©2004 Валентин Володин Сайт Валентина Володина
Главная Статьи Книги и журналы Справочник Программы Ссылки
О себе RytmArc Схемы и описания Резервный форум Разное http://valvol.qrz.ru
Гостевая книга Файловый архив Архив форума Форум ГОСТы Измерительные приборы
file-upload mega.co.nz depositfiles f-bit.ru ... radikal keep4u fotoifolder fastpic imageup

Power Electronics

Посвящается источникам питания вообще и сварочным источникам в частности
Текущее время: 23-01, 09:48

Часовой пояс: UTC + 4 часа




Начать новую тему Ответить на тему  [ Сообщений: 11 ] 
Автор Сообщение
 Заголовок сообщения: Кубический мост
СообщениеДобавлено: 14-09, 10:10 
Не в сети
Магистр
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 06-09, 12:59
Сообщения: 7646
Откуда: Burbach
Тема перенесена сюда с Промежуточного форума

Observer
Идея топологии, о которой пойдёт речь в этой ветке, возникла у меня при обдумывании проблем создания DC-DC преобразователей мощностью 10 кВт и более. В частности, проблемы выбора ключей. С одной стороны очевидно, что частота работы преобразователя не должна быть слишком низкой, чтобы не задирать размеры и стоимость трансформаторов и дросселей. С другой стороны, как показывает мой недавний опыт поиска ключей, выбор быстрых IGBT-транзисторов на подходящее напряжение (питание устройства от 3ф 380В) весьма скуден. Те же приборы, которые есть, обладают повышенными статическими потерями, весьма дороги и трудны в доставании. В то же время, достаточно богат выбор менее быстрых приборов (категории fast), предназначенных для построения приводов. К их преимуществам следует отнести более широкий ассортимент, меньшую стоимость, меньшее падение напряжения в открытом состоянии, большую мощность.

В ТЗ на преобразователь стоит требование работы на резкопеременную нагрузку в самом широком диапазоне (от ХХ до КЗ). Проще говоря, это сварочный аппарат. Итак, за основу была взята топология фазосдвигающего полного моста в режиме ZVS. Как известно, классическая схема фазника с ZVS не работает на весь диапазон нагрузок, так что для нашей задачи актуальны различные её усовершенствования. Рассмотрим первое из них – формирование токов заряда-разряда резонансных конденсаторов с помощью дополнительных индуктивностей. Эта топология описана в статье «Full Bridge DC/DC Converter For Low Voltage And High Current Applications» (Cistel-2001-04.doc). Её недостаток в том, что конструктор оказывается меж трёх огней: максимальное заполнение ШИМ, ток в дополнительной индуктивности и максимальная скорость перезаряда резонансных конденсаторов. Первое приводит к необходимости меньшего Ктр и больших токов в первичной цепи. Второе – к повышению статических потерь и потерь в дополнительной индуктивности. Третье – к ограничению снизу на скорость ключа. Приходится искать компромисс между этими тремя факторами. Сама топология – сплошное наслоение компромиссов. Второе усовершенствование моста с ZVS описано в статье «A New Family of Full-Bridge ZVS Converters» (Yungtaek Jang, Milan M. Jovanovic’). Его суть в создании двух нагрузок: полезной и реактивной (индуктивной). На одну из них максимальные вольт-секунды за период подаются при нулевом сдвиге фаз, на другую – при максимальном. Управление такой схемой можно построить таким образом, что ток заряда-разряда рез. конд-ров поддерживается на определённом уровне и складывается из токов активной и реактивной нагрузок. Безусловно, преимущество этой топологии перед предыдущей в том, что время переходного процесса фиксировано и отсутствует дополнительная токовая нагрузка на ключи (там дополнительный ток всегда суммируется с полезным, а тут – дополняет его до максимальной величины, а при максимальном токе нагрузки равняется нулю). Но у этой топологии есть свой недостаток, который если не исключает, то сильно ограничивает её применение в сварочнике. Как видим, здесь только одна степень свободы в управлении: фаза. С помощью этого параметра можно либо поддерживать время перезаряда рез. к-ров постоянным в зависимости от изменения нагрузки, либо регулировать выходное напряжение/ток.
Идея состоит в том, чтобы модифицировать эту схему с двумя нагрузками, добавив к ней вторую степень свободы управления. Итак, рассмотрим следующую топологию. Есть два одинаковых фазосдвигающих моста. Первый состоит из плеч 1 и 2, второй – из 3 и 4. Каждый мост работает на свою нагрузку – трансформатор с выпрямителем и выходным реактором (все эти узлы тоже одинаковы). Выходы с обоих реакторов соединяются для суммирования выходного тока обоих мостов преобразователя. Это – полезная нагрузка. На рисунке показаны эти мосты. Вторичные цепи не нарисованы.
Изображение

