Диссертация (Энергетическая установка электромобиля с системой многоканального преобразования постоянного напряжения), страница 7

На основепроведенных анализов можно сформулировать следующие рекомендации. Обратноходовые преобразователи, относящиеся к семейству однотактныхпреобразователей, следует использовать в устройствах, мощность которых непревышает 10-20 Вт. Область применения данных типов преобразователейограничивается применением в качестве источников питания для маломощныхрадиоприборов и миниатюрных схем. Прямоходовыепреобразователиследуетиспользоватьвкачествепреобразователей постоянного напряжения, где мощность нагрузки непревышает несколько сотен ватт. Следует отметить, что с ростом мощностинагрузки необходимо увеличивать входное напряжение преобразователя воизбежание чрезмерного увеличения токов нагрузки. Мостовые и полумостовые преобразователи, входящие в семейство двухтактныхпреобразователей, находят широкое применение в различных устройствах в4041качестве преобразователя постоянного напряжения мощностью до десятковкиловатт.Данныевидыпреобразователейпосвоимтехническимхарактеристикам могут быть использованы в тяговых электроприводах, а такжедля электроснабжения бортовых потребителей ЭТС. Другим оптимальным вариантом схемы преобразования для системы СТЭО ЭТСможет быть преобразователь постоянного напряжения с трехканальнойструктурой,которыйпосвоимтехническимхарактеристикамимеетпреимущества над двухтактным мостовым и полумостовым преобразователями.Данный вид схемы преобразования работает по принципу чередования каналов.Преобразователь с трехканальной структурой можно использовать в устройствахи приводах, где мощность нагрузки может достигать от десятков до сотенкиловатт.Один из возможных вариантов преобразователя постоянного напряжениямногоканальнойструктурыпредставленнарисунке1.23.Данныйвидпреобразователя представляет собой каскад из нескольких преобразователей,соединённыхмеждусобойпараллельно,образующийодинбольшойпреобразователь постоянного напряжения с общим входом и выходом [90,103].Рисунок 1.23 – Силовой каскад многофазного ОППН4142Следует отметить, что выбор структуры преобразователя на основаниидиаграммы, приведенной на рисунке 1.19, является ориентировочным.

На выбортипа преобразователя могут также влиять и другие факторы, такие как сложностьсхемы, высокая стоимость и т.д. [35,37,88].Анализируя диаграмму выбора преобразователя в зависимости от входного ивыходного напряжения и мощности (рисунок 1.19), можно сделать вывод о том, чтодля СТЭО ЭТС мощностью более 50 кВт и напряжением АБ UАБ=400 Врекомендуется использовать многоканальный преобразователь, пример которогопоказан на рисунке 1.22.1.3.4.

Анализ режимов работы трехканального ОППНПреобразователь состоит из трех параллельно включенных составныхпреобразователей с одинаковыми входными и выходными параметрами. Режимыработы этих преобразователей, работающих на одинаковых частотах, отличаютсясдвигом по фазе управляющих импульсов Uу. Таким образом, ОППНтрехканальной структуры работает по принципу чередования каналов, т.е.переключение катушек индуктивностей L1-L3 происходит поочередно, припомощи силовых ключей VT1d…VT3d в режиме повышения (boost) и VT1u…VT3uв режиме понижения (buck) напряжения (рисунок 1.25).Фазовый сдвиг импульсов управления ОППН определяется как:ΦСД=2π/n,(1.10)где n – число параллельно работающих преобразователей.В схеме, представленной на рисунке 1.22, количество параллельновключенных преобразователей равно трем и соответственно фазовый сдвигимпульсов управления составляет 120°.Для увеличения максимальной эффективности ОППН каждый из n совместноработающих преобразователей должен быть оптимизирован по отдельности сучетом следующих ограничений:4243 максимальный выходной ток IMAX ограничен числом параллельно включенныхпреобразователей и минимальным выходным напряжением.

Учитывая данныеограничения, максимальный выходной ток каждого преобразователя равенIMAX.M=PMAX/n*VMIN; общая мощность нагрузки должна быть равномерно распределена на n совместноработающих преобразователей.На рисунке 1.24 графически показаны ограничения по параметрам длякаждого отдельного преобразователя.Рисунок1.24Графическоепредставлениеограниченийвыходныхпараметров для отдельного преобразователя: VMAX, VMIN – максимальное иминимальноевыходноенапряжениепреобразователя;VMAX.M,IMAX.M–максимальное напряжение и ток одного канала преобразователя, PMAX –максимальная выходная мощность преобразователяНа рисунке 1.24 видно, что увеличение тока выше IMAX невозможно приминимальном значении напряжения VMIN.

Максимальный ток ограничен в целяхминимизации токовых нагрузок в коммутирующих элементах и обеспеченияустойчивого режима работы преобразователя [102,104].Несмотря на сложность управления многоканальным преобразователем,совместнаяработанесколькихсоставныхпреобразователейобеспечиваетзначительное снижение токовых нагрузок на силовые ключи, так как общаянагрузка равномерно распределяется на количество совместно работающихпреобразователей.Соответственнодляотдельногопреобразователяв4344трехканальной схеме требуются ключевые элементы меньшей мощности посравнению с преобразователем с одноканальной схемой [11,24,38].

