Диссертация (Однофазные инверторы с многоячейковой структурой), страница 2

Разработка принципа формирования выходного напряжения и алгоритмауправления ключами СПЯ многоячейкового инвертора для обеспеченияравной 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 принятыхалгоритмических и схемотехнических решений.Объект исследования. Класс преобразователей напряжения постоянноготока в однофазное напряжение переменного тока с многоячейковой структуройдля вторичных СЭС.Предмет исследования.

Изучение процессов в многоячейковых инверторах в статических и переходных режимах и формирование алгоритмов, позволяющих повысить допустимую выходную мощность инвертора с заданным качеством выходного напряжения при реализации на современной отечественнойэлементной базе.Методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертационной работе использовались аналитические методы теории электрических цепей, электротехники, математического анализа и концепция многоячейковойструктуры инверторов.Для проведения математических расчетов параметров исследуемого инвертора применялся программный пакет MathCAD.Исследование рабочих процессов разрабатываемого инвертора проводились с применением имитационного компьютерного моделирования в программном пакете OrCAD версии 16.6.8Научная новизна.

При решении задач, поставленных в диссертационнойработе, 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,как дополнительное условие расчета для обеспечения равной нагруженности использование коэффициента аппроксимации амплитуды.4.

Предложен алгоритм формирования выходного напряжения многоячейкового инвертора при условии равной нагруженности каждой ячейкиинвертора.Практическая значимость работы. В ходе исследовательской работы получены следующие практические результаты:1. Подтверждена работоспособность предложенного алгоритма формирования выходного напряжения многоячейкового инвертора.2.

Разработана компьютерная модель многоячейкового инвертора со структурой равно нагруженных ячеек при аппроксимации выходного напряжения по синусоидальному сигналу.3. Разработаны алгоритм и программа формирования сигналов управленияключами ячеек многофазного инвертора на основе микроконтроллера.94. Предложено схемотехническое решение многоячейкового инвертора наоснове анализа современной отечественной элементной базы как реализации тенденции импортозамещения.Основные положения, выносимые на защиту:1. Сопоставительная оценка структур однофазных инверторов, позволяющая провести выбор структур, допускающих возможность использования для построения многоячейковых инверторов.2.

Методика расчета углов переключения силовых ключей многоячейкового инвертора для формирования выходного напряжения при нечетном и четном числе СПЯ, обеспечивающая их равную нагруженность.3. Алгоритм формирования выходного напряжения многоячейкового инвертора по предложенной методике расчета углов переключения силовых ключей СПЯ с учетом дополнительного условия расчете при четном числе ячеек.4. Имитационная компьютерная модель многоячейкового инвертора,позволяющая провести исследование процессов в установившихся ипереходных режимах и подтвердить работу СПЯ с равной нагруженностью ячеек.5. Программа формирования сигналов управления ключами ячеек многоячейкового инвертора.Достоверность полученных результатов.

Основные положения и результаты, полученные в диссертационной работе, проверены путем сопоставления результатов, полученных ИКМ в среде OrCAD 16.6. с экспериментальнойпроверкой основных принципов работы многоячейкового инвертора по предложенному алгоритму на разработанном макете.Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работыиспользованы в НИР кафедры (№46800— 03060 и №51990–01060), а также в10учебном процессе на кафедре 306 «Микроэлектронные электросистемы» Московского авиационного института (национального исследовательского университета).Апробация результатов. Основные положения диссертационной работыдокладывались и обсуждались на:1. XII Международной конференций «АВИАЦИЯ И КОСМОНАВТИКА –2013»2. XIV Международной конференций «АВИАЦИЯ И КОСМОНАВТИКА –2015»3. Международной молодѐжной научной конференции «XLII Гагаринскиечтения» – 20164.

Международной молодѐжной научной конференции ««XLIII Гагаринскиечтения»» – 2017Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 4 научныеработы, из них 3 работы – в изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией для апробации кандидатских и докторских диссертаций.Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, спискалитературы, списка иллюстративного материала и приложений. Работа изложена на 137 страницах текста, содержит 91 рисунок.111.

