автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Двунаправленный конвертер напряжения для бортовых электротехнических комплексов автономных объектов

______. „ правах рукописи

4859081

Ниткин Дмитрий Андреевич

ДВУНАПРАВЛЕННЫЙ КОНВЕРТЕР НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ БОРТОВЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ АВТОНОМНЫХ ОБЪЕКТОВ

Специальность 05.09.03 Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

-Зноя 2011

Москва 2011

4859081

Работа выполнена на кафедре «Электроэнергетические, электромеханические и биотехнические системы» Московского авиационного института (государственного технического университета, МАИ).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Вольский Сергей Иосифович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Розанов Юрий Константинович

кандидат технических наук Савенков Александр Иванович

Ведущая организация: Открытое акционерное общество «Аэроэлектромаш», г. Москва.

заседании диссертационного совета Д 212.125.07 в Московском авиационном институте (государственном техническом университете, МАИ) по адресу: 125993, г.Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного института (государственного технического университета, МАИ).

Автореферат разослан "_"_2011 г.

Отзывы, заверенные печатью, просьба направлять по адресу: 125993, г.Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4, Ученый совет МАИ.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.125.07, к.т.н., доц.

Защита состоится "/ 5 " /¿О-

2011 г. в // ~

часов на

А. Б. Кондратьев

Общая характеристика диссертационной работы

Актуальность темы. Одним из перспективных направлений улучшения технико-экономических и экологических показателей бортовых электротехнических комплексов является внедрение статических преобразователей электрической энергии, которые обладают сравнительно высокой эффективностью, управляемостью и гибкостью выполнения поставленных задач. Это относится к бортовым электротехническим комплексам, как летательных аппаратов, железнодорожного подвижного состава, так и городского общественного транспорта. Последние требуют более внимательного подхода в связи с возрастающими к ним требованиями, как по эффективности, так и по экологии.

Интенсивное использование транспортных средств тесно связано с вопросами защиты окружающей среды. В связи с этим с каждым годом в мире все более активно развиваются различные электрические подвижные объекты. Одним из наиболее актуальных современных направлений развития электротранспорта является применение комбинированных (гибридных) или полностью электрических силовых установок, а также использование современных перспективных источников энергии.

Однако на пути создания бесконтактных электроподвижных объектов стоят серьезные технические и экономические препятствия, а именно неразвитая инфраструктура зарядных станций, длительное время заряда и низкий ресурс аккумуляторных батарей, относительно невысокие энергетические показатели существующих накопителей энергии, отсутствие эффективных статических преобразователей, которые должны решать специфические технические задачи применительно к особенностям рассматриваемых электротехнических комплексов.

Несмотря на значительное количество публикаций и выполненных работ, бортовые электротехнические комплексы со статическими преобразователями применительно к рассматриваемой области до последнего времени не нашли широкого применения. По существу, во-первых, это связано с отсутствием концепции, которая сочетает возможность длительного движения по маршруту бесконтактного электроподвижного объекта с относительно кратковременным восполнением электрической энергии; во-вторых, с отсутствием компактного двунаправленного конвертера напряжения с малыми потерями электрической энергии.

В связи с этим, создание концепции бортового электротехнического комплекса, который включает статический преобразователь, обеспечивающего эффективное накопление и отдачу электрической энергии, разработка схемотехнических решений, математических и компьютерных моделей, исследование и анализ рабочих процессов силовой схемы с малыми потерями электрической энергии, практическое апробирование и опытное промышленное освоение разработанных теоретических положений является актуальной и важной научно-технической задачей.

Целью диссертационной работы является повышение технико-экономических показателей бортовых электротехнических комплексов путем создания и внедрения двунаправленного конвертера напряжения с коммутацией при нулевом токе.

Для достижения указанной цели комплексно решены следующие задачи: разработана концепция и структурные схемы бесконтактных подвижных объектов на базе современных технических возможностей накопителей электрической энергии;

составлена классификация конвертеров напряжения в зависимости от построения силовых схем при учете наличия и отсутствия гальванической развязки между входом и выходом;

разработана силовая схема двунаправленного конвертера напряжения с коммутацией при нулевом токе для бортового электротехнического комплекса;

разработана математическая модель электромагнитных процессов в предложенной схеме двунаправленного конвертера напряжения с коммутацией при нулевом токе;

исследованы рабочие процессы в разработанной силовой схеме двунаправленного конвертера с коммутацией при нулевом токе;

осуществлено компьютерное моделирование электромагнитных процессов в двунаправленном конвертере с коммутацией при нулевом токе, а также кинематических и энергетических процессов предложенного бесконтактного электроподвижного объекта.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы методы теории электрических линейных и нелинейных цепей, теории электрической тяги подвижного состава. В основу теоретических исследований положен математический аппарат, включающий использование аналитических и численных методов решения дифференциальных уравнений.

Расчеты математических моделей выполнены с использованием программного пакета Mathcad. При проведении компьютерного моделирования процессов в электроподвижном объекте и двунаправленном конвертере напряжения использована программная среда визуального моделирования CASPOC. При проектировании предложенного конвертера напряжения применена двух-/трехмерная система автоматизированного проектирования и черчения AutoCAD.

Научная новизна. Научная новизна работы заключается в следующем:

1 Предложена концепция и структурные схемы перспективных подвижных объектов, которые позволяют эффективно сочетать быстродействие емкостных накопителей и относительно высокую емкость аккумуляторных батарей.

