Электронные трансформаторы на основе высокочастотных структур с переключаемыми конденсаторами для автономных систем электроснабжения

Электронные трансформаторы на основе высокочастотных структур с переключаемыми конденсаторами для автономных систем электроснабжения

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

"НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"

Кафедра Электроники и электротехники

силовой коммутация транзистор трансформатор

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА БАКАЛАВРА

Электронные трансформаторы на основе высокочастотных структур с переключаемыми конденсаторами для автономных систем электроснабжения

Новосибирск, 2013 г

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

"НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"

Кафедра Электроники и электротехники (полное название кафедры)

ЗАДАНИЕ НА ВЫПУСКНУЮ КВАЛИФИКАЦИОННУЮ РАБОТУ БАКАЛАВРА

Тема Электронные трансформаторы на основе высокочастотных структур с переключаемыми конденсаторами для автономных систем электроснабжения

Исходные данные (или цель работы) 1. Введение. Описание существующих устройств. Цель и задачи проекта.

. Разработка и исследование принципиальных схем силовых цепей ЭСТ на основе резонансных структур с переключаемыми конденсаторами.

3. Исследование нагрузочных , регулировочных и энергетических характеристик ЭСТ на основе структуры с переключаемыми конденсаторами.

. Оптимальный расчет элементов принципиальных схем силовых цепей ЭСТ на основе структур с переключаемыми конденсаторами

Структурные части работ 1. Обзор литературы. 2. Расчет параметров режима мягкой коммутации. 3. Разработка структурных схем силовой цепи и цепи упраления многокаскадных ЭСТ с использованием программного обеспечения PSIM.

Задание согласовано и принято к исполнению.

Аннотация

В данной работе представлены повышающий и понижающий электронные силовые трансформаторы (ЭСТ), рассмотрен принцип построения многотактных ЭСТ на основе резонансных структур с переключаемыми конденсаторами. Показано, что увеличением числа тактов преобразования достигается заметное увеличение коэффициентом полезного действия (КПД) и резкое снижение суммарной емкости конденсаторов силовой цепи трансформатора. Кроме того, существенно улучшаются коэффициент гармоник входного тока и входной коэффициент мощности.

Содержание

Введение

.         Обзор литературы

. Расчетный раздел

2.1 Расчет режима мягкой коммутации

2.2 Расчет частоты коммутации транзисторов

. Электронные силовые трансформаторны(ЭСТ)

.1 Однокаскадный неуправляемый ЭСТ (k=1, k=1)

3.1.1 Двухкаскадный неуправляемый ЭСТ (k=2, k=1)

.2 Двухкаскадный управляемый ЭСТ(k=1, k=2)

.2.1 Двукаскадный управляемый ЭСТ(k=2, k=2)

4. Графические характеристики ЭСТ

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Из основных тенденций развития радиоэлектронных средств (РЭС) и систем связи следует отметить с одной стороны все возрастающую степень использования интегральных микросхем, микроконтроллеров и микропроцессоров, что приводит к резкому снижению массы и габаритов РЭС и ее узлов; с другой стороны разработку и развитие новых принципов энерго- и ресурсосберегающих методов генерирования электрических колебаний, усиления информационных сигналов и преобразование электрической энергии в системах электропитания, которые являются неотъемлемой частью каждой РЭС.

Современные РЭС резко ужесточают требования к массогабаритным показателям, экономичности, надежности, качеству вырабатываемой энергии и электромагнитной совместимости систем электропитания. Решение проблем энерго- и ресурсосбережений в устройствах электропитания осуществляется с использованием импульсных (ключевых) режимов работы усилительных приборов в преобразователях напряжения с промежуточным звеном высокой частоты (сотни килогерц - единицы мегагерц) современной элементной базы: мощных транзисторов (IGBT), мощных ультрабыстрых диодов, современных магнитных материалов и конденсаторов и современных технологий узлов и устройств (низкопрофильные, безнамоточные, плоские трансформаторы; поверхностный монтаж и др.). Ключевые режимы работы усилительных приборов позволяют приблизить электронный КПД устройств к предельно достижимому путем снижения мощности потерь в усилительных приборах, тем самым увеличить надежность работы импульсного источника питания.

