"Eesti Teadusfondi uurimistoetus" projekt ETF8538
ETF8538 "Kvaasi-impedantsallikaga alalis- ja vahelduvpingemuundurid (1.01.2011−31.12.2014)", Dmitri Vinnikov, Tallinna Tehnikaülikool, Energeetikateaduskond.
ETF8538
Kvaasi-impedantsallikaga alalis- ja vahelduvpingemuundurid
Quasi-Impedance Source DC/DC and AC/AC Converters
1.01.2011
31.12.2014
Teadus- ja arendusprojekt
Eesti Teadusfondi uurimistoetus
ValdkondAlamvaldkondCERCS erialaFrascati Manual’i erialaProtsent
4. Loodusteadused ja tehnika4.8. Elektrotehnika ja elektroonikaT170 Elektroonika 2.2. Elektroenergeetika, elektroonika (elektroenergeetika, elektroonika, sidetehnika, arvutitehnika ja teised seotud teadused)100,0
AsutusRollPeriood
Tallinna Tehnikaülikool, Energeetikateaduskondkoordinaator01.01.2011−31.12.2014
PerioodSumma
01.01.2011−31.12.201113 560,00 EUR
01.01.2012−31.12.201213 560,00 EUR
01.01.2013−31.12.201313 560,00 EUR
01.01.2014−31.12.201413 560,00 EUR
54 240,00 EUR

Kvaasi-impedantsallikaga muundur (Quasi-Z Source Converter, qZSC) on uus muunduritopoloogia, mis sobib tänu kõrgele töökindlusele ja ainulaadsele võimele samas moodulis pinget tõsta ja langetada, kasutamiseks erinevates rakendustes. Kvaasi-impedantsallikas toodi impedants-tüüpi allika edasiarendusena avalikkuse ette aastal 2008. Kvaasi-impedantsallikaga muundur kujutab endast omalaadset mahtuvuste, dioodide ning induktoritega ahelat (qZS-tüüpi allikas) mis ühendatakse tavapärase vaheldiga. Erinevalt tavalistest pingeallika tüüpi muunduritest (Voltage Source Converter, VSC) saab qZS-tüüpi allikaga muundur alalispinget tõsta, kasutades spetsiaalset lühisolekut, mille kestel lülitatakse sisse mõlemad vaheldi samas sillaõlas asuvad transistorid. Seda talitlusviisi ei saa kasutada tavapärastes pingeallika tüüpi vaheldites, kuna see põhjustaks alalispingesiini kondensaatorite lühistumise ja lubamatult suure voolu tagajärjel seadme riknemise. Kvaasi-impedantsallikas piirab lühisolekus voolu tõusu, kaitstes transistore riknemise eest ning kasutades antud olekus induktiivpoolidesse salvestatud energiat pinge tõstmiseks. Antud projekt on suunatud kvaasi-impedantsallikaga alalis- ja vahelduvpingemuundurite teoreetiliseks ja eksperimentaalseks uurimiseks. Kuna mainitud topoloogia puhul on tegemist uudse pinget tõsta ning langetada võimaldava muundurite perekonnaga on arendustöö põhiraskus suunatud mainitud seadmete kasuteguri ja kasutatavuse optimeerimisele.Arendustöö on jagatud kolme eri suunda: kvaasi-impedantsallikaga muundurite topoloogiate süntees, analüüs ja optimeerimine, kasutatavate aktiiv- ja passiivkomponentide töö analüüs ning kvaasi-impedantsallikaga muundurite juhtalgoritmide väljatöötamine. Projekti peamine eesmärk on välja töötada ning katseliselt kontrollida uusi kvaasi-impedantsallikate skeemilahendusi, talitlusviise, juhtimisalgoritme ning projekteerimisjuhiseid, mis võimaldab arendada kvaasi-impedantsallikatel põhinevaid muunduriliike ja laiendada antud tehnilise lahendusega seadmete kasutusala (taastuvenergeetika, nutikad võrgud, meditsiin, merendus, lennundus, transport jne). Projekti oodatavad tulemused annaks panuse jõuelektroonika ning töökindlate ja energiasäästlike muundurseadmete arengu kiirendamisesse. Plaanitav arendustöö on pälvinud juba suure tööstusettevõtete poolse huvi nii Eestist (Nelja Energia OÜ, Estel Elektro AS jne) kui ka välismaalt (Vardar Eurus, C&T Elmech jne) kes ootavad teadus- ja arendustöö praktilisi tulemusi.
