автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Многоуровневые полупроводниковые преобразователи с параллельным включением для активных фильтров и систем накопления энергии

На правах рукописи

с/

л

У

Дыбко Максим Александрович

МНОГОУРОВНЕВЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ ВКЛЮЧЕНИЕМ ДЛЯ АКТИВНЫХ ФИЛЬТРОВ И СИСТЕМ НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ

Специальность: 05.09.12 - Силовая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Томск-2013

005542328

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет»

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, доцент C.B. Брованов

доктор технических наук, старший научный сотрудник Б.Ф., Симонов (Институт горного дела СО РАН, г. Новосибирск) кандидат технических наук, доцент C.B. Леонов (Северский технологический институт, филиал Национального исследовательского ядерного университета, г. Северск)

Федеральное государственное

образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики», г. Новосибирск

Защита диссертации состоится 26 декабря 2013 г., в часов, на

заседании диссертационного совета Д 212.268.03 в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники по адресу: 634034, г. Томск, ул. Вершинина, 74.

Автореферат разослан « ¿Г» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Доктор технических наук

Мещеряков Р. В.

2. Получение аналитических соотношений для максимальных значений коммутационных уравнительных токов ПУ в функции числа уровней напряжений и количества ПП.

3. Расчет и анализ энергетических характеристик полупроводниковых преобразовательных устройств.

4. Проведение экспериментальных исследований для верификации теоретически полученных результатов.

Для решения поставленных задач были использованы методы переключающих функций, методы гармонического анализа, теория мгновенной мощности, аналитические методы расчета переходных процессов в электрических цепях. Проверка достоверности полученных теоретических результатов и аналитических соотношений осуществлялась методом компьютерного моделирования с помощью пакета Рои'ег5/М и лабораторных макетов двух- и трехуровневого трехфазного преобразователя частоты.

Научная новизна основных результатов диссертации заключается в следующем:

1. Предложены математические модели полупроводниковых преобразовательных устройств, позволяющие вычислять мгновенные значения токов и напряжений, и основные показатели энергетической эффективности без использования прямых методов расчета и решения дифференциальных уравнений;

2. Предложена методика расчета динамических потерь в ключах многоуровневых полупроводниковых преобразователей при управлении скалярной ШИМ, адаптированная к любому числу уровней напряжения, и позволяющая вычислять мощность динамических потерь с учетом линейно аппроксимированной зависимости энергии от коммутируемого тока в ключе;

3. Предложена схема модульного преобразовательного устройства с улучшенными энергетическими характеристиками на основе многоуровневых полупроводниковых преобразователей с фиксирующими диодами, соединенными в параллель посредством уравнительных реакторов для систем накопления электрической энергии и активных фильтров;

4. Установлена зависимость максимального значения коммутационного уравнительного тока от количества полупроводниковых преобразователей, числа уровней напряжений звена постоянного тока в преобразовательном устройстве, позволяющая более точно определить максимальные значения токов силовых полупроводниковых приборов. Практическая ценность результатов диссертации состоит в следующем.

1. Математические модели, позволяющие вычислять основные энергетические характеристики ПУ с использованием многоуровневых преобразователей использовались при выполнении НИР по разработке эффективных накопителей электрической энергии с использованием многоуровневых полупроводниковых преобразователей;

2. Предложена инженерная методика расчета максимальных значений коммутационных уравнительных токов ПУ с произвольным количеством многоуровневых 1111.

3. Полученные характеристики для КПД и коэффициента гармоник напряжения показывают, что преобразовательное устройство целесообразно реализовывать на базе нечетного количества параллельно соединенных полупроводниковых преобразователей.

4. Полученные теоретические и практические результаты используются в учебном процессе при подготовке инженеров, магистрантов и аспирантов в области энергетической электроники.

