автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Разработка и исследование статических преобразователей электрической энергии с дроссельно-конденсаторным инвертором

На правах рукописи

0034512В7

Серёгин Дмитрий Андреевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ С ДРОССЕЛЬНО-КОНДЕНСАТОРНЫМ

ИНВЕРТОРОМ

Специальность 05.09.12 - Силовая электроника

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

3 О ОКТ 2008 .

Москва - 2008

003451287

Работа выполнена в Московском энергетическом институте (Техническом университете) на кафедре промышленной электроники

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент Царенко Анатолий Иванович доктор технических наук, профессор Розанов Юрий Константинович кандидат технических наук Овчинников Денис Александрович Федеральное государственное унитарное

Официальные оппоненты

Ведущая организация

предприятие «Головное особое конструкторское бюро «Прожектор»

Защита состоится «21» ноября 2008 г. в М часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.157.12 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 13, аудитория Е-603.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета)

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим присылать по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Учёный совет МЭИ.

Автореферат разослан «//» 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Буре И.Г.

Общая характеристика работы.

Актуальность: Ряд источников электрической энергии, которые рассматриваются в настоящее время как весьма перспективные, такие, как химические источники тока, в частности, водородные топливные элементы, термогенераторы, солнечные батареи и т.д., характеризуются низким выходным напряжением и существенной нестабильностью этого напряжения. Мощность установок электропитания, построенных на основе таких первичных источников, может быть значительной и составлять величину от нескольких киловатт до десятков и сотен киловатт. В то же время, часто требуется построение системы электропитания на основе таких первичных источников для нагрузок, рассчитанных на питание от источников, существенно отличающихся по характеристикам от упомянутых. В большинство структур систем питания входит преобразователь постоянного напряжения, осуществляющий преобразование напряжения первичного источника до требуемого уровня, потенциальную развязку и стабилизацию.

В большинстве таких применений, особенно на автономных объектах, требуется снизить потери энергии, поэтому критически важным показателем является КПД преобразователя. Повышение КПД также способствует уменьшению массогабаритных показателей устройства. Данный преобразователь оказывает существенное, часто решающее, влияние на качество потребляемой электроэнергии, потери в системе и сложность её исполнения. Однако, вопросы построения таких преобразователей постоянного напряжения, питающихся от низковольтных мощных источников, отличающихся нестабильностью напряжения, изучены мало.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование специализированных схемных решений, позволяющих улучшить характеристики преобразователей, работающих в области значительных мощностей, низких питающих напряжений, с широким диапазоном изменения последних.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Проведён сравнительный анализ характеристик и режимов работы известных технических решений, используемых при построении преобразователей,

питающихся от низковольтных источников с учётом параметров современны силовых полупроводниковых приборов.

2. Разработан принцип построения преобразователей, обеспечивающи повышение КПД и потребление преобразователем от источника питания гладког тока. Разработаны схемные решения, в том числе многофазные, реализующи данный принцип.

3. Проведён анализ статических и динамических характеристи разработанных преобразователей, результаты которого подтвержден экспериментальными исследованиями.

4. Разработана коррекция управления предложенными преобразователями обеспечивающая устойчивость системы стабилизации напряжения нагрузки.

Методы исследования: для анализа режимов работы преобразовате применены методы математического анализа, теории нелинейных электрическ цепей, осреднения переменных состояний, преобразования Лапласа, имитационног компьютерного моделирования.

Достоверность полученных результатов подтверждена следующим:

1. Корректным применением методов математического анализа с использование преобразования Лапласа, дифференциального и интегрального исчисления.

2. Сравнительным анализом характеристик известных схемотехнических решений предложенного устройства.

3. Имитационным моделированием работы преобразователя.

4. Экспериментальными результатами, полученными с использование полномасштабных макетов преобразователей.

Научная новизна:

1. Предложены оригинальные схемные решения преобразователей, защищенные патентом на полезную модель. Принцип построения этих решений обеспечивает повышение КПД преобразователя и потребление преобразователем от источника питания гладкого тока.

2. Предложен способ управления инвертором преобразователя, обеспечивающий снижение загрузки током силовых ключей инвертора.

3. Предложена коррекция системы управления с введением в контур управления сигнала, пропорционального напряжению на дросселях, обеспечивающая устойчивость замкнутой системы.

4. Предложены многофазные схемы с дроссельно-конденсаторным инвертором, позволяющие наращивать мощность преобразователя путём увеличения количества однотипных силовых ячеек.

5. Выявлены режимы работы преобразователей, в которых осуществляется только амплитудная модуляция выходного напряжения показаны преимущества таких режимов работы: неизменность блокируемого ключевыми приборами напряжения при стабилизации напряжения нагрузки; однозначность выходных характеристик в диапазоне нагрузок вплоть до холостого хода.

Практическая полезность результатов работы:

1. Предложенные схемотехнические решения с дроссельно-конденсаторным инвертором позволяют повысить КПД преобразователя, улучшить качество потребляемой энергии, обеспечить формирование напряжения без пауз на нагрузке преобразователя, получить однозначные регулировочные характеристики в диапазоне нагрузок вплоть до холостого хода.

2. Разработана методика инженерного расчёта параметров элементов схем.

3. Разработана методика выбора параметров элементов коррекции системы управления преобразователем с дроссельно-конденсаторным инвертором, обеспечивающая устойчивость системы в диапазоне нагрузок и напряжений питания.

Внедрение: Результаты проведённых в работе исследований и предложенная методика расчёта преобразователя с ДКИ были использованы при разработке макета преобразователя и промышленного образца преобразователя для нужд метрополитена. Лабораторные испытания макетного образца подтвердили эффективность предложенного схемотехнического решения.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. При создании преобразователей, работающих в области низких питающих напряжений со значительной кратностью их изменения, перспективны схемы с одним последовательно включённым в цепь силового тока ключом и с уменьшенной кратностью изменения напряжения на ключах преобразователя по сравнению с кратностью изменения напряжения питания.

2. Предложенное семейство оригинальных схемотехнических решений преобразователей с дроссельно-конденсаторным инвертором, защищенных патентом на полезную модель, обладает указанными свойствами, а также дополнительными преимуществами, такими как малые пульсации потребляемого тока и возможность уменьшить коэффициент трансформации согласующего трансформатора в повышающих преобразователях.

3. Для обеспечения устойчивости замкнутой системы с преобразователем необходимо принимать специальные меры. Предложенная коррекция управления преобразователем, осуществляемая введением в контур управления сигнала, пропорционального напряжению на входных дросселях, позволяет обеспечить устойчивость системы.

4. Разработанные многофазные схемные решения с дроссельно-конденсаторным инвертором позволяют осуществлять чисто амплитудное регулирование напряжения нагрузки. При стабилизации напряжения нагрузки блокируемое ключевыми приборами напряжение в таких схемах не изменяется. Эти схемы обладают однозначными выходными характеристиками в диапазоне нагрузок вплоть до холостого хода, и, кроме того, всеми преимуществами однофазных схем.

5. Результаты макетных экспериментов, полученные с помощью полномасштабных макетов однофазного и трёхфазного преобразователей с ДКИ, а также результаты имитационного численного моделирования работы преобразователя подтверждают основные выводы диссертации.

Апробация полученных результатов: Основные результаты работы докладывались на XII, XIII и XIV международных научно-технических

конференциях студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика".

Публикации по работе: результаты работы отражены в 7 научных работах, в том числе в трёх статьях, одном патенте на полезную модель и трёх опубликованных тезисах докладов.

