автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Многоячейковые преобразователи с тиристорно-транзисторными силовыми ключами

. ь ОД 1 П rtivJti 1994

КИЕВСКИЙ ПОЛИТЕМШЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

КОХ.ШЕД МАЛЕК (Сирия)

на правах рукописи

УМ G21.3Î4.075.8

ИЮГОЯЧЕИКОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С ТИРНСГГОИЮ-ТР.ЧЕИЯОРИЬЕОТ

силовыми ключами

Специальность 00.09.12 - "Подупровэдшмовыэ преобразователи

элзктроэнерпш"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата техтмеских наук

Киев - 1994

Диссертацией является рукопись

Работа выполнена на кафедре промышленной электроники Киевского политехнического института.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор В.С.Руденко

Научный консультант - кандидат технических наук, доцент В.М.СкоСченко

Официальные оппоненты: доктор технических наук, В.С.Федий,

кандидат технических наук, доцент Ю.Е.Кулешов,

Ведущая организация: Институт проблем энергосбережения АН Украины

Запита состоится " 43 " ¿/»¡на 1994 г. в, /Э ча-

сов на заседании специализированного совета K068.14.Q5 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Киевском политехническом институте (корпус Ко'' 20,- ауд. Ко ?

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 252056, г.Киев-56, пр.Победы, 37, КГИ, Ученому секретарю.

С диссертацией.можно ознакомиться в библиотеке Киевского политехнического института.

Автореферат разослан " /О " ¿¿ОЛ_1994 г.

. Ученый секретарь специализированного Совета . к. т.н., профессор■

Б.Н.Кондра

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. На современном этапе развития нашего общества одной из важнейших является проблема рационального использования энергетических ресурсов. Значительная экономия энергетических ресурсов может Сыть достигнута эа счет совершенствования методов преобразования и передачи электроэнергии на основе полупроводниковой преобразовательной техники. Поэтому повышение энергетических показателей полупроводниковых преобразователей электроэнергии является актуальной задачей.

Предлагаемая работа посвящена одному из перспективных направлений в разработке высокоэффективных многоячейковых полупроводниковых преобразователей на базе модулей-блоков с тиристор-но-транзисторными силовыми ключами (ТТК). Использование предложенных в работе- способов управления силовыми ключами б сочетании о высокой нагрузочной способностью ТТК позволяет существенно повысить надежность функционирования разрабатываемых преобразовательных устройств, а также улучшить качественные характеристики преобразуемой электроэнергии. Однако, применение ТТК в многоячейковых преобразователях приводит к необходимости учета влияния параметров самих ТТК на качество,выходной энергии преобразователя. Поэтому исследование и разработка многоячейковых преобразователей выполненных на основе унифицированных модульных блоков с ТТК, с учетом потерь в них, является актуальной задачей.

Цель работы. Разработка и исследование модуляционных способов преобразования параметров электромагнитной энергии на базе многоячейковых преобразователей с ТТК. Теоретические и экспериментальные исследования, выработка рекомендаций по улучшению энергетических и эксплуатационных характеристик. Разработка и экспериментальное исследование опытных образцов многоячейковых преобразователей.

Методы исследования. При исследовании рассмотренных в работе многоячейковых преобразователей были использованы: метод коммутационных функций - при получении аналитических выражений исследуемых несинусидальных напряжении; методы гармонического синтеза -для получения в замкнутом виде зависимостей интегральных характеристик выходных.напряжений многоячейковых преобразователей таких, как средние (иср) и действующие значения (иЭф), а также коэффициента гармоник (Кг).

Достоверность теоретических выводов и рекомендаций подтверж-

дена результатами экспериментальных исследований при лабораторных испытаниях созданных преобразовательных систем.

Научная новизна. 1. Обоснована целесообразность учета падения напряжения на ТТК в многоячейковых преобразователях выполненных как на инверторах постоянного, так и переменного тока.

