Разработка энергоэффективного инвертора для вентильно-индукторного привода с улучшенной электромагнитной совместимостью

• Автор: Москалев, Максим Викторович
• Шифр специальности: 05.09.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 195 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1 ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНОГО ПРИВОДА
1.1 Обзор систем тягового электропривода, конструкций индукторных машин и преобразователей для них
1.2 Особенности вентильно-индукторного привода и их влияние на электромагнитную совместимость
1.3 Причины низкой электромагнитной совместимости
1.4 Обзор решений улучшения электромагнитной совместимости инвертора
1.5 Выводы по главе
Глава 2 РЕЗОНАНСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ КАК РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ
2.1 Теория переключения ключей
2.2 Анализ существующих схем резонансных преобразователей
2.3 Описание работы квазирезонансного преобразователя
2.4 Алгоритм управления коммутацией
2.5 Выводы по главе
Глава 3 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ И ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛИ
3.1 Математическая модель
3.2 Система управления
3.3 Имитационная модель

3.4 Выводы по главе
Глава 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
4.1 Предварительные опыты
4.2 Анализ характеристик привода
4.3 Спектральный анализ
4.4 Методика расчета потерь при мягкой коммутации
4.5 Выводы по главе
Глава 5 МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВЕНТИЛЬНОИНДУКТОРНОГО ПРИВОДА С КВАЗИРЕЗОНАНСНЫМ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ
5.1 Индукторная машина
5.2 Инвертор
5.3 Элементы резонансного контура
5.4 Массогабаритные показатели
5.5 Рекомендации по применению разработки
5.6 Выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 - Каталоги производителей
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 - Результаты теплового расчета
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 - Акт внедрения
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 - Письмо ФГУП ВЭИ

ВВЕДЕНИЕ
Одной из тенденций нескольких последних десятилетий является внедрение инновационных систем ТЭП подвижного состава электрического транспорта на базе синхронных и ИМ. Использование ВИЛ на транспорте обусловлено его характерными достоинствами: высоким уровнем надежности и простотой конструкции ИМ, возможностью гибкого управления скоростью, относительно высоким моментом. ВИЛ находит свое применение в основном на ГЭТ, электромобилях и гибридных автомобилях, что вызвано спецификой движения описанных транспортных средств: постоянными ускорениями и торможениями в плотном городском трафике.
Одной из особенностей ВИЛ является обязательное наличие инвертора, ключами которого коммутируются фазы ИМ по команде СУ, формирующей ее по сигналам датчика положения ротора и датчиков тока. Присутствие инвертора вызвано дискретной структурой ИМ и необходимостью соответствующего регулирования тока обмоток для поддержания постоянного момента на валу ИМ. Пульсации момента и акустический шум являются одними из основных недостатков ВИЛ, и для их устранения требуется гибкое управление фазным током, возможное только при достаточно высокой частоте коммутации транзисторов инвертора. При этом максимальная частота коммутации ограничивается мощностью динамических потерь в полупроводниковых элементах в режиме переключения ключей при номинальном значении тока и напряжения коллектор-эмиттер транзистора. Такой режим называется жесткой коммутацией, и существенно ограничивает область безопасной работы силовых транзисторов. Режим жесткой коммутации ключей инвертора средней мощности (от 1кВт до 100кВт) на частоте до 20кГц приводит к высокому уровню динамических потерь в инверторе и перенапряжений изоляции ИМ, а так же к ухудшению ЭМС ВИЛ. Возможный перегрев транзисторов и высокий уровень перенапряжений снижает надежность инвертора, а наличие эффективного охладителя снижет массогабаритные показатели привода.

ЮВТ транзисторы способны нормально функционировать без перегрева кристалла только в бистабильном состоянии, то есть могут быть включенными или выключенными.
Требование по ЭМС с питающей сетью переменного тока в общем случае сводится к тому, что бы потребляемый преобразователем ток был синфазен с ним, а сам преобразователь представлял для источника питания активную нагрузку, в которой ток полностью повторяет форму напряжения. Выполнение данного требования обеспечивается рядом мероприятии, таких так применение искусственной коммутации и компенсация реактивной мощности [33, 80, 99], а так же изменением алгоритма управления ключами инвертора и управляемого выпрямителя
В [104] предлагается применение активного фильтра в цепи инвертора при питании ВИП от промышленной сети через выпрямитель. При этом достигается отличный коэффициент мощности и низкий коэффициент несинусоидальности тока источника питания. Однако применение активного фильтра обуславливает дополнительные потери, так же эта технология не позволяет увеличить частоту коммутации транзисторов инвертора и уменьшить уровень перенапряжений на ключах.
Для оценки ЭМС преобразователей существует распространенный в последнее время критерий, называемый за рубежом суммарным гармоническим искажением:
где 1(к) и 1(1) - действующее значение соответственно к-ой и Пой гармоник тока. 77ГО является аналогом коэффициента искажения, использующимся в определении коэффициента мощности совместно с коэффициентом сдвига. Существует следующая связь между суммарным гармоническим искажением и коэффициентом искажения:
[100].
(1.1)
л/1+ГНО
(1.2)