Совершенствование импульсных преобразователей в составе автономных систем электропитания электротехнических комплексов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Пьей Пьо Тун

• Пьей Пьо Тун
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Пьей Пьо Тун

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯ СИСТЕМ АВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

1.1. Анализ требований, предъявляемых к системам автономного электропитания

с учетом обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС)

1.2. Принципы построения, структуры и элементная база полупроводниковых преобразователей для автономных систем электропитания

1.2.1. Топология силовой части многоуровневых преобразователей

электрической энергии для автономных электроэнергетических систем

1.2.2. Способы формирования и регулирования выходного напряжения

в многоуровневых преобразователях

1.2.3. Трёхфазный инвертор на базе трёх однофазных мостовых схем

1.2.4. Трёхфазный мостовой инвертор

1.2.5. Трёхуровневый трёхфазный инвертор

1.2.6. N-уровневые инверторы напряжения

Выводы по 1-ой главе

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ И РАСЧЕТ СТАТИЧЕСКИХ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МНОГОУРОВНЕВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

С ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ

2.1. Математическое представление способов формирования токов и напряжений

многоуровневых преобразователей

2.1.1. Математическое представление выходного напряжения и выходного тока

2.1.2. Однофазные многоуровневые преобразователи

2.2. Моделирование однофазного многоуровневого преобразователя

2.3. Статические и энергетические показатели многоуровневых выпрямителей

2.4. Расчёт установленной мощности многоуровневых преобразователей

2.5. Способы управления преобразователями частоты (ПЧ)

2.5.1. Алгоритмы управления автономными инверторами напряжения

2.5.2. Управляемые преобразователи напряжения

Выводы по 2-ой главе

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНЫХ СВОЙСТВ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В МНОГОУРОВНЕВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ

3.1. Гармонический анализ напряжения и тока однофазного многоуровневого выпрямителя

3.2. Гармонический анализ напряжения и тока реверсивного многоуровневого преобразователя при питании от трёхфазной сети

3.2.1. Математическое моделирование реверсивного многоуровневого преобразователя при питании от трёхфазной сети

3.2.2. Схемотехническое моделирование реверсивного многоуровневого преобразователя при питании от трёхфазной сети

3.2.3. Разработка подсистемы «Measurements» для определения энергетических показателей многоуровневых преобразователей

3.3. Гармонический анализ напряжения и тока многоуровневого инвертора

при питании от источников постоянного тока

Выводы по 3-ей главе

ГЛАВА 4. ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МНОГОУРОВНЕВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

4.1. Практическая реализация многоуровневых преобразователей

4.2. Расчет статических и динамических потерь в транзисторных модулях

трехуровневого инвертора

4.3. Применение многоуровневых преобразователей для управления АД

4.4. Моделирование системы ПЧ-АД

Выводы по 4-ой главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3. Гармонический анализ напряжения и тока реверсивного многоуровневого преобразователя при питании от четырехпроводной сети

П3.1. Математическое моделирование реверсивного многоуровневого

преобразователя при питании от четырехпроводной сети

П.3.2. Схемотехническое моделирование реверсивного многоуровневого

преобразователя при питании от четырехпроводной сети

Приложение 4

П4.1. Анализ основных видов транзисторных ключей и особенностей

их применения

П4.2. Полностью управляемые по затвору тиристоры

П4.3. Силовые транзисторы

Приложение 5

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование импульсных преобразователей в составе автономных систем электропитания электротехнических комплексов»

ВВЕДЕНИЕ

В XXI веке две технологии будут иметь наибольшее значение - компьютеры и силовая электроника с электроприводом. Первая станет выполнять функция разума, а вторая - мускулов [4].

Полупроводниковые преобразователи электрической энергии являются одним из наиболее распространенных технических устройств, работающих на разветвленную сеть потребителей. От степени искажения потребляемого ими из питающей сети тока существенно зависит качество напряжения в сети и значение потерь активной мощности. В свою очередь, от качества выходной энергии преобразователей существенно зависит эффективность работы электропотребителей, получающих питание от них. Поэтому повышение качества преобразования и использования электрической энергии является актуальным в аспекте обеспечения энергосбережения [14 ].

В автономных системах электропитания (АСЭ) потребители электрической энергии, имеющие различный характер нагрузки, получают питание от одной распределительной сети, которая должна обеспечивать надежное снабжение всех потребителей при требуемом качестве электроэнергии.

Значительная часть оборудования имеет в своем составе выпрямители, сварочные установки, агрегаты бесперебойного питания, особенностью которых является работа на разветвленную сеть потребителей с нелинейным характером нагрузки [49].

Воздействие потребителей с нелинейными характеристиками на сеть заключается в генерации ими высших гармонических составляющих тока и напряжения. Высшие гармоники повышают вероятность возникновения резонансных явлений, нарушают нормальную работу вычислительной техники, устройств релейной защиты и автоматики; в результате повышенного нагрева токами высших гармоник происходит ускоренное старение изоляции электрических машин и кабелей и т.д. В связи с этой проблемой остро встает вопрос об обеспечении в системах электроснабжения электромагнитной совместимости [24].