При создании автономных радиосистем, а так же экологически чистых, многоуровневых, интеллектуальных систем электроснабжения находят применение понижающие конденсаторные преобразователи постоянного напряжения (ПКП), работающие по принципу последовательного заряда конденсаторов от входного источника постоянного напряжения с их последующим параллельным разрядом на нагрузку.

Существует множество первичных источников электроэнергии, которые вырабатывают ее в виде постоянного напряжения. Такие как солнечные батареи, термоэлектрогенераторы, магнитогидродинамические генераторы, топливные элементы (энергия химических реакций), аккумуляторы, электромашинные генераторы постоянного напряжения. Для приведения постоянных напряжений этих источников к требуемому уровню, его стабилизации и регулирования и требуются устройства преобразования постоянного напряжения в постоянное (DC-DC).

Преобразователь напряжения - это устройство, предназначенное для преобразования постоянного напряжения одной величины в постоянное напряжение другой величины. Преобразователи постоянного тока в постоянный, называемые регуляторами постоянного тока (электронными "трансформаторами"), обозначаются ОТ-ОТ (ОТ - Однонаправленный Ток) аналогично их зарубежному сокращению DC-DC (DC - DirectCurrent - Постоянный Ток).

В работе рассмотрена автономная радиоэлектронная система энергоснабжения на основе структур с переключаемыми конденсаторами. При этом снижение веса и габаритов достигается использованием резонансного метода их построения,который наряду с повышением КПД за счет применения режима мягкой коммутации силовых ключей, позволяет также существенно увеличить частоту преобразования до величины порядка 500 кГц и выше[7]. Уменьшение коэффициента гармоник входного и выходного токов достигается применением многотактного режима работы DC-DC конверторов. В частности, в работе рассмотрены однотактные, двухтактные и трехтактные схемы преобразователей.

Кроме того, подобная система электроснабжения включает в себя повышающие, понижающие преобразователи и двунаправленные повышающие/понижающие преобразователи постоянного напряжения.

Задача работы - провести исследование резонансных DC-DC-конверторов на основе структур с переключаемыми конденсаторами для автономных систем энергоснабжения, а также разработка регуляторов постоянного тока, позволяющих максимально уменьшить помехи на входе и пульсации на выходе преобразователя.

В проекте рассмотрен принцип построения многотактных электронных силовых трансформаторов на основе резонансных структур с переключаемыми конденсаторами.

Показано, что увеличением числа тактов преобразования достигается заметное увеличение КПД и резкое снижение суммарной емкости конденсаторов силовой цепи трансформатора. Кроме того, существенно улучшаются коэффициент гармоник входного тока и входной коэффициент мощности. Компьютерное моделирование основных узлов системы преобразования электрической энергии выполнялось с использованием программного обеспечения PSIM.

Актуальность темы

Целесообразность построения электронных силовых трансформаторов (ЭСТ) обусловлена стремлением замены громоздких сетевых трансформаторов, работающих на частоте промышленной сети, на более технологичные высокочастотные и, следовательно, малогабаритные устройства. ЭСТ могут быть использованы для согласования различных уровней напряжений промышленной частоты при питании электрических машин от низковольтной или высоковольтной сети.

Эффективным является также применение регулируемого ЭСТ в качестве стабилизатора сетевого напряжения не требующего гальванической развязки входа и выхода.

Принцип построения ЭСТ на основе высокочастотных резонансных структур с переключаемыми конденсаторами c точки зрения методологии является оригинальным, т.к. в отличие от известных методов [1-3], исключает промежуточное преобразование переменного напряжения сети в постоянное с последующим высокочастотным инвертированием.

Главные показатели качества таких устройств - масса, габариты, КПД, коэффициент мощности и коэффициенты гармоник входного и выходного токов.

1. Обзор литературы

Главные показатели качества таких устройств - масса, габариты, КПД, коэффициент мощности и коэффициенты гармоник входного и выходного токов. Принципиальные схемы силовой цепи (СЦ) однотактных (k=1), нерегулируемых - повышающего и понижающего ЭСТ на основе резонансных двунаправленных преобразовательных модулей ДПМ (~) приведены на (рис. 1.1), а на (рис. 1.2) даны временные диаграммы токов и напряжений, поясняющие их работу в обоих направлениях.