г. Обоснована целесообразность построения силовых схем многоячейковых преобразователей с ТТК по схеме с суммированием в общем контуре (СОК) выходных напряжений одинаковой частоты и разной формы.

3. Предложен способ компенсации искажений, вносимых в кривые выходных напряжения многоячейковых преобразователей, выполненных как на инверторах постоянного, так и переменного тока.

4. Предложен способ управления мостовым инвертором напряжения, выполненном на последовательных ТТК для улучшения технико-экономических характеристик многоячейковых преобразователей.

5. Получены в замкнутом виде выражения для иСР и иэ®, а также кг выходных напряжений нескомпекскрсванних ¡.¡псгсячейкоБЫх преобразователей.

Практическая ценность. Приведенные в работе выводы, зависимости, графики обеспечили возможность оптимального проектирования многоячейковых преобразователей на основе высоконадежных базовых модулей, выполненных на ТТК. Модульный принцип построения силовых' схем преобразователей существенно упросщает процесс проектирования и производства предложенных многоячейковых преобразователей.

Основные положения, выносимые на защиту. 1. Целесообразность построения силовых схем многоячейковых преобразователей с ТТК по схеме с СОК выходных напряжений одинаковой частоты и разной формы с компенсацией искажений, вызванных падением напряжений на силовых ТТК.

2. Принципы построения силовых схем и систем управления многоячейковых преобразователей с ТТК.

3. Анализ искажений, вносимых ТТК в кривую выходного напряжения преобразователей с многоячейковой структурой.

Апробация работы. Основные результаты исследований были доложены и обсуждены на:. семинаре научного совета АН Украины по комплексной проблеме "Научные основы электроэнергетики" и научном семинаре кафедры электроники и энергетики Университета г.Латакии (Сирия).

Основное содержание работы опубликовано в 3-х статьях. Ре-

зультаты работы внедрены в учебном процессе кафедры промышленной электроники Киевского политехнического института.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержание которых наложено на 100 страницах машинописного текста и иллюстрировала 47 рисунка)«! и 1 таблицей, а также содержит список литературы из 68 наименований на 7 страницах и приложение на 15 страницах. Всего - 139 стр.

В первой главе приведена характеристика известных способов формирования близкого к синусоидальному (квазисинусоидальному) напряжению, реализованных на основе силовых схем с многоячейковой или многоканальной структурой. Показана высокая эффективность преобразователей с многоячейковой структурой, позволяющих реализовать модульный принцип конструирования на основе унифицированных элементов и узлов. Обоснована целесообразность учета падения напряжения на силовых полупроводниковых- ключах в инверторах постоянного и переменного напряжения, и, в особенности, на последовательных ТТК при использовании их в многоячейковых преобразователях.

Во второй главе предложены новые способы управления мостовым инвертором напряжения, силовые ключи которого выполнены по схеме последовательного ТТК, а также способ управления многоячейковым преобразователем с целью устранения искажений в кривой выходногс напряжения, вызванных падением напряжения на силовых ключах инверторов. Детально проанализированы причина и форма возникающих искажений в многоячейковых преобразователях, реализующих различные способы формирования кваэисинусоидального напряжения, а также обоснована возможность устранения возникающих искажений. Обоснована целесообразность построения силовых схем многоячейковых преобразователей о ТТК по схеме с СОК выходных напряжений одинаковой частоты и разной формы.

В третьей главе проведен анализ искажений, вносимых ТТК в кривую выходного напряжения многоячейковых преобразователей, выполненных по схеме с СОК выходных напряжения одинаковой частоты и разной формы. Получены выражения в замкнутом виде для исс и Оэ®. а также кг выходных напряжений, нескомпенсированных многоячейковых преобразователей, выполненных как на инверторах постоянного тока, так и на. основе инверторов переменного тока.

