05.09.12 "Напівпровідникові перетворювачі електроенергії"
Постійне посилання зібрання
Переглянути
Нові надходження
Документ Високоефективні напівпровідникові перетворювачі електроенергії на основі високочастотних магнітних підсилювачів(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2020) Яськів, Володимир ІвановичДисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.09.12 "Напівпровідникові перетворювачі електроенергії" - Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя, Тернопіль, 2020. Дисертація присвячена вирішенню науково-прикладної проблеми вдосконалення методів та засобів перетворення параметрів електроенергії в напівпровідникових перетворювачах на основі високочастотних магнітних підсилювачів. У першому розділі проведено аналіз стану проблеми побудови високочастотних напівпровідникових перетворювачів електроенергії (НПЕ), обґрунтовано вибір критеріїв при розробці НПЕ, запропоновано альтернативний підхід до реалізації НПЕ з використанням високочастотних магнітних підсилювачів (ВМП), описано принцип його роботи, проведено порівняльний аналіз ВМП з силовими ключами на основі напівпровідникових елементів, зроблено аналіз електромагнітних процесів в імпульсному стабілізаторі на ВМП, розглянуто режими намагнічення магнітного осердя з прямокутною петлею гістерезису (ППГ), приведено характеристики високочастотних магнітних сплавів з ППГ для ВМП. Виявлено потребу у вдосконаленні методів та засобів перетворення параметрів електроенергії в напівпровідникових перетворювачах на основі високочастотних магнітних підсилювачів. У другому розділі розглянуто особливості базової структури ІСПН на ВМП. Показано, що вартісні характеристики уніфікованого ряду ІСПН безпосередньо визначаються вартістю осердь ВМП, що вимагає оптимізації їх масо-габаритних характеристик при побудові уніфікованого ряду ІСПН. Запропоновано та обґрунтовано експериментальний підхід до аналізу масо-габаритних характеристик ВМП як функціональної одиниці ІСПН. Показано, що для реалізації зазначеного підходу з метою мінімізації вартості досліджень доцільно використати методи оптимального планування експерименту і запропоновано схему проведення експериментальних досліджень. На основі обґрунтованого експериментального підходу вперше створено інтервальну макромодель енергетичної характеристики ВМП у вигляді функції від вихідних параметрів перетворювачів електроенергії, яка дає можливість з гарантованою точністю обчислити числовий інтервал для вихідної потужності ВМП для заданих проектних параметрів номінальної вихідної напруги та максимального струму навантаження ІСПН. Розроблено узагальнений алгоритм оптимізації масо-габаритних характеристик осердь ВМП на основі отриманої інтервальної макромоделі енергетичної характеристики ВМП. Алгоритм реалізовано у вигляді покрокових формалізованих процедур, що забезпечує його використання в технології проектування уніфікованого ряду НПЕ з оптимальними масо-габаритними характеристиками осердь ВМП. У третьому розділі розглянуто запропоновані методи побудови ІСПН на ВМП для забезпечення високого рівня струму навантаження та високої ефективності перетворювачів. Вони базуються на наступних положеннях: - відсутність будь-яких додаткових зворотних зв’язків, схем керування, демпфуючих ланок чи інших елементів в схемотехніці; - максимальне використання уже наявних елементів в перетворювачі; - максимальне використання уже наявних сигналів в перетворювачі від елементів, які визначають принцип його роботи; - забезпечення максимально можливої ефективності перетворювача; - забезпечення функціонування в 100% діапазоні зміни струму навантаження; - мінімальні затрати на досягнення поставленої мети. Запропоновано новий метод організації паралельної роботи імпульсних стабілізаторів постійної напруги на високочастотних магнітних підсилювачах (ІСПН на ВМП), який забезпечує рівномірний розподіл струму навантаження між окремими стабілізаторами в усьому діапазоні його зміни при зміні всіх дестабілізуючих факторів за рахунок використання спільного осердя ВМП в ролі регулюючого елемента для всіх паралельно працюючих ІСПН на ВМП, що унеможливлює вплив технологічного розкиду параметрів осердь ВМП на рівномірність розподілу струму навантаження. Сформульовано умови ввімкнення на паралельну роботу ІСПН на ВМП. Запропонований метод забезпечує рівномірний розподіл струму навантаження при єдиному зворотному зв’язку за вихідною напругою. При цьому схема керування всіма ІСПН на ВМП аналогічна схемі керування одного ІСПН на ВМП. В розділі проведено моделювання стабілізатора напруги на основі ВМП, з врахуванням специфіки схеми керування для малих приростів сигналів (Control Loop Small Signal Modeling). Вперше запропоновано метод побудови ІСПН на ВМП з синхронним випрямленням, в якому керування польовими транзисторами випрямляча здійснюється безпосередньо у функції напруг високочастотного силового трансформатора інвертора без введення будь-яких додаткових елементів чи схем керування ними за рахунок принципу роботи ВМП (на початку кожного півперіоду ВМП перебуває в ненасиченому стані), що забезпечує вищу ефективність, надійність та унеможливлює протікання наскрізних струмів у випрямлячі. Для підвищення ефективності, а також забезпечення комплексності системи реалізовано запропонований метод побудови вихідного LCD-фільтра, в якому керування польовим транзистором, що використовується замість діода, здійснюється у функції уже наявних напруг дроселів насичення ВМП без введення