1

МИНИСТЕРСТВО НА ОБРАЗОВАНИЕТО, МЛАДЕЖТА И НАУКАТА

ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ – СОФИЯ

ФАКУЛТЕТ ПО ЕЛЕКТРОННА ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ

КАТЕДРА “СИЛОВА ЕЛЕКТРОНИКА”

маг. инж. Христо Михайлов Анчев

ИЗСЛЕДВАНЕ НА СИСТЕМИ ОТ СИЛОВИ ЕЛЕКТРОННИ ПРЕОБРАЗУВАТЕЛИ С ОБЩО

ИЗХОДНО ПОСТОЯННО НАПРЕЖЕНИЕ

АВТОРЕФЕРАТ НА ДИСЕРТАЦИЯ

представена за придобиване на образователна и научна степен

“Доктор ”

научна област 5.2.Електротехника, електроника и автоматика

научна специалност Индустриална електроника

София 2012

2

Дисертационният труд е обсъден на заседание на катедрения съвет на катедра “Силова електроника” при Технически Университет – София в разширен състав, състояло се на 30.01.2012 г. и завършило с положително решение за готовността за защита. Научното жури и датата на защита са определени със заповед на Ректора на Технически Университет – София ОП-53/14.02.2012 г.

Всички изследвания са направени от автора в катедра “Силова

електроника” при Технически Университет – София в периода 2009 – 2012 г. Те бяха подпомогнати от научно-изследователски проект в помощ на докторанти на тема „ Изследване на DC/DC преобразуватели с общо изходно постоянно напрежение“ - 102ПД211-3 на Научно – изследователски сектор при Технически Университет - София в периода 2010-2011 г. Авторът маг. инж. Христо Михайлов Анчев е редовен докторант в катедра “Силова електроника” на Технически Университет – София. Официалната защита на дисертационния труд ще се състои на11.06.2012 г. от 10:00 ч.в зала 1434 на Технически Университет – София. Материалите по защитата се намират в канцеларията на Факултет по електронна техника и технологии - каб.1332, блок 1 на Технически Университет – София и са публикувани на Интернет-страницата на Технически Университет – София. Рецензенти: 1.проф. д-р инж. Стефан Евтимов Табаков 2.проф. д.т.н. инж. Минчо Савов Минчев Автор: маг. инж. Христо Михайлов Анчев Заглавие: “Изследване на системи от силови електронни преобразуватели с общо изходно постоянно напрежение” Тираж: 50 Издателство на Технически Университет – София

3

ВЪВЕДЕНИЕ Използването на преобразуватели на електрическа енергия с общо

изходно постоянно напрежение е свързано с две основни области на приложение: 1.осигуряване на непрекъсваемо или резервно захранване на постояннотокови или променливотокови консуматори. 2. преобразуване на енергия от възобновяеми източници и разпределено генериране на електроенергия. Изследванията се провеждат основно в следните направления:

- анализ и изследване на конкретни силови схеми за конкретни приложения. Търсят се подходящи решения на силовата част, свързани с особеностите на източника и товара.

- анализ и изследване на алгоритмите за управление на преобразувателите. Търсят се подходящи методи за регулиране с цел осигуряване на най-добри статични и динамични свойства на системата от преобразуватели.

Системите от преобразуватели на постоянно в постоянно напрежение, освен в известните приложения като специализирани захранващи източници, се използват и в случаи, когато се изисква съгласуване на определени параметри на постояннотоковото захранване с тези на консуматорите. Системите от преобразуватели на променливо в постоянно напрежение се изследват от гледна точка възможности за повишаване на мощността, при постигане на по-добри енергийни показатели по отношение на захранващата мрежа – фактор на мощност, хармоничен състав на тока от мрежата, ниво на радиосмущения. ПЪРВА ГЛАВА. ОСНОВНИ НАСОКИ ПРИ ИЗСЛЕДВАНЕ

НА СИСТЕМИ ОТ СИЛОВИ ЕЛЕКТРОННИ ПРЕОБРАЗУВАТЕЛИ С ОБЩО ИЗХОДНО НАПРЕЖЕНИЕ

Известно е, че за преобразувателите с постояннотоков изход паралелната работа се осигурява значително по-просто, отколкото за преобразувателите с променливотоков изход, тъй като това е свързано с регулирането на един (по-рядко на два) параметъра - на стойността на изходното напрежение (а при необходимост и на изходния ток). В общия случай може да се отделят следните начини на паралелна работа :

а) работа върху общи шини с произволно распределение на мощността между отделните преобразуватели при условие, че мощността на товара не превишава номиналната мощност на отделния преобразувател (понякога този начин се нарича не „паралелна”, а „съвместна” работа);

б) работа върху общи шини с разпределение на мощността на товара пропорционално на номиналната мощност на всеки от отделните преобразуватели. В случай, че отделните преобразуватели имат равни номинални мощности, разпределението на товара между тях ще е равномерно;

4

в) работа върху общи шини с произволно разпределение на мощностите между тях, но с ограничение натоварването на всеки отделен преобразувател в зависимост от неговата конкретна максимална мощност или максимално-допустимо претоварване.

1.1. ОСНОВНИ НАСОКИ ПРИ ИЗСЛЕДВАНЕ НА DC/DC ПРЕОБРАЗУВАТЕЛИ С ОБЩО ИЗХОДНО НАПРЕЖЕНИЕ Съвременните изследванията на DC/DC преобразуватели с общо

изходно постоянно напрежение могат да се систематизират в четири основни групи:

1. Изследвания на паралелното свързване на DC/DC преобразуватели при различни алгоритми на управление с цел подобряване на някои от показателите им – например пулсации на изходното напрежение.

2. Изследания на различни алгоритми за управление на паралелно работещи преобразуватели, като целта е изравняване на натоварването им по отношение на изходните токове.

3. Изследвания на системи от преобразуватели на постоянно в постоянно напрежение с приложение при преобразуване на енергия от възобновяеми източници, като основно внимание е отделено на съгласуването на характеристиките им с тези на останалите елементи – фотоволтаични модули, горивни клетки.

4. Изследвания на динамичните свойства и преходните процеси при различни смущаващи въздействия за система от преобразуватели на постоянно в постоянно напрежение.

