Автореферат (Методы повышения эффективности трехфазных транзисторных централизованных преобразователей частоты для систем электроснабжения летательных аппаратов)

На правах рукописиДАНИЛИНА АНАСТАСИЯ НИКОЛАЕВНАМЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТРЕХФАЗНЫХТРАНЗИСТОРНЫХ ЦЕНТРАЛИЗОВАННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙЧАСТОТЫ ДЛЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХАППАРАТОВСпециальность 05.09.03 – "Электротехнические комплексы и системы"АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2013 г.Работа выполнена на кафедре "Микроэлектронные электросистемы" Московскогоавиационного института (национального исследовательского университета)Научный руководителькандидат технических наук, доцентАверин Сергей ВладимировичОфициальные оппоненты:Резников Станислав Борисович, доктор техническихнаук,профессорэлектротехника»кафедрыФГБОУавиационный«ТеоретическаяВПОинститут«Московский(национальныйисследовательский университет)» (МАИ)Стецюк Николай Петрович, кандидат техническихнаук, старший военный инспектор по авиационным икосмическимсистемамВоеннаяинспекцияМинистерства обороны РФВедущая организацияЗАО «ММП – Ирбис»Защита состоится «19» ноября 2013 г.

в 11 час. 00 мин. на заседании диссертационногосоветаД212.125.07приМосковскомавиационноминституте(национальномисследовательском университете) по адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамскоеш., д.4, зал заседаний Ученого совета.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного института(национального исследовательского университета).Ваш отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью учреждения, просимнаправлять по указанному адресу.Автореферат разослан «18» октября 2013 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.125.07к.т.н., доцентА.Б. Кондратьев2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы. В настоящее время на борту летательных аппаратов широкоприменяются различные транзисторные преобразователи, среди которых важное, если нецентральное, место занимают преобразователи частоты первичного источника электроэнергии.Особенную важность преобразователи частоты получили с развитием концепции самолета сповышенным уровнем электрификации с введением ГОСТ 53074-2010, где изменение частотыпервичного источника находится в пределах от 360 до 800 Гц, тогда как для ряда ответственныхпотребителей допустимое отклонение частоты составляет не более 5% от номинальногозначения.

Поэтому разработке транзисторных преобразователей частоты (ТПЧ) уделяетсяповышенное внимание, направленное на улучшение их характеристик, что, в конечном счете, втой или иной мере повышает их эффективность.Основой ТПЧ является инвертор напряжения, проектирование которых требует решенияследующих задач: разработка инверторов с широким диапазоном изменения параметроввходного напряжения; разработка эффективных средств регулирования и контроля выходныхпараметров инвертора; создание схем оптимального управления режимом формирования,регулирования и стабилизации параметров выходного напряжения, защиты преобразователя отаварийных режимов; разработка средств автоконтроля и диагностики. При этом всефункциональные узлы должны быть конструктивно и информационно совмещены в единойсистеме преобразователя.К настоящему времени подробно разработаны: вопросы расчета параметров силовогоконтура, формирования траектории переключения силовых ключей; методы борьбы сосквозными токами; выбор параметров LC-фильтра; исследованы процессы в основных режимахработы.

В тоже время следует отметить, что процессы в преобразователях весьма сложны ипродолжают привлекать внимание специалистов, о чем свидетельствует непрекращающийсяпоток публикаций на эту тему. Диапазон выходных напряжений при одном варианте питания(типы сетей переменного тока согласно с ГОСТ 53074-2010) достаточно узок и требуетдополнительного узла преобразования, что снижает эффективность передачи энергии отпервичного источника к нагрузке.Большое внимание уделяется разработке эффективных алгоритмов формирования законапереключения транзисторов силового каскада. Разработаны схемы управления, основанные наалгоритмах широтно-импульсной модуляции по синусоидальному закону (ШИМ-СИН),широтно-импульсной модуляции по ступенчатому закону (ШИМ-СТ), кодового широтноимпульсного регулирования (ШИР-КД).

