Автореферат (Методы формирования импульсных напряжений на входе фильтров инверторов систем электрооборудования летательных аппаратов)

На правах рукописиАНИСИМОВА ТАТЬЯНА ВИКТОРОВНАМЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ НА ВХОДЕФИЛЬТРОВ ИНВЕРТОРОВ СИСТЕМ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВСпециальность 05.09.03 – "Электротехнические комплексы и системы"АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2013 г.Работа выполнена на кафедре «Микроэлектронные электросистемы» ФГБОУ ВПО «Московскийавиационный институт (национального исследовательского университета)» (МАИ).Научный руководитель:кандидат технических наук, доцент Крючков ВасилийВасильевичОфициальные оппоненты:Лукин Анатолий Владимирович, доктор техническихнаук, профессор, академик АЭН РФ, генеральныйдиректор ЗАО «МПП–Ирбис»;Клебанов Михаил Борисович, кандидат техническихнаук, инженер-электроник 1-ой категории ОАО «МПОим. И.

Румянцева»Ведущая организация:Открытое акционерное общество «Аэроэлектромаш»(127015, г. Москва, ул. Б. Новодмитровская, д. 12)Защита состоится «19» ноября 2013 г. в 13:00 на заседании диссертационного совета Д 212.125.07в ФГБОУ ВПО «Московский авиационный институт (национальном исследовательскомуниверситете)» (МАИ) по адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское ш., д.4, залзаседаний Ученого совета.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ.Автореферат разослан «18» октября 2013 года.Отзывы на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью организации, просимнаправлять по указанному адресу.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.125.07,кандидат технических наук, доцентКондратьев А.

Б.2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работыВ настоящее время существует постоянно возрастающий спрос на устройствапреобразования электрической энергии, используемые на борту летательных аппаратов,промышленных предприятиях и в бытовых приборах.Транзисторные преобразователи напряжения – инверторы – предназначены дляпреобразования энергии постоянного напряжения в энергию переменного напряжения заданногоуровня и качества. Они необходимы для функционирования электронных систем автоматики ивычислительнойтехники,телекоммуникационныхсистем,устройствуправленияэлектродвигателями, а также осуществления энергосбережения и повышения качествапервичного постоянного и переменного напряжений.Инверторы широко используются на борту летательных аппаратов для питаниясинхронно-следящих систем, индукционных датчиков, фазочувствительных и других устройств,а также в качестве аварийных источников питания при наличии первичной сети переменноготока, а также преобразователей частоты.Существенно расширяется область применения инверторов на различных подвижныхобъектах, а также в системах электроснабжения альтернативной энергетики.

Разнообразиеобъектов – от летательных аппаратов, подвижного транспорта до технологических процессовприводит к большому разнообразию параметров первичных источников и требований квыходным параметрам инверторов.В силу специфики принципа действия инверторов их удельные характеристикипринципиальнохуже,чемхарактеристикидругихклассовисточниковвторичногоэлектропитания. Все это вызывает повышенный интерес к исследованию процессов винверторах, а также их параметров, позволяющих повысить надежность и удельныехарактеристики инверторов.При этом качество вырабатываемого инверторами напряжения, особенно если существуетпотребность в регулировании выходного напряжения, должно изменяться в достаточнонебольшом диапазоне.Во многих устройствах, например ИБП, активных фильтрах или регуляторах напряженияв электроэнергетических сетях главными и наиболее важными показателями являются высокоекачество формируемых напряжений и их стабильность, а также КПД устройств. Аналогичныетребования необходимо выполнять для преобразователей, предназначенных для энергосистем свозобновляемыми источниками электроэнергии.

На ветровых фермах преобразованиевырабатываемойэлектроэнергиинеобходимо3длярешенияпроблемвыравниваниянесбалансированных уровней напряжения и синхронизации частоты, вырабатываемых большимчислом отдельных источников энергии. Аналогичная проблема возникает в случаеиспользования статических источников постоянного напряжения, например солнечных батарейи топливных элементов, когда выработанная энергия постоянного тока должна бытьпреобразована в энергию переменного тока.Разработке инверторов систем электрооборудования летательных аппаратов, посвященодостаточно много известных работ направленных на создание теоретических основ построениясистем генерирования, методов анализа и синтеза силовых схем, систем и алгоритмовуправления. Различные аспекты теоретического и практического плана построения системгенерирования и отдельных её элементов нашли отражение в трудах В.Г.