В четвертой главе рассмотрены особенности построения силовых

схем, систем управления и алгоритмов управления силовыми ключами шшгоячейковых преобразователей, выполненных как на основе инверторов постоянного тока, так и на основе инверторов переменного тока. Приведены результаты исследований и даны рекомендации по практической разработке многоячейковых преобразователей о улучшенными технико-экономическими характеристиками. . '

В приложении даны распечатки программ расчета основных интегральных характеристик рассмотренных преобразователен.

Основное содержанке работы. При разработке полупроводниковых преобразователей реализующих модульный принцип построения на основе унифицированных блоков и уалов, в последние годы нашли применение в качестве базовых модулей однофазные инверторы напряжения, выполненные на ПК. Такие ключи сочетают в себе как свойства полностью управляемого прибора - транзистора, так и свойства прибора с повышенными динамическими перегрузочными характеристиками тиристора. Основной особенностью ТТК является перераспределение динамических потерь .между тиристором и транзистором так™ образом, чтобы они в большей степени были локализованы в тиристоре, допускающем повышенные по сравнению с транзисторами динамические перегрузки.

При .анализе процессов в инверторах, как правило, идеатаэиру-ится йараметры силовых ключей. Принимается, что внутреннее сопротивление силового ключа близко к нулю и можно пренебречь величиной падения напряжения на нем. Структурная- организация последовательного ТТК приводит к необходимости учета не только внутреннего сопротивления ключа, ко и учета изменения формы выходного напряжения инвертора, вызванного падением напряжения на таких силовых ключах.

В многоячейковых преобразователях искажения., вносимые в кривую выходного напряжения зависят от структурной организации сало-го преобразователя, так и от других факторов, например, от соотношения амплитуды пьедестала в кривой выходного 'напряжения инвертора (величина падения напряжения на ТК показана сплошной штриховкой на рис.1) и величины постоянного напряжения питающего инвертор.

При анализе дополнительных искажений, вносимых в кривую выходного напряжения многоячеикового преобразователя удобно использовать методы коммутационных функций в сочетании с методами гармонического синтеза.

Рис. i.

- в -

В работе показано, что дополнительные искажения в выходном многоступенчатом напряжении, обусловленные падением напряжения, на силовых ключах многяочейкового преобразователя,по форме аналогичны кривой неискаженного многоступенчатого напряжения на интервале от момента перехода напряжения через ноль, до момента перехода через ноль кривой выходного тока. Такое многоступенчатое напряжение назовем кусочно-ступенчатым и оно может быть представлено в виде суммы М простейших воздействий, отличающихся друг от друга величиной параметра Вт

М 4аЕ » sinq(cc-fim) г Я /Зт+сМ

u.(ut) = Е —г- Е--sin qiat + —Т '~ q- [•»

п-1- Я q=l,3,5 q L 2 ,. ^ 2

где q - 2n-l, n - ряд натуральных чисел n=l,2,3,...Pm - угол, равный половине нулевой паузы в кривой выходного напряжения N-ro инвертора, N - количество инверторов, Е - амплитуда выходного напряжения инверторной ячейки, а - длительность интервала, на котором вычисляются дополнительные искажения (рис.1). .

В работе показана, что при аналиэе искажений можно осуществить, переход от рассмотрения кусочно-ступенчатой кривой к кусочно-синусоидальной. При этом величина погрешности аппроксимации обратно пропорциональна количеству ступеней- аппроксимируемого многоступенчатого напряжения и не превышает единиц процентов, что позволяет сделать вывод о корректности такой аппроксимации. Переход от анализа кусочно-ступенчатого напряжения к кусочно-синусоидальному позволяет математически более наглядно записать величину выходного нескомпенсированного напряжения. .

