Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) Кафедра Промышленной электроники (ПрЭ) ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ РЕЗОНАНСНЫМ ВЫСОКОЧАСТОТНЫМ ИНВЕРТОРОМ (РВИ) Отчет о выполнении групповогопроектного обучения (ГПО) Исследование преобразователей параметров электрической энергии с повышенными энергетическими показателями (ПрЭ-2205) Ответственный исполнитель проекта студент гр. К. М. Михлеев « » 2023 Проверил: Руководитель проекта Канд. техн. наук, ст. н. сотр., проф. каф. ПрЭ Н.С. Легостаев оценка « » 2023 Принял: Ответственный за ГПО на кафедре техник, 1 категории, ассистент каф. ПрЭ А.И.Михальченко « » 2023 Томск 2023 Исследование преобразователей параметров электрической энергии с повышенными энергетическими показателями (ПрЭ-2205): Студент гр.360-1 Н.А Подорожный ВВЕДЕНИЕ В наше время всё еще актуальна проблема обеспечения качества, оптимизация и снижение затрат в области энергоснабжения это затрагивает многие отрасли, но в особенности промышленность. Появляется всё больше и больше современных электронных устройств, количество потребителей растет, но производство электроэнергии развивается не так стремительно. Таким образом появляется дефицит данного типа энергии что ведёт к увеличению стоимости. Показатели качества энергоснабжения зависят не только от источников электроэнергии, а также и от всех ее потребителей. При передаче электроэнергии по сети и ее дальнейшем распределение происходит потребление реактивной, нелинейной или импульсного характера энергии, токи в сети принимают несинусоидальный вид. Что приводит к созданию магнитных полей, увеличению высших гармонических составляющих тока, и как следствие приводит к нежелательному росту реактивной мощности и мощности искажений, также может создаваться дополнительная нагрузка, как в элементах энергосистемы, так и в нагрузке. Преобразование электрической энергии можно охарактеризовать коэффициентом мощности. Он определяется как отношение активной мощности к полной мощности. Если в сети будет отсутствовать потребление реактивной энергии, то коэффициент мощности должен быть близок к единице. Это может случиться только в том случае, если ток совпадет по фазе и форме с напряжением в сети. Если значение коэффициента мощности будет больше 0.95, то это значит, что влияние потребителя на питающую сеть незначительно. Одним из методов повышения качества электроэнергии является применение DC-DC преобразователя с ШИМ-модуляцией. Модулятор управляет мощным ключом, который преобразует постоянное или выпрямленное сетевое напряжение в последовательность импульсов, после выпрямления которых на выходе получают постоянное напряжение. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ 1 ПОНЯТИЕ КОРРЕКЦИИ КОЭФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ Коррекция коэффициента мощности — это метод, используемый для повышения эффективности электрических систем, использующих энергию переменного тока. Когда переменный ток протекает через электрическую систему, он генерирует как активную мощность (которая используется для выполнения работы), так и реактивную мощность (которая не выполняет никакой работы, а вызывает колебания тока между источником и нагрузкой). Реактивная мощность может привести к неэффективности системы, например, к увеличению потребления энергии и снижению качества электроэнергии. Коррекция коэффициента мощности достигается за счет добавления в электрическую систему устройств компенсации реактивной мощности, что помогает уменьшить количество генерируемой реактивной мощности и улучшить коэффициент мощности системы. Это может иметь ряд преимуществ для системы, в том числе: 1. Улучшенная энергоэффективность: за счет уменьшения количества генерируемой реактивной мощности коррекция коэффициента мощности может помочь снизить общее энергопотребление системы. Это может привести к снижению счетов за электроэнергию и уменьшению углеродного следа. 2. Пониженное падение напряжения: когда в электрической системе генерируется реактивная мощность, это может вызвать падение напряжения, которое может повлиять на работу подключенного оборудования. Коррекция коэффициента мощности может помочь уменьшить падение напряжения и повысить общую стабильность и надежность системы. 3. Повышенная мощность: за счет уменьшения количества генерируемой реактивной мощности коррекция коэффициента мощности может помочь увеличить доступную мощность системы. Это может позволить подключить к системе больше оборудования и улучшить общую производительность системы. Коррекция коэффициента мощности особенно важна в системах, использующих двигатели, например, в промышленных приложениях или в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Двигатели могут генерировать большое количество реактивной мощности, что может привести к неэффективности и снижению производительности, если они не будут должным образом компенсированы. Внедрив коррекцию коэффициента мощности, эти системы можно сделать более эффективными и надежными, что приведет к экономии средств и повышению производительности. 