Рис. 1.1. Принципиальные схемы СЦ однотактных повышающего и понижающего ЭСТ

силовой коммутация транзистор трансформатор

Принцип действия повышающего (понижающего) ЭСТ основан на периодическом параллельном (последовательном) подзаряде конденсаторов его ДПМ(~) на высокой частоте преобразования(десятки килогерц) от сети переменного тока, с их дальнейшим последовательным (параллельным) разрядом на нагрузку. Зарядные - VT(1-2), VT(3-2) и разрядные ключи - VT(2-1), VT(2-2) ЭСТ работают поочередно без перекрытий в течение половины периода частоты . Поскольку разряд (заряд) конденсаторов происходит через последовательно соединенную сеть, то силовая цепь ДПМ(~) упрощается уменьшением числа конденсаторов на единицу. В результате выходные напряжения повышающего и понижающего ЭСТ зависят от числа конденсаторов его СЦ - и оказываются равными и , что соответствует коэффициентам преобразования  и . Фильтрация напряжения на нагрузке осуществляется с помощью ФНЧ образованном элементами самой нагрузки .

Важное свойство предлагаемых структур состоит в том, что благодаря введению во входную и выходную цепи ДПМ(~) реакторов , а также конденсаторав контур нагрузки, все двунаправленные ключи, входящие в их состав, работают в режиме мягкой коммутации.

Мягкая коммутация практически устраняет динамические потери в указанных ключах, вследствие чего, рассматриваемые ЭСТ имеют высокий КПД.

С другой стороны мягкая коммутация позволяет в несколько раз увеличить частоту преобразования  ключей в ДПМ(~), и тем самым значительно улучшить удельные массообъемные показатели ЭСТ за счет пропорционального снижения величин емкостей и индуктивностей его СЦ, определяемых по формулам (1),(2).

Кроме того, при коэффициенте преобразования используемых ДПМ(~) , все двунаправленные ключи выбираются одинаковыми, т.к. их токи и напряжения соответственно в открытом и закрытом состояниях совпадают по форме и величине.

При этом максимальные напряжения на указанных ключах в закрытом состоянии равны амплитудному напряжению сети .

Рис.1.2. Временные диаграммы, поясняющие работу однотактных повышающего и понижающего ЭСТ

Для улучшения массообъемных и энергетических показателей, а также входных и выходных характеристик целесообразно применить многотактные ЭСТ (рис.3). На рис. 4. даны временные диаграммы, поясняющие работу трехтактного ЭСТ. Особенность работы k-тактных ЭСТ в том, что работа отдельных ДПМ(~) равномерно распределена по периоду  частоты преобразования , т.е. происходит со сдвигом друг относительно друга на время

Рис. 1.3. Структурные схемы двух и трехтактного повышающих ЭСТ

Рис.1.4. Временные диаграммы, поясняющие работу трехтактного повышающего и понижающего ЭСТ

Достоинство многотактного ЭСТ заключается в резком снижении коэффициента гармоник входного тока , особенно при k=3, за счет увеличения частоты его пульсации до значения

Величины емкости и индуктивности конденсаторов и реакторов всех ДПМ(~) в составе СЦ многотактного повышающего ЭСТ, обеспечивающие резонанс на высокой частоте преобразования , не зависят от числа конденсаторов - N и определяются выражениями

,         (1)

- максимальное действующее значение тока нагрузки ЭСТ,

- допустимая относительная пульсация напряжения на конденсаторах  в ДПМ(~).

Для понижающего ЭСТ параметры этих элементов, зависят от  и вычисляются по формулам

.        (2)

Сравнение (1) и (2) показывает, что при одинаковых  понижающий ЭСТ способен отдать в нагрузку ток превышающий ток нагрузки повышающего ЭСТ в (N+1) раз. Это означает, что так же, как и обычный силовой трансформатор ЭСТ имеет одинаковую мощность при работе в обоих направлениях.

Моделирование электрических процессов в ЭСТ показывает, что для любых значений k низкочастотные (на частоте сети) огибающие токов сети  и нагрузки совпадают по форме и фазе, отличаясь амплитудой в  раз, что соответствует эквивалентной схеме рис.5.