будь-яких додаткових елементів чи схем керування ним (рис. 8). На основі проведеного аналізу методів побудови керованих джерел електроживлення з виходом на змінному струмі встановлено наступні недоліки: низький рівень електромагнітної сумісності, складність процесу формування вихідної змінної напруги, не завжди задовільні динамічні характеристики. З метою їх усунення розроблено метод побудови високодинамічних керованих перетворювачів на основі ВМП з виходом на змінному струмі з високою якістю вихідних напруг та із широким діапазоном регулювання частоти вихідної напруги (рис. 9). Причому для формування як додатної, так і від’ємної півхвиль вихідної змінної напруги в кожному плечі випрямляча використовується спільне осердя ВМП. Формування змінної напруги забезпечується на високій робочій частоті вхідного транзисторного інвертора, що в поєднанні з властивостями ВМП забезпечує можливість формування прецизійної вихідної напруги, забезпечує високий рівень динамічних характеристик та електромагнітної сумісності. У четвертому розділі проаналізовано способи симетрування режимів перемагнічування високочастотного силового трансформатора в двотактному перетворювачі, обґрунтовано вибір базового високочастотного транзисторного інвертора для сумісної роботи з регуляторами на ВМП, вдосконалено метод організації паралельної роботи таких інверторів, вдосконалено метод керування силовими ключами за рахунок організації режимів роботи в колах керування з меншими втратами. Вдосконалено метод організації паралельної роботи високочастотних нерегульованих транзисторних інверторів з високою стабільністю синхронної та синфазної їх комутації в 100% діапазоні зміни всіх збурюючих факторів, Висока стабільність частоти комутації досягнута за рахунок введення єдиного незалежного рівня (для всіх паралельно працюючих інверторів) обмеження швидкості перемагнічування дроселя насичення з прямокутною петлею гістерезису в додатних зворотних зв’язках за вихідними напругами інверторів при перемагнічуванні його в режимі джерела струму. У п’ятому розділі приведено результати експериментальних досліджень електромагнітної сумісності НПЕ на ВМП. Проаналізовано основні міжнародні стандарти, що регламентують рівні електромагнітних завад. Приведено результати досліджень НПЕ на ВМП без та з коректором коефіцієнта потужності (ККП). Запропоновано в НПЕ на ВМП використовувати ККП, в яких реалізована методика, що відома як керування всередині одного тактового циклу або OСC (One Cycle Control). Зроблено порівняльний аналіз топологій перетворювачів з врахуванням їх електромагнітної сумісності. Експериментальне дослідження рівня випромінюваних електромагнітних завад НПЕ на ВМП проводилось для створеного в рамках виконання спільного наукового проекту “High-Reliability Switching Power Converters for Security of Information Technology” (IC S.NUKR.CLG 982639) (грант НАТО в рамках програми “Nato Programme Security Through Science”) дослідного зразка перетворювача без коректора коефіцієнта потужності на вихідні параметри 24 В, 8 А в лабораторії силової електроніки Каліфорнійського університету, м.Ірвін, США. Експериментальне дослідження електромагнітної сумісності НПЕ на ВМП засвідчило низький рівень електромагнітних завад випромінювання. В діапазоні частот від 42 МГц до 400 МГц рівень електромагнітних завад випромінювання розробленого дослідного зразка нижчий, ніж в американського аналога (зокрема, в діапазоні частот 130-200 МГц - в 4-5 разів). Для дослідження НПЕ на ВМП з ККП було реалізовано перетворювач на вихідні параметри 24 В, 10 А. Для керування ККП використано спеціалізовану мікросхему IR1150, в якій реалізована методика OСC. Перевагою її є забезпечення високого рівня динаміки в коректорі та можливість побудови ККП в діапазоні вихідних потужностей від кількох сотень Вт до кількох кВт. Нижчий рівень ЕМЗ досліджуваного перетворювача забезпечується використанням в ролі силових регулюючих елементів ВМП, робота яких в ключовому режимі не супроводжується появою високочастотної завади високого рівня та їх властивістю слугувати фільтром кондуктивних ЕМЗ як в насиченому, так і в ненасиченому станах. А високий рівень ефективності та PFC досягається за рахунок оптимального поєднання методів реалізації ККП із запропонованим методами побудови НПЕ на ВМП. У шостому розділі проведено експериментальне дослідження динамічних характеристик НПЕ на ВМП, експериментальне дослідження НПЕ на ВМП з синхронним випрямленням при розірваному зворотному зв’язку за вихідною напругою, експериментальне дослідження стабілізованого НПЕ на ВМП з синхронним випрямленням. Наведені приклади практичної реалізації перетворювачів за даними замовників. Для експериментального дослідження динамічних характеристик було розроблено дослідний зразок НПЕ на ВМП на вихідні параметра 5 В, 50 А. В цьому перетворювачі реалізовано описаний в розділі 3 метод побудови ІСПН на ВМП з високим рівнем струму навантаження. Експериментальні дослідження засвідчили високий рівень динамічних характеристик та відсутність будь-яких перегулювань в перехідних процесах. Перехідний процес завершується в момент досягнення регульованою величиною (вихідною напругою) її усталеного рівня, що майже на порядок зменшує його тривалість. При циклічній 100% зміні навантаження з частотою 5 кГц час перехідного процесу рівний 1,8 мс. Експериментальне дослідження НПЕ на ВМП з синхронним випрямленням проводилось в два етапи: дослідження при розірваному зворотному зв’язку за вихідною