CC BY
12Судовая и промышленная энергетика
ется легкость монтажа, относительно низкая стоимость и, самое главное, простота их использования. Наличие силовых модулей позволяет снизить габаритные размеры преобразователя по сравнению с решениями на дискретных компонентах. Кроме того, силовые модули используют в своём составе дополнительные устройства для повышения их функциональности в целом.
Вместе с тем, надежность работы мощного полупроводникового ключа определяется не только его конструкцией и технологией изготовления, применением специализированной интегральной схемы драйвера, но также схемотехническими и конструктивными решениями. К ним можно отнести следующие:
1) Уменьшение длины цепи затвор-эмиттер и разделение обратных проводников цепи затвора и силовой цепи.
2) Использование витых пар и перекрывающихся проводников печатных плат для мощных цепей драйвера.
3) Применение кратчайшего расстояния от драйвера до ключа для уменьшения паразитных цепей.
4) Применение последовательного резистора в цепи затвора для ограничения di/dt и du/dt.
5) Применение отрицательного смещения для уменьшения проблем с du/dt, если это возможно.
Следуя этим рекомендациям, можно значительно уменьшить остроту большинства проблем, связанных с коммутацией больших токов и напряжений при проектировании мощных импульсных преобразователей во вторичных источниках питания и в электроприводах как постоянного, так и переменного тока.
POWER TRANSISTOR MODULES
V. V. Alexandrov, V. V. Gulyayev
Questions of the application ofpower modules on the basis offield and bipolar transistors in devices of converting equipment are considered in the article.
УДК 621.314
В. В. Александров, к. т. п., профессор.
В. И. Самулеев, к. т. н., профессор, ВГАВТ.
603950, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5 а.
К ВОПРОСУ О ПОВЫШЕНИИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИМПУЛЬСНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
В данной статье рассматриваются вопросы повышения эффективности импульсных преобразователей напряжения во вторичных источниках питания. Приводятся схемы, обеспечивающие повышение к. п. д. и коэффициента использования преобразователей.
На судах и других объектах водного транспорта достаточно часто возникает задача обеспечения работы приемников переменного тока (ЭП) от источника постоянного напряжения, в частности, от аккумуляторной батареи (АБ). Например, на судне с валогене-раторной электроэнергетической установкой необходимо обеспечить нормальную рабо-
ту люминесцентного освещения и бытовой радиоэлектронной и электрической аппаратуры (холодильник, телевизор, видеомагнитофон и т. п.) во время стоянки. Для этого электропитание приемников осуществляется от аккумулятора через импульсный преобразователь постоянного напряжения в переменное (ИТТН). Такой преобразователь при этом фактически выполняет функции вторичного источника питания (ВИП). При проектировании импульсных преобразователей напряжения должны быть удовлетворены общие требования, предъявляемые к таким устройствам, и специфические требования, обусловленные особенностями вторичных источников питания и условиями эксплуатации. В целом эти требования могут быть сформулированы как требования рационального использования электротехнических материалов, полупроводниковых приборов и других компонентов аппаратуры с целью получения высокого КПД, малых массы и габаритов при заданных параметрах выходного напряжения. В опубликованных работах отмечается, что проблема миниатюризации ИПН решается в полном объеме в том случае, если силовые элементы схемы используются только для силового преобразования электрической энергии и ее передачи в нагрузку, а все. функции, связанные с организацией такого преобразования, осуществляются специально выбранными элементами, цепям и узлами, составляющими при любой их сложности незначительную часть массы ИПН. При этом оптимальное проектирование ИПН разделяется на два этапа:
1.Оптимизация силовой части схемы преобразователя по критерию минимума массы с учетом ограничений, обусловленных реализуемыми силовой частью функциями.
2. Синтез несиловой части ИПН, реализующей максимальное число функций, обеспечивающих выполнение требований задания к параметрам устройства.
На первом этапе определяется частота коммутации силовых ключей и параметры реактивных элементов выходного фильтра преобразователя, при которых его масса минимальна, а режимы работы соответствуют требованиям технического задания и возможностям применяемых полупроводниковых приборов (транзисторов или тиристоров и диодов). Здесь же производится оптимальный конструктивный расчёт магнитных элементов, определение энергетических показателей ИПН и параметров высокочастотных колебаний.
При оценке энергетических показателей ИПН необходимо учесть потери в ключевых регуляторах, магнитных элементах и конденсаторах. Эти потери достаточно подробно освещены в литературе, где приводятся выражения для их расчета.
Второй этап оптимального проектирования ИПН связан с разработкой схем управления, синтезом корректирующих цепей и устройств, макетированием и отработкой схем преобразователя. Последнее может осуществляться путем исследования математической модели ИПН на ЭВМ.
Одним из основных элементов импульсных преобразователей является силовой транзисторный ключ. Наиболее широко распространено в настоящее время построение силового ключа в виде модуля, включающего собственно силовой транзистор, схему защиты и схему формирования входного тока. В большинстве случаев силовой модуль состоит из транзисторов МОБРЕТ или ЮВТ и силовых высокочастотных диодов.
Силовой транзистор работает в режиме переключений, и его рабочая точка на выходной вольт-амперной характеристике располагается либо в режиме отсечки (транзистор закрыт), либо в режиме насыщения (транзистор открыт).
