Руководитель темы Коковин Валерий Аркадьевич, к.т.н., ученое звание доцент, доцент кафедры автоматизации технологических процессов и производств, заведующий комплексной лабораторией филиала.

Развитие современного производства электронных средств и связанных с ним технологиями ставит перед разработчиками задачи по интеллектуализации оборудования. Для повышения эффективности производства разработана концепция Industry 4.0 (The Fourth Industrial Revolution). Развитие микроэлектроники и информационных технологий позволило создать миниатюрные вычислители с малым потреблением и высокой производительностью, которые могут быть встроены не только в роботизированные системы, но и в отдельные элементы этих систем. Данное качество дает возможность создавать интеллектуальные подсистемы IoRT (Internet of Robotic Things), обладающие способностью к сетевому взаимодействию между собой и с другими системами.
В технологических системах производства электронных средств ответственное место занимают силовые преобразователи PEC (Power Electronic Converter). РЕС используются в составе управляющих приводов систем позиционирования, в формирователях мощных гармонических сигналов для ультразвуковых систем очистки поверхности печатных плат и в многих других приложениях.
В промышленных силовых установках (например, ультразвуковая обработка) часто необходимо поддерживать питающее напряжение на определенном уровне с возможностью регулировки. При этом форма питающего напряжения не должна искажаться. Решение этой задачи может быть реализовано с применением силового преобразователя, в основе которого используется резонансный усилитель (РУ). В технической литературе известны примеры создания и применения электротехнических усилителей напряжения и мощности. Одним из примеров такого усилителя является резонансный усилитель, построенный на основе трансформатора, первичная цепь которого введена в режим резонанса токов путем параллельного соединения конденсатора и первичной обмотки [1]. Однако реализация данного РУ затрудняется сложностью изготовления магнитопровода и настройки.
В статьях [2,3] рассмотрен эффект усиления входного напряжения и мощности на выходе РУ, причем величина выходного напряжения может быть во много раз больше питающего. Для объяснения этого эффекта проведено компьютерное моделирование схемы замещения РУ.

Компьютерное моделирование работы силового преобразователя
В статье [4] анализируется математическая модель схемы силового преобразователя PEC с выходным высокочастотным синусоидальным напряжением для питания пьезоэлектрических излучателей. Эти излучатели могут быть использованы в различных технологических установках. При создании такой модели было учтено два условия: во первых - реальные свойства всех компонентов схемы PEC, во - вторых особенности работы колебательного контура в резонансном режиме PEC и нагрузки.
При создании математической модели для выполнения первого условия были выбраны реальные мощные силовые ключи, а именно полевые MOSFET - транзисторы, а не их виртуальные модели. Кроме того, были учтены значения величин паразитных сопротивлений и индуктивностей источника питания, дросселя и выходного трансформатора. Выполнение второго условия позволяет оценить качество синусоиды выходного напряжения PEC, а также получить расчетные формулы для определения параметров силовых реактивных элементов - дросселя и конденсатора колебательного контура.
Проведенные на ЭВМ исследования предложенной модели показали, что существуют определенные трудности при расчете даже схемы замещения PEC рассматриваемого типа из-за нелинейности происходящих в нем процессов при переменной нагрузке. В предложенной работе показаны два пути преодоления таких проблем с использованием компьютерного моделирования и приведен пример расчета схемы PEC для питания мощного пьезоэлектрического излучателя в режиме резонанса.
В общем случае силовой преобразователь состоит из источника переменного напряжения (промышленная сеть) и выпрямителя со сглаживающим фильтром. Для получения переменного напряжения с частотой отличной от частоты промышленной сети, необходимо использовать инвертор (транзисторный или тиристорный). Как правило, современные PEC средней мощности выполняются на транзисторах. При такой конфигурации PEC, в нагрузке при перекрестной коммутации двух пар транзисторов, протекает переменный и прямоугольный по форме ток, равный
Jн = E/ Rн, где E - напряжение источника питания, Rн - сопротивление нагрузки. Для правильного функционирования схемы необходимо выполнение следующих двух условий:
Jкл < Jдоп. (1)
tвкл < T/2 (2),

где Jкл – ток через ключ, Jдоп. – максимальный допустимый ток через транзистор, tвкл -включенное состояние транзистора, T - период отпирания двух пар транзисторов.
Для получения на выходе PEC синусоидального напряжения необходимо дополнительно включить фильтр первой гармоники прямоугольного напряжения. Он представляет собой последовательный (или последовательно- параллельный) колебательный контур LC, настроенный в резонанс с первой гармоникой выходного напряжения. Для выбора величин индуктивности дросселя L и емкости конденсатора C можно воспользоваться известными соотношениями [1], приведенными ниже. Условие резонанса в цепи с колебательным контуром:

ω20LC = 1 (3)

где L и C - параметры колебательного контура, ω0 = 2πf0 - круговая частота выходного напряжения, f0 - частота требуемых колебаний рабочего органа технологической установки. f0 = 1/ T0 = 1/ 2tи, где tи - длительность импульса тока через транзистор, T0 - период выходного синусоидального напряжения PEC. В этом случае можно записать:

tи< 1/π(LC) (4)

Из выражения (4) можно определить один из двух параметров колебательного контура (L или C). Для определения другого параметра воспользуемся выражением для волнового сопротивления контура:
Zв = (L/C) (5)
Для нахождения величины L и C примем допущения, что
Rн = 1/ ω0C =ω0L=Zв (6)
Проверим правильность такого выбора с помощью исследования схемы замещения транзисторного генератора (рис.1), входящего в состав PEC, методом моделирования на ЭВМ. Схема содержит источник питания V1 с внутренними параметрами (сопротивлением R1 и индуктивностью L1), конденсатор фильтра С1, четыре мощных силовых транзистора (MOSFET) M1-M4 с цепями управления V2-V5 и резисторами R2-R5, цепь нагрузки, состоящую из колебательного контура (дроссель L3, резистор R8 и конденсатор C2) и выходного согласующего трансформатораTX1. Первичная обмотка трансформатора подключена к резонансному конденсатору С2 через индуктивность рассеивания L2 и активное сопротивление R6. Нагрузка Rн(в схеме на рис.1 обозначена как R9) подключена к его вторичной обмотке с тем, чтобы получить необходимую величину напряжения. Резистор R7 гальванически связывает нагрузочный контур с общей точкой исследуемой схемы. Такая схема позволяет работать PEC в условиях большого диапазона изменения сопротивления нагрузки [5].