По всяка от тези групи в дисертационния труд са описани конкретни литературни източници с най-характерните особености на съответното решение. Изследванията по първата основна група се развиват заедно с търсенето на нови схеми на преобразуватели с подобрени показатели, както и на такива за конкретни приложения, като многовходови преобразуватели. Цел на изследванията е да се намерят варианти с намалени пулсации на входния ток и изходното напрежение, както и с намалени изисквания към силовите прибори по напрежение и ток. Изследванията по втората основна група в последно време предимно са съсредоточени върху паралелното свързване по отношение на изходите на няколко еднотипни преобразуватели с еднакви по стойност номинални токове. Трябва да се отбележи, че публикуваните работи в тази основна група са значително повече, отколкото в останалите групи. Към третата основна група са включени изследвания, които са насочени към съгласуване характеристиките на преобразувателите с изискванията на елемент за съхранение на енергията – акумулаторна батерия или ултракондензатор.Тук са причислени и публикации, свързани с преобразуване на енергия от възобновяем източник – най-често фотоволтаичен модул или горивна клетка. Изследванията по четвъртата основна група са свързани със съществуването в практиката на

5

постояннотокови консуматори, които са чувствителни към резки промени в захранващото им напрежение, а работата им е свързана с резки изменения на консумирания от тях ток – например аудиоапаратура, постояннотокови електродвигатели, използвани в транспортни средства. Публикуваните в тази група работи са сравнително най-малко. Изследват се и различни методи на управление на един или паралелно работещи преобразуватели, като следящо управление (sliding mode control), управление с предсказване (predictive control), управление на базата на Фъзи логика (Fuzy-logic) и др. с цел постигане на добри динамични свойства на преобразувателите или системите от преобразуватели. Съществуват изследвания, включващи проблеми от няколко от определените четири основни групи. Тяхната особеност е в това, че са насочени конкретно към електрозахранване на базата на постояннотокова шина на определен вид консуматори.

1.2. ОСНОВНИ НАСОКИ ПРИ ИЗСЛЕДВАНЕ НА AC/DC ПРЕОБРАЗУВАТЕЛИ С ОБЩО ИЗХОДНО НАПРЕЖЕНИЕ Към този вид преобразуватели спадат управляемите тиристорни

токоизправители, както и токоизправителите с широчинно-импулсна модулация. Направеното проучване на литературните източници обаче показва, че през последните 10-15 години липсват изследвания върху паралелно или последователно свързване по отношение на изходите на такъв тип преобразуватели. Имайки предвид това, вниманието в настоящата част е съсредоточено върху бързо развиващите се в последно време AC/DC преобразуватели с активна корекция на фактора на мощност (active power factor correction – PFC). Те се развиват при следене на максимална, ефективна или средна стойност на тока в режим на непрекъснат или прекъснат ток през индуктивността, и работа с постоянна или променлива честота. Основното схемно решение, което се е наложило в практиката за паралелна работа, е паралелното свързване на силовите схеми на повишаващи преобразуватели за корекция на фактора на мощност, управлявани с дефазиране (interleaving). Освен получилата най-широко разпространение схема на повишаващ преобразувател, се изследват и други варианти, като например SEPIC преобразувател и негов модифициран вариант. Изследват се и други варианти, като използване на резонансен инвертор в комбинация със схема за пасивна корекция на фактора на мощност. Подробни сведения за конкретни решения се дават в дисертационния труд.

1.3. ОСНОВНИ ИЗВОДИ ПО ПЪРВА ГЛАВА На базата на изложеното в части 1.1 и 1.2 могат да се направят следните основни изводи: 1. По отношение на DC/DC преобразуватели с общо изходно напрежение: - проблемите, свързани с подобряване на показателите по отношение на

изхода – пулсации и коефициент на стабилизация, както и с начините

6

за регулиране на разпределението на изходните токове на отделните преобразуватели, са намерили различни решения. Те са доста пълно отразени в литературните източници.

- сравнително по-слабо са изследвани въпросите за показателите на паралелно свързани по отношение на входа и изхода преобразуватели по отношение източника на постояннотокова енергия;

- най–малък брой публикации са посветени на динамичните свойства на паралелно свързани по отношение на изхода преобразуватели.

2. По отношение на AC/DC преобразуватели с корекция на фактора на мощност и общо изходно напрежение:

- основно вниманието е насочено към системи за регулиране с цел изравняване на изходните токове при еднотипни преобразуватели с еднакъв или с различен номинален изходен ток;

- не е установено изследване на показателите спрямо захранващата мрежа при свързване посредством разделителни диоди в изходите на независими и асинхронно работещи преобразуватели с корекция на фактора на мощност;

- не е установено изследване на динамичните свойства при стартиране на паралелно свързани асинхронно работещи преобразуватели с корекция на фактора на мощност.

3. По отношение захранване на консуматори на базата на постояннотокова шина:

- много широко в литературните източници са описани различни варианти на изграждане на шината – с използване на енергия от ултракондензатор, акумулаторна батерия, горивна клетка, от обществената променливотокова мрежа, от ветрогенератор, от дизелов генератор и др;

- най-голям брой са изследванията върху съгласуването на различните изходни характеристики на различни преобразуватели, свързани към шината и режимите на регулиране на нейното напрежение;

- сравнително малко са изследванията, свързани с енергийните процеси при шина с ултракондензатор и стъпално натоварване от страна на консуматора;

- не е установено изследване за сравнение на динамичните свойства на постояннотокова шина, захранвана от преобразуватели с общо изходно постоянно напрежение, със или без ултракондензатор на шината.

1.4.АКТУАЛНОСТ, ОБЕКТ, ЦЕЛ И МЕТОДИ НА ИЗСЛЕДВАНЕ НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД

Анализът на изложените в т.1.2 и т.1.3 резултати от литературното проучване доказва актуалността на разглежданите в настоящия дисертационен труд въпроси.

7

Обект на изследване са системи от DC/DC и AC/DC преобразуватели с обшо изходно напрежение, както и използването на такива системи при реализация на електрическо захранване на базата на постояннотокова шина.

