Диссертация (Однофазные инверторы с многоячейковой структурой)

@eaep anbHo e ro cyAap crBeHHo e 6rolx{erHo eBbrc[rero o6paso6p as oB areJrbHo e yqpexqeHz eoBanurfl,Mocroscrnfi aBvarluonnrrfi urHcTtrryp(n aqzoH€urbHbrit uc c neAo B arenr c rufiIl{erzHzuB la4 krMupyHr,rB epczrer)EereHreBnqOAHOOA3HbTE r4HBEpropbr C MHO| OfrrEfrKOBOrzCrpyKTyponCueqzalbHocrb05.09.03-<SneKrpoTexHuqecKrre KoMrrJreKchr vr cucreMbr>IT4CCEPTATIVTAHa coucKaHrre y.reHofi crerreHraKaHALTAaTa TeXHI4qeCKnX HayKHaynrufi pyroBoAurenb:KaHArrAaT TeXHr4rrecKLrX HayK, AOTIeHTAnepzn Ceprefi Bla4uvrrtpoBrrrrMocrsa 20172СОДЕРЖАНИЕВВЕДЕНИЕ ..................................................................................................................

41. СПОСОБЫ ФОРМИРОВАНИЯ МНОГОЯЧЕЙКОВОГО ОДНОФАЗНОГОИНВЕРТОРА С СИНУСОИДАЛЬНЫМ ВЫХОДНЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ ..... 111.1Однофазные инверторы с широтно-импульсной модуляцией ................ 111.2Ограничения однопоточных инверторов по массе силовыхкомпонентов ........................................................................................................... 261.3Структура многоячейкового инвертора ..................................................... 341.4Моделирование многоячейкового инвертора ............................................ 35Выводы по 1 главе.................................................................................................. 402.

ОДНОФАЗНЫЙ ИНВЕРТОР С СУММИРОВАНИЕМ ТОКОВ ЯЧЕЕК .... 412.1Особенности инверторов с параллельным подключением ячеек............ 412.2Включение ячеек инвертора с суммированием тока с ненулевымфазовым сдвигом .................................................................................................... 482.3Анализ контуров протекания тока при равномерном сдвиге фаз ячеекинвертора по схеме суммирования токов ............................................................

512.4Трансформаторные схемы многоячейковых инверторов......................... 58Выводы по 2 главе.................................................................................................. 633. АЛГОРИТМ ФОРМИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА ВЫХОДЕМНОГОЯЧЕЙКОВОГО ИНВЕРТОРА С РАВНОЙ ЗАГРУЖЕННОСТЬЮЯЧЕЕК ........................................................................................................................

643.1Способы формирования напряжения на выходе многоячейковогоинвертора ................................................................................................................ 6533.2Алгоритм формирования синусоидальной аппроксимации выходногонапряжения многоячейкового инвертора ............................................................ 693.3Анализ результатов моделирования инверторов различных способовформирования выходного напряжения................................................................

803.4Исследование равной нагруженности ячеек инвертора ........................... 86Выводы по 3 главе.................................................................................................. 904. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СПОСОБА ФОРМИРОВАНИЯВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ МНОГОЯЧЕЙКОВОГО ИНВЕРТОРА ССУММИРОВАНИЕМ НАПРЯЖЕНИЙ ЯЧЕЕК....................................................

914.1Структура макета инвертора ....................................................................... 914.2Алгоритм управления инвертором и программный код .......................... 954.3Управление силовыми ключами ................................................................. 994.4Особенности практической реализации многоячейковогоинвертора ..............................................................................................................

1034.5Лабораторный макет многоячейкового инвертора ................................. 105Выводы по главе 4................................................................................................ 109ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................................... 110Список сокращений и условных обозначений ..................................................... 112Список литературы .................................................................................................

113Список иллюстративного материала..................................................................... 125Приложения ............................................................................................................. 1324ВВЕДЕНИЕАктуальность работы. Одна из важных тенденций в современных системах электроснабжения (СЭС) – рост мощности, потребляемой электрооборудованием. Это связано с ростом числа потребителей, таких как управляющиесистемы; системы, обеспечивающие питание устройств обработки, хранения ипередачи информации; системы обеспечения безопасности, бесперебойностипитания и комфортабельных условий работы.На подвижных объектах параметры питания бортовых систем могут существенно отличаться от параметров первичной СЭС.

Для обеспечения питанияцелого ряда устройств бортового оборудования во вторичной СЭС необходимоналичие инвертора, согласующего эти параметры. Инверторы, входящие в состав СЭС, предназначены для преобразования напряжения постоянного токапервичного 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 источникибесперебойного питания, силовые электронные регуляторы электродвигателей,преобразователи частоты. Инверторы широко применяются в составе СЭС, использующих в качестве первичных источников альтернативные источникиэлектроэнергии.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 которых5невозможно безопасное завершение полѐта. При этом в авиации вопросы увеличения мощности питания бортового оборудования стоят более остро, в силуограничений по массе и габаритам. В то же время, развитие концепции самолета с повышенным уровнем электрификации оборудования (СПУЭО) требуетналичия во вторичной СЭС инвертора еще большей мощности, чем в традиционных автономных объектах.Создание инверторов для перспективных СЭС на основе альтернативныхисточников энергии, например, ветроэнергетических установок и солнечныхэнергетических станций, мощность которых находится в диапазоне 2–5 МВт.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.Одно из направлений разработки и проектирования инверторов – построение инвертора по принципу многоячейковой структуры, позволяющему увеличить 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 с мощностью, определяемой только первичным источником питания.6Существующие алгоритмы управления силовыми ключами многоячейковых инверторов не учитывают возможностей современных цифровых микроконтроллеров в схемах управления инверторами.Применение микропроцессорного управления позволяет существеннорасширить возможности применения сложных алгоритмов управления силовыми ключами для обеспечения лучших характеристик, как по выходной мощности, так и по качеству выходного напряжения, уменьшения массогабаритныхпоказателей 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 алгоритмовуправления силовыми ключами инвертора с многоячейковой структурой наотечественной 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.72.