WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

ХЛАИНГ МИН У

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОМЕЖУТОЧНОГО ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПРИ ПОСТРОЕНИИ СТАТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ И СИСТЕМ НА ИХ ОСНОВЕ

Специальность: 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва

2009

Работа выполнена на кафедре «Электротехнические комплексы автономных объектов – ЭКАО» ГОУ ВПО «Московский энергетический институт – МЭИ (Технический университет – ТУ)».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Мыцык Геннадий Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шевцов Даниил Андреевич,

кандидат технических наук, доцент

Чесноков Александр Владимирович

Ведущая организация: ФГУП «ГОКБ «Прожектор».

Защита состоится 26 июня 2009 г. в 16 часов 00 мин. в аудитории М-611 на заседании диссертационного совета Д212.157.02 при Московском энергетическом институте (Техническом университете) по адресу:

Москва, Красноказарменная ул., дом 13.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направить по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., дом 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института – МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан « » мая 2009 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д212.157.02

к.т.н., доцент С.А. Цырук

Общая характеристика работы

Промежуточное высокочастотное преобразование (ПВЧП) как энерго-и ресурсосберегающий принцип построения устройств силовой электроники сегодня широко используется в классе конверторных схем (в преобразователях типа DC/DC), выполненных на базе транзисторов. Наиболее распространенным здесь является диапазон малых мощностей в единицы и десятки Вт, который характерен для источников питания внутренних нужд, предназначенных для систем управления преобразователями различных классов. Достаточно распространенными являются также транзисторные конверторы (DC/DC) диапазона мощностей от сотен Вт до единиц кВт, которые используются на различного рода автономных (подвижных и стационарных) объектах (АО) в качестве как основных, так и резервных систем электропитания (СЭС). В практических разработках значения частот ПВЧП в зависимости от ряда факторов находятся в диапазоне от нескольких десятков кГц до примерно 100 кГц.

В диапазоне более высоких мощностей острота и актуальность эффективного решения проблемных задач по структурно-алгоритмическому и параметрическому синтезу (САС) этих устройств, значительно возрастает. Например, если использование однотактного и одноканального преобразования целесообразно в диапазоне малых мощностей, то уже при средних мощностях (в сотни Вт и единицы кВт), и особенно при низких значениях напряжения питания (порядка 30 В), целесообразнее уже перейти не только на двухтактное, но и на многоканальное преобразование. При этом конверторы применяются как самостоятельные устройства, так и в составе более сложных структур, например, в инверторах с ПВЧП. Большую остроту при использовании преобразующих структур с ПВЧП приобретает также не только проблема грамотного проектирования (и конструирования) высокочастотных (ВЧ) трансформаторов и выходных фильтров, но и проблема системного проектирования устройств силовой электроники (УСЭ) в целом, которая заключается в обоснованном выборе наиболее рационального значения частоты ПВЧП с учетом частотных характеристик не только всех силовых звеньев УСЭ, но и требований потребителя и источника питания по электромагнитной совместимости.

На АО применяется и другой, выше упомянутый класс преобразователей (DC/AC) – инверторы напряжения (ИН), которые решают задачу преобразования нестабилизированного напряжения постоянного тока, чаще всего, низкого уровня (порядка 30 В) в стабилизированное с заданной точностью напряжение переменного тока (с частотой 400 Гц или 50 Гц) более высокого уровня (115/208 В или 220/380 В). На их базе строятся системы, как основного, так и резервного электропитания. В зависимости от типа АО мощность устройств этого класса может находиться в пределах от нескольких сотен ВА до единиц и даже десятков кВА.

Актуальность проблемы. Несмотря на достаточно большую теоретическую проработку вопросов САС ИН с ПВЧП (процессу непрерывно растущего числа публикаций по данной проблеме уже не менее 3540 лет) и потенциальную перспективность данного направления, опыт практического использования ПВЧП в ИН (по крайней мере, в России) невелик. Причин (как объективного, так и субъективного характера) такому положению здесь немало. Одна из причин – не полная в ряде случаев проработанность схемотехнических решений, затрудняющая их оперативное (без дополнительных доработок) применение.

Большинство проблем, характерных для конверторов, приходиться решать и в классе ИН с ПВЧП. Более того, из-за более сложной их структурно-алгоритмической организации число проблемных задач здесь существенно возрастает. Кардинально улучшившиеся в последние 15-20 лет частотные и мощностные характеристики транзисторов и диодов, а также уже разработанные сегодня в модульном исполнении транзисторные ключи переменного тока создали необходимые предпосылки для активизации работ в направлении более интенсивного практического освоения этого ресурсосберегающего принципа построения ИН.