Поскольку фазы напряжений  и  также совпадают, то это означает, что фазовый сдвиг  между  и первой гармоникой  и, следовательно, коэффициент мощности входной цепи ЭСТ равный  [3], определяется фазой комплексного сопротивления контура нагрузки .

Это означает, что максимальное значение  достигается при , т.е. на резонансной частоте контура нагрузки, определяемой выражением

.   (3)

Рис.1. 5. Эквивалентная схема и временные диаграммы огибающих входного и выходного токов ЭСТ

Отсюда легко получить выражение для определения величины емкости контура нагрузки, обеспечивающей максимум коэффициента мощности входной цепи ЭСТ

.    (4)

Интересно отметить, что ввиду сравнительно низкой добротности контура нагрузки, максимум функции входного коэффициента мощности , не является ярко выраженным, т.е. допускает уменьшение величины  без заметного ухудшения энергетических характеристик ЭСТ рис.6. Уменьшение номинала  позволяет существенно снизить габариты ЭСТ. При этом, темпы снижения величины емкости  возрастают с увеличением числа тактов преобразования ЭСТ - k . Из графика видно, что если для k=1 заметного уменьшения  не наблюдается при снижении емкости  с 170 мкФ до 150мкФ, то уже при k=2 её можно уменьшить до величины 90 мкФ, а в трехтактном ЭСТ до 50 мкФ.

Кроме того, графики рис.6 наглядно показывают преимущество двух и трехтактных ЭСТ по сравнению с однотактным (k=1) по КПД (г), коэффициентам мощности (б) и гармоник входного тока (в), а также виду нагрузочной характеристики (а).

Рис.1.6. Технические характеристики одно, двух и трехтактных ЭСТ

При создании систем стабилизации сетевого напряжения необходимы регулируемые ЭСТ. Максимальный КПД и минимальный коэффициент гармоник выходного напряжения достигается регулировкой выходного напряжения по принципу многозонной широтно- импульсной модуляции (ШИМ) [7]. Силовая цепь регулируемого двухтактного ЭСТ отличается от схемы рис.3 отсутствием конденсатора и алгоритмом управления зарядных VT(1-2) и разрядных VT(2-2) двунаправленных транзисторных ключей в ДПМ 1(~) и ДПМ 2(~). Регулировка выходного напряжения осуществляется ШИМ сигналов управления коммутацией разрядных ключей VT(2-2). При этом многозонная ШИМ достигается дополнительным инверсным управлением коммутацией зарядных ключей VT(1-2). Алгоритм управления ключами ДПМ1(~) и ДПМ2(~) определен соответствующими матрицами управления (5).

Здесь

управляющий сигнал - последовательность управляющих импульсов длительностью следующих с частотой;

управляющий сигнал - инвертированный сигнал ;

управляющий сигнал - сигнал X регулируемый по длительности от до ;

управляющий сигнал - инвертированный сигнал  ;

- управляющий сигнал - задержанный на время сигнал ;

управляющий сигнал - инвертированный сигнал .

Регулировочные характеристики двухтактного регулируемого ЭСТ приведены на рис.7.

Рис.1.7.Регулировочные характеристики двухтактного регулируемого ЭСТ

ПОНЯТИЕ О ВХОДНОМ КОЭФФИЦИЕНТЕ МОЩНОСТИ

Факторы, влияющие на входной коэффициент мощности

Назначение выпрямительного устройства состоит в преобразовании переменного напряжения питающей сети в постоянное, которое используется для питания всевозможных электронных устройств. Как уже отмечалось, преобразование электрической энергии осуществляется с помощью резко нелинейных элементов - вентилей, которые могут находиться только в одном из двух состояний - включенном (проводящем) или выключенном (запертом). В результате как потребление энергии из питающей сети, так и передача ее на выходе потребителю происходит дискретно, что приводит к снижению качества преобразуемой и преобразованной электроэнергии. Для ослабления и сглаживания последствий дискретности процесса преобразования энергии, для уменьшения переменных составляющих предназначены фильтры на входе и выходе вентильной ячейки.