Структура и объём работы: диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений и списка используемой литературы. Общий объём диссертации (без приложений) составляет 259 страниц, в том числе 191 страницу машинописного текста, 88 иллюстраций и 2 таблицы. Список используемой литературы изложен на 5 страницах и содержит 41 наименование.

Содержание работы.

Во Введении к работе обосновывается актуальность выбранной темы диссертации. Приводятся цель работы и задачи, которые решены в работе для достижения этой цели. Приведены методы исследований, использованные в работе, научная новизна и практическая полезность полученных в работе результатов.

В I главе проведён сравнительный анализ характеристик и режимов работы известных схемотехнических решений на основе сравнения потерь в полупроводниковых приборах схем. Рассматриваются решения, используемые при построении преобразователей, питающихся от низковольтных источников энергии.

На базе анализа характеристик современных полупроводниковых приборов известных фирм-производителей показано, что при низковольтном питании основной вклад в потери в силовых приборах вносят статические потери. Показано, что в области низких напряжений питания, с учётом зависимости сопротивления открытого канала МДП-транзистора от максимального напряжения, которое может блокировать этот транзистор, схема с выводом средней точки трансформатора (т.е. схема с одним последовательно включённым в контур силового тока транзистором) может иметь равные или меньшие потери по сравнению с мостовой схемой (т.е. схемой с двумя последовательно включёнными транзисторами), несмотря на то, что при одинаковом напряжении питания напряжение, блокируемое силовыми ключами инвертора схемы с выводом средней точки трансформатора в два раза выше, чем в

мостовой схеме. Также показано, что для области больших питающих напряжений, при которых можно перейти к применению сильноточных ЮВТ-транзисторов, переход к схеме с выводом средней точки трансформатора может дать существенный выигрыш по статическим потерям.

Далее показано, что при значительном диапазоне изменения напряжения питания целесообразно применение схемных решений, в которых уменьшена кратность изменения напряжения, блокируемого ключевыми приборами, по сравнению с кратностью изменения напряжения питания. Примером такого схемного решения является схема преобразователя первого рода с согласующим

трансформатором и активным клампом. (Здесь под кратностью изменения

£

напряжения питания понимается величина 8Е =-, где Ект - нижняя граница

emin

возможного изменения напряжения питания, т.е. минимальная величина напряжения питания, при которой должен работать преобразователь, Е— текущее напряжение питания; аналогично определяется кратность изменения напряжения,

блокируемого ключевыми приборами: SVyj- =—^—, где Vyj- минимальная

VVT MIN

величина напряжения, блокируемого ключевыми приборами, Vvr - напряжение, блокируемое ключевыми приборами при текущем напряжении питания Е).

Таким образом, в названной области применения целесообразно использовать схемные решения с уменьшенной кратностью изменения напряжения на ключевых приборах с одним ключевым прибором, включённым последовательно в контур силового тока.

Во II главе рассматривается принцип действия и особенности работы предложенного схемотехнического решения преобразователя постоянного напряжения в постоянное, показанного на рис. 1, которое построено на основе дроссельно-конденсаторного инвертора и отвечает сформулированным в главе I требованиям.

Работа преобразователя, построенного по схеме рис. 1, поясняется временными диаграммами рис. 2. При этом полагаем, что полупроводниковые

N 1 407 N

И У06 ш- И У08

приборы представляются

идеальными ключами, потери в элементах схемы отсутствуют, пульсации напряжения на конденсаторе С равны нулю, ток нагрузки идеально сглажен, пульсирующие токи реакторов Ь1, Ь2 имеют непрерывный характер. Можно выделить четыре интервала в работе схемы. На интервале ^-ч

Рис. 1.

Принципиальная схема преобразователя с ДКИ.

(рис. 2) открыты транзисторы УТ1 и УТ4. При этом ток реактора Ы нарастает, замыкаясь по контуру: +Е, Ь1, VI'1, -Е. С помощью УТ4 конденсатор С подключается ко входу выпрямителя УЕ>5-У08, при этом на нагрузке формируется импульс напряжения, амплитуда которого равна величине напряжения на конденсаторе. Ток нагрузки на этом интервале замыкается по контуру: С, УТ4, УОБ, УВ5, УТ1, С. Ток реактора Ь2 на этом интервале замыкается по контуру: +Е, Ь2,УТ4, С, -Е. В работе показано, что напряжение на конденсаторе С больше, либо равно напряжению питания Е. Поэтому на данном интервале ток реактора 12 спадает под действием разности напряжения на конденсаторе и напряжения питания. Через конденсатор С и транзистор УТ4 протекает ток, равный разности тока нагрузки и тока реактора Ь2. Также в работе показано, что ток нагрузки всегда больше, или равен току одного реактора (1Л или Ь2). В этих условиях ток транзистора УТ4 всегда значительно меньше тока нагрузки, либо даже равен нулю. Таким образом, транзистор УТ4 является слабо нагруженным элементом, а, соответственно, потери энергии в нём малы. Наиболее загруженным элементом является транзистор УТ1, через который замыкается ток реактора Ы и ток нагрузки. Показано, что при этом ток, который проводит в открытом состоянии ключ УТ1, меньше или равен току, потребляемому преобразователем от источника питания. Таким образом, принципиальной

6)

особенностью схемы является то, что силовой ток замыкается фактически через один из нижних транзисторов УТ1, либо УТ2, транзисторы УТЗ, УТ4 оказываются слабо нагруженньми, что способствует повышению КПД преобразователя.

На интервале ^Чг открыты ключи, соответствующие УТЗ, УТ4. Это могут быть диоды УОЗ, У04, либо эти диоды шунтируются открытыми транзисторами для

повышения КПД. Токи реакторов Ы, Ь2 втекают в конденсатор С (рис. 2, б), спадая под действием разности

цпгттглаттттл тш г."Лтт ттлттапт^/чпл тт

ишгрд/пигшл па дипд^пч'шир^ п

напряжения питания. На этом интервале на нагрузке формируется нулевая пауза (рис. 2, г).

На интервале открыты транзисторы УТ2 и УТЗ, на входе выпрямителя У05-У08 формируется импульс напряжения с параметрами, аналогичными параметрам импульса на интервале но противоположной полярности (рис. 2, а). Интервал 1344 аналогичен интервалу Далее под коэффициентом заполнения понимается отношение

длительности интервала, в течение которого проводит нижний ключ плеча преобразователя (интервал го-^ или на рис. 2), к длительности периода работы преобразователя.

д)

Рис. 2. Временные диаграммы, поясняющие работу схемы рис. 1. а) напряжение между точками 1, 2 схемы;

б) ток конденсатора С; в) ток реактора Ы и транзисторного ключа УТ1; г) напряжение на нагрузке выпрямителя; д) входной ток преобразователя. Т - период работы преобразователя.

При рассмотрении принципа работы и основных особенностей данного решения были выделены следующие свойства данного решения:

1. Если в течение пауз напряжения на нагрузке выпрямителя (интервалы ^-и на рис. 2) открыты транзисторы УТЗ, УТ4, то преобразователь, построенный по схеме с ДКИ, потребляет во всех режимах непрерывный ток с малыми пульсациями.

2. Напряжение на нагрузочном контуре во время импульса всегда выше напряжения питания, это позволяет уменьшить коэффициент трансформации согласующего трансформатора в повышающих преобразователях, что, в свою очередь, позволяет уменьшить паразитные параметры трансформатора. Данное свойство определяет особую перспективность схемы при питании от низковольтных источников.