Цел на изследване са решенията на въпроси свързани с: • Показателите на система от паралелно свързани по отношение на

входа и изхода DC/DC преобразуватели спрямо източника на постояннотокова енергия – пулсации на входния ток и входно съпротивление;

• Динамичните процеси на система от еднакви DC/DC преобразуватели с общи входно и изходно напрежения – вид и параметри на преходния процес в изхода при стъпална промяна на товара;

• Показателите на система от паралелно свързани по отношение на входа и изхода AC/DC преобразуватели с корекция на фактора на мощност, работещи асинхронно, по отношение източника на променливотокова енергия – фактор на мощност, хармоничен състав на входния ток;

• Динамичните процеси на система от еднакви АC/DC преобразуватели с корекция на фактора на мощност, работещи асинхронно – вид и параметри на преходния процес в изхода при включване;

• Особеностите в реализацията на система за електрическо захранване на базата на постояннотокова шина – режими на работа, управление.

• Основните енергийни зависимости и динамичните процеси при постояннотокова шина с ултракондензатор като елемент за съхранение на енергията.

Методи на изследване: Използване на математически методи за анализ на силовите схеми на

системи от DC/DC и AC/DC преобразуватели, при отчитане на алгоритъма на управление. Получаване на аналитични изрази на базата на които се представят графични зависимости с помощта на програмния продукт Matlab;

Компютърна симулация на изследваните системи от преобразуватели при различни условия на работа чрез използване на софтуерните продукти OrCad и PSIM;

Експериментално изследване чрез практическа реализация на системи от DC/DC и AC/DC преобразуватели;

Анализ на резултатите от математическите изрази, компютърната симулация и експерименталните изследвания, оптимизация, донастройка с цел постигане на най-добри характеристики на системите от преобразуватели.

8

ВТОРА ГЛАВА. ИЗСЛЕДВАНЕ НА DC/DC ПРЕОБРАЗУВАТЕЛИ С ОБЩО ИЗХОДНО НАПРЕЖЕНИЕ

2.1. ПОКАЗАТЕЛИ ОТНОСНО ИЗТОЧНИКА НА ПОСТОЯННОТОКОВА ЕНЕРГИЯ

На фиг.2.1 са представени основните величини, свързани с работата на преобразувателите на постоянно в постоянно напрежение. Като консуматор от захранващия източник преобразувателят се характеризира с резистора RDCI , намиращ се в дефинирана от схемата зависимост от товарния резистор Ro .

DC

DCIU

OU

IIOI

I

IDCI I

UR =

O

OO I

UR =

Фиг.2.1. Основни величини при преобразувателите.

Изведена е следната зависимост:

(2.1) 2

1

=kR

R

O

DCI .

В таблица 1 са показани стойностите на коефициента k , както и отношението на съпротивлението по вход RDCI и товарното съпротивление Ro, за схемите без галванично разделяне в режим на непрекъснат ток през индуктивностите. Виждат се три характерни зависимости на отношението на тези съпротивления от коефициента на запълване. На фиг.2.2, фиг.2.3 и фиг.2.4 са представени съответстващите им графични зависимости.

Фиг.2.2.Графична зависимост 2

1

DR

R

O

DCI = Фиг.2.3.Графична зависимост ( )21 DR

R

O

DCI −=

9

Таблица 1. Схеми на базови преобразуватели без галванична изолация.

Тип Схема

I

O

U

Uk =

O

DCIR

R

Buck преобразувател

VT

VD

L

C OR

+ +

_ _

IU OUII OI

D 2

1

D

Boost преобразувател VT

VD

L

C OR

+ +

_ _

IU OUII OI

D−1

1

( )21 D−

Buck-boost преобразувател

VT

VD

L C OR

+

+_

_

IUOU

II

OI

D

D

−1

21

−D

D

SEPIC преобразувател VT

VD

2L2C OR

+ +

_ _

IUOU

II OI

1L 1C

D

D

−1

21

−D

D

Cuk преобразувател VT VD

2L

2C OR

+

+_

_

IUOU

II

OI

1L 1C

D

D

−1

21

−D

D

Zeta преобразувател

VT

VD

2L

2C OR

+ +

_ _

IUOU

II OI

1L

1C

D

D

−1

21

−D

D

От изразите и графичните зависимости се вижда как се изменят съпротивленията по вход при различните преобразуватели при промяна на D от 0 до 1, а именно:

♦ ( )OR,∞ – при понижаващ преобразувател;

10

♦ ( )0,OR – при повишаващ преобразувател; ♦ ( )0,∞ – при останалите преобразуватели от таблица 1.

Фиг.2.4.Графична зависимост 2

1

−=D

D

R

R

O

DCI Фиг.2.5. Входни токове за два преобр.

На фиг.2.5 са показани входните токове на два паралелно свързани по вход и изход buck-boost, SEPIC или Cuk преобразуватели, работещи с

дефазиране. При N на брой такива преобразуватели с дефазиране NT

зависимостите за размаха на пулсации и коефициента на пулсации са:

(2.2)

∏

∏−

=

−

=

+−

−=

∆∆

1

1

1

1

1 1.

N

i

N

iN

ND

N

i

DN

i

NI

I

(2.3)

∏

∏−

=

−

=

+−

−=

∆∆

=∆

∆

≈1

1

1

1

1

1

1 1..2

.2

1

N

i

N

iNN

N

i

i

ND

N

i

DN

i

IN

I

I

II

I

K

KN

В дисертационния труд са показани съответните графични зависимости при N=2,3 и 4. Извършена е компютърна симулация чрез ORCAD за 4 паралелно работещи SEPIC преобразуватели и 4 паралелно работещи понижаващи преобразуватели. Представени са симулационните зависимости за входните токове и общия консумиран ток. Извършена е компютърна симулация за работата на два двупосочни преобразувателя с ултракондензатор. На фиг.2.6 е представена схемата за симулация при заряд (два понижаващи преобразувателя).

21,ii

Ni

2=N

t

t

1i 2i

TDT

1I∆

NI∆

1I

NI

11

Фиг.2.6. Схема за изследване на два двупосочни преобразувателя като понижаващи при заряд на ултракондензатор.

На фиг.2.7 са показани част от резултатите. Подобни резултати са представени и за работата на преобразувателите при разряд.

Фиг.2.7. Резултати: отгоре - общ изходен ток, токове на двата дросела -трионообразни, изходни токове на преобразувателите - трапецовидни, ток

през ултракондензатора. Реализиран e образец за извършване на експериментални

изследвания на два двупосочни DC/DC преобразувателя с общи входно и изходно напрежение – фиг.2.8. Изследвана е работата в двете посоки. На фиг.2.9 са показани част от осцилограмите в режим на заряд на ултракондензатора (понижаващи преобразуватели), а на фиг.2.10 – в режим на разряд (повишаващи преобразуватели).