На данном этапе характеризуется вниманием исследователей и разработчиков силовой электроники к энергетическим аспектам работы ПП, к вопросам энергосбережения средствами регулируемого электропривода, к задачам оптимального управления. Создание перспективных систем связано с решением проблем энергетической и элек-

тромагнитной совместимости ПП с питающей сетью и ЭМ, с исследованиями высокочастотных электромагнитных процессов, вызываемых ПП с ШИМ в электросетях и ЭМ, с оценкой их влияния на надежность, долговечность, экономичность и другие характеристики оборудования.

В связи с появлением множества новых технических решений по силовым схемам ПП, с усложнением этих схем, большой объем работ выполняется по синтезу оптимальных алгоритмов управления, по реализации в микропроцессорных устройствах функций идентификации параметров, технической диагностики и визуализации процессов. В практику эксплуатации ПП и электроприводов внедряются новые информационные технологии.

Регулируемые электроприводы являются основой автоматизации управления многими производственными процессами. Современные устройства и технологии требуют от электропривода хороших регулировочных свойств, высоких показателей быстродействия и надежности, понижения вносимых системой «преобразователь-электродвигатель» искажений в сетевое напряжение [4].

В настоящее время наблюдается устойчивая тенденция перехода от исполнительных элементов постоянного к исполнительным элементам переменного тока, для управления которыми преимущественное применение находят преобразователи частоты с явно выраженным звеном постоянного тока [14].

Достижения в области микроэлектроники, непрерывное совершенствование силовых полупроводниковых приборов и средств реализации импульсно-модуляционных методов преобразования (формирование новых структур построения, создание эффективных схемотехнических решений устройств и систем) позволяют максимально использовать потенциальные возможности импульсных методов преобразования и регулирования (стабилизации) электрической энергии и в силовой преобразовательной технике.

Использование современных полупроводниковых приборов и прямого микропроцессорного управления создали предпосылки для применения сложных законов модуляции в системах с импульсно-модуляционным подходом преобразования энергии. В основе данных систем лежит принцип воспроизведения входного модулирующего воздействия на выходе с применением многоуровневого преобразования параметров электрической энергии. Такие преобразователи позволяют повысить скорость управления элек-

тромагнитной совместимости ПП с питающей сетью и ЭМ, с исследованиями высокочастотных электромагнитных процессов, вызываемых ПП с ШИМ в электросетях и ЭМ, с оценкой их влияния на надежность, долговечность, экономичность и другие характеристики оборудования.

В связи с появлением множества новых технических решений по силовым схемам ПП, с усложнением этих схем, большой объем работ выполняется по синтезу оптимальных алгоритмов управления, по реализации в микропроцессорных устройствах функций идентификации параметров, технической диагностики и визуализации процессов. В практику эксплуатации ПП и электроприводов внедряются новые информационные технологии.

Регулируемые электроприводы являются основой автоматизации управления многими производственными процессами. Современные устройства и технологии требуют от электропривода хороших регулировочных свойств, высоких показателей быстродействия и надежности, понижения вносимых системой «преобразователь-электродвигатель» искажений в сетевое напряжение [4].

В настоящее время наблюдается устойчивая тенденция перехода от исполнительных элементов постоянного к исполнительным элементам переменного тока, для управления которыми преимущественное применение находят преобразователи частоты с явно выраженным звеном постоянного тока [14].

Достижения в области микроэлектроники, непрерывное совершенствование силовых полупроводниковых приборов и средств реализации импульсно-модуляционных методов преобразования (формирование новых структур построения, создание эффективных схемотехнических решений устройств и систем) позволяют максимально использовать потенциальные возможности импульсных методов преобразования и регулирования (стабилизации) электрической энергии и в силовой преобразовательной технике.

Использование современных полупроводниковых приборов и прямого микропроцессорного управления создали предпосылки для применения сложных законов модуляции в системах с импульсно-модуляционным подходом преобразования энергии. В основе данных систем лежит принцип воспроизведения входного модулирующего воздействия на выходе с применением многоуровневого преобразования параметров электрической энергии. Такие преобразователи позволяют повысить скорость управления элек-

трическим потоком и на этой основе повысить качество преобразования энергии, характеризуемое достижением заданных характеристик в переходных и квазиустановившихся режимах работы, достигнуть необходимого уровня электромагнитной и энергетической совместимости, а также снизить загрузку питающих сетей неактивными составляющими мощности.

Таким образом преобразователи переменного тока для управления моментом, скоростью или положением ротора асинхронных, синхронных и вентильных двигателей являются современными электротехническими устройствами, которые выпускаются ведущими электротехническими фирмами в различных модификациях.

Повышение статических и динамических характеристик электроприводов с преобразователями частоты в первую очередь определяются использованием новых алгоритмов управления как при раздельном, так и при совместном регулировании частоты и напряжения, а также разработкой методов анализа и синтеза импульсных систем преобразования энергии.

Поэтому цель диссертационной работы является развитие топологии силовой части многоуровневых преобразователей и практическая реализация этих преобразователей переменного напряжения в постоянное (переменное) с многоуровневым принципом преобразования параметров электрической энергии и методов управления этими преобразователями в составе АСЭ.