3. При уменьшении коэффициента заполнения снижается не только длительность импульсов напряжения на нагрузке, но и их амплитуда, т.к. снижается напряжение на конденсаторе С. Таким образом, осуществляется амплитудно-широтно-импульсное регулирование. Напряжение, блокируемое ключами преобразователя, также снижается при уменьшении коэффициента заполнения, т.к. оно равно напряжению на конденсаторе С. Поэтому при стабилизации напряжения нагрузки кратность увеличения напряжения, блокируемого ключами преобразователя, меньше кратности увеличения напряжения питания. Следовательно, если данная схема используется в режиме стабилизации выходного напряжения при изменении напряжения питания, то уровень напряжения на элементах схемы оказывается меньше, при прочих равных условиях, чем в схемах, в которых стабилизация осуществляется только за счёт коэффициента заполнения.

Преобразователь, представленный на рис. 1, так же, как и широко применяемые преобразователи на базе мостовой схемы инвертора или схемы с выводом средней точки трансформатора, требует высокой симметрии сигналов управления ключевыми приборами и симметрии параметров силовых элементов схемы для обеспечения строго переменного напряжения в диагонали переменного тока выпрямительного моста. Симметрирование режимов особенно важно, если в схеме присутствует согласующий трансформатор. На базе преобразователя с ДКИ

может быть построена схема, автоматически обеспечивающая симметрирование режимов работы. Для этого конденсатор С (рис. 1) заменяется двумя конденсаторами, каждый из которых подключён к одному из плеч схемы. Такую схему можно назвать схемой с расщеплённым конденсатором (рис. 3).

Данное решение обладает теми же преимуществами, что и схема рис. 1, обеспечивая параметрическое

выравнивание полуволн напряжения на трансформаторе, что позволяет исключить подмагничивание

трансформатора, при несимметрии управления либо параметров схемы. Показано, что напряжение на первичной обмотке трансформатора не имеет постоянной составляющей.

Рис. 3.

Принципиальная схема преобразователя с ДКИ с расщеплённым конденсатором.

Следует заметить, что для отсутствия постоянной составляющей тока намагничивания трансформатора необходимо обеспечить симметрию параметров дросселей и малое изменение тока обмоток трансформатора в течение паузы напряжения на нагрузке выпрямителя. Вместе с тем, вне зависимости от величины коэффициента заполнения, падения напряжения на ключах инвертора, в том числе и сколь угодно большая их несимметрия, никак не влияют на подмагничивание трансформатора.

Далее при более детальном изучении работы силовой части преобразователя с ДКИ получены следующие результаты:

1. Рассмотрены режимы преобразователя с согласующим трансформатором. Предложен вариант управления, состоящий во введении после окончания импульса на нагрузке выпрямителя интервала времени, в течение которого заперты все четыре транзистора инвертора; что позволяет существенно снизить токовую загрузку вентилей, практически не усложняя управление инвертором.

2. Получены выражения для расчёта внешних и регулировочных характеристик преобразователя с учётом паразитных параметров элементов схемы, что позволяет учитывать влияние этих параметров при расчёте и проектировании преобразователя.

В Ш главе проведён анализ преобразователя как объекта управления и предложена коррекция, позволяющая исключить или уменьшить влияние нулей числителя передаточной функции преобразователя, находящихся в правой комплексной полуплоскости. Для этого методом осреднения переменных состояний получены малосигнальные модели преобразователя с ДКИ, на основе которых может проводиться анализ динамических свойств преобразователя как объекта управления. Показана возможность появления нулей числителя передаточной функции преобразователя, находящихся в правой комплексной полуплоскости, что сильно затрудняет построение устойчивой системы управления.

Пояснить сказанное молено следующим образом. На рис. 4, (а) показаны АЧХ и ФЧХ передаточной функции преобразователя относительно выходного напряжения по коэффициенту заполнения, построенные для режима малого сигнала вблизи установившегося режима. На ФЧХ на рис. 4 также показаны уровни -180° и -150°. Видно, что АЧХ передаточной функции преобразователя без коррекции (рис. 4, а) пересекает ноль дБ в точке, где отставание ФЧХ около 540°, или, что то же самое, годограф такой системы охватывает по часовой стрелке точку -1, что служит признаком неустойчивости системы в замкнутом состоянии по критерию Найквиста. Предложена коррекция, позволяющая исключить или уменьшить влияние нулей числителя передаточной функции преобразователя, находящихся в правой комплексной полуплоскости. Эта коррекция основана на введении в контур управления сигнала, пропорционального средней на периоде работы преобразователя производной тока входных дросселей. Данный сигнал также может быть сигналом среднего на периоде работы преобразователя напряжения на входных дросселях. Соответствующие частотные характеристики разомкнутой системы показаны на рис. 4, (б). Видно принципиальное уменьшение отставания. Однако существует область, где ФЧХ имеет величину около 180° в сторону

отставания. Чтобы исключить это отставание достаточно введения форсирующих звеньев, которые могут быть просто реализованы как КС-цепи первого порядка. Таким образом, обеспечена устойчивость в режиме малого сигнала системы стабилизации напряжения нагрузки для данного режима. Аналогичными расчётами показана устойчивость замкнутой системы для ряда точек покоя.

АЧХ, дЕ

градусы i—' ' ! i! т: - -

h--;-■¡-|-;т::н.....->:■■■ -f4-:

f.rn

С Гц

(а) (б)

Рис. 4. АЧХ и ФЧХ передаточной функции преобразователя относительно выходного напряжения по коэффициенту заполнения без коррекций (а) и с введённой в систему управления коррекцией с помощью напряжения на дросселях (б).

Для исследования устойчивости системы в режиме большого сигнала была использована имитационная модель преобразователя с ДКИ с замкнутой системой управления, учитывающая дискретность преобразователя. Была разработана модель в системе Micro-Cap, содержащая силовую часть преобразователя и систему управления с замкнутой обратной связью. С помощью данной модели было проведено моделирование ряда переходных процессов, на основе которого подтверждена устойчивость системы в режиме большого сигнала.

В IV главе приводится методика расчёта преобразователя постоянного напряжения в постоянное, построенного по схеме с ДКИ. Эта методика построена на основе результатов анализа свойств и режимов работы преобразователя, проведённого в главах II и Ш. Также в этой главе приведены результаты численного имитационного моделирования (с помощью модели преобразователя в системе Micro-Cap) и экспериментов. Подтверждены: регулировочная характеристика, зависимости от коэффициента заполнения напряжения на конденсаторах инвертора

: входного тока. Приведены осциллограммы токов и напря:лс.^а в схгмс преобразователя, иллюстрирующие режимы работы.

Глава V посвящена рассмотрению многофазных преобразователей с ДКИ, оторые являются перспективным развитием предложенного подхода к построению реобразователей постоянного напряжения в постоянное. Данные решения бладают преимуществами однофазных схем с ДКИ, такими, как гладкий отребляемый ток в широком диапазоне коэффициентов заполнения; увеличение апряжения на первичной стороне согласующего трансформатора, что снижает оэффициент трансформации в повышающих преобразователях и позволяет

ХТАит.ттттттт: поточтиг то ттат^тх/оттлт т т*гчщ:ггч4л/"\г»*,го'гг\г*о ■ тго ттпл^ т'шлтгат »V пппГчаплп 1ЧУИ1Л11XX х х* ии^ 11111 шV АI ири^ Ди^ /V

оставляющих плечо схемы, один существенно разгружается по току; втоматически осуществляется вывод в нагрузку или первичный источник питания нергии, накапливаемой в индуктивности рассеяния трансформатора во время мпульса.

