65332

ОДНОФАЗНI ПЕРЕТВОРЮВАЧI ЗМIННОЇ НАПРУГИ НА ПОСТIЙНУ З КОРЕКЦIЄЮ КОЕФIЦIЄНТА ПОТУЖНОСТI ТА ГАЛЬВАНІЧНИМ ЗВ’ЯЗКОМ ВХОДУ З ВИХОДОМ

Автореферат

Энергетика

Останнім часом все більше електроенергії споживається за допомогою систем електроживлення СЕЖ з ланкою постійної напруги. Перспективним вирішенням зазначеної проблеми при якому також покращується комплекс техніко-економічних показників...

Украинкский

2014-07-28

346 KB

0 чел.

PAGE  15

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ

Пазєєв Андрій Георгійович

УДК 621.314.075

ОДНОФАЗНI ПЕРЕТВОРЮВАЧI ЗМIННОЇ НАПРУГИ НА ПОСТIЙНУ З КОРЕКЦIЄЮ КОЕФIЦIЄНТА ПОТУЖНОСТI ТА ГАЛЬВАНІЧНИМ ЗВ’ЯЗКОМ ВХОДУ З ВИХОДОМ

Спеціальність 05.09.12 – напівпровідникові перетворювачі електроенергії

Автореферат

дисертації  на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2010


Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у відділі стабілізації параметрів електромагнітної енергії Інституту електродинаміки НАН України, м. Київ.

Науковий керівник:

– доктор технічних наук, чл.-кор. НАН України

Жаркін Андрій Федорович,

Інститут електродинаміки НАН України, м. Київ,

заступник директора з наукової роботи.

Офіційні опоненти:

– доктор технічних наук, професор

Жуйков Валерій Якович,

Національний технічний університет України "КПІ",

декан факультету електроніки;

– кандидат технічних наук

Афанасьєв Павло Валентинович,

Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій, м. Київ,

доцент кафедри "Радіоелектронні системи".

-

Захист відбудеться "08" червня 2010 р. о 14-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.187.01 в Інституті електродинаміки НАН України, за адресою: 03860, м. Київ-57, проспект Перемоги, 56, тел. 456-91-15.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту електродинаміки НАН України за вищевказаною адресою.

Автореферат розісланий "06" травня 2010р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

Ю. М. Гориславець


ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Останнім часом все більше електроенергії споживається за допомогою систем електроживлення (СЕЖ) з ланкою постійної напруги. Як відомо, якщо в таких системах не застосовувати запобіжні заходи, загострюється проблема забезпечення електромагнітної сумісності (ЕМС) споживачів, які підключено до відповідної електромережі. Перспективним вирішенням зазначеної проблеми, при якому також покращується комплекс техніко-економічних показників СЕЖ, особливо автономних, є використання вхідних перетворювачів змінної напруги на постійну (ПЗНП) з корекцією коефіцієнта потужності (ККП) за рахунок примусового формування вхідного струму наближеної до синусоїдальної форми.

Актуальність теми.

При побудові трифазних СЕЖ з покращеною ЕМС з мережею для підвищення надійності використовується модульний принцип. За ним трифазний вхідний перетворювач будується на основі однофазних модулів ПЗНП з ККП. Відносно прості схемні рішення забезпечує використання перетворювачів з безпосереднім гальванічним зв’язком входу та виходу. Але у відомих схемах вихідна напруга повинна бути не меншою за подвійне значення амплітуди вхідної напруги. У деяких випадках такий рівень напруги не задовольняє вимогам проектування СЕЖ, тому є необхідність в його пониженні до рівня амплітуди вхідної фазної напруги. Аналіз сучасного стану розробок ПЗНП з ККП показує, що питанням побудови перетворювачів з вказаними параметрами приділяється недостатньо уваги.

Так велика кількість досліджень присвячена схемам, які побудовані на основі підвищувального перетворювача постійної напруги, приєднаного до мостового випрямляча. Їм притаманні простота (один керований ключ), надійність, прості алгоритми керування, а також наближена до рівня амплітуди вхідної напруги вихідна напруга. В той же час такі схеми не допускають простого поєднання у трифазні системи.

Забезпечити різну, у тому числі і наближену до рівня амплітуди вхідної напруги, вихідну напругу можливо в схемних рішеннях з гальванічно розв’язаними входом та виходом. Але ці рішення мають декілька керованих ключів та наявність додатково введеного розв’язуючого трансформатора, що може бути віднесено до апаратної надлишковості.

Позитивні якості перетворювачів з гальванічним зв’язком входу з виходом обумовили дослідження можливості вдосконалення принципів їх побудови для розробки простих та надійних ПЗНП з ККП, що мають необхідні вхідні та вихідні характеристики.

Тому робота, яку спрямовано на дослідження та створення відносно простих схемних рішень побудови однофазних перетворювачів змінної напруги на постійну з корекцією коефіцієнта потужності, гальванічним зв’язком входу з виходом та вихідною напругою, рівень якої наближено до рівня амплітудного значення вхідної напруги, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в Інституті електродинаміки НАН України в рамках науково-дослідних робіт (НДР): НДР “Створення нових типів неспотворюючих перетворювачів параметрів електроенергії з високочастотною імпульсною модуляцією” (шифр 04.08/00128, “Сумісність”), № ДР 0197U017401, (1997-2000р.р.); НДР “Дослідження електромагнітних процесів та розробка наукових основ створення систем перетворення та стабілізації параметрів електричної енергії з врахуванням сучасних вимог до енергоефективності” (шифр “Сигма-Ш”), № ДР 0102U002333, (2002-2006р.р.); НДР “Розвинути теорію електромагнітних процесів та побудови нових засобів забезпечення електромагнітної сумісності в системах електроживлення з напівпровідниковими перетворювачами та нестаціонарними та нелінійними навантаженнями” (шифр “Сигма-Ш2”), №ДР 0107U002368, (2007-2011р.р.); НДР “Розвиток теорії побудови і розробка методів і засобів підвищення ефективності систем електропостачання автономних об’єктів з джерелами живлення обмеженої потужності і енергоємності”, №ДР 0107U002367. У цих роботах здобувач був виконавцем окремих розділів.

Мета і задачі наукового дослідження.

Метою дисертаційної роботи є подальший розвиток теоретичних засад побудови перетворювачів змінної напруги на постійну з корекцією коефіцієнта потужності, створення моделей та методик для дослідження електромагнітних процесів і розрахунку параметрів перетворювачів та розробка на цій основі нових пристроїв і систем електроживлення з покращеними техніко-економічними показниками.