Для достижения поставленной задачи в работе решаются следующие задачи:

- выполнить сопоставительный анализ современного состояния и переспективы применения импульсных полупроводниковых преобразователей для систем автономного электропитания;

- обосновать целесообразность применения многоуровневого принципа формирования выходного напряжения для полупроводниковых преобразователей в системах автономного электропитания;

- выполнить математическое и схемотехническое моделирование многоуровневых преобразователей с целью сравнения их спектрального состава выходного напряжения (тока) и входного тока;

- исследовать энергетические характеристики многоуровневых преобразователей при различных законах управления;

- разработать рекомендации по практической реализации многоуровневых преобразователей для АСЭ.

В первой главе анализируется состояние и перспективы применения полупроводниковых преобразователей для систем автономного электропитания. Рассмотрен класс преобразователей переменного напряжения в регулируемое постоянное (переменное) для АСЭ с использованием многоуровневого принципа преобразования параметров электрической энергии и применением многократной коммутации, позволяющие получить выходное напряжение как меньше входного, так и больше входного, без использования внутри себя реактивных элементов.

Во второй главе приведено математическое описание способов формирования выходного напряжения (тока) и входного тока многоуровневых преобразователей на основе коммутационных функций. Представлены способы управления многоуровневыми преобразователями напряжения. Выполнено математическое и схемотехническое моделирование многоуровневых преобразователей для определения статических и энергетических характетистик. Приведен расчет установленной мощности многоуровневых преобразователей для различных топологий.

В третьей главе показано, что результаты математического моделирования выходного напряжения реверсивного многоуровневого преобразователя в пакете МаШсас! при различных индексах модуляции ш совпадают с результатами схемотехнического моделирования в пакете Ма1ЬаЬ. Спектральные характеристики (ТНО) выходного напряжения, выходного и входного токов многоуровневого преобразователя при питании от переменного (постоянного) тока исследуются в зависимости от различных индексов модуляции т, частоты управляющего сигнала £у и частоты коммутации йс при управлении с синусоидальной ШИМ для активно-индуктивной нагрузки.

В четвертой главе характеризуется устойчивой тенденцией, заключающейся в переходе от исполнительных элементов постоянного тока к исполнительным элементам переменного тока, для реализации частотного управления которыми преимущественное применение получили преобразователи частоты с явно выраженным звеном постоянного тока. Показана взаимосвязь частоты коммутации с коммутационными потерями и их влияние на тепловые процессы в ЮВТ-модуле. Составляющая динамических потерь зависит от частоты коммутации ключа. Потери мощности в силовом модуле непосредст-

венно влияют на КПД преобразователя и поэтому их снижение является одной из основных задач разработчиков полупроводниковых приборов. На защиту выносятся следующие положения:

1. Способы формирования и регулирования выходного напряжения с использованием многоуровневого принципа преобразования параметров электрической энергии с широтно-импульсным регулированием.

2. Математические модели для определения спектрального состава выходного напряжения и входного тока многоуровневых преобразователей с использованием коммутационных функций F^. (/), рядов Фурье и функций Бесселя.

3. Спектральные характеристики выходного напряжения, выходного и входного токов многоуровневого преобразователя при питании от переменного и постоянного тока.

4. Подсистема «Measurements» для определения энергетических показателей многоуровневых преобразователей.

5. Схемотехническое моделирование применения многоуровневых преобразователей в качестве источника питания в составе ПЧ-АД.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендации подтверждена результатами математического моделирования с применением пакета Mathcad, схемотехнического моделирования в пакете MatLab (Simulink/SimPowerSystems) и достаточной сходимостью с результатами исследований других авторов.

По результатам работы опубликовано 5 печатных работ: в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Материалы диссертационной работы докладывались на:

- семинарах кафедры Электротехники и электрооборудования судов СПбГМТУ, 2012-2014г.

- Н-ой Всероссийской межотраслевой научно-технической конференции СПбГМТУ, 2013.

- Ш-ей Всероссийской межотраслевой научно-технической конференции СПбГМТУ, 2014.

- научно-техническом семинаре в Доме Учёных им. М. Горького Российской Академии наук, секция Электромагнитной совместимости в техно- и биосфере, СПбГМТУ, 2013.

ГЛАВА 1

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯ СИСТЕМ АВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

1.1. Анализ требований, предъявляемых к системам автономного электропитания с учетом обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС).

К современным системам электропитания, в составе различных технологий, предъявляется ряд требований, важнейшие из которых определяются статическими, динамическими и массогабаритными показателями. Кроме того системы должны удовлетворять требованиям электромагнитной и энергетической совместимости [2, 4, 24, 30].

В настоящее время происходит интенсивный рост числа электронной аппаратуры, функционирование которой сопровождается потреблением из сети импульсного тока и, как следствие, генерацией в сеть высших гармонических составляющих, способных вызвать повреждение электрооборудования или его неправильное функционирование. В связи с этим должны быть решены задачи:

- определение требований к качеству электроэнергии, используемой при работе различного рода потребителей;

- обеспечение этих требований при создании и эксплуатации устройств, систем и комплексов. [18, 29]

Определение требований к качеству электроэнергии осуществляется разработчиками аппаратуры и обуславливается точностью устройств. По мере усложнения задач, решаемых электронной аппаратурой, происходит повышение требований к ее точности, и следовательно, к качеству электроэнергии.