Основные положения, защищаемые автором:

1. Предложенные математические модели многоуровневых полупроводниковых преобразовательных устройств, позволяют рассчитывать мгновенные значения напряжений, токов, и основных энергетических показателей без привлечения аппарата дифференциальных уравнений;

2. Разработанная методика расчета максимальных значений пульсационной составляющей уравнительных токов многоуровневых преобразователей соединенных в параллель посредством уравнительных реакторов позволяет, в отличие от существующих, вычислять эту составляющую для любого количества преобразователей и любого числа уровней напряжений звена постоянного тока

3. Новая методика расчета динамических потерь в силовых полупроводниковых приборах многоуровневых преобразователей, по сравнению с известными, позволяет реализовать расчет потерь мощности при коммутациях для любого числа уровней напряжений и не требует использования сложных аналитических соотношений.

4. Результаты расчета энергетических характеристик полупроводниковых преобразовательных устройств с использованием многоуровневых преобразователей с фиксирующими диодами в виде зависимостей КПД от количества полупроводниковых преобразователей (ПП) в составе преобразовательного устройство (ПУ) и частоты ШИМ, коэффициента гармоник фазного ступенчатого напряжения ПУ в зависимости от глубины модуляции и количества ПП показывают, что предложенная схема ПУ позволяет повысить КПД от 0,5 до 3% и уменьшить коэффициент гармоник фазного ступенчатого напряжения в 4-5 раз.

Связь диссертационных исследований с научно-техническими программами и проектами.

Исследования по диссертационной работе выполнялись в рамках следующих программ:

1. Федеральная целевая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2012 годы». Научно исследовательские работы по лоту 2011-1.6-516-015, «Проведение проблемно-ориентированных поисковых

исследований в области создания эффективных накопителей электрической энергии для нужд централизованной и автономной энергетики» по теме «Разработка и создание эффективных накопителей электрической энергии на базе многоуровневых полупроводниковых преобразователей и аккумуляторных батарей». Государственный контракт №16.516.11.6035 от 21 апреля 2011 г.

2. Государственный контракт №13.G36.31.0010 от 22.10.2010, «Исследование, разработка и организация промышленного производства механотронных систем для энергосберегающих технологий двойного назначения».

3. Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы». Выполнение НИР по теме «Разработка энергоэффективных накопителей электрической энергии на базе многоуровневых полупроводниковых преобразователей для "интеллектуальных энергетических сетей"». Соглашение № 14.132.21.1755 от 01.10.2012.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на всероссийских и международных научных конференциях и семинарах: International Conference and Seminar on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices, EDM-2009, EDM-2010, EDM 2012; 35th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, IECON 2009; XI Международная научно-техническая конференция «Проблемы современной электротехники 2010»; International Conference on Computational Technologies in Electrical and Electronics Engineering Sibircon-2010; всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации», НТИ-2010; 3rd International Youth Conference on Energetics, IYCE 2011; Международная научно-техническая конференция «Силовая Электроника и Энергоэффективность» СЭЭ-2011, СЭЭ-2012; IEEE EUROCON Conference 2013; 15' European Conference on Power Electronics and Applications, EPE-2013.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 21 работа, из которых 5 в журналах из перечня ВАК.

Личный вклад автора в научные работы, опубликованные в соавторстве с научным руководителем, заключается в следующем: постановке частных задач, создании математических моделей, выполнении расчетов, разработке методики расчета динамических потерь в многоуровневых преобразователях для скалярного способа ШИМ, разработки методики вычисления максимального значения коммутационного уравнительного тока, создании компьютерных моделей параллельных преобразователей. Совместно с научным руководителем автор осуществлял постановку задач, выбор методов решения и анализ полученных результатов. Совместно Турнаевым С.С., Волковым А.Г. и другими аспирантами кафедры автором были получены результаты экспериментальных исследований.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 204 страницах состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 126 наименований 120 рисунков, 21 таблицы и трех приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена актуальность проблемы, решаемой в диссертационной работе, сформулированы цели и задачи диссертационного исследования, научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

Первая глава диссертационной работы посвящена проведению аналитического обзора преобразовательных устройств для электроэнергетики и постановке задач исследований.

Приведен анализ предпосылок к созданию энергоэффективных систем преобразования и накопления электрической энергии. Определены критерии оценки энергетической эффективности.