Для досягнення поставленої мети вирішувалися такі задачі:

– аналіз існуючих принципів побудови однофазних перетворювачів змінної наруги на постійну з корекцією коефіцієнта потужності та гальванічним зв’язком входу з виходом;

– дослідження електромагнітних процесів в однофазних ПЗНП з ККП і гальванічним зв’язком входу з входом та вихідною напругою, що наближена до амплітуди вхідної напруги ПЗНП;

– гармонічний аналіз кривих вхідних струмів вказаних перетворювачів;

– дослідження якості вихідної напруги перетворювачів у статичних та динамічних режимах;

– дослідження електромагнітних процесів у вхідних та вихідних колах трифазних перетворювачів з корекцією коефіцієнта потужності, що утворені з однофазних ПЗНП з ККП та вихідною напругою, рівень якої наближено до амплітудного значення вхідної фазної напруги;

– експериментальні дослідження роботи запропонованих перетворювачів, обґрунтування правильності вихідних припущень, вірогідності отриманих результатів та ефективності запропонованих технічних рішень.

Об’єкт дослідження – однофазні перетворювачі змінної напруги на постійну з корекцією коефіцієнта потужності, гальванічним зв’язком входу з виходом та вихідною напругою, що наближена до амплітудного значення вхідної фазної напруги.

Предмет дослідження – електромагнітні процеси в силових колах однофазних перетворювачів змінної напруги на постійну з корекцією коефіцієнта потужності.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених задач у роботі використовувалися аналітичні методи теорії електричних ланцюгів, методи математичного та фізичного моделювання, методи гармонічного аналізу.

Наукова новизна одержаних результатів:

– запропоновано новий принцип побудови однофазних перетворювачів змінної наруги на постійну з корекцією коефіцієнта потужності та гальванічним зв’язком входу з виходом, за яким передача енергії від джерела змінної напруги до навантаження на одній півхвилі вхідної напруги відбувається з інвертуванням знаку напруги, а на іншій півхвилі – без інвертування, що дає змогу обирати рівень вихідної напруги меншим за подвійне значення амплітуди вхідної напруги;

– вперше розроблено математичну модель запропонованих перетворювачів, що дозволяє проводити обґрунтований вибір параметрів силових реактивних елементів схеми та параметрів системи керування для дотримання на обраному рівні таких показників, як максимальні значення струмів та напруг в схемі, а також частоти перемикання ключового елемента;

– вперше визначено, що переважаючий вплив на гармонічний склад вхідного струму запропонованих перетворювачів мають індуктивність вхідного дроселя та відхилення вхідного струму від еталону, що дозволяє виключити інші елементи з числа варіативних параметрів при побудові перетворювачів з мінімальним коефіцієнтом гармонік вхідного струму;

– вперше розроблено безперервні наближені моделі перетворювачів з корекцією коефіцієнта потужності для дослідження нестабільності вихідної напруги, які дозволяють проводити обґрунтований вибір параметрів системи керування та зворотного зв’язку для отримання необхідної якості вихідної наруги у статичних та динамічних режимах;

– вперше встановлено, що при побудові трифазних перетворювачів змінної наруги в постійну з корекцією коефіцієнта потужності на основі запропонованих однофазних модулів забезпечується можливість обирати вихідну стабілізовану напругу на рівні амплітудного значення фазної вхідної напруги без використання додаткового устаткування (високочастотних перетворювачів постійної напруги) при забезпеченні високих значень електромагнітної сумісності з мережею живлення.

Практичне значення одержаних результатів:

– розроблено рекомендації по підвищенню технічних та експлуатаційних показників трифазних СЕЖ з покращеною електромагнітною сумісністю з мережею за рахунок формування проміжної ланки постійної стабілізованої напруги на рівні амплітудних значень вхідної фазної напруги, для чого при побудові вхідних перетворювачів СЕЖ запропоновано використовувати однофазні модулі з гальванічним зв’язком входу з виходом;

– запропоновано захищену патентом України схему перетворювача змінної напруги на постійну з корекцією коефіцієнта потужності, гальванічним зв’язком входу з виходом та наближеною до амплітуди вхідної напруги вихідною напругою;

–отримано наближені аналітичні вирази, за допомогою яких при побудові систем керування на основі релейної системи з гістерезисом можливо знаходити максимальну частоту перемикання ключових елементів та максимальну напругу на перемикаючому елементі без вирішення трансцендентних рівнянь для пошуку моментів комутацій, що спрощує інженерні розрахунки;

– розроблено удосконалену методику вибору параметрів силових реактивних елементів та параметрів системи керування при релейному принципі регулювання вхідного струму та обраній максимальній частоті для отримання мінімальних значень коефіцієнта гармонік вхідного струму;

– розроблено рекомендації щодо вибору параметрів вихідного фільтру та системи керування з огляду на забезпечення необхідної якості вихідної напруги у статичних та динамічних режимах, а також по покращенню динамічних властивостей та якості електричної енергії на вході трифазних перетворювачів при наявності пульсацій вихідної напруги.

Результати досліджень знайшли практичне використання у НДІ «Квант» при створенні економічних систем електроживлення судових радіоелектронних комплексів в рамках проекту «Серпанок» та в навчальному процесі в курсах “Силова електроніка та перетворювальна техніка” та “Електроніка та мікросхемотехніка”, які викладаються для студентів напрямків підготовки “Електротехніка“ та “Електромеханіка“ в НТУУ “КПІ”.

Особистий внесок здобувача. Основні наукові результати та положення, що викладені в дисертації, отримані автором особисто. В наукових працях, що виконані у співавторстві, автору належить: в роботах [1,2,7] - аналітичні вирази, що описують струми та напруги силових реактивних та ключових елементів перетворювача та моменти комутацій ключового елементу; в роботі [3] - отримання аналітичних виразів, що дозволяють знаходити значення гармонічних складових вхідного струму перетворювача та програми їх розрахунків; в роботі [5] - проведення моделювання роботи перетворювача та аналіз струмів у силових елементах схеми; в роботі [6] - розробка принципової схеми фізичної моделі та імпульсної моделі перетворювача. в роботах [8,9,10] - розробка схемних рішень побудови перетворювачів;

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на науково-технічних конференціях “Third International Scientific and Technical Conf. on Unconventional Electromechanical and Electrical Systems“ (Алушта, 1997р.), “Силовая электроника и энергоэффективность (СЭЭ-98)”, (Алушта, 1998р.), “Силова електроніка та енергоефективність”, (Алушта, 2009р.).

Публікації. Результати досліджень по темі дисертації опубліковано у 12 друкованих працях, серед яких 7 статей у фахових наукових виданнях, що входять до переліку ВАК України, 3 патенти України, а також 2 звіти по завершеним НДР, що мають номер державної реєстрації.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, висновків, додатків і списку використаних джерел. Повний обсяг роботи становить 189 сторінок, у тому числі 165 сторінок основного тексту, 118 рисунків, 7 таблиць, 3 додатки та список використаних джерел із 115 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, викладено сутність і стан розв’язуваної наукової задачі та її значущість, сформульовано мету і задачі наукового дослідження, наведено данні про зв’язок роботи з науковими програмами, викладено наукову новизну, практичне значення і реалізацію результатів дисертаційних досліджень, наведено відомості про їх апробацію, публікацію та впровадження.

