Электронные трасформаторы на основе высокочастотных структур с переключаемыми конденсаторами для автономных систем электроснабжения

 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

 ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 
 
Кафедра        Электроники и электротехники 
                                                                              (полное название кафедры)                                              
 
 
 
 
 
 
           ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА БАКАЛАВРА 
 
 

Электронные трасформаторы на основе высокочастотных структур с переключаемыми

 

конденсаторами для автономных систем электроснабжения

 (тема работы)                                                       
 
 
 

 

 

Направление подготовки  210100 Электроника и микроэлектроника (62)                                                         
                                      (код и наименование направления подготовки бакалавра)                      
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

 

 

 
                                            Новосибирск, 2013 г

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

  ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

Кафедра             Электроники и электротехники 
                                                 (полное название кафедры)                                     

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАДАНИЕ 
НА ВЫПУСКНУЮ КВАЛИФИКАЦИОННУЮ РАБОТУ БАКАЛАВРА

 

студент у(ке)          

                                                (фамилия, имя, отчество)                      

 

Направление подготовки  210100 Электроника и микроэлектроника (62)                                                    

                                                                            (код и наименование направления подготовки бакалавра)

                                               Радиотехники и электроники

                                                                                                       (факультет)  

                              

Тема Электронные трансформаторы на основе высокочастотных структур с переключаемыми конденсаторами для автономных систем электроснабжения

                                      (полное название темы выпускной квалификационной работы бакалавра)                                                 

 

Исходные данные (или цель работы)       1. Введение. Описание существующих устройств. Цель и задачи                 проекта.

2. Разработка и исследование принципиальных схем силовых цепей ЭСТ на основе 

резонансных структур с переключаемыми конденсаторами.

3. Исследование нагрузочных , регулировочных и энергетических характеристик

ЭСТ на основе структуры с переключаемыми конденсаторами.

4. Оптимальный расчет элементов принципиальных схем силовых цепей ЭСТ на

основе структур с переключаемыми конденсаторами

 

 

 

Структурные части работ                     1. Обзор литературы. 2. Расчет параметров режима мягкой

коммутации. 3. Разработка структурных схем силовой цепи и цепи упраления многокаскадных ЭСТ с использованием программного обеспечения PSIM.

 

 

 

 

 

 

 

 

План-график выполнения работы

 

№ п/п	Наименование этапа	Планируемые сроки выполнения

 

Задание согласовано и принято к исполнению.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аннотация

 

 

 

В данной работе представлены повышающий и понижающий электронные силовые трансформаторы (ЭСТ), рассмотрен принцип построения многотактных ЭСТ на основе резонансных структур с переключаемыми конденсаторами. Показано, что увеличением числа тактов преобразования достигается заметное увеличение коэффициентом полезного действия (КПД) и резкое снижение суммарной емкости конденсаторов силовой цепи трансформатора. Кроме того, существенно улучшаются коэффициент гармоник входного тока и входной коэффициент мощности.

 

Содержание

Введение……………………………………………………………….…….…6

1. Обзор литературы………………………...…………………………….…11

2. Расчетный раздел………………………………………………………….24

2.1. Расчет режима мягкой коммутации…………………………………….24

2.2. Расчет частоты коммутации  транзисторов………………….…….…...25

3. Электронные силовые трансформаторны(ЭСТ) .……...………….......….26

3.1. Однокаскадный неуправляемый  ЭСТ (k=1, k=1) ……...…………....…26

3.1.1.Двухкаскадный неуправляемый ЭСТ (k=2, k=1)………………….…...26

3.2. Двухкаскадный управляемый ЭСТ(k=1, k=2)…......………………........27

3.2.1.Двукаскадный управляемый ЭСТ(k=2, k=2)………………..…………..27

4. Графические характеристики  ЭСТ…………………..…..……………….29

Заключение…………………………………….……………………………...30

Список использованной литературы………………………………………..31

 

 

 

Введение

 

 

 

Из основных тенденций развития радиоэлектронных средств (РЭС) и систем связи следует отметить с одной стороны все возрастающую степень использования интегральных микросхем, микроконтроллеров и микропроцессоров, что приводит к резкому снижению массы и габаритов РЭС и ее узлов; с другой стороны разработку и развитие новых принципов энерго- и ресурсосберегающих методов генерирования электрических колебаний, усиления информационных сигналов и преобразование электрической энергии в системах электропитания, которые являются неотъемлемой частью каждой РЭС.

Современные РЭС резко ужесточают требования к массогабаритным показателям,  экономичности, надежности, качеству вырабатываемой энергии и электромагнитной совместимости систем электропитания. Решение проблем энерго- и ресурсосбережений в устройствах электропитания осуществляется с использованием импульсных (ключевых) режимов работы усилительных приборов в преобразователях напряжения с промежуточным звеном высокой частоты (сотни килогерц – единицы мегагерц) современной элементной базы: мощных транзисторов (IGBT), мощных ультрабыстрых диодов, современных магнитных материалов и конденсаторов и современных технологий узлов и устройств (низкопрофильные, безнамоточные, плоские трансформаторы; поверхностный монтаж и др.). Ключевые режимы работы усилительных приборов позволяют приблизить электронный КПД устройств к предельно достижимому путем снижения мощности потерь в усилительных приборах, тем самым увеличить надежность работы импульсного источника питания.

При создании автономных радиосистем, а так же экологически чистых, многоуровневых, интеллектуальных систем электроснабжения  находят применение понижающие конденсаторные преобразователи постоянного

напряжения (ПКП), работающие по принципу последовательного заряда конденсаторов от входного источника постоянного напряжения с их последующим параллельным разрядом на нагрузку.