2 Разработана классификация статических конвертеров напряжения, посредством которой можно осуществлять как выбор, так и синтез новых схемотехнических решений рассматриваемого класса устройств. В

частности была синтезирована новая силовая схема двунаправленного конвертера напряжения.

3 Составлена математическая модель электромагнитных процессов в силовой схеме разработанного двунаправленного конвертера напряжения и кинематических, динамических и энергетических процессов бесконтактного электроподвижного объекта, которые позволяют в комплексе учитывать особенности функционирования рассматриваемого устройства применительно к предложенному бесконтактному подвижному объекту.

4 Исследованы и проанализированы электромагнитные процессы разработанной силовой схемы двунаправленного конвертера напряжения с коммутацией при нулевом токе.

5 Разработаны компьютерные модели предложенной схемы двунаправленного конвертера напряжения, кинематических и энергетических процессов бесконтактного подвижного объекта, которые позволяют быстро и с относительно высокой точностью проводить исследования рабочих процессов при широком диапазоне изменения исходных данных.

Практическая значимость работы:

1 Разработанное новое схемотехническое решение построения силовой части двунаправленного конвертера напряжения с коммутацией при нулевом токе обеспечивает повышение энергоэффективности устройства за счет снижения на 15... 17 % тепловых потерь в силовых полупроводниковых приборах.

2 Проведенный анализ рабочих процессов в разработанной схеме двунаправленного конвертера напряжения с коммутацией при нулевом токе позволяет оценить основные характеристики и свойства предложенного устройства.

3 Компьютерное моделирование кинематических, динамических и энергетических процессов электроподвижного объекта дает возможность определить рациональное соотношение параметров между емкостным и химическим накопителем электрической энергии, а также параметры системы управления подвижного объекта с целью формирования закона управления полупроводниковыми приборами в двунаправленном конвертере напряжения, входящим в состав бортового электротехнического комплекса.

4 Проведенное компьютерное моделирование разработанного двунаправленного конвертера напряжения позволяет осуществлять выбор параметров силовых элементов устройства для технической реализации.

5 Разработанную силовую схему конвертера напряжения целесообразно использовать при необходимости эффективной передачи электрической энергии в прямом и обратном направлении, в частности в бортовых электротехнических комплексах перспективных полностью электрифицированных самолетов в цепях разряда и заряда аккумуляторных батарей.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в серийное производство статических преобразователей собственных нужд ПСН100 У2 на предприятии ООО «Трансконвертер». Преобразователи собственных нужд ПСН 100 У2, прошедшие приемочные и сертификационные испытания в Испытательном центре железнодорожной техники ВНИИЖТ РФ (г. Щербинка), в настоящее время успешно эксплуатируются в составе 15 магистральных пассажирских электровозов серии ЭП2К на Западно-сибирской железной дороге

Помимо этого предложенные в результате выполнения диссертационной работы схемотехнические решения силовой части и полученные выражения для определения основных параметров силовых элементов использованы при разработке и выпуске статических преобразователей ПС70 УХЛ4*, предназначенных для проведения испытаний тяговых трехфазных асинхронных двигателей грузовых электровоза.

Результаты диссертационной работы внедрены в учебных курсах «Преобразовательная техника электротехнических комплексов» (специальность 1810) и «Силовая электроника» (специальность 181002), включая курсовое проектирование соответствующих учебных дисциплин.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 15-ой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (МЭИ, г.Москва, 2009), научно-практической конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте» (г. Одесса, Украина, 2009 г.), на международной конференции Power Conversion, Intelligent Motion and Power Quality (г.Нюрнберг, 2010 г.), на конференции «Проблемы повышения энергоэффективности и надежности электрических сетей и систем электроснабжения предприятий нефти и газа» (СамГТУ, г. Самара, 2010 г.), на научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке транспорте, производстве и образовании» (г. Одесса, Украина, 2011 г.) и на международной конференции Power Conversion, Intelligent Motion and Power Quality (г. Нюрнберг, 2011 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, среди них 3 - в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ. Получен 1 патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источников и приложения. Основная часть работы содержит 175 машинописных страниц, в том числе 59 рисунков и 24 таблицы. Список используемых источников включает 167 наименований. Общий объем работы - 207 страниц.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность выбора темы диссертационной работы, проведен анализ литературы, определена научная новизна и практическая ценность, а также дана общая характеристика работы.

В первой главе проведен анализ состояния существующих электроподвижных объектов, рассмотрены современные накопители электрической энергии для электроподвижных объектов. Обоснован выбор электрохимических накопителей на базе аккумуляторных батарей и емкостных накопителей на базе ультра-конденсаторов для автономного энергоснабжения электроподвижного объекта (ЭПО). Исходя из свойств этих видов накопителей, сделан вывод о целесообразности совместного их использования с разграничением области их применения на ЭПО. Также в первой главе предложена концепция бесконтактного электрического подвижного объекта (БЭПО) и разработаны структурные схемы построения системы его электроснабжения.

