8 видно, что после завершения каждого переходного процесса,
связанного с обрывом связи одного из модулей, выходное напряжение не выходит
на заданный уровень. Более того, с каждым новым переходным процессом разность
между заданным значением напряжения и фактическим выходным напряжением
возрастает. При этом контур распределения токов выполняет свою задачу – токи
преобразователей после переходных процессов выравниваются между собой.
Механизм этого явления заключается в том, что контур обеспечения
равномерного распределения токов в системе воздействует на собственный контур
управления по напряжению каждого преобразователя. Разброс характеристик
составных элементов преобразователей приводит к тому, что сумма выходных
величин регуляторов Gcs (s) в установившемся режиме не равна нулю. Некоторые
модули могут изменить свой выходной ток быстрее других, что приводит к
изменению «среднего» значения токов преобразователей. Чтобы нивелировать этот
эффект, необходимо устремить сумму интегральных частей регуляторов к нулю.

Рисунок 7 – Эпюры выходного напряжения, токов индуктивностей, и скользящих
средних по токам модулей при сбросе-набросе нагрузки 45%-90%-45%

Рисунок 8 – Эпюры выходного напряжения, выходных токов модулей при
многократном обрыве связи
Для этого было предложено ввести две дополнительные посылки с данными,
передаваемыми по шине CAN. По аналогии с токами преобразователей, две
дополнительные посылки содержат информацию о максимальной и минимальной
среди преобразователей добавке регулятора распределения токов. Полученные
добавки усредняются и вычитаются из интегральных составляющих регуляторов
по распределению токов преобразователей, как показано на Рисунке 9.

Рисунок 9 – Структурная схема N параллельно включенных преобразователей с
предложенным алгоритмом компенсации ошибки по напряжению

Коэффициент K для передачи «среднего» значения интегральных частей
регуляторов преобразователей был подобран опытным путем с использованием
имитационной модели. На Рисунке 10 представлены результаты имитационного
моделирования системы, состоящей из четырех преобразователей напряжения,
работающих на общую нагрузку при внедрении посылок, содержащих данные об
интегральных частях регуляторов. По результатам моделирования можно сделать
вывод, что предложенный способ устранения ошибки в выходном напряжении
системы позволяет нивелировать последствия переходных процессов. Ошибка
более не накапливается с каждым новым переходным процессом.

Рисунок 10 – Результаты имитационного моделирования системы электропитания

В четвертой главе описана физическая реализация модуля электропитания,
а также алгоритмы управления, позволяющие увеличить энергоэффективность
системы в целом.
При практической реализации модуля электропитания во внимание
принимался тот факт, что работа системы будет производиться в агрессивной
окружающей среде с парами электролитов. Для обеспечения защиты компонентов
и печатных плат было принято решение изготовить преобразователь с максимально
закрытым корпусом. С целью улучшения массогабаритных показателей,
магнитные элементы выполнены по планарной технологии, что позволяет
эффективно отводить тепло от сердечников в закрытом корпусе.
НаРисунке11
представлена фотография двух
ячеексистемы
электропитания.Для
сравнения, на Рисунке 12, а)
представленспособ
охлаждения трансформатора,
выполненногопо
классической технологии. Для
отведения тепла от сердечника Рисунок 11 – Фотография разработанной ячейки
используютсятепловыеэлектропитания
трубки, которые закреплены
на феррите с помощью эпоксидной смолы и теплопроводящих прокладок. В
радиатор трубки вклеены на теплопроводящий клей. Все дополнительные меры для
улучшения теплоотвода увеличивают сложность сборки силового модуля, что
ведет к увеличению затраченного времени и стоимости.
Для замены разработанного планарного трансформатора на основе
сердечника ELP64/10/50 «классическим», необходимо было бы использовать
сердечник E70/33/32 с тепловыми трубками. Схематичное сравнение их размеров
представлено на Рисунке 12, б). По расчетам, объем «классического»
трансформатора в 2,4 раза больше, чем объем планарного трансформатора.
В итоге, полученные габариты двух ячеек электропитания, мощностью 4 кВт
(12 В, 340 А) составляют: ширина 200 мм, длина 580 мм (с учетом выходных шин),
высота 145 мм. Для сравнения массогабаритных показателей систем
электропитания представлена Таблица 1. В ней собраны системы электропитания
от различных производителей, построенные по модульному принципу.
Выпрямители GALS 12/680 и GALS 12/6800 построены на базе разработанной
ячейки электропитания.