В качестве примера на рис. 5 показана схема трёхфазного преобразователя, ногофазный преобразователь отличается использованием по числу фаз входных росселей, конденсаторов инвертора (в случае варианта с расщеплённым онденсатором, который показан на рис. 5) и транзисторных полумостов, которые бразуют плечи многофазной схемы. При этом имеется возможность применить ногофазный трансформатор. Кроме того, многофазные схемы обладают ледующим преимуществом. В определённом диапазоне коэффициентов заполнения апряжение на нагрузке выпрямителя не имеет пауз между импульсами, а с вменением коэффициента заполнения меняется только амплитуда импульсов. То сть на нагрузку выпрямителя подаётся постоянное напряжение регулируемой еличины. Принимается, что коэффициент заполнения равен отношению лительности проводящего состояния нижнего ключа плеча преобразователя к лительиости периода работы преобразователя и обозначен как у*. Можно показать, то указанный диапазон коэффициентов заполнения соответствует величине от

1. до т~^, где т - число фаз. Пояснить свойства преобразователя в данном т

диапазоне коэффициентов заполнения можно, рассмотрев подробнее принцип работы на примере трёхфазного преобразователя (см. рис. 5). На рис. 6 показаны осциллограммы токов и напряжений в схеме преобразователя на периоде работы.

Рис. 5. Принципиальная схема многофазного преобразователя с ДКИ.

Преобразователь работает в диапазоне коэффициентов заполнения

-</*<—> т-е- от — ДО . Будем считать, что пульсации токов входных 3 3 т т

дросселей и дросселя выходного инвертора столь малы, что ими можно пренебречь по сравнению с постоянными составляющими соответствующих токов, также можно пренебречь пульсациями напряжения на конденсаторах.

На интервале открыты транзисторы УТ1, УТЗ, УТ6. Два линейных напряжения на первичных обмотках трансформатора (2-3 и 3-1) отличны от нуля и равны напряжению на конденсаторе СЗ. На нагрузку подаётся удвоенное (благодаря схеме включения обмоток трансформатора треугольник-звезда) трансформированное напряжение на этом конденсаторе. На интервале ^^ открыты транзисторы \'Т1, УТ4, \'Т6. Также два линейных напряжения на первичных

обмотках трансформатора (теперь 1-2 и 3-1) отличны от нуля и равны напряжению на С2 и СЗ соответственно. Напряжение на нагрузке равно трансформированной

сумме напряжений на этих

и 1 1 и-|--:-

1 ' конденсаторах и равно, при

I-1--------1---------------

симметрии схемы, напряжению на предыдущем интервале На

остальных двух третях периода интервалы аналогичны описанным двум с учётом смены плеч схемы.

Рис. б. Временные диаграммы, поясняющие работу

1 * 2

схемы рис. 5 для режима — < у < — .

Мс,-,кне, утверждать, что осуществляется чисто

амплитудное регулирование

напряжения нагрузки. То, что на нагрузку выпрямителя подаётся напряжение практически без пауз, регулируемое за счёт амплитуды, независимо от нагрузки, позволяет говорить следующее. Пусть нагрузка выпрямителя имеет индуктивный характер, что чаще всего имеет место в реальных условиях. В режимах даже с очень малой нагрузкой, вплоть до холостого хода, напряжение нагрузки не будет существенно отличаться от режимов под

нагрузкой, так как будет отсутствовать эффект перехода в режим разрывных токов. При этом на первичной стороне преобразователя энергия, которая может накапливаться в конденсаторах инвертора за счёт пульсаций токов дросселей, выводится в первичный источник благодаря тому, что ключи УТ2, УТ4, УТ6 могут,

очевидно, проводить ток в обоих направлениях. Далее, данное свойство ведёт тому, что в указанном диапазоне коэффициентов заполнения напряжение нагрузг определяется только величиной напряжения на конденсаторах. Ключи инвертор блокируют напряжение, равное напряжению на конденсаторах. При стабилизаци напряжения на нагрузке напряжение, блокируемое ключами преобразователя, н изменяется, и остаётся равным половине пересчитанного к первичной сторон трансформатора напряжения нагрузки. За счёт этого необходимость обеспечит работу преобразователя при изменяющемся напряжении питания и стабилизаци напряжения нагрузки не требует повышения класса применяемых ключевь приборов по сравнению со случаем работы от минимального напряжения питания. При меньших коэффициентах заполнения возможен и амплитудно-широтно импульсный режим формирования напряжения на выходе выпрямителя. Показано что верхний ключ плеча схемы загружен существенно меньше нижнего. Поэтому качестве верхнего ключа можно использовать ключ, рассчитанный на существенно меньшие токи, не снижая при этом гарантированный КПД.

Работоспособность и правильность описания принципа работы трёхфазного преобразователя были подтверждены экспериментами с использованием макета трёхфазного преобразователя с ДКИ.

Заключение.

По результатам работы можно сделать следующие выводы:

1. При создании преобразователей, работающих в области низких питающих напряжений со значительной кратностью их изменения, перспективны схемы с одним последовательно включённым в цепь силового тока ключом и с уменьшенной кратностью изменения напряжения на ключах преобразователя по сравнению с кратностью изменения напряжения питания.

2. Предложенное семейство оригинальных схемотехнических решений преобразователей с дроссельно-конденсаторным инвертором обладает указанными свойствами, а также дополнительными преимуществами, такими как малые пульсации потребляемого тока и возможность уменьшить коэффициент трансформации согласующего трансформатора в повышающих преобразователях.

Схема дроссельно-конденсаторного инвертора защищена патентом на полезную модель.

3. Для обеспечения устойчивости замкнутой системы с преобразователем необходимо принимать специальные меры. Предложенная коррекция управления преобразователем, осуществляемая введением в контур управления сигнала, пропорционального напряжению на входных дросселях, позволяет обеспечить устойчивость системы.

4. Разработанные многофазные схемные решения с дроссельно-конденсаторным инвертором позволяют осуществлять чисто амплитудное регулирование напряжения нагрузки. При стабилизации напряжения нагрузки блокируемое ключевыми приборами напряжение в таких схемах не изменяется. Эти схемы обладают однозначными выходными характеристиками в диапазоне нагрузок вплоть до холостого хода, и, кроме того, всеми преимуществами однофазных схем.

5. Результаты макетных экспериментов, полученные с помощью полномасштабных макетов однофазного и трёхфазного преобразователей с ДКИ, а также результаты имитационного численного моделирования работы преобразователя подтверждают основные выводы диссертации.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1. Царенко А.И., Серёгин Д.А. Новые подходы к построению статических преобразователей электрической энергии // Вестник Московского энергетического института. - 2008. - ЛИ. - С. 98-104.

2. Серёгин Д. А. Вывод энергии индуктивностей рассеяния трансформаторов в схемах с нулевой точкой трансформатора // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Двенадцатая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тез. докладов. В 3-х т. - М.: МЭИ(ТУ), Издательство ЗАО «Знак», 2006. - Т.1. - С. 281-283.

3. Царенко А., Серёгин Д. К вопросу построения мощных DC/DC преобразователей, питающихся от низковольтных сетей // Силовая электроника. Тематическое приложение к журналу «Компоненты и технологию). - Санкт-Петербург: Издательство Файнстрит. - 2006. - №3. - С. 68-72.

4. Серёгин Д.А. Повышение эффективности работы мощных DC/DC преобразователей, питающихся от низковольтных источников // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тринадцатая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тез. докладов. В 3-х т. - М.: Издательский дом МЭИ, 2007. - Т. 1. - С. 259.

5. Патент на полезную модель №67352 Российская Федерация, МПК7 Н02М 7/44. Статический преобразователь / А.И. Царенко, Д.А. Серёгин (Россия). - 2007119671/22; Заяв. 29.05.2007; Опубл. 10.10.2007, Бюл. №28. - 1 с.