Предложенная концепция БЭПО позволяет:

исключить применения контактной сети, что обеспечивает повышение маневренности ЭПО, увеличение надежности и снижение стоимости его системы электроснабжения за счет отказа от использования воздушных проводов и опор;

снизить потери электрической энергии благодаря применению ультра-конденсаторов при разгоне ЭПО;

повысить экономию электрической энергии вследствие эффективного приема рекуперированной энергии в ЕН;

снизить массу накопителей энергии благодаря комбинированию емкостного накопителя с аккумуляторной батареей;

повысить готовность ЭПО вследствие быстрой автоматической замены АБ и заряда ее вне транспортного средства;

уменьшить требуемую емкость и массу ЕН благодаря быстрому подзаряду ультра-конденсаторов на линейных остановках.

Во второй главе рассмотрены математические модели рабочих процессов электрического подвижного объекта.

Разработана математическая модель кинематического движения ЭПО, которая при заданных исходных данных отражает во времени положение объекта (координаты), характеристики его движения (скорость, ускорение) и перемещения:

ар1 при I = [0,1 „I

Vэлo (') = •«,', "/>"' = [',,';•]>

аТ(I-Т) при I = Ут,Т],

2

при I = {0,1

Тат +у}т2ат1 +25(ат-аг1/ар)

р

ат ~а,

Тат + ^Т1ат1-^25{ат ~атг1ар)

V

где 5 - заданное расстояние между остановками;

Т- заданная длительность движения ЭПО между остановками;

ар и ат - заданные ускорения разгона и торможения ЭПО.

Полученная система уравнений позволяет при заданных значениях расстояния 5 и длительности Т между остановками, а также при заданных величинах ускорения разгона ар и торможения ат вычислить временные характеристики перемещения и скорости движения и на их основе определить временную характеристику кинетической энергии ЭПО.

Разработана математическая модель динамических и энергетических процессов движения ЭПО, которая при заданных исходных данных отражает во времени характер движения подвижного объекта, его динамические и энергетические характеристики (действующие силы, мощности и энергии, соответствующие режимам разгона, движения и торможения):

при / = [/г,Г],

где 5 - коэффициент приведенной массы ЭПО.

Полученная система уравнений позволяет при заданных значениях расстояния 5 и длительности Т между остановками, а также при заданных величинах ускорения разгона ар и торможения ат вычислить кинетическую энергию ЭПО в любой момент движения подвижного объекта.

С учетом выражений для вычисления момента, который должен развивать каждый тяговый двигатель, получена система уравнений для определения мгновенного значения электрической мощности тяговых двигателей:

РЛ') =

крпмт]„

(Сда,/,+С,аД3)—-- при1 = [1р,1т],

((Стаг « - Т) + С,аг3 (1-ТУ)^- при1 = [1Т, Т],

где С], Ср и Сд - вспомогательные коэффициенты.

Анализ полученных выражений показал, что с энергетической точки зрения рационально, чтобы ЭПО имел максимально допустимые значения ускорения разгона и торможения. При этом с точки зрения функционирования источник питания ЭПО в режиме разгона и торможения за относительно короткое время должен иметь возможность принимать и отдавать сравнительно большие мощности электрической энергии.

В третьей главе рассмотрены современные принципы построения конвертеров напряжения и составлена классификация данного класса устройств.

Анализ технической литературы показывает, что сравнительно лучшие энергетические характеристики и меньшие значения установленной мощности полупроводниковых приборов, реакторов и конденсаторов имеют конвертеры напряжения, в которых большее время происходит передача электрической энергии на выход устройства и, особенно, при непосредственном поступлении ее от входного источника питания. С данной точки зрения наилучшими массогабаритными показателями в первую очередь обладают прямоходовые конвертеры напряжения с гальванической связью (ПКНГС), а во вторую очередь - неинвертирующие обратноходовые конвертеры напряжения с гальванической связью входного и выходного напряжений (ОКНГС).

Для перспективного БЭПО целесообразно синтезировать силовую схему двунаправленного конвертера напряжения (ДКН), которая будет по функциональным возможностям совмещать принципы построения устройства типа ПКНГС и неинвертирующего ОКНГС при использовании общей дополнительной коммутирующей цепи, обеспечивающей выключения силового полупроводникового ключа при нулевых значениях тока.

В связи с этим предложена силовая схема двунаправленного конвертера напряжения с коммутацией при нулевом токе (ДККНТ). Электрическая схема ДККНТ представлена на рисунке 1. Данное устройство представляет собой сочетание встречно включенных ПКНГС и неинвертирующего ОКГНС и вспомогательного контура, обеспечивающего запирание силового транзистора при нулевом токе.

К>1

Л.Г

Ъ

Jутз _|| Цулз

■ ТГ1

а

? 21 их

С2

На

Рисунок 1 - Электрическая схема силовой части ДККНТ

Основной контур ДККНТ содержит:

последовательный силовой ЮВТ-транзистор УТ] с обратным силовым диодом УВ1;

параллельный силовой ШВТ-транзистор УТ2 с обратным силовым диодом У02;

первичную (основную) обмотку \\>) трансреактора ТУ1; входной силовой конденсатор С1\ выходной силовой конденсатор С2.

В состав вспомогательного контура входят следующие элементы: вторичная (дополнительная) обмотка м>2 трансреактора 7У2; вспомогательный ЮВТ-транзистор УТЗ с обратным диодом УЭЗ; вспомогательный конденсатор СЗ вторичного контура.

Схема ДККНТ работает в режимах прямой и реверсивной передачи энергии. Эти режимы в общем случае протекают раздельно во времени и, следовательно, могут быть рассмотрены независимо друг от друга.