а)б)
Рисунок 12 – а) Фотография преобразователя питания для гальванической
установки с «классическим» трансформатором; б) Схематичное изображение
трансформаторов равной мощности, выполненных по планарной и
«классической» технологии

Таблица 1 – Характеристики выпрямителей для гальванических производств
PВЫХ,m,V,PВЫХ/V,PВЫХ/m,η,χ
Название
Вткгм3кВ/м3кВ/кг%
ИПГ-12/600-380 IP547200550,1356,250,13880,86
ИПГ-12/6000-380 IP54720003750,62116,10,19880,86
Flexkraft AIR-12/6007200490,1452,60,15900,93
Flexkraft AIR-12/6000720003150,561290,23900,93
Q500 12V/550A DC6600790,1660,083870,93
Q500 12V/5000A DC600002630,411460,23870,93
Пульсар СМАРТ 1000/1212000720,16750,17900,97
Пульсар СМАРТ 8000/12960003980,571680,24900,97
GALS 12/6808000480,1800,17940,99
GALS 12/6800800003230,421900,25940,99
В результате проведенного физического эксперимента была получена
характеристика КПД преобразователя, представленная на Рисунке 13. Из Рисунка
13 видно, что в области нагрузок, близких к номинальной, КПД падает, что связано
с увеличением потерь в выходном синхронном выпрямителе. В случае с
преобразователем, построенным по схеме мостового преобразователя с фазовым
управлением, в области малых нагрузок наблюдается снижение КПД, т.к. при
малом токе через коммутационную индуктивность ее энергии недостаточно для
обеспечения «мягкой» коммутации силовых ключей, что ведет к росту потерь.
Таким образом, если в системе при распределении токов на малых нагрузках будут
работать все модули, то КПД системы будет с высокой точностью повторять КПД
единичного преобразователя.
Дляулучшения
энергетических
характеристиксистемы
электропитанияможно
добавить алгоритм, который
позволит отключать часть
преобразователейпри
работе с малой выходной
мощностью. На Рисунке 14,
а) показана блок-схема
предложенного алгоритма
запускасистемы
Рисунок 13 – КПД одного преобразователя
электропитания с выбором
оптимальногоколичества силовых модулей. При начальном запуске системы
электропитания оператор вводит требуемые значения выходного тока и выходного
напряжения системы, после чего нажимает кнопку «Включение». Панель
оператора считывает количество силовых модулей в составе системы
электропитания, готовых к работе. Далее, исходя из полученных данных
рассчитывается мощность, требуемая от одного силового модуля после включения
системы. В памяти панели оператора хранится таблица со значениями выходной
мощности и КПД силовых модулей, составляющих систему электропитания. В
цикле производится сравнение рассчитанного значения мощности, требуемой от
одного модуля с точкой, имеющей максимальный КПД в таблице. С учетом формы
графика, показанного на Рисунке 13, если рассчитанное значение мощности
больше, чем мощность в точке максимального КПД, то система включается с
текущим значением количества силовых модулей, иначе количество модулей
уменьшается и расчет производится заново. В случае, если требуется отключить
часть силовых модулей, то для более равномерного распределения нагрузки по
ним, отключаются те модули, счетчик часов наработки которых больше. После
запуска системы электропитания, панель оператора продолжает собирать данные о
текущем выходном токе, выходном напряжении и количестве задействованных
силовых ячеек в системе. На протяжении работы системы выполняется алгоритм,
представленный на Рисунке 14, б). В таком случае, КПД системы примет
следующий вид, представленный на Рисунке 15.
а)б)
Рисунок 14 – Блок-схема алгоритма: а) запуска системы электропитания; б)
оптимизации количества активных силовых модулей системы электропитания для
достижения максимального КПД системы