6. Царенко А., Серёгин Д. Новые схемы статических преобразователей электрической энергии и их сравнительный анализ /7 Силовая электроника. Тематическое приложение к журналу «Компоненты и технологии». -Санкт-Петербург: Издательство Файнстрит. - 2007. - №3. - С. 59-66.

7. Серёгин Д. А. Построение системы управления составным преобразователем электрической энергии // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Четырнадцатая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тез. докладов. - М.: Издательский дом МЭИ, 2008. - Т. 1. -С.227-228.

В работах, опубликованных в соавторстве с Царенко А.И. Серёгину Д.А. принадлежат результаты исследований и обоснование свойств схем, а также полученные выражения характеристик, экспериментальные результаты и результаты численного моделирования. Серёгиным Д.А. предложено схемотехническое решение дроссельно-конденсаторного инвертора. Царенко А.И. принадлежит общая постановка задачи исследования схемотехнических решений для области нестабильных низких питающих напряжений и значительных преобразуемых мощностей и формулировка направлений исследований.

Подписано в печать Я Ю^Шг, Зак Тир. i00 Пл. Щ

Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул., д. 13

Введение.

Глава I Обоснование рационального подхода к построению сильноточных низковольтных преобразователей постоянного напряжения.

§1.1 Известные технические решения преобразователей постоянного напряжения в постоянное повышенной мощности.

§1.2 Сравнение схем с учётом диапазона изменения напряжения питания.

§1.3 Выводы по главе I.

Глава II Исследование схемы с дроссельно-конденсаторным инвертором.

§11.1 Принцип действия и основные особенности преобразователя, построенного по схеме с дроссельно-конденсаторным инвертором.

§11.2 Сравнение известных базовых преобразователей и преобразователя, построенного по схеме с ДКИ.

§11.3 Преобразователь с расщеплённым конденсатором.

§11.4 Анализ электромагнитных процессов в схеме преобразователя с ДКИ с учётом индуктивности рассеяния трансформатора.

§П.5 Внешняя и регулировочная характеристики преобразователя.

§П.6 Влияние несимметрии управления на режим работы преобразователя

§11.7 Выводы по главе II.

Глава III Исследование динамических свойств преобразователя с дроссельноконденсаторным инвертором.

§111.1 Малосигнальные аналоговые математические модели преобразователя с дроссельно-конденсаторным инвертором.

§П1.2 Сравнение результатов расчёта процессов в преобразователе различными способами.

§1П.З Коррекция управления с помощью введения сигнала, пропорционального напряжению на входных дросселях.

§111.4 Расчёт системы управления для работы в диапазоне нагрузок и напряжений питания.

§111.5 Выводы по главе III.

Глава IV Методика проектирования преобразователя постоянного напряжения в постоянное на основе дроссельно-конденсаторного инвертора.

Экспериментальные результаты.

§IV.l Методика проектирования.

§IV.2 Экспериментальные результаты.

§IV.3 Моделирование преобразователя с ДКИ.

§IV.4 Выводы по главе IV.

Глава V Развитие схемотехники преобразователей с дроссельноконденсаторным инвертором. Многофазные схемы.

§V. 1 Схема и принцип действия трёхфазного преобразователя с дроссельноконденсаторным инвертором.

§V. 2 Экспериментальные результаты макетирования трёхфазной схемы с дроссельно-конденсаторным инвертором.

§V.3 Сравнительное исследование токовой нагрузки силовых ключей в схемах с ДКИ.

§V.4 Выводы по главе V.

Появление мощных полностью управляемых приборов, в первую очередь мощных силовых транзисторов с изолированным затвором (МДП-транзисторов) и биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), отличающихся простотой управления, малой мощностью необходимого источника управляющего напряжения (драйвера), хорошей совместимостью управляющих цепей транзисторов и выходных цепей автоматики и системы управления позволяет создавать малогабаритные, надёжные, мощные импульсные преобразовательные устройства.

В настоящий момент в отечественной и зарубежной промышленности, а также в бортовом оборудовании мобильных объектов преобразовательная техника широко используется в электроприводах, источниках питания различных электронных устройств, для питания оборудования автоматических станций связи, в космической технике и т.д.

В настоящее время хорошо разработан современный подход к проектированию и практическому построению схем силовых преобразователей с использованием современной элементной базы как силовых полупроводниковых приборов, так и других элементов преобразователя, прежде всего электромагнитных элементов и силовых конденсаторов. Вопросы проектирования импульсных преобразователей электроэнергии освещены в ряде научных работ Конева Ю.И., МоинаВ.С., Розанова Ю.К., Поликарпова А.Г., МелешинаВ.И., Лукина А.В., Белова Г.А. и др. Сейчас на одно из первых мест в требованиях к преобразователям выдвигается обеспечение электромагнитной совместимости преобразователя с нагрузкой и сетью питания преобразователя. Последнее в основном определяется формой потребляемого тока, пульсации которого должны быть ограничены. Естественно, эксплуатационные характеристики существенно зависят от параметров элементов преобразователя. Одними из важнейших элементов современных импульсных преобразователей электрической энергии являются силовые полупроводниковые приборы. Улучшение параметров силовых приборов напрямую позволяет получить лучшие характеристики преобразователя.

При этом выбор схемных решений при проектировании преобразователя является весьма важным вопросом, поскольку, при заданном уровне полупроводниковых приборов и возможности оптимизации конструкции, улучшение характеристик преобразователя возможно путём рационального использования известных схем и разработки новых схемных решений с учётом специфики задач и области применения.

В настоящее время значительное внимание уделяется разработке преобразователей, в частности, преобразователей постоянного напряжения в постоянное, имеющих достаточно высоковольтное входное напряжение (от несколько сотен вольт до нескольких киловольт) [1]. Интерес и глубокая проработка этой области объясняется потребностью в большом числе и широкой номенклатуре сетевых вторичных источников питания, работающих от промышленной сети (например, однофазная сеть синусоидального напряжения с действующим значением напряжения 220 В, трёхфазная сеть синусоидального напряжения с действующим линейным напряжением 380 В). Для этой области показана высокая эффективность применения таких схемотехнических решений, в которых оптимизируются режимы переключения ключевых приборов, т.е. принимаются меры для снижения коммутационных потерь. Среди подобных решений можно упомянуть широко применяемые различные типы резонансных и квазирезонансных преобразователей (см. например [2, 3, 4]), а также преобразователи с мягким переключением [5,6]. В то же время разработки и исследования, проводимые для преобразователей, имеющих входное напряжение на уровне нескольких десятков вольт, в основном ограничиваются областью мощностей преобразователя до киловатта. В работах, посвящённых исследованию преобразователей систем гарантированного питания нагрузок переменного тока, чаще всего рассчитанных на питание нагрузки синусоидальным напряжением, аналогичным промышленной сети, работающих от различных, сравнительно низковольтных источников, часто основное внимание уделяется вопросам формирования напряжения нагрузки с формой требуемого качества, и гораздо меньшее — вопросам построения той части преобразователя, которая обеспечивает повышение напряжения первичного источника до уровня, необходимого для формирования синусоидального напряжения с действующим значением несколько сотен вольт [7].