напругою та дослідження стабілізованого НПЕ на ВМП. В обох випадках нерегульований високочастотний транзисторний інвертор реалізований по півмостовій схемі. Дослідження проводились при вхідній напрузі постійного струму U = 310 В (еквівалент напруги мережі промислової частоти). Саме принцип роботи ВМП (затримка появи струму навантаження в силовому колі, обумовлена часом перемагнічування досягнення насичення в робочому півперіоді) унеможливлює появу наскрізних струмів при двотактному випрямленні, що дозволило безпосереднє використання синхронних випрямлячів у перетворювачах на основі ВМП. Проведене дослідження показує, що сучасні MOSFET з невеликим опором відкритого каналу забезпечують високу ефективність перетворювача. В нашому випадку ефективність перетворювача в діапазоні зміни струму від 3A до 11A (в межах понад 50%) перевищує 94%. Наведені приклади практичної реалізації керованого трьохканального імпульсного джерело живлення електричних гальм системи електроприводу антени великого діаметра (ДНТП "ТЕХАС-К", м. Тернопіль), імпульсного джерела живлення автомобільного радіосканера (ТОВ НВФ "Інтеграл", м. Тернопіль), джерела живлення радіопередавальних та приймальних пристроїв систем дистанційного керування енергооб’єктами та обліку електроенергії (ТОВ ТКБР "Стріла", м. Тернопіль).Документ Високоефективні напівпровідникові перетворювачі електроенергії на основі високочастотних магнітних підсилювачів(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Яськів, Володимир ІвановичДисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.09.12 "Напівпровідникові перетворювачі електроенергії" - Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя, Тернопіль, 2021. Дисертація присвячена вирішенню науково-прикладної проблеми вдосконалення методів та засобів перетворення параметрів електроенергії в напівпровідникових перетворювачах на основі високочастотних магнітних підсилювачів. Запропоновано методи для вирішення актуальної задачі створення загальної концепції побудови високоефективних компактних високочастотних НПЕ в широкому діапазоні вихідних потужностей (десятки Вт – одиниці кВт) та забезпечення високого рівня їх уніфікації задля мінімізації матеріальних, фінансових та інтелектуальних затрат на етапі як розробки перетворювачів, так і їх виробництва. Розроблено інтервальну макромодель енергетичної характеристики високочастотного магнітного підсилювача у вигляді функції від вихідних параметрів перетворювачів електроенергії, яку покладено в основу методу оптимізації масо-габаритних та цінових характеристик осердь магнітних підсилювачів в широкому діапазоні вихідних потужностей з метою створення технології проектування уніфікованого ряду НПЕ з оптимальними масо-габаритними характеристиками осердь ВМП. З метою побудови НПЕ з високим рівнем струму навантаження запропоновано та досліджено методи організації паралельної роботи як імпульсних стабілізаторів постійної напруги на високочастотних магнітних підсилювачах, так і високочастотних нерегульованих транзисторних інверторів, які забезпечують рівномірний розподіл струму навантаження між окремими стабілізаторами та високу стабільність синхронної та синфазної комутації високочастотних інверторів. Запропоновано новий метод побудови керованих перетворювачів на основі ВМП з виходом на змінному струмі із широким діапазоном регулювання частоти вихідної напруги, який забезпечує низький рівень електромагнітних завад та високий рівень динамічних характеристик. Запропоновано та досліджено методи побудови ІСПН на ВМП з синхронним випрямленням, в яких керування польовими транзисторами випрямляча здійснюється безпосередньо у функції напруг високочастотного силового трансформатора інвертора, а керування польовим транзистором у вихідному фільтрі у функції уже наявних в НПЕ напруг дроселів насичення ВМП без введення будь-яких додаткових елементів чи схем керування ними. Результати проведених експериментальних досліджень електромагнітної сумісності НПЕ на ВМП засвідчили низький рівень їх електромагнітних завад випромінювання. Задля покращення електромагнітної сумісності запропоновано та досліджено використання в цих перетворювачах коректорів коефіцієнта потужності, що реалізовують принцип ОСС (One Cycle Control). Проведено дослідження в частотній області НПЕ на ВМП при замкнутому зворотному зв’язку з використанням пакета прикладних програм PSPICE. Результати роботи використано при проектуванні керованого трьохканального імпульсного джерело живлення електричних гальм системи електроприводу антени великого діаметра (ДНТП "ТЕХАС-К", м. Тернопіль), імпульсного джерела живлення автомобільного радіосканера (ТОВ НВФ "Інтеграл", м. Тернопіль), джерела живлення радіопередавальних та приймальних пристроїв систем дистанційного керування енергооб’єктами та обліку електроенергії (ТОВ ТКБР "Стріла", м. Тернопіль).