Приводится краткий обзор элементной базы полупроводниковых преобразователей. Отмечено, что в настоящее время для силовых преобразовательных устройств большой мощности приоритетным решением являются тиристоры. Однако, при использовании параллельно соединенных полупроводниковых многоуровневых преобразователей можно снизить обратное напряжение и максимальный ток до достаточного значения, чтобы вместо тиристоров использовать транзисторы.

Сформулировано определение преобразовательного устройства и его топологии, а также приведена классификация топологий преобразовательных устройств (ПУ) для нужд электроэнергетики. Отмечена роль многоуровневых полупроводниковых преобразователей в построении преобразовательных устройств средней и большой мощности. Представлен краткий обзор многоуровневых топологий преобразователей.

В заключительной части главы определены пути для решения обозначенных выше проблем, среди которых автором выделены следующие:

• Проведение анализа электромагнитных процессов;

• Расчет и анализ уравнительных токи в преобразовательном устройстве;

• Построение модульных ПУ на базе многоуровневых полупроводниковых

преобразователей с фиксирующими диодами.

На основе отмеченных проблем и проведенного аналитического обзора в первой главе сформулированы задачи исследований.

Во второй главе созданы математические модели преобразовательного устройства на базе параллельных многоуровневых преобразователей с фиксирующими диодами.

Представленные математические модели позволяют рассчитать мгновенные значений токов и напряжений, а также основные энергетические

• Выходная характеристика транзистора ЮВТ-модуля, /к = / (^КЭ) •

• Вольт-амперная характеристика антипараллельного диода ЮВТ-модуля и фиксирующего диода, 1р = / (С//г);

• Зависимости энергии включения, выключения транзистора и энергии восстановления диодов при выключении от коммутируемого тока: Еоп=/{1к)' =/(7к) и Егг = /(Ь) соответственно.

На рис. 9 приведены зависимости КПД от мощности для разного количества трехуровневых преобразователей от выходной мощности.

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

Рис. 9. КПД для N = 3

При минимальном значении мощности наибольшим КПД будет обладать ПУ с одним преобразователем вследствие отсутствия коммутационных УТ. В этой связи использование ПУ с несколькими ПП при сравнительно небольших мощностях нецелесообразно. В случае, когда мощность меняется динамически, к примеру, при работе системы накопления энергии в режиме отдачи мощности, можно отключать и подключать отдельные ПП в составе ПУ.

Зависимость КПД от частоты ШИМ представлена на рис. 10.

?7, %

Рис. 10. КПД при N = 3

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

Многоуровневые полупроводниковые преобразователи с параллельным включением для активных фильтров и систем накопления энергии

04201455754

На правах рукописи

Дыбко Максим Александрович

05.09.12 — Силовая электроника

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -

д.т.н., доцент

Брованов С.В.

Томск-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ.................................................................4

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................6

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ.............................................................................................15

1.1 Предпосылки применению энергосберегающих устройств силовой электроники в электроэнергетике.............................................................................15

1.2 Элементная база полупроводниковых преобразователей............................17

1.3 Топологии преобразовательных устройств для электроэнергетики...........18

1.4 Способы управления преобразовательными устройствами для нужд электроэнергетики......................................................................................................34

1.5 Актуальные проблемы преобразовательных устройств для нужд электроэнергетики......................................................................................................36

1.6 Постановка задач исследований......................................................................43

2 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ НА БАЗЕ ПРАЛЛЕЛЬНОГО СОЕДИНЕНИЯ МП...........................45

2.1 Исходные положения анализа электромагнитных процессов в ПУ............45

2.2 Математическое описание алгоритма скалярного способа ШИМ для трехфазного трехуровневого преобразователя........................................................49

2.3 Математическое описание векторного способа ШИМ для трехфазного трехуровневого преобразователя..............................................................................54

2.4 Математическое описание фазных напряжений и токов..............................63

2.5 Математическое описание токов силовых полупроводниковых приборов75

2.6 Математическое описание звена постоянного тока......................................78

2.7 Особенности формирования математической модели при расчете динамических потерь в силовых полупроводниковых приборах ПУ...................85

2.8 Особенности формирования математической модели при параллельном соединении преобразователей...................................................................................97

2.9 Выводы по главе 2...........................................................................................104

