Автореферат (Однофазные инверторы с многоячейковой структурой)

Ha upanax pyKo[v cuIlleruHuu Bna4rluzpO.UHO@A3FIbIEEgreHreer4qI4HBE TOPbI C MHOfOqqEI;IKOBOIZ CTPYKTYPOIZCneqlra.rrnocru 05.09.03-<3ler<rporexHlrqecKfi e KoM[JreKcErABTOPE(DEPATAficcepraqr4'r Ha cotrcKaHr4e yueHofr creneHrrKaHALIAaTa TeXHVqeCKI4X HaYKMocr<na 201714cr4creMbr))PaSora BbrrrorHeHa ua xaQe4pe <Mlt rpoelerrpoHHble gJreKTpocacrelralt> @e4eparrHofo focyAapcrBeHHofo 6ro4Neruoro o6pasonare:uHofo yqpexAenus ertcurero o6pa3oBaHur <Mocxoncxafi aer.iaquouul,ui 14Hcrliryr (Haquoua:rr'nr'tfr rzcc:reAona:relr'-crrai yHueepcurer)> MAI4.AeepuH Ceprefi B.nagumupoeuu,Hayuurrfi pyKoBoAl,Irenb:KaHAlrAarTexH qecKux HayK, AoueHT, saee4yrorquii ra$e4-pofi <Mzt<poerexrpouuue sneKTpoclIcreMbl))MAI{.rex"llyrcuH AHaro.nufr B,ra4uuupoeurr, AoKTopO$uqua:rlnue onnoHeHTbl:Hr{qecKIIX HayK, npo$eccop,l4p6uc", reHepa,r sHutfi AHpeKrop.3AO <MMII-A"rertcau4poeur{, KaHAUnar rexHr4qecKzx HayK, AO <Cn.s:s I4HII{HHupuHr>, [epBr,Iir sar4ecrfirenb feHepanbHoro At4OnqnuHlrrcos[enucDCKTODAB@e4epa:t,noe rocyAapcrBeHnoe 6ro4Nernoe o6pa3oBarenbHoe ylipexleHue Bbrcuelo o6pa:osaHa.s (Hal{fioHalrnrrfi uccJreAoBare.[tcxrzil yHu-egyrqar opraHn3auxs:BeDcrrrer(M3l{)3arqura Arrccepral{uli cocrol{Tct 27 pexa6pn 2077 r.

e 11 -Iacoe 00 vzn. Ha 3aceAaHxr.r AucceprarluoHHoro coBe,.ra A 212.125.07 npu $egepa:tHoM focyAapcrBeHHoM5ro4Netrov o6pa:oeare:rHoM yqpexAeHrrrr Bblcurero o6pa:onauzr (MocKoBcKZfiaeuaqzoHuufi uHcrr.rryr (naqr.ionalruufi zccne4oearelrcxnft ynreepcnrer)> MAI4no aApecy: 125993, r. Mocxna, Bo:roro:raucr<oe rrrocce, .4. 4, r<opn. <[>>, ay1,. 302(raQeapa 310).C anccepraunefi ltoNnoo3HaKoMlITLc.t6lr6:urorere Ynueepcurera14Ha cairreiblock/66AeropeQepar pa3ocnaH(2017 r.Y.reurrfi ceKperapb.4IlCCeprarlr{oHHoro coeera[212.125.07B.C.

CrenaHon3 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы. Одна из важных тенденций в современных системах электроснабжения (СЭС) – рост мощности, потребляемой электрооборудованием. Это связано с ростом числа потребителей, таких как управляющие системы; системы, обеспечивающие питание устройств обработки, хранения и передачи информации; системы обеспечения безопасности, бесперебойности питания и комфортабельных условий работы.На подвижных объектах параметры питания бортовых систем могут существенно отличаться от параметров первичной СЭС. Для обеспечения питания целого ряда устройств бортового оборудования во вторичной СЭС необходимо наличие инвертора, согласующего эти параметры.

Инверторы, входящие в состав СЭС, предназначены для преобразования напряжения постоянного тока первичного источника в переменное с заданным качеством, определяемым величиной коэффициента гармоник и необходимой точностью регулирования выходного напряжения.В настоящее время потребность в инверторах постоянно растет. В производственных и коммерческих СЭС они используются как самостоятельныеустройства систем электропитания, а также в качестве преобразователей всложных и модульных устройствах. К таким устройствам относятся источники бесперебойного питания, силовые электронные регуляторы электродвигателей, преобразователи частоты.

Инверторы широко применяются в составеСЭС, использующих в качестве первичных источников альтернативные источники электроэнергии.Помимо вышесказанного, на борту летательного аппарата (ЛА) с помощью инверторов обеспечивается резервное питание при отказе основного канала СЭС переменного тока для питания нагрузок первой категории, без которых невозможно безопасное завершение полёта. При этом в авиации вопросыувеличения мощности питания бортового оборудования стоят более остро, всилу ограничений по массе и габаритам. В то же время, развитие концепциисамолета с повышенным уровнем электрификации оборудования (СПУЭО)требует наличия во вторичной СЭС инвертора еще большей мощности, чем втрадиционных автономных объектах.Создание инверторов для перспективных СЭС на основе альтернативных источников энергии, например, ветроэнергетических установок и солнечных энергетических станций, мощность которых находится в диапазоне 2–5МВт.Проблемам теории инверторов посвящены труды таких ученых как Г.С.