Документ Нереверсивні дволанкові перетворювачі постійної напруги з розділеною комутацією(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2020) Івахно, Володимир ВікторовичДисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.09.12 "Напівпровідникові перетворювачі електроенергії" (14 - Електрична інженерія). - Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", м. Харків, 2020. Подана до захисту до спеціалізованої вченої ради Д 64.050.04 у Національному технічному університеті "Харківський політехнічний інститут". Дисертація присвячена вирішенню актуальної науково-прикладної задачі, яка полягає у розвитку теорії та принципів побудови дволанкових обернених нереверсивних перетворювачів постійної напруги з трансформаторною гальванічною розв'язкою, які є різновидом дволанкових перетворювачів постійної напруги (DC/DC конверторів). В роботі здійснюється дослідження та розвиток концепції побудови таких перетворювачів на базі відносно нової та мало дослідженої концепції – концепції розділеної комутації. Перетворювачі з розділеною комутацією (ПРК) будуються на базі неоднорідних інверторно-випрямних ланок: одна з ланок побудована на базі топології інвертора напруги (ІН), а інша – інвертора струму (ІС); ланки з'єднуються за допомогою узгоджуючого трансформатора. Спеціальний алгоритм синхронного керування ключами обох ланок – алгоритм розділеної комутації (АРК) – забезпечує сприятливі умови комутації ключів обох ланок: для ключів ланки ІН здійснюється природне (в нулях напруги, zero voltage switching, ZVS) вмикання та примусове снаберне ємнісне вимикання, для ключів ланки ІС – природне (в нулях струму, zero current switching, ZCS) вимикання та примусове снаберне індуктивне вмикання. Нереверсивність перетворювача з ланкою ІС, тобто незмінність знаку постійної напруги цієї ланки, при збереженні властивості оборотності перетворювача, забезпечується присутністю у комутаторі ланки ІС чотирьохквадрантного ключа (ключів). Обмеження комутаційних втрат дозволяє підвищувати частоту перетворення та наблизити показники комутаційних втрат у силових комутаторах таких перетворювачів до відповідних показників резонансних перетворювачів, але при відсутності спеціальних силових коливальних ланцюгів. Дано кількісне обґрунтування переваги для ПРК з IGBT використання у ланці з більшою величиною постійної напруги топології ІС з ZCS вимиканням ключів і топології ІН з ZVS вмиканням ключів для іншої ланки; введено поняття "критичної" частоти перетворення у ПРК з IGBT – такої частоти перетворення, вище якої сумарні статичні втрати та втрати вимикання IGBT у ланці ІН будуть вищими за сумарні статичні втрати у IGBT та послідовному діоді ключа ланки ІС при тій ж величинах струму та напруги, що комутуються. При частоті, вищої за "критичну", використання у ПРК більш високовольтової ланки за топологією ІС дає переваги у к.к.д. Представлені дані для величин "критичних" частот для IGBT провідних виробників різних класів напруг та технологій, згідно яких для класів напруг приладів вище 1700 - 2500 В, використання високовольтової ланки за топологією ІС є привабливим. Представлено декілька модифікацій схем ПРК. Для ПРК з мостовою схемою у ланці ІС з 4-хквадрантними ключами на базі MOSFET, виявлені переваги та недоліки синхронного та незалежного керування MOSFET складеного ключа. Для ПРК з IGBT у ланці ІС проаналізовано використання, наряду з мостовою схемою з 4-хквадрантними ключами, ряду схем з 4-хквадрантними ключами, але з меншою кількістю IGBT; порівняльний аналіз за критеріями величини сумарної напруги на ввімкнених ключах ланки та вартості показав перевагу схеми з послідовним до обмотки трансформатора 4-квадрантним ключем та з комутатором на IGBT з зворотними діодами за мостовою схемою (6 IGBT замість 8). Для такого ПРК для режиму зворотної передачі енергії (від ланки ІС до ІН) виявлена наявність резонансного інтервалу перезаряду снаберних конденсаторів, показана, для мінімізації струмових навантажень ключів, доцільність введення датчиків нуля струмів транзисторів емітерної групи ланки ІС. Пропонується та досліджується ПРК з асиметричною топологією ланки ІС, в якому струм вторинної обмотки протікає не через 4, а через 3 ввімкнених ключа, що є перевагою. Для режиму прямої передачі енергії (від ланки ІН до ланки ІС), виявлений новий вид комутації. При вмиканні транзистора 4-хквадрантного ключа, для нього має місце примусове ввімкнення при нульовій напрузі (FZVS), при чому, не зважаючи на примусовість ввімкнення та стрибкоподібне зростання струму ключа, комутаційні втрати вмикання відсутні. Проаналізована роль індуктивності розсіяння (ІР) трансформатора як снабера вмикання ключів ланки ІС. Запропоновано обмеження її величини на рівні, який забезпечує відносну сумарну тривалість комутаційних інтервалів на періоді величиною біля 10%, що еквівалентно відносній величині напруги короткого замикання xs* трансформатора у межах 16%. Для трансформаторів ПРК стрижневої конструкції знайдений та верифікований вираз, який пов’язує величину xs* з геометричними розмірами, параметрами магнітного матеріалу осердя (питомими втратами) для заданого перегріву, потужності навантаження та частоти, який дозволяє визначати необхідну величину ширину вікна стрижня. На базі експериментальних даних та даних літератури визначена величина питомої ємності снаберних конденсаторів (на 1 А струму IGBТ, що комутується) для забезпечення приблизно двократного зменшення енергії снаберного вимикання IGBT відносно безснаберної комутації: від 0,5 нФ/А до 3 нФ/А для приладів різних класів та технологій; дані можуть використовуватися для відповідних оцінок при проектуванні перетворювачів. У з ПРК як із симетричною, так і з асиметричною топологією ланки ІС, для розширення струмового діапазону існування режиму ZVS у ланці ІН аж до холостого ходу, пропонується модернізація АРК: при примусовому вимиканні транзисторів ланки ІН одночасно вмикають по затвору ті транзистори двоквадрантних ключів ланки ІС, для яких у цій момент напруга колектора є прямою. У контурі короткого замикання, що створюється, здійснюється резонансний перезаряд снаберних конденсаторів при будь-якому струмі навантаження; по закінченні перезаряду транзистори ланки ІС вимикаються природно, в режимі ZCS. Представлені та підтверджені імітаційним моделюванням вирази для параметрів резонансних та інших неактивних комутаційних інтервалів в функції параметрів ПРК. Фізичне моделювання ПРК з асиметричною топологією ланки ІС на експериментальному прототипі номінальною потужністю 500 Вт для фотовольтаїки (з використанням MOSFET, частота 50 кГц, напруга ланки ІН 480 В, ланки ІС 20-40 В, незалежне керування), показало високу ефективність: виміряний к.