2 Трехпортовый последовательный резонансный преобразователь постоянного тока в постоянный Предлагаемая топология представлена на рисунке.1 и содержит три порта преобразователя, расположенные вокруг одного общего трансформатора. Полумост на стороне PFC и емкостной делитель напряжения вместе с полумостом на стороне ВН и емкостным делителем напряжения работают как последовательно-резонансный преобразователь (SRC), при этом индуктивность рассеяния трансформатора в сочетании с два емкостных делителя напряжения образуют необходимый резонансный бак. Третий порт, подключенный к шине низкого напряжения, содержит два индуктора, которые можно активно подключать/отключать к/от третьей обмотки трансформатора с помощью четырех переключателей Схема приведена на рисунке 3.1. Рисунок 3.1 –схема преобразователя постоянного напряжения с промежуточным РВИ SRC работает только в CM, где большая часть мощности течет с выхода выпрямителя PFC в высоковольтную батарею и только часть мощности течет с выхода выпрямителя PFC на шину LV. Следовательно, в этом режиме преобразователь большую часть времени работает на полной мощности, поэтому преобразователь должен быть спроектирован таким образом, чтобы передача мощности с выхода выпрямителя PFC на сторону ВН была максимально эффективной. Одной из наиболее эффективных топологий для таких приложений является так называемый преобразователь постоянного тока, следовательно, SRC, который работает с фиксированной частотой переключения близка к резонансной частоте, что приводит к фиксированному коэффициенту передачи напряжения, который определяется числом витков трансформатора. Следовательно, все токи имеют синусоидальную форму, благодаря чему сводятся к минимуму как потери высокочастотной (ВЧ) проводимости, так и усилия по фильтрации электромагнитных помех. Единственным недостатком данной топологии является фиксированный коэффициент передачи напряжения, что неизбежно приводит к необходимости переменного входного напряжения преобразователя, которое приходится адаптировать в соответствии с требуемым выходным напряжением. 5 МОДЕЛИРОВАНИЕ На рисунке 5.1 представлена схема Трехпортового последовательного резонансного преобразователя постоянного тока в постоянный, собранная в среде LTspice Рисунок 5.1 – схема преобразователя постоянного напряжения с промежуточным РВИ, собранная в среде LTspice На рисунке 5.2 представлена схема синхронного выпрямителя, собранная в среде LTspice Рисунок 5.1 – схема синхронного выпрямителя, собранная в среде LTspice Были получены следующие результаты моделирования: Рисунок 5.2 – выходное напряжение Рисунок 5.3 – токи в колебательном контуре Рисунок 5.4 – напряжение на выходе инвертора ЗАКЛЮЧЕНИЕ Анализируя в целом приведенные выше материалы по устройству и принципу действия активных выпрямителей, можно сделать следующие выводы. Несмотря на некоторое усложнение силовой схемы и СУ (по сравнению с тиристорными преобразователями), применение активных преобразователей позволяет улучшить электромагнитную совместимость полупроводниковых преобразователей с питающей сетью и использовать для их построения уже отработанные схемотехнические решения и современную элементную базу. преобразователей Усложнение не разрабатываемые столь управляющей существенно, системы если полупроводниковых части учесть, активных что вновь преобразователей электрической энергии, как правило, создаются с системами прямого микропроцессорного алгоритмов программного управления, управления в достигается обеспечения. которых за сложность счет Проанализирована реализации усложнения новая только топология трехпортового преобразователя постоянного тока. Топология включает комбинацию последовательного резонансного преобразователя (SRC), который соединяет конденсатор звена постоянного тока вышестоящего выпрямителя PFC с высоковольтной (ВН) батареей, и модифицированного фазосдвинутого полного мостового преобразователя (MPSFB)., который соединяет вышеупомянутую высоковольтную батарею со вспомогательной низковольтной (LV) батареей. Обе подсистемы управляются синергетически, поскольку они используют общий сердечник трансформатора, благодаря чему MPSFB может использоваться для обеспечения переключения при нулевом напряжении (ZVS) и абсолютно синхронных коммутационных переходов PFC- и полумостов со стороны высокого напряжения в СРЦ. СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Булатов О. Г., Царенко А. И. Преобразователь постоянного напряжения на базе последовательного инвертора. / В кн. «Регуляторы и стабилизаторы тока». Киев: Наукова думка. 1977. 2. Белов Г. А. Анализ с тиристорным преобразователей резонансным полупроводниковых приборов постоянного инвертором. / напряжения В кн. «Применение в преобразовательной технике». Чебоксары. 1976. 3. Ильин В. Ф. К расчету с тиристорным элементов резонансным полупроводниковых приборов преобразователя инвертором. / напряжения В кн. «Применение в преобразовательной технике». Чебоксары. 1976. 4. Барегамян Г. В., Мовсесян В. М., Петросян Н. Н. Выбор параметров резонансного контура в ИВЭП с резонансным инвертором. / В кн. «Высокоэффективные источники и системы вторичного электропитания РЭА». М.: МДНТП им. Ф. Э. Дзержинского. 1989. 5. Барегамян Г. В., Мовсесян В. М., Петросян Н. Н., Арутюнян А. Ш. Машинное проектирование источников вторичного электропитания на основе статических резонансных преобразователей // Изв. НАН РА и ГИУА. Сер. ТН. 1998. Т. 51. № 3.