В режиме прямой передачи энергии ДККНТ передает энергию от входа со стороны конденсатора С1, стабилизируя и понижая напряжение на выходе устройства до требуемого уровня.

В реверсивном режиме к рассматриваемому конвертеру со стороны конденсатора С2 подключен источник напряжения, а нагрузка - к коллектору транзистора УТ1. При этом ДККНТ осуществляет повышение уровня напряжения постоянного тока. Таким образом, при использовании ДККНТ в элекгроподвижном объекте силовая схема предложенного устройства в

реверсивном режиме может обеспечивать рекуперацию кинетической энергии при торможении транспортного средства.

Вторичный контур ДККНТ задействован в обоих режимах, позволяя коммутировать либо силовой транзистор УТ1, либо силовой транзистор УТ2 с минимальными динамическими потерями.

Принцип работы ДККНТ в прямом режиме поясняется с помощью эпюр токов и напряжений, представленных на рис. 2,

где иут - управляющий сигнал силового транзистора УТ1\

иупз - управляющий сигнал вспомогательного УТЗ;

/„; - ток, протекающий в первичной обмотке трансреактора ТУ1\

1„2 - ток протекающий во вторичной обмотке трансреактора ТУ1;

1ут1 - ток, протекающий через силовой транзистор УТ1;

исз - напряжение на вспомогательном конденсаторе СЗ.

На всем интервале времени работы устройства в режиме прямой передачи энергии параллельный транзистор УТ2 не задействован и находится в выключенном состоянии. В этом режиме процессы в схеме ДККНТ протекают следующим образом.

До момента времени 10 схема находится в состоянии отдачи накопленной в индуктивности трансреактора ТУ! энергии в нагрузку.

В начальный момент времени периода работы схемы подают управляющий сигнал на затвор последовательного транзистора УТ1 основного контура. В результате образуются два контура для протекания тока. В первом контуре ток протекает от входного источника напряжения через открытый последовательный транзистор УТ1, первичную обмотку ш, трансреактора ТУ1, выходной силовой конденсатор С2 и нагрузку. При этом в индуктивности первичной обмотки трансреактора происходит накопление электромагнитной энергии. Диод У02 заперт под воздействием приложенного к нему обратного напряжения.

Во вспомогательном контуре, образованном вторичной обмоткой трансреактора ТУ1, вспомогательным конденсатором СЗ и открытым диодом УБЗ начинается колебательный процесс, сопровождаемый разрядом и перезарядом конденсатора СЗ. При этом ток постепенно возрастает и уменьшается до нуля.

В момент времени когда конденсатор СЗ заряжается до максимального значения напряжения, ток вспомогательного контура достигает нуля, а вспомогательный диод УОЗ переходит в непроводящее состояние.

Рисунок 2 - Эпюры токов и напряжений силовой схемы ДККНТ в прямом

режиме

На интервале от (, до 12 схема ДККНТ осуществляет накопление в индуктивности первичной обмотки трансреактора энергии, поступающей от входного источника напряжения. Ток протекает через единственный контур, образованный включенным силовым транзистором УТ1, первичной обмоткой трансреактора ТУ1, выходным силовым конденсатором С2 и нагрузкой.

В момент времени 12 под воздействием управляющего сигнала происходит отпирание вспомогательного транзистора УТЗ. Во вспомогательном контуре на этом интервале протекает вторая половина резонансного процесса, в результате которого происходит разряд и перезаряд вспомогательного конденсатора СЗ.

В момент времени С входной ток меняет свой знак на противоположный, в результате чего отпирается диод КО/. Таким образом, создаются условия для запирания основного силового транзистора УТ1 при нулевом токе через него.

Управляющий сигнал снимают с транзистора VTI до наступления момента времени t3.

В момент времени t3 ток через диод VDI достигает нуля, после чего диод закрывается, а промежуточное звено постоянного тока оказывается отключенным от схемы ДККНТ. В результате этого ток, накопленный в индуктивности трансреактора, протекает во вспомогательном контуре. При этом ток нагрузки поддерживается за счет запасенной в выходном конденсаторе С2 энергии электростатического поля.

В момент времени t4 значение напряжения на вспомогательном конденсаторе превышает напряжение -IIсг, в результате чего параллельный силовой диод VD2 переходит в состояние проводимости и вновь образуются два контура протекания тока. В основном контуре начинается процесс передачи накопленной в индуктивности первичной обмотки трансреактора TV1 электромагнитной энергии в нагрузки. Ток основного контура протекает через диод VD2, первичную обмотку трансреактора, выходной конденсатор С2 и цепь нагрузки.

Во вспомогательном контуре возобновляется колебательный процесс, при котором происходит разряд вспомогательного конденсатора СЗ, длящийся до момента времени /". В этот момент ток вспомогательного контура достигает нуля и начинает протекать через обратный диод VD3. Соответственно, созданы условия для «мягкого» запирания вспомогательного транзистора VT3, который выключают до наступления момента времени (¡.

В момент времени ts ток вспомогательного контура спадает до нуля, в результате чего вспомогательный диод оказывается запертым. На интервале от этого момента и до конца периода работы конвертера остается один, основной, контур протекания тока, работа которого аналогична режиму отдачи энергии ПКНГС. Момент начала нового периода работы обозначен как t6.