Для выпрямителей принципиальное значение имеет характер нагрузки, включенной на выходе, т.е. схема сглаживающего фильтра. Наличие сглаживающего фильтра оказывает значительное влияние на режим работы выпрямителя и его элементов, т.к. наличие переменной составляющей в большинстве случаев является нежелательным. Накопление (запасание) мощности можно осуществить лишь в реактивных элементах - катушках индуктивности или конденсаторах, которые оказывают соответственно большое и малое сопротивления переменному току и, наоборот, для постоянного тока. В итоге фильтр пропускает с малым ослаблением постоянную составляющую и с большим ослаблением переменную составляющую. Чем больше индуктивность L или емкость C, тем пульсации меньше, ток в нагрузке получается более сглаженным.

Включением конденсатора можно создать самостоятельную цепь протекания тока, обусловленную переменной составляющей выпрямленного напряжения, минуя цепь нагрузки. Т.к. сопротивление конденсатора переменному току малó, то его переменная составляющая в основном идет в ветвь конденсатора, падение напряжения на конденсаторе от переменной составляющей тока также малό, обеспечивая тем самым уменьшение пульсаций напряжения на нагрузке.

При работе устройства от сети переменного тока важно знать характер потребляемой им мощности. Наиболее благоприятным режимом является потребление только активной мощности. Это означает, что при синусоидальном напряжении сети потребляемый ток также синусоидален и не имеет фазового сдвига относительно питающего напряжения.

Способы коррекции входного коэффициента мощности

В настоящее время наиболее популярным методом коррекции входного коэффициента мощности стал метод активной высокочастотной коррекции. В данном случае переключение элементов, регулирующих потоки мощности, осуществляется с частотой много большей, чем частота питающей сети, по синусоидальному закону с частотой, равной частоте напряжения питающей сети. Тогда, при условии постоянства напряжения на выходе моста, на входе образуется широтно-модулированная последовательность импульсов. Это позволяет обеспечить синусоидальный входной ток, совпадающий по фазе с питающим напряжением, при существенно лучших весогабаритных показателях системы в целом.

Для повышения входного коэффициента мощности используют так называемые корректоры входного коэффициента мощности (Power Factor Corrector - PFC (KKM)), которые располагаются между выпрямителем и емкостным фильтром. . Сформировать на входе выпрямителя синусоидальный ток можно с помощью одной из распространенных схем преобразователей постоянного напряжения в постоянное.

Рис. 1.8. Схемы преобразователей постоянного напряжения в постоянное: а) понижающий; б) повышающий;

Широтно-импульсные преобразователи постоянного напряжения преобразовывают постоянное напряжение в импульсное, среднее значение которого (т.е. его постоянную составляющую, выделяемую в нагрузке фильтрами) можно регулировать.

Эти схемы используются в качестве корректоров коэффициента мощности, если их расположить между мостовым выпрямителем и фильтрующим конденсатором, и с помощью системы управления управлять ключом K.

В первой схеме (рис. 1.8, а) при замкнутом ключе K от источника питания в нагрузку протекает ток, при этом и в индуктивности L запасается энергия. Диод D обеспечивает непрерывную подачу мощности в нагрузку. На интервале разомкнутого состояния ключа K связь выходной цепи с источником питания отсутствует, однако ток через нагрузку продолжает протекать за счет энергии, запасенной в магнитном поле катушки индуктивности L на предыдущем интервале. Только замыкается теперь он через диод. В результате ток нагрузки получается сглаженным. Приведенная на рис. 1.8, а схема понижает преобразуемое напряжение (Buck Converter) и по этой причине не может быть эффективно использована в качестве корректора коэффициента мощности.

В схеме на рис. 1.8, б на первом интервале, когда ключ замкнут, ток в накопительном дросселе L нарастает и в нем запасается энергия, отбираемая от источника входного напряжения U_ВХ. На втором интервале, когда ключ K разомкнут, источник питания через дроссель L и диод D подключается на выход схемы. При этом в нагрузку передается энергия не только от источника питания, но и энергия, запасенная в реакторе на предыдущем интервале. Выходное напряжение преобразователя по этой причине оказывается по величине больше, чем напряжение источника питания (Boost Converter). Схема, повышающая преобразуемое напряжение и имеющая U_ВЫХ > U_ВХ, может реализовать функции корректора коэффициента мощности.

Схема повышающего преобразователя постоянного напряжения успешно используется в качестве корректора коэффициента мощности в ключевых источниках вторичного электропитания мощностью до 2кВт.

