Диссертация (Методы обеспечения параллельного включения транзисторных инверторов)

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)На правах рукописиВоронина Людмила НиколаевнаМЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ВКЛЮЧЕНИЯТРАНЗИСТОРНЫХ ИНВЕРТОРОВСпециальность 05.09.03 «Электротехнические комплексы и системы»Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наукНаучный руководительд.т.н., профессор Шевцов Д.А.Москва – 20142ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………....4ГЛАВА 1. Методы синхронизации задающих генераторов………………………131.1. Проблемы, возникающие при проектировании многомодульныхинверторов……………………………………………………………………….131.2.

Сравнительный анализ известных методов синхронизации задающихгенераторов………………………………………………………………………291.3. Структуры синхронизирующих связей для задающих генераторов…………34ГЛАВА 2. Новый метод обеспечения параллельной работы задающихгенераторов……………………………………………………………….382.1. Параллельная работа задающих генераторов на основемультивибратора………………………………………………………………...392.2. Параллельная работа задающих генераторов на основе полосовогофильтра…………………………………………………………………………...54ГЛАВА 3. Метод обеспечения параллельного включения однофазныхинверторов в режиме управления по напряжению…………………….683.1.

Параллельная работа однофазных инверторов с управлением по напряжениюв номинальном режиме………………………………………………………….683.2. Параллельная работа однофазных инверторов с управлением по напряжениюв аварийном режиме……………………………………………………………..823.3. Параллельная работа однофазных инверторов с управлением по напряжениюв переходном режиме……………………………………………………………84ГЛАВА 4. Метод обеспечения параллельного включения однофазныхинверторов в режиме управления по току………………………………904.1. Параллельная работа однофазных инверторов с управлениемпо току в номинальном режиме…………………………………………………904.2. Параллельная работа однофазных инверторов с управлением3по току в аварийном режиме…………………………………………………...1024.3.

Параллельная работа однофазных инверторов с управлениемпо току в переходном режиме………………………………………….……....104ГЛАВА 5. Метод обеспечения параллельного включения трехфазныхинверторов…………………………………………………………….....1095.1. Параллельная работа задающих генераторов на основе мультивибратораи на основе полосового фильтра для трехфазных инверторов……………...1095.2. Параллельная работа трехфазных инверторов с управлениемпо напряжению в номинальном режиме………………………………….…..1185.3. Параллельная работа трехфазных инверторов с управлениемпо напряжению в аварийном и переходном режимах……………………….

1245.4. Параллельная работа трехфазных инверторов с управлениемпо току в номинальном режиме…………………………………………….….1285.5. Параллельная работа трехфазных инверторов с управлениемпо току в аварийном и переходном режимах……………………………….…133ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………….…...136Список сокращений и условных обозначений…………………………………….138Список литературы…………………………………………………………….….…1394ВВЕДЕНИЕАктуальность работы. Транзисторные инверторыпредставляют собойотдельный класс источников вторичного электропитания и предназначены дляпреобразования постоянного напряжения (тока) первичного источника впеременное напряжение (ток) для питания соответствующих потребителей.Инверторы могут быть как самостоятельными устройствами, так и составнойчастью других устройств: источников бесперебойного питания, преобразователейчастоты, регуляторов синхронных и асинхронных двигателей.

На сегодняшнийдень для мощностей до 10 кВА используются транзисторные инверторы ссиловыми ключами на основе МДП- или IGB-транзисторов. На современномэтапе инверторы применяются как на борту летательных аппаратов, так и вназемных авиационных комплексах.На борту летательных аппаратов транзисторные инверторы используютсядля питания таких потребителей, как радиолокационное оборудование, пилотажно-навигационные комплексы, оборудование радиосвязи, устройства систем автоматического управления и т. д. [17, 31, 64, 65]В наземных авиационных комплексах инверторы используются для питанияаэродромного оборудования, в качестве составной части систем электроснабжения комплексов обслуживания мобильных объектов и беспилотных летательныхаппаратов в полевых условиях, а также передвижных и стационарных пусковыхплатформ и т. п.Постоянно возрастающие требования к качеству электроэнергии переменного тока на фоне постоянно увеличивающегося количества потребителей переменноготока вызывают необходимость повышения мощности и надежности инверторов.Повышение мощности может быть выполнено либо разработкой устройств на базе более мощных электронных компонентов, либо так называемым модульнымспособом.

В последнем случае наращивание мощности происходит за счет параллельного включения одинаковых модулей инверторов, когда они работают на общую нагрузку5Такой способ обладает рядом преимуществ по сравнению с одномодульнойсистемой электропитания.Для обеспечения электроснабжения критических нагрузок возможно использование одномодульных источников переменного тока. Однако при возникновении аварийной ситуации на борту летательного аппарата или проведениипрофилактических, регламентных и других видов работ в наземных условиях источник необходимо отключать. При этом нагрузка на какое-то время обесточивается, что неприемлемо для определенных типов нагрузок.Модульный способ позволяет создать некоторую избыточность системы помощности за счет резервирования при использовании дополнительных преобразователей.

