05.09.12 "Напівпровідникові перетворювачі електроенергії"
Постійне посилання зібрання
Переглянути
Перегляд 05.09.12 "Напівпровідникові перетворювачі електроенергії" за Ключові слова "current-source-inverter"
Зараз показуємо 1 - 2 з 2
Результатів на сторінці
Налаштування сортування
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.