Реализация отключения части ячеек при малых нагрузках дает не только
выигрыш в КПД, но и в качестве выходного тока. Величина пульсаций тока от пика
до пика сохраняется практически неизменной во всем диапазоне выходной
мощности. В этом случае,
отношение размаха пульсаций
тока на выходе к его среднему
значению увеличивается с
понижениемвыходной
мощности. Если в таком случае
будутработатьвсе
преобразователи,величина
пульсаций выходного тока
будет недопустимо большой.
Стоитотметить,что
рассматриваетсяхудший
случай,т.е.отсутствие
смещения фаз пульсаций токовРисунок 15 – КПД системы из 10
на выходах преобразователей.преобразователей с алгоритмом отключения
Некоторыепроизводителиячеек
модульных выпрямителей для гальванических производств решают данную
проблему с помощью увеличения индуктивности выходного фильтра, что ведет к
увеличению его габаритов и массы, а также стоимости. При этом, в номинальном
режиме работы системы электропитания пульсации тока на выходе составляют
доли процента. Предложенный алгоритм позволяет не увеличивать индуктивность
выходного фильтра и сохранить величину относительных пульсаций выходного
тока в требуемых техпроцессом пределах.
На Рисунке 16, а) показано, как зависит отношение величины пульсаций тока
на выходе одного преобразователя от приведенной выходной мощности. При
внедрении ранее описанного алгоритма, эта зависимость примет следующий вид,
показанный на Рисунке 16, б).

а)б)
Рисунок 16 – Зависимость относительных пульсации выходного тока от выходной
мощности: а) при работе всех модулей системы б) – при использовании алгоритма
отключения ячеек

В заключении приводятся основные выводы и результаты по
диссертационной работе. В приложении А представлены справка и акт о
внедрении результатов диссертационной работы в учебный процесс НГТУ (г.
Новосибирск) и в производственный процесс ООО «Интмаш» (г. Бердск). В
приложении Б представлен листинг программы для комплексного расчета
основных параметров преобразователя с фазовым управлением. В приложении В
представлено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
В ходе выполнения представленной диссертационной работы был разработан
модуль электропитания, а также система электропитания для гальванической
установки с улучшенными энергетическими характеристиками.
В процессе выполнения работы были решены все поставленные задачи.
1.Произведен анализ схем силовой части источника электропитания для
гальванических производств с точки зрения уменьшения массы и габаритов
изделия, а также анализ способов распределения токовой загрузки
преобразователей в рамках системы с параллельным включением
преобразователей напряжения. Обосновано решение использовать структуру из
параллельно включенных преобразователей напряжения с фазовым управлением
для реализации модульной системы электропитания гальванической установки.
2.Предложенаимитационнаямодельсинтезированнойсистемы
электропитания, позволяющая получить её статические и динамические
характеристики, и оценить адекватность предложенных способов управления.
3.Синтезирован алгоритм расчета параметров силовой цепи преобразователя с
точки зрения минимизации массы источника электропитания, что в сочетании с
алгоритмом отключения ячеек при малой выходной мощности дает возможность
улучшить массогабаритные показатели системы электропитания гальванической
установки на 13%.
4.Разработана программа комплексного расчета основных параметров
преобразователя с фазовым управлением, предоставляющая возможность получить
значения всех необходимых параметров силовой части преобразователя
напряжения с фазовым управлением.
5.Реализован модуль источника электропитания для гальванических
производств, обладающий близким к единице коэффициентом мощности и
повышенным до 94% КПД при сопоставимых с аналогами массогабаритных
показателях.
6.Разработана модернизированная система управления преобразователями
напряжения, включенными параллельно, позволяющая устранить статическую
ошибку в выходном напряжении после восстановления передачи данных между
ячейками.
7.Предложен и реализован алгоритм управления системой электропитания,
состоящей из параллельно включенных преобразователей напряжения,
позволяющий улучшить качество выходной энергии в области малой выходной
мощности без необходимости увеличения номиналов силовых элементов
выходного фильтра. Предложенный алгоритм управления также позволил
увеличить КПД системы электропитания до 95% в диапазоне нагрузки от 5 до 90%
от номинальной.
8.Повышена точность распределения токов между ячейками до 12% с
использованием управления по среднему току преобразователей с учетом 10%
разброса показаний датчиков токов силовых ячеек.