Известно, что эффективность использования ПВЧП в ИН, прежде всего, определяется значением его выходной частоты f2. Чем ниже эта частота, тем больше при прочих равных условиях выигрыш в массогабаритных показателях устройства. С ростом частоты f2 этот выигрыш уменьшается и для принятия решения о целесообразности использования при синтезе УСЭ ПВЧП актуализируется задача количественной оценки его эффективности. В [1], в частности, показано, что при f2=400Гц (и напряжении питания 1831В) масса активных материалов силовой части 6-звенной структуры однофазного ИН (ОИН) с ПВЧП мощностью S2 = 500 ВА бортового применения может быть уменьшена примерно в 2 раза по сравнению с традиционной 3-звенной структурой (ИН-трансформатор-фильтр), в которой трансформатор работает на выходной (относительно высокой) частоте 400 Гц. С учетом системы управления и конструктивного фактора результирующий выигрыш по массе может снизиться до 1,21,4 раз, что, однако, тоже существенно.

При низкой выходной частоте, например, 50 Гц прогнозируемый выигрыш по результирующей активной массе силовой части ИН с ПВЧП в сравнении с ИН без ПВЧП должен быть не менее, чем на порядок. Для более точных и обоснованных оценок необходимо соответствующее информационно-мето-дологическое обеспечение, которое на сегодня фактически в должном объеме отсутствует и, следовательно, должно быть разработано.

Что касается КПД ИН с ПВЧП, то, несмотря на более сложную структуру его силовой части, как показывают расчеты, в исследуемых здесь условиях применения он может быть получен не хуже или даже несколько более высоким, чем в ИН по традиционной трехзвенной структуре. Это означает, что масса теплоотводов, на которых размещается полупроводниковая часть ИН с ПВЧП, будет примерно той же, а основной выигрыш по массе и по КПД будет достигаться за счет высокочастотного (ВЧ) трансформаторного узла и выходного фильтра.

Актуальность решения данной проблемы подтверждается уже не первый год проводимыми (в мировой инженерной практике) и, тем не менее, не теряющими свою важность и остроту программами энерго-и ресурсосбережения. Представляется, что данное направление совершенствования наряду с тенденцией улучшения электромагнитной совместимости (ЭМС) УСЭ еще долго будут иметь определяющее значение в направлениях их развития.

Создание энергетически эффективных и компактных устройств УСЭ и систем на их основе особенно актуально для различного рода подвижных автономных объектов (АО), например, для различного рода транспортных средств – для летательных аппаратов и для автомобильного транспорта, например, для автомобилей гибридного типа, где, в частности, применение УСЭ с реверсивными свойствами позволяет полезно использовать кинетическую энергию автомобиля в режиме его торможения. Одна из таких структур УСЭ рассматривается в данной работе. Отличительным существенным признаком таких АО является относительно низкое значение напряжения первичного источника питания (порядка 30 В).

Цель работы. Основной задачей настоящей работы является совершенствование структурно-алгоритмических решений ИН с ПВЧП и создание информационно-методологического обеспечения: а) для их проектирования; б) и для проведения оперативных сопоставительных оценок показателей качества (по массе и КПД) альтернативных вариантов решений, которые необходимы на первом этапе проектирования.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач используются: общие положения теории электрических цепей, математический аппарат рядов Фурье, разделы дифференциального и интегрального исчисления, концепция многоканального преобразования энергетического потока, имитационное компьютерное моделирование (ИКМ) в среде OrCAD 9.2 (PSpice Schematics), методы технического творчества.

Научная новизна работы.

1. На основе аналитического обзора УСЭ рассматриваемого класса (DC/AC), систематизации и классификации принципов структурно-алгоритми-ческой организации (САОр) однофазных и трехфазных ИН с ПВЧП выделены две основные группы, характеризуемые как 6-звенные и 4-звенные структуры. Выявлены их свойства, которые необходимо знать при проектировании.

2. Для 4-звенных структур однофазных инверторов напряжения (ОИН) с однополярной широтно-импульсной модуляцией (ОШИМ) выходного напряжения и для трехфазных инверторов напряжения (ТИН) с широтно-импуль-сным регулированием (ШИР) выходного напряжения предложены алгоритмы преобразования, обеспечивающие исключение динамических потерь в ключах выходного высоковольтного звена – демодулятора (ДМ). Это позволило перевести структурно известные решения ИН с ПВЧП из категории потенциально перспективных в категорию практически значимых решений.