Далее, между фазами 1 и 3, 2 и 4 включены индуктивности – это реактивная нагрузка.
Изображение

Полученную топологию можно перерисовать в виде куба, каждое из вертикальных рёбер которого представляет собой плечо (полумост). Верхние горизонтальные рёбра – шина «+», нижние – земляная шина. Для наглядности резонансные конденсаторы и антипараллельные диоды не показаны. Получается такой себе «кубический мост».
Изображение

Как видим, достаточно сложная схема, но не менее сложно и управление. Сдвиг фаз между плечами 1 и 2, 3 и 4 одинаков. Это первая степень свободы в управлении. С помощью этого параметра регулируется выход. Собственно, каждый из мостов можно регулировать независимо, поддерживая выходные токи соответствующих выпрямителей одинаковыми и равными половине тока нагрузки. Сдвиг фаз между самими мостами (или же между плечами 1 и 3, 2 и 4) – вторая степень свободы. С помощью этого параметра поддерживается фиксированный ток перезаряда конденсаторов, равный максимальному току нагрузки. Таким образом, поддерживая время перезарядки постоянным, мы можем свободно двигаться по всему прямоугольнику на нагрузочной четверть-плоскости: напряжение от 0 до макс. и ток от 0 до макс.!
Рассмотрим четыре вершины этого прямоугольника – четыре характерных режима работы схемы. Нижеприведенные графики получены при симуляции данной схемы в MicroCap. Все элементы – идеальные. На каждом рисунке – по два графика, для двух мостов соответственно. Синяя и зелёная кривые – напряжения на выходах плеч, красная – ток первички трансформатора, сиреневая – ток индуктивности (реактивной нагрузки).
1. U=Umax, I=Imax. Сдвиг фаз между плечами 1 и 3, 2 и 4 равен нулю, в реактивной нагрузке ток не течёт. Сдвиг фаз между плечами каждого моста (1 и 2, 3 и 4) максимален. Конденсаторы перезаряжаются током, накопленным в индуктивностях рассеяния трансформаторов.
Изображение
2. U=Umax, I=0. Холостой ход на максимальном напряжении. Сдвиг фаз как между плечами каждого моста, так и между мостами – максимален. Тока в нагрузке нет, перезарядка производится током реакторов.
Изображение
3. U=0, I=Imax. Режим КЗ на максимальном токе. Сдвиг фаз между мостами – ноль, между плечами моста – таков, чтобы обеспечивать максимальный ток.
Изображение
4. U=0, I=0. Холостой ход на нулевом напряжении. В реакторах течёт ток.
Изображение
5. Показана точка промежуточного режима примерно половинного напряжения и тока. Все 4 фазы разные, во всех нагрузках есть ток.
Как видим, крутизна фронтов во всех пяти режимах примерно одинакова.
Изображение
Теперь о достоинствах и недостатках.
Начну с недостатков. Они существенны.
Во-первых, это сложность схемы, большое количество элементов. 8 ключей, и каждому – по драйверу. Ну и всего остального двойной комплект.
Во-вторых, сложность управления. Можно, конечно, обойтись одноконтурным управлением, измеряя ток одной из нагрузок, регулируя его и вычисляя по нему необходимый ток реактивных нагрузок и сдвиг фаз между мостами. Но если по-хорошему, то это трёхконтурная система: два контура регулирования каждого из мостов и третий контур – для реактивных токов. Это целых три датчика тока. Ну и, понятное дело, DSP во главе всего. Поскольку четыре фазосдвинутых сигнала чем попало не сформируешь, то, возможно, не обойтись ещё и без ПЛИСки.
В-третьих, это серьёзные габариты и нагрев реактивных нагрузок. Возможно, они окажутся не намного меньше основных трансформаторов.
В-четвёртых, это низкий КПД на малой мощности, поскольку большие токи бегают в схеме не зависимо от режима работы.

Правда, на другой чаше весов – замечательные достоинства.
Во-первых, это отработка любого из режимов при фиксированной скорости перезарядки. Если у нас частота 50 кГц, то полупериод, соответственно, 10 мкс. Без существенной потери максимального заполнения мы можем выделить из них 1,5-2 мкс на переходной процесс. Такие тайминги позволят мягко переключать даже достаточно низкочастотные ключи, такие как мощные модули для приводов.
Во-вторых, отсутствуют дополнительные статические потери в ключах, вызванные дополнительными токами, как в мостовой топологии с дополнительными индуктивностями.
В-третьих, все элементы могут быть вдвое менее мощными, поскольку моста в схеме два, и работают на общий выход. В мощной схеме это скорее достоинство, чем недостаток.