M3IRFP450

M4IRFP450

I

I

V-

V+I

I

I

I

R4

0.001

R5

0.001

R6

0.001

L3

1u

1 2

L1300u1 2

V3350

V1

TD = 0TF = 5nPW = 7.5uPER = 50uV1 = 0TR = 5nV2 = 15V

0

C1200u

L2300u1 2

V2

TD = 25uTF = 5nPW = 7.5uPER = 50uV1 = 0TR = 5nV2 = 15V

0

C2200u

R2

6.54m R316.2k

C390

M1IRFP450

M2IRFP450

R1

5

Time

7.80ms 7.81ms 7.82ms 7.83ms 7.84ms 7.85ms 7.86ms 7.87ms 7.88ms 7.89ms 7.90ms 7.91ms 7.92ms 7.93ms 7.94ms 7.95ms 7.96ms 7.97ms 7.98msI(R4) I(R5) I(R6) V(R1:2,0) I(L1) I(L2) I(L3)

0

4.0

8.0

12.0

16.0

17.8

12

Фиг.2.8. Експериментален образец за изследване на DC/DC преобразуватели с общи входно и изходно напрежение.

Фиг.2.9. Напрежението върху един от долните транзистори – СН1, изходното напрежение – СН2, пулсациите на тока през двете

индуктивности – СН3 и СН4 – 10mA/mV,500mV/дел.

Фиг.2.10.Отгоре-надолу – изходното напрежение – 200V/дел.; пулсациите на входните токове през индуктивностите – 5А/дел.; общият входен ток от

източника – 20А/дел.

13

2.2.ДИНАМИЧНИ СВОЙСТВА НА ЕДНАКВИ ПРЕОБРАЗУВАТЕЛИ С ОБЩИ ВХОДНО И ИЗХОДНО ПОСТОЯННИ НАПРЕЖЕНИЯ

Еквивалентната схема за изследване на преходните процеси при промяна на товарния ток е представена на фиг.2.11, където:

1. OU - стойност на изходното напрежение в установен режим, която се определя от зависимостта:

(2.4) OOIO RIUkU .. −= , k е коефициент, свързващ стойностите на изходното и входно

напрежения, OI и OR - стойности на изходния ток и изходното (вътрешното) съпротивление на преобразувателя.

2. ( )pZO - преходен изходен импеданс; 3. ( )pIO∆ - функция, представяща промяната на тока по време на

преходния процес; 4. ( )pU O∆ - функция, представяща промяната на напрежението

върху преходния изходен импеданс по време на преходния процес: (2.5) ( ) ( ) ( )pZpIpU OOO .∆=∆

OU )( pU SS

Фиг.2.11. Еквивалентна схема за изследване на преходния процес при

промяна на изходния ток Ако се предположи стъпално изменение на изходния ток със

стойност OI∆ , то изходното напрежение за един и N на брой преобразуватели ще бъде:

(2.6) ( ) ( ) ( )pZp

IUpUUpU O

OOOOSS .

∆−=∆−=

(2.7) ( ) ( ) ( )N

pZ

p

IUpUUpU OO

ONONONSSN .∆−=∆−=

Получен е следният израз за промяната на напрежението: (2.8)

( ) ( ) ( ) ( ) ( )( )

−−

+

−+

+∆

=∆ − taatabK

Kta

a

bta

K

bKe

ba

K

N

ItU tbO

ON .sin..cos..sin.cos.1.

1..2

1

2

1.22

2

Извършено е изследване на преходните процеси посредством

компютърна симулация с програма ORCAD 10.5 на един и на два паралелно работещи понижаващи преобразувателя. На фиг.2.12 и фиг.2.13 са представени част от резултатите, а в таблица 2 - параметрите.

14

( ) dtg

GKK ω

ϕωξ .

1..

212+

+=

Фиг.2.12. Графики на SSU , OI и ( )tU O∆ за един преобразувател

Фиг.2.13. Графики на OI и ( )tU ON∆ за два преобразувателя

Таблица 2. Параметри на преходните процеси при един и два преобразувателя – компютърна симулация.

При един преобразувател

При два преобразувателя

При увеличаване на тока

пререгулиране време

%6≈ mS8

пререгулиране време

%4≈ mS7≈

При намаляване на тока

пререгулиране време

%6≈ mS12

пререгулиране време

%4≈ mS8≈

Осцилограми от експериментално изследване на преходните процеси са представени на фиг.2.14 и фиг.2.15, а в таблица 3 са показани параметрите на преходните процеси.

Time

30.00ms 32.00ms 34.00ms 36.00ms 38.00ms 40.00ms 42.00ms 44.00ms 46.00ms 48.00ms 50.00ms 52.00ms 54.00ms 56.00ms 58.00ms 60.00ms 62.00ms 64.00ms28.65msV(C1:2,0) I(R4) V(C1:2,0)-50.945

-50.0

-40.0

-30.0

-20.0

-10.0

0

10.0

20.0

-58.3

28ms 30ms 32ms 34ms 36ms 38ms 40ms 42ms 44ms 46ms 48ms 50ms 52ms 54ms 56ms 58ms 60ms 62ms 64ms 66ms 68msV(L1:2,0) I(R4) V(L1:2,0)-50.340

-60

-40

-20

-0

20

40

60

15

а- при увеличаване и намаляване на изходния ток

а- при увеличаване и намаляване на изходния ток

б- при увеличаване на изходния ток б- при увеличаване на изходния ток

в-при намаляване на изходния ток в-при намаляване на изходния ток

Фиг.2.14. Осцилограми на преходните процеси за един преобразувател – СН1 –напрежение ( )tU O∆ ; СН2 – изходен ток.

Фиг.2.15. Осцилограми на преходните процеси за един преобразувател – СН1 –напрежение ( )tU ON∆ ; СН2 – изходен ток.

16

Таблица 3. Параметри на преходните процеси при един и два преобразувателя – експериментално изследване.

