Содержание к диссертации
Введение 6
Глава I Обоснование рационального подхода к построению сильноточных низковольтных преобразователей постоянного напряжения 15
§1.1 Известные технические решения преобразователей постоянного напряжения в постоянное повышенной мощности 17
§1.2 Сравнение схем с учётом диапазона изменения напряжения питания... 37
§1.3 Выводы по главе I 45
Глава II Исследование схемы с дроссельно-конденсаторным инвертором... 47
§11.1 Принцип действия и основные особенности преобразователя, построенного по схеме с дроссельно-конденсаторным инвертором 47
§11.2 Сравнение известных базовых преобразователей и преобразователя, построенного по схеме с ДКИ 63
§11.3 Преобразователь с расщеплённым конденсатором 78
§11.4 Анализ электромагнитных процессов в схеме преобразователя с ДКИ с учётом индуктивности рассеяния трансформатора 82
§П.5 Внешняя и регулировочная характеристики преобразователя 95
§11.6 Влияние несимметрии управления на режим работы преобразователя 103
§11.7 Выводы по главе II 117
Глава III Исследование динамических свойств преобразователя с дроссельно- конденсаторным инвертором 119
§111.1 Малосигнальные аналоговые математические модели преобразователя с дроссельно-конденсаторным инвертором 120
§111.2 Сравнение результатов расчёта процессов в преобразователе различными способами 133
§Ш.З Коррекция управления с помощью введения сигнала, пропорционального напряжению на входных дросселях 139
§111.4 Расчёт системы управления для работы в диапазоне нагрузок и напряжений питания 155
§111.5 Выводы по главе III 169
Глава IV Методика проектирования преобразователя постоянного напряжения в постоянное на основе дроссельно-конденсаторного инвертора. Экспериментальные результаты 171
§IV.l Методика проектирования 171
§IV.2 Экспериментальные результаты 176
§IV.3 Моделирование преобразователя с ДКИ 186
§IV.4 Выводы по главе IV 193
Глава V Развитие схемотехники преобразователей с дроссельно- конденсаторным инвертором. Многофазные схемы 194
§ V. 1 Схема и принцип действия трёхфазного преобразователя с дроссельно- конденсаторным инвертором 194
§V. 2 Экспериментальные результаты макетирования трёхфазной схемы с дроссельно-конденсаторным инвертором 215
§V.3 Сравнительное исследование токовой нагрузки силовых ключей в схемах с ДКИ 224
§V.4 Выводы по главе V 248
Заключение 250
Приложение А Оценка энергоёмкости фильтров преобразователей 255
Приложение Б Получение выражений для внешней и регулировочной характеристик 278
Приложение В К оценке влияния несимметрии 287
Приложение Г Получение выражений для динамических характеристик преобразователя с ДКИ 299
Приложение Д Описание моделей преобразователя 322
Приложение Е Вывод выражений к обоснованию коррекции управления.. 329
Приложение Ж К расчёту системы управления 341
Приложение К К расчету преобразователя с дроссельно-конденсаторным инвертором 351
Приложение Л Акт о внедрении результатов диссертационной работы 363
Список используемой литературы 365
Введение к работе
Появление мощных полностью управляемых приборов, в первую очередь мощных силовых транзисторов с изолированным затвором (МДП-транзисторов) и биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), отличающихся простотой управления, малой мощностью необходимого источника управляющего напряжения (драйвера), хорошей совместимостью управляющих цепей транзисторов и выходных цепей автоматики и системы управления позволяет создавать малогабаритные, надёжные, мощные импульсные преобразовательные устройства.
В настоящий момент в отечественной и зарубежной промышленности, а также в бортовом оборудовании мобильных объектов преобразовательная техника широко используется в электроприводах, источниках питания различных электронных устройств, для питания оборудования автоматических станций связи, в космической технике и т.д.