Зиновьев, Ю.И. Конев, Г.М. Малышков, Е.В. Машуков, А.В. Лукин, В.И. Мелешин,Г.С. Мыцык, С.Б. Резников, Е.Е. Чаплыгин, Д.А. Шевцов, В.С. Моин, С.Ф. Коняхин, В.В. Крючков и других специалистов.4 Одно из направлений разработки и проектирования инверторов – построение инвертора по принципу многоячейковой структуры, позволяющемуувеличить выходную мощность и улучшить качество выходного напряжения.Многоячейковый инвертор создается на основе однофазных регулируемых инверторов, представляющих собой отдельные ячейки. Использование многопоточного принципа позволит равномерно распределить мощность нагрузки поотдельным ячейкам инвертора, а соответствующий алгоритм управления позволит улучшить качество выходного напряжения.Многоячейковая структура позволит наращивать выходную мощностьинвертора, повысить отказоустойчивость, многоячейковый инвертор предполагает повышение экономической эффективности, поскольку единожды разработанная ячейка, оптимальная по стоимости, позволит создавать инвертор смощностью, определяемой только первичным источником питания.Существующие алгоритмы управления силовыми ключами многоячейковых инверторов не учитывают возможностей современных цифровых микроконтроллеров в схемах управления инверторами.Применение микропроцессорного управления позволяет существенно расширить возможности применения сложных алгоритмов управления силовымиключами для обеспечения лучших характеристик, как по выходной мощности,так и по качеству выходного напряжения, уменьшения массогабаритных показателей выходных фильтров и общей миниатюризации устройства с применением современных полупроводниковых приборов.При решении задачи увеличения мощности многоячейкового инверторадополнительным ограничением выступает процесс замены импортной элементной базы в рамках программы импортозамещения.Таким образом, увеличение мощности инверторов требует решений, реализующих многопоточное преобразование энергии, а, следовательно, задачапоиска функциональных и схемотехнических решений и разработка алгоритмов управления силовыми ключами инвертора с многоячейковой структуройна отечественной элементной базе, является актуальной задачей.Цели и задачи работы.

Цель работы – исследование и разработка возможных структурных решений, а также разработка алгоритмов управления силовыми ключами инвертора, позволяющих увеличить мощность канала вторичной СЭС на основе многоканального преобразования электрической энергии при заданном качестве выходного переменного напряжения с использованием существующих импортозамещающих компонентов.Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:1. Исследование известных структурных, функциональных и схемотехнических решений, способов и алгоритмов формирования выходныхнапряжений однофазных инверторов.5 2. Разработка принципа формирования выходного напряжения и алгоритма управления ключами СПЯ многоячейкового инвертора для обеспечения равной нагруженности каждой ячейки.3.

Разработка схемы силовой преобразовательной ячейки (СПЯ) и их соединения (параллельного и последовательного) для обеспечения равнойнагруженности ячеек.4. Разработка имитационной компьютерной модели для анализа процессовв многоячейковом инверторе.5. Разработка принципиальной схемы макета для подтверждения принятых алгоритмических и схемотехнических решений.Объект исследования. Класс преобразователей напряжения постоянного тока в однофазное напряжение переменного тока с многоячейковойструктурой для вторичных СЭС.Предмет исследования.

Изучение процессов в многоячейковых инверторах в статических и переходных режимах и формирование алгоритмов, позволяющих повысить допустимую выходную мощность инвертора с заданнымкачеством выходного напряжения при реализации на современной отечественной элементной базе.Методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертационной работе использовались аналитические методы теории электрическихцепей, электротехники, математического анализа и концепция многоячейковой структуры инверторов.Для проведения математических расчетов параметров исследуемого инвертора применялся программный пакет MathCAD.Исследование рабочих процессов разрабатываемого инвертора проводились сприменением имитационного компьютерного моделирования в программномпакете OrCAD версии 16.6.Научная новизна.

При решении задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие научные результаты:1. Проведена систематизация известных структур однофазных инверторови их режимов работы, выявлены структуры, допускающие возможностьиспользования для построения многоячейковых инверторов, обосновананедостаточная эффективность многоячейкового инвертора с суммированием токов ячеек.2. Разработана методика расчета углов переключения силовых ключеймногоячейкового инвертора для формирования выходного напряженияпри нечетном и четном числе СПЯ, обеспечивающая их равную нагруженность.3. Предложено при расчете углов переключения с четным числом СПЯ, какдополнительное условие расчета для обеспечения равной нагруженности использование коэффициента аппроксимации амплитуды.6 4.