к.д. склав 97% для вихідної напруги 40 В та потужності навантаження 500 Вт. Розглянута доцільність використання запропонованих принципів побудови ПРК як складової частини батарейних систем накопичення енергії для підсилюючого пункту системи тягового електроживлення залізниці постійного струму (напруга контактної мережі 2 - 4 кВ). Для ланки ІС обрана симетрична топологія з 4-квадрантним ключем, номінальний вихідний струм перетворювача прийнятий 200 А, ключі ІС класу 6,5 кВ, напруга ланки ІН 600 В, ключі цієї ланки класу 1200 В, частота 1000 Гц, для ключів ланки ІН комутаційні втрати біля 7% від статичних. Оцінка маси трансформатора – біля 1,3 т, акумуляторної батареї – від 7,15 до 21,5 т, що дозволяє розташувати їх на борту потяга.Документ Нереверсивні дволанкові перетворювачі постійної напруги з розділеною комутацією(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Івахно, Володимир ВікторовичДисертація присвячена вирішенню актуальної науково-прикладної задачі, яка полягає у розвитку методу та принципів побудови дволанкових обернених нереверсивних перетворювачів постійної напруги з трансформаторною гальванічною розв'язкою. В роботі здійснюється дослідження та розвиток концепції побудови таких перетворювачів на базі відносно нової та мало дослідженої концепції – концепції розділеної комутації. Перетворювачі з розділеною комутацією (ПРК) будуються на базі неоднорідних інверторно-випрямних ланок: одна з ланок побудована на базі топології інвертора напруги (ІН), а інша – інвертора струму (ІС); ланки з'єднуються за допомогою узгоджуючого трансформатора. Спеціальний алгоритм синхронного керування ключами обох ланок – алгоритм розділеної комутації (АРК) – забезпечує сприятливі умови комутації ключів обох ланок: для ключів ланки ІН здійснюється природне (в нулях напруги, zero voltage switching, ZVS) вмикання та примусове снаберне ємнісне вимикання, для ключів ланки ІС – природне (в нулях струму, zero current switching, ZCS) вимикання та примусове снаберне індуктивне вмикання. Нереверсивність перетворювача з ланкою ІС при збереженні властивості оборотності забезпечується присутністю у комутаторі ланки ІС 4-квадрантного ключа (ключів). Дано обґрунтування переваги використання у ланці з більшою величиною постійної напруги ІС з ZCS вимиканням ключів і ІН з ZVS вмиканням ключів для іншої ланки; введено поняття "критичної" частоти перетворення у ПРК з IGBT – такої частоти, вище якої сумарні статичні втрати та втрати вимикання IGBT у ланці ІН будуть вищими за сумарні статичні втрати у IGBT та послідовному діоді ключа ІС при тій ж величинах струму та напруги, що комутуються. При частоті, вищої за "критичну", використання у ПРК більш високовольтової ланки за топологією ІС дає переваги у ККД. Представлені дані для величин "критичних" частот для IGBT провідних виробників різних класів напруг та технологій, згідно яких для класів напруг приладів вище 1700-2500 В, використання високовольтової ланки за топологією ІС є привабливим. Представлено декілька модифікацій схем ПРК. Для ПРК з IGBT у ланці ІС проаналізовано використання, наряду з мостовою схемою з 4-хквадрантними ключами, ряду схем з 4-хквадрантними ключами, але з меншою кількістю IGBT; порівняльний аналіз за критеріями величини сумарної напруги на ввімкнених ключах ланки та вартості показав перевагу схеми з послідовним до обмотки трансформатора 4-квадрантним ключем та з комутатором на IGBT з зворотними діодами за мостовою схемою (6 IGBT замість 8). Для такого ПРК для режиму зворотної передачі енергії (від ланки ІС до ІН) виявлена наявність резонансного інтервалу перезаряду снаберних конденсаторів. Пропонується та досліджується ПРК з асиметричною топологією ланки ІС, в якому струм вторинної обмотки протікає не через 4, а через 3 ввімкнених ключа, що є перевагою. Для режиму передачі енергії від ланки ІН до ланки ІС виявлений новий вид комутації: при вмиканні транзистора 4-хквадрантного ключа, для нього має місце примусове ввімкнення при нульовій напрузі і, не зважаючи на примусовість ввімкнення та стрибкоподібне зростання струму ключа, комутаційні втрати вмикання відсутні. Запропоновано обмеження величини індуктивності розсіяння як снабера вмикання на рівні, який забезпечує відносну сумарну тривалість комутаційних інтерва-лів на періоді біля 10%. Для трансформаторів ПРК стрижневої конструкції знайдений та верифікований вираз, який пов'язує величину xs* з геометричними розмірами, питомими втратами матеріалу стрижня, перегріву, потужності навантаження та частоти, який дозволяє визначати необхідну величину ширину вікна стрижня. Визначена величина питомої ємності снаберних конденсаторів (на 1 А струму IGBТ, що комутується) для забезпечення приблизно двократного зменшення енергії снаберного вимикання IGBT відносно безснаберної комутації: від 0,5 нФ/А до 3 нФ/А для приладів різних класів та технологій. Для розширення струмового діапазону