Автореферат (Методы обеспечения параллельного включения транзисторных инверторов)

На правах рукописиВоронина Людмила НиколаевнаМЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ВКЛЮЧЕНИЯТРАНЗИСТОРНЫХ ИНВЕРТОРОВСпециальность 05.09.03 «Электротехнические комплексы и системы»Автореферат диссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква–20142Работа выполнена в Московском авиационном институте (национальном исследовательском университете) на кафедре «Микроэлектронные электросистемы»Научный руководитель:доктор технических наук, профессорШевцов Даниил АндреевичОфициальные оппоненты: Лукин Анатолий Владимирович, доктор технических наук, профессор, академик АЭН РФ, генеральный директор ЗАО «ММП-Ирбис»,Коняхин Сергей Федорович, кандидат техническихнаук, главный конструктор ОАО «Аэроэлектромаш» по направлению «Преобразовательная техника»Ведущая организация:ОАО «Авиационное оборудование»Защита состоится «25» декабря 2014 г.

в 14.00 на заседании диссертационного совета Д212.125.07 при Московском авиационном институте (национальном исследовательском университете) по адресу: 125993, г.Москва, А-80, ГСП3, Волоколамское ш., д. 4, Ученый совет МАИ.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационногоинститута (национального исследовательского университета)Автореферат разослан « »2014 гУченый секретарьдиссертационного совета Д 212.125.07к.т.н.Степанов В.С.3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы.

Транзисторные инверторы представляют собойотдельный класс источников вторичного электропитания и предназначены дляпреобразования постоянного напряжения (тока) первичного источника в переменное напряжения (ток) для питания соответствующих потребителей. Инверторы могут быть как самостоятельными устройствами, так и составной частьюдругих устройств: источников бесперебойного питания, преобразователей частоты, регуляторов синхронных и асинхронных двигателей.

На сегодняшнийдень для мощностей до 10 кВА используются транзисторные инверторы с силовыми ключами на основе МДП- или IGB-транзисторов. На современном этапеинверторы применяются как на борту летательных аппаратов, так и в наземныхавиационных комплексах.На борту летательных аппаратов транзисторные инверторы используютсядля питания таких потребителей, как радиолокационное оборудование, пилотажно-навигационные комплексы, оборудование радиосвязи, устройства системавтоматического управления и т. д. (рис. 1).Рис. 1. Система электроснабжения самолета МиГ-АТ(1–стартер-генератор, 2–блок регулирования и защиты, 3–статический преобразователь, 4–аккумуляторная батарея, 5–распределительные устройства постоянного и переменного тока, 5– панель аэродромного питания)4В наземных авиационных комплексах инверторы используются для питания аэродромного оборудования, в качестве составной части систем электроснабжения комплексов обслуживания мобильных объектов и беспилотных летательных аппаратов в полевых условиях, а также передвижных и стационарных пусковых платформ и т.

п.Постоянно возрастающие требования к качеству электроэнергии переменного тока на фоне постоянно увеличивающегося количества потребителейпеременного тока вызывают необходимость повышения мощности и надежности инверторов. Повышение мощности может быть выполнено либо разработкой устройств на базе более мощных электронных компонентов, либо так называемым модульным способом.

В последнем случае наращивание мощностипроисходит за счет параллельного включения одинаковых модулей инверторов,когда они работают на общую нагрузку (рис. 2).Рис. 2. Параллельное соединение инверторовТакой способ обладает рядом преимуществ по сравнению с одномодульной системой электропитания.Для обеспечения электроснабжения критических нагрузок возможно использование одномодульных источников переменного тока. Однако при возникновении аварийной ситуации на борту летательного аппарата или проведении профилактических, регламентных и других видов работ в наземных усло-5виях источник необходимо отключать. При этом нагрузка на какое-то времяобесточивается, что неприемлемо для определенных типов нагрузок.Модульный способ позволяет создать некоторую избыточность системыпо мощности за счет резервирования при использовании дополнительных преобразователей.

В случае выхода из строя или принудительного отключения одного из модулей, происходит подключение резервного модуля, что не приводитк временному перерыву питания нагрузки.Кроме того, многие производители, выпускающие инверторы, стремятсяразработать одиночный преобразователь средней мощности и выпускать его вбольших количествах. Но потребность в преобразователях большой мощностипостоянно растет. При этом производители стремятся уменьшить расходы нановые разработки и, по возможности, уменьшить себестоимость уже выпускаемых устройств. Поэтому с экономической точки зрения им выгоден способ параллельного соединения инверторов средней мощности, так как он позволяетминимизировать время и производственные затраты на создание новых преобразователей.Таким образом к преимуществам многомодульной конструкции источников вторичного электропитания можно отнести:– возможность наращивания выходной мощности при увеличении нагрузки без затрат на новые разработки;– возможность простого резервирования дополнительных модулей, поскольку при подключении резервного модуля параметры выходного напряжения системы не изменяются;– возможность создания определенной избыточности системы по мощности, используя дополнительные преобразователи, как резервные;– возможность замены неисправных модулей без отключения системы,что позволяет минимизировать время обслуживания при ремонте, простотутехнического обслуживания и профилактики, максимальную эксплуатационную эффективность.6Анализ литературы показал, что основная проблема, возникающая приорганизации параллельной работы инверторов, заключается в неравномерномраспределении токов между ними.