У першому розділі розглянуто проблему електромагнітної сумісності з мережею живлення пристроїв перетворювальної техніки та систем електроживлення з ланкою постійної напруги. Розглянуті тенденції розвитку засобів поліпшення ЕМС, що полягають в корекції коефіцієнта потужності за рахунок покращення форми струмів, що споживаються від мережі, чого вимагають і стандарти по забезпеченню рівнів емісії гармонічних складових струму.

Одним з засобів зменшення негативного впливу вищих гармонік є використання додаткових пристроїв, які мають фільтруючі властивості. У якості таких пристроїв для покращення ЕМС використовуються резонансні LC-фільтри вищих гармонік, фільтросиметруючі пристрої, силові активні фільтри, тощо. В останній час знаходить застосування так званих 3% дроселів, які дозволяють зменшити рівні вищих гармонік вхідного струму для забезпечення норм стандартів, але мають суттєві недоліки, до яких відносяться значні маса та габарити. Крім того, необхідність компромісу між зниженням середнього значення випрямленої напруги та індуктивністю дроселя не дозволяє знизити коефіцієнт гармонік вхідного струму до рівня меншого за 35-60%. Загальним недоліком усіх фільтруючих пристроїв є те, що вони належать до додаткового обладнання для поліпшення якості електроенергії і викликають додаткові капітальні вкладення, втрати електроенергії, експлуатаційні витрати і таке інше.

Відзначено, що перспективним вирішенням проблеми покращення ЕМС, особливо в автономних СЕЖ, є використання перетворювачів з корекцію коефіцієнта потужності за рахунок примусового формування практично синусоїдальних вхідних струмів. В таких пристроях використовуються перетворювачі підвищувального типу з малими індуктивностями у вхідних колах та застосуванням імпульсного регулювання на підвищеній частоті (рис.1, 2). У роботі вони названі перетворювачами змінної напруги на постійну з корекцією коефіцієнта

Рис.1 ПЗНП з ККП мостового типу.

Рис.2 ПЗНП з ККП на основі схеми Латура.

потужності (ПЗНП з ККП), або, для скорочення, просто ПЗНП. Наприклад, серед однофазних ПЗНП велику увагу розробників привернув перетворювач, схема силової частини якого містить одноключовий імпульсний регулятор підвищувального типу, що підключений до мостового випрямляча (рис.1). На базі цієї схеми було розроблено значну кількість схем ПЗНП, кожна з яких має як певні переваги, так і недоліки та знаходить свою сферу застосування. Відзначимо, що загальною властивістю таких схем є те, що вони не допускають безпосереднє поєднання у трифазні системи та паралельне з’єднання по входу і виходу, а тому в основному використовуються в окремих пристроях відносно незначної потужності.

При побудові трифазних СЕЖ з покращеною ЕМС для підвищення встановленої потужності та надійності використовується модульний принцип побудови трифазного вхідного перетворювача на основі однофазних модулів ПЗНП з ККП. Відносно прості схемні рішення забезпечує використання перетворювачів з безпосереднім гальванічним зв’язком входу та виходу (рис.2). В таких схемах вихідна напруга повинна обиратись на рівні, не меншому за подвійне значення амплітуди вхідної напруги, що обумовлює відповідний вибір напруги проміжної мережі. Це потребує розробки спеціалізованих вторинних джерел, підвищує вимоги до забезпечення електробезпеки, призводить до зростання вартості системи.

Задача покращення техніко-економічних показників СЕЖ вирішується, якщо забезпечити зниження напруги проміжної мережі до рівня амплітуди вхідної фазної напруги. При цьому з'являється можливість використовувати уніфіковані модулі та спрощується розробка нових джерел вторинного електроживлення. Також забезпечується можливість безпосереднього підключення до проміжної мережі стандартних пристроїв, для яких вказаний рівень вхідної напруги є номінальним, наприклад засобів обчислювальної техніки та радіотехнічного обладнання (рис.3).

Безпосередньо поєднувати однофазні модулі у трифазні системи та паралельно по входу і виходу, а також формувати вихідну напругу заданого рівня, в тому числі і наближену до амплітуди вхідної напруги, дозволяють перетворювачі, що мають гальванічну розв’язку входу з виходом. Але як однофазні модулі СЕЖ такі перетворювачі мають деяку апаратну надлишковість (декілька керованих ключів, наявність додатково введеного розв’язуючого трансформатора) та відносно ускладнені алгоритми керування, що можна віднести до недоліків.

Рис.3  Структурна схема СЕЖ

Безумовна перспективність практичного використання однофазних ПЗНП з гальванічним зв’язком входу та виходу для безпосереднього поєднання у трифазні системи сприяла поглибленому вивченню електромагнітних процесів у їх силових частинах з метою створення пристроїв з наближеною до амплітуди вхідної напруги вихідною напругою.

У другому розділі запропоновано новий принцип побудови силової частини однофазних ПЗНП з примусовим формуванням вхідного струму та гальванічним зв’язком входу з виходом, за яким передача енергії від джерела змінної напруги до навантаження на одній півхвилі вхідної напруги (наприклад, негативній) відбувається з проміжним перетворенням та інвертуванням, а на іншій півхвилі (наприклад, позитивній) – без інвертування знаку напруги, що дає змогу обирати рівень вихідної напруги меншим за подвійне значення амплітуди вхідної напруги.

На основі запропонованого принципу розроблено нові схемні рішення, які дозволяють в схемі з одним керованим перемикаючим елементом обирати вихідну напругу на рівні амплітуди вхідної напруги при наявності гальванічного зв’язку входу з виходом. Докладно розглянуто електромагнітні процеси у силових частинах запропонованих перетворювачів. На рис.4 представлено узагальнену схему перетворювачів та схематично зображено їх вхідний струм. Система керування СК побудована по слідкуючому принципу на основі релейної системи з гістерезисом, що є традиційною для схем такого класу.

Рис.4 Структурна схема розроблених перетворювачів та їх вхідний струм.

Аналіз електромагнітних процесів у силовій частині ПЗНП проведено в дисертації з традиційними при розгляданні схем такого класу припущеннями. На початку позитивної півхвилі вхідної напруги протягом декількох періодів імпульсної модуляції відбувається передача енергії, що була накопичена у накопичувальному конденсаторі С1 на негативній півхвилі, до вихідного фільтру та навантаження. Момент Т1 першого перемикання ключа К та значення вхідної напруги  у момент Т1, при відліку часу від початків півхвиль вхідної напруги, визначається з виразів

,   ,  (1)

де – індуктивність вхідного дроселя,  та  – амплітудне значення та колова частота вхідної напруги, – коефіцієнт перетворення вхідної напруги в еталонний сигнал струму,  – активна потужність на виході перетворювача,  – задане відхилення струму дроселя L1 від еталонного сигналу струму. Після розряду конденсатора ланцюги, до яких входять накопичувальний конденсатор та прохідний дросель, не беруть участь у роботі схеми. Передача енергії від мережі до навантаження відбувається через ланцюги, до яких входять вхідний дросель L1 та розділяючий діод VD1, без інвертування знаку напруги. При цьому забезпечується формування наближеного до еталону вхідного струму, а мінімальна величина вихідної наруги наближена до амплітудного значення вхідної напруги.