Существует множество первичных источников электроэнергии, которые вырабатывают ее в виде постоянного напряжения. Такие как солнечные батареи, термоэлектрогенераторы, магнитогидродинамические генераторы, топливные элементы (энергия химических реакций), аккумуляторы, электромашинные генераторы постоянного напряжения. Для приведения постоянных напряжений этих источников к требуемому уровню, его стабилизации и регулирования и требуются устройства преобразования постоянного напряжения в постоянное (DC-DC).

Преобразователь напряжения – это устройство, предназначенное для преобразования постоянного напряжения одной величины в постоянное напряжение другой величины. Преобразователи постоянного тока в постоянный, называемые регуляторами постоянного тока (электронными «трансформаторами»), обозначаются ОТ-ОТ (ОТ – Однонаправленный Ток) аналогично их зарубежному сокращению DC-DC (DC – DirectCurrent – Постоянный Ток).

В работе рассмотрена автономная радиоэлектронная система энергоснабжения на основе структур с переключаемыми конденсаторами. При этом снижение веса и габаритов достигается использованием резонансного метода их построения,который наряду с повышением КПД за счет применения режима мягкой коммутации силовых ключей, позволяет также существенно увеличить частоту преобразования  до величины порядка 500 кГц и выше[7]. Уменьшение коэффициента гармоник входного и выходного токов достигается применением многотактного режима работы DC-DC конверторов. В частности, в работе рассмотрены однотактные, двухтактные и трехтактные схемы преобразователей.

Кроме того, подобная система электроснабжения включает в себя повышающие, понижающие преобразователи и двунаправленные повышающие/понижающие преобразователи постоянного напряжения.

 

Задача работы – провести исследование резонансных DC-DC-конверторов на основе структур с переключаемыми конденсаторами для автономных систем энергоснабжения, а также разработка регуляторов постоянного тока, позволяющих максимально уменьшить помехи на входе и пульсации на выходе преобразователя.

В проекте рассмотрен принцип построения многотактных электронных силовых трансформаторов на основе резонансных структур с переключаемыми конденсаторами. Показано, что увеличением числа тактов преобразования достигается заметное увеличение КПД и резкое снижение суммарной емкости конденсаторов силовой цепи трансформатора. Кроме того, существенно улучшаются коэффициент гармоник входного тока  и  входной коэффициент мощности. Компьютерное моделирование основных узлов системы преобразования электрической энергии выполнялось с использованием программного обеспечения PSIM.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Актуальность темы.

 

Целесообразность построения электронных силовых трансформаторов (ЭСТ) обусловлена стремлением замены громоздких сетевых трансформаторов, работающих на частоте промышленной сети, на более технологичные высокочастотные и, следовательно, малогабаритные устройства. ЭСТ могут быть использованы для согласования различных уровней напряжений промышленной частоты при питании электрических машин от низковольтной или высоковольтной сети. Эффективным является также применение регулируемого ЭСТ в качестве стабилизатора сетевого напряжения не требующего гальванической развязки входа и выхода.

Принцип построения ЭСТ на основе высокочастотных резонансных структур с переключаемыми конденсаторами c точки зрения методологии является оригинальным, т.к. в отличие от известных методов [1-3], исключает промежуточное преобразование переменного напряжения сети в постоянное с последующим высокочастотным инвертированием. Главные показатели качества таких устройств – масса, габариты, КПД, коэффициент мощности и коэффициенты гармоник входного и выходного токов. Принципиальные схемы силовой цепи (СЦ) однотактных (k=1), нерегулируемых - повышающего и понижающего ЭСТ на основе резонансных двунаправленных преобразовательных модулей ДПМ(~) приведены на (рис. 1), а на (рис. 2) даны временные диаграммы токов и напряжений, поясняющие их работу в обоих направлениях.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Обзор Литературы.

 

Главные показатели качества таких устройств – масса, габариты, КПД, коэффициент мощности и коэффициенты гармоник входного и выходного токов. Принципиальные схемы силовой цепи (СЦ) однотактных (k=1), нерегулируемых - повышающего и понижающего ЭСТ на основе резонансных двунаправленных преобразовательных модулей ДПМ (~) приведены на (рис. 1), а на (рис. 2) даны временные диаграммы токов и напряжений, поясняющие их работу в обоих направлениях.

Рис. 1.1. Принципиальные схемы СЦ однотактных повышающего и понижающего ЭСТ

Принцип действия повышающего (понижающего) ЭСТ основан на периодическом параллельном (последовательном) подзаряде конденсаторов его ДПМ(~) на высокой частоте преобразования (десятки килогерц) от сети переменного тока, с их дальнейшим последовательным (параллельным) разрядом на нагрузку. Зарядные - VT(1-2), VT(3-2) и разрядные ключи - VT(2-1), VT(2-2) ЭСТ работают поочередно без перекрытий в течение половины периода частоты . Поскольку разряд (заряд) конденсаторов происходит через последовательно соединенную сеть, то силовая цепь ДПМ(~) упрощается уменьшением числа конденсаторов на единицу. В результате выходные напряжения повышающего и понижающего ЭСТ зависят от числа конденсаторов его СЦ - и оказываются равными и , что соответствует коэффициентам преобразования и . Фильтрация напряжения на нагрузке осуществляется с помощью ФНЧ образованном элементами самой нагрузки .