3 РАСЧЕТ И АНАЛИЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ...............................................................106

3.1 Оценка качества фазного ступенчатого напряжения и тока......................107

3.2 Расчет и анализ коммутационных уравнительных токов...........................119

3.3 Расчет и анализ КПД.......................................................................................138

3.4 Анализ тока средней линии...........................................................................150

3.5 Выводы по главе 3...........................................................................................157

4 ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА НА БАЗЕ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ МНОГОУРОВНЕВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ В АКТИВНОМ ФИЛЬТРЕ...............................................160

4.1 Описание имитационной модели № 1...........................................................160

4.2 Результаты моделирования............................................................................162

4.3 Имитационная модель №2.............................................................................165

4.4 Результаты моделирования............................................................................166

4.5 Выводы по главе 4...........................................................................................169

5 ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ВЕРИФИКАЦИИ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ РЕЗУЛЬТАТОВ.........................................170

5.1 Описание экспериментальной установки № 1..............................................170

5.2 Проведение эксперимента по верификации математических моделей.....172

5.3 Описание экспериментальной установки №2..............................................174

5.4 Проведение эксперимента..............................................................................177

5.5 Выводы по главе 5...........................................................................................182

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................183

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................185

ПРИЛОЖЕНА...........................................................................................................201

ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ЭЭ - электрическая энергия;

ПКЭЭ - показатели качества электрической энергии

СНЭ - система накопления электроэнергии;

АФ - активный фильтр;

СТАТКОМ - статический компенсатор;

ЭМС - электромагнитная совместимость;

БР - буферный реактор;

УР - уравнительный реактор;

МП - многоуровневый преобразователь;

АБ - аккумуляторная батарея;

СК - суперконденсатор;

СПП - силовые полупроводниковые приборы; ЗПТ - звено постоянного тока; АИН - автономный инвертор напряжения; АВН - активный выпрямитель напряжения; ИН - инвертор напряжения;

ВШИМ - векторная широтно-импульсная модуляция;

КСК - комбинации состояний ключей

СШИМ - скалярная широтно-импульсная модуляция;

ПИП - первичный источник питания; ОГ - основные гармоники; ВГ - высшие гармоники; УТ - уравнительный ток;

УТНП - уравнительный ток нулевой последовательности; КУТ - коммутационный уравнительный ток; ОВК - обобщенный весовой коэффициент.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы и степень её проработанности

В настоящее время силовые полупроводниковые преобразователи становятся неотъемлемой частью современных систем преобразования электрической энергии. При этом энергоэффективность полупроводниковых преобразователей (ПП) становится все более востребованной. Связано это во многом с неуклонным ростом потребления электроэнергии в мире. Рост потребления электроэнергии в условиях истощающихся запасов углеводородного топлива - это один из факторов, который ведет к росту цен на энергоносители. Пока альтернативные источники энергии не получили достаточно широкого распространения наиболее рациональный путь экономии средств на электроэнергии - это повышение эффективности её генерации, распределения и потребления [6, 8].

Согласно статистическим данным за 2009 год, около 50% потребляемой электроэнергии в России приходится на промышленные предприятия. На сегодняшний день предприятия различных отраслей промышленности используют оборудование, которое является нелинейным потребителем электрической энергии. Однако потребление электрической энергии с низкими показателями качества негативно сказывается на производственной деятельности предприятия. Потребление электрической энергии с низкими показателями приводит к инжекции в сеть электромагнитных помех, высших гармоник, что приводит к искажению формы напряжения. Электромагнитные помехи неблагоприятно влияют на силовые электроустановки, системы автоматики, релейной защиты и прочее оборудование. Это может привести к снижению надежности электроснабжения, увеличению потерь, ухудшению качества и уменьшению количества выпускаемой продукции, в связи с чем, вопрос качества потребляемой электроэнергии является практически значимым для промышленных предприятий [1-4, 112, 113].

Все эти факторы свидетельствуют о необходимости более эффективного распределения и потребления электрической энергии. Один из путей повышения эффективности использования электрической энергии сводится к разработке и внедрению энергоэффективных систем генерирования, распределения и потребления электроэнергии.