існування режиму ZVS у ланці ІН аж до холостого ходу, пропонується модернізація АРК. Отримані вирази для параметрів резонансних та інших неактивних комутаційних інтервалів в функції параметрів ПРК. Фізичне моделювання ПРК з асиметричною топологією ланки ІС на експериментальному прототипі номінальною потужністю 500 Вт для фотовольтаїки (з використанням MOSFET, частота 50 кГц, напруга ланки ІН 480 В, ланки ІС 20-40 В, незалежне керування, показало високу ефективність: виміряний ККД склав 97% для вихідної напруги 40 В та потужності навантаження 500 Вт. Розглянута доцільність використання ПРК як складової частини батарейних систем накопичення енергії для підсилюючого пункту системи тягового електроживлення залізниці постійного струму (напруга контактної мережі 2-4 кВ). Для ланки ІС з 4-квадрантним ключем симетричної топології, номінальний вихідний струм ПРК 200 А, ключі ІС класу 6,5 кВ, напруга ланки ІН 600 В, ключі цієї ланки класу 1200 В, частота 1000 Гц, для ключів ланки ІН комутаційні втрати біля 7% від статичних. Оцінка маси трансформатора – біля 1,3 т, акумуляторної батареї – від 7,5 до 22,5 т, що дозволяє розташувати їх на борту потяга.Документ Трифазні багатопульсні випрямлячі з електронним зсувом фаз(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2019) Войтович, Юрій СергійовичДисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.12 "Напівпровідникові перетворювачі електроенергії" – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2019. Дисертацію присвячено вирішенню важливої наукової задачі – створенню трифазних напівпровідникових перетворювачів з покращеними енергетичними та масовими характеристиками. У багатьох електричних мережах і системах напівпровідникові перетворювачі є одним з основних видів навантаження. Напівпровідникові перетворювачі є для мережі живлення нелінійним навантаженням, і його робота впливає на режими роботи мережі, особливо якщо потужність перетворювача і мережі співрозмірні. Тому при проектуванні як електричних мереж, так і напівпровідникових перетворювачів необхідно враховувати вплив роботи перетворювачів на мережу живлення. В силовій електроніці одним з найпоширеніших перетворювачів є трифазний випрямляч. Схеми випрямлячів трифазного живлення застосовуються в основному для живлення споживачів середньої й великої потужності. Покращення електромагнітної сумісності в цих системах можливе з використанням схем трифазних випрямлячів зі збільшеною пульсністю. Для роботи таких випрямлячів необхідним є використання фазозсувних трансформаторів або автотрансформаторів. Використання фазозсувних магнітних елементів погіршує масові характеристики перетворювача, а при збільшенні пульсності випрямляча ускладняється їх конструкція. Покращення масових характеристик та електромагнітної сумісності можливе з використанням електронного зсуву фаз в трифазних випрямлячах зі збільшеною пульсністю. В дисертаційній роботі запропоновано структуру багатопульсних випрямлячів з електронним зсувом фаз пульсністю більше 12-ти, що дозволяє поліпшити гармонійний склад споживаного струму за рахунок підвищення пульсності випрямляча, отримання високого коефіцієнту потужності за рахунок використання «відстаючих» і «випереджаючих» кутів керування. Обґрунтовано доцільність використання повністю керованих напівпровідникових ключів з зворотною блокуючою здібністю в трифазних випрямлячах з електронним зсувом фаз, що дозволяє отримати високий коефіцієнт зсуву між вживаним струмом і напругою джерела живлення за рахунок уніфікації використовуваних напівпровідникових ключів. Запропоновано використання низькочастотної широтно-імпульсної модуляції для балансування вихідних напруг модулів трифазного випрямляча, що дозволяє реалізувати схему перетворювача без використання вхідних узгоджувальних електромагнітних елементів. Досліджені електромагнітні процеси в трифазних багатопульсних випрямлячах з електронним зсувом фаз при використанні повністю керованих напівпровідникових ключів зі зворотною блокуючою здатністю, що дозволило отримати основні вирази для оцінки комутаційних втрат. Запропоновані схемотехнічні рішення багатопульсних випрямлячів з електронним зсувом фаз, можуть бути використані в розробці та проектуванні перспективних джерел постійного струму, що вимагають покращених масових показників, відповідності вимогам по електромагнітній сумісності. Наприклад: – в наземному електрообладнанні аеропортів, як складова частина комплексу наземного живлення літаків 3х115 В 400 Гц 30-90 кВт; – в перетворювачах частоти з ланкою постійного струму при підключенні AC/AC перетворювача безпосередньо до мережі живлення, тобто без використання масштабуючих трансформаторів.