В настоящее время можно видеть рост потребности в мощных (до десятков и даже сотен киловатт) источниках питания, первичные источники электроэнергии для которых являются достаточно низковольтными. В частности, это можно объяснить резко возросшим в последнее время интересом к нетрадиционным и возобновляемым источникам энергии. Низкое выходное напряжение является характерным для ряда видов таких источников, например, различных химических источников, в том числе источников электроэнергии на основе батарей топливных элементов, солнечных батарей, термогенерторов и т.п. В то же время данные типы источников характеризуются достаточно нестабильным выходным напряжением, которое может меняться в широких пределах в зависимости от нагрузки или воздействия внешних факторов [8,9]. Нередко такие источники используются как источники систем гарантированного или автономного питания, предназначенных для питания нагрузок, которые рассчитаны на питание от промышленной сети синусоидального тока. Одним из наиболее широко применяемых решений для статического преобразователя, входящего в состав такой системы, является преобразователь с двойным преобразованием. В таком преобразователе первый каскад, который является преобразователем постоянного напряжения в постоянное, обеспечивает повышение низкого входного напряжения; второй каскад, который является инвертором, формирует из повышенного постоянного напряжения переменное синусоидальное напряжение. Уже было сказано, что вопросы формирования переменного синусоидального напряжения необходимого качества, построения инверторов, улучшения их технических показателей для преобразователей, построенных на современной элементной базе, в настоящий момент достаточно хорошо проработаны и освещены в литературе (см. например [7,10,11,12,13]). В то время как вопросам построения преобразователей, являющихся первым каскадом в таких устройствах, особенно с учётом изложенных выше особенностей первичных источников, уделялось меньшее внимание. Следует заметить, что вопросы возможности улучшения технических показателей инвертора, питающегося от низковольтного источника, за счёт разработки специального схемотехнического решения поднимались, например, в [14], где рассмотрено решение для инвертора, передающего в сеть энергию, получаемую от солнечной батареи. Показана возможность повысить эффективность преобразователя путём уменьшения (до одного) количества ключей, включённых последовательно в цепь силового тока. К сожалению, рассмотренное в [14] решение требует применение низкочастотного трансформатора (работающего на частоте сети) и не обеспечивает снижение пульсаций потребляемого тока, что ограничивает его применение. Вопросы, касающиеся особенностей построения и схемных решений преобразователей с низким входным напряжением и расширенным диапазоном изменения входного напряжения, также чаще освещаются только для относительно маломощных устройств [15].

Что касается других областей применения преобразователей с низким питающим напряжением, то следует также упомянуть, что на ряде производственных объектов использование для питания различной аппаратуры низковольтных сетей может быть вызвано требованиями техники безопасности (например, в угольных шахтах).

Такие применения часто подразумевают использование низких вольт в системах, где требуется передача большой мощности, и для подавляющего большинства нагрузок требуется стабилизация напряжения нагрузки при изменении напряжения питания, а также воздействия других возмущающих факторов, например, изменения тока нагрузки. Можно показать, что благодаря характеристикам современной элементной базы (прежде всего, высоким динамическим показателям мощных сильноточных МДП-транзисторов), динамические (коммутационные) потери в данных случаях не являются определяющими для суммарных потерь в ключевом комплекте преобразователя, и наибольшая составляющая потерь в ключевых приборах приходится на потери проводимости (статические потери). С другой стороны, значительное повышение рабочей частоты преобразователя делает трудным выполнение сильноточных обмоток из-за проявления поверхностного эффекта [16,17], прежде всего — обмоток трансформаторов, характерной для которых является большая скорость изменения токов.

Появление новых требований к преобразователям, обусловленных в значительной мере формированием новых областей их применения, ограничивает использование известных схемотехнических решений и приёмов, показавших высокую эффективность в других областях (например, во вторичных сетевых источниках питания), что делает актуальными разработку и исследование нового подхода к построению статических преобразователей с учётом специфики данной области.

Таким образом, целью диссертационной работы является разработка и исследование специализированных схемных решений, позволяющих улучшить характеристики преобразователей, работающих в области значительных мощностей, низких питающих напряжений, с широким диапазоном изменения последних.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Проведён сравнительный анализ характеристик и режимов работы известных технических решений, используемых при построении преобразователей, питающихся от низковольтных источников с учётом параметров современных силовых полупроводниковых приборов.

2. Разработан принцип построения преобразователей, обеспечивающий повышение КПД и потребление преобразователем от источника питания гладкого тока. Разработаны схемные решения, в том числе многофазные, реализующие данный принцип.

3. Проведён анализ статических и динамических характеристик разработанных преобразователей, результаты которого подтверждены экспериментальными исследованиями.

4. Разработана коррекция управления предложенными преобразователями, обеспечивающая устойчивость системы стабилизации напряжения нагрузки.

Методы исследования: для анализа режимов работы преобразователя применены методы математического анализа, теории нелинейных электрических цепей, осреднения переменных состояний, преобразования Лапласа, имитационного компьютерного моделирования.

Достоверность полученных результатов подтверждена следующим:

1. Корректным применением методов математического анализа с использованием преобразования Лапласа, дифференциального и интегрального исчисления.

2. Сравнительным анализом характеристик известных схемотехнических решений и предложенного устройства.

3. Имитационным моделированием работы преобразователя.

4. Экспериментальными результатами, полученными с использованием полномасштабных макетов преобразователей.

Научная новизна:

1. Предложены оригинальные схемные решения преобразователей, защищённые патентом на полезную модель. Принцип построения этих решений обеспечивает повышение КПД преобразователя и потребление преобразователем от источника питания гладкого тока.

2. Предложен способ управления инвертором преобразователя, обеспечивающий снижение загрузки током силовых ключей инвертора.

3. Предложена коррекция системы управления с введением в контур управления сигнала, пропорционального напряжению на дросселях, обеспечивающая устойчивость замкнутой системы.

4. Предложены многофазные схемы с дроссельно-конденсаторным инвертором, позволяющие наращивать мощность преобразователя путём увеличения количества однотипных силовых ячеек.

5. Выявлены режимы работы преобразователей, в которых осуществляется только амплитудная модуляция выходного напряжения, показаны преимущества таких режимов работы: неизменность блокируемого ключевыми приборами напряжения при стабилизации напряжения нагрузки; однозначность выходных характеристик в диапазоне нагрузок вплоть до холостого хода.

Практическая полезность результатов работы:

1. Предложенные схемотехнические решения с дроссельно-конденсаторным инвертором позволяют повысить КПД преобразователя, улучшить качество потребляемой энергии, обеспечить формирование напряжения без пауз на нагрузке преобразователя, получить однозначные регулировочные характеристики в диапазоне нагрузок вплоть до холостого хода.

2. Разработана методика инженерного расчёта параметров элементов схем.

3. Разработана методика выбора параметров элементов коррекции системы управления преобразователем с дроссельно-конденсаторным инвертором, обеспечивающая устойчивость системы в диапазоне нагрузок и напряжений питания.

Внедрение: Результаты проведённых в работе исследований и предложенная методика расчёта преобразователя с ДКИ были использованы при разработке макета преобразователя и промышленного образца преобразователя для нужд метрополитена. Лабораторные испытания макетного образца подтвердили эффективность предложенного схемотехнического решения.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. При создании преобразователей, работающих в области низких питающих напряжений со значительной кратностью их изменения, перспективны схемы с одним последовательно включённым в цепь силового тока ключом и с уменьшенной кратностью изменения напряжения на ключах преобразователя по сравнению с кратностью изменения напряжения питания.

2. Предложенное семейство оригинальных схемотехнических решений преобразователей с дроссельно-конденсаторным инвертором, защищённых патентом на полезную модель, обладает указанными свойствами, а также дополнительными преимуществами, такими как малые пульсации потребляемого тока и возможность уменьшить коэффициент трансформации согласующего трансформатора в повышающих преобразователях.