Резюмируя, могу сказать, что топология может оправдать себя на больших мощностях (10 кВт и более), когда затраты на драйвера, сигнальный процессор и прочие издержки сложного управления окупятся экономией на силовых элементах. В бытовом сварочнике эта схема, безусловно, не выдержит конкуренции.

Итак, уважаемое сообщество, буду рад обсуждению и критике своей идеи. Может, кто-то уже видел что-то подобное в инете? ;)

Bimbom
Observer
Супер! Идея очень нравится! только бы контроллеру "в ногах не запутаться"...

Multik
Цитата:
Но если по-хорошему, то это трёхконтурная система: два контура регулирования каждого из мостов и третий контур – для реактивных токов. Это целых три датчика тока. Ну и, понятное дело, DSP во главе всего. Поскольку четыре фазосдвинутых сигнала чем попало не сформируешь, то, возможно, не обойтись ещё и без ПЛИСки.

Что-то такое у меня ощущение, что трехконтурная система - это по плохому. Со всех сторон. Интуиция подсказывает, что два моста должны работать симметрично, то есть, достаточно измерять выходной ток, или напряжение, смотря что регулируешь, и в упрощённом случае задаёшь уставку на два одинаковых контроллера. (Это я не раз проделывал при спаривании источников. Нужно только убедиться, что регулировочные характеристики у них одинаковы.) А второй контур следит за сдвигом фазы между сигналами, подаваемыми на эти два контроллера, чтобы ток заряда конденсаторов был одинаковым. Такую структуру можно реализовать и без прцессоров, хотя бы тому, ктот хочет это проверить, но не хочет возиться с процессорами.

Цитата:
Второе усовершенствование моста с ZVS описано в статье «A New Family of Full-Bridge ZVS Converters» (Yungtaek Jang, Milan M. Jovanovic’). Его суть в создании двух нагрузок: полезной и реактивной (индуктивной).

Это был мой самый первый фазосдвигающий мост, который я построил, но осилить жёсткого переключения при некоторой нагрузке так и не смог. Пока не понял, что это фатально.
В связи сэтим хочу предупредить не лезть далеко в дебри, пока на простом макете не убедишься, что индуктивности рассеивания трансформаторов при различной величине и при перекосе не обнаружат аналогичный феномен.

А вообще идея очень свежая и здравая.
Принял бы участие в продвижении, но должен довести до конца свою. Оно с виду вроде всё закончено, но чувствую, что ещё не всё сделано.

Удачи!

Observer
Цитата:
Что-то такое у меня ощущение, что трехконтурная система - это по плохому. Со всех сторон. Интуиция подсказывает, что два моста должны работать симметрично, то есть, достаточно измерять выходной ток, или напряжение, смотря что регулируешь

Согласен. Лучше два контура, о трёх я написал просто как для самого общего случая. При чём, один датчик тока можно повесить не на реактивную нагрузку, а на выход плеча, чтобы мерить суммарный ток в нагрузках. Тогда проще управление: достаточно просто стабилизировать этот ток, изменяя фазу между мостами.

Кстати, максимальный сдвиг фаз между мостами вовсе не обязательно должен быть 180о. Он может быть существенно меньше, если соответственно уменьшить межмостовые индуктивности. Но что-то мне подсказывает, что тогда могут возникать очень суровые режимы работы ключей при резком изменении нагрузки или уставки.

Цитата:
(Это я не раз проделывал при спаривании источников. Нужно только убедиться, что регулировочные характеристики у них одинаковы.) А второй контур следит за сдвигом фазы между сигналами, подаваемыми на эти два контроллера, чтобы ток заряда конденсаторов был одинаковым. Такую структуру можно реализовать и без прцессоров, хотя бы тому, ктот хочет это проверить, но не хочет возиться с процессорами.

Одна проблема. Как синхронизировать контроллеры мостов, если их два, да ещё и с отдельными генераторами? Ведь фаза между ними - ключевой момент. К тому же, одинаковость регулировочных и прочих характеристик двух половинок бывает только в симуляторе. Именно об этом я думал, когда писал о трёх контурах.

Цитата:
Это был мой самый первый фазосдвигающий мост, который я построил, но осилить жёсткого переключения при некоторой нагрузке так и не смог. Пока не понял, что это фатально.