Документ Трифазні багатопульсні випрямлячі з електронним зсувом фаз(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2019) Войтович, Юрій СергійовичДисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.12 "Напівпровідникові перетворювачі електроенергії" – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2019. Дисертацію присвячено вирішенню важливої наукової задачі – створенню трифазних напівпровідникових перетворювачів з покращеними енергетичними та масовими характеристиками. Проведено аналіз характеристик існуючих типів трифазних випрямлячів з електронним зсувом фаз та показано, що трифазний випрямляч з електронним зсувом фаз пульсністю більш ніж 12 має містити узгоджувальний пристрій для балансування рівня вихідних напруг. Запропоновано використання низькочастотної широтно-імпульсної модуляції для балансування вихідної напруги модулів трифазного випрямляча, що дає можливість відмовитися від застосування автотрансформаторів на вході перетворювача. Проаналізовано електромагнітні процеси в перетворювачі на основі багатопульсних випрямлячів з електронним зсувом фаз та показано, що для розглянутого класу перетворювачів доцільно використовувати випрямлячі з пульсністю від 18 до 24 для мереж малої потужності. Запропоновані схемотехнічні рішення багатопульсних випрямлячів з електронним зсувом фаз, можуть бути використані в розробці та проектуванні перспективних джерел постійного струму, що вимагають покращених масових показників, відповідності вимогам по електромагнітній сумісності. Наприклад:– при розробці та проектуванні перспективних джерел постійного струму електрифікованих залізниць. – в наземному електрообладнанні аеропортів, як складова частина комплексу наземного живлення 3х115 В 400 Гц 30-90 кВт та ін.Документ Напівпровідникові перетворювачі для систем з накопичувачами електричної енергії(НТУ "ХПІ", 2018) Стисло, Богдан ОлександровичДисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук (доктора філософії) за спеціальністю 05.09.12 "Напівпровідникові перетворювачі електроенергії" (17 – Електроніка та телекомунікації). – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2018. Дисертацію присвячено вирішенню важливої науково-технічної задачі – дослідженню режимів роботи напівпровідникових перетворювачів, що працюють в системах з накопичувачами електричної енергії. Визначено, що застосування БСНЕ в системах електроживлення вимагає використання спеціалізованих енергоефективних перетворювачів електричної енергії: узгоджуючих – для забезпечення зв'язку БСНЕ з мережею, та сервісних – для забезпечення безпечного режиму роботи накопичувачів. Виконано синтез сервісного перетворювача, який реалізує принцип адресної передачі енергії між акумуляторами, що з'єднані за послідовною схемою. На підставі аналізу комутаційних процесів в силових ключах перетворювачів, доведена доцільність використання перетворювачів з розділеною комутацією, які забезпечують режими м'якої комутації в напівпровідникових ключах. Запропоновано систему керування узгоджуючим перетворювачем, що реалізує алгоритм розділеної комутації.Документ Напівпровідникові перетворювачі для систем з накопичувачами електричної енергії(НТУ "ХПІ", 2018) Стисло, Богдан ОлександровичДисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук (доктора філософії) за спеціальністю 05.09.12 "Напівпровідникові перетворювачі електроенергії" (17 – Електроніка та телекомунікації). – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2018. Дисертацію присвячено вирішенню важливої науково-технічної задачі – дослідженню режимів роботи напівпровідникових перетворювачів, що працюють в системах з накопичувачами електричної енергії. Визначено, що застосування БСНЕ в системах електроживлення вимагає використання спеціалізованих енергоефективних перетворювачів електричної енергії: узгоджуючих – для забезпечення зв'язку БСНЕ з мережею, та сервісних – для забезпечення безпечного режиму роботи накопичувачів. Виконано синтез сервісного перетворювача, який реалізує принцип адресної передачі енергії між акумуляторами, що з'єднані за послідовною схемою. На підставі аналізу комутаційних процесів в силових ключах перетворювачів, доведена доцільність використання перетворювачів з розділеною комутацією, які забезпечують режими м'якої комутації в напівпровідникових ключах. Запропоновано систему керування узгоджуючим перетворювачем, що реалізує алгоритм розділеної комутації.Документ Енергозберігаючі напівпровідникові перетворювачі для перспективних систем електропостачання(НТУ "ХПІ", 2016) Лобко, Андрій ВалерійовичДисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.12 – напiвпровiдниковi перетворювачі електроенергії. − Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2016. Дисертація присвячена розробці високоефективних та енергозберігаючих напівпровідникових перетворювачів для застосування в нових та перспективних системах електропостачання. Розроблено напівпровідниковий перетворювач з фазовий способом керування для перспективної системи електропостачання FREEDM, який виконує аналогічні функції наявного в цій системі перетворювача і дозволяє отримати кращі енергетичні показники за рахунок зниження комутаційних втрат за допомогою м'якої комутації на основній частоті 50 Гц. Запропонований фазовий спосіб керування заснований на симетричному розладі резонансу і введенні регульованого фазового зсуву між напругами на вході силового напівпровідникового комутатора і мережі змінного струму. У дисертаційній роботі запропонована методика розрахунку основних параметрів перетворювача, проаналізовано якість його роботи, за допомогою комп'ютерного моделювання досліджено однофазна і трифазні схеми перетворювача в різних режимах роботи, а також запропоновані способи захисту від аварійних режимів. Експериментальні дослідження на фізичної моделі підтвердили достовірність теоретичних результатів.