Для устройств автоматики и вычислительной техники эти требования сводятся в основном к стабильности напряжения питания в статических и динамических режимах.

Обеспечение требуемой стабильности напряжения питания производится за счет разработки соответствующих полупроводниковых преобразователей энергии. Повышение требований к стабильности напряжения приводит к усложнению схем преобразователей, что вызывает ухудшение массогабаритных, энергетических и других показателей.

Особо сложной и трудноразрешимой задачей является задача обеспечения стабильности напряжения в автономных подвижных объектах, где всегда имеют место же-

сткие ограничения на массогабаритные показатели оборудования.

Развитие современных технологий характеризуется широким распространением автономных объектов, способных решать различные производственные задачи при разнообразных условиях эксплуатации. Как правило, подобные объекты оснащаются автономными системами электроснабжения.

В зависимости от характера функциональных задач, решаемых автономными объектами, их системы электроснабжения содержат ряд источников вторичного электропитания (ИВЭП) соответствующих видов энергии.

Вследствие того, что технические устройства, реализующие производственные технологии, предъявляют определенные требования к качеству энергии, то соответствующие ИВЭП снабжаются соответствующими регуля торами и образуют вместе с ними замкнутые динамические системы.

Так как проектирование динамической системы производится при условии обеспечения номинальных значений энергетических координат, то отклонение последних при работе системы воспринимаются ею как возмущения, действующие на определенные элементы системы. Отклонение энергетических координат от номинальных значений в ряде случаев приводит к некоторому эквивалентному изменению динамических свойств системы.

Оба отмеченных фактора обуславливают изменение качества функционирования динамических систем и требуют разработки методов учета или устранения указанных явлений при проектировании подобных систем. Отклонение энергетических координат от номинальных значений в процессе работы технических устройств обусловлено ограничением по мощности соответствующих ИП. [24, 37]

Известно [24, 37], что повышение мощности ИП при прочих равных условиях практически всегда ведет к увеличению габаритов и массы соответствующего оборудования, повышению непроизводительных затрат энергии, (например увеличение потерь холостого хода) и следовательно, к ухудшению общего КПД энергооборудования. В силу указанных причин излишнее увеличение мощности ИП на автономных объектах и особенно на подвижных крайне нежелательно, поэтому мощность ИП автономных объектов на практике всегда ограничена и часто бывает соизмерима с мощностью приемников. Следствием ограниченности мощности ИП является зависимость значений их выходных координат от режима и характера работы нагрузки, которая, например, для ис-

точников электрической энергии определяется внутренним сопротивлением источника питания. В свою очередь характер и режимы работы приемников определяются режимами работы соответствующих динамических систем, в состав которых они входят.

Таким образом, при соизмеримости мощности ИП с мощностью приемников, с одной стороны, происходит влияние режимов работы динамических систем на характер изменений и значения выходных (энергетических) координат ИП, с другой стороны, следствием отклонений энергетических координат ИП от их номинальных значений является изменение (обычно ухудшение) качества функционирования динамических систем, получающих энергию от данного ИП.

Если от одного ИП получают энергию ряд динамических систем, то вследствие указанных факторов может возникнуть взаимное влияние между процессами в разных системах через общий ИП. Для устранения этого явления можно производить раздельное энергоснабжение различных систем от нескольких автономных ИП. Однако подобное решение проблемы в общем случае не всегда удовлетворительно, поскольку применение целого ряда автономных ИП одной и той же физической природы приводит к ухудшению массогабаритных и энергетических показателей качества электрооборудования.

Поэтому в настоящее время наиболее широкое распространение получили системы централизованного питания подвижных объектов, предполагающие использование одного общего ИП, от которого и получают энергию все системы подвижного объекта.

Так как в состав системы «ИП-ИВЭП-нагрузка», входят самые разнообразные технические устройства (ТУ) различные по своей физической природе и принципу действия, работа которых предполагает потребление энергии разных видов и номиналов, то системы энергоснабжения по необходимости должны содержать преобразующие устройства, обеспечивающие получение энергии требуемого рода и качества.

Таким образом, система централизованного энергоснабжения, кроме первичного источника питания (ИП), содержит ряд преобразователей энергии, снабженных регуляторами соответствующих выходных (энергетических) координат, являющихся по существу замкнутыми регулируемыми динамическими системами.

Поскольку число приемников электроэнергии обычно велико и они расположены некомпактно, то между ИП и нагрузкой необходимо организовать распределительную сеть, включающую в себя устройства передачи энергии, устройства коммутации каналов

ее передачи и ряд вспомогательных устройств (фильтры, ограничители, датчики контроля, индикации).

Таким образом, первичные ИП совместно с распределительной, коммутационной регулирующей аппаратурой и всеми преобразователями энергии, образуют систему электроснабжения (СЭС), от которой получают энергию все потребители.

Современное судно (корабль) с позиций системного анализа представляет собой сложную иерархическую структуру, состоящую из большого числа подсистем и комплексов, значительная часть которых характеризуется высокой степенью автоматизации.