При един преобразувател

При два преобразувателя

При увеличаване на тока

пререгулиране време

%1≈ mS5

пререгулиране време

%7.0≈ mS4≈

При намаляване на тока

пререгулиране време

%9.0≈ mS5>

пререгулиране време

%7.0≈ mS4≈

2.3. ОСНОВНИ ИЗВОДИ ПО ВТОРА ГЛАВА

1. Използването на Cuk и SEPIC преобразуватели е подходящо за изследване на волтамперните характеристики на постояннотокови източници, изискващи непрекъснат товарен ток с малки пулсации при изменение на натоварването им от празен ход до късо съединение по електронен начин – таблица1 и фиг.2.4.

2. При паралелно свързване по отношение на входа и изхода на N на брой преобразуватели, чиито входен ток е непрекъснат (повишаващ, Cuk и SEPIC преобразуватели) и които работят с еднакъв коефициент на

запълване D и дефазиране на управляващите импулси на NT помежду

им, може да се постигнат намалени пулсации на общия входен ток на системата преобразуватели в сравнение с входния ток за всеки от преобразувателите, в целия диапазон на изменение на коефициента на запълване – зависимости (2.2) и (2.3), фиг.2.6 и фиг.2.7 ( в дисертационния труд).

3. Въз основа на изводи 1 и 2 се стига до заключението, че паралелното свързване на N на брой Cuk или N на брой SEPIC преобразуватели, които работят с еднакъв коефициент на запълване D и

дефазиране на управляващите импулси на NT помежду им, е подходящо

за реализацията на електронни постояннотокови товари за изследване волтамперните характеристики от празен ход до късо съединение на източници на постоянно напрежение – например в частност фотоволтаични модули, горивни клетки, акумулаторни батерии, ултракондензатори и др.

4. Зарядно-разрядни (двупосочни) преобразуватели е удобно да се реализират по схемата от фиг 2.6, удовлетворяваща изискванията за

17

непрекъснат заряден/разряден ток. Направените изследвания показват предимства при използване на паралелно работещи звена с дефазиране.

5. При N на брой паралелно свързани еднакви преобразуватели с общи входно и изходно постоянни напрежения характерът на преходните процеси при изменение на товарния ток се запазва такъв, какъвто е при един преобразувател. Намаляват моментните стойности на пада на напрежение върху преходния изходен импеданс на системата от преобразуватели в съответствие с израз (2.8). Преходният процес при стъпално изменение на товарния ток е с по-добри параметри – пререгулиране и времетраене.

ТРЕТА ГЛАВА. ИЗСЛЕДВАНЕ НА AC/DC ПРЕОБРАЗУВАТЕЛИ С ОБЩО ИЗХОДНО НАПРЕЖЕНИЕ

3.1. ПОКАЗАТЕЛИ ОТНОСНО ИЗТОЧНИКА НА ПРОМЕНЛИВОТОКОВА ЕНЕРГИЯ

Във втора глава са получени зависимости (2.2) и (2.3) за размаха на пулсации и коефициента на пулсации при N на брой паралелно работещи DC/DC преобразуватели с непрекъснат входен ток, в относителни величини спрямо съответните при един преобразувател. При повишаващия преобразувател, използван за корекция на фактора на мощност, моментната стойност на коефициента на запълване се определя от зависимостта:

(3.1) θsin.1OUT

Sm

OUT

SOUT

U

U

U

uUD −=

−=

където us е моментната стойност на мрежовото напрежение. При заместване на коефициента на запълване от формула (3.1) в (2.2)

и (2.3) може да се изследва изменението в рамките на един полупериод на пулсациите на входния ток за система от паралелно свързани преобразуватели с корекция на фактора на мощност в сравнение с пулсациите на входния ток при един преобразувател.

Фиг.3.1. Изменениие на размаха на пулсации в рамките на един

полупериод при N на брой преобразуватели в относителни единици спрямо един преобразувател.

18

Така например са приети стойности на =400 V, а на =230 V. На фиг.3.1 е показано изменението на размаха на пулсации, а на фиг.3.2 – на коефициента на пулсации във функция на θ. И при двете параметър е броят на паралелно работещите преобразуватели - N=2,3,4.

Фиг.3.2. Изменениие на коефициента на пулсации в рамките на един

полупериод при N на брой преобразуватели в относителни единици спрямо един преобразувател.

3.2.ИЗСЛЕДВАНЕ НА ПАРАЛЕЛНО СВЪРЗАНИ ПРЕОБРАЗУВАТЕЛИ С КОРЕКЦИЯ НА ФАКТОРА НА

МОЩНОСТ

ИЗСЛЕДВАНИЯ ЧРЕЗ КОМПЮТЪРНА СИМУЛАЦИЯ На фиг.3.3 е показана схемата за компютърна симулация. Тя е

извършена с програма PSIM. Зададени са основни величини и стойности на елементите така, както са използвани при експерименталните изследвания. Честотите на работа на двата преобразувателя са 66 kHz и 66.5 kHz. Стойностите на индуктивностите са 300 µН, а на изходните кондензатори 300 µF. При симулацията на схемата от фиг.3.3 стойността на изходното напрежение за горния преобразувател е зададена равна на 458V, а за долния – 463V. Елементите, определящи предавателните функции на регулаторите по ток и напрежение са изчислени и зададени тук и при експеримента в съответствие с методиката на производителя на интегралната схема L4981A. На фиг.3.4 и фиг.3.5 са показани част от представените в дисертационния труд резултати от компютърната симулация.

ЕКСПЕРИМЕНТАЛНИ ИЗСЛЕДВАНИЯ Принципната схема за експериментално изследване на двата

преобразувателя е показана на фиг.3.6. На фиг.3.7 е показан експерименталният образец на системата. При самостоятелна работа и изходен ток 1.25А стойностите на изходните напрежения на модулите са 458.8V и 460.3V. Разликата в честотите на работа е под 2%.

19

Фиг.3.3. Схема за изследване чрез компютърна симулация.

Фиг.3.4.Общ ток от захранващата мрежа – горе, следват: входен ток на първия преобразувател, входен ток на втория преобразувател, входно

напрежение – долу.

20

Фиг.3.5.Преходен процес при пускане: входно напрежение – горе,

напрежение в изхода на първия преобразувател – в средата, напрежение в изхода на втория преобразувател – долу.