В случае выхода из строя или принудительного отключения одного измодулей, происходит подключение резервного модуля, что не приводит к 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 на новые разработки и, по возможности, уменьшить себестоимость уже выпускаемыхустройств. Поэтому с экономической точки зрения им выгоден способ параллельного соединения инверторов средней мощности, так как он позволяет минимизировать время и производственные затраты на создание новых преобразователей[86].Таким образом к преимуществам многомодульной конструкции источниковвторичного электропитания можно отнести:– возможность наращивания выходной мощности при увеличении нагрузкибез затрат на новые разработки;– возможность простого резервирования дополнительных модулей, поскольку при подключении резервного модуля параметры выходного напряжениясистемы не изменяются;6– возможность создания определенной избыточности системы по мощности, используя дополнительные преобразователи, как резервные;– возможность замены неисправных модулей без отключения системы, чтопозволяет минимизировать время обслуживания при ремонте, простоту технического обслуживания и профилактики, максимальную эксплуатационную эффективность.Примерами использования модульного принципа построения преобразователей служат разработки таких фирм как: «Liebert» (Италия), «N-Power» (ИталияРоссия), ООО «Ирбис-5» (Россия).

В данном случае это источники бесперебойного питания (ИБП) для офисных и промышленных объектов.Также способ параллельного соединения ИВЭП применяется сейчас в проекте по созданию автономных систем электроснабжения (АСЭ) на базе возобновляемых источников энергии с использованием накопителей энергии и преобразователей (ЗАО «ЭлектроСи» (Россия)). В данном проекте предполагается обеспечение мощности системы до 315 кВт за счет параллельного соединения унифицированных преобразовательных ячеек (накопителей энергии и преобразователей).Это позволит оперативно изменять мощность под конкретный объект, даст возможность «горячей» замены преобразовательных ячеек и увеличит надежность засчет автоматизации сборки однотипных преобразователей.Еще одним примером использования многомодульных преобразователейявляется модуль трехфазного питания МТП-5000, представляющий собой два параллельно соединенных преобразователя постоянного тока в переменный трехфазный частотой 400 Гц.

Эта разработка ОАО «Авиационное оборудование»(Россия) применялась при создании систем электропитания комплексов морскогобазирования.Многомодульные инверторы используются также при проектировании систем энергоснабжения авиационной техники. В данном случае применение преобразователей на базе параллельного соединение инверторов актуально при отсутствии на самолете первичной системы переменного тока, как например на учебнобоевых самолетах МиГ-АТ, где конструкция двигателей не позволяет установить7на коробке самолетных агрегатов генераторы переменного тока. Как основной канал переменного тока многомодульные преобразователи служат и на самолетахИл-38.В нашей стране данной проблеме посвящены труды таких ученых, как В.С.Моин, Г.С. Мыцык, А.В. Лукин, А.И.

Юрченко, В.А. Головацкий, Г.М. Малышков, Ю.К. Розанов, С.Ф. Коняхин, А.В. Кобзев, С.А. Харитонов, Г.С. Зиновьев,Е.Е. Чаплыгин, А.К. Осипов, Н.Н.Лаптев и других специалистов.Анализ литературы показал, что основная проблема, возникающая при организации параллельной работы инверторов, заключается в неравномерном распределении токов между ними. Это может быть вызвано разбросом внутреннихпараметров инверторов. Так при параллельном включении инверторов разбросвнутренних параметров всего в 1% может вызвать неравномерность токов на выходе инверторов до 100% [22, 106]. Несинхронность выходных частот инверторовприводит к «биениям» выходного напряжения параллельно работающих модулей.На данный момент в литературе уже имеются технические решения, но сравнительный анализ показал, что они обладают рядом недостатков и не могут бытьиспользованы 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 по обеспечению параллельной работы инверторов.Таким образом задача определения функциональных блоков и выявлениепараметров, неблагоприятно влияющих на возможность параллельного включения модулей инверторов, а также поиск функциональных и схемотехническихрешений, позволяющих создавать инверторы, способные при параллельномвключении обеспечить равномерное токораспределение между модулями и отсутствие «биений» выходного напряжения, является актуальной задачей.Цели и задачи работы.

Целью работы является исследование и разработкаэффективных методов обеспечения равномерного распределения токов при параллельной работе однофазных и трехфазных транзисторных инверторов с раз-8личными 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 инверторов сцелью выявления их достоинств и недостатков;– анализ работы функциональных узлов для определения их влияния на неравномерность токораспределения между параллельно работающими инверторами;– анализ способов обеспечения равномерного токораспределения между параллельно работающими инверторами;– разработка компьютерных моделей однофазных и трехфазных инверторов суправлением как по току так и по напряжению;– разработка структурных, функциональных и схемотехнических решенийдля синхронизации выходных напряжений однофазных и трехфазных инверторовпо амплитуде, частоте и фазе в многомодульных инверторах с управлением понапряжению и с управлением по току.Научная новизна заключается в следующем:– предложен метод введения компенсирующих связей, устраняющих разброспо амплитуде, частоте и фазе, обеспечивающий синхронизацию выходных напряжений параллельно работающих инверторов и исключающий задачу синхронизации задающих генераторов по амплитуде, частоте и фазе.