Документ Енергозберігаючі напівпровідникові перетворювачі для перспективних систем електропостачання(НТУ "ХПІ", 2016) Лобко, Андрій ВалерійовичДисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.12 – напiвпровiдниковi перетворювачі електроенергії. − Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2016. Дисертація присвячена розробці високоефективних та енергозберігаючих напівпровідникових перетворювачів для застосування в нових та перспективних системах електропостачання. Розроблено напівпровідниковий перетворювач з фазовий способом керування для перспективної системи електропостачання FREEDM, який виконує аналогічні функції наявного в цій системі перетворювача і дозволяє отримати кращі енергетичні показники за рахунок зниження комутаційних втрат за допомогою м'якої комутації на основній частоті 50 Гц. Запропонований фазовий спосіб керування заснований на симетричному розладі резонансу і введенні регульованого фазового зсуву між напругами на вході силового напівпровідникового комутатора і мережі змінного струму. У дисертаційній роботі запропонована методика розрахунку основних параметрів перетворювача, проаналізовано якість його роботи, за допомогою комп'ютерного моделювання досліджено однофазна і трифазні схеми перетворювача в різних режимах роботи, а також запропоновані способи захисту від аварійних режимів. Експериментальні дослідження на фізичної моделі підтвердили достовірність теоретичних результатів.Документ Улучшение электромагнитной совместимости преобразователей тяговых подстанций постоянного с питающей и контактной сетями(Украинский государственный университет железнодорожного транспорта, 2016) Плахтий, Александр АндреевичДиссертация на соискание учѐной степени кандидата технических наук по специальности 05.09.12 – полупроводниковые преобразователи электроэнергии. – Национальный технический университет "Харьковский политехнический институт" – Харьков - 2016. Диссертация посвящена исследованию электромагнитных процессов в активных четырех-квадрантных выпрямителей с системами управления построенных на базе гистерезисной и широтно-импульсной модуляции, которые обеспечивают высокие показатели электромагнитной совместимости с питающей и контактной сетью. Выполнен анализ путей улучшения электромагнитной совместимости и возможности реализации рекуперации в выпрямительных установках тяговых подстанций постоянного тока. Сделан вывод, что наиболее перспективной схемой выпрямительного агрегата тяговой подстанции является схема активного трехфазного четырехквадрантного выпрямителя напряжения построенная на базе схемы автономного инвертора напряжения. Разработаны системы автоматического управления двухуровневого и трехуровневого АВН с реализации широтно-импульсной модуляции. Преимуществом разработанных систем управления является постоянная и значительно меньшая частота коммутации ключей, что обуславливает физическую реализуемость системы, а также снижение динамических потерь в преобразователе, и как следствие повышение КПД преобразователя. При этом трехуровневый АВН в сравнении с двухуровневым обладает большим числом ступеней модуляции напряжения, что обуславливает улучшенные показатели качества электроэнергии. Разработана система автоматического управления компенсационного АВН, который состоит из нескольких параллельных мостов, которые запитаны от одной сети и работают на одну нагрузку. Синхронизация каналов управления отдельных мостов с реализацией сдвига опорного сигнала ШИМ на угол ξ, обеспечивает взаимную компенсацию высших гармоник входных токов и выходного напряжения, чем достигаетсся улучшение параметров электромагнитной совместимости: коэффициент мощности 99,83%; коэффициент гармонических искажений 1,82%; коэффициент пульсаций выходного напряжения 0,1824%; мешающее напряжение в контактной сети 1,123В.Документ Покращення електромагнітної сумісності перетворювачів тягових підстанцій постійного струму з живлячою та контактною мережами(НТУ "ХПІ", 2016) Плахтій, Олександр АндрійовичДисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.09.12 – напівпровідникові перетворювачі електроенергії. – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" – Харків - 2016. Дисертація присвячена дослідженню електромагнітних процесів в активних трифазних випрямлячах напруги з корекцією коефіцієнта потужності з системами автоматичного управління побудованих на базі гістерезисної на широтно-імпульсної модуляції, які забезпечують високі показники електромагнітної сумісності з живлячою та контактною мережами. Отримані регулювальні характеристики АВН з гістерезисною системою управління на основі яких розроблена система автоматичного управління з реалізацією двонаправленої передачею енергії. Дослідження активних випрямлячів з гістерезисною системою управління показали реалізацію високих показників електромагнітної сумісності, проте і виявили її принципові недоліки, а саме високу і змінну частоту комутації, що значно ускладнює її фізичну реалізацію на існуючий базі IGBT транзисторів та зумовлює значні втрати в перетворювачі. Визначені аналітичні співвідношення максимальної частоти комутації ключів АВН з гістерезисною системою управління від параметрів живлячої мережі, схеми заміщення АВН, навантаження та величини уставки гістерезиса. Розроблена система управління компенсаційного активного випрямляча напруги, який складається із декількох паралельних або послідовних мостів, які заживлені від однієї мережі живлення і працюють на одне навантаження. Синхронізація каналів управління окремих мостів з реалізацією зсуву опорного сигналу ШІМ на кут зсуву ψ дозволяє реалізувати взаємну компенсацію вищих гармонік вхідного струму та вихідної напруги, чим досягається покращення показників електромагнітної сумісності: коефіцієнт потужності 99,83%; коефіцієнт гармонійних спотворень 1,82%; коефіцієнт пульсацій вихідної напруги 0,1824%; заважаючи напруга у контактній мережі 1,123В.