LOADR

AL4981

RMSURMSU

1ACI

EAU

−

+

+

−Driver

VZ1

CZ1

VZ 2

CZ2

VA

CA

SR

GR

L

VT

VD 1R

2R OC

1PFC

2PFC

ACU

1Tr

2Tr

SHR1

SHR2

SHC1

SHC2

1~ ACIU+

2~ ACIU−

1ACI

2ACI

1DCI

2DCI

22

11

~

~

DCAC

DCAC

II

II

OUTU+

OUTU−

1CH

2CH

COM

1PFCVD

2PFCVD

Фиг. 3.6.Схема за изследване на паралелно свързани преобразуватели с

корекция на фактора на мощност.

21

Фиг.3.7. Експериментален образец на системата

а) напрежение и ток на захранващата мрежа

б) хармоничен състав на тока от захранващата мрежа

в) мощности, фактор на мощност, коефициент на дефазиране

Фиг.3.8. Показатели по отношение на захранващата мрежа при един – вляво и два паралелно работещи преобразувателя – вдясно.

22

На фиг.3.8 са представени показателите по отношение на захранващата мрежа при един и два паралелно работещи преобразувателя. Снети са с помощта на Power Quality Analyzer Fluke 434. При два преобразувателя се забелязва намаляване на коефициента на хармонични за тока – от 15% на 9.3% при по-малки стойности на 3-ти, 5-ти и 7-ми хармоник. На фиг.3.9 са представени осцилограмите на някои характерни величини. При един преобразувател времето на преходния процес е около

Sµ50 , а при два – около Sµ25 - фиг.3.9а).

а) преходен процес при включване при един преобразувател-вляво и два-

вдясно

б) пулсации на изходното напрежение при един преобразувател-вляво и

два-вдясно

в) стойности на двата тока от мрежата-вляво и изходно напрежение –

СН1на двата паралелно работещи преобразувателя-вдясно Фиг. 3.9. Осцилограми на преходните процеси, пулсациите на изходното напрежение и сигналите от схемите за измерване на входните токове.

23

При един преобразувател размахът на пулсациите е около 40V, а при два – около 20V – фиг.3.9б).Измерената стойност на напрежението върху товара е 455.5V. Осцилограмите на фиг.3.9в) показват изравняване на натоварването по ток на двата преобразувателя, както и липса на колебания в изходното напрежение с честота, различна от честотата на пулсациите му

3.3. ОСНОВНИ ИЗВОДИ ПО ТРЕТА ГЛАВА 1. Пулсациите на входния ток на паралелно свързани по отношение

на входа и изхода повишаващи преобразуватели с корекция на фактора на мощност са намалени в сравнение с пулсациите при един преобразувател. В зависимост от броя паралелно свързани преобразуватели процентът на това намаление достига различни стойности в различни моменти на полупериода на мрежовото напрежение – фиг.3.1 и фиг.3.2.

2. Добро изравняване на изходните токове на два паралелно свързани АС/DC преобразувателя с корекция на фактора на мощност, работещи асинхронно по средна стойност на тока, може да се осъществи без въвеждане на допълнителни обратни връзки, а само с използване на изолиращи диоди.

3. При два паралелно свързани АС/DC преобразувателя с корекция на фактора на мощност е намалено времето за установяване на изходното напрежение, както и пулсациите му, в сравнение с аналогичните параметри при един преобразувател и съизмерими мощности.

4. При два паралелно свързани АС/DC преобразувателя с корекция на фактора на мощност е подобрен общият коефициент на хармонични и хармоничният състав на тока от захранващата мрежа в сравнение с аналогичните показатели при един преобразувател и съизмерими мощности.

5. Посочените предимства по т.2 и т.3 в допълнение на вече известните ( повишена надеждност вследствие резервиране и намалено натоварване на всеки от преобразувателите при паралелна работа) в някои случаи могат да бъдат предпочетени пред по-високата цена на системата в сравнение с тази на един преобразувател.

ЧЕТВЪРТА ГЛАВА. СИСТЕМА ЗА ЕЛЕКТРИЧЕСКО ЗАХРАНВАНЕ НА БАЗАТА НА ПОСТОЯННОТОКОВА

ШИНА 4.1.ЕНЕРГИЙНИ ЗАВИСИМОСТИ ПРИ ПОСТОЯННОТОКОВА

ШИНА С УЛТРАКОНДЕНЗАТОР Блоковата схема за математически анализ на процесите е показана на

фиг.4.1. Приети са следните означения на основните величини, използвани при анализа:

SC е капацитетът на ултракондензатора, F ;

LP∆ е стойността на стъпалната промяна на мощността, W ;

24

DCS е скоростта на изменение на мощността на преобразувателите, sW ;

uδ е промяната на напрежението на шината , % ; DCU е стойността на напрежението на шината,V. На фиг.4.2 е представено примерно изменение на напрежението на

шината във времето. В момента 0=t става нарастване на мощността на товара с LP∆ .

itorUltracapac

busDC

DCV Load

≈

≈

1

n

ConvertersDCDC /

ConvertersDCAC /

SC

DCi

Li

SCi

1Ci

nCi

Фиг.4.1. Блокова схема на системата за анализ.

DCu

t

0

LP∆

t∆

DCU

−100

1.u

U DC

δ

Фиг.4.2. Изменение на напрежението на постояннотоковата шина при

нарастване на мощността на товара.

Фиг.4.3. Зависимости за стойността на ултракондензатора от промяната в

напрежението на шината и промяната в мощността на товара.

25

Получена е следната зависимост, свързваща основните величини:

(4.1) 2

2

10011

1..

1

−−

∆=uU

P

SC

DC

L

DCS δ

Тя е изследвана и представена графично при различни варианти, като един пример е показан на фиг.4.3. За отношението на разсеяната в серийното съпротивление на ултракондензатора и отдадената енергия е изведен изразът:

(4.2) CsDC

L

Cs

R RU

P

W

WCs ..

3

42

∆≈∆

На фиг.4.4 е представено изменението на това отношение в зависимост от промяната в мощността на товара и напрежението на шината при стойност на Ω= mR

SC 12 . Тя е в диапазона на изменение на SCR за

предлаганите от Maxwell Technology ултракондензатори тип BMOD.

