По всем вопросам звоните:

+7 495 274-22-22

УДК: 663

Преобразователи напряжения малой и большой мощности

Шульга Р. Н. канд. техн. наук, ВЭИ – филиал ФГУП «РФЯЦ – ВНИИТФ им. акад. Е. И. Забабахина», г. Москва

Выполнен анализ схемотехники DC/DC-конверторов малой мощности с простой топологией и разного назначения. Для обратноходовых конверторов и их контроллеров выведены соотношения для токов и напряжений, обеспечивающих снижение потерь и наивысший КПД. Показано, что использование ВЧ-трансформаторов и полупроводниковых приборов на основе карбида кремния и нитрида галлия позволяет снизить массогабаритные показатели и пульсации тока, отказаться от фильтров ВЧ и повысить КПД устройств. Для конверторов большой мощности электропривода и электроэнергетики показана реализация модульной схемы, каждый модуль которой содержит последовательно соединенные инвертор, ВЧ-трансформатор и выпрямитель. Различное соединение модулей (последовательное и параллельное соединение входов и выходов) позволяет реализовать аналог силового трансформатора на постоянном токе.

Литература:

1. Розанов Ю.К. Силовая электроника: учебник для вузов. – М.: Издат. дом МЭИ, 2007. – 632 с.

2. Ивакин В.Н., Сысоева Н.Г., Худяков В.В. Электропередачи и вставки постоянного тока и статические тиристорные компенсаторы. – М.: Энергоатомиздат, 1993. – С. 335.

3. Kimbark E.W. Direct Current Transmission // Wiley Interscience. – 1971.

4. Шульга Р.Н. Приборы на основе нитрида галлия для преобразователей напряжения и частоты // Силовая электроника. – 2021. – № 6. – С. 27–31.

5. Шульга Р.Н. Приборы на основе карбида кремния – основа преобразователей для электроэнергетики // Силовая электроника. – 2021. – № 6. – С. 12–16.

6. Шульга Р.Н. Силовые полупроводниковые приборы для электроэнергетики // Оперативное управление электроэнергетикой. – 2022. – № 1. – С. 5–13.

7. Шульга Р.Н. Преобразователи частоты // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. – 2022. – № 1. – С. 3–11.

8. Шульга Р.Н. Преобразовательные подстанции на тиристорах // Оперативное управление электроэнергетикой. – 2021. – № 6. – С. 5–14.

9. Шульга Р.Н. Преобразовательные подстанции на IGBT-транзисторах // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. – 2021. – № 12. – С. 38–50.

10. DC/DC-преобразователи. – URL: http:// www. microwave-e. ru/

11. Шульга Р.Н., Стальков П.М. Системы управления и регулирования вставок и передач постоянного тока // Энергия единой сети. – 2021. – № 1 (56). – С. 43–52.

12. Шульга Р.Н., Смирнова Т.С., Стальков П.М. Разработка КЭО для ППТ и ВПТ // Энергетик. – 2021. – № 4.

13. Paulo Fisher de Toledo. Feasibility of HVDC for City Infeed // Department of Electrical Engineering Electric Power Systems. – Stockholm, 2003.

14. PWM and Control of two and three level high power Voltage Source Converters // A. Lindberg. ISSN-1100.1616. TRITA-EHE 9501. Royal Institute of Technology. – Stockholm, Sweden, 1995.

15. ATP Rule Book. Canadian/American EMTP User Group, 1992.

16. Andersen B.R., Xu L., Wong K.T.G. Topologies for vsc transmission // AC–DC Power Transmission. 28–30 November 2001. – Conference Publication. – N 485.

17. Cooperation between Line Commutated Current Source Converter and Forced Commutated Voltage Source Converters in HVDC transmission / P.F. Toledo, Å. Ekström // EPE. – Toulouse, France, 2003.

18. Tyll H.K. FACTS Technology for Reactive Power Compensation and System Control // Paper for IEEE/PES panel session on FACTS, Nov. 8–11, 04, Sao Paulo.

19. Reed G., Pape R., Takeda M. Advantages of Voltage Sourced Converter (VSC) Based Design Concepts for FACTS and HVDC–Link Application // IEEE, 2003.

20. Habur K., O'Leary D. FACTS – For Cost Effective and Reliable Transmisiion of Electrical Energy. Siemens.

21. Economic Assessment of HVDC Links. Cigré Working Group 14.20. June 2001.

22. Система передачи и распределения электроэнергии // Патент RU 2543516 C2, МПК Н02j 3/36. Бюл. № 29, 20.10. 2013.

Энергетические показатели преобразователей напряжения (ПН) достаточно освещены в [1, 2]. Применение ПН и преобразователей тока (ПТ) рассмотрено в [3–5], а их реализация приведена в [6–8].

Статические преобразователи напряжения (ПН) малой мощности в виде DC/DC-конверторов мощностью 1–100 Вт стали неотъемлемой частью гаджетов и бытовых устройств с батарейным питанием. Их применение стимулируется появлением новых приборов на основе карбида кремния и нитрида галлия, позволяющих повысить частоту коммутации с 1 до 100 кГц и снизить массогабаритные показатели и потери до минимума. С другой стороны, ПН большой мощности с сетевым питанием или от распределенных источников (фото- и ветровые энергоустановки), применяемые в электроэнергетике и электроприводе, широко используют DC/DC-конверторы, особенно модульного типа, с учетом высокой частоты коммутации также для повышения КПД и снижения габаритов и затрат.

В настоящей статье делается попытка обобщить схемотехнику подобных устройств с целью формирования рекомендаций по их проектированию. Общие принципы формирования ПН изложены в [1–3], [4–6] автором описаны ВЧ-полупроводниковые приборы на основе карбида кремния и нитрида галлия. Построение ПН и преобразовательных подстанций большой мощности также приведены автором в [7–9].

Известным является множество схем импульсных преобразователей постоянного напряжения (далее – конверторов) с разными реактивными элементами и алгоритмами преобразования [1, 10]. Более распространенными для низковольтных маломощных устройств являются схемы в виде понижающего, повышающего, инвертирующего и обратноходового конверторов, представленных на рис. 1. Эти конверторы имеют одинаковое количество элементов с разными способами коммутации накопительного дросселя L1, изменяющего тип преобразования. При этом наибольший интерес имеет обратноходовой конвертор (Flyback Converter) с гальванической развязкой и более высокой степенью преобразования напряжения [10].

Электрическая энергия преобразуется в течение двух этапов: накопления заряда дросселя и его разряда. На 1-м этапе ключ S1 замыкается. На дроссель L1 воздействует входное напряжение VL1, при котором ток растет до величины dI1 за время tON:

Для Цитирования:
Шульга Р. Н., Преобразователи напряжения малой и большой мощности. Главный энергетик. 2023;1.
Полная версия статьи доступна подписчикам журнала
Язык статьи:
Действия с выбранными: