Введение к работе
Актуальность проблемы. Энергоэффективность и энергосбережение являются приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники Российской Федерации на ближайшие годы.
Решение проблем энергосбережения основано на использовании высокоэффективных преобразователей электрической энергии, построенных на базе силовых интегральных модулей. При этом для достижения
МаКСНМаЛЬКиГО урОБНЯ ЭНсрГОСиёрсЖсННЯ НсОиХОДИМО ПрИмсНсНйё Силиъыл
схем с минимальным уровнем потерь.
Регулирование мощности в силовых преобразователях осуществляется двумя основными методами:
методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), когда при постоянном периоде коммутаций изменяется коэффициент заполнения;
резонансным методом, при котором процесс регулирования осуществляется изменением частоты коммутаций.
Импульсные преобразователи с ШИМ регулированием являются наиболее распространенными схемами силовой электроники. Однако процессы коммутаций в данных преобразователях носят жесткий характер и сопровождаются резким изменением токов и напряжений, что приводит к значительным динамическим потерям мощности. Жесткая коммутация существенно ограничивает частоту переключений и снижает эффективность импульсных преобразователей.
Форма токов и напряжений в резонансных преобразователях, наоборот, носит плавный (синусоидальный) характер. Силовые ключи в таких схемах коммутируются при нулевых токах и напряжениях, что значительно снижает их динамические потери. Однако, за счет повышенных амплитудных и действующих значений токов и напряжений, потери проводимости в резонансных схемах намного выше, чем в импульсных.
Компромиссным решением проблемы снижения суммарных потерь мощности являются преобразователи с квазирезонансной коммутацией. Данные преобразователи, как правило, строятся по топологии импульсных схем с ШИМ - регулированием путем замены в них обычных силовых ключей на резонансные. Коммутация в резонансном ключе протекает либо при нулевом токе, либо при нулевом напряжении с помощью относительно короткого по времени резонансного процесса, который носит вспомогательный характер и по этой причине называется квазирезонансным. Квазирезонансная коммутация эффективно снижает динамические потери и, в отличие от обычных резонансных преобразователей, не приводит к существенному росту статических потерь. Такие преобразователи способны работать в значительно более высоком диапазоне частот коммутаций, имеют лучшие энергетические характеристики и большую удельную мощность.
К числу наиболее распространенных классов устройств силовой электроники относятся автономные инверторы напряжения (АИН).
Разработка методов квазирезонансной коммутации для АИН является в настоящее время актуальной задачей.
В схемах АИН применяются мощные и высоковольтные полупроводниковые ключи, особенностью коммутации которых является наличие относительно медленных интервалов установления стационарных состояний. Применение в АИН квазирезонансной коммутации с запиранием силовых ключей при нулевом токе не позволяет эффективно снижать потери мощности в переходном процессе включения, которые дополнительно увеличиваются за Счет эффекта динамичеекиги насыщения. С другой стороны, при квазирезонансной коммутации с отпиранием силовых ключей при нулевом напряжении сохраняются значительные потери мощности в переходном процессе вьпслючения, дополнительно возрастающие за счет эффекта остаточного тока. Очевидно, что наиболее рациональным решением было бы применение в АИН двусторонней квазирезонансной коммутации, обеспечивающей отпирание ключей инвертора при нулевом напряжении и их запирание при нулевом токе. Однако такого технического решения, применительно к трехфазным инверторам напряжения, на начало выполнения диссертационных исследований не существовало.
Отдельной проблемой применения мягкой коммутации в АИН является получение более высокого КПД по сравнению с режимом жесткой коммутации. Топология резонансного ключа, применяемого в инверторах напряжения с ШИМ - регулированием, кроме пассивных элементов резонансного контура включает в себя также вспомогательные транзисторы и диоды. Поэтому необходимо, чтобы доля энергии динамических потерь, отводимых от основных ключей инвертора, была как можно больше дополнительных потерь, вносимых в схему элементами резонансного звена.
В известных источниках информации отсутствует также оценка влияния процессов мягкой коммутации на качество формируемого выходного напряжения АИН.
Цель диссертационной работы заключается в разработке и исследовании нового метода мягкой коммутации применительно к трехфазным инверторам напряжения, обеспечивающего более значительное в сравнении с известными решениями снижение динамических потерь в ключевых элементах схемы за счет их отпирания при нулевом напряжении и запирания при нулевом токе.