На негативній півхвилі вхідної напруги розділяючий діод VD1 закритий або вихідною напругою, або сумою вихідної напруги та напруги на С1. Тому енергія від джерела живлення Е до навантаження передається тільки через накопичувальний конденсатор С1 та прохідний дросель L2. На початку півхвилі протягом декількох періодів імпульсної модуляції відбувається заряд накопичувального конденсатора до напруги, що дорівнює вихідній напрузі. Момент першого перемикання ключа К визначається з того ж виразу (1), що і для позитивної півхвилі. Після заряду накопичувального конденсатора схема працює аналогічно імпульсному регулятору на основі схеми Кука (Cuk S.) вольтореверсивного типу. При відповідному виборі параметрів реактивних елементів схеми (власні частоти контурів набагато більші за частоту вхідної напруги) забезпечується можливість здійснювати формування вхідного струму наближеної до еталонного сигналу форми, при наближеному до амплітуди вхідної напруги рівні вихідної напруги. При цьому передача енергії від мережі до навантаження відбувається з інвертуванням знаку напруги.

Таким чином, як на негативній, так і на позитивній півхвилях вхідної напруги величина мінімальної напруги на навантаженні наближена до амплітудного значення напруги мережі живлення.

Отримані при аналізі електромагнітних процесів вирази, які описують миттєві струми та напруги у перетворювачі, та вирази для пошуку моментів комутацій складають математичну модель ПЗНП, яка використовувалась у подальших дослідженнях.

Ключовою задачею під час створення ПЗНП є вибір накопичувального конденсатора С1. Встановлено, що при відносно великих значеннях його ємності вхідний струм зазнає значних спотворень на початку негативної півхвилі, а при малих – значно зростає напруга на перемикаючому елементі. На підставі ґрунтовного аналізу електромагнітних процесів у вхідних колах перетворювача на негативній півхвилі вхідної напруги отримано вираз для максимального значення ємності накопичувального конденсатора, при якій забезпечується обране спотворення вхідного струму на першому інтервалі :

,     (2)

де – задана величина (=),  - відхилення вхідного струму на першому інтервалі розімкненого стану ключа від його значення на початку цього інтервалу. З використанням виразів (1) та (2) запропоновано методику вибору ємності С1, що забезпечує компроміс між мінімальним спотворенням вхідного струму та максимальною напругою на перемикаючому елементі.

При виборі напівпровідникових елементів ПЗНП суттєве значення має максимальна частота їх перемикання. За релейного принципу регулювання вхідного струму в дисертації отримано наступні наближені вирази для максимальної частоти перемикання ключа:

на позитивній півхвилі вхідної напруги – ,   (3)

негативній півхвилі вхідної напруги – , (4)

де  – вихідна напруга. За допомогою цих виразів можна без послідовного обчислення роботи схеми на всьому періоді вхідної напруги та вирішення трансцендентних рівнянь знаходження моментів комутацій, з достатньою для інженерних розрахунків точністю, вирішувати зворотну задачу: проводити вибір параметрів перетворювача для забезпечення обраної максимальної частоти, що забезпечує значне скорочення часу проектування.

При аналізі електромагнітних процесів також отримано наближені вирази для знаходження максимального значення середньої на інтервалі імпульсної модуляції напруги  та амплітуди високочастотних пульсацій напруги  на конденсаторі С1 у вигляді виразів:

,  ,   (5)

що дозволяє з достатньою для інженерних розрахунків точністю знаходити максимальну напругу на перемикаючому елементі як .

Третій розділ присвячено дослідженням впливу параметрів ПЗНП на гармонічний склад кривої вхідного струму. Для проведення досліджень в роботі використано структурну схему ПЗНП з ККП, яка показана на рис.4. За відповідних алгоритмів керування роботою ключа К, в дроселі L1 формується вхідний струм, що також зображено на рис.4. Як інтегральний показник якості кривої вхідного струму перетворювача використовують коефіцієнт гармонік , який визначають з виразу

,      (6)

де ,  – коефіцієнти Фур’є,  – порядковий номер гармоніки. В даному розділі з використанням математичної моделі, що була отримана у другому розділі, були отримані аналітичні вирази, що визначають коефіцієнти Фур’є. Отримано аналітичні вирази та розроблено програму розрахунків на ПЕОМ, за допомогою яких було проведено дослідження впливу параметрів силових реактивних елементів схеми та такого узагальнюючого параметру системи керування, як , на гармонічний склад та коефіцієнт гармонік кривої вхідного струму. Розраховано залежності значень коефіцієнта гармонік вхідного струму від параметрів елементів та  для п’ятикратного діапазону зміни вказаних параметрів в межах, що забезпечують значення  на рівні одиниць відсотків для номінальної вихідної потужності.

Встановлено, що при відповідному виборі параметрів запропонованого ПЗНП у спектрі гармонік вхідного струму практично відсутні постійна складова та парні гармоніки, а амплітуди непарних гармонік становлять одиниці – долі відсотків від амплітуди першої гармоніки, яка співпадає по фазі з вхідною напругою. Аналіз отриманих залежностей показав, що переважаючий вплив на коефіцієнт гармонік мають параметри вхідного дроселя та значення відхилень вхідного струму від еталону. Запропоновано удосконалену методику визначення оптимальних значень вказаних параметрів при побудові системи керування на основі релейної системи з гістерезисом, що дозволяє для обраної максимальної частоти перемикання ключа забезпечити мінімальні значення коефіцієнта гармонік вхідного струму.

Показано, що в розглянутих ПЗНП для гармонік, частоти яких близькі та більші за максимальну частоту перемикання ключа змінного струму, має місце різке зменшення відносної похибки розрахунку . Отримано залежності, які дозволяють оцінювати точність розрахунку коефіцієнта гармонік вхідного струму та обґрунтовано обирати кількість гармонік, які треба враховувати при проведенні аналізу впливу значень параметрів перетворювача на  вхідного струму.

Для прикладу за запропонованими методиками було проведено розрахунки оптимальних параметрів перетворювача з номінальною потужністю 0,5кВт для максимальної частоти перемикання ключа =20кГц. Отримані значення параметрів забезпечують значення kгар=3,75%. На рис.5 представлено вхідний струм

 

Рис.5 Крива вхідного струму та його спектр амплітуд гармонік.

(крива 1) та спектр амплітуд гармонік вхідного струму  для знайденої сукупності параметрів. Як видно, найбільш вагомою є третя гармоніка, амплітуда якої складає 1,73% амплітуди першої гармоніки, а амплітуди інших гармонік менші за 0,4%. На рис.5 наведено криву 2, що була отримана в результаті відтворення кривої вхідного струму після розкладання у ряд Фур’є. Як видно, криві 1 та 2 близькі за формою, що свідчить про коректність проведеного гармонічного аналізу.