К современным судовым системам автоматики и вычислительным комплексам предъявляется ряд требований, важнейшие из которых определяются статическими, динамическими и массогабаритными показателями. Кроме того, судовые системы должны удовлетворять требованиям ЭМС.

Радиоэлектронная аппаратура на большинстве судов и кораблей получает питание не от основной электростанции, а от специальных преобразователей электроэнергии. Основные причины такого технического решения две [23, 42, 47, 51].

Первая заключается в том, что параметры электроэнергии для питания радиоэлектронных систем отличаются от стандартных параметров силовой электрической сети.

Вторая причина состоит в том, что РЭА является нелинейным потребителем и поэтому искажает форму кривой напряжения. В процессе развития как микроэлектроники, так и силовой электроники несовместимость по цепям питания увеличивается. С одной стороны, миниатюризация электронных схем преобразования сигналов все более снижает уровень сигналов, делая схемы более критичными к качеству питания. С другой стороны, в силовой электронике ускоренно развиваются тиристорные и транзисторные преобразователи электроэнергии с высокочастотным преобразованием ее параметров.

Проблема снижения сложности и стоимости системы электропитания РЭА привела к увеличению числа потребителей, питающихся от одного вторичного щита с преобразователем. Появились индивидуальное и централизованное электропитание спецпотребителей [26 ].

Развитие систем электропитания РЭА идет, в основном, в двух направлениях: замена электромашинных преобразователей статическими и перевод на питание непосредственно от шин ГРЩ электростанции.

Результатом комплексной автоматизации корабельных электроэнергетических

систем стало появление на кораблях нового класса потребителей электроэнергии - комплексных систем управления (КСУ), что привело к созданию специальных систем централизованного электропитания СЦП [51, 52]. Произошло развитие СЦП от чисто защитно-распределительных систем до систем силовой электроники, предназначенных для реализации бесперебойного электропитания специфической электронной нагрузки. Отмеченное позволяет считать системы централизованного электропитания (СЦП) отдельной частью корабельной электротехнической системы (КЭТС) [51]. Корабельные СУ ЭЭС по существующей классификации относятся к классу систем управления функциональным комплексом технических средств автономных электроэнергетических систем.

Применение в корабельных ЭЭС существенно нелинейных нагрузок (например, электропривод) является одним из существенных факторов, влияющих на результаты работы измерительных цепей СУ ЭЭС.

Более 60% всей вырабатываемой в мире электрической энергии потребляется электрическими двигателями различных типов общепромышленного и судового назначения. Современные судовые системы, устройства и технологии требуют от электропривода повышенной точности движения, быстродействия, надежности, понижения вносимых системой «преобразователь-двигатель» искажений в сетевое напряжение.

Развитие электроники, создание новых полупроводниковых преобразователей сделали возможным решение поставленных выше задач. Использование нового поколения силовых полупроводниковых приборов типа 1GBT, GTO и др. в системах регулируемого электропривода позволяет улучшить массогабаритные показатели устройств управления и существенно повысить технико-экономические показатели электроприводов.

В настоящее время проявляется большой интерес к решению этих задач с помощью импульсного управления потоком электроэнергии на высокой частоте [14, 34, 49, 56].

Этим вопросам посвящен ряд работ отечественных и зарубежных авторов: Герман-Галкина С.Г., Глазенко Т.А., Джури Э., Дмитриева Б.Ф, Дмитрикова В.Ф., Ефимова A.A., Зиновьева Г.С., Кобзева A.B., Козярука А.Е., Лабунцова В.А., Липковского К.А., Михальченко Г.Я., Мыцыка Г.С., Пронина М. В., Розанова Ю.К., Томасов В. С., Харитонова С. А., Шрейнера Р.Т., Ясакова Г. С.

1.2. Принципы построения, структуры и элементная база полупроводниковых преобразователей для автономных систем электропитания

Низкое значение коэффициента мощности (порядка 0,65-0,7), низкое качество выходного напряжения [2,7] позволяет сделать вывод о необходимости применения новых схемных решений преобразователей частоты для АСЭ.

Современные полупроводниковые преобразователи частоты (ППЧ) на базе автономных инверторов напряжения (АИН) практически пе уступают по КПД непосредственным преобразователям частоты (НПЧ), при этом имеют более простую силовую схему, и в меньшей степени влияют на качество электроэнергии в судовой сети [14, 22].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Пьей Пьо Тун, 2014 год

ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ Р 54149-2010 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».

2. Алатырев М.С., Быков К.В. Гармонический состав потребляемого тока и коэффициент мощности выпрямителя на полностью управляемых полупроводниковых приборах // Электротехника. 2000, №4, С.23-28.

3. Андрей Колпаков. Инверторная платформа SEMIKUBE - вопросы выбора // Силовая электроника. 2009, № 1, С. 14-19.

4. Белов М.П., Новиков В.А., Рассудов Л.Н. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов. М.: ACADEMA, 2004, 574 с.

5. Борисов П. А., Томасов В. С. Определение составляющих полной мощности энергоподсистем электротехнических комплексов в пакете Matlab. - Exponenta Pro. Математика в применениях, 2004, №1, с. 40-44.