В настоящее время хорошо разработан современный подход к проектированию и практическому построению схем силовых преобразователей с использованием современной элементной базы как силовых полупроводниковых приборов, так и других элементов преобразователя, прежде всего электромагнитных элементов и силовых конденсаторов. Вопросы проектирования импульсных преобразователей электроэнергии освещены в ряде научных работ Конева Ю.И., МоинаВ.С, Розанова Ю.К., Поликарпова А.Г., МелешинаВ.И., Лукина А.В., Белова Г.А. и др. Сейчас на одно из первых мест в требованиях к преобразователям выдвигается обеспечение электромагнитной совместимости преобразователя с нагрузкой и сетью питания преобразователя. Последнее в основном определяется формой потребляемого тока, пульсации которого должны быть ограничены. Естественно, эксплуатационные характеристики существенно зависят от параметров элементов преобразователя. Одними из важнейших элементов современных импульсных преобразователей электрической энергии являются силовые полупроводниковые приборы. Улучшение параметров силовых приборов напрямую позволяет получить лучшие характеристики преобразователя.
При этом выбор схемных решений при проектировании преобразователя является весьма важным вопросом, поскольку, при заданном уровне полупроводниковых приборов и возможности оптимизации конструкции, улучшение характеристик преобразователя возможно путём рационального использования известных схем и разработки новых схемных решений с учётом специфики задач и области применения.
В настоящее время значительное внимание уделяется разработке преобразователей, в частности, преобразователей постоянного напряжения в постоянное, имеющих достаточно высоковольтное входное напряжение (от несколько сотен вольт до нескольких киловольт) [1]. Интерес и глубокая проработка этой области объясняется потребностью в большом числе и широкой номенклатуре сетевых вторичных источников питания, работающих от промышленной сети (например, однофазная сеть синусоидального напряжения с действующим значением напряжения 220 В, трёхфазная сеть синусоидального напряжения с действующим линейным напряжением 380 В). Для этой области показана высокая эффективность применения таких схемотехнических решений, в которых оптимизируются режимы переключения ключевых приборов, т.е. принимаются меры для снижения коммутационных потерь. Среди подобных решений можно упомянуть широко применяемые различные типы резонансных и квазирезонансных преобразователей (см. например [2, 3, 4]), а также преобразователи с мягким переключением [5,6]. В то же время разработки и исследования, проводимые для преобразователей, имеющих входное напряжение на уровне нескольких десятков вольт, в основном ограничиваются областью мощностей преобразователя до киловатта. В работах, посвященных исследованию преобразователей систем гарантированного питания нагрузок переменного тока, чаще всего рассчитанных на питание нагрузки синусоидальным напряжением, аналогичным промышленной сети, работающих от различных, сравнительно низковольтных источников, часто основное внимание уделяется вопросам формирования напряжения нагрузки с формой требуемого качества, и гораздо меньшее — вопросам построения той части преобразователя, которая обеспечивает повышение напряжения первичного источника до уровня, необходимого для формирования синусоидального напряжения с действующим значением несколько сотен вольт [7].
В настоящее время можно видеть рост потребности в мощных (до десятков и даже сотен киловатт) источниках питания, первичные источники электроэнергии для которых являются достаточно низковольтными. В частности, это можно объяснить резко возросшим в последнее время интересом к нетрадиционным и возобновляемым источникам энергии. Низкое выходное напряжение является характерным для ряда видов таких источников, например, различных химических источников, в том числе источников электроэнергии на основе батарей топливных элементов, солнечных батарей, термогенерторов и т.п. В то же время данные типы источников характеризуются достаточно нестабильным выходным напряжением, которое может меняться в широких пределах в зависимости от нагрузки или воздействия внешних факторов [8,9]. Нередко такие источники используются как источники систем гарантированного или автономного питания, предназначенных для питания нагрузок, которые рассчитаны на питание от промышленной сети синусоидального тока. Одним из наиболее широко применяемых решений для статического преобразователя, входящего в состав такой системы, является преобразователь с двойным преобразованием. В таком преобразователе первый каскад, который является преобразователем постоянного напряжения в постоянное, обеспечивает повышение низкого входного напряжения; второй каскад, который является инвертором, формирует из повышенного постоянного напряжения переменное синусоидальное напряжение. Уже было сказано, что вопросы формирования переменного синусоидального напряжения необходимого качества, построения инверторов, улучшения их технических показателей для преобразователей, построенных на современной элементной базе, в настоящий момент достаточно хорошо проработаны и освещены в литературе (см. например [7,10,11,12,13]). В то время как вопросам построения преобразователей, являющихся первым каскадом в таких устройствах, особенно с учётом изложенных выше особенностей первичных источников, уделялось меньшее внимание. Следует заметить, что вопросы возможности улучшения технических показателей инвертора, питающегося от низковольтного источника, за счёт разработки специального схемотехнического решения поднимались, например, в [14], где рассмотрено решение для инвертора, передающего в сеть энергию, получаемую от солнечной батареи. Показана возможность повысить эффективность преобразователя путём уменьшения (до одного) количества ключей, включённых последовательно в цепь силового тока. К сожалению, рассмотренное в [14] решение требует применение низкочастотного трансформатора (работающего на частоте сети) и не обеспечивает снижение пульсаций потребляемого тока, что ограничивает его применение. Вопросы, касающиеся особенностей построения и схемных решений преобразователей с низким входным напряжением и расширенным диапазоном изменения входного напряжения, также чаще освещаются только для относительно маломощных устройств [15].
Что касается других областей применения преобразователей с низким питающим напряжением, то следует также упомянуть, что на ряде производственных объектов использование для питания различной аппаратуры низковольтных сетей может быть вызвано требованиями техники безопасности (например, в угольных шахтах).
Такие применения часто подразумевают использование низких вольт в системах, где требуется передача большой мощности, и для подавляющего большинства нагрузок требуется стабилизация напряжения нагрузки при изменении напряжения питания, а также воздействия других возмущающих факторов, например, изменения тока нагрузки. Можно показать, что благодаря характеристикам современной элементной базы (прежде всего, высоким динамическим показателям мощных сильноточных МДП-транзисторов), динамические (коммутационные) потери в данных случаях не являются определяющими для суммарных потерь в ключевом комплекте преобразователя, и наибольшая составляющая потерь в ключевых приборах приходится на потери проводимости (статические потери). С другой стороны, значительное повышение рабочей частоты преобразователя делает трудным выполнение сильноточных обмоток из-за проявления поверхностного эффекта [16,17], прежде всего — обмоток трансформаторов, характерной для которых является большая скорость изменения токов.
Появление новых требований к преобразователям, обусловленных в значительной мере формированием новых областей их применения, ограничивает использование известных схемотехнических решений и приёмов, показавших высокую эффективность в других областях (например, во вторичных сетевых источниках питания), что делает актуальными разработку и исследование нового подхода к построению статических преобразователей с учётом специфики данной области.
Таким образом, целью диссертационной работы является разработка и исследование специализированных схемных решений, позволяющих улучшить характеристики преобразователей, работающих в области значительных мощностей, низких питающих напряжений, с широким диапазоном изменения последних.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
1. Проведён сравнительный анализ характеристик и режимов работы известных технических решений, используемых при построении преобразователей, питающихся от низковольтных источников с учётом параметров современных силовых полупроводниковых приборов.
2. Разработан принцип построения преобразователей, обеспечивающий повышение КПД и потребление преобразователем от источника питания гладкого тока. Разработаны схемные решения, в том числе многофазные, реализующие данный принцип.
3. Проведён анализ статических и динамических характеристик разработанных преобразователей, результаты которого подтверждены экспериментальными исследованиями.
4. Разработана коррекция управления предложенными преобразователями, обеспечивающая устойчивость системы стабилизации напряжения нагрузки.
Методы исследования: для анализа режимов работы преобразователя применены методы математического анализа, теории нелинейных электрических цепей, осреднения переменных состояний, преобразования Лапласа, имитационного компьютерного моделирования.
Достоверность полученных результатов подтверждена следующим:
1. Корректным применением методов математического анализа с использованием преобразования Лапласа, дифференциального и интегрального исчисления.
2. Сравнительным анализом характеристик известных схемотехнических решений и предложенного устройства.
3. Имитационным моделированием работы преобразователя.
4. Экспериментальными результатами, полученными с использованием полномасштабных макетов преобразователей.