Таким образом, протекание в схеме ДККНТ колебательного процесса, обусловленного наличием вспомогательного контура на стороне вторичной обмотки трансреактора TV1, позволяет запирать силовой транзистор VTI основного контура при нулевом токе, снижая тем самым коммутационные потери в полупроводниковом приборе.

В реверсивном режиме работы схемы ДККНТ дозированная передача энергии и повышение уровня напряжения осуществляется за счет управления параллельным силовым транзистором VT2. Вспомогательный контур, аналогично прямому режиму ДККНТ, служит для коммутации силового транзистора схемы при нулевом токе. Во время всей длительности режима реверсивной передачи энергии последовательный транзистор VT1 находится в выключенном состоянии.

Эпюры, поясняющие принцип работы ДККНТ в этом режиме, представлены на рис. 3,

где UyVT2 ~ управляющий сигнал силового транзистора VT2;

lex - ток, потребляемый от ПЗ БЭПО;

13

/еих - ток, протекающий через силовой диод УБ1, и отдаваемый в нагрузку и силовой конденсатор С Г,

1ут2 - ток, протекающий через силовой транзистор УТ2.

-

1

1

_ Л А /

— / /Л

Л /

\

\ \ / -!!-

<о 'г'' и и '" Н Ч

Рисунок 3 - Эпюры напряжений и токов силовой схемы ДККНТ в реверсивном

режиме

В начальный момент времени /0 включают параллельный силовой транзистор УТ2. В результате образуются два контура протекания тока. В основном контуре через открытый транзистор УТ2, первичную обмотку трансреактора протекает нарастающий ток. Таким образом, происходит накопление электромагнитной энергии в индуктивности трансреактора.

Во вспомогательном контуре под действием напряжения 11с2 - Усз происходит отпирание вспомогательного диода УВЗ. При этом происходит разряд и перезаряд конденсатора СЗ через резонансный контур, образованный индуктивностями трансреактора, открытым диодом УОЗ, открытым транзистором УТ2 и входным источником.

В момент времени ^ ток вспомогательного контура достигает нуля, что приводит к переходу вспомогательного диода УБЗ в непроводящее состояние. При этом остается один контур для протекания тока, образованный входным источником напряжения, первичной обмоткой трансреактора и открытым параллельным силовым транзистором УТ2. В результате продолжается процесс накопления электромагнитной энергии в индуктивности трансреактора ТУ1.

В момент времени 12 поступает управляющий сигнал на открытие вспомогательного транзистора УТЗ. Образуются два контура протекания тока. В первом контуре ток продолжает протекать через первичную обмотку трансреактора и открытый транзистор УТ2. В момент времени /' ток основного контура меняет свой знак, в результате чего обратный диод У02 переходит в проводящее состояние.

Во вспомогательном контуре протекает вторая половина резонансного процесса разряда и перезаряда вспомогательного конденсатора СЗ.

В момент /' созданы условия для выключения силового транзистора УТ2 при нулевом токе. Данное состояние продолжается до момента времени /¡, когда ток основного контура достигает нуля, что приводит к запиранию диода УВ2. Таким образом, управляющий сигнал с затвора силового параллельного транзистора УТ2 снимают на интервале от /' до /3.

В момент времени 13 обратный диод УВ2 основного контура переходит в непроводящее состояние. Остается один контур протекания тока, образованный элементами вспомогательного контура - вторичной обмоткой трансреактора ТУ1, конденсатором СЗ и открытым транзистором УТЗ. При этом энергия, запасенная в индуктивности трансреактора, идет на заряд вспомогательного конденсатора СЗ.

В момент времени ¡4 напряжение на конденсаторе СЗ превышает значение (]а - 11с2, в результате чего созданы условия для открытия силового диода Г£>/. В основном контуре, образованном входным источником, индуктивностью первичной обмотки трансреактора, открытым диодом УШ и силовым конденсатором С/, происходит отдача запасенной в индуктивности трансреактора ТУ1 энергии в нагрузку на стороне конденсатора С1.

Во вспомогательном контуре продолжается резонансный процесс, в течение которого вспомогательный конденсатор СЗ заряжается до некоторого максимального значения и начинает разряжаться, что сопровождается уменьшением значения тока ¡„2- В момент времени /" ток вспомогательного контура достигает нуля, меняет свой знак и начинает протекать через вспомогательный диод УОЗ. Таким образом, вспомогательный транзистор УТЗ может быть выключен при нулевом токе через него. Такие условия имеют место до момента времени 15, когда ток спадет до нуля, и диод УОЗ перейдет в непроводящее состояние.

На интервале времени от /5 до ток протекает только в основном контуре: от источника напряжения на стороне конденсатора С2, через первичную обмотку трансреактора ТУ1, открытый силовой диод УВ1 в

15

выходную цепь, образованную силовым конденсатором С1 и элементами нагрузки. Таким образом, происходит отдача накопленной в индуктивности трансреактора электромагнитной энергии в нагрузку.

В момент времени /б с поступлением управляющего сигнала на затвор силового транзистора УТ2 наступает новый период работы схемы.

В реверсивном режиме рассматриваемое устройство позволяет осуществлять дозированную передачу электрической энергии (например, рекуперированной энергии торможения электроподвижного объекта) в нагрузку. При этом благодаря наличию вспомогательного контура и протекающему в нем колебательному процессу силовой транзистор УТ2 запирается в момент времени, когда ток через него равен нулю.

