2015_zinoviev

Министерство образования и науки Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Г.С. ЗИНОВЬЕВ, П.В. КОЗЛОВ, Н.Н. ЛОПАТКИН

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ УСТРОЙСТВ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Часть 7 СИЛОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия с совмещенным методическим руководством к практическим занятиям для магистрантов

V курса РЭФ, направление 210100 «Электроника

и наноэлектроника», программа подготовки «Промышленная электроника и микропроцессорная техника» дневного отделения

НОВОСИБИРСК

2015

1

УДК 621. 314.222.6(075.8)

З-635

Рецензенты:

д-р техн. наук, профессор В.З. Манусов канд. техн. наук, профессор Е.А. Подъяков

Зиновьев Г.С.

З-635 Электромагнитная совместимость устройств силовой электроники. Часть 7. Силовые электронные трансформаторы: учебное пособие / Г.С. Зиновьев, П.В. Козлов, Н.Н. Лопаткин. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2015. – 63 с.

ISBN 978-5-7782-2832-0

Данное руководство является продолжением (седьмой частью) запланированной серии методических руководств для практических занятий по курсу «Электромагнитная совместимость устройств силовой электроники», предназначенных для магистрантов специальности «промышленная электроника». Во-первых, оно является учебным пособием, дополняя учебник «Основы силовой электроники», по одному новому и важному классу преобразовательных устройств, а именно силовым электронным трансформаторам. Во-вторых, данное руководство используется и как методическое пособие для практических занятий по курсу «ЭМС устройств силовой электроники» применительно к анализу указанных новых устройств.

Работа выполнена по гранту МОН РФ, проект 8.1327.2014/K Работа выполнена на кафедре электроники и электротехники

2

ВВЕДЕНИЕ

Данное руководство является продолжением (седьмой частью) запланированной серии методических руководств для практических занятий по курсу «Электромагнитная совместимость устройств силовой электроники», предназначенных для магистрантов специальности «Промышленная электроника» [1–6]. Его особенностью, как и частей [4–6] является комбинированный характер материала.

Во-первых, оно является учебным пособием, дополняя учебник «Основы силовой электроники», по одному новому и важному классу преобразовательных устройств, а именно силовым электронным трансформаторам. Во-вторых, данное руководство используется и как методическое пособие для практических занятий по курсу «ЭМС устройств силовой электроники» применительно к анализу указанных новых устройств.

Повышенное внимание к силовым электронным трансформаторам обусловлено следующими обстоятельствами. Эти трансформаторы характеризуются новыми качествами: высокой динамикой, малыми массой и габаритами, регулируемым коэффициентом преобразования по напряжению, синусоидальными входными и выходными токами, возможностью кондиционировать качество преобразуемой энергии.

Согласование параметров электрической энергии с параметрами потребителя путем ее регулирования и кондиционирования обеспечит значительное сохранение электроэнергии, повышение эффективности ее использования, щадящие режимы работы потребителя и увеличение его срока службы, повышение качества продукции, выпускаемой потребителем электроэнергии.

Поэтому очевидна задача создания отрасли силовой электроники, связанной с разработкой и производством нового массового класса преобразователей электроэнергии – силовых электронных трансформаторов.

Наметились три области, требующих применения силовых электронных трансформаторов. Это новое поколение электровозов постоянного тока высокого напряжения, требующих разработки семейства

3

трансформаторов постоянного тока. Это распределительные сети энергосистем и интеллектуальные (часто автономные) сети систем распределенной генерации электрической энергии (солнечная и ветровая энергетики). Это бестрансформаторные (50 Гц) электровозы переменного тока с входным AC/DC электронным трансформатором также с промежуточным звеном повышенной частоты.

Данное пособие на основании обзора и наших собственных работ знакомит с новыми концепциями построения и схемами силовых электронных трансформаторов. Краткое введение в проблему и обзор результатов на пути кафедры ЭЭ НГТУ к силовым электронным трансформаторам содержит работа [7]. В основе первого раздела лежат исследования [8–15], второго раздела – материалы доклада [16], третий раздел основан на материалах доклада [17], четвертый раздел содержит обобщение аналитической теории прямых методов расчета [18, 19] и материалы заявки [20].

Доктор технических наук, профессор Зиновьев Г.С.

4

1. ЭЛЕКТРОННЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

1.1. СХЕМЫ НА БАЗЕ ГИРЛЯНДЫ АКТИВНЫХ ТРАНЗИСТОРНЫХ LC ЯЧЕЕК

В этом параграфе сделано рассмотрение разработанных нами новых схем трансформаторов постоянного тока на базе двух концепций их синтеза. Обе концепции относятся к построению DC-DC конверторов с двунаправленной передачей мощности.

