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

 

 

 

 

 

 

Расчетный раздел

 

1.1Расчет режима мягкой коммутации

 

Величина индуктивности, которая требуется для цепи заряда, расчитывается на выбранную тактовую частоту так, чтобы период получившегося в результате колебательного контура равнялся периоду, соответствующему тактовой частоте.

Схема с последовательным соединением RLC  аналогична соединению конденсаторно-диодной цепочки (КДЦ) с катушкой индуктивности для обеспечения режима мягкой коммутации. Схема последовательного соединения индуктивности и емкости, а также напряжение в RLCконтуре приведены на Рис.2.1.

Рис.2.1. Схема последовательного включения индуктивности и емкости и напряжение в RLCконтуре

 

Форма тока , протекающего в цепи на рисунке описывается выражением:

 

 

 

 

Полагая, R=0 определяем формируем условия для определения периода Tсинусоидального колебания зарядного тока .

 

 

Проанализировав выражения – можно сделать следующий вывод:

Принимая во внимания, что T=1/F, получаем следующее выражение для расчета индуктивности мягкого включения КДЦ:

 

Тактовая частота конвертора при моделировании была задана равной 20 кГц. Зная значение емкости конденсатора (С) и частотукоммутации ()найдем требуемое значение индуктивности для мягкого включения:

 

2.2.Расчет  частоты коммутации транзисторов (МOSFET и IGBT)

 

Среднее время включения современных полевых транзисторов колеблется около 50 нс. За один период коммутации происходит открытие и закрытие ключа, таким образом общее время, которое ключ находится в неуправляемом состоянии Необходимо, чтобы было не более 5% от периода коммутации .

Из этого условия можем посчитать максимально возможную частоту коммутации ключей:

 

 

Таким образом, из формулы следует, что , где – частота коммутации ключей.

Среднее время включения и выключения IGBTтранзистора примем равным:

.   Необходимо, чтобы  было не более 5% от периода коммутации.

Исходя из этого условия и опираясь на формулу , мы можем посчитать максимально возможную частоту коммутации ключей:

 
 Таким образом, из формулы следует, что  .  

3. Электронные силовые трансформаторны(ЭСТ)

 

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

 

 

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

 

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

 

 

3.2.1. Двухкаскадный управляемый ЭСТ(k=2, k=2)

 

 

 

 

 

 

 

4.Характеристики ЭСТ.

Рис. 8. Графики коэффициента полезной действия и мощности ЭСТ.

Рис.9. Графики нагрузочных  характеристик ЭСТ

Заключение

     1. На основе структур с переключаемыми конденсаторами разработаны и исследованы принципы построения многотактных резонансных двунаправленных ЭСТ, имеющих высокий КПД и улучшенные массогабаритные показатели по сравнению с классическими сетевыми трансформаторами.

2. Исходя из резонансных  свойств структуры ЭСТ получены  выражения для определения параметров  реактивных элементов его СЦ.

3. Показано, что при любом количестве тактов ЭСТ коэффициент мощности его входного тока полностью определяется элементами контура нагрузки. Получено выражение для определения величины емкости нагрузки, обеспечивающей максимум коэффициента мощности входного тока ЭСТ.

4. Показано, что увеличение  числа тактов преобразования  ЭСТ ведет к заметному уменьшению  коэффициента гармоник его входного  тока, улучшению нагрузочной, входных и энергетических характеристик, а также позволяет резко снизить величину суммарной емкости его силовой цепи.

5. На основе принципа  многозонной ШИМ предложена схема  и алгоритм коммутации двухтактного  регулируемого ЭСТ, с повышенным  КПД и улучшенным коэффициентом  гармоник входного тока и выходного  напряжения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература

[1]   H.H.Weiss, K.Ince, G.Zinoviev ”Multi-Input Small-Power Renewable Energy Supply System Realized By Special Power Electronics” c. 617-622

[2]   Л.Г. Зотов. Анализ импульсных помех в бестрансформаторных системахвторичного электропитания. Научный вестник НГТУ,№1(19), 2005, c.83-88.

[3]  Л.Г. Зотов. Метод построения многоуровневых инверторов на основе повышающих конденсаторных преобразователей с изменяющейся структурой. «Электротехника»,№10,2007, с.34-40.

[4]   Л.Г.Зотов.Конденсаторные повышающие преобразователи с изменяющейся структурой для автономных энергосистем. «Электротехника» №4,2011,c.46-50.

[5]   Л.Г.Зотов. Понижающие преобразователи постоянного напряжения на основе структур с переключаемыми конденсаторами для автономных энергосистем.Научный вестник НГТУ, №1(42), 2011,с.151-158.

[6]Л.Г.Зотов.Двухуровневая система обмена электрической энергией постоянного тока на основе структур с переключаемыми конденсаторами для автономных энергосистем.  «Электротехника» № 7, 2011, c.52-57.

[7] Л.Г. Зотов.Патент RU №2284633. Регулируемыйпонижающий преобразователь постоянного напряжения.Опубл.БИ №27, 27.09.2006г.

[8]  Л.Г. Зотов. Патент RU №2323515. Регулируемый понижающий преобразовательпостоянного напряжения.Опубл. БИ №12, 27.04.2008г.

[9]  Л.Г. Зотов. Патент RU №2394345. Регулируемый повышающий преобразователь постоянного напряжения. Опубл. БИ №19, 10.07.2010г.

[10]Л.Г. Зотов,Г.С. Зиновьев  Патент RU №2415506. Регулируемый понижающий преобразовательпостоянного напряжения.Опубл. БИ №9, 27.03.2011г.

[11] C.Nunez, Jlira, N.Visairo “AnalysisoftheBoundariestoCompensateVoltageSagEventsUsingaSinglePhaseMulti-LevelRectifier”,EPEJournal-Vol.20.-No 4.-Dec.2010,c.5-11.

[12]   Кассакян Дж.Г., Шлехт М.Ф.  Высокочастотные преобразователи высокой удельной объемной мощности для распределенных систем электропитания. Труды института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике. ТИИЭР, т.76, №4,1988, c. 67-83.

[13]On-Cheong Mak, Yue-Chung Wong, and Adrian Ioinovici “Step-up DC Power Supply Based on a Switched-Capacitor Circuit”, IEEE Transactions on industrial electronics, vol 42,no 1, Febr. 1995, c. 90-97.

[14]   J.Han, A. von Jouanne, and G.S.Temes“A New Approach to Reducing Output Ripple in Switched-Capacitor-Based Step-Down DC-DC Converters”, IEEE Transactions on power electronics, vol 21, no 6, Nov.2006, c. 548-1555.

[15]   Ф.К. Ли. Высокочастотные квазирезонансные преобразователи. Труды института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике. ТИИЭР, т.76, №4,1988, c. 83-97.