Четвертий розділ присвячено аналізу вихідних параметрів однофазних перетворювачів змінної напруги на постійну. З точки зору свого функціонального призначення ПЗНП з ККП повинні задовольняти одночасно з вимогами по ЕМС також певним вимогам щодо якості вихідної напруги. На рис.6 зображено структурну схему однофазного ПЗНП з ККП та стабілізацією вихідної напруги. Загальний аналіз електромагнітних процесів у перетворювачах, що охоплені від’ємним зворотнім зв’язком, і які є імпульсною нелінійною системою автоматичного керування з двома величинами регулювання, досить складний.

Рис.6 Структурна схема імпульсної моделі з СЗЗ.

Рис.7 Структурна схема безперервних наближених моделей (БНМ) з СЗЗ.

Для проведення аналізу вихідних параметрів ПЗНП в роботі запропоновано представити перетворювачі у вигляді безперервної наближеної моделі (БНМ) (рис.7). Вона складається з системи зворотного зв’язку СЗЗ, навантаження Zн та керованого з виходу СЗЗ сигналом s джерела струму , струм якого змінюється згідно виразу , де  – вихідна напруга. Така модель відображує процеси передачі енергії на основній частоті вхідної напруги.

Для розрахунків у пакеті схемотехнічного моделювання МС7 кероване джерело струму  представлено функціональним джерелом струму G2 зі стандартної бібліотеки елементів МС7. В результаті отримано модель БНМ1, де струм джерела G2 визначався виразом

,     (7)

де  – сигнал зворотного зв’язку,  – вихідна напруга. Більш точно енергію, що споживається від мережі, можна представити як суму двох складових: пропорційної еталонному сигналу (визначається джерелом G3) та пропорційної значенням I (визначається джерелом G31). В такому випадку отримано модель БНМ2 з двома джерелами струму. На рис.7 зміни, що приводять до БНМ2, позначені пунктиром. Струми джерел струму G3 та G31 у моделі БНМ2 визначались виразами (8,а) та (8,б), відповідно. Схеми СЗЗ у БНМ1 та БНМ2 аналогічні.

,    (8)

Для перевірки можливості використання запропонованих в роботі БНМ1 і БНМ2 були проведені розрахунки у пакеті МС7 миттєвих значень та відносних похибок визначення вихідної напруги при використанні наближених моделей та більш точної імпульсної моделі, що побудована безпосередньо за структурною схемою перетворювача, яка наведена на рис.6. Порівняння результатів розрахунків показали, що миттєві значення вихідної напруги імпульсної та наближених моделей майже співпадають, причому відносні похибки розрахунків миттєвих значень вихідної напруги БНМ1  та БНМ2  не більші за 5% та 2%. Близькість отриманих результатів свідчить про достатню для аналізу якості вихідної напруги точність наближених моделей та про більшу точність БНМ2.

В роботі отримано вирази для розрахунків статичної навантажувальної характеристики , значення номінальної вихідної напруги  та відносної нестабільності вихідної напруги , де , у вигляді:

,

, ,    (9)

де Uе - еталонна напруга, kД2 – коефіцієнт передачі датчика вихідної напруги, kП2  – коефіцієнт підсилення підсилювача сигналу зворотного зв’язку,  – коефіцієнт передачі коригувального ланцюга. Отримані вирази дозволяють обрати параметри системи зворотного зв’язку з огляду на необхідність дотримання нормативних значень статичної нестабільності вихідної напруги в широкому діапазоні зміни вихідної потужності.

Параметри конденсатору С2 вихідного фільтру (рис.7), об’єм якого займає до 30-40% об’єму пристрою, мають великий вплив не тільки на рівень пульсацій вихідної напруги та габарити, а і на деякі інші техніко-економічні показники, в тому числі на якість вихідної напруги у динамічних та статичних режимах. Проведений за допомогою моделі БНМ1 аналіз показав, що перетворювач для сталого режиму можна представити у вигляді лінійної безперервної наближеної моделі. Отримано наближений вираз , де  – задана амплітуда пульсацій вихідної напруги, дозволяє визначити мінімально можливі значення ємності конденсатора вихідного фільтру для забезпечення необхідних (заданих в технічному завданні) значень амплітуди пульсацій вихідної напруги з достатньою для інженерних розрахунків точністю (відносна похибка менша за 2%).

Аналіз впливу ємності  (рис.8) конденсатора коригувального ланцюга КЛ (рис.6 та рис.7) на процеси у схемі перетворювача показав, що при відносно великих її значеннях погіршуються динамічні властивості схеми. В той же час вибір відносно малих значень ємності  призводить до погіршення форми кривих вхідного струму та вихідної напруги навіть у сталих режимах. Встановлено, що при заданих параметрах навантаження та визначених параметрах вихідного фільтру, а також параметрах системи зворотного зв’язку, що обрані на підставі необхідної статичної нестабільності вихідної напруги, існує мінімально можливе значення ємності конденсатора коригувального ланцюга  з огляду на забезпечення як мінімальних значень пульсації вихідної напруги та уникнення небажаних періодичних режимів, так і мінімального часу перехідних процесів встановлення вихідної напруги. Мінімально можливе значення  можна визначити при аналізі пульсацій вихідної напруги за допомогою запропонованих БНМ.

На рис.8 наведено схему моделі БНМ2, за допомогою якої у пакеті схемотехнічного моделювання МС7 були проведені дослідження динамічної нестабільності вихідної напруги для обраних при аналізі статичної нестабільності вихідної напруги параметрах СЗЗ. Розглядались режими включення схеми та десятикратної зміни величини опору навантаження при трикратній зміні ємності конденсатора коригувального ланцюга Сf поблизу мінімально можливого значення для уникнення небажаних періодичних режимів.

Рис.8 Схема БНМ2.  Рис.9 Графік вихідної напруги Uн для Rн =

                                                              0,245–2,450кОм.

Було побудовано графіки Uн=f(t,Rн) та отримано залежності максимального відхилення Uн від номіналу при різних значеннях Сf. Для одного зі значень Сf графік Uн наведено на рис.9. При аналізі результатів було встановлено, що перехідні процеси в схемі мають складний періодичний характер. Найважчим з огляду на забезпечення необхідної якості вихідної напруги є режим включення перетворювача. Тому вибір параметрів системи зворотного зв’язку слід проводити саме для режиму включення. Визначено, що при цьому забезпечується мінімальна динамічна нестабільність вихідної напруги і в режимах перемикання навантаження. Для конкретного прикладу було знайдено оптимальні, з огляду на забезпечення динамічних властивостей схеми, значення параметрів СЗЗ.

На рис.10 для прикладу представлено криві вихідної напруги при включенні на номінальне навантаження (0,5кВт) та десятикратній зміні навантаження для значень

 

Рис.10 Криві вихідної напруги при включенні перетворювача та десятикратній зміні навантаження.