6. Брованов С. В. Реализация векторной ШИМ в трехфазном трехуровневом выпрямителе/ С. В. Брованов, С. А. Харитонов // Электротехника. -2008. -№6.

7. Галушин С.Я. Топологии корректоров коэффициента мощности в автономных системах электропитания // Морской Вестник, спец. Выпуск, №2 (125), 2013, с. 37-40.

8. Глазенко Т.А. Полупроводниковые преобразователи в электроприводах постоянного тока. Л.: Энергия, 1973. 303 с.

9. Джури Э. Импульсные системы автоматического регулирования. М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1963, 455с.

10. Дмитриев Б.Ф. Статические и энергетические характеристики инверсных преобразователей // Судостроение, 2001, №1, С.28-31.

11. Дмитриев Б.Ф. Анализ статических характеристик ступенчатого преобразователя напряжения // Электротехника. 2000, №12, С.26-30.

12. Дмитриев Б.Ф., Лихоманов A.M., Агунов A.B. Синтез управления качеством стабилизации и регулирования параметров электроэнергии. К.: Техническая электродинамика, 2000, с. 14-15.

13. Дмитриев Б.Ф. Анализ переходных и квазиуетановившихея процессов в ступенчатых преобразователях // Электричество. №8, 2001, С.50-56.

14. Дмитриев Б. Ф., В. М. Рябенький., А. И. Черевко, М. М. Музыка., П. В. Солуянов. Судовые полупроводниковые преобразователи: учебник. Издательство СПбГМТУ,

2011 г, 525 с.

15. Дмитриев Б. Ф., Ратников И. В., Лихоманов А.М., Розов А. Ю. Анализ и синтез гармонического состава выходного напряжения регуляторов переменного тока в автономных системах электропитания с импульсной нагрузкой // Морской Вестник, Спец. Выпуск №1(9), 2012, 1, с. 78-81.

16. Дмитриев Б. Ф., Калмыков А.Н., Галушин С.Я. Взаимосвязанный широтно-импульсный преобразователь в составе автономной системы электропитания // VII международная конференция по автоматизированному электроприводу, Иваново,

2012 г., с.295-299.

17. Дмитриев Б.Ф., Пьей Пьо Тун. Топологии силовой части многоуровневых преобразователей электрической энергии для судовых электроэнергетических систем // Морской Вестник,спец. Выпуск №2 (125), 2013, с.22-24.

18. Дмитриев Б.Ф., Пьей Пьо Тун. Математическое описание электромагнитных процессов в многоуровневых преобразователях для автономных систем электропитания // Морской Вестник, спец. выпуск, №2 (125), 2013, с.40-45.

19. Дмитриев Б.Ф., Пьей Пьо Тун, Писарев. А. 10. Структуры силовой части многоуровневых преобразователей электрической энергии для транспортных средств // Актуальные проблемы морской энергетики. Всероссийская межотраслевая НТК. Изд-во СПбГМТУ, 2013., с.216-221.

20. Дмитриков В.Ф., Дмитриев Б. Ф., Лившиц А.И., Шушпанов Д.В., Современное состояние систем электропитания на основе мембранных технологий водородной энергетики // Электросвязь, №9, 2010, с.20-25.

21. Дмитриков В.Ф., Дмитриев Б. Ф., Лившиц А.И. Разработка систем электропитания на основе водородных топливных элементов // Практическая силовая электроника, №42, 2011, с. 16-22.

22. Ефимов A.A., Шрейнер Р.Т. Активные преобразователи в регулируемых электроприводах переменного тока. Новоуральск: Издательство НГТН. 2001, 250с.

23. Заездный A.M. Гармонический синтез в радиосвязи и электротехнике. JL: Энергия, 1972, 527с.

24. Зиновьев Г.С. Электромагнитная совместимость устройств силовой электроники. Н.:НГУ, 1998, 32с.

25. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники: Учебник. -Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1999, 199с.

26. Злакоманов В.В., Яковлев B.C. Взаимодействие динамических систем с источниками энергии. М.: Энергия, 1980, 176 с.

27. Калашников Б.Е. Проблема «длинного кабеля» в электроприводах с IGBT-инверторами // Электротехника. №12, 2002, С.24-26.

28. Калмыков А.Н., Сеньков A.A., Дмитриев Б. Ф. Многоуровневые широтно-импульсные преобрзователи для судовых электроэнергетических систем // VI Международная конференция по автоматизированному электроприводу, Тула 2010, с.119-124, ч.З.

29. Кобзев A.B. Многозонная импульсная модуляция. Н.: Наука, 1979, 297с.

30. Ковчин С.А., Сабинин Ю.А. Теория электропривода. С.-Пб.: Энергоатомиздат, 2000, 495с.

31. Колпаков А. Алгоритмы управления многоуровневыми инверторами. «Силовая электроника», №2, 2009.

32. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М.: Наука, 1978, 831с.

33. Кумаков Ю.А. Инверторы напряжения со ступенчатой модуляцией и активной фильтрации высших гармоник // Новости электротехники. - 2005. №6. С.71-74.