Так это и есть как раз та черта, с которой я попытался бороться. Тот источник не будет работать на малом выходном токе и большом напряжении.

Цитата:
В связи с этим хочу предупредить не лезть далеко в дебри, пока на простом макете не убедишься, что индуктивности рассеивания трансформаторов при различной величине и при перекосе не обнаружат аналогичный феномен.

Не совсем понял, какой именно феномен и при перекосе чего. Согласен, что индуктивности рассеяния должны быть не менее некоторой величины, чтобы схема работала.

Multik
Цитата:
Одна проблема. Как синхронизировать контроллеры мостов, если их два, да ещё и с отдельными генераторами? Ведь фаза между ними - ключевой момент. К тому же, одинаковость регулировочных и прочих характеристик двух половинок бывает только в симуляторе. Именно об этом я думал, когда писал о трёх контурах.

В UCC3895 есть вход sync. Подавай на него внешние импульсы и никаких проблем.
А ещё на прежнем форуме всит моя примочка, её доработать немного и можно получить что хочешь.

Цитата:
Не совсем понял, какой именно феномен и при перекосе чего. Согласен, что индуктивности рассеяния должны быть не менее некоторой величины, чтобы схема работала.

Феномен жёсткого переключения при определённых условиях. Перекос-неравенство индуктивностей рассеивания в трансформаторах. А может и чего-гибудь ещё.

Observer
Цитата:
В UCC3895 есть вход sync. Подавай на него внешние импульсы и никаких проблем.
В UCC3895 максимальное мёртвое время - порядка 600 нс. Это мало, нам надо до 2 мкс, мы ведь медленные ключи ставим. А синхроимпульсы надо подавать с определённой задержкой, управляемой датчиком тока и предварительно откалиброванной. Это задача ещё та. Вобщем, каждый выбирает ту реализацию, которая ему более по душе. Я, если дойдут руки до этой схемы (что в ближайшее время маловероятно), буду лепить её исключительно на DSP.

Цитата:
А ещё на прежнем форуме всит моя примочка
Это которая?

Цитата:
Феномен жёсткого переключения при определённых условиях.
При каких, например?

Цитата:
Перекос-неравенство индуктивностей рассеивания в трансформаторах.
Попробовал в симуляторе увеличить одну из индуктивностей рассеяния, ничего существенно не изменилось. Ещё попробовал симулировать эту схему в SWCad. Похоже, это работа на несколько суток.

Multik
Цитата:
Это которая?

http://set.ru/srs/board/read.cgi?user=581&board=1&type=flat&start=1&topic=10&from=8#post
со второго поста.
Используется в серийном изделии в паре с TL494.
Никаких проблем сней не было.

Цитата:
При каких, например?

Да не знаю я, что где может вылезти. Просто хочу обратить внимание, что у всех фазосдвигающих где-нибудь вылазят сюрпризы. Чаще всего в тех местах, где встречаются два тока от разных процессов. они иногда складываются, а иногда вычитаются. И вот если в результате дают ноль - наступает жёсткое переключение.

gyrator
Анализ схемы куба, привёл к схеме псевдокуба
Изображение
Модель в файловом архиве.
Кривули:
0,2Ом-
Изображение
100Ом-
Изображение
Реактивные токи гоняются приличные, но видимо можно
оптимизировать. При больших мощностях возможно будет
выигрыш в сумм. потерях за счёт снижения комм. потерь.

Observer
Не понял, каким именно образом осуществляется модуляция? Можете заслать мне на мыло или прямо сюда кривули сигналов возбуждения для ХХ, КЗ и макс. нагрузки? У меня 8-го микрокапа пока нет, надо качать. :(

gyrator
Цитата:
Не понял, каким именно образом осуществляется модуляция? Можете заслать мне на мыло или прямо сюда кривули сигналов возбуждения для ХХ, КЗ и макс. нагрузки? У меня 8-го микрокапа пока нет, надо качать. :(

Этих сигналов нет, т.к пока не прилепил к модели цепь ОС,
а без неё только ручное задание длительности.
А восьмой микрокап можете скачать из файлового архива.

Observer
gyrator
Какой у Вас в этой схеме второй параметр управления?
Может, рисунок лучше под ссылку упрятать? Тем более, что эту схему Вы выложили в файловый архив.

gyrator
Цитата:
gyrator
Какой у Вас в этой схеме второй параметр управления?

Параметр один- длительность открытого состояния
верхних ключей. Да и управления по сути нет, одна
силовая часть. Не люблю недоделанные модели, но видно
бес попутал, выложил таки недоделку.
Хотя есть ещё задержка по переднему и заднему фронту,
имппулсьсов управления нижними ключами, по отношению
к инверсному сигналу верхних ключей. Но эта задержка
постоянна и определяется параметрами LC демпферов из
условия полного разряда ёмкости к моменту включения
соответствующего ключа.

З.Ы
Однако, при изменении тока нагрузки от ХХ
до КЗ, величина задержки может быть
вторым параметром и будет определятся длитель-
ностью протекания разрядного тока к-ра,
шунтирующего соотв. ключ.

Observer
Я думал над таким вариантом. Собственно, это почти то же самое, что и исходная топология из упомянутой статьи. Вариант плох тем, что в режиме ХХ невелико максимальное заполнение, и, соответственно, напряжение на выходе (поскольку время перезаряда на ХХ окажется значительным). Это приводит к необходимости занижать Ктр со всеми вытекающими.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения:
СообщениеДобавлено: 14-09, 20:39 
self-destruction


Последний раз редактировалось gyrator 22-09, 20:14, всего редактировалось 2 раз(а).

Вернуться к началу
  
 
 Заголовок сообщения:
СообщениеДобавлено: 16-09, 12:01 
self-destruction


Последний раз редактировалось gyrator 22-09, 20:14, всего редактировалось 1 раз.

Вернуться к началу
  
 
 Заголовок сообщения:
СообщениеДобавлено: 17-09, 12:56 
self-destruction


Последний раз редактировалось gyrator 22-09, 20:16, всего редактировалось 2 раз(а).

Вернуться к началу
  
 
 Заголовок сообщения:
СообщениеДобавлено: 18-09, 00:22 
self-destruction


Вернуться к началу
  
 
 Заголовок сообщения:
СообщениеДобавлено: 26-09, 23:06 
self-destruction


Последний раз редактировалось gyrator 12-10, 19:40, всего редактировалось 1 раз.

Вернуться к началу
  
 
 Заголовок сообщения:
СообщениеДобавлено: 01-10, 23:44 
self-destruction


Последний раз редактировалось gyrator 12-10, 19:41, всего редактировалось 1 раз.

Вернуться к началу
  
 
 Заголовок сообщения:
СообщениеДобавлено: 06-10, 13:04 
Не в сети
Новичок

Зарегистрирован: 12-09, 18:59
Сообщения: 14
Откуда: Киев
gyrator
Мне кажется Вы несколько не туда развиваете идею. Идея была в том, что у схемы есть два независимых параметра управления, первым регулируется выход, а вторым - поддерживается постоянным время переходного процесса, но вместе с тем возможны заполнения, близкие к единице. Вы от этих ключевых преимуществ отказались в первую очередь и получили очередную модификацию полного моста.

_________________
Silence must be heard.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения:
СообщениеДобавлено: 07-10, 00:34 
self-destruction


Последний раз редактировалось gyrator 12-10, 19:42, всего редактировалось 1 раз.

Вернуться к началу
  
 
 Заголовок сообщения:
СообщениеДобавлено: 10-10, 18:34 
self-destruction


Вернуться к началу
  
 
 Заголовок сообщения: Re: Кубический мост
СообщениеДобавлено: 30-07, 21:13 
Не в сети
Активный участник
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 10-05, 12:09
Сообщения: 277
Откуда: Казань
valvol писал(а):
Может, кто-то уже видел что-то подобное в инете?

я видел. Данная топология была представлена в 2005 г. Вариант с двумя мостами достаточно подробно рассмотрен в одной работе. Есть развитие данной топологии, где уже тройной мост с четырьмя или шестью дросселями:

Изображение

Изображение

Второй вариант более подходит на звание «кубического моста».

_________________
«То, что я понял, — прекрасно, из этого я заключаю, что остальное, что я не понял, — тоже прекрасно».


Вернуться к началу
 Профиль  
 
Показать сообщения за:  Поле сортировки  
Начать новую тему Ответить на тему  [ Сообщений: 11 ] 

Часовой пояс: UTC + 4 часа


Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и гости: 1


Вы не можете начинать темы
Вы не можете отвечать на сообщения
Вы не можете редактировать свои сообщения
Вы не можете удалять свои сообщения

Найти:
Перейти:  
РейСРёРЅРі@Mail.ru
Создать форум

| |

Powered by Forumenko © 2006–2014
Русская поддержка phpBB
file-upload mega.co.nz depositfiles f-bit.ru ... radikal keep4u fotoifolder fastpic imageup
Рейтинг@Mail.ru