Таким образом, разработанная силовая схема ДККНТ обладает возможностью двунаправленной передачи электрической энергии и обеспечивает нулевую коммутацию силовых транзисторов.

Для исследования и анализа работы ДККНТ, определения и оценки его характеристик, выбора параметров элементов, как основного, так и вспомогательного контуров разработана эквивалентная схема замещения силовой схемы (рисунок 4).

т

Ф'

УТ1 >ш

\ 1Ю2

Рисунок 4 - Эквивалентная схема замещения ДККНТ

На основе эквивалентной схемы разработана математическая модель ДККНТ:

ивх-ивЫх=ит«>у(>+иы®+и1.,,®-

и

-и

« = -»ужМ-Сувг <')+«м«)+%(0.

где 1вх (О - ток, потребляемый от входного источника ивх;

16

(1) (2)

(3)

(4)

(5)

(6)

Ч-тО) - ток, протекающий через обратный силовой диод 1'Ъ2\ 'ы(>I) ~ ток, протекающий через индуктивность рассеяния трансреактора ТУГ,

11 - ток, протекающий через индуктивность намагничивания трансреактора ТУ1;

>вых(0 - ток, протекающий через источник постоянного напряжения СГеых; /„ - ток нагрузки;

иупО) - напряжение на силовом транзисторе УТ1; Ц(т(0 ~ напряжение на обратном диоде УБ2; иы(<) - ЭДС самоиндукции индуктивности и'шО) ~ ЭДС самоиндукции индуктивности

Оп(() - коммутационная функция основного полупроводникового комплекта УТ1 и УО];

Ол(1) - коммутационная функция вспомогательного контура коммутации;

СуигО) - коммутационная функция обратного диода УВ2;

бДО. ОДО и С,т(1) _ соответствующие обратные коммутационные функции.

При этом:

>

« Ш (') = ■£■ .2—^—

>

<1и'сзС)

Л,(') = С з

Л

со(/) = |° при непроводящем состоянии основного контура коммутации при проводящем состоянии основного контура коммутации

<3„ (<)=при непроводящем состоянии основного контура коммутации при проводящем состоянии основного контура коммутации

[о при непроводящем состоянии вспомогательного контура (г)=| коммутации

I1 при проводящем состоянии вспомогательного контура коммутации

II при непроводящем состоянии вспомогательного контура коммутации

0 при проводящем состоянии вспомогательного контура коммутации

сгог(')=| ПРИ закРЫТ0М состоянии обратного силового диода У02 при открытом состоянии обратного силового диода УВ2

Сии(/)=| при закрытом состоянии обратного силового диода УБ2 при открытом состоянии обратного силового диода УВ2

В свою очередь данные коммутационные функции выражаются через коммутационные функции транзисторов УТ1 и УТЗ и диодов УБ1 и УЛЗ следующим образом:

>

где

■ при закрытом состоянии силового транзистора УТ1 при открытом состоянии силового транзистора УТ1

, _ { при закрытом состоянии вспомогательного транзистора УТЗ I при открытом состоянии вспомогательного транзистора УТЗ

П_Г при закрытом состоянии диода Уй1

"ил VI-у

при открытом состоянии диода УЭ1

п _ { при закрытом состоянии диода УОЗ

"гоэ V) ~ 1

1 при открытом состоянии диода УОЗ

Для упрощения операций с коммутационными функциями полупроводниковых приборов схемы введен вектор состояний в, который описывается следующим выражением:

(О б= а„

Коммутация ключей в соответствии со значениями вектора состояний С носит периодический характер и вызывает соединение схем элементов ДККНТ в различных комбинациях. На межкоммутационных интервалах схемы различаются топологией и элементами отдельных ветвей.

Для рассмотрения рабочих процессов ДККНТ в режиме прямой передачи энергии один период работы схемы в соответствии с выбранным методом разбит на шесть интервалов, в течение каждого из которых вектор состояний в постоянен, а коммутации происходят на границах этих интервалов. Для каждого интервала составлена эквивалентная схема замещения.

В результате проведенного поинтервального исследования функционирования ДККНТ в режиме прямой передачи энергии в соответствии с системой уравнений (1)...(6) получены выражения для каждого интервала времени периода работы, описывающие электромагнитные процессы в схеме.

В четвертой главе приведены результаты компьютерного моделирования и экспериментальных исследований двунаправленного конвертера напряжения с коммутацией при нулевом токе.

Применительно к моделированию процессов в БЭПО, сочетающего электронные и электромеханические устройства, программный продукт Саэрос принят для составления компьютерной модели БЭПО.

Компьютерная модель БЭПО в программной среде СА8РОС представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Компьютерная модель БЭПО

Для исследования рабочих процессов и характеристик ДККНТ в режиме прямой передачи энергии, а также с целью проверки полученного математического описания схемы, в среде Саэрос разработана компьютерная модель данного конвертера, представленная на рисунке 6.

Рисунок 6 - Компьютерная модель ДККНТ в среде САБРОС

Для проведения экспериментальных исследований с целью оценки достоверности полученных теоретических положений и математического описания рабочих процессов в части предложенной силовой схемы ДККНТ был разработан экспериментальный образец устройства (рисунок 7).

