Энергоэффективные устройства и системы силовой электроники на основе структур с переключаемыми конденсаторами Зотов Леонид Григорьевич

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Прогресс в решении научно-технической проблемы комплексного улучшения энергетических и массогабаритных показателей автономных устройств и систем силовой электроники (СЭ), может быть, достигнут применением новых принципов преобразования электрической энергии, обеспечивающих широкое внедрение современных методов гибридно-интегральной технологии.

Перспективным направлением решения данной задачи является применение многотактных полупроводниковых преобразователей постоянного и переменного напряжения (ППН) на основе резонансных структур с переключаемыми конденсаторами (РСПК), представляющих собой мягко коммутируемый последовательный колебательный контур с изменяющейся структурой.

Актуальность исследования и применения многотактных ППН(РСПК) обосновывается наличием сверх суммарных (синергетических) эффектов, обеспечивающих комплексное улучшение их энергетических и массогабаритных показателей.

Первый эффект заключается в увеличении КПД и улучшении массогабаритных показателей преобразователя благодаря мягкой коммутации (МК) его полупроводниковых элементов (ПЭ). Эффект объясняется не только тем, что МК снижает динамические потери мощности в ПЭ, но и тем, что она способствует увеличению частоты преобразования ППН(РСПК) -/_п, обеспечивающему пропорциональное снижение номиналов его реактивных элементов.

Второй эффект возникает благодаря кусочно-синусоидальной форме импульсов входного и выходного тока каждого из к преобразовательных модулей (ПМ) многотактного ППН(РСПК. Он проявляется в значительном снижении коэффициента гармоник его суммарного входного и выходного тока благодаря (2 к) кратному разрежению их спектра и в улучшении массогабаритных показателей за счет уменьшения величины емкости выходного сглаживающего конденсатора 2-к раз.

Третий эффект состоит в улучшении массогабаритных показателей многотактного ППН(РСПК) за счет дополнительного увеличения его частоты преобразования ввиду снижения мощности применяемых ПЭ в к раз.

Четвертый эффект заключается в создании условий для применения перспективной гибридно-интегральной технологии при производстве многотактных ППН(РСПК), поскольку керамические конденсаторы, являются наиболее технологичными элементами современной электроники.

Значительный вклад в решение проблемы повышения энергоэффективности устройств и систем СЭ на основе СПК, улучшения их массогабаритных показателей внесли следующие отечественные и зарубежные ученые и специалисты: В.К. Аркадьев, Н.В. Баклин, Б..П. Терентьев, Б.С. Александрович, Л.М. Браслав-ский, А.М. Сажнев, В.Г. Кобылянский, Г.С. Зиновьев, А. Кушнеров, Е. Marx, J.K.Dickson, G.B. Gunn, M. Kisco, I.M. Marzolf, M.D. Seeman, S.R.Sanders, F. Ueno, I. Oota, I. Xarada и Fang Zheng Peng.

Заметное влияние на формирование концепции построения регулируемых

ППН(РСПК) оказали работы отечественных ученых А.В. Кобзева, Г.Я. Михаль-ченко, Н.М. Музыченко и американского исследователя Кука (Slobodan M. Cuk).

Предметной областью исследований диссертации являются следующие устройства и системы СЭ на основе РСПК:

1. Нерегулируемые повышающие и понижающие многотактные ППН;

2. Многоуровневые регуляторы постоянного напряжения (МРПН);

3. Многоуровневые системы электроснабжения постоянного тока (МСЭПТ)
с управляемой структурой;

4. Многоуровневые системы обмена электрической энергией (МСОЭ) постоянного тока;

5. Автономные инверторы напряжения (АИН) и усилители звуковых сигналов (УЗС);

6. Нерегулируемые и регулируемые электронные сетевые трансформаторы
напряжения (ЭСТ) переменного тока.

Цель работы и задачи исследования: Цель диссертационной работы состоит в разработке и исследовании устройств и систем СЭ нового поколения на основе СПК, разработке комплексного метода решения проблемы повышения их энергоэффективности и улучшения массогабаритных показателей.