Фиг.4.4. Графични зависимости в съответствие с израз (4.2) 4.2.ДИНАМИЧНИ ХАРАКТЕРИСТИКИ НА ПОСТОЯННОТОКОВА

ШИНА С УЛТРАКОНДЕНЗАТОР И ПАРАЛЕЛНО СВЪРЗАНИ DC/DC ПРЕОБРАЗУВАТЕЛИ

Тук се поставя следната задача – на базата на осцилограми от експериментални изследвания да се получат изрази за преходния импеданс на шината, които да се използват впоследствие за симулация и анализ на различни режими на натоварване. На фиг.4.5 е показана реализираната система. Двата понижаващи преобразувателя са на базата на транзисторни модули 2MBI50-060 на фирмата Fuji. Ултракондензаторът е тип BMOD0083 P048 на фирмата Maxwell Technologies. На фиг.4.6 са представени снетите осцилограми, от които са получени следните изрази за преходния изходен импеданс на шината, съответно без и със свързан към нея ултаркондензатор:

(4.3) ( )

10304100.1380

.250.0187.02

2

++−=

pp

pppZO

26

Фиг.4.5. Общ вид на реализация на постояннотокова шина при свързан към

нея ултракондензатор.

(4.4)

( )2146

.02.0

+=

p

ppZO

или ( )

p

ppZO .10.465.01

.10.3.93

6

−

−

+=

В тази част, на базата на намерените изрази (4.3) и (4.4), посредством компютърна симулация, се изследват преходните процеси чрез представяне на постояннотоковата шина само с преходния й импеданс. Приведени са резултати при различни закони за изменение на товарния ток, като един пример е показан на фиг.4.7.

Фиг.4.7. Схема и резултати от симулация на базата на намерения

израз (4.4) за преходния импеданс – с ултракондензатор и линейно изменение на тока.

-0.02*s

s+2146

0

I1TD = 30mTF = 10mPW = 20mPER = 100mI1 = 5I2 = 10TR = 10m

R11

R210k

V+

I

V-

Time

0s 5ms 10ms 15ms 20ms 25ms 30ms 35ms 40ms 45ms 50ms 55ms 60ms 65ms 70ms 75ms 80ms 85ms 90ms 95ms 100msI(I1)

4A

6A

8A

10A

V(R2:1,0)-5.0mV

0V

5.0mV

SEL>>

27

При увеличаване и намаляване на тока

Само при увеличаване на тока

Само при намаляване на тока

Фиг.4.6. Осцилограми на преходните процеси без и със свързан ултракондензатор към шината-съответно вляво и вдясно: СН1 –

напрежение ( )tU O∆ ; СН2 – изходен ток.

28

4.3.СИСТЕМА ЗА ЕЛЕКТРИЧЕСКО ЗАХРАНВАНЕ НА ПОСТОЯННОТОКОВИ КОНСУМАТОРИ

Структурната схема на системата е показана на фиг.4.8, където са уточнени и съставящите я елементи. Характерна особеност е използването на двупосочен AC/DC преобразувател 2, вместо преобразувател с корекция на фактора на мощност и On-Grid –инвертор. Приведени са резултати от изследване на двупосочния преобразувател чрез компютърна симулация и експеримент. На фиг.4.9 е показана схемата за симулация, а на фиг.4.10 и фиг.4.11 – част от резултатите.

Фиг.4.8. Обща структура на системата: 1 – обществена електрозахранваща мрежа; 2 – двупосочен AC/DC преобразувател; 3 – елемент за съхранение

на енергията(ултракондензатор, акумулаторна батерия); 4 – преобразувател на енергия от възобновяем източник( фотоволтаични

модули, ветрогенератор, горивна клетка); 5 – DC/DC преобразувател; 6 – система за мониторинг и управление; К1.К2...КN – постояннотокови

консуматори

Фиг.4.9.Схема за изследване чрез компютърна симулация на двупосочен

преобразувател.

29

Фиг.4.10. Резултати от симулацията в режим на консумиране на енергия,

горе – напрежението на мрежата, долу – токът от мрежата.

Фиг.4.11. Резултати от симулацията в режим на отдаване на енергия, горе –

напрежението на мрежата, долу – токът от мрежата. 4.4. ОСНОВНИ ИЗВОДИ ПО ЧЕТВЪРТА ГЛАВА

1. Получената зависимост (4.1) свързва стойността на капацитета на ултракондензатор, свързан към постояннотокова шина, захранвана от система преобразуватели на електрическа енергия, със стойностите на: напрежението на шината, промяната му при изменение на мощността на товара, промяната на мощността на товара и скоростта на възстановяване на мощността от страна на преобразувателите. Заедно с представените графични зависимости тя може да се използва при проектиране на цялата постояннотокова система, както и да се формулират изисквания към системата преобразуватели, захранващи постояннотоковата шина.

2. Получената зависимост (4.2) позволява да се извърши преценка на разсеяната енергия в серийното съпротивление на ултракондензатора при преходните процеси на рязко натоварване на шината. Заедно с графичната зависимост на фиг.4.4 тя може да се използва при избор на ултракондензатор.

3. При стъпална промяна на консумирания ток от постояннотокова шина, захранвана от паралелно работещи понижаващи DC/DC

30

преобразуватели с дефазиране преходният процес на изходното напрежение има колебателен характер, а при свързване към шината на ултракондензатор – апериодичен. Получените на базата на експерименталните данни изрази за преходния импеданс на шината в двата случая (4.3) и (4.4) могат да се използват при изследване и проектиране чрез компютърна симулация при различни закони за изменение на товарния ток. 4. Включването на двупосочен AC/DC преобразувател в система за електрическо захранване, изградена на базата на постояннотокова шина, позволява да се реализират режими на консумиране/ отдаване на енергия от/в захранващата мрежа, без използваните конвенционални преобразувател с корекция на фактора на мощност и On-Grid инвертор.

НАУЧНИ И НАУЧНО-ПРИЛОЖНИ ПРИНОСИ С представените в дисертационния труд резултати, както и с публикуваните във връзка с него научни работи , се правят следните научно-приложни приноси в областта на силовата електроника: 1. За основните схеми на DC/DC преобразуватели без галванично

разделяне е изследвана зависимостта на съпротивлението по вход от коефициента на запълване на управляващите импулси. В резултат на това, и на изследване пулсациите на входния ток, е предложено паралелното свързване на N на брой Cuk или N на брой SEPIC преобразуватели, които работят с еднакъв коефициент на запълване D

и дефазиране на управляващите импулси на NT помежду им, за

реализация на електронни постояннотокови товари, подходящи за изследване волтамперните характеристики от празен ход до късо съединение на източници на постоянно напрежение – т.2.1.