Это может быть вызвано разбросом внутренних параметров инверторов. Так при параллельном включении инверторовразброс внутренних параметров всего в 1% может вызвать неравномерность токов на выходе инверторов до 100%. Несинхронность выходных частот инверторов приводит к «биениям» выходного напряжения параллельно работающихмодулей.

На данный момент в литературе уже имеются технические решения,но сравнительный анализ показал, что они обладают рядом недостатков и немогут быть использованы в крупносерийном производстве устройств повышенной надежности для бортовых сетей летательных аппаратов.По причинам защиты интеллектуальной собственности производители непубликуют в открытой печати структурные и схемотехнические решения пообеспечению параллельной работы инверторов.Таким образом задача определения функциональных блоков и выявлениепараметров, неблагоприятно влияющих на возможность параллельного включения модулей инверторов, а также поиск функциональных и схемотехнических решений, позволяющих создавать инверторы, способные при параллельном включении обеспечить равномерное токораспределение между модулями иотсутствие «биений» выходного напряжения, является актуальной задачей.Цели и задачи работы.

Целью работы является исследование и разработка эффективных методов обеспечения равномерного распределения токовпри параллельной работе однофазных и трехфазных транзисторных инверторовс различными способами управления (таких как ШИМ-регулированием по напряжению и с релейным регулированием по току), а также методов обеспечения безопасной работы многомодульных инверторов в аварийных и переходных режимах.Для достижения указанной цели в работе решаются следующие задачи:– анализ известных методов обеспечения параллельной работы инверторовс целью выявления их достоинств и недостатков;7– анализ работы функциональных узлов для определения их влияния нанеравномерность токораспределения между параллельно работающими инверторами;– анализ способов обеспечения равномерного токораспределения междупараллельно работающими инверторами;– разработка компьютерных моделей однофазных и трехфазных инверторов с управлением как по току так и по напряжению;– разработка структурных, функциональных и схемотехнических решенийдля синхронизации выходных напряжений однофазных и трехфазных инверторов по амплитуде, частоте и фазе в многомодульных инверторах с управлениемпо напряжению и с управлением по току.Научная новизна заключается в следующем:– предложен метод введения компенсирующих связей, устраняющих разброс по амплитуде, частоте и фазе, обеспечивающий синхронизацию выходныхнапряжений параллельно работающих инверторов и исключающий задачу синхронизации задающих генераторов по амплитуде, частоте и фазе.

Предложенные связи позволяют объединять задающие генераторы и устройства управления в единый блок, позволяющий модулям работать как единое устройство;– показана работоспособность предложенного метода для задающих генераторов различных типов (задающие генераторы на основе мультивибратора,задающие генераторы на основе полосовых фильтров, а также для задающихгенераторов трехфазных инверторов с фазовращателями);– выявлено необходимое число компенсирующих связей, устраняющихразброс по амплитуде, частоте и фазе, между задающими генераторами параллельно включенных инверторов для обеспечения работоспособности инверторов как с управлением по напряжению, так и с управлением по току;– показано, что на несинхронность выходных напряжений параллельно работающих инверторов помимо параметров задающих генераторов влияют также параметры устройств управления.8– выявлено, необходимое число дополнительных компенсирующих связей,устраняющих разброс по амплитуде, частоте и фазе, между управляющими устройствами инверторов;– выявлено, что для исключения взаимного влияния связей как между задающими генераторами, так и между управляющими устройствами инверторовнеобходимо вводить буферные каскады.

Предложены структурные и схемотехнические решения данных каскадов;– подтверждена работоспособность способа введения дополнительных связей между задающими генераторами и устройствами управления для однофазных и трехфазных инверторов как с управлением по напряжению, так и суправлением по току в номинальном, переходном и аварийном режимах.Практическая значимость работы состоит в следующем:– предложена классификация известных методов синхронизации задающихгенераторов и выявлены их достоинства и недостатки;– разработаны компьютерные модели однофазных и трехфазных инверторов с управлением как по напряжению, так и по току, позволяющие исследовать процессы в параллельно работающих инверторах;– предложена реализация метода, обеспечивающего синхронизацию выходных напряжений параллельно работающих инверторов и исключающего задачу синхронизации задающих генераторов на основе мультивибратора и задающих генераторов на основе полосовых фильтров;– предложена реализация метода введения дополнительных связей междууправляющими устройствами инверторов, обеспечивающего более равномерное токораспределение в номинальном, аварийном и переходном режимах;– предложенны структурные и схемотехнические решения буферных каскадов.Методология и методы исследования.