Поставленная цель достигнута решением следующих основных задач:

1. Разработка концепции построения ППН(РСПК), базирующейся на принципах временной и пространственной симметрии, обеспечивающей комплексное улучшение их энергетических и массогабаритных показателей, а также расширение функциональных возможностей;

2. Разработка топологий семейства ПМ, предназначенных для работы в составе многотактных-повышающих, понижающих, разно полярных, каскадных и двунаправленных ППН(РСПК), обладающих свойством временной и пространственной симметрии;

3. Разработка алгоритмов распределения временных сдвигов в работе ПМ многотактного ППН(РСПК), обеспечивающих значительное улучшение его энергетических и массогабаритных показателей;

4. Анализ электрических процессов в ППН(РСПК), позволяющий выявить основные физические закономерности его функционирования и осуществить расчет и выбор параметров элементов силовой цепи (СЦ);

5. Разработка частотного метода комплексной функции состояния (КФС), позволяющего анализировать спектральный состав входного и выходного тока многотактного ППН(РСПК) и физически обосновать пути улучшения его энергетических и массогабаритных показателей;

6. Разработка концепции построения многоуровневых СЭПТ(РСПК) и
РПН(СПК) с управляемой структурой, обеспечивающей снижение габаритов за
счет более полного использования установленной мощности реактивных и полу
проводниковых элементов и упрощения СЦ.

7. Разработка методов построения и анализ многоуровневых РПН, СЭПТ и
СОЭ постоянного тока, а также АИН, УЗС и ЭСТ на основе СПК.

8. Оценка влияния количества ПМ k в составе многотактного ППН(РСПК) на его массогабаритные показатели.

Методы исследований. Для решения поставленных задач применены: математические методы дифференциального и интегрального исчисления, теории конечных и бесконечных рядов, аппарата коммутационных и решетчатых функций, преобразования Фурье, общие положения теории симметрии, а также прямые методы анализа энергетических показателей полупроводниковых преобразователей и средства имитационного компьютерного моделирования (ИКМ) в среде PSIM. Кроме того, использованы методы теории фильтров-прототипов нижних частот.

Научная новизна.

6. Предложена концепция построения устройств и систем СЭ на основе РСПК, базирующаяся на принципах временной и пространственной симметрии, обеспечивающая комплексное улучшение их энергетических и массогабаритных показателей, а также расширение функциональных возможностей применения.

7. Введено количественное понятие порядка дискретной временной симметрии (ДВС) ППН(РСПК), увеличение которого ведет к комплексному улучшению энергетических и массогабаритных показателей устройств и систем СЭ на их основе.

8. Разработаны равномерный и равномерно-симметричный алгоритмы распределения временных сдвигов в работе ПМ многотактного ППН(РСПК), обеспечивающие существенное улучшение его энергетических и массогабаритных показателей за счет удвоения величины порядка ДВС.

9. Разработан частотный метод комплексной функции состояния КФС, позволяющий анализировать спектральный состав входного и выходного тока мно-готактного ППН(РСПК) и физически обосновать улучшение его энергетических и массогабаритных показателей при увеличении порядка ДВС.

10. Разработан обобщенный метод анализа СОЭ, базирующийся на исследовании влияния параметра затухания и добротности колебательных контуров ПМ на протекающие в ней электрические процессы. Это позволило выявить основные закономерности функционирования СОЭ, рассчитать параметры элементов СЦ и определить пути улучшения ее энергетических и массогабаритных показателей.

6. Разработана концепция построения многоуровневых СЭПТ и РПН
(СПК) с управляемой структурой, обеспечивающая улучшение их массогабарит-
ных показателей благодаря более полному использованию установленной мощно
сти реактивных и полупроводниковых элементов, а также упрощению СЦ. В
СЭПТ она реализуется переключением индуктивно-конденсаторных цепочек
(ИКЦ) от одного потребителя к другому в зависимости от величины потребляе
мой ими мощности, а в РПН регулированием коэффициента преобразования из
менением их количества.

7. На основе управляемой РСПК разработан принцип построения многоуровневых широтно-импульсных АИН и УЗС, представляющих собой усилители мощности (УМ) - класса DG с вольтдобавкой, обладающие повышенным КПД и уменьшенным уровнем нелинейных и интермодуляционных искажений.

8. Разработаны принципы построения нерегулируемых и регулируемых по-вышающе-понижающих ЭСТ(СПК), отличающихся технологичностью, а также улучшенными энергетическими и массогабаритными показателями.

Практическая значимость работы. На базе разработанной концепции ДВС синтезирован и исследован новый инновационный класс устройств и систем СЭ на основе СПК, обеспечивающих не только комплексное улучшение их энергетических и массогабаритных показателей, но и широкое внедрение современной гибридно-интегральной технологии при их производстве.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Концепция построения ППН(РСПК), базирующаяся на принципе времен
ной и пространственной симметрии, обеспечивающая комплексное улучшение
энергетических и массогабаритных показателей, а также расширение их функци
ональных возможностей.