2. Получени са изрази за преходния изходен импеданс, подходящи за изследване на преходните процеси в изхода на DC/DC преобразуватели. Изследвани са тези процеси при стъпално изменение на изходния ток при един и два паралелно работещи преобразуватели с дефазиране, като е показано, че в системата от N на брой паралелно свързани преобразуватели преходният процес е с по-добри параметри – пререгулиране и времетраене – т.2.2.

3. Изследвано е паралелно свързване на изходите на AC/DC преобразуватели с корекция на фактора на мощност, работещи асинхронно по средна стойност на тока, с помощта на изравнителни диоди без допълнителни обратни връзки. За системата от два преобразувателя е показано подобряване на хармоничния състав на тока от захранващата мрежа, намаляване на пулсациите на изходното напрежение и подобряване параметрите на преходния процес при включване – т.3.1 и т.3.2.

31

4. Получени са енергийни зависимости за постояннотокова шина, захранвана от система паралелно свързани преобразуватели, с ултракондензатор. Приведени са изрази и графични зависимости, които могат да се използват при проектиране на цялата постояннотокова система, както и да се формулират изисквния към системата преобразуватели, захранващи постояннотоковата шина – т.4.1.

5. Изследвани са преходните процеси на постояннотокова шина с или без ултракондензатор, захранвана от два паралелно свързани DC/DC преобразувателя с дефазиране, при стъпална промяна на товарния ток. На базата на експерименталните данни са получени изрази за преходния импеданс на шината, които могат да се използват при изследване и проектиране – т.4.2.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Получените резултати по настоящия дисертационен труд са предпоставка за нови изследвания и практически разработки например в следните направления: - изследване работата на източници на постояннотокова енергия – фотоволтаични модули, горивни клетки, с електронен товар реализиран на базата на резултатите от първа глава за входното съпротивление и пулсациите на система от DC/DC преобразуватели; - приложения на система от AC/DC преобразуватели на базата на резултатите от трета глава например при зарядни източници, източници за заваряване и др.; - реализация и изследване на електрическо захранване на базата на постояннотокова шина по предложената в четвърта глава структура, с използване на енергията от различни възобновяеми източници при различни елементи за съхранение на енергията.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 ПУБЛИКУВАНИ НАУЧНИ РАБОТИ ВЪВ ВРЪЗКА С

ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД 1. Горанов П.T., Х.M.Анчев, В.T.Гургулицов, Изследване на паралелно

работещи преобразуватели на постоянно напрежение, н. конференция “Електроника 2010”, България, София, 2010, стр.93 - 100.

2. Горанов П.Т., Х.М. Анчев, В.Т.Гургулицов , Изследване на паралелно свързани преобразуватели с корекция на фактора на мощност, н.конференция “Елма 2011”, България, Варна, 2011, стр. 176 - 181.

3. Анчев Х.М., М.П.Петкова, В.Т.Гургулицов, Система за електрическо захранване на постояннотокови консуматори – списание “Енергетика”.брой 5, 2011, стр. 33 - 38.

32

4. Анчев Х.М., П.Т. Горанов, Изследване динамичните свойства на еднакви преобразуватели с общи входно и изходно постоянни напрежения –списание “Електротехника и електроника”, под печат.

5. Goranov P.T., H.M.Antchev, V.T.Gourgoulitsov, Energy Analysis of Load Variation Influence over DC Bus with Ultracapacitor, conf. Ee 2009, Novi Sad, Serbia, 2009, paper N T1-2.4, pp.1 - 4 .

6. Antchev H.M., Research On Dynamic Characteristics Of DC/DC Bus With Ultracapacitor And Shunt Connected DC/DC Converters, conf. “Electronics 2011”, Sozopol, Bulgaria, 2011, pp. 181 - 185.

7. Goranov P.T., H.M.Antchev, Investigation of Transient Impedance of the DC Bus with Buck Converters and Ultracapacitor, conf. Ee 2011, Novi Sad, Serbia, 2011, paper N T1-1.5, pp.1 - 4 .

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 ДОГОВОРИ С УЧАСТИЕТО НА ДОКТОРАНТА

1. Научно-изследователски проект в помощ на докторанти 102ПД211-3 , Изследване на DC/DC преобразуватели с общо изходно постоянно напрежение, НИС при ТУ-София, 2010-2011 г.

ЛИТЕРАТУРА В дисертационния труд е представен списък от 110

литературни източника. ANNOTATION

of PhD thesis titled “Investigation of systems of power electronic converters with common output DC voltage”

The object of the study is systems of DC/DC and AC/DC converters with common output voltage, as well as the building of an electrical supply based on a DC bus. Chapter One classifies the problems related to the parallel operation of DC/DC converters in four groups. The most typical solutions known from references are specified. The scientific researches known in the field of parallel connected AC/DC converters with power factor correction are also analyzed. In Chapter Two, analytic and graphical relationships for the equivalent input resistance of the basic power circuits of DC/DC converters without galvanic isolation are found out. The ripples of the input current of the parallel connected converters, which currents are not in phase, are analyzed. Waveforms from the computer simulation and waveforms from the experimental tests of bidirectional converter are presented, operating with ultracapacitor. Transient processes are investigated at a step change of the input current through computer simulation and experimental test and thus equations for the transient output impedance of a system of parallel connected converters are obtained. In Chapter Three, an investigation of parallel connected AC/DC converters with power factor correction operating asynchronously is made, joining the converters by putting rectifier diodes in their outputs. Experimental results are put showing some indicators in respect with the supply network (grid) and showing the transient processes at a turning on of the system. In Chapter Four, an investigation is delivered of energy processes of a DC bus fed by a system of converters with common output DC voltage when an ultracapacitor is connected to the bus. Analytic and graphical relationships useful to choose the ultracapacitor are presented. Experimental tests are made at a step change of the consumed current and thus equations of the transient output impedance (with and without ultracapacitor) are found out. A structural block schema is proposed to build an electrical supply based on a DC bus, consisting of systems of converters with common output voltage and renewable energy source, also, a connection of bidirectional converter to the supply network (grid) characterizes the proposed schema.