Задачи диссертации. Поставленная цель достигается решением следующих задач:
Разработка нового метода мульти-резонансной коммутации,
обеспечивающего переключение ключевых элементов инвертора при
; нулевом напряжении и токе.
Аналитический вывод критерия реализации метода в полном диапазоне тока нагрузки инвертора.
Разработка базовых вариантов инверторов напряжения с мульти-резонансной коммутацией.
Математическая оценка влияния процессов мягкой коммутации на качество выходного напряжения АИН, получение регулировочных и энергетических характеристик инвертора.
Методика исследований. Для решения поставленных задач применялись методы аналитического и численного решения интегральных и дифференциальных уравнений, методы схемотехнического моделирования с использованием пакета компьютерных программ OrCAD 9.2 и модуля аналого-цифрового моделирования PSpice Analog Digital, а также программ
UHWPm/arwixv М Oft(mu4V г\ОГЧгт-ЛО АЛп+иС**яЛ т» 'чпат^т/чтпгті» „й,,,,,, Л*:Л^Л^лЛ-
I - » **—J -"—" f»»v»wiwu i.^»*»»aw*«w 11 *^.>iWaW/Wiii11ii/v іииіШЦ llllVlUdtfll
Excel. При проведении экспериментальных исследований использовалось программное обеспечение WSTRO WaveStar Software.
Достоверность научных результатов обеспечена корректным применением математических методов, использованием схемотехнического моделирования, а . также сравнением теоретических выводов с экспериментальными данными.
Научная новизна:
Предложен новый метод мульти-резонансной коммутации, обеспечивающий переключение ключевых элементов инвертора при нулевом напряжении и токе.
Получен математический критерий реализации метода мульти-резонансной коммутации в полном диапазоне тока нагрузки.
Разработана методика расчета и выбора параметров мульти-резонансной схемы при заданном коэффициенте нагрузки.
Разработаны базовые варианты трехфазных инверторов напряжения с мульти-резонансной коммутацией, защищенные патентами на полезную модель.
Практическая полезность:
Применение метода мульти-резонансной коммутации позволяет
значительно снизить энергию динамических потерь в ключевых элементах
инвертора, повысить частоту преобразования и КПД схемы.
" Разработанный метод мягкой коммутации является универсальным и может быть применен ко всем типам силовых полупроводниковых ключей, что позволяет использовать его в инверторах напряжения с широкой элементной базой.
Предложенный способ управления ключами инвертора с
фиксированным временем коммутации позволяет применять разработанный
мульти-резонансный метод без внесения изменений в «классическую»
ШИМ - последовательность логических сигналов управления.
Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы получили практическое внедрение в ОАО «НПО «ЭНЕРГОМОДУЛЬ» при создании опытной партии энергосберегающих силовых модулей и серии статических преобразователей частоты высокой удельной мощности, а также в ОАО «НПО «ТРАНСКОМ» при разработке источников бесперебойного питания аппаратуры связи.
Основные положения, выносимые на защиту:
Метод мульти-резонансной коммутации.
" Математический критерий реализации мягкой коммутации в полном диапазоне тока нагрузки инвертора.
Методика расчета параметров мульти-резонансного звена.
т Алгоритм управления ключами инвертора с фиксированным временем коммутации.
'" Базовые варианты инверторов напряжения с мульти-резонансной коммутацией.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на научных семинарах кафедры промышленной электроники ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ», а также на XV, XVI и XVII Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика».
Исследование видов мягкой коммутации для трехуровневых инверторов напряжения выполнено при поддержке «Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере».
Результаты диссертационного исследования отмечены: дипломом победителя VIII ежегодной выставки и конференции «Russia Power 2010» в номинации «Энергоэффективность и энергосбережение»; дипломом X Всероссийской выставки НТІ'М - 2010; дипломом победителя конкурса «Молодые таланты Москвы - 2010» в номинации «Наука и инновации»; почетной грамотой победителя программы «Участник Молодежного Научно-Инновационного Конкурса - 2010».
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 17 научных работах, из которых две в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Содержит 195 страниц текста, 24 таблицы и 134 рисунка. Список литературы содержит 140 наименований на 13 страницах.