В настоящее время экономика России находится в таком положении, что очень сложно найти источники финансирования для замены устаревающего оборудования на электростанциях или на модернизацию имеющегося. Кроме того, развитие инфраструктуры в населенных пунктах, в том числе и мегаполисах, ведет к росту числа потребителей. При этом наблюдается недостаток во вновь введенных в эксплуатацию источниках электроснабжения. В связи с чем возникает необходимость в системах накопления электроэнергии (СНЭ), как системах, которые позволяют повысить эффективность распределения и потребления электроэнергии. Наличие СНЭ позволит, во-первых дать больше времени на модернизацию электростанций, во-вторых замедлит износ генерирующего оборудования [5-9, 22, 75-77].

Среди других систем повышения эффективности распределения и потребления электроэнергии можно выделить активные фильтры (АФ) и статические компенсаторы (СТАТКОМ). Указанные системы преобразования энергии позволяют, в частности, компенсировать негативное влияние нелинейных потребителей на питающую сеть [10-16, 88].

Исследования последних десятилетий показали, что для достижения наибольшей энергетической эффективности систем преобразования энергии для энергетики приемлемы несколько путей, наиболее важными из которых можно отметить следующие [17-21, 23, 24, 27-29, 34-40]:

1. Использование многоуровневых полупроводниковых преобразователей в системах преобразования большой мощности с напряжениями от единиц до десятков киловольт;

2. Использование параллельного соединения полупроводниковых преобразователей для повышения установленной мощности системы;

3. Применение эффективных алгоритмов управления, позволяющих полупроводниковым преобразователям работать в режимах с наилучшими показателями качества.

Использование многоуровневых преобразователей позволяет достичь наибольшей энергоэффективности за счет повышения качества преобразования электрической энергии, снизить массу, габариты и стоимость фильтров в цепях переменного тока. Кроме того, многоуровневые преобразователи позволяют использовать полупроводниковые приборы с меньшим классом по напряжению, соответственно и стоимостью.

Решением задач, связанных с повышением энергетической эффективности различных систем преобразования электрической энергии с использованием полупроводниковых преобразователей в разное время занимались многие отечественные и зарубежные ученые: Г. С. Зиновьев, С. А. Харитонов, В. М. Берестов, А. В. Кобзев, Ю. М. Казанцев, С. В. Брованов, Г. Я. Михальченко, А. Г. Гарганеев, В. Н. Мишин, Н. М. Музыченко, Б. Ф. Симонов, В. Е. Тонкаль, Е. Е. Чаплыгин, А. ИаЬае, N. Се1апоуюЬ, Ь. в. Ргагк}ие1о, Н. Ак^1, 1 Рои, Б. Вогоуеу1сЬ, АпсИег, Б. Коиго, М. МаПпошзЫ, К. воракишаг и др.

Использование параллельного включения полупроводниковых преобразователей имеет ряд преимуществ перед использованием одного преобразователя, в числе которых можно выделить следующие: повышение установленной мощности СНЭ и АФ; повышение надежности; модульное исполнение преобразовательной части систем; повышение качества преобразования электрической энергии.

Современные системы преобразования энергии для энергетики все чаще требуют параллельного соединения преобразователей посредством трансформаторов, что является не самым эффективным решением, поскольку масса, габариты и стоимость такого решения по большей части определяются именно электромагнитными компонентами. Бестрансформаторное параллельное соединение преобразователей с одновременным применением эффективных способов управления позволяет реализовать более компактную и менее дорогую

систему преобразования или накопления электрической энергии, однако требует решения ряда инженерно-технических задач, в числе которых является снижение величины уравнительных токов, повышение коэффициента полезного действия, уменьшение коэффициента гармоник напряжения и тока, решение которых требует качественного анализа электромагнитных процессов.

С учетом вышеизложенных факторов можно сделать вывод о том, что тема диссертационной работы, посвященной анализу электромагнитных процессов в полупроводниковых ПУ для СНЭ и активных фильтров, является актуальной.