Суммарный токнагрузки трехканального преобразователя равен: = 1 + 2 + 3 .(1.11)Для того чтобы исследовать принцип работы обратимого преобразователя стрехканальной структурой, для начала представим полную схему и временныедиаграммы токов индуктивностей каждой фазы, которые показаны на рисунках1.25 и 1.26 [4,6,7,30].Рисунок 1.25 – Обратимый преобразователь постоянного напряжениятрехканальной структуры: UАБ – напряжение аккумуляторной батареи; СВХ, СВЫХ –входные и выходные конденсаторы фильтров; L1-L3 – катушки индуктивности;VT1U-VT3U, иVT1d-VT3d –силовые транзисторные ключи, работающиесоответственно в режимах повышения и понижения; VD1U-VD3U и VD1d-VD3d –обратные диоды, соответственно работающие в режимах повышения и понижения;RН – сопротивление нагрузки4445Рисунок 1.26 – Временные диаграммы работы ОППН трехканальной структурыВ момент времени t0 транзистор VT1d открывается, и катушка индуктивностиL1 окажется под напряжением и начнет накапливать в себе энергию в видемагнитного поля.

Цепь протекания тока в промежутке времени (t0-t1) показана нарисунке 1.27.Рисунок 1.27 – Принцип работы преобразователяПри достижении момента времени t1 транзистор VT1d закрывается, и черезобратный диод VD1u ток будет протекать по цепи UВХ – L1 – RН (рисунок 1.28).4546Рисунок 1.28 – Принцип работы преобразователяВ момент времени t1 при закрывании транзистора VT1d одновременнооткрывается транзистор VT2d второго канала. В результате под напряжениемокажется катушка L2, (рисунок 1.29).

При этом по цепи катушки L1 и нагрузкепродолжает течь ток.Рисунок 1.29 – Принцип работы преобразователяПо достижении времени t2 закрывается транзистор VT2d, и ток будетпротекать по обратному диоду VD2u цепи UВХ – L2 – RН и суммироваться с токомкатушки L1 (рисунок 1.30).4647Рисунок 1.30 – Принцип работы преобразователяОдновременно с закрытием транзистора VT2d открывается транзистор VT3d(рисунок 1.31), и катушка L3 окажется под напряжением. При этом по цепямкатушек L1 и L2 продолжает течь ток в нагрузку.Рисунок 1.31 – Принцип работы преобразователяПри достижении момента времени t3 транзистор VT3d закрывается, и токбудет протекать через обратный диод VD3u по цепи UВХ – L3 – RН и суммироватьсяс токами iL2 и iL1 (рисунок 1.32).4748Рисунок 1.32 – Принцип работы преобразователяОдновременно при достижении момента времени t3 транзистор VT1dоткрывается, и катушка L1 опять окажется под напряжением источника и начнетнакапливать энергию в виде магнитного поля (рисунок 1.33).

Таким образом циклповторяется. Преимущество данной схемы по сравнению с одноканальнойзаключается в том, что при снижении тока первого канала, не достигая нуляпоявляется ток второго канала, а при снижении тока второго, появляется токтретьего. Таким образом ток нагрузки при работе преобразователя никогда недостигнет нулевого значения, а размах пульсации значительно снизится, что даетвозможность снизить мощность фильтрующих конденсаторов.Рисунок 1.33 – Принцип работы преобразователяОсновным режимом работы ППН является режим широтно-импульсноймодуляции (ШИМ).

При работе ШИМ частота импульсов поддерживаетсяпостоянной, а длительность импульсов изменяется, регулируя выходное4849напряжение. При этом среднее выходное напряжение преобразователя прямопропорционально коэффициенту заполнения импульсов.Коэффициент заполнения импульсов — это относительная длительностьуправляющих импульсов, которая может быть определена по выражению:=вых −вхвых,(1.12)где UВХ, UВЫХ – напряжение на входе и выходе преобразователя.Из-зафазовогосдвигавыходноенапряжениеитокиканаловпреобразователей сдвинуты во времени, и соответственно частота напряжения нанагрузке в три раза больше, чем в одном преобразователе.

Анализируя диаграммывыходных параметров трехканального ППН (рисунок 1.26), можно видеть, чторазмах пульсации суммарного выходного тока при трехканальном преобразованиименьше, чем при одноканальном. В результате этого сглаживание суммарноговыходного тока происходит легче, чем в отдельном преобразователе [30,42,62].1.4. Выводы по главеУвеличение напряжения источника питания является одним из путейрешения задачи повышения эффективности и улучшения массогабаритныхпоказателей электромобиля, и для решения этой задачи предложено применениеповышающего двунаправленного преобразователя постоянного напряжения.Наличие обратимости ППН дает возможность преобразования напряженияаккумуляторной батареи в высоковольтное, тем самым обеспечивая питание СПНи соответственно тягового ЭДГ, а также обратного преобразования энергиирекуперации ЭДГ в тормозных режимах.При использования двунаправленных ППН в системе силовой установкиэлектромобиля важным этапом проектирования остается выбор количествапараллельно работающих каналов преобразователя.