34. Кумаков Ю.А. Импульсные регуляторы постоянного напряжения для питания многоуровневых инверторов // Новости электротехники. - 2006. №4. С.71-74.

35. Куо Б. Теория и проектирование цифровых систем управления. М.: Машиностроение, 1986, 447с.

36. Ланнэ A.A. Оптимальный синтез линейных электронных схем. М.: Связь, 1969. 239с.

37. Лихоманов A.M., Дмитриев Б.Ф. Частотный подход к решению обратных задач динамики. Линейные одномерные модели //Изв.вузов, Электромеханика, 1993, №4, С.51-60.

38. Лихоманов A.M., Дмитриев Б.Ф., Панин С.Ю., Писарев А.Ю. Синтез взаимосвязанных систем электропривода на основе частотного подхода к решению обратных задач динамики //Электричество, 1998, №11, С.44-52.

39. Лихоманов A.M., Дмитриев Б.Ф., Бизяев A.A., Бусько A.B. Синтез структуры и параметров сглаживающих фильтров для широтно-импульсных систем преобразования энергии//Электричество, 2005, №5, С.47-51.

40. Лихоманов A.M., Дмитриев Б.Ф. Синтез широтно-импульсного преобразователя с разветвлённой нагрузкой // Изв. вузов. Приборостроение, 2008, Т.51, №6. с. 24-30.

41. Лихоманов A.M., Дмитриев Б.Ф. Анализ и синтез гармонического состава выходного напряжения однофазных инверторов с импульсной нагрузкой // Электричество, №7, 2009, с.51-55.

42. Лихоманов A.M., Дмитриев Б.Ф., Бизяев A.A., Розов А.Ю. Анализ и синтез гармонического состава ключевого блока однофазных инверторов напряжения // Электричество. 2009. №7.с.56-61.

43. Лихоманов A.M., Дмитриев Б.Ф. Широтно-импульсный преобразователь в составе автономной системы электропитания и работе на разветвлённую нагрузку // Морской Вестник, №3 (35), 2010, с. 52-55.

44. Михальченко Г.Я. Семенов В.Д. Модуляционные ключевые преобразователи электрической энергии // Электричество, 1992, №10, С.24-28.

45. Михайлов О.П. Автоматизированный электропривод станков и промышленных роботов. М., Машиностроение, 1990, 302 с.

46. Михеев К. Е., Томасов В. С. Анализ энергетических показателей многоуровневых преобразователей систем электропривода. Научно-технический вестник НИУ ИТ-МО, 2002, Вып 1 (77), с.46-52.

47. Поздеева А.Д. Управляемые выпрямители в системах автоматического управления. М.: Энергоатомиздат, 1984, 352 с.

48. Пронин М. В., Воронцов А. Г. Силовые полностью управляемые полупроводниковые преобразователи (моделирование и расчёт). - СПб: Электросила, 2003, 172 с.

49. Розанов Ю.К., Рябчинский М.В., Кваснюк A.A. Силовая электроника. М.: Издательский дом МЭИ, 2007, 631с.

50. Розенвассер E.H. Теория цифрового управления в непрерывном времени. М.: Наука, 1994, 461с.

51. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. М.: ACADEMA, 2006, 264 с.

52. Харитонов С. А., Брованов С. В. Однофазный трехуровневый выпрямитель с улучшенным гармоническим спектром входного тока/ С. А. Харитонов, // Электротехника. -2006. -№ 10.

53. Цыпкин Я.З. Теория импульсных систем. М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1958, 724 с.

54. Чаплыгин Е.Е., Агудов А.Н., Московка A.A. Анализ инвертора напряжения, работающего на разветвленную сеть потребителей // Электротехника, 2000, №4, С.47-51.

55. Чаплыгин Е.Е. Микропроцессорное управление автономными инверторами с ШИМ // Электричество, 1999, №9, С. 18-24.

56. Чаплыгин Е.Е. Инверторы напряжения и их спектральные модели. М.: Издательство МЭИ, 2003, 63с.

57. Чаплыгин Е.Е. Анализ искажений выходного напряжения и сетевого тока матричного преобразователя частоты // Электричество, 2007, №11, С. 24-37.

58. Чиженко Н.М., Руденко B.C., Сенько В.Н. Основы преобразовательной техники. М.: Высшая школа, 1974, 429 с.

59. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. Екатеринбург: Изд-во УРО РАН, 2000, -654с.

60. Шрейнер Р.Т., Ефимов A.A. Активный фильтр как новый элемент энргосберегаю-щих систем электропривода // Электричество. 2003. №3. С.46-54.

61. Шрейнер Р.Т., Ефимов A.A., Калыгин А.Н. Математическое описание и алгоритмы ШИМ активных выпрямителей тока // Электротехника, 2000, №10, С.42-49.

62. Ясаков Г. С. Теория режимов и автоматизация корабельных электроэнергетических систем. ч.1 Учебное пособие. СПб.: BMA, 2004г. -390с.

63. Ясаков Г. С., Рамадан А., Томилин С. А. Состояние и перспективы развития регулируемого электропривода в корабельных электроэнергетических системах. Межотраслевая научно-практическая конференция. "ВОКОР-2006".