Осуществив широтно-импульсную модуляцию импульсов управления силовым ключом К, можно сформировать кривую входного тока выпрямителя пилообразной квазисинусоидальной формы. Ток при этом может быть как прерывистым (рис. 1.9), так и непрерывным (рис. 1.1.1.).

Рис. 1.9. Прерывистый режим тока.

Рис. 1.10. Непрерывный режим тока.

В каждом высокочастотном цикле ток имеет треугольную форму, а его усредненное значение за период напряжения питающей сети пропорционально среднему значению выпрямленного напряжения. Таким образом, модулируя соответствующим образом длительность проводящего состояния ключа с частотой, во много раз превышающей частоту питающего напряжения, можно сформировать практически синусоидальные полуволны тока, синфазные с напряжением.

Все это способствует улучшению качества потребляемого тока, уменьшению гармонических искажений и, как результат, повышению входного коэффициента мощности.

Автономная система электроснабжения

Главные требования при проектировании автономных систем энергоснабжения (АСЭ) - малые габариты, высокий КПД и низкий уровень создаваемых импульсных помех. КПД Современных устройств преобразования электрической энергии - классических высокочастотных широтно-импульсных инверторов и DC-DC преобразователей, для автономных систем энергоснабжения, близок к достижению своего максимально предельного значения. Дальнейшее увеличение КПД на несколько процентов может быть достигнуто снижением коммутационных потерь мощности в силовых ключах применением резонансных методов, обеспечивающих режим их мягкой коммутации, а также уменьшением динамических перепадов напряжения при переходе из режима отсечки в насыщение. Снижение уровня импульсных помех достигается разумной децентрализацией в сочетании с многотактным режимом работы используемых преобразователей

2. Расчетный раздел

2.1 Расчет режима мягкой коммутации

Величина индуктивности, которая требуется для цепи заряда, расчитывается на выбранную тактовую частоту так, чтобы период получившегося в результате колебательного контура равнялся периоду, соответствующему тактовой частоте.

          Схема с последовательным соединением RLC аналогична соединению конденсаторно-диодной цепочки (КДЦ) с катушкой индуктивности для обеспечения режима мягкой коммутации. Схема последовательного соединения индуктивности и емкости, а также напряжение в RLCконтуре приведены на Рис.2.1.

Рис.2.1. Схема последовательного включения индуктивности и емкости и напряжение в RLCконтуре

Форма тока , протекающего в цепи на рисунке описывается выражением:

Полагая, R=0 определяем формируем условия для определения периода Tсинусоидального колебания зарядного тока .

Проанализировав выражения -  можно сделать следующий вывод:

Принимая во внимания, что T=1/F, получаем следующее выражение для расчета индуктивности мягкого включения КДЦ:

Тактовая частота конвертора при моделировании была задана равной 20 кГц. Зная значение емкости конденсатора (С) и частотукоммутации ()найдем требуемое значение индуктивности для мягкого включения:

2.2 Расчет частоты коммутации транзисторов (МOSFET и IGBT)

Среднее время включения современных полевых транзисторов колеблется около 50 нс.

За один период коммутации происходит открытие и закрытие ключа, таким образом общее время, которое ключ находится в неуправляемом состоянии  Необходимо, чтобы  было не более 5% от периода коммутации .

Из этого условия можем посчитать максимально возможную частоту коммутации ключей:

Таким образом, из формулы  следует, что  , где  - частота коммутации ключей.

Среднее время включения и выключения IGBTтранзистора примем равным: . Необходимо, чтобы  было не более 5% от периода коммутации.

Исходя из этого условия и опираясь на формулу , мы можем посчитать максимально возможную частоту коммутации ключей:

Таким образом, из формулы следует, что .

3. Электронные силовые трансформаторы (ЭСТ)

.1. Однокаскадный неуправляемый ЭСТ (k=1, k=1)

3.1.1 Двухкаскадный неуправляемый ЭСТ (k=2, k=1)

3.2 Двухкаскадный управляемый ЭСТ(k=1, k=2)

3.2.1 Двухкаскадный управляемый ЭСТ(k=2, k=2)

4. Графические характеристики ЭСТ

Рис. 8. Графики коэффициента полезной действия и мощности ЭСТ.