Рисунок 7 - Экспериментальный образец ДККНТ

В таблице 1 представлены экспериментальные результаты относительных потерь мощности Р* и перепада температур ЛТР радиатора охлаждения экспериментального образца при номинальной нагрузке и функционировании силовой схемы как конвертер напряжения типа ДККНТ, ПКНСГ и ОКРСГ. Представленные данные как в прямом виде посредством сравнения Р*, так и косвенным образом при сравнении АТР подтверждают энергетическую эффективность предложенной силовой схемы ДККНТ по сравнению с другими типами конвертеров напряжения.

Таблица 1

№ п/п Тип конвертера напряжения р* лтр

1 ПКНГС 0,081 36

2 ОКНГС 0,083 37

3 ДККНТ 0,072 32

Посредством разработанного макетного образца были экспериментально исследованы временные диаграммы токов и напряжений на силовых и вспомогательных элементах ДККНТ при прямом и реверсивном режимах работы, определены максимальные значения токов, протекающих как по вспомогательному, так и по силовым транзисторам, установлены потери мощности в основных полупроводниковых приборах и т.п. Экспериментальные исследования подтвердили работоспособность предложенной силовой схемы и достоверность полученных теоретических результатов.

Основные результаты работы:

1 Предложена концепция и структурные схемы бесконтактного электрического подвижного объекта, позволяющие решить проблемы существующих видов электрического транспорта путем отказа от контактной сети и сочетания бортовых автономных источников питания - аккумуляторной батареи с емкостным накопителем электрической энергии, а также повысить эффективность предложенного транспортного средства за счет применения разработанного двунаправленного конвертера напряжения.

2 Разработана силовая схема двунаправленного конвертера напряжения с коммутацией при нулевом токе, который является основным звеном передачи электрической энергии в электротехническом комплексе бесконтактного электроподвижного объекта и характеризуется снижением динамических потерь до 17 % в полупроводниковых приборах за счет их коммутации при нулевых токах.

3 Составлены математическая и компьютерная модели движения электроподвижного объекта, учитывающие кинематические, динамические и энергетические процессы в предложенном транспортном средстве, которые имеют максимальное расхождение между результатами компьютерного моделирования и расчета не более 0,24 %.

4 Получено математическое описание и проведен анализ электромагнитных процессов в двунаправленном конвертере напряжения. Разработанная компьютерная модель дает возможность провести изучение и анализ работы силовой схемы в режиме реального времени при изменяющихся входных и выходных параметрах.

5 Разработана опытная модель двунаправленного конвертера напряжения и проведены экспериментальные исследования процессов, протекающих в схеме, которые подтвердили, что снижение потерь в силовых полупроводниковых приборах данного устройства благодаря их коммутации при нулевом токе составляет 15... 17 %. Полученные в результате испытаний данные подтвердили правильность выполненных теоретических исследований.

6 Результаты исследований, полученных в ходе выполнения диссертационной работы, и разработанные схемотехнические решения успешно реализованы в серийном выпуске 30 шт. преобразователей собственных нужд ПСН100 У2 и 2 шт. стендовых преобразователей ПС70 УХЛ4* на предприятии ООО «Трансконвертер». Помимо этого полученные теоретические положения внедрены в учебных курсах «Преобразовательная техника электротехнических комплексов» и «Силовая электроника», включая курсовое проектирование соответствующих дисциплин.

7 Разработанная силовая схема конвертера напряжения позволяет осуществлять эффективную передачу электрической энергии в прямом и обратном направлении, в том числе в составе бортовых электротехнических комплексов полностью электрифицированных самолетов в цепях разряда и заряда аккумуляторных батарей.

Основные положения диссертации нашли отражение в работах

1 Ниткин Д. А. Двунаправленный конвертор напряжения с коммутацией при нулевом токе. / 15-я международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» - М.: МЭИ, 2009. - с. 196... 197.

2 Ниткин Д. А., Петрашевская А. А. Трехфазные инверторы напряжения / Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте. - Одесса: Черноморье, т. 3,2009. - с. 29...39.

3 Nitkin D. Contactless Electric Vehicle with Bidirectional DC-DC Converter- Proceedings PCIM Europe, 2010. -Nuremberg, 2010. - p. 1107... 1112.

4 Ниткин Д. А., Шергин В. E., Петрашевская А. А. Внедрение системы резервирования статических преобразователей по входному высокому напряжению. - Ростов-на-Дону: Вестник РГУПС, №2 (38), 2010. - с. 105... 111.

5 Ниткин Д. А., Скороход Ю. Ю., Петрашевская А. А. Высоковольтный преобразователь для питания станций катодной защиты и управления газо- и нефтепроводов. - Новочеркасск: ЮРГТУ, Электромеханика, №2,2011.

6 Ниткин Д. А. Математическая модель электромагнитных процессов в силовой схеме двунаправленного конвертора напряжения. - Ростов-на-Дону: Вестник РГУПС, № 3 (43), 2011.

7 Ниткин Д. А., Петрашевская А. А., Вольский С. И. Концепция бесконтактного электрического подвижного объекта. / Современные направления теоретических и прикладных исследований. - Одесса: Черноморье, 2011.-е. 68...76.

Составленная эквивалентная схема замещения ДККНТ содержит четыре узла и шесть ветвей. Таким образом, для математического описания данной схемы составлена система уравнений из трех уравнений по первому и трех уравнений по второму закону Кирхгоффа:

ивх ~ ивЬ1Х = иут\ (О • 00 (0 + иш (0 + и

\я2 (О + М'сЗ (0 и*УТЪ

(і)-вд(0, (3.22)

где — ток, потребляемый от входного источника IIвх,

1уо2(1) — ток, протекающий через обратный силовой диод

ОуО2(0 - коммутационная функция обратного диода УИ2; Сг0 (() и буш (¿) — соответствующие обратные коммутационные функции.

'*■„ (0 • Со (0 + *И>2 (0 • °УП2 (0 = (О, *ы(0 = *"<) (0-^(0 + 4,

ивх - с/еь« = ит (0 • (0+иих (о+и^ (Г),

и'

(3.18)

(3.19)

(3.20)

(3.21)

~ иаых = ~иУП2 (0 * &У02 (0 + ЫШ (0 + (0,

(3.23)

/

Лапласа (Б-преобразование) и преобразование Лорана ^-преобразование).

Метод переключающих функций связывает входные и выходные параметры схемы устройства посредством введения переключающих функций, которые представлены набором разрывных единичных функций, соответствующих включенному и выключенному состоянию ключей, периодически переключаемых по заданному алгоритму. При этом ключи представляются идеальными, а пассивные элементы схемы - линейными с неизменными параметрами. В этом случае структурная, схема замещения электронного устройства может быть представлена в виде блока переключения функций, преобразующих входную функцию в выходную. Таким образом, ключи реальной схемы трансформируются в функциональные блоки, формирующие эквивалентные источники напряжения или тока. В соответствии с рассматриваемым методом задачу анализа решают методами для линейных цепей, на вход которых поступают кусочно-непрерывные функции, наиболее распространенными и эффективными из которых являются спектральные и операторные методы.

Метод основной составляющей представляет частный случай применения* спектрального анализа для учета только одной составляющей: спектрального состава напряжения или тока, поступающего' в нагрузку от устройства. Эта составляющая, называемая гладкой или полезной, является» основной и определяет входные характеристики нагрузки с учетом ее функций. При этом все остальные составляющие рассматриваются как помехи, негативно влияющие на работу потребителей. В качестве основной составляющей, для преобразователей постоянного тока наиболее, часто используют постоянную составляющую. Учет только одной' постоянной составляющей позволяет упростить и ускорить расчеты основных энергетических показателей схемы.

Проведенный анализ научно-технической литературы- показывает, что применительно к ДККНТ наиболее рациональным с точки зрения-требуемой точности, сложности вычислений и удобства полученного решения является метод поинтервального исследования.

I. 116

)

й

I

ЕЛППЛ

50.00С

40 О ОС -

зооос

2000С-

1000

-10 00С"

-2000С-

-зооос-

-4000С-

-50 ОМ

' 0 ЭОООи 18.000и 27000и Зб.ОООи 45 000и 54 000и 5а000и 72Ю0и 81 ОООи ЭООООи ЗЭОООи

Рисунок Г.З - Ток, протекающий через индуктивность рассеяния Ь¡2 вторичной обмотки трансреактора 7VI

ПРИЛОЖЕНИЕ Д

ООО «ТРАНСКОНВЕРТЕР»

ул. Донская, д. 32, Москва, 119071, тел./факс (495) 955-93-70

« 4 » мая 2011 г.

г. Москва

АКТ

о практическом использовании результатов диссертационной работы Ниткина Дмитрия Андреевича «Двунаправленный конвертор напряжения для бортовых электротехнических комплексов автономных объектов»

Подтверждаю, что при разработке и освоении серийного производства статических преобразователей собственных нужд ПСН100У2 (ТК 100.000.000.00) для магистральных пассажирских электровозов ЭП2К постоянного тока использованы результаты диссертационной работы Ниткина Дмитрия Андреевича «Двунаправленный конвертор напряжения для бортовых электротехнических комплексов автономных объектов», которые касаются разработанных теоретических положений и математического описания рабочих процессов силовой част, схемотехнического решения, предложенного алгоритма расчета и выбора основных силовых элементов, а также компьютерного моделирования конвертора модуля ограничителя напряжения.

Данное внедрение результатов диссертационной работы Ниткина Д. А. внесло существенный вклад в осуществлении успешного серийного выпуска высоковольтных высокочастотных статических преобразователей собственных нужд ПСН100У2 для такого сложного электротехнического комплекса, который имеет современный магистральный" пассажирский электровоз. К настоящему времени свыше 30 шт. изготовленных статических преобразователей собственных нужд ПСН100У2 в составе магистральных пассажирских электровозов ЭП2К эксплуатируются на Западно-сибирской железной дороге (депо Барабинск). Планируется к концу 2012 г. на предприятии ООО «Трансконвертер» выпустить более 100 шт. преобразователей собственных нужд ПСН100 У2.

Результаты диссертационной работы Ниткина Дмитрия Андреевича также имели практическое внедрение при разработке и выпуске статических преобразователей ПС70 УХЛ4* (ТКПС70.000.000.00), предназначенных для проведения стендовых испытаний тяговых асинхронных двигателей грузового электровоза 2ЭС10.

/

Начальник конструкторского бюро

Ю. Ю. Скороход

V» Система менеджмента качества ссргифицированз на соответствие требованиям ГОСТ Р ИСО 9001-2008