64. Espinoza Jose R. Inverters Power electronics: Handbook. / Ed. H. Rashid Muhammad. USA: Academic Press, 2001.

65. Hengchum Mao, Fred C. Y. Lee, Dushan Borogevich and Silva Hiti. Review of HighPerformance Three-Phase Power-Factor Correction Circuits. // IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 44, No 4, August, 1997, pp. 437-446.

66. Holmes D.G., Lipo T.A. Pulse Width Modulation for Power Converters, Principles and Practice // IEEE Press Series on Power Engineering, 1, Auflage, October 2003.

67. John Prentice. High Current Logic Level MOSFET Driver. //Intersil, №4, AN9301, 1999.

68. Lamp J. IGBT Peak Voltage Measurement and Snubber Capacitor Specification. Application Note AN-7006, SEMIKRON.

69. Power Electronics Converters, application and design. //Mohan Ned, Underland Tore M., Pollins William, New York, 1995.

70. Power Supply (Product Handbook, 1996-1997). //Computer products, Power Conversion, 1996.

71. Rashid M.H. Power Electronics (Circuits, Devices, and Applications. Second edition). Prentice Hall. New Jersey, 1991.

72. Semikron application manual. http://www.semikron.com/internet/index.jsp?sekld=13 (referenced 14.9.2005)

73. Shin-Liang and Ying-Yu Tzon. Discrete Sliding-Mode Control of a PWM Inverter for Sinusoidal Output Waveform Synthesis with Optimal Sliding Curve /IEEE Trans, on Power Electronics. 1996. vol. 11, No4. p. 567-577.

74. Sprenger M., Alvarez R., Staudt 1., Bernet S. Characterization of a new 1.2kV IGBT 3L-NPC Phase-leg module for low voltage applications // EPE.2011.

75. Staudt I., Wintrich A., Haddad K., Cardi V. Numerical loss calculation and simulation tool for 3L NPC converter design // PCIM Nuremberg, 2011.

76. Behzad Vafakhah, Multilevel Space Vector PWM for Multilevel Coupled Inductor Inverters, Edmonton, Alberta 2010.

77. T. Bruckner, The Active NPC Converter for Medium Voltage Drives, Verlag Shaker, 2006.

78. S. Bernet and R. Teichmann, A. Zuckerberger, and P. Steimer, "Comparison of high power IGBTs and hard driven GTOs for high power inverters," in Proc. Conf. Ree. IEEEAPEC, 1998, pp. 711-718.

79. N. Celanovic, Space Vector Modulation and Control of Multilevel Converter, Blacksburg, Virginia, 2000.

80. L. Li, D. Czarkowskj, Y. Liu, and P. Pillay, "Multilevel Space Vector PWM Technique Based on Phase-Shift Harmonic Suppression," IEEE/APEC, 2000, pp. 535-541.

81. J. P. Felix, Modulation and Control of three-phase PWM Multilevel Converters, Technical University of Catalonia, Spain, 2002.

82. S. S. Fazel, D. Krug, T. Taleb, and S. Bernet, "Comparison of Power Semiconductor Utilization, Losses and Harmonic Spectrum of State-of-the-Art 4.16kV Multi-Level Voltage Source Converters," in EPE Conf. Rec., Dresden, Germany, 2005.

83. S. S. Fazel, S. Bernet, D. Krug, and K. Jalili, "Design and comparison of 4kV Neutral Point Clamped, Flying Capacitor and Series Connected H-Bridge Multi-Level Converters," the paper is accepted at the IEEE Trans, on Industrial Applications, (July/August 2007).

84. R. Lund, M. D. Manjrekar, P. Steimer, and T. A. Lipo, "Control Strategies for a Hybrid Seven-level Inverter," in Proc. of EPE'99, Lausanne, Switzerland.

85. D. W. Kang and D. S. Hyun, "Simple harmonic analysis method for multi-carrier PWM techniques using output phase voltage in multi-level inverter," IEE Proc. Electric Power Applications, March 2005, vol. 152, no.2, pp. 157-165.

86. D. Krug, M. Malinowski, S. Bernet, "Design and Comparison of Medium Voltage Multilevel Converters for Industry Applications," in Conf. Rec. IEEE-IAS Annu. Meeting, 2004, vol. 2, pp. 781-790.

87. Y. Liang and C. O. Nwankpa, "A Power-Line Conditioner Based on Flying-Capacitor Multilevel Voltage-Source Converter with Phase-Shift SPWM," IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2000, vol.36, no.4, pp. 965-971.

88. K. Matuskawa, K. Yoshida, and S. Kaku, "Multilevel Pulse Width Modulation Sinusoidal Inverter with Modulation Switching and Carrier Frequency Modulation," Electronics and Communication Conf., Japan, 1997, vol. 80, no.2, pp.35-43.

89. M. Marchesoni and M. Mazzucchelli, "Multilevel converters for high power AC drives: A review," in Proc. IEEE International Symposium Industry Electronics (ISIE'93), Budapest, Hungary, 1993, pp. 38-43.

90. B. P. McGrath, Topologically Independent Modulation of Multilevel Inverters, Monash University Australia, 2002.