Разработка методов повышения эффективности преобразования и увеличения мощности многоуровневого силового инвертора

Проект ИРН AP13268732 выполняется в рамках грантового финансирования молодых учёных по проекту «Жас ғалым» финансируемого Комитетом науки Министерства науки и высшего образования Республики Казахстан.

Руководитель проекта (постдокторант): Молдахметов С.С., PhD, ст. преподаватель кафедры «Энергетика и радиоэлектроника» (эл. почта sayatmoldakhmetov@gmail.com, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2432-7983, h-индекс = 2 (Scopus), Scopus Author ID: 56964373400).

Научный консультант (консультант): Ивель В.П., д.т.н., профессор кафедры «Энергетика и радиоэлектроника» (эл. почта ivelvic@mail.ru, h-индекс = 1 (Scopus), Author ID в Scopus: 57200412147).

Сроки исполнения: 01.05.2022 - 31.12.24 г.

Продолжительность: 32 месяца.

Общий объем финансирования: 18 965 325 тенге.

Цель проекта: Разработка многоуровневого автономного силового инвертора повышенной мощности за счет использования силовых транзисторных модулей, топологии и методики коммутации, также обеспечивающих низкий коэффициент гармонических составляющих выходного напряжения, что позволит повысить коэффициент мощности, коэффициент полезного действия и улучшить качество преобразуемой электроэнергии без использования выходных фильтров.

Ожидаемые результаты: В результате реализации Проекта на основе разработанного опытного образца запланировано создание экспериментальной установки для Лаборатории возобновляемых источников энергии при Северо-Казахстанском университете им. М. Козыбаева, которая могла бы стать базой для создания опытных образцов автономных инверторов, способствовать развитию данного научного направления и подготовки молодых ученых в области силовой электроники и альтернативной энергетики.

Описание проекта: Результаты реализации проекта позволят повысить мощность и эффективность автономных солнечных или малых ветряных электростанции, повысить качество электроэнергии для потребителей. Это в свою очередь позволит сделать такие источники альтернативной электроэнергии более привлекательными для автономного электроснабжения частных домов и фермерских хозяйств в Республике Казахстан.

Повышение мощности автономного силового инвертора предполагается произвести за счет использования специальной схемы подключения силовых транзисторных модулей, способных коммутировать большие токи. Для этого необходимо разработать специальные алгоритмы коммутации, драйверные гальванические развязки для управления силовыми модулями, микроконтроллерную систему для управления большим количеством силовых компонентов, а также системы защиты, предотвращения аварийных режимов работы.

Повышение качества преобразуемой электроэнергии планируется достичь за счет использования разработанной ранее методики коммутации уровней напряжения многоуровневого инвертора. Разработанная методика коммутации способствует повышению качества электроэнергии, вырабатываемой автономными силовыми инверторами, за счет большей синусоидальности выходного напряжения.

Снижение себестоимости разрабатываемого инвертора планируется достичь за счет использования специальной топологии построения инвертора, которая отличался от известных аналогов меньшим количеством дорогостоящих силовых полупроводниковых элементов. Это также позволит увеличить эффективность преобразования электроэнергии. Меньшее количество силовых полупроводниковых элементов позволит сократить уровень статических и динамических потерь, а значит увеличить КПД всей системы. Использование гетероструктурных транзисторных модулей с высокой подвижностью электронов также позволит значительно снизить объем потерь.

Помимо этого, разрабатываемый инвертор по сравнению с аналогами будет иметь преимущество по массогабаритным показателям. Это связано с отказом использования трансформатора для повышения напряжения. Ступени напряжения планируется складывать путем использования специальных конверторов.

Проделанная работа:

По результатам научно-исследовательской работы осуществлены следующие задачи:

- разработан опытный образец автономного силового инвертора с синусоидальным выходным напряжением и мощностью до 30 кВт.

- разработана электрическая принципиальная схема автономного силового инвертора.

- для реализации опытного образца силового инвертора произведен выбор и расчет силовых компонентов, произведен расчет режима работы силовых транзисторных модулей, приобретены силовые компоненты для изготовления инвертора.

- для реализации опытного образца силового инвертора с использованием САПР easyEDA были разработаны печатные платы.

- для проведения экспериментальных исследований и введения в эксплуатацию опытного образца силового инвертора подготовлена ветроэнергетическая установка малой мощности, установленная на железобетонную опору высотой 9,5 м, находящуюся на территории студенческого городка СКУ им. М.Козыбаева между студенческим общежитием №2 и общежитием №3.

- для микроконтроллерной системы управления разработан программный код на языке С++.

- разработано устройство для управления от микроконтроллера силовыми модулями IGBT BSM1Х0GB120DN2, обеспечивающего при этом стабильный и надежный процесс управления, высокую электрическую прочность гальванической развязки силовой цепи и устройства управления, позволяющей снизить риск поражения человека электрическим током.

- получен патент №9091 на полезную модель «Система сбора и обработки данных для анализа почв». Система представляет собой набор из одного стационарного модуля приема данных и нескольких модулей сбора и передачи данных для анализа почвы, каждое из которых использует фотоэлектрический преобразователь в качестве основного источника питания.

- были разработаны печатные платы  опытного образца силового инвертора и создано описание принципа работы  опытного образца силового инвертора.

- в программе easyEDA были разработаны печатные платы для сборки и монтажа всех силовых компонентов, системы управления, а также всех датчиков.

- так как срок службы транзисторных ключей зависит от температуры их эксплуатации, было рассчитано эффективное охлаждение для надежной и долгой работы всей инверторной установки.

- разработана ветроэнергетическая установка малой мощности для проведения экспериментальных исследований и введения в эксплуатацию опытного образца силового инвертора.

Статьи и патенты:

1. Anarbayev A., Moldakhmetov S., Talipov O., Kazanbayeva A. Research on the exposure of radio-electronic equipment to ultrashort electromagnetic pulses and microwave radiation (2023) ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 18 (11), pp. 1300 – 1308. DOI: 10.59018/0623168
2. Aubakirova G., Ivel V., Gerassimova Y., Moldakhmetov S., Petrov P. Application of artificial neural network for wheat yield forecasting (2022) Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3 (4-117), pp. 31 - 39, DOI: 10.15587/1729-4061.2022.259653
3. Патент № 7825 на полезную модель «Устройство гальванической развязки для управления биполярными транзисторами с изолированным затвором»
4. Патент № 9091 на полезную модель «Система сбора и обработки данных для анализа почв»
5. Патент № 7960 на полезную модель «Способ инжекции электромагнитного импульса на интегральные микросхемы»