3. Для обеспечения устойчивости замкнутой системы с преобразователем необходимо принимать специальные меры. Предложенная коррекция управления преобразователем, осуществляемая введением в контур управления сигнала, пропорционального напряжению на входных дросселях, позволяет обеспечить устойчивость системы.

4. Разработанные многофазные схемные решения с дроссельно-конденсаторным инвертором позволяют осуществлять чисто амплитудное регулирование напряжения нагрузки. При стабилизации напряжения нагрузки блокируемое ключевыми приборами напряжение в таких схемах не изменяется. Эти схемы обладают однозначными выходными характеристиками в диапазоне нагрузок вплоть до холостого хода,' и, кроме того, всеми преимуществами однофазных схем.

5. Результаты макетных экспериментов, полученные с помощью полномасштабных макетов однофазного и трёхфазного преобразователей с ДКИ, а также результаты имитационного численного моделирования работы преобразователя подтверждают основные выводы диссертации.

Апробация полученных результатов: Основные результаты работы докладывались на XII, XIII и XIV международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика".

Публикации по работе: результаты работы отражены в 7 научных работах, в том числе в трёх статьях, одном патенте на полезную модель и трёх опубликованных тезисах докладов.

Структура и объём работы: диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений и списка используемой литературы. Общий объём диссертации (без приложений) составляет 259 страниц, в том числе 191 страницу машинописного текста, 88 иллюстраций и 2 таблицы. Список используемой литературы изложен на 5 страницах и содержит 41 наименование.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1. Серёгин Д.А. Вывод энергии индуктивностей рассеяния трансформаторов в схемах с нулевой точкой трансформатора // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Двенадцатая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тез. докладов. В 3-х т. — М.: МЭЩТУ), Издательство ЗАО «Знак», 2006. — Т.1.-С. 281-283.

В докладе показано, что вывод энергии индуктивности рассеяния трансформатора схемы с выводом средней точки трансформатора в первичный источник питания преобразователя или в нагрузку вместо рассеивания этой энергии в потери способствует сильному повышению КПД преобразователя. Приведены оценки величины этой энергии для различных мощностей преобразователя и напряжений питания. Рассмотрены варианты схемных решений, осуществляющие такой вывод энергии, проводится анализ и сравнение эффективности их работы.

2. ЦаренкоА., Серёгин Д. К вопросу построения мощных DC/DC преобразователей, питающихся от низковольтных сетей // Силовая электроника. Тематическое приложение к журналу «Компоненты и технологии». — Санкт-Петербург: Издательство Файнстрит. — 2006. — №3. — С. 68-72.

В статье рассматриваются вопросы вывода энергии, накапливаемой в индуктивности рассеяния трансформатора во время импульса в преобразователях, построенных по схеме с выводом средней точки трансформатора. Показана необходимость обеспечить вывод этой энергии в первичный источник питания преобразователя или в нагрузку вместо рассеивания этой энергии в потери для получения высокого КПД преобразователя. Приведены оценки величины этой энергии и мощности вспомогательных источников для различных мощностей преобразователя и напряжений питания, рассмотрены варианты схемотехнических решений для вывода энергии в первичный источник питания. Приводятся результаты численного моделирования работы преобразователей, построенных по соответствующим схемам. Автору принадлежат полученные оценки зависимости энергии и мощности, результаты численного моделирования. Царенко А.И. принадлежит общая постановка задачи по исследованию величины энергии, накапливаемой в индуктивности рассеяния трансформатора, и мощности вспомогательных преобразователей для соответствующих вариантов их построения, вариант включения вспомогательного преобразователя, позволяющий уменьшить преобразуемую им мощность.

3. Серёгин Д. А. Повышение эффективности работы мощных DC/DC преобразователей, питающихся от низковольтных источников // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тринадцатая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тез. докладов. В 3-х т. - М.: Издательский дом МЭИ, 2007. - Т. 1. - С. 259.

В докладе излагаются основные принципы работы и преимущества схемных решений с дроссельно-конденсаторным инвертором, в том числе и перспективные особенности многофазных схем.

4. Патент на полезную модель №67352 Российская Федерация, МПК Н02М7/44. Статический преобразователь / А.И. Царенко, Д.А. Серёгин (Россия). - 2007119671/22; Заяв. 29.05.2007; Опубл. 10.10.2007, Бюл. №28. - 1 с.

В патенте описано базовое схемотехническое решение дроссельно-конденсаторного инвертора, предложенное автором. Царенко А.И. принадлежит общая постановка задачи.

5. Царенко А., Серёгин Д. Новые схемы статических преобразователей электрической энергии и их сравнительный анализ // Силовая электроника. Тематическое приложение к журналу «Компоненты и технологии». — Санкт-Петербург: Издательство Файнстрит. — 2007. — №3. — С. 59-66.

В статье описано базовое схемотехническое решение преобразователя с дроссельно-конденсаторным инвертором, приведены выражения для его основных характеристик, а также описание основных вариантов данной схемы — схемы с расщеплённым конденсатором и многофазных схем. Автором было предложено схемотехническое решение преобразователя с дроссельно-конденсаторным инвертором. Кроме того, автору принадлежат результаты исследования и обоснование свойств схем, а также полученные выражения характеристик. Царенко А.И. принадлежит общая постановка задачи исследования схемотехнических решений для области нестабильных низких питающих напряжений и значительных преобразуемых мощностей, в том числе постановка задачи исследования свойств преобразователя с расщеплённым конденсатором при несимметрии управления и параметров схемы, а также постановка задачи исследования свойств многофазных схем с дроссельно-конденсаторным инвертором.

6. Царенко А.И., Серёгин Д. А. Новые подходы к построению статических преобразователей электрической энергии // Вестник Московского энергетического института. — 2008. — №1. - С. 98-104.

В статье описано базовое схемотехническое решение преобразователя с дроссельно-конденсаторным инвертором, приведены выражения для его основных характеристик, приведены экспериментальные результаты, полученные при макетировании преобразователя, а также результаты численного моделирования работы преобразователя, которые использованы при сравнительном анализе данного решения и широко применяемых схемных решений. Автору принадлежат результаты исследования и обоснование свойств схем, полученные выражения характеристик, а также экспериментальные результаты и результаты численного моделирования. Царенко А.И. принадлежит общая постановка задачи.

7. Серёгин Д.А. Построение системы управления составным преобразователем электрической энергии // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Четырнадцатая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тез. докладов. — М.: Издательский дом МЭИ, 2008. - Т. 1. - С.

В докладе рассматривается задача построения системы управления преобразователем с дроссельно-конденсаторным инвертором, обеспечивающей устойчивость преобразователя в широком диапазоне токов нагрузки и напряжений питания. Приведено описание коррекции, которая вводится в контур управления, с помощью сигнала, пропорционального напряжению на входных дросселях, и обеспечивает устойчивость системы. Показана возможность обеспечения высокой стабильности выходного напряжения преобразователя, так как рассматриваемой схемой управления допускается введение интегратора ошибки, обеспечивающего астатизм регулирования.

Заключение

По результатам работы можно сделать следующие выводы:

1. При создании преобразователей, работающих в области низких питающих напряжений со значительной кратностью' их изменения, перспективны схемы с одним последовательно включённым в цепь силового тока ключом и с уменьшенной кратностью изменения напряжения на ключах преобразователя по сравнению с кратностью изменения напряжения питания.

2. Предложенное семейство оригинальных схемотехнических решений преобразователей с дроссельно-конденсаторным инвертором. обладает указанными свойствами, а также дополнительными преимуществами, такими как малые пульсации потребляемого тока и возможность уменьшить коэффициент трансформации согласующего трансформатора в повышающих преобразователях. Предложенный алгоритм переключения ключевых приборов дроссельно-конденсаторного инвертора позволяет снизить токовую нагрузку на ключевые приборы инвертора.