Снижение коэффициента гармоник оставляет широкоеполе деятельности для оптимизации по массогабаритным характеристикам. Выявление новых3алгоритмов повышает конкурентоспособность производимых инверторов, что также являетсяпризнаком повышения эффективности ТПЧ.Оптимизация массогабаритных показателей входного и выходного фильтров является крайневажным вопросом при решении общей задачи оптимизации устройства по массе.

Пульсациинапряжения первичной сети частично сглаживаются входным фильтром. Полное сглаживаниеприведет к непомерному увеличению массы фильтра. В результате часть пульсаций передаетсядалее на мостовой коммутатор инвертора и сглаживается выходным фильтром инвертора.Расчет оптимальных параметров обоих фильтров позволит получить минимальные по массефильтры при заданном качестве выходного напряжения.Большой вклад в разработку преобразователей энергии для систем электроснабжениялетательных аппаратов внесли Ю. И. Конев, Е. В. Машуков, Д.

А. Шевцов, Г. М. Малышков, В.А. Головацкий, В. С. Моин, А. В. Лукин, С. Б. Резников, А. И. Бертинов, В. Т. Морозовский, И.М. Синдеев, С. С. Букреев, Е. Е. Чаплыгин, В. И. Мелешин, Г. С. Мыцык, А. В. Кобзев и др.Большое количество разработок посвящено инверторам со звеном постоянного тока. Однаковопросы, связанные с обратимостью потока энергии через звено постоянного тока, вавиационных системах освещены недостаточно.СовременныеметодыповышенияэффективностиоснованынаповышенииКПДпреобразователя. Вопросы, связанные с уменьшением основных потерь (статических идинамических), подробно изучены. Уменьшение статических потерь возможно за счетсоответствующего выбора полупроводниковых приборов и задания режимов с малымипульсациями тока. Динамические потери, вызванные инерционностью полупроводниковыхприборов, паразитными параметрами электромагнитных и емкостных компонентов, а такжепроводников, минимизируются схемотехническими решениями и программными средствамиблока управления, чему так же посвящено большое количество научных работ.Однако повышение КПД является далеко не единственным аспектом повышенияэффективности преобразователя.

Рассмотрим какие аспекты также влияют на эффективность.Один из немаловажных аспектов – конструктивный. Действительно, преобразователь с болеепростой конструкцией имеет меньшее число элементов и, как следствие, большую надежностьи меньшую стоимость. Нельзя не отметить, что различные аспекты взаимно влияют друг надруга.

Так увеличение КПД уменьшает нагрев компонентов и тем самым увеличивает ихнадежность и упрощает конструкцию, так как не требует сложных решений по отводу тепла.Таким образом, проблема повышения эффективности ТПЧ является актуальной.Целью работы является исследование факторов, влияющих на эффективность работыпреобразователей частоты и поиск путей решения, позволяющих создавать преобразователи с4заданным качеством выходного напряжения при минимуме затрат на реализацию и расширениифункциональных возможностей преобразователей частоты СЭС ЛА.Достижение этой цели позволит создавать простые в эксплуатации, высокоэффективныетранзисторные преобразователи частоты. Для этого был проведен анализ требований ктрехфазным транзисторным преобразователям частоты, разработка алгоритмов управленияпреобразователем частоты, позволяющих достичь заданного качества выходного напряженияпри пониженной частоте коммутации, разработка структурных решений, позволяющихосуществлять двунаправленную передачу энергии через транзисторный преобразовательчастоты СЭС ЛА.Методы исследования.

При получении основных результатов в работе использованыметодыматематическогоанализа,теоретическихосновэлектротехники,теорииавтоматического управления, гармонического анализа. Достоверность и эффективностьразработанныхалгоритмовуправлениятранзисторнымипреобразователямичастотыподтверждается совпадением результатов расчетов различными методами и компьютерногомоделирования.Научная новизна работы заключается в следующем:1. Проведен анализ существующих силовых каскадов трехфазных транзисторныхпреобразователей частоты и выявлены структуры отвечающие требованиям,предъявляемым к преобразователям СЭС ЛА;2.