Цель диссертационной работы состоит в решении проблемы повышения энергетической эффективности полупроводниковых преобразовательных устройств для систем накопления электрической энергии и активных фильтров.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:

1. Разработка математических моделей многоуровневых полупроводниковых преобразователей, предназначенных для расчета и анализа токов и напряжений в ветвях ПУ с использованием многоуровневых полупроводниковых преобразователей.

2. Получение аналитических соотношений для максимальных значений коммутационных уравнительных токов ПУ в функции числа уровней напряжений и количества 1111.

3. Расчет и анализ энергетических характеристик полупроводниковых преобразовательных устройств.

4. Проведение экспериментальных исследований для верификации теоретически полученных результатов.

Методы исследований.

Для решения поставленных задач были использованы методы переключающих функций, методы гармонического анализа, теория мгновенной мощности, аналитические методы расчета переходных процессов в электрических цепях. Проверка достоверности полученных теоретических результатов и аналитических соотношений осуществлялась методом компьютерного

моделирования с помощью пакета РомгегБШ и лабораторных макетов двух- и трехуровневого трехфазного преобразователя частоты. Научная значимость и новизна

1. Предложены математические модели полупроводниковых преобразовательных устройств, позволяющие вычислять мгновенные значения токов и напряжений, и основные показатели энергетической эффективности без использования прямых методов расчета и решения дифференциальных уравнений.

2. Предложена методика расчета динамических потерь в ключах многоуровневых полупроводниковых преобразователей при управлении скалярной ШИМ, адаптированная к любому числу уровней напряжения, и позволяющая вычислять мощность динамических потерь с учетом линейно аппроксимированной зависимости энергии от коммутируемого тока в ключе.

3. Предложена схема модульного преобразовательного устройства с улучшенными энергетическими характеристиками на основе многоуровневых полупроводниковых преобразователей с фиксирующими диодами, соединенными в параллель посредством уравнительных реакторов для систем накопления электрической энергии и активных фильтров.

4. Установлена зависимость максимального значения коммутационного уравнительного тока от количества полупроводниковых преобразователей, числа уровней напряжений звена постоянного тока в преобразовательном устройстве, позволяющая более точно определить максимальные значения токов силовых полупроводниковых приборов.

Основные положения, защищаемые автором.

1. Предложенные математические модели многоуровневых

полупроводниковых преобразовательных устройств, позволяют рассчитывать мгновенные значения напряжений, токов, и основных энергетических показателей без привлечения аппарата дифференциальных уравнений.

2. Разработанная методика расчета максимальных значений пульсационной составляющей уравнительных токов многоуровневых преобразователей соединенных в параллель посредством уравнительных реакторов позволяет, в отличие от существующих, вычислять эту составляющую для любого количества преобразователей и любого числа уровней напряжений звена постоянного тока.

3. Новая методика расчета динамических потерь в силовых полупроводниковых приборах многоуровневых преобразователей, по сравнению с известными, позволяет реализовать расчет потерь мощности при коммутациях для любого числа уровней напряжений и не требует использования сложных аналитических соотношений.

4. Результаты расчета энергетических характеристик полупроводниковых преобразовательных устройств с использованием многоуровневых преобразователей с фиксирующими диодами в виде зависимостей КПД от количества полупроводниковых преобразователей (1111) в составе преобразовательного устройство (ПУ) и частоты ШИМ, коэффициента гармоник фазного ступенчатого напряжения ПУ в зависимости от глубины модуляции и количества ПП показывают, что предложенная схема ПУ позволяет повысить КПД от 0,5 до 3% и уменьшить коэффициент гармоник фазного ступенчатого напряжения в 4-5 раз.

Практическая ценность работы

1. Математические модели, позволяющие вычислять основные энергетические характеристики ПУ с использованием многоуровневых преобразователей использовались при выполнении НИР по разработке эффективных накопителей электрической энергии с использованием многоуровневых полупроводниковых преобразователей.

2. Предложена инженерная методика расчета максимальных значений коммутационных уравнительных токов ПУ с произвольным количеством многоуровневых 1111.

3. Полученные характеристики для КПД и коэффициента гармоник напряжения показывают, что преобразовательное устройство целесообразно реализовывать на базе нечетного количества параллельно соединенных полупроводниковых преобразователей.

4. Полученные теоретические и практические результаты