05.09.12 "Напівпровідникові перетворювачі електроенергії"
Постійне посилання зібрання
Переглянути
Перегляд 05.09.12 "Напівпровідникові перетворювачі електроенергії" за Ключові слова "interval model of energy characteristic"
Зараз показуємо 1 - 2 з 2
Результатів на сторінці
Налаштування сортування
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).