Научная новизна:
1. Предложены оригинальные схемные решения преобразователей, защищенные патентом на полезную модель. Принцип построения этих решений обеспечивает повышение КПД преобразователя и потребление преобразователем от источника питания гладкого тока.
2. Предложен способ управления инвертором преобразователя, обеспечивающий снижение загрузки током силовых ключей инвертора.
3. Предложена коррекция системы управления с введением в контур управления сигнала, пропорционального напряжению на дросселях, обеспечивающая устойчивость замкнутой системы.
4. Предложены многофазные схемы с дроссельно-конденсаторным инвертором, позволяющие наращивать мощность преобразователя путём увеличения количества однотипных силовых ячеек.
5. Выявлены режимы работы преобразователей, в которых осуществляется только амплитудная модуляция выходного напряжения, показаны преимущества таких режимов работы: неизменность блокируемого ключевыми приборами напряжения при стабилизации напряжения нагрузки; однозначность выходных характеристик в диапазоне нагрузок вплоть до холостого хода.
Практическая полезность результатов работы:
1. Предложенные схемотехнические решения с дроссельно- конденсаторным инвертором позволяют повысить КПД преобразователя, улучшить качество потребляемой энергии, обеспечить формирование напряжения без пауз на нагрузке преобразователя, получить однозначные регулировочные характеристики в диапазоне нагрузок вплоть до холостого хода.
2. Разработана методика инженерного расчёта параметров элементов схем.
3. Разработана методика выбора параметров элементов коррекции системы управления преобразователем с дроссельно-конденсаторным инвертором, обеспечивающая устойчивость системы в диапазоне нагрузок и напряжений питания.
Внедрение: Результаты проведённых в работе исследований и предложенная методика расчёта преобразователя с ДКИ были использованы при разработке макета преобразователя и промышленного образца преобразователя для нужд метрополитена. Лабораторные испытания макетного образца подтвердили эффективность предложенного схемотехнического решения.
На защиту выносятся следующие результаты:
1. При создании преобразователей, работающих в области низких питающих напряжений со значительной кратностью их изменения, перспективны схемы с одним последовательно включённым в цепь силового тока ключом и с уменьшенной кратностью изменения напряжения на ключах преобразователя по сравнению с кратностью изменения напряжения питания.
2. Предложенное семейство оригинальных схемотехнических решений преобразователей с дроссельно-конденсаторным инвертором, защищенных патентом на полезную модель, обладает указанными свойствами, а также дополнительными преимуществами, такими как малые пульсации потребляемого тока и возможность уменьшить коэффициент трансформации согласующего трансформатора в повышающих преобразователях.
3. Для обеспечения устойчивости замкнутой системы с преобразователем необходимо принимать специальные меры. Предложенная коррекция управления преобразователем, осуществляемая введением в контур управления сигнала, пропорционального напряжению на входных дросселях, позволяет обеспечить устойчивость системы.
4. Разработанные многофазные схемные решения с дроссельно-конденсаторным инвертором позволяют осуществлять чисто амплитудное регулирование напряжения нагрузки. При стабилизации напряжения нагрузки блокируемое ключевыми приборами напряжение в таких схемах не изменяется. Эти схемы обладают однозначными выходными характеристиками в диапазоне нагрузок вплоть до холостого хода/ и, кроме того, всеми преимуществами однофазных схем.
5. Результаты макетных экспериментов, полученные с помощью полномасштабных макетов однофазного и трёхфазного преобразователей с ДКИ, а также результаты имитационного численного моделирования работы преобразователя подтверждают основные выводы диссертации.
Апробация полученных результатов: Основные результаты работы докладывались на XII, XIII и XIV международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика".
Публикации по работе: результаты работы отражены в 7 научных работах, в том числе в трёх статьях, одном патенте на полезную модель и трёх опубликованных тезисах докладов.
Структура и объём работы: диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений и списка используемой литературы. Общий объём диссертации (без приложений) составляет 259 страниц, в том числе 191 страницу машинописного текста, 88 иллюстраций и 2 таблицы. Список используемой литературы изложен на 5 страницах и содержит 41 наименование.