В практическом решении проблемы дальнейшего повышения частоты преобразования электроэнергии в транзисторных преобразователях и, как следствие этого, в их дальнейшей миниатюризации важный резерв заложен в переходе от повсеместно используемых в настоящее время мощных биполярных транзисторов и мощных им-
Судовая и промышленная энергетика
пульсных диодов с р-п-переходом соответственно к мощным МДП-транзисторам и мощным диодам Шоттки. При этом в обоих случаях вопрос стоит о замене полупроводниковых приборов, в которых механизм переноса тока обусловлен инжекцией неосновных носителей в область базы, их накоплением и рассасыванием, полупроводниковыми приборами, в которых механизм инжекции неосновных носителей заряда отсутствует, а ток обусловлен движением только основных носителей.
Отметим, что силовые модули в настоящее время продолжают главенствовать в мире силовой электроники. Достоинствами применения модулей является легкость монтажа, относительно низкая стоимость и, самое главное, простота их использования. Наличие силовых модулей позволяет снизить габаритные размеры преобразователя по сравнению с решениями на дискретных компонентах. Кроме того, силовые модули используют в своём составе дополнительные устройства для повышения их функциональности в целом.
Одним из возможных способов повышения эффективности ИПН в структуре АБ-ВИП-ЭП является исключение холостого хода преобразователя, т. е. его отключение при отсутствии нагрузки. Схема, реализующая этот принцип, представлена на рис.
и ІП
10
|[
Однофазный преобразователь.
Преобразователь содержит преобразовательную ячейку 1 постоянного напряжения в переменное с силовым выходным трансформатором 2, подключенную через силовой ключ 3 к источнику питания 4, нагрузку 5, цепь стабилизации 6, выход которой через выпрямитель 7 подключен к источнику питания 4, датчик нуля тока нагрузки, управляющий ждущим мультивибратором 9, выход которого подключен к входу элемента ИЛИ 10, другой вход которого соединен с выходом датчика нуля 8, а выход-с управляющим входом силового ключа 2.
Устройство работает следующим образом.
При временном отключении нагрузки, например, при периодическом отключении холодильника, на выходе датчика нуля 8 тока нагрузки появится сигнал логического нуля. Этот сигнал через элемент ИЛИ 10 поступит на управляющий вход силового ключа 3. Последний закроется, и энергия от источника питания 4 не будет поступать на вход преобразователя ячейки 1. Одновременно сигнал логического нуля с выхода датчика 8 запустит в работу ждущий мультивибратор 9. В исходном состоянии на выходе мультивибратора 9 был сигнал логического нуля. После его запуска на выходе мультивибратора 9 периодически будет появляться сигнал логической единицы. Этот сигнал через элемент ИЛИ 10 поступит на управляющий вход силового ключа 3. Си-
ловой ключ 3 откроется, и преобразовательная ячейка 1 будет периодически подключаться к источнику питания 4. Как только нагрузка 5 окажется подключенной к вторичной обмотке силового трансформатора 2, на выходе датчика нуля 8 тока нагрузки появится сигнал логической единицы, фиксирующий появление тока нагрузки. Этот сигнал приведет мультивибратор 9 в исходное состояние, а через элемент ИЛИ 10 воздействует на управляющий вход силового ключа 3. Силовой ключ 3 откроется и преобразовательная ячейка 1 окажется подключенной к источнику питания 4 до тех пор, пока не произойдет отключение нагрузки 5.
Частота и скважность появления сигнала логической единицы на выходе мультивибратора 9 может легко регулироваться в зависимости от типа нагрузки.
При отсутствии нагрузки, например, при неработающем холодильнике, преобразователь переходит в ждущий режим, его входной ток становится равен нулю и аккумуляторная батарея не разряжается.
Дальнейшим развитием схемы рис. является система управления ИПН, обеспечивающая работу нескольких электроприемников от Одного преобразователя. Когда работает один из них, другой отключен от источника энергии. Эта схема позволяет обеспечить работу, например, двух холодильников от одного источника, причем мощность ИПН определяется мощностью только одного холодильника.
Применение таких систем позволяет значительно продлить срок службы аккумуляторной батареи, уменьшить установочную мощность преобразователя и, следовательно, снизить его стоимость и повысить к. п. д. и коэффициент использования.
ТО THE QUESTION OF EFFICIENCY INCREASE OF PULSE CONVERTERS
V. V Alexandrov, V. /. Samuleev
Questions of pulse converter efficiency increase in secondary power supplies are considered in the article. The circuits providing the increase of efficiency and operating ratio of converters are given in the article.
УДК 621.314
В. В. Александров, к. т. и., профессор.
В. И. Самулеев, к. т. н., профессор.
Н. М. Гурьянов, аспирант, ВГАВТ.
603950, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЭУ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНДУКТИВНО-ЕМКОСТНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ В КАЧЕСТВЕ ИСТОЧНИКА ТОКА
В данной статье рассматриваются вопросы создания структурной схемы математической модели для исследования эксплуатационных и аварийных режимов ГЭУ с индуктивно-емкостным преобразователем.
Анализ существующих на данный момент схемных решений и исследований показывает, что работа гребной электрической установки (ГЭУ) с использованием индуктивно-емкостного преобразователя (ИЕП) изучена недостаточно. Индуктивно-