Величина действующего значения для двухступенчатой кривой может быть представлена следующей зависимостью:■

Jse

Я |/i

01 5, а - 02

sirrq—--sin*q-

4aE /<» 2 e>. 2

+ I

qz q=»l qz

„ . 2 « ~ 8l n « " 82

2sirrq--sirrq-—

» 2 2 02-01 E -,----— cosq -—-—-

q-1 q'

Как видно, полученное выражение имеет довольно громоздкий вид и неудобно для вычислений, т.к. содержит бесконечно большое количество членов ряда. Устранить этот недостаток можно с помощью приведения выражения к замкнутому виду.

Если же находить выражение в виде ряда для кусочно-ступенчатого напряжения, полученного, например, суммированием 3+4 и более простейших воздействий, то выражения получаются очень сложными. .

Учитывая изложенное выше в работе предложено аппроксимировать кусочно-ступенчатое напряжение отрезком синусоиды. Однако, при аппроксимации кусочно-ступенчатого напряжения кусочно-синусоидальной неизбежно возникает погрешность вычислений. Для оценки этой погрешности необходимо сравнить выражения для величины действующего значения кусочно-ступенчатого и кусочно-синусоидального напряжения, а также зависимость величины погрешности от параметра oí.

В работе определены в аналитическом виде выражения для Ucp и 0ЭФ, а также Кг выходного напряжения нескомпенсированного преобразователя, выполненного как на инверторе постоянного; так и переменного тока.

Величина!, среднего значения напряжения

N 2 Un 1 г, л а

Ucp - Е Е (1 - - Вт) + : (-+ Sin* - - cos -).

п-1 ■ Я Я 2 2 2

Действующее значение напряжения

иЭф - - / Mn + D(ot).

/I

Величина коэффициента гармоник напряжения

Ate)

где

D(a) - К2(а) + Pz(а) - 2К(а) 'Р(ос) -cosa ,

Un-a 4Е /. N \

К(а) = —— + - L cos Вт ,

я -л ^ т»1 '

Um-oí

P(oO = - Sin« ,

Я

« г Um / 4E \2 2 8EUjn /— i

M(n) = L - Fn- -Bn + —5-KTn-Sn-cosTn »

n=l L К - Tí ) . tí J

sin2(n+l)a sineno¡ 2sia (n+1) a ■ s í nra • cose;

pn 3 --—1+ -----:- >

(п+l) n •• n (n+1)

ri-sinz(n+l)a - (n+l)slnznoí

Tn = arete-1- »

n-sin(n+l)«>cos(n+l)a - (n+l)sinne-cosna

1 N

0n = - £ cos(2n+l) -Sm >

(2n+l) in»l

4aE N

Um - - E cosBm •

я m=l -

Результаты расчетов позволяют выработать рекомендации при проектировании многоячейковых преобразователей с учетом требований по качеству выходной энергии.

Анализ полученных результатов показывает, что с увеличением числа инверторов N в многоячейковом преобразователе, искажения, вносимые падением напряжения на ТТК инверторов оказывают все большее влияние.

Еще в большей степени проявляется зависимость как Кг, так и величины 1)Эф выходного напряжения от значения параметра "а" (где "а" - относительная величина падения напряжения на ТТК, показанная на рис.1 величиной "а-Е").

Наиболее существенное влияние на величину дополнительных искажений оказывает величина параметра се. Чем больше « нагрузки, тем величина искажений возрастает.

' Характерной особенностью силовых ключей инверторов переменного тока, выполненных на современной элементной базе, является значительное падение напряжения на ключах, обусловленное сложной конфигурацией последних и как следствие более выраженного, чем в инверторах постоянного тока, искажением формы кривой выходного напряжения.

В работе определены в аналитическом виде выражения для иср и

иЭф, а также Кг выходного напряжения нескомпенсированного преобразователя- частоты.

Величина действующего значения напряжения

1,5Ет /М(п) M(3S) D(a)

и3(В -- /---+-

/I К '

где Ет - величины амплитудного значения фазного напряжения. Величина коэффициента гармоник напряжения

/ M(n) - M(3S) Кг = /-

где

M(3S) = L s—1

я2

D(a)

2 9

Um ( 4Е ч 2 „ 8UmE ,-

■FC3S) + - В*" (35) + —г- /F(3S).0(3S)T(3S)

Ti ' ■ ТГ

sinz(3S-l)a sin2(3S-2)a 2sin(3S-l)a-sin(3S-2)a

F(3S) = .-5— + -5----cosa,

(3S-1)2 (3S-2) (3S-1)(3S-2)

(3S-2)sinz(3S-l)ot - (3S-l)sinz(3S-2)a Y (33) -arctg 1

(3S-2)sin(3S-l)a-cos(3S-l)a-(3S-l)sin(3S-2)acos(3S-2)a'

1 N

B(3S) = - L cos3(2S-l)0m.

3(2S-1) m=l

Анализ полученных результатов показывает, что величина Кр практически не зависит от параметров "а" и cosa нагрузки. Наблюдается только зависимость от количества ячеек в группе модуляторов. Постоянство же величины Кг при изменении "а" или cosa может быть объяснено только тем, что искажения, вносимые в кривую выходного напряжения группы модуляторов, подключенных к одной из фаз питающей сети приводят к появлению гармонических составляющих, частота которых кратна трем. При дальнейшем суммировании в общем контуре эти гармоники взаимно вычитатся и в спектре выходного напряжения отсутствуют.

В работе предложен способ полной компенсации рассмотренных искажений. Суть его заключается в том, что формируют кусочно-ступенчатое напряжение, по форме совпадающее с многоступенчатым напряжением, на интервале от момента перехода через ноль кривой нал-

ряжения, до момента перехода через ноль кривой выходного тока (рис.1), трансформируют это напряжение с коэффициентом трансформации п = а/(1+а) и вычитают из кривой выходного многоступенчатого напряжения.

На рис.2 приведена схема, реализующая предложенный, способ улучшения гармонического состава выходного напряжения многоячейкового преобразователя. Преобразователь содержит N мрдуляторов (инверторов, выполненных по мостовой схеме), выходы которых подключены к разделительным трансформаторам Т\Ч-ТУн, причем их выходные обмотки соединены последовательно и образуют нескомпенсиро-ванный выход-преобразователя. К этому выходу подсоединен инвертор переменного напряжения на ключах с двухсторонней проводимостью, нагруженный на трансформатор ТУ с коэффициентом трансформации п=а/(1+а), выходная обмотка которого соединена последовательно о нескомпенсированным выходом, образуя общий выход (т.е. скомпенсированный) многоканального преобразователя.

При другой же структурной организации, например, при СОК выходных напряжений одинаковой частоты и формы полной компенсации добиться не удается, т.к. эти искажения возникают в инверторах еще до момента перехода кривой выходного напряжения через ноль, а форма искажений отличается от формы выходного напряжения преобразователя данного типа, даже при использовании предложенного способа снижения искажений вносимых в кривую выходного напряжения. Это позволяет сделать вывод о целесообразности построения силовых схем многоячейковых преобразователей с ТТК по схеме с СОК выходных напряжений одинаковой частоты и разной формы, как единственно возможной схемы, позволяющей компенсировать искажения, возникающие из-за падения напряжения на силовых ключах инверторов.

В работе предложен оригинальный способ управления мостовым инвертором, который является результатом работы по улучшению характеристик ТТК многоячейковых преобразователей. Это позволило уменьшить до нескольких вольт величину напряжения, прикладываемого к запертым транзисторам силовых ключей, а также упростить техническую реализацию системы управления силовыми ключами.

Повышение эффективности многоячейковых преобразователей, содержащих силовые ТТК может быть достигнуто за счет предложенного способа управления мостовым инвертором напряжения путем введения дополнительных силовых ключей, обеспечивающих снятие питающего

Т

m

Hi

г1

3I£

774

tßiq

SA

7

¿/H

to

ÖL

TV ÜJJ

f.

1

/

S3

U H

PuC. 2.

напряжения с инвертора в течение коммутации силовых ключей мостового инвертора.

Основные результаты работы

1. Проведен анализ литературы стран СНГ. Показано, что одним из направлений, обеспечивающих повышение эффективности многоячейковых преобразователей, является применение ТТК различной схемной, модификации, с целью уменьшения динамических потерь в силовых транзисторах при их включении и выключении.

2. Обоснована целесообразность применения предложенного, способа управления мостовым инвертором напряжения, выполненного на силовых ТТ^ путем введения дополнительных силовых ключей, обеспечивающих снятие питающего напряжения с инвертора в течении всего интервала коммутации его силовых ключей. Это позволило уменьшить до нескольких вольт величину напряжения, прикладываемого к запертым транзисторам ТТК, а -также упростить'техническую реализацию системы управления ТТК.

3. Обоснована целесообразность учета падения напряжения на. силовых ТТК мостовых инверторов напряжения в многоячеиковых преобразователях, приводящего к значительному искажению кривой выходного квазисйнусоидального напряжения.

4. Показано, что силовые схемы многоячейковых преобразователей с ТТК целесообразно строить по схеме с суммированием в общем контуре выходных напряжений одинаковой частоты и разной формы. Обосновано, что только при этом способе формирования квазисинусо-идалького напряжения -удается компенсировать искажение, возникающее в кривой выходного напряжения из-за падения напряжения на.силовых ТТК инверторов.

. 5. Предложен способ компенсации искажений, возникающих в -кривых выходных напряжениях многоячейковых преобразователей, выполненных на инверторах иостоянного1и переменного ток%выполненных на основе силовых ключей с повышенным внутренним сопротивлением.'

Способ основан на определении временного интервала, в пределах которого возникает искажение и производится вычитание из выходного несксмпекоированного напряжения части кусочно-ступенчатого напряжения, сформированного в дополнительном модуляторе и тлеющим форму возникающих искажений.

6. Обоснована целесообразность аппроксимации кусочно-ступенчатой функции, характеризующей величину искажений выходного напряжения, вносимых падением напряжения на силовых ТТК инверторов, отрезком синусоиды, амплитуда которой соответствует амплитуде' основной гармоники в разложении в ряд Фурье многоступенчатого квазисинусоидального напряжения, частью которого является данная кусочно-ступенчатая функция, что позволило получить зависимость в аналитическом виде величины еыходкого напряжения многоячейкового преобразователя с учетом параметров, определяющих величину возникающих искажений.

7..Определены в аналитическом виде выражения для средних и действующих значений, а также коэффициентов гармоник выходного напряжения нескомпеноированного преобразователя, выполнеиого как на инверторахпостоянного, так и переменного тока. Обоснована эффективность применения- предложенного .способа компенсации искажений, вызванных падением напряжения на силовых■ключах многоячейкового преобразователя.

8. Рассмотрены практические схемы инверторов переменного и постоянного тока с- ТТК, а также примеры выполнения отдельных блоков системы управления многоячейковыми преобразователями.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Скобченко В.М., Мохамед Малек. Об одном способе компенсации искажений, вносимых в кривые выходных напряжений многоячейковых преобразователей. Киев.Политехи.ин-т. Рук.деп.в УкрИНТЭИ, Ко 222 - УК 93, 1993,. с. 12.

. 2, Скобченко В.М., Мохамед Малек. Анализ.интегральных характеристик выходного напряжения многоячейкового преобразователя.

Киев.Политехи.ин-т. Рук.деп.в УкрИНТЗИ, N0 223 - Ук 03, 1093, 0.16.

3. Скобченко В.М., Мохамед Малек. Тириоторко-транзисторный инвертор о дополнительным коммутатором. Киев.Политехи.ин-т. Рук. деп.в УкрИНТЗИ, n0 224 - Ук 93, 1993, 0.7.