3. Предложена упрощенная методика определения зависимости удельной массы и КПД трансформаторов средней мощности (от 0,5 кВА до единиц кВА) от частоты в диапазоне ее изменения 50Гц50кГц: а) – без учета коэффициента добавочных потерь – Кдоб в обмотках, вызванных высокой частотой (ВЧ) и б) – с его учетом. Показана разница в показателях качества при этих двух методиках. Во 2-ом варианте (с учетом Кдоб) проверка результатов на адекватность осуществлялась путем использования двух известных (и экспериментально проверенных) методик расчета потерь в обмотках, основанных на принципиально разных подходах. Адекватность результатов может быть подтверждена одним и тем же полученным по двум методикам выводом: наименьшие потери в обмотках имеют место в том случае, если толщина ленты обмотки равна глубине скин-слоя. Этот факт положен в основу предложенной в работе методики проектирования ВЧ трансформаторов.

4. В качестве одного из средств решения поставленных задач (определения параметров фильтра, обеспечивающих требуемое значение коэффициента гармоник выходного напряжения, определения потерь в ключевых элементах инвертор-модуляторного звена 4-звенной структуры ИН с ПВЧП, определения действующих значений токов в обмотках трансформатора и действующих значений производной от этих токов) и с целью проверки исследуемых решений ИН с ПВЧП на соответствие их проектному замыслу в работе использовано имитационное компьютерное моделирование (ИКМ) УСЭ.

5. В качестве примера реализации предлагаемой методики системного проектирования для конкретного решения ИН с ПВЧП в диапазоне fВЧ =550кГц получены частотно-зависимые показатели качества для всех его звеньев и для устройства в целом.

Практическая значимость работы. Значимость полученных в работе результатов в предложенных подходах к решению поставленных задач, в новых, синтезированных решениях многозвенных преобразующих структур ИН с ПВЧП, в методике их системного проектирования и в конкретно полученных значениях показателей качества. В частности, используя предлагаемые подходы средства и полученную информацию, в каждом конкретном случае можно обосновано определить рациональное значение частоты ПВЧП, обеспечивающее приемлемые (компромиссные) значения показателей качества – массы и КПД.

Разработанные в процессе выполнения работы имитационные компьютерные модели оформлены как программные средства учебного назначения (ПСУН) и используются в учебном процессе в рамках читаемого на кафедре курса «Электронные энергетические системы».

Работа выполнена в интересах непосредственно двух организаций – ФГУП «ГОКБ «Прожектор» и ОАО «АКБ «Якорь», проводящих модернизацию выпускаемой продукции.

На защиту выносятся:

1. Новые алгоритмы управления ключевыми элементами в известных 4-х звенных структурах однофазного и трехфазного инверторов напряжения (ИН) с ПВЧП, обеспечивающие их перевод из категории потенциально (теоретически) перспективных в категорию практически значимых решений.

2. Полученные и представленные в аналитическом виде зависимости удельного показателя ВЧ трансформаторов и КПД от рабочей частоты в диапазоне 50 Гц 50 кГц создают основу для системного проектирования ИН с ПВЧП.

3. Инженерная (упрощенная) методика проектирования ВЧ трансформаторов, отличительным отправным шагом которой является использование современного модельного описания дополнительных потерь в его обмотках от токов высокой частоты.

4. Методика компьютерного определения общих и динамических потерь в ключевых элементах ИН с ПВЧП.

5. Методика системного проектирования многозвенных структур типа DC/AC.

Апробация работы. Основное содержание работы докладывалось и обсуждалось: На Всероссийской научно-технической конференции «Научно-технические проблемы электропитания» – 2006 г.; на Х111-й (2007г.) и Х1V-й (2008г.) международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов; на 2-х н/т-х семинарах кафедры «Электротехнические комплексы автономных объектов – ЭКАО» МЭИ (ТУ). На 11 Всероссийском смотре научных и творческих работ иностранных студентов и аспирантов (в 2008 г. в Томске) магистерская диссертационная работа Хлаинг Мин У «Исследование направлений модернизации бортовых инверторов напряжения», отражающая начальный этап выполнения настоящей работы, отмечена Дипломом участника в номинации «За оригинальное решение технической задачи».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ (среди них патент на полезную модель и статья в издании, рекомендованном ВАК).

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»