Рис.9. Графики нагрузочных характеристик ЭСТ

Заключение

1. На основе структур с переключаемыми конденсаторами разработаны и исследованы принципы построения многотактных резонансных двунаправленных ЭСТ, имеющих высокий КПД и улучшенные массогабаритные показатели по сравнению с классическими сетевыми трансформаторами.

. Исходя из резонансных свойств структуры ЭСТ получены выражения для определения параметров реактивных элементов его СЦ.

. Показано, что при любом количестве тактов ЭСТ коэффициент мощности его входного тока полностью определяется элементами контура нагрузки. Получено выражение для определения величины емкости нагрузки, обеспечивающей максимум коэффициента мощности входного тока ЭСТ.

. Показано, что увеличение числа тактов преобразования ЭСТ ведет к заметному уменьшению коэффициента гармоник его входного тока, улучшению нагрузочной, входных и энергетических характеристик, а также позволяет резко снизить величину суммарной емкости его силовой цепи.

. На основе принципа многозонной ШИМ предложена схема и алгоритм коммутации двухтактного регулируемого ЭСТ, с повышенным КПД и улучшенным коэффициентом гармоник входного тока и выходного напряжения.

Литература

[1] H.H.Weiss, K.Ince, G.Zinoviev "Multi-Input Small-Power Renewable Energy Supply System Realized By Special Power Electronics" c. 617-622

[2] Л.Г. Зотов. Анализ импульсных помех в бестрансформаторных системахвторичного электропитания. Научный вестник НГТУ,№1(19), 2005, c.83-88.

[3] Л.Г. Зотов. Метод построения многоуровневых инверторов на основе повышающих конденсаторных преобразователей с изменяющейся структурой. "Электротехника",№10,2007, с.34-40.

[4] Л.Г.Зотов.Конденсаторные повышающие преобразователи с изменяющейся структурой для автономных энергосистем. "Электротехника" №4,2011,c.46-50.

[5] Л.Г.Зотов. Понижающие преобразователи постоянного напряжения на основе структур с переключаемыми конденсаторами для автономных энергосистем.Научный вестник НГТУ, №1(42), 2011,с.151-158.

[6]Л.Г.Зотов.Двухуровневая система обмена электрической энергией постоянного тока на основе структур с переключаемыми конденсаторами для автономных энергосистем. "Электротехника" № 7, 2011, c.52-57.

[7] Л.Г. Зотов.Патент RU №2284633. Регулируемыйпонижающий преобразователь постоянного напряжения.Опубл.БИ №27, 27.09.2006г.

[8] Л.Г. Зотов. Патент RU №2323515. Регулируемый понижающий преобразовательпостоянного напряжения.Опубл. БИ №12, 27.04.2008г.

[9] Л.Г. Зотов. Патент RU №2394345. Регулируемый повышающий преобразователь постоянного напряжения. Опубл. БИ №19, 10.07.2010г.

[10]Л.Г. Зотов,Г.С. Зиновьев Патент RU №2415506. Регулируемый понижающий преобразовательпостоянного напряжения.Опубл. БИ №9, 27.03.2011г.

[11] C.Nunez, Jlira, N.Visairo "Analysis of the Boundaries to Compensate Voltage Sag Events Usinga Single Phase Multi-Level Rectifier",EPEJournal-Vol.20.-No 4.-Dec.2010,c.5-11.

[12] Кассакян Дж.Г., Шлехт М.Ф. Высокочастотные преобразователи высокой удельной объемной мощности для распределенных систем электропитания. Труды института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике. ТИИЭР, т.76, №4,1988, c. 67-83.

[13]On-Cheong Mak, Yue-Chung Wong, and Adrian Ioinovici "Step-up DC Power Supply Based on a Switched-Capacitor Circuit", IEEE Transactions on industrial electronics, vol 42,no 1, Febr. 1995, c. 90-97.

[14] J.Han, A. von Jouanne, and G.S.Temes"A New Approach to Reducing Output Ripple in Switched-Capacitor-Based Step-Down DC-DC Converters", IEEE Transactions on power electronics, vol 21, no 6, Nov.2006, c. 548-1555.

[15] Ф.К. Ли. Высокочастотные квазирезонансные преобразователи. Труды института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике. ТИИЭР, т.76, №4,1988, c. 83-97.