вхідної напруги 0,9 та 1,1 від номінальної, при параметрах перетворювача та СЗЗ, що були обрані на підставі проведеного аналізу. З графіків видно, що максимальне відхилення вихідної напруги від номінального значення складає близько 5% у режимі включення схеми. Перехідні процеси в схемі у найгіршому випадку закінчується приблизно за 250мс. Результати проведеного аналізу показують, що навіть за найпростішої організації системи зворотного зв’язку можливе виконання досить жорстких умов якості вихідної напруги перетворювача.

У п’ятому розділі наведено результати дослідження трифазних ПЗНП з ККП, що побудовані на основі запропонованих однофазних перетворювачів. Структурну схему трифазної системи показано на рис.11.

Рис.11 Структурна схема трифазного перетворювача.

Встановлено, що при цьому робота кожного з однофазних модулів принципово не відрізняється від їх роботи в однофазній мережі і забезпечуються високі значення електромагнітної сумісності з мережею та, на відміну від інших способів, можливість формувати вихідну напругу на рівні максимального значення фазної напруги мережі (350В для мереж 380/220В).

Аналіз роботи трифазного перетворювача зі стабілізованою вихідною напругою у режимах симетрії та несиметрії вхідної напруги, проведений за допомогою пакету МС7 на імпульсній моделі, показав, що процеси у вихідних колах в значній мірі залежать від характеру вхідної трифазної напруги. В симетричних режимах мережі у вихідній напрузі перетворювача відсутні високочастотні складові, крім гармонік нульової послідовності. Їх наявність пов’язана з імпульсним характером формування вхідного струму та наявністю гармонік нульової послідовності у вихідному струмі однофазних модулів. Найбільш вираженими є пульсації вихідної напруги на потрійній частоті мережі, причому рівень пульсацій, в основному, визначається величиною відхилення вхідного струму від еталону. З огляду на незначний рівень вказаних гармонік струму, обумовлені ними пульсації вихідної напруги легко згладжуються відносно незначною ємністю вихідного фільтру і можливе досягнення високих показників якості вхідних струмів і вихідної напруги при відносно незначних сталих часу коригувального ланцюга. Це позитивно відображується на перехідних процесах роботи перетворювачів та їх масо-габаритних показниках. В несиметричних режимах мережі негативний вплив параметрів СЗЗ та ємності вихідного фільтру як на вихідну напругу, так і на форму вхідних струмів, може бути досить значним, так як у вихідній напрузі виникають пульсації на подвійній частоті мережі. В такому разі необхідно здійснювати заходи для зменшення пульсацій, наприклад вибором відповідної величини ємності вихідного фільтру, а вибір параметрів елементів перетворювача та системи зворотного зв’язку необхідно робити з урахуванням можливих несиметричних режимів. На основі запропонованих у роботі наближених моделей однофазного перетворювача було розроблено трифазну наближену модель, використання якої дозволяє проводити вибір параметрів перетворювача та СК в усіх можливих режимах вхідної напруги.

Для аналізу статичної нестабільності вихідної напруги ВТП в роботі отримано аналітичні вирази, що визначають статичні навантажувальні характеристики трифазного перетворювача для симетричного та несиметричного режимів напруги мережі. Отримані вирази дозволяють знаходити параметри СЗЗ для забезпечення необхідних значень статичної нестабільності вихідної напруги.

З метою перевірки достовірності прийнятих при аналізі моделей були проведені експериментальні дослідження фізичного макету. Вимірювались вхідний струм, струм ключа, напруги на накопичувальному і вихідному конденсаторах, еталонна напруга. Ці ж величини були обчислені на імпульсній моделі. Порівняння результатів показало, що експериментальні та обчислені миттєві значення величин відрізняються на 3% – 5% для всіх режимів роботи перетворювача. Це підтвердило адекватність та достатню для інженерних розрахунків точність розроблених моделей, а також показало достатню узгодженість розрахункових та експериментальних даних.

У додатках представлено програми розрахунків електромагнітних процесів та гармонічних складових вхідного струму перетворювачів та акти впровадження результатів роботи.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі отримали розвиток теоретичні засади створення перетворювачів змінної напруги на постійну з корекцією коефіцієнта потужності, розроблено моделі та методики для дослідження електромагнітних процесів та розрахунку параметрів перетворювачів, побудовано на цій основі нові пристрої і системи електроживлення з покращеними техніко-економічними показниками.

При цьому отримано наступні основні результати.

1. Встановлено, що покращення технічних та експлуатаційних показників трифазних СЕЖ з проміжною ланкою стабілізованої постійної напруги можливе за рахунок формування постійної напруги на рівні амплітудних значень вхідної фазної напруги, для чого при побудові вхідних перетворювачів СЕЖ доцільно використовувати однофазні модулі з гальванічним зв’язком входу з виходом.

2. Розроблено новий принцип побудови силової частини однофазних перетворювачів змінної напруги на постійну з корекцією коефіцієнта потужності та гальванічним зв’язком входу з виходом, що дає змогу обирати рівень вихідної напруги меншим за подвійне значення амплітуди вхідної напруги. Запропоновано нові схемні рішення, які реалізують такий принцип.

3. Створено математичну модель запропонованих перетворювачів, що дозволяє проводити аналіз впливу параметрів силових реактивних елементів та параметрів систем керування на перебіг електромагнітних процесів, отримано аналітичні вирази, за допомогою яких при побудові систем керування на основі релейної системи з гістерезисом можливо знаходити максимальну частоту перемикання ключових елементів без вирішення трансцендентних рівнянь для пошуку моментів комутацій, що спрощує інженерні розрахунки.

4. Встановлені залежності коефіцієнта гармонік вхідного струму від параметрів перетворювача показали, що переважаючий вплив на коефіцієнт гармонік мають індуктивність вхідного дроселя та відхилення вхідного струму від еталону, що дозволяє виключити інші елементи з числа варіативних параметрів при побудові перетворювачів з мінімальним коефіцієнтом гармонік вхідного струму.

5. Встановлено, що висока точність розрахунку коефіцієнта гармонік вхідного струму забезпечується вже при врахуванні гармонік з частотами, які приблизно дорівнюють максимальній частоті перемикання ключа. Запропоновано удосконалену методику визначення для обраної максимальної частоти оптимальних параметрів перетворювачів, що забезпечує мінімальні значення коефіцієнта гармонік.

6. Розроблено наближені моделі перетворювачів з корекцією коефіцієнта потужності, використання яких при дослідженні якості вихідної напруги дозволяє значно скоротити час (до двох порядків) у порівнянні з використанням точних імпульсних моделей при достатній для інженерних розрахунків точності визначення миттєвих значень вихідної напруги та точності відображення процесів у системі зворотного зв’язку.

7. Отримано розрахункові залежності та розроблено рекомендації по вибору параметрів елементів перетворювача та системи зворотного зв’язку, що дозволяє забезпечити задані параметри статичної та динамічної нестабільності вихідної напруги.