СПОСОБЫОДНОФАЗНОГОФОРМИРОВАНИЯИНВЕРТОРАСМНОГОЯЧЕЙКОВОГОСИНУСОИДАЛЬНЫМВЫХОДНЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ1.1Однофазные инверторы с широтно-импульсной модуляциейИнверторы – это устройства, преобразующие постоянное напряжение(ток) в переменное напряжение (ток) заданного качества. По принципу действия, назначению, условиям работы конкретные практические схемы инверторов весьма разнообразны. К инверторам подвижных объектов, таким, как бортовые инверторы ЛА предъявляются жесткие требования по массе, габаритам икоэффициенту полезного действия. Также инверторы должны функционировать в жестоких условиях эксплуатации, в частности при высоких и низкихтемпературах, повышенной влажности, механических воздействиях и согласноцелому ряду требований, предъявляемых к необслуживаемой аппаратуре.

Известно, что высоких энергетических и массогабаритных показателей можно достичь только при использовании импульсных режимов.Рассмотрим известные решения построения инверторов с целью выявить,какие элементы инвертора наиболее существенно влияют на массогабаритныепоказатели.В зависимости от вида источника питания инвертора и особенностей протекания в нем электромагнитных процессов различают инверторы напряжения,тока и резонансные инверторы.

Резонансные инверторы разрабатываются начастоту выходного напряжения до десятков килогерц и используются в основном в электротермии. Наиболее широкое применение получили инверторынапряжения и тока.Инвертор с синусоидальным выходным напряжением, вне зависимости отфункциональной схемы имеет в своем составе следующие элементы:12– силовой преобразовательный каскад, преобразующий постоянное входное напряжение в последовательность прямоугольных импульсов;– силовой фильтр, формирующий близкую к синусоидальной форму выходного напряжения инвертора;– устройство управления, обеспечивающее формирование последовательности импульсов для управления силовыми ключами инвертора;– устройство, обеспечивающее гальваническую развязку и соответствие значений входного и выходного напряжений.В зависимости от способа выполнения устройства гальванической развязкии согласования уровней напряжения, инверторы могут быть построены либо потрадиционной схеме с низкочастотным трансформатором, которая, либо поструктуре с двойным преобразованием.Традиционная схема (Рисунок 1.1) в последнее время применяется значительно реже из–за худших массогабаритных показателей.СКФТРUпZнРисунок 1.1 – Структура инвертора с низкочастотным трансформатором, в качествеустройства согласования входного и выходного напряженийUп – источник питания, СК – силовой каскад, Ф – фильтр,ТР – трансформатор, Zн – нагрузка инвертораСхема с двойным преобразованием (Рисунок 1.2) вследствие возможностиминимизировать трансформатор устройства, обеспечивающего гальваническую13развязку и соответствие значений входного и выходного напряжений, нашланаибольшее распространение при разработке современных инверторовDC/DCСКФZнUп.Рисунок 1.2 – Структура инвертора с согласующим конвертором в качестве устройства согласования входного и выходного напряженияUп – источник питания, DC/DC – конвертор, СК – силовой каскад,Ф – фильтр, Zн – нагрузка инвертораБольшинство инверторов содержит силовой каскад, построенный по однойиз трех схем: двухтактный каскад с трансформатором с отводом от средней точки (такназываемая схема Push–Pull), полумостовой каскад, мостовой каскад.Проведем сравнительный анализ этих схем.Инвертор с пушпульным силовым каскадом приведен на Рисунке 1.3На Рисунке 1.3 VТ1 и VТ2 – полупроводниковые переключающие приборы.Особенность схемы состоит в том, что транзисторы необходимо выбирать наудвоенное напряжение питания.14ZнAVT1TVDBCUпVD1VT2VD2Рисунок 1.3 – Схема силовой части инвертора с пушпульным каскадомКогда VТ1 включен, вывод A выхода трансформатора TV подключаетсяк отрицательному полюсу источника питания.