Андреева, В.Ф,Зиновьева, Ю.И. Конева, Н.Н. Лаптева, А.В. Лукина, Г.М. Малышкова, В.И. Мелешина, В.С.Моина, Г.С. Мыцыка, Э.М. Ромаша, Е.Е. Чаплыгина, П. Чети, Б. Бедфорда и Р. Хофта и многихдругих.На первом этапе развития силовых полупроводниковых преобразователей инверторы сдвух- и трехуровневыми выходными напряжениями считались наиболее пригодными дляпреобразования электроэнергии для такого класса устройств. Особенности и характеристики, атакже недостатки и ограничения таких преобразователей признаны всеми, что подтверждаетсяпрактикойихприменения.Последниедостижениявобластитехнологиисиловыхполупроводниковых приборов позволяют работать на значительно более высоких частотахпереключений.

Однако эти высокие скорости переключений при использовании режимов ШИМвызывают повышенные потери в силовых переключающих компонентах, что приводит кснижению КПД инвертора.Диапазон выходных мощностей является крайне важным и очевидным ограничениемприменения инверторов с двух- и трехуровневыми выходными напряжениями. Полная мощностьопределяется свойствами полупроводниковых ключей. Этот существенный недостаток можетбыть уменьшен за счет применения инверторов с многоуровневыми (ступенчатыми) выходныминапряжениями.

В последнее время такие инверторы начинают выделять в новый класспреобразовательных устройств. Благодаря их весьма перспективным характеристикам,инверторы с многоуровневым выходным напряжением все более и более становятсяальтернативой традиционным инверторам с двух- и трехуровневым выходным напряжением.Они дают возможность решения проблемы ограничения мощности и формирования выходногонапряжения, более близкого по форме к синусоидальному.

В результате, инверторы смногоуровневым выходным напряжением начинают находить применение в промышленности.Разработка преобразователей с многоуровневым выходным напряжением включает в себятакие области, как исследование новых структур, стратегий управления и теоретические4исследования. Формирование требуемых форм напряжения возможно самыми различнымиспособами, например, режим ШИМ по синусоидальному закону (ШИМ-СИН), селективноеисключение гармоник (СИГ), пространственно-векторная модуляция (ПВМ), формированиеступенчатыхформнапряжения.Разработаныразнообразныеспособыуправленияпреобразователями, например, вычисление соответствующих углов моментов переключения приформировании ступенчатых напряжений, либо для исключения заданных высших гармоник.

Приреализации любого способа требуется большое число силовых полупроводниковых ключей.Силовые ключи не всегда имеют одинаковые параметры, а их допустимые параметры не всегдаполностью используются. Это приводит к снижению КПД преобразователя, что являетсясерьезным недостатком при использовании их на больших уровнях мощностей.Упомянутые ранее недостатки можно частично преодолеть за счет использования новыхструктур и стратегий управления, базирующихся на математическом аппарате.

В работерассмотрены способ формирования ступенчатых выходных напряжений инверторов на основевейвлетных преобразований. Синтез ступенчатых напряжений проведен с использованиемнабора ортогональных вейвлетов. Рассмотрено вейвлетное преобразования Хаара. Проведеносравнение способов формирования и их влияния на структуру инвертора. Сравнительный анализпроведен с использованием трех критериев – необходимого числа источников постоянногонапряжения, коэффициента гармоник и коэффициента режекции.Таким образом, разработка методов формирования импульсных напряжений на входефильтров инверторов систем электрооборудования летательных аппаратов является актуальнойзадачей.Цель работы заключается в исследовании новых способов формирования ступенчатоимпульсных выходных напряжений инверторов с исключением высших гармоник, позволяющихуменьшить массогабаритные показатели инвертора, а так же повысить его КПД в целом, за счетснижения динамических потерь в силовых каскадах и уменьшения массы и габаритов выходногофильтра.Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:–Проведенанализсуществующихрежимовформированиямногоимпульсныхнапряжений на входе силового фильтра;– Разработан и исследован метод синтеза ступенчато-импульсных напряжений на основевейвлетов Хаара;– Разработан метод синтеза ступенчато-импульсных напряжений, в спектре которыхотсутствуют высшие гармоники, начиная с третей;– Разработана уточненная методика расчета выходного фильтра инвертора с учетомпредложенного метода синтеза;5–Разработаналгоритмцифровогоуправлениясиловымиключамимостовыхкоммутаторов инверторов с многоуровневым выходным напряжением;– Разработаны и исследованы компьютерные модели инверторов с многоуровневымвыходным напряжением на основе вейвлетных преобразований Хаара.Методы исследованияНаучные положения работы получены на основе теории электрических цепей,математического анализа, аналогового и цифрового моделирования, программирования,спектрального анализа (быстрое преобразование Фурье).Достоверность научных результатов, изложенных в работе, обеспечена применениемматематических методов, использованием различных способов решения одной и той же задачи,а также экспериментальными исследованиями разработанных инверторов.Научная новизна работы1.