8. Розроблено рекомендації по покращенню динамічних властивостей перетворювачів та якості електричної енергії на вході трифазних перетворювачів при наявності пульсацій вихідної напруги.

9. Виконані на запропонованій фізичній моделі експериментальні дослідження підтвердили правомірність запропонованого підходу щодо принципів побудови силової частини перетворювачів та достатню узгодженість розрахункових і експериментальних даних.

10. Новизна запропонованих в роботі технічних рішень підтверджена трьома патентами на винаходи.

11. Результати досліджень знайшли практичне використання у НДІ «Квант» при створенні економічних систем електроживлення судових радіоелектронних комплексів в рамках проекту «Серпанок» та в навчальному процесі в курсах “Силова електроніка та перетворювальна техніка” та “Електроніка та мікросхемотехніка”, які викладаються для студентів напрямків підготовки “Електротехніка“ та “Електромеханіка“ в НТУУ “КПІ”.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Москаленко Г. О. Преобразователь переменного напряжения в постоянное с непосредственной связью входа и выхода / Г. А. Москаленко, А. Г. Пазеев // Техн. електродинаміка: спец. випуск №2 "Силовая электроника и энергоэффективность". – 1998. – Т.1.– С. 94 – 98.

2. Зощенко А. В. Вибір накопичуючого конденсатора в перетворювачі змінної напруги на постійну / А. В. Зощенко, А. Г. Пазєєв, В. А. Возний // Техн. електродинаміка. – 2002. – №2. – С. 34 – 38.

3. Жаркін А. Ф. Дослідження гармонічного складу кривої вхідного струму перетворювача змінної напруги на постійну з корекцією коефіцієнта потужності / А. Ф. Жаркін, А. Г. Пазєєв // Техн. електродинаміка. – 2006. – №4. – С. 12 – 17.

4. Пазєєв А. Г. Аналіз точності визначення коефіцієнта гармонік вхідного струму перетворювача змінної напруги на постійну з корекцією коефіцієнта потужності, пониженою вихідною напругою та безпосереднім зв'язком входу з виходом / А. Г. Пазєєв // Праці Ін-ту електродинаміки НАН України: зб. наук. праць. – К.: ІЕД НАНУ. – 2006. – №1(13). С. 109 – 114.

5. Повышение энергоэффективности и электромагнитной совместимости автономных источников электоэнергии / А. Г. Пазеев, А. Ф. Жаркин, В. Б. Павлов, А. В. Попов, В. Е. Павленко // Праці Ін-ту електродинаміки НАН України: зб. наук. праць. – К.: ІЕД НАНУ. – 2008. – Вип. 21. С. 102 – 105.

6. Жаркін А. Ф. Експериментальні дослідження однофазного перетворювача змінної напруги на постійну з корекцією коефіцієнту потужності та гальванічним зв’язком входу з виходом / А. Ф. Жаркін, А. Г. Пазєєв // Техн. електродинаміка: тем. випуск "Силова електроніка та енергоефективність". – 2009. – Ч. 2. – С. 56 – 60.

7. Москаленко Г. А. Уменьшение коммутационных потерь в транзисторах импульсного преобразователя постоянного напряжения / Г. А. Москаленко, А. Г. Пазеев, Г. Ф. Пазеев // Third International Scientific and Technical Conf. on Unconventional Electromechanical and Electrical Systems, Szszecin (Poland) – Alushta (Ukraine). – 1997. – P. 645 – 648.

8. Пат. 23965А Україна, 6 G05F1/56. Імпульсний регулятор постійного струму / Шидловський А. К., Пазєєв Г.Ф., Москаленко Г. О., Пазєєв А. Г.; заявник та патентовласник Інститут електродинаміки НАН України. – №96072742; заявл. 09.07.96; опубл. 31.08.98, Бюл. № 4.

9. Пат. 25788А Україна, 6 G05F1/56. Імпульсний регулятор постійного струму / Шидловський А. К., Пазєєв Г.Ф., Москаленко Г. О., Пазєєв А. Г.; заявник та патентовласник Інститут електродинаміки НАН України. – №96124729; заявл. 19.12.96; опубл. 30.10.98, Бюл. № 5.

10. Пат. 27643 Україна, 6 H02M7/00, 7/525. Перетворювач змінної напруги на постійну / Шидловский А. К., Комаров М. С., Москаленко Г. О., Пазєєв А. Г.; заявник та патентовласник Інститут електродинаміки НАН України. – №98041812; заявл. 09.04.98; опубл. 15.09.2000, Бюл. № 4.

АНОТАЦІЇ

Пазєєв А. Г. Однофазні перетворювачі змінної напруги на постійну з корекцією коефіцієнта потужності та гальванічним зв’язком входу з виходом. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.12 – напівпровідникові перетворювачі електроенергії. – Інститут електродинаміки НАН України, Київ, 2010.

Дисертація присвячена розвитку теоретичних засад створення перетворювачів змінної напруги на постійну з корекцією коефіцієнта потужності, розробці моделей та методик для дослідження електромагнітних процесів та розрахунку параметрів перетворювачів.

В роботі запропоновано новий принцип побудови силової частини однофазних перетворювачів змінної напруги на постійну з корекцією коефіцієнта потужності та гальванічним зв’язком входу з виходом, розроблені та досліджені схемні рішення, які реалізують цей принцип. Створено математичну модель перетворювачів та отримано наближені аналітичні вирази, що дозволяє проводити аналіз електромагнітних процесів та знаходити максимальну частоту перемикання ключових елементів. Запропоновано методику визначення оптимальних параметрів перетворювачів, що забезпечує мінімальні значення коефіцієнта гармонік вхідного струму. Розроблено рекомендації по покращенню динамічних властивостей перетворювачів та якості електричної енергії на вході однофазних та трифазних перетворювачів при наявності пульсацій вихідної напруги.

Експериментальні дослідження підтвердили отримані теоретичні результати та показали достатню узгодженість розрахункових і експериментальних даних.

Ключові слова: перетворювач змінної напруги на постійну, корекція коефіцієнта потужності, гальванічний зв’язок входу з виходом.

Пазеев А. Г. Однофазные преобразователи переменного напряжения в постоянное с коррекцией коэффициента мощности и гальванической связью входа с выходом. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по  специальности 05.09.12 –  полупроводниковые преобразователи электроэнергии.– Институт электродинамики НАН Украины, Киев, 2010.

Диссертация посвящена дальнейшему развитию теоретических основ построения преобразователей переменного напряжения в постоянное с коррекцией коэффициента мощности, разработке моделей и методик исследования электромагнитных процессов и расчёта параметров преобразователей, а также созданию новых устройств и систем электропитания с улучшенными технико-экономическими показателями.

