Матрично-топологічний синтез структур вентильних перетворювачів

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ

 

На правах рукопису

 

АРТЕМЕНКО Михайло Юхимович

 

УДК 621. 314. 58

 

 

Спеціальність: 05. 09. 12 – Напівпровідникові перетворювачі електроенергії

 

 

Київ – 1998

 

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі промислової електроніки Національного технічного університету України «КПІ» Міністерства освіти України, м. Київ.

Науковий консультант – доктор технічних наук, професор Жуйков Валерій Якович, національний технічний університет України «КПІ», завідувач кафедри.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Долбня Віктор Тимофійович, Харківський Державний політехнічний університет, професор кафедри; доктор технічних наук, старший науковий співробітник Павлов Віктор Борисович. Інститут електродинаміки НАН України; провідний науковий співробітник; доктор технічних наук, професор Рябенький Володимир Михайлович, український державний морський технічний університет «МКІ», м. Миколаїв, завідувач кафедри.

Провідна установа – Національна гірнича академія України Міністерства освіти України, м. Дніпропетровськ, кафедра систем електропостачання.

Захист відбудеться 30 грудня 1998 р. об 1100 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26. 187. 01 в Інституті електродинаміки НАН України, за адресою: 252680, Київ – 57, пр. Перемоги, 56, тел. 446-91-15.

 

 

Енергозберігання є пріоритетним напрямком державної політики України. Аналіз процесів вироблення, передачі та перетворювання енергії свідчить, що величезні резерви містяться на этапі її перетворювання, частка якого складає до 60% об'єму виробленої електроенергії. В цьому зв’язку зростає значення ефективності розробки пристроїв перетворювальної техніки, основу яких складають напівпровідникові перетворювачі електроенергії.

Актуальність теми. Базовими елементами перетворювальних пристроїв є електричні вентилі  силові напівпровідникові прилади, які працюють в ключовому режимі (транзистори, тиристори, діоди). Специфіка вентилів як істотно нелінійних елементів електричних кіл обумовила розвиток науково-дослідних робіт по моделюванню, аналізу та синтезу вентильних перетворювачів (ВП). У працях вітчизняних та зарубіжних вчених академіків Чиженка І.М., Шидловського А.К., члена-кореспондента Волкова І.В., д. т. н. Долбні В.Т., Каганова І.Л., Лабунцова В.О. закладені теоретичні основи аналізу, розробки та проектування таких классів перетворювальних пристроїв, як керовані випрямлячі, автономні інвертори, компенсатори реактивної потужності, індуктивно-ємнісні перетворювачі, перетворювачі частоти, широтно-імпульсні перетворювачі.

Однак до теперішнього часу пошук нових схем перетворювачів ведеться переважно інтуїтивно на базі попереднього досвіду розробника, що не дає можливості підтвердити або спростувати повноту отримуваних схемних рішень, а отже, і не гарантує оптимальності кінцевого результату. Значно підвищити ефективність розробки пристроїв перетворювальної техніки можливо в процесі комп’ютерного проектування, на першому етапі якого як база даних використовуються повні набори схем різноманітних класів ВП. Науково обгрунтований синтез структур вентильних перетворювачів є однією з найскладніших та найменш розв'заних проблем сучасної перетворювальної техніки. Існуючі методи синтезу здебільшого орієнтовані на окремі класи ВП і мають обмежені можливості. Відсутня загальна теорія генерації повних наборів схем перетворювальних пристроїв з вентилями, не формалізовані властивості ВП та критерії працездатності. Усе це визначає актуальність проблеми розробки та практичного застосування методу структурного синтезу ВП, орієнтованого на цілеспрямований пошук повних наборів схем із заздалегідь заданими властивостями.

Зв’язок дисертації з науковими програмами, планами, темами. Науково-дослідна робота за темою дисертації проводилась у відповідності з Координаційним планом АН УРСР на 1985-1990 рр. (комплексна проблема «Наукові основи електроенергетики», п. 1. 9. 2. 2. 1. 1. 1), та згідно з Державною науково-технічною програмою Міністерства України у справах науки і технологій на 1997-1998 р. р. “Високоефективні енергозберігаючі енерготехнологічні та електротехнічні системи” (шифр 04. 08).

Мета та основні завдання наукового дослідження. Метою дисертаційної роботи є подальший розвиток теоретичних положень побудови схем вентильних перетворювачів і створення на їх основі матрично-топологічного методу структурного синтезу ВП для отримання повних наборів схем основних класів ВП із заданими властивостями, виявлення серед них нових та вибір оптимальних схем за заданими критеріями.

Для досягнення мети в дисертації вирішувалися такі основні завдання:

•розвиток матрично-топологічної теорії побудови схем ВП та розробка на її основі методу структурного синтезу ВП із застосуванням головної топологічної матриці (ГТМ)

•розробка методик генерації повних наборів схем основних класів ВП шляхом використання розробленого методу синтезу у вигляді повного та цілеспрямованого перебору, а також застосування його до макромоделей складових частин ВП у вигляді підсхем;

•розробка методу аналізу двоінтервальних перетворювачів постійної напруги та адаптація його до матрично-топологічної форми синтезу з метою реалізації властивостей, що задаються при аналітичній побудові вказаних перетворювачів;

•виявлення та розробка нових схем ВП;

•розробка критеріїв вибору оптимальних схемних рішень окремих класів ВП для заданих умов експлуатації;

•розробка та впровадження промислових зразків ВП, побудованих за новими схемами, програмного забезпечення методів аналізу та синтезу для вибору оптимальних варіантів ВП за заданим критерієм.

Наукова новизна одержаних автором результатів полягає в наступному:

1. Обгрунтовані нові теоретичні положення, що розвивають матрично-топологічну теорію синтезу вентильних перетворювачів на основі головної топологічної матриці із застосуванням топологічних критеріїв працездатності та топологічних еквівалентів властивостей схем, що синтезуються.

2. Відкриті не відомі раніше топологічні закономірності, притаманні схемам вентильних перетворювачів, які дозволяють скоротити число комбінаторних варіантів з’єднання елементів у процесі синтезу, а саме: