Сглаживающие фильтры выпрямителей блоков питания. Схемы, онлайн расчёт
Ёмкостные, индуктивно-ёмкостные, активные сглаживающие фильтры.
Схемы, свойства, онлайн калькулятор.
Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения
Кп
является важнейшим параметром выпрямителя. Его численное значение равно отношению амплитудного значения пульсирующего напряжения
к его постоянной составляющей.
Напомню выдержку из печатного издания, приведённую на предыдущей странице:
«Коэффициент пульсаций выбирают самостоятельно в зависимости от предполагаемой нагрузки, допускающей питание постоянным током
вполне определённой «чистоты»:
10-4… 10-3 (0,01-0,1%) — усилители радио и промежуточной частоты,
10-5… 10-4 (0,001-0,01%) — предварительные каскады усилителей звуковой частоты и микрофонных усилителей.»
Помимо этого в характеристиках выпрямителей может использоваться и понятие коэффициента фильтрации (коэффициента сглаживания).
Коэффициент фильтрации, он же коэффициент сглаживания — величина, численно равная отношению коэффициента пульсаций на входе
фильтра к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра
Кс = Кп-вх/Кп-вых .
Для многозвенных фильтров коэффициент фильтрации равен произведению коэффициентов фильтрации отдельных звеньев.
В слаботочных цепях вопрос снижения пульсаций решается легко и кардинально — применением интегральных стабилизаторов. Параметр подавления пульсаций (Ripple Rejection) у подобных массовых ИМС составляет не менее 50дБ (в 360раз по напряжению), что при высокой «чистоте» выходного напряжения позволяет уменьшить ёмкости электролитов в 5-10 раз.
Если же у разработчика нет возможности (либо желания) включать в состав устройства стабилизаторы напряжения, то реальным подспорьем окажутся индуктивно-ёмкостные или активные сглаживающие фильтры.
Начнём с фильтров, выполненных из индуктивных элементов – дросселей и из ёмкостных элементов – конденсаторов.
Рис.1
На Рис.1а приведена схема простейшего ёмкостного сглаживающего фильтра. Принцип действия заключается в накоплении электрической энергии конденсатором фильтра и последующей отдачи этой энергии в нагрузку.
Для того чтобы не ограничиваться 50-ти герцовыми блоками питания, но и иметь возможность расчёта фильтров импульсных ИБП,
приведу универсальные формулы, учитывающие частоту входного сигнала F:
С1 = Iн/(3,14×Uн×F×Кп)
для однополупериодных выпрямителей и
С1 = Iн/(6,28×Uн×F×Кп)
— для двухполупериодных.
Кп — это коэффициент пульсаций,
равный отношению амплитудного значения пульсирующего напряжения к его постоянной составляющей, а
F — частота переменного напряжения на входе диодного
выпрямителя.
Переходим к индуктивно-ёмкостным LC фильтрам.
ВНИМАНИЕ!!! Потребность в такого рода цепях возникает исключительно в случаях необходимости
получить низкий уровень пульсаций в достаточно мощных сетевых блоках питания,
либо в высокочастотных импульсных ИБП. Связано это с тем, что для эффективной работы LC-фильтра, индуктивное сопротивление катушки
X L на частоте подавления стремятся сделать значительно больше Rн. А это, в свою очередь, приводит к тому, что в условиях
низких частот и малых токов (высоких Rн) индуктивность дросселя получается необоснованно высокой.
Г-образный индуктивно-ёмкостной LC фильтр 2-го порядка (Рис.1б) обладает значительно лучшими
фильтрующими свойствами по сравнению с обычным ёмкостным.
Произведение LC (Гн*мкФ) зависит от необходимого коэффициента сглаживания фильтра и определяется по приближенной формуле:
L1(Гн)×С1(МкФ) = 25000/(F2(Гц)×Кп)
для однополупериодных выпрямителей и
L1×С1 = 12500/(F
С1(МкФ)/L1(мГн) = 1000/Rн2(Ом).
Схема П-образного LC-фильтра приведена на Рис.1в.
Сглаживающее действие П-образного LC-фильтра можно упрощённо представить как совместное действие двух фильтров, описанных выше,
а коэффициент сглаживания — как произведение коэффициентов сглаживания звеньев: ёмкостного и Г-образного индуктивно-ёмкостного.
Наилучшими фильтрующими свойствами обладают LC-фильтры Чебышева. Напишем формулу, исходя из рекомендаций, изложенных на странице
ссылка на страницу:
С1 = С2 ; С1(МкФ)/L1(мГн) = 1176/Rн2(Ом).
Уменьшить напряжение пульсаций на выходе однозвенного П-образного LC-фильтра можно, включив параллельно дросселю L1
неполярный конденсатор С3 (Рис.1г), который вместе с индуктивностью катушки образует режекторный фильтр.
Если ёмкость конденсатора С3 выбрать такой, чтобы резонансная частота контура L1-С3 равнялась частоте пульсаций
(F при однополупериодном выпрямлении или 2F при двухполупериодном), то большая часть напряжения пульсаций задержится
этим контуром и лишь незначительная перейдёт в нагрузку.
С3 = 1/(9,86×L1×F2) — для двухполупериодных.
Все остальные номиналы элементов — такие же, как в предыдущей схеме.
Давайте сдобрим пройденный материал онлайн таблицей.
КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА ЭЛЕМЕНТОВ СЛАЖИВАЮЩЕГО ФИЛЬТРА БЛОКА ПИТАНИЯ.
Транзисторные фильтры по сравнению с ёмкостными сглаживающими фильтрами имеют меньшие габариты, массу и более
высокий коэффициент сглаживания пульсаций.
Они позволяют уменьшить в десяток раз (при том же уровне пульсаций) номинал сглаживающего конденсатора, либо уменьшить в аналогичное
количество раз амплитуду пульсаций при неизменном значении ёмкости.
Рис.2
На Рис.2а представлена схема наиболее распространённого транзисторного фильтра.
Напряжение с высокой амплитудой пульсаций, поступающее на коллектор транзистора, по сути, является напряжением питания эмиттерного
повторителя, образованного Т1.
В это же самое время цепь базы питается через резисторы смещения и интегрирующую цепь R1C1, которая сглаживает пульсации
напряжения на базе. Чем больше постоянная времени T=R1C1, тем меньше пульсации напряжения на базе, а
так как устройство представляет собой эмиттерный повторитель, то на выходе фильтра пульсации будут столь же малыми, как и на базе.
Для того, чтобы снизить зависимость напряжения на выходе фильтра от уровня передаваемой мощности, ток через делитель R1R2 выбирают
в 5…10 раз большим, чем ток, ответвляющийся в базу при минимальном сопротивлении нагрузки.
Uб = Uвх — Uвх пульсаций — (2,5…3В) .
В этом случае будет обеспечена работа регулирующего транзистора в активном режиме, а падение напряжения на нём составит величину:
Uкэ = Uвх пульсаций + (3,1…3,6В) .
Коэффициент полезного действия транзисторного фильтра будет тем больше, чем меньше падание постоянного напряжения на силовом транзисторе. Из формулы видно, что для обеспечения высокого КПД активного сглаживающего фильтра, на вход устройства следует подавать уже отфильтрованное до определённого уровня напряжение.
На практике это делается включением на вход простейшего ёмкостного фильтра (Рис.1а), уровень пульсаций которого можно посчитать на приведённом выше калькуляторе.
Эффективность активных сглаживающих фильтров напрямую зависит от величины коэффициента усиления транзистора. Чем выше h31 полупроводника, тем больших величин можно выбрать номиналы резисторов R1, R2 — тем лучшими фильтрующими свойствами будет обладать схема. Поэтому в данной ситуации не стоит даже рассматривать транзисторы с h31
Для дальнейшего улучшения фильтрующих свойств сглаживающего фильтра можно применить двухзвенный RC-фильтр в цепи базы
транзистора (Рис.2б).
Здесь сумма значений сопротивления резисторов R1 и R2 равна сопротивлению резистора R1 в предыдущем устройстве, а сопротивление
резистора R3 равно сопротивлению резистора R2 в фильтре (Рис.2а).
Ещё эффективней будет работать транзисторный фильтр, у которого в цепь базы транзистора вместо R2 (Рис.1а), либо R3 (Рис.1б) включить стабилитрон с напряжением пробоя, равным значению, рассчитанному для резистивного делителя.
Двухполупериодный мостовой выпрямитель. — Студопедия.Нет
Состоит из четырех диодов включенных по мостовой схеме. Диоды Д1 Д3 открыты в первый полупериод (интервал 0-Т/2). В интервале Т/2-Т открыты диоды Д2 Д4. В оба полупериода ток через Rн. имеет одно направление.
Для мостовой схемы:
Uн.ср=0.9U2;
U2=1.11Uн.ср
I2=0.78Iн.ср
Uобр.max=1.57Uн.ср
р=0.67
В настоящее время выпускаются диодные сборки в которых могут быть один (КЦ402) или два (КЦ403) электрически не соединенных моста.
Двухполупериодный выпрямитель с выводом от средней точки
Такой выпрямитель можно рассматривать как сочетание двух однополупериодных выпрямителей включенных на один и тот же нагрузочный резистор Rн. Выпрямитель имеет те же преимущества, что мостовой, за исключением обратного напряжения на диодах Двухполупериодные выпрямители применяются для питания устройств малой и средней мощности.
Трехфазные выпрямители
Диоды выпрямителя работают поочередно, каждый в течении трети периода. Выпрямленный ток в нагрузочном резисторе создается токами каждого диода, имеет одно направление и равен сумме выпрямленных токов.
Uн.ср=1.17U2ф;
Uобр.max=2.09Uн.ср
р=0.25
Трехфазный мостовой выпрямитель
Данная разработка принадлежит Ларионову, поэтому его называют еще выпрямителем Ларионова. Данный выпрямитель содержит мост из шести диодов.
Диоды Д1 Д3 Д5 образуют одну группу, а диоды Д2 Д4 Д6 другую. Общая точка диодов первой группы образует + на нагрузочном резисторе а вторая минус.
Uн.ср=2.34U2л;
Uобр.max=1.045Uн.ср
р=0.057
Фильтры
Устройства предназначенные для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. Для определенных электронных устройств коэффициент пульсации не должен превышать некоторого значения. Так для основных каскадов автоматических систем 10-2 10-3, для выходных усилительных каскадов 10-4 10-5 для автогенераторов 10-5 10-6 для входных каскадов электронных измерительных устройств 10-6 10-7.
Основными элементами фильтров являются емкости, индуктивности, а в последнее время стали использовать транзисторы.
Емкостной фильтр.
В интервал времени t1-t2 конденсатор через открытый диод заряжается до U2 т.к. в этот период U2>Uc. В это время ток ia=ic+iн. В интервале времени t2 t3 U2<Uc и конденсатор разряжается на Rн, заполняя разрядным током паузу в нагрузочном токе iн.
Емкостной фильтр целесообразно применять с высокоомным нагрузочным резистором Rн при мощности не более нескольких десятков ватт. Коэффициент пульсации .
Индуктивный фильтр.
Ток в цепи с дросселем при переходном процессе зависит от постоянной времени дросселя . Чем больше постоянная времени тем больше импульс тока. Фильтр работает тем эффективнее, чем больше L и меньше Rн, поэтому индуктивные фильтры применяют в выпрямителях, работающих на нагрузочные устройства с большими токами. Коэффициент пульсации
Г-образные фильтры.
Если ранее рассмотренные фильтры относились к однозвенным фильтрам то данный фильтр является многозвенным. Он получается при совместном использовании однозвенных фильтров. Такие фильтры могут быть LC типа или RC типа.
Снижение пульсаций LC фильтром достигается совместным использованием емкости и индуктивности. Рассчитать параметры этого фильтра можно исходя из необходимого значения коэффициента сглаживания. . Коэффициент сглаживания является важнейшей характеристикой любого фильтра и определяется отношением коэффициентов пульсации на входе и выходе фильтра. .
В маломощных выпрямителях с высоким нагрузочным сопротивлением вместо дросселя используют резистор Rф. При выборе данного резистора исходят из двух соотношений Xc<<Rф — при этом на Rф создается значительно большее падение от переменных составляющих. =0.5-0.9 — при этом на Rф будет минимальное падение напряжения от постоянной составляющей.
П-образный фильтр.
Состоит из емкостного фильтра и LC или RC фильтра. Цель — добиться максимального коэффициента сглаживания.
Электронные фильтры
Схема последовательного электронного фильтра с включением нагрузочного резистора в коллекторную цепь транзистора.
Принцип действия основан на различии сопротивлений транзистора для постоянной и переменной составляющих коллекторного тока. RбCб — цепочка служит для обеспечении фиксированного значения рабочей точки на выходной характеристике транзистора. Постоянная времени RC должна быть намного больше периода пульсации. обеспечивает термостабилизацию.
Для получения более низкого выходного сопротивления фильтра пользуются схемой, где Rн включают в эмиттерную цепь транзистора. Такая схема получила наиболее широкое распространение.
В настоящее время широко используются микросхемы. Пульсации во входном напряжении, усиленные операционным усилителем еще более закрывают составной транзистор т.е. еще больше уменьшают выходную проводимость. При этом увеличивается падение напряжения от переменной составляющей на транзисторе и таким образом снижается пульсация в выходном напряжении фильтра. Коэффициент сглаживания равен нескольким тысячам. Недостатки электронных фильтров — медленные изменения напряжения на входе приводят к аналогичным изменениям на выходе.
Стабилизаторы.
Стабилизаторы классифицируют по ряду признаков
· По роду стабилизируемой величины — стабилизаторы напряжения и тока.
· По способу стабилизации — параметрические и компенсационные.
В настоящее время широкое распространение получили компенсационные стабилизаторы, которые подразделяются на стабилизаторы непрерывного и импульсного действия. При параметрической стабилизации используются приборы с нелинейной вольт — амперной характеристикой. При компенсационном способе постоянство напряжения получается за счет автоматического регулирования выходного напряжения. Это достигается введением обратной связи между выходом и регулирующим элементом.
Основным параметром стабилизатора является коэффициент стабилизации .
ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО МОСТОВОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ
В маломощных источниках питания (до нескольких сотен Ватт) обычно используют выпрямители, питаемые однофазным напряжением сети. В однофазных выпрямителях используют три основные схемы включения диодов: однофазная однополупериодная схема на одном диоде, однофазные двухполупериодные схемы: схема со средней точкой (нулевая схема) на двух диодах и мостовая схема на четырех диодах.
2.1. Принцип действия мостовой схемы выпрямления
Двухполупериодная мостовая схема (рис. 3.1) является основной схемой выпрямления для источников питания постоянного тока.
В рассматриваемой схеме (см. рис. 3.1) выпрямитель состоит из четырёх полупроводниковых диодов, собранных по схеме моста, в одну из диагоналей которого ab подключается напряжение U2 вторичной обмотки трансформатора, а в другую cd – сопротивление нагрузки Rd. Положительным полюсом нагрузки является общая точка соединения катодов диодов (точка d), отрицательным – точка соединения анодов (точка c).
Рис. 3.1. Двухполупериодная мостовая схема
Действие схемы показано на рис. 3.2, где показаны формы токов и напряжений для идеализированной мостовой схемы в разных ее сечениях. Напряжение и ток вторичной обмотки трансформатора изменяются во времени по гармоническому закону (рис. 3.2а)
;
В положительный полупериод питающего напряжения потенциал точки а положителен, а точки b – отрицателен. Диоды VD1 и VD3 будут включены в прямом направлении и импульс токабудет проходить от положительного зажима вторичной обмотки через диод VD1, нагрузку Rd и через открытый диод VD3 к отрицательному зажиму вторичной обмотки трансформатора (см. рис. 3.1). Форма этого тока будет повторять форму тока i2 вторичной обмотки трансформатора (рис. 2.7б). Проходя через нагрузку Rd , импульс тока i13 выделяет на ней напряжение ud(рис. 3.2д), которое без учета потерь напряжения на диодах повторяет форму положительной полуволны напряжения , т. е. имеет амплитуду пульсаций В течение первого полупериода диоды VD2 и VD4 заперты, так как включены в обратном направлении. Эти диоды находятся под воздействием отрицательного обратного напряжения , максимальная величина которого .
При происходит смена полярности напряжения на вторичной обмотке трансформатора, при этом анод диода VD2 подключается к « + », а катод диода VD4 к « – » напряжения (см. рис. 3.1). Теперь в течение второго полупериода под воздействием прямого напряжения будут находиться диоды VD2 и VD4,а диоды VD1 и VD3 заперты обратным напряжением (см. рис. 3.2в).
В цепи вторичной обмотки трансформатора, открытых диодов VD2 и VD4 и нагрузки Rd будет проходить импульс тока, выделяя на нагрузке импульс напряжения , величина и полярность которого такая же как в первом полупериоде (рис. 3.2б). Таким образом, за период преобразуемого напряжения в цепи нагрузки Rd проходят два импульса тока, не меняя своего направления и создавая ток нагрузки i d, под воздействием которого на нагрузке выделяется напряжение пульсирующего характера (см. рис. 3.2б).
а)
б)
в)
г)
Рис. 3.2. Временные диаграммы для мостовой схемы
2.2 Основные параметры мостовой схемы выпрямления
Выпрямленное напряжение содержит постоянную составляющую и бесконечный ряд гармонических составляющих и может быть записано в виде гармонического ряда Фурье:
.
Постоянная составляющая рассчитывается как среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке при работе выпрямителя в режиме холостого хода:
Отсюда можно рассчитать действующее значение напряжения во вторичной обмотке трансформатора:
При расчете выпрямленного тока Id через нагрузку следует учесть, что при прохождении тока через открытый диод на нем падает напряжение , величина которого указывается в справочниках, поэтому ток в нагрузке определяется выражением:
Действующее значение тока вторичной обмотки связано с током нагрузки соотношением: Основная гармоническая составляющая выпрямленного напряжения определяется выражением:
следовательно частота пульсаций равна удвоенной частоте преобразуемого сетевого напряжения:
Амплитуда основной гармонической составляющей , следовательно коэффициент пульсаций:
.
Чтобы не допустить повреждения диодов при их работе в схемах выпрямления, необходимо учитывать при выборе диодов максимальные значения напряжения и тока во вторичной обмотке трансформатора. Максимальное обратное напряжение на диоде равно напряжению на концах вторичной обмотки. Поэтому для мостовой схемы – . В двухполупериодных схемах выпрямления импульс тока проходит через диод только в течение полупериода, поэтому среднее значение тока, протекающего через диод, в два раза меньше выпрямленного тока : По этим параметрам: прямой ток через диод Iпр = Ia и Uобрmax = U2m выбирается диод мостовой схемы выпрямления.
2.3. Сглаживающие фильтры
Напряжение на выходе любого блока диодов всегда является пульсирующим, содержащим кроме постоянного напряжения ряд синусоидальных составляющих разных частот. В большинстве случаев питание электронных устройств пульсирующим напряжением совершенно неприемлемо. Требования к допустимой величине коэффициента пульсаций зависят от назначения и режима работы устройства. Например, для входных усилительных каскадов коэффициент пульсаций может находиться в пределах . Для питания устройств эти пульсации должны быть снижены до минимального уровня, при котором они не оказывают существенного влияния на работу электротехнических устройств.
С этой целью используются сглаживающие фильтры, которые пропускают на выход только постоянную составляющую выпрямленного напряжения и максимально ослабляют его переменные составляющие. Основными элементами фильтров являются индуктивность (включается последовательно с нагрузкой) и конденсатор (включается параллельно нагрузке). Сглаживающее действие этих элементов связано с тем, что индуктивность представляет большое сопротивление ( ) для токов высокой частоты и малое для токов низкой частоты, а конденсатор – большое сопротивление ( для токов низкой частоты и малое сопротивление для токов высокой частоты.
Эффективность сглаживания пульсаций оценивается коэффициентом сглаживания, который представляет собой отношение коэффициента пульсаций на входе и выходе фильтра
Коэффициент сглаживания показывает, во сколько раз фильтр уменьшает пульсации выпрямленного напряжения.
Наиболее эффективным является емкостный фильтр, при использовании которого сглаживание пульсации выпрямленного напряжения и тока происходит за счет периодической зарядки конденсатора и последующей его разрядки на сопротивление нагрузки Rd.
При большой емкости конденсатора и сопротивления нагрузки Rd разрядка конденсатора протекает во времени практически по линейному закону, а выходное напряжение (рис. 3.2 г) не уменьшается до нуля, а пульсирует в некоторых пределах, увеличивая среднее значение выпрямленного напряжения , которое может достигнуть максимального значения при большой емкости конденсатора.
Для эффективной работы сглаживающего фильтра емкостное сопротивление на частоте основной гармоники должно быть по крайней мере на порядок меньше сопротивления нагрузки :
Отсюда следует, что применение емкостного фильтра более эффективно при высокоомной нагрузке с малыми значениями выпрямленного тока, так как при этом возрастает эффективность сглаживания.
2.4. Внешняя характеристика выпрямительного устройства
Внешняя характеристика определяет границы изменения тока нагрузки , при которых выпрямленное напряжение на нагрузке не уменьшается ниже допустимой величины при изменении сопротивления нагрузки . Внешняя характеристика описывается уравнением:
,
где – среднее значение выпрямленного напряжения в режиме холостого хода выпрямителя, – активная составляющая сопротивлений обмоток трансформатора, – падение напряжения на диодах одного плеча выпрямителя. Для мостовой схемы – , – падение напряжения на открытом диоде.
Внешняя характеристика 1 (рис. 3.3) соответствует выпрямителю без фильтра, характеристика 2 – выпрямителю с емкостным фильтром. Напряжение холостого хода для двухполупериодной схемы без фильтра , а при включении емкостного фильтра за счет заряда конденсатора может повысится до максимального значения .
Уменьшение выходного напряжения при увеличении тока нагрузки объясняется падением напряжения на элементах схемы: сопротивлении и диодах. При включении емкостного фильтра дополнительное уменьшение выходного напряжения происходит за счет более быстрого разряда конденсатора на меньшее сопротивление нагрузки .
Рис. 3.3. Внешние характеристики выпрямительного устройства
Узнать еще:
Диагностика неисправности выпрямителяи отказоустойчивость бесщеточного стартер-генератора с двойным питанием
В данной статье представлен метод диагностики неисправности выпрямителя с анализом вейвлет-пакетов для повышения надежности отказоустойчивой четырехфазной бесщеточной генераторной установки с двойным питанием (DFBLSG). Приведены системные компоненты и принцип отказоустойчивости высоконадежного DFBLSG. И анализируется общая неисправность выпрямителя. Подробно описан процесс преобразования вейвлет-пакетов, алгоритм обнаружения / идентификации неисправностей.Были проведены эксперименты с отказоустойчивой производительностью и выходным напряжением для сбора энергетических характеристик с помощью датчика напряжения. Сигнал анализируется с помощью 5-слойных вейвлет-пакетов, и получается собственное значение энергии каждой полосы частот. Между тем, для повышения точности диагностики был введен допуск на собственное значение энергии. Благодаря диагностике сбоев вейвлет-пакетов отказоустойчивый четырехфазный DFBLSG может обнаруживать обычную ошибку обрыва цепи и работать в отказоустойчивом режиме в случае отказа.Результаты показывают, что методы анализа неисправностей в этой статье точны и эффективны.
1. Введение
Стартер-генератор может запускать двигатель и подавать электроэнергию для авиации и автомобилей. Пусковой генератор переменной частоты разработан для Боинга 787, представленного в [1]. Импульсная реактивная машина (SRM) [2] и PM-машина [3] также рассматривались как стартер-генераторы. Однако управляемая силовая электронная схема для импульсного генератора реактивного сопротивления очень сложна и дорога.А материал ПМ очень строг к рабочей температуре [4, 5]. Как для SRM, так и для PM машины трудно регулировать выходное напряжение, когда они работают как генераторы.
Бесщеточный стартер-генератор с двойным питанием (DFBLSG) — это новый тип бесщеточного генератора постоянного тока, который исходит из двухпозиционного генератора с постоянными магнитами с использованием обмотки возбуждения вместо стали с постоянными магнитами [6]. Обмотки его якоря и обмотки возбуждения установлены на выступающих полюсах статора, и он имеет такую же выступающую структуру ротора, как и ротор SRM.Как генератор, DFBLSG не нуждается в информации о положении ротора и в электронной схеме управления мощностью в генераторе SRM. DFBLSG имеет такие преимущества, как простая структура, низкая стоимость, высокая надежность и хорошая отказоустойчивость. Таким образом, он имеет хорошие перспективы применения во многих областях, включая ветроэнергетику, аэронавтику, космонавтику, автомобили и корабли [7]. В частности, его можно использовать в качестве стартер-генератора в авиации, поскольку он имеет отличные характеристики как при выработке электроэнергии, так и при запуске [8, 9].
Отказоустойчивая схема системы машины показана на рисунке 1. Когда в системе реализована многофазная машина с более чем тремя фазами, она может продолжать работать даже с одной или двумя фазами холостого хода на мониторе датчиков отклонения. . Следовательно, необходимо построить систему отказоустойчивого приложения с датчиками обнаружения неисправностей и контроллером [10, 11].
Генераторный режим имеет особое значение для стартера и генератора. Выпрямитель, являясь слабым звеном системы бесщеточного генератора с двойным питанием, подвержен поломкам.Практика показывает, что неисправности выпрямителя можно разделить на короткое замыкание и обрыв цепи. Короткое замыкание приведет к остановке работы предохранителем [8]. При возникновении неисправности обрыва цепи несбалансированное рабочее состояние схемы выпрямления может вызвать изменение выходного напряжения, искажение фазного тока и даже сбой системы. Поэтому исследования по обнаружению неисправностей выпрямителя для бесщеточного стартер-генератора с двойным питанием имеют большое значение.
В последнее время появилось много различных методов диагностики неисправностей выпрямителей.Основная идея заключается в диагностике информации о неисправностях, содержащейся в выходном напряжении. Для обнаружения неисправности выпрямителя с 12 фазами предложен подход на основе анализа напряжения с собственным значением напряжения в [12]. Расширенный фильтр Калмана используется для оценки неизвестных параметров модели нелинейных динамических систем [13]. Преобразование Фурье и вейвлет-анализ использовались при диагностике неисправностей в [14–16]. В [14] был предложен новый метод обнаружения неисправностей коробки передач на основе биортогонального B-сплайнового вейвлета.А в [15] изучается метод автоматической идентификации сигнала утечки нефтепровода. Вейвлет-анализ используется для обработки входного сигнала, потому что он имеет преимущество переменного размера окна анализа перед частотой [16].
В этой статье предложен отказоустойчивый четырехфазный DFBLSG и представлен метод диагностики неисправности выпрямителя с анализом вейвлет-пакетов. Приведены системные компоненты и принцип отказоустойчивости 12/9-полюсного высоконадежного DFBLSG. И анализируется общая неисправность выпрямителя.Подробно описан процесс преобразования вейвлет-пакетов, алгоритм обнаружения / идентификации неисправностей. Сигнал выходного напряжения, обнаруженный датчиком напряжения, используется в качестве входного сигнала вейвлет-пакета. И эксперименты проводились для сбора энергетических характеристик. Вейвлет-коэффициенты были получены из вейвлет-пакетного анализа сигналов напряжения короткого замыкания, а затем была обработана вейвлет-реконструкция каждой полосы частот. Между тем, для повышения точности диагностики был введен допуск на собственное значение энергии.Благодаря диагностике сбоев вейвлет-пакетов отказоустойчивый четырехфазный DFBLSG может обнаруживать обычную ошибку обрыва цепи и работать в отказоустойчивом режиме в случае отказа. Результаты показывают, что методы анализа неисправностей в этой статье точны и эффективны.
2. Компоненты системы и принцип
2.1. Компоненты системы
DFBLSG состоит из корпуса машины и ее контроллера, как показано на рисунке 2. Четырехфазный полномостовой инвертор используется для привода DFBLSG.Фаза A и фаза C соединяются последовательно и образуют независимый канал. Другой канал состоит из фазы B и фазы D. Датчики положения используются для определения положения ротора и скорости ротора в пусковом режиме. А датчик напряжения используется для обнаружения неисправности выпрямителя. Контроллер используется для управления выходным напряжением, вращением машины и обнаружением неисправностей.
Когда DFBLSG работает как генератор, все переключаемые лампы отключаются, и четырехфазное выходное напряжение выпрямляется восемью диодами.Выходное напряжение стабилизируется регулировкой тока обмотки возбуждения под контролем датчика напряжения.
Стартер-генератор может выдавать источник постоянного тока 14 В для двигателя, когда он работает как генератор. Аккумулятор 12 В постоянного тока может обеспечивать источник постоянного тока, когда машине требуется запустить двигатель.
2.2. Структура и принцип работы DFBLSG
На рисунке 3 показана структура новой четырехфазной фотографии. Это отличается от традиционной 12/8-полюсной трехфазной машины [17], потому что она имеет 12 полюсов статора и 9 полюсов ротора (Таблица 2).
Очевидно, что каждая фазная обмотка состоит из трех сосредоточенных катушек. Например, фаза A состоит из A1, A2 и A3, которые соединены последовательно, как показано на рисунке 3. Следует отметить, что направление фазовой обмотки в этой конфигурации отличается от топологии традиционной четырехфазной схемы. DFBLSG, который наматывает обмотки возбуждения вокруг четырех полюсов статора. Но оба они имеют то же направление, что и катушки возбуждения. Фазные обмотки двух секций напрямую не соединяются.Следовательно, есть два канала, которые обозначены как A, C и B, D.
2.3. Выпрямитель и его неисправность
Традиционный трехфазный генератор имеет три типа выпрямителей [18], а именно: полнополупериодный выпрямитель положительного напряжения, полуволновый выпрямитель и отрицательный полуволновой выпрямитель. Точно так же четырехфазный DFBLSG также может использовать вышеуказанные выпрямители. Четырехфазный мостовой выпрямитель, показанный на рисунке 4, который имеет два независимых выходных канала, исследуется, поскольку он обладает способностью изолировать повреждения.
Выпрямитель — это слабые места системы выработки электроэнергии. Возможные неисправности DFBLSG можно разделить на короткое замыкание и обрыв. Поскольку короткое замыкание очень опасно для системы, она должна быть защищена предохранителем. Следовательно, в этой статье будут в основном изучены неисправности обрыва цепи диодов, включая обрыв цепи одного и двух диодов.
При возникновении открытых повреждений выходное напряжение искажается в соответствии с определенными законами.Например, когда D1 и D2 разомкнуты, выходное напряжение будет искажено в первой половине периода. Таким образом, обрывы диодов можно разделить на 4 типа в соответствии с законами искажения формы сигнала, как показано в таблице 1.
, MikroTik cAP ac (RBcAPGi-5acD2nD) UniSI
MikroTik Qualcomm IPQ-4018 CPU 4x ARM 32bit Cortex A7
: cAP ac, SXTsq 5 ac, DISC Lite5 ac, LDF 5 ac, hAP ac²
Qualcomm IPQ-4019 — точка доступа wAP 60G, точка доступа wAP 60G
IPC4018 (SoC), Интернет-процессор Qualcomm (IPQ), Qualcomm VIVE Qualcomm MU | EFX MU-MIMO, Gigabit Ethernet, Qualcomm StreamBoost, (DBS) LTE.
ARM-Cortex-A7 (638), DDR3L-1333 + DBDC 2-потоковый 802.11ac Wave 2 MU-MIMO Wi-Fi + 5- Гигабитный Ethernet xGMII. ЦП Wi-Fi, NAT, ARM TrustZone:,
IPQ-4018 2×2, PHY 1,73 /, ARM Gigabit Ethernet. IPQ-4018 Волна 2 MU-MIMO Wi-Fi. , (OEM) 11ac. , IPQ-4018 2,4 5 5
IPQ4018
| Wi-Fi | Стандарты Wi-Fi | 802.11ac Волна 2, 802.11n, 802.11p |
| Спектральные диапазоны Wi-Fi | 2,4 ГГц, 5 ГГц | |
| Пиковая скорость | 1,733 Гбит / с | |
| Использование канала | 20/40/80 МГц, 5/10/20/40 МГц | |
| Конфигурация MIMO | 2×2 (2 потока) | |
| Функции Wi-Fi | MU-MIMO, TxBF | |
| РФ | Ethernet | 5-портовый Ethernet |
| USB | Версия USB | USB 3.0, USB 2.0 |
| ЦП | Тактовая частота процессора | 717 МГц |
| Количество ядер процессора | Четырехъядерный процессор, 4x ARM Cortex A7 | |
| DSP | Технология DSP | SIMD DSP |
| Процесс | Технологические процессы | 40 нм |
| Поддержка безопасности | Функции безопасности | Qualcomm Trusted Execution Environment, Crypto Engine, Secure Boot |
| Безопасность Wi-Fi | WAPI, TKIP, AES-GCMP, AES-CCMP, WEP, WPA, WPS, WPA2, 802.11i безопасность, ГПСЧ | |
| Память | RAM | 256 МБ ОЗУ |
Тип памяти | DDR3L | |
| Интерфейс | Поддерживаемые интерфейсы | USB 3.0, UART, USB 2.0, I²S, SPI, I²C, JTAG, Ethernet |
| Упаковка | Тип корпуса | QFN |
Размер упаковки | 14 x 14 мм |
, MikroTik
— Архитектура ARM 32-битный ЦП IPQ-4018 Количество ядер ЦП 4 ЦП 716 МГц
— Размер ОЗУ 128 МБ Размер памяти 16 МБ
— 13Вт, PoE -802.3af / на PoE, на выходе Пассивное PoE до 57, PoE на входе 17-57 (18-30)
cAP ac — RBcAPGi-5acD2nD
! hAP ac² (2,4 / 5G), cAP ac — 4.
IPQ-4018 — количество цепей 2,4 ГГц 2, 802.11b / g / n, усиление антенны 2 дБи
IPQ-4018 — количество цепей 5 ГГц 2, 802.11a / n / ac, усиление антенны 2,5 дБи
Ethernet — 2 порта 10/100/1000 Ethernet
Характеристики беспроводной сети
| 2.4 ГГц | Передача (дБм) | Чувствительность приема |
|---|---|---|
| 1 Мбит / с | 26 | -100 |
| 11 Мбит / с | 26 | -94 |
| 6 Мбит / с | 26 | -96 |
| 54 Мбит / с | 23 | -78 |
| MCS0 | 26 | -96 |
| MCS7 | 22 | -73 |
| 5 ГГц | Передача (дБм) | Чувствительность приема |
|---|---|---|
| 6 Мбит / с | 26 | -96 |
| 54 Мбит / с | 21 | -80 |
| MCS0 | 26 | -96 |
| MCS7 | 20 | -75 |
| MCS9 | 18 | -70 |
Аппаратное ускорение
Аппаратное ускорение позволяет ускорить процесс шифрования с помощью встроенный механизм шифрования внутри процессора.
| RouterBoard | AES-CBC | AES-CTR | AES-GCM | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| MD5 | SHA1 | SHA256 | SHA512 | MD5 | SHA1 | SHA256 | SHA512 | MD5 | SHA1 | SHA256 | SHA512 | |
| RBcAPGi-5acD2nD (cAP ac) * | нет | да | да | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет |
| RBD52G-5HacD2HnD (hAP ac 2 ) * | нет | да | да | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет |
| RBDiscG-5acD (ДИСК Lite5 ac) * | нет | да | да | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет |
| RBLDFG-5acD (LDF 5 ac) * | нет | да | да | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет |
| RBLHGG-5acD (LHG 5 ac) * | нет | да | да | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет |
| RBLHGG-5acD-XL (LHG XL 5 переменного тока) * | нет | да | да | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет |
| RBLHGG-60ad (беспроводная проволочная тарелка) * | нет | да | да | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет |
| РБМ11Г | да | да | да | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет |
| РБМ33Г | да | да | да | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет |
| RBSXTsqG-5acD (SXTsq 5 ac) * | нет | да | да | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет |
| RBwAPG-60ad (WAP 60G) * | да | да | да | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет |
| RBwAPG-60ad-A (точка доступа wAP 60G) * | да | да | да | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет |
| RB450Gx4 * | да | да | да | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет |
| RB750Gr3 (hEX) | да | да | да | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет |
| RB760iGS (hEX S) | да | да | да | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет |
| RB850Gx2 ** | да | да | да | да | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет |
| RB1100AHx2 | да | да | да | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет |
| RB1100AHx4 | да | да | да | да | да | да | да | да | да | да | да | да |
| РБ1200 *** | да | да | да | да | да | да | да | да | нет | нет | нет | нет |
| CCR серии | да | да | да | нет | да | да | да | нет | нет | нет | нет | нет |
| x86 (AES-NI) *** | да | да | да | да | да | да | да | да | да | да | да | да |
* поддерживаются только ключи размером 128 и 256 бит
** производится только с 2016 года, серийные номера начинаются с цифр 5 и 7
*** Только шифрование AES-CBC и AES-CTR ускорено, хеширование выполняется в программном обеспечении
, г. 13.6 3. ,.
7. /.
, г. PoE (12 — 57, 13 Вт).
RouterOS RouterOS 6.42rc39 (релиз-кандидат) прошивка 6.42rc39, wifi RouterOS 6.41.2 (текущая) прошивка 6.41.2