3. Схема дроссельно-конденсаторного инвертора защищена патентом на полезную модель.

4. Для обеспечения устойчивости замкнутой системы с преобразователем необходимо принимать специальные меры. Предложенная коррекция управления преобразователем, осуществляемая введением в контур управления сигнала, пропорционального напряжению на входных дросселях, позволяет обеспечить устойчивость системы.

5. Разработанные многофазные схемные решения с дроссельно-конденсаторным инвертором позволяют осуществлять чисто амплитудное регулирование напряжения нагрузки. При стабилизации напряжения нагрузки блокируемое ключевыми приборами напряжение в таких схемах не изменяется. - Эти схемы обладают однозначными выходными характеристиками в диапазоне нагрузок вплоть до холостого хода, и, кроме того, всеми преимуществами однофазных схем.

6. Результаты макетных экспериментов, полученные с помощью полномасштабных макетов однофазного и трёхфазного преобразователей с ДКИ, а также результаты имитационного численного моделирования работы преобразователя подтверждают основные выводы диссертации.

1. Колпаков А. Схемотехника мощных высоковольтных преобразователей // Силовая электроника. Тематическое приложение к журналу «Компоненты и технологии». Санкт-Петербург: Издательство Файнстрит. - 2007. — №2. — С. 44-50.

2. Эраносян С., Ланцов В. Квазирезонансные источники вторичного электропитания: проблемы, новый взгляд// Силовая электроника. Тематическое приложение к журналу «Компоненты и технологии». — Санкт-Петербург: Издательство Файнстрит. 2007. - №3. - С. 78-84.

3. Мелешин В.И., Якушев B.A., Фрейдлин С. Анализ транзисторного преобразователя постоянного тока с «мягкой» коммутацией // Электричество. М.: Знак. - 2000. - №1. - С. 52-56.

4. Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника. Москва: Техносфера, 2005. — 632с.

5. Однофазные источники бесперебойного питания серии ДПК:динамические и спектральные характеристики / Климов В., Портнов А.,

6. Коротков В., Смирнов В., Сыромятников С., Бейм Р. // Силовая электроника.

7. Тематическое приложение к журналу «Компоненты и технологии». —

8. Санкт-Петербург: Издательство Файнстрит. — 2007. — №2. — С. 44-50.365

9. Розанов Ю.К., Рябчнцкнй М.В., Кваснюк А.А. Силовая электроника: учебник для ВУЗов. — М.: Издательский дом МЭИ, 2007. — 632с.

10. Силовая электроника в системах с нетрадиционными источниками электроэнергии / Розанов Ю.К., Баранов Н.Н., Антонов Б.М., Ефимов Е.Н., Соломатин А.В. // Электричество. М.: Знак. - 2002. - №3. - С. 20-28.

11. Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи. — М.: Энергоатомиздат, 1986.-376с.

12. Булатов О.Г., Олешук В.И. Автономные тиристорные инверторы с улучшенной формой выходного напряжения. — Кишинев: Штиинца, 1980. -115с.

13. Крючков В.В., Соловьев И.Н., Даиф Ахмад. Транзисторные инверторы в режиме синусоидальной ШИМ // Практическая силовая электроника. М.: Издатель «ММП-Ирбис». -2002. - Выпуск 6. - С. 16-18.

14. Чаплыгин Е.Е., Калугин Н.Г. Выходные магнитосвязанные фильтры инверторов напряжения // Практическая силовая электроника. — М.: Издатель «ММП-Ирбис». -2002. Выпуск 6. - С. 19-23.

15. Karl Н. Edelmoser and Felix A. Himmelstoss. Analysis of a New High-Efficiency DC-to-AC Inverter // IEEE Transactions on Power Electronics. — IEEE, May 1999. -NO. 3. On pages: 454-460 vol.14.

16. Гончаров А., НегребаО. Особенности применения модулей вторичного электропитания с расширенным диапазоном входного напряжения // Компоненты и технологии. — Санкт-Петербург: Издательство Файнстрит. — 2007. -№3.~ С. 86-89.

17. Расчёт электромагнитных элементов источников вторичного электропитания / Горский А.Н., Русин Ю.С., Иванов Н.Р., Сергеева JI.A. — Москва: «Радио и связь», 1988. 176с.

18. Бальян Р.Х. Трансформаторы для радиоэлектроники. — Москва: Издательство «Советское радио», 1971. — 720с.

19. СеменовБ.Ю. Силовая электроника для любителей и профессионалов.— Москва: Издательство COJIOH-P, 2001. 336с.

20. П.А. Воронин. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение. М.: Издательский дом «Додэка-ХХ1», 2001. -384с.

21. Уильяме Б. Силовая электроника: приборы, применение, управление. Справочное пособие: перевод с английского. — М.: «ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ», 1993.-240с.

22. Web site: www.irf.com / International Rectifier.

23. Северне P., Блум Г. Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания / Пер. с англ. под ред. JI.E. Смольникова. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 294 с.

24. Dragan Marie, Ralph Monteiro. 20V MOSFETs for DC-DC Converters in Desktop Computers and Servers / International Rectifier.-233 Kansas Street, El Segundo, CA 90245 — Источник: web site: www.irf.com.

25. Web site: www.semikron.com / SEMIKRON.

26. Vrej Barkhordarian. Power MOSFET Basics / International Rectifier. -El Segundo, Ca. Источник: web site: www.irf.com.

27. Справочник по преобразовательной технике / Под ред. И.М. Чиженко. — К.: «Техшка», 1978. 447с.

28. Web site: www.infineon.com / Infineon Technologies.

29. Патент на полезную модель №67352 Российская Федерация, МПК7 Н02М 7/44. Статический преобразователь / А.И. Царенко, Д.А. Серёгин (Россия). 2007119671/22; Заяв. 29.05.2007; Опубл. 10.10.2007, Бюл. №28. - 1 с.

30. Царенко А., Серёгин Д. Новые схемы статических преобразователей и их сравнительный анализ // Силовая электроника. Тематическое приложение к журналу «Компоненты и технологии». — Санкт-Петербург: Издательство Файнстрит. 2007. - №3. - С. 59-66.

31. Царенко А.И., Серёгин Д.А. Новые подходы к построению статических преобразователей электрической энергии // Вестник Московского энергетического института. — 2008. №1. — С. 98-104.

32. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического управления. СПб.: Изд-во «Профессия», 2004. - 752с.

33. Зевеке Г.В., Ионкин П.А., Нетушил А.В., Страхов С.В. Основы теории цепей. Учебник для вузов. М.: «Энергия», 1975. - 752с.

34. КоршуновА. Методика построения непрерывных моделей импульсных преобразователей постоянного тока // Компоненты и технологии. -Санкт-Петербург: Издательство Файнстрит. 2006. - №8. - С. 124-129.

35. ТурчакЛ.И., Плотников П.В. Основы численных методов.- М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. 304с.

36. Соболев JI. Б. Динамический синтез управляемых ключевых преобразователей: диссертация на соискание степени д.т.н.: 05.09.12 -Полупроводниковые преобразователи электроэнергии. — М. 1992. — 320с.

37. Лебедев А.Г., Недолужко И.Г. Усовершенствованные PSpice модели мощных диодов и МДП-транзисторов и определение их параметров // Практическая силовая электроника. — М.: Издатель «ММП-Ирбис». — 2003. — №11. с. 4-10.