В работе предложен новый принцип построения силовой части однофазных преобразователей переменного напряжения в постоянное с коррекцией коэффициента мощности и гальванической связью входа с выходом. Принцип заключается в организации передачи электромагнитной энергии от источника к нагрузке на одном полупериоде входного напряжения с промежуточным преобразованием в выходных цепях и инвертированием знака напряжения, а на другом полупериоде – без преобразования и инвертирования, что позволяет обеспечить формирование выходного напряжения на уровне меньшем, чем удвоенное значение амплитуды входного фазного напряжения.

Разработаны и исследованы новые схемные решения, которые реализуют предложенный принцип, и в которых в схемах с одним управляемым переключающим элементом обеспечивается формирование постоянного стабилизированного выходного напряжения на уровне амплитудных значений входного фазного напряжения.

Разработана математическая модель предложенных преобразователей, которая позволяет проводить анализ влияния параметров силовых реактивных элементов и параметров системы управления на мгновенные значения напряжений и токов в схемах, а также находить моменты коммутаций ключевого элемента при использовании релейного принципа формирования входного тока.

Получены приближенные аналитические выражения, с помощью которых при построении систем управления на основе релейной системы с гистерезисом возможно находить максимальную частоту переключения ключевых элементов без решения трансцендентных уравнений поиска моментов коммутаций, что упрощает инженерные расчёты.

Установлено, что частота гармоник входного тока, при учёте которых значения относительной ошибки расчёта коэффициента гармоник приближается к нулю, приблизительно равна максимальной частоте переключения ключевого элемента, что позволяет обосновано подходить к выбору порядка учитываемых гармоник при проектировании преобразователей с минимальным негативным влиянием на питающую сеть.

Установлено, что, не взирая на присутствие в предложенных схемах нескольких реактивных элементов, преобладающее влияние на коэффициент гармоник входного тока имеют параметры входного дросселя и такой обобщенный параметр системы управления, как величина отклонения входного тока от эталона. Это позволяет исключить параметры остальных элементов из числа вариативных при построении преобразователей с минимальным коэффициентом гармоник входного тока.

Установлено, что для построения входных преобразователей трёхфазных систем электропитания с формированием постоянного выходного напряжения на уровне амплитудных значений входного фазного напряжения без применения  дополнительных устройств целесообразно использовать предложенные однофазные модули с гальванической связью входа с выходом.

Разработаны приближенные модели преобразователей переменного напряжения в постоянное с коррекцией коэффициента мощности. Их использование при исследовании качества выходного напряжения позволяет значительно сократить время анализа (до двух порядков) в сравнении с использованием точных моделей, при достаточной для инженерных расчётов точности определения мгновенных значений выходного напряжения и точности отображения процессов в системе обратной связи.

Получены расчётные зависимости и рекомендации по выбору значений параметров элементов преобразователей и систем обратной связи, которые позволяют обеспечить заданные параметры статической и динамической нестабильности выходного напряжения и улучшенную электромагнитную совместимость преобразователей с сетью и нагрузкой как при симметричном, так и при несимметричном входном трёхфазном напряжении.

Проведённые с помощью разработанной физической модели экспериментальные исследования подтвердили правомерность предложенного принципа построения силовой части преобразователей. Кроме того, сравнение экспериментальных и расчетных результатов показало достаточную точность разработанных моделей, достоверность использованных методов расчёта и согласованность полученных экспериментальных и теоретических результатов.

Результаты диссертационной работы нашли практическое применение при создании экономичных систем электропитания судовых радиоэлектронных комплексов и в учебном процессе в курсах “Силовая электроника и преобразовательная техника” и “Электроника и микросхемотехника”, которые преподаются в НТУУ “КПИ”.

Ключевые слова: преобразователь переменного напряжения в постоянное, коррекция коэффициента мощности, гальваническая связь входа с выходом.

Pazeev A.G. A single phase converters of a variable voltage in constant with power factor correction and galvanic connected by an input and output. - Manuscript.

The dissertation for a Candidate of technical sciences degree on speciality 05.09.12 - Semiconductor converters of electrical energy. - Institute of Electrodynamics of NAS of Ukraine, Kyiv, 2010.

The dissertation is devoted to development of theoretical bases of construction of converters of a variable voltage in constant with power factor correction, development of models and techniques of research of electromagnetic processes and account of parameters of converters.

In work the new principle of construction of a power part of a single phase converters of a variable voltage in constant with power factor correction and galvanic connected by an input and output is offered. Are developed and the new circuit decisions are investigated which realize such principle. The mathematical model of converters is developed and the approached analytical expressions are received, that allows to spend the analysis of electromagnetic processes and to find the maximal frequency of switching of key elements. It is offered a technique of definition of optimum parameters of converters for maintenance of the minimal meanings of THD of an input current. The recommendations for improvement of dynamic properties and quality of the electric power on an input of single-phase and three-phase converters are developed at presence of pulsations of a target voltage. The experimental researches have confirmed the received theoretical results and have shown the sufficient coordination settlement and experimental data.

Key words: the converter of a variable voltage in constant, power factor correction, galvanic connected by an input and output.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

35896. Особенности дизайна и декора, аспекты их исторического развития 107 KB
  Особенности дизайна в 20е годы в СССР. Графический дизайн реклама мебель.Основные особенности дизайна 30х годов в СССР. Дизайн в период сталинизма.
35898. Производство алкогольной продукции 49.44 KB
  Дальнейшая перегонка дрожжей с водяным паромдает возможность получить энантовый эфир и дрожжевое масло. Фильтрат кубового остатка барды дрожжей может служить сырьем для получения с помощью ионообменных смол аминокислот в чистом виде. Более полно можно извлечь виннокислые соединения из осадков винных дрожжей методом высокого давления путем автоклавирования барды. Барабанные сушилки применяют для сушки винных дрожжей; для сушки виннокислой извести они менее пригодны так как часть материала в виде пыли уносится потоком горячего воздуха...
35899. Реляционная модель. Свойства и основные особенности реляционной модели Информационный принцип наполнения БД. Замкнутость реляционных систем, проявление замкнутости в синтаксе языка SQL 45 KB
  Техническая статья Реляционная модель данных для больших разделяемых банков данных доктора Е. 12 правил Кодда Реляционная СУБД должна быть способна полностью управлять базой данных через ее реляционные возможности. Онлайновый реляционный каталог описание БД и ее содержания должны быть представлены на логическом уровне как таблицы к которым можно применять запросы используя язык базы данных. Он должен поддерживать описание структуры данных и манипулирование ими правила целостности авторизацию и транзакции.
35901. Учет начисления амортизации по нематериальным активам 47 KB
  Учет начисления амортизации по нематериальным активам. Стоимость нематериальных активов НМА погашается частями в течение всего времени их использования в организации посредством начисления амортизации п. Для определения суммы амортизационных отчислений за месяц организации необходимо: установить срок полезного использования объекта НМА; выбрать способ начисления амортизации по объекту; рассчитать норму амортизационных отчислений по каждому объекту. СПБЫ НАЧИСИЯ АМОРТИИ Пунктом 15 ПБУ...