2. Равномерный и равномерно-симметричный алгоритмы распределения временных сдвигов в работе ПМ, обеспечивающие удвоение порядка ДВС и связанное с ним комплексное улучшение энергетических и массогабаритных показателей многотактного ППН(РСПК).

3. Анализ и синтез повышающих, понижающих, каскадных, разно полярных и двунаправленных ППН(РСПК), удовлетворяющих требованиям временной и пространственной симметрии, обладающих повышенной энергоэффективностью и улучшенными массогабаритными показателями.

4. Частотный метод КФС, позволяющий анализировать спектральный состав токов ППН(РСПК) и физически обосновать пути улучшения его энергетических и массогабаритных показателей при увеличении порядка ДВС.

5. Обобщенный метод анализа СОЭ, базирующийся на исследовании влияния параметра затухания и добротности колебательных контуров ПМ на протекающие в ней электрические процессы, позволяющий выявить общие физические закономерности ее функционирования, указать пути повышения энергоэффективности, а также произвести расчёт параметров и выбор элементов СЦ.

6. Концепция построения многоуровневых СЭПТ(РСПК) и РПН (СПК) с управляемой структурой, обеспечивающая улучшение их массогабаритных показателей благодаря более полному использованию установленной мощности реактивных и полупроводниковых элементов, а также упрощению СЦ.

7. Принципы построения АИН и УЗС на основе управляемой СПК, реализующие их функционирование в режиме УМ класса DG с вольтдобавкой, обеспечивающие увеличение КПД, уменьшение уровня нелинейных и интермодуляционных искажений, а также их работу в режиме рекуперации.

8. Принципы построения многотактных ЭСТ(СПК) отличающихся технологичностью, а также улучшенными энергетическими и массогабаритными показателями.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены на 10 международных, 9 Всероссийских и региональных конференциях. На международном Салоне инноваций - Исследование развития технологий «MEDINNOVA 2011», проходившем в г. Касабланка (Марокко) рабо-

та автора «Автономная система электроснабжения жилых комплексов от солнечных модулей» была удостоена большой золотой медали.

Связь темы диссертации с научно-техническими программами.

Работа выполнялась в рамках следующих государственных программ:

1. Государственный контракт № 13.G36.31.0010 от 22.10.2010 7. «Исследование, разработка и организация промышленного производства мехатронных систем для энергосберегающих технологий двойного назначения».

2. Проект № 2.1.2/3041 Гос. задания МОН РФ «Создание научных основ построения новых семейств энергосберегающих многозонных конверторов сетевого напряжения для электропривода и электроэнергетики» по программе АВЦП «Развитие научного потенциала ВШ» МОН РФ.

3. Проект № 8.1327.2014К Гос.задания МОН РФ. «Силовые электронные
трансформаторы».

Результаты диссертации использованы:

1. В аппаратуре управления низковольтной системы подсветки фонтанных
комплексов, разработанной по двум договорам субподряда.

2. В договорной научно-исследовательской работе «Разработка автономной системы энергоснабжения фонтана на основе СПК».

3. В системе диагностики аккумуляторных батарей путем идентификации зарядного тока ее аккумуляторов от низковольтного источника постоянного тока.

4. В энергоэффективной системе электропитания цифровых телевизионных передатчиков стандарта DVB-T/T2 мощностью до 10 кВт серии «Полярис ТВЦ» и «Полярис ТВЦ Эко», обеспечивающей выполнение требований электромагнитной совместимости для радиоэлектронных средств.

5. В учебном процессе при постановке лабораторных работ по курсу «Основы радиоэлектроники и связи» на кафедре ТОР НГТУ в виде лабораторных стендов и методического пособия, а также по курсу «Электромагнитная совместимость устройств силовой электроники» на кафедре ЭЭ НГТУ в виде методического руководства к практическим занятиям.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 80 научных работ. Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 20 статьях центральных периодических журналов и рецензируемых изданий, рекомендованных ВАК РФ для публикации материалов диссертаций. Одна статья, имеет международный индекс цитирования Web of Science(Q1) – 1 квартиль, 17 статей зарегистрированы в библиографической базе данных Scopus, 3 статьи опубликованы в ведущем научном периодическом издании. Новизна технических решений, рассмотренных в диссертации, подтверждена получением 8 авторских свидетельств и 9 патентов РФ на изобретения. 25 работ написано лично без участия соавторов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и содержит 400 страниц текста, 173 рисунка, 11 таблиц, список литературы из 158 наименований и приложение на 10 страницах.