Первая концепция получения новых схем повышающе-понижаю- щих преобразователей постоянного напряжения базируется на комбинации гирлянд активных транзисторных LC ячеек. Первая наша схема из двух однотактных модулей DC-DC конвертора с мягкой коммутацией с коэффициентом преобразования 4 [8] показана на рис. 1.1.

Большое количество конденсаторов и транзисторов обусловлено тем, что обе наружные последовательные цепочки конденсаторов выполняют только функции зарядных элементов, а внутренние последовательные цепочки конденсаторов, связанные с нагрузкой, выполняют функции резонансно-разрядных элементов.

Возможно построение трех-, четырех- и более тактных схем преобразователей, что будет сопровождаться улучшением качества входной

ивыходной энергии, но и пропорционально увеличит число всех элементов схемы.

Другой путь улучшения схемы связан с созданием возможности построения схемы, в которой поочередно выполняются функции цепочек зарядных и резонансных конденсаторов в одних и тех же конденсаторах, как показано на рис. 1.2 [9] и диаграммах ее напряжений

итоков, как показано на рис. 1.3.

Устройство работает в два этапа. На первом этапе отпирающие импульсы U1 с частотой 10 кГц открывают транзисторы 10. Ток iкл ,

фиг. 3, протекает через открытые транзисторы, ограниченный индуктивностями резонансных реакторов 5, заряжая конденсаторы 6. Таким

5

Рис. 1.2. Двухтактная одномодульная схема понижающего DC-DC преобразователя

7

Четырехъячейковая схема имеет жесткую внешнюю характеристику и около 4 % потерь мощности в элементах схемы. Но с увеличением количества ячеек более четырех начинается заметное снижение КПД конвертора, поэтому при сегодняшних транзисторах с предельным напряжением 6,5 кВ и запасом по напряжению в два раза достижимое предельное соотношение напряжений вход-выход будет 12 кВ/3 кВ.

Большими возможностями обладают схемы преобразователей постоянного тока на основе ячеек умножителей напряжения.

1.2. СХЕМЫ НА БАЗЕ ЯЧЕЕК УМНОЖИТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ

На рис. 1.4 показаны схемы двунаправленного понижающего DC-DC конвертора с мягкой коммутацией для а) одно- и б) двухтактного конверторов с коэффициентом преобразования, равным семи.

Рис. 1.4. Однотактный и двухтактный преобразователи постоянного напряжения на базе ячеек умножения напряжения

9

Однотактный и двухтактный преобразователи постоянного напряжения синтезированы на базе известного однонаправленного повышающего DC-DC конвертора вида лестницы, состоящей из гирлянды ди- одно-конденсаторных ячеек, подобных умножителю напряжения Ко- крофт–Уолта [24]. Добавление к диодам цепочки встречно-параллель- но включенных транзисторов позволяет использовать получившийся конвертор для целей двухстороннего согласования высокого уровня напряжения контактной сети (здесь 24 кВ) с принятым уровнем 3…3,5 кВ бортовой сети электровоза. Здесь также возможно увеличить число тактов работы преобразователя за счет соответствующего объединения однотактных ячеек.

На рис. 1.5 представлена схема предлагаемого [10] многолистового (реализующего многотактный режим) высоковольтного преобразователя постоянного напряжения, иллюстрируемая конкретным примером для трехтактного режима преобразователя, а на рис. 1.6 – временные диаграммы напряжений и токов, поясняющие принцип работы преобразователя постоянного напряжения с коэффициентом преобразования по напряжению, равным семи.

Предлагаемый высоковольтный преобразователь постоянного напряжения содержит основной конденсаторный делитель КД 1 из последовательно соединенных семи конденсаторов 2, являющийся общей связкой в общем случае для всех L – листов преобразования, а в конкретном случае на рисунке для трех листов 3, 4, 5 (Л1, Л2, Л3) преобразователя, основной диодно-транзисторный делитель ДТ 6 из последовательно соединенных четырнадцати диодов 7, шунтированных встречно-параллельными транзисторами 8, основной реакторно-кон- денсаторный делитель РК 9 из последовательно соединенных шести ветвей с последовательно включенными реакторами 10 и конденсаторами 11 в каждой ветви, также содержит в листах 2 и 3 два дополнительных диодно-транзисторных делителя ДТ 6 из последовательно соединенных четырнадцати диодов 7, шунтированных встречно-парал- лельными дополнительными транзисторами 8, также содержит в листах 2 и 3 два дополнительных реакторно-конденсаторных делителя РК из последовательно соединенных реакторов 10 и конденсаторов 11, а также дополнительные в каждом листе преобразователя конденсаторы 12, соединенные параллельно двум оконечным диодам дополнительной диодно-транзисторной цепочки ДТ 6, при этом зажимы указанных дополнительных конденсаторов, соединенные с анодами

10