Quasi-impedance source converter (qZSC) is a brand new topology suitable for different applications because of its excellent reliability and unique capability of voltage boost and buck functions in a single stage. The qZSC was introduced in 2008 as a modification of the impedance-source converter(ZSC). In simple terms, the qZCS could be represented by the PWM inverter coupled with the unique two-port LC and a diode network (quasi-impedance (qZS)-network). In contrast to traditional voltage source converters (VSC), the qZCS can boost the input voltage by introducing a special shoot-through switching state, i.e. the simultaneous conduction (cross conduction) of both switches of the same phase leg of the inverter. This switching state is forbidden for the traditional voltage source inverters (VSI) because it causes the short circuit of the DC-link capacitors and could destroy the converter. In the new proposed qZCS the qZS-network will effectively protect the circuit from damage when the shoot-through occurs, moreover, the shoot-through states enable the qZS-network to boost the DC-link voltage. Given project is devoted to the comprehensive theoretical and experimental study of quasi-impedance source DC/DC and DC/AC converters. Since the qZSC represents a brand new integrated boost-buck converters family, the main research efforts will be concentrated on the optimization of efficiency and flexibility of these converters. The research will be performed in three different directions: optimization and synthesis of qZSC topologies, analysis of new active and passive components and elaboration of special control algorithms for the qZSC. The main goal of the project is to develop and experimentally validate new methods, topologies, control algorithms, and design guidelines, which will substantially contribute to the further improvement of the qZSI-based topologies and will help to extend their application possibilities (renewable energy, energy storages, micro- and smart grids, medicine, telecom, marine, aerospace, etc.). The results expected from the project would substantially contribute to the faster development of modern energy efficient power electronics and reliable and sustainable power engineering. The research proposed has already gained a high interest from industry: Estonian companies (Nelja Energia OÜ, Estel Elektro AS, etc.) as well as several foreign enterprises (Vardar Eurus, C&T Elmech, etc.) have shown their interest towards the proposed research.
Grandi esimesel aastal (2011) põhjalikult uuriti kvaasi-impedants (qZ) tüüpi sisendfiltriga alalispingemuundureid. Töötati välja qZ-tüüpi sisendfiltriga alalispingemuunduri katseseade võimsusega 2.5 kW, selle seadme qZ-tüüpi sisendfiltri projekteerimismeetoodika ja qZ tüüpi alalispingemuundurite juhtimis-, diagnoostika ja kaitsealgoritmid. Esitati patenditaotlus „Meetod lühisolekute tekitamiseks plokkjuhtimisega impedants-, kvaasi-impedants- ja trans-impedants-tüüpi vahelditele“. Aastal 2012 pakuti välja ja katseliselt uuriti mitmeid uusi kvaasi-impedantsallikal põhinevaid alalispingemuundurite skeemilahendusi: kaskaadlülituses kvaasi-impedantsallikaga alalispingemuundur, lülitatava induktoriga kvaasi-impedantsallikaga alalispingemuundur, kvaasi-impedantsahelaga vastastaktlülituses pinget tõstev alalispingemuundur, magnetiliselt seotud mitmikväljundiga alalispingemuundur jne. Aastal 2013 katseliselt uuriti mitmeid uusi kvaasi-impedantsallikal põhinevaid vahelduvpingemuundurite skeemilahendusi: vahelduvpingemuundurid kaskaadlülituses kvaasi-impedantsallikaga, lülitatava induktoriga vahelduvpingemuundur ja kvaasi-impedantsahelaga kolmetasandiline neutraaliühtlustusega vaheldi. Esmakordselt uuriti uute jõupooljuhtseadeldiste (GaAs, SiC) kasutamist kvaasi-impedantsallikaga muundurites.Teadustöö 2014 aastal keskendus vähendatud lülituselementide arvuga impedants-tüüpi muundurite topoloogiate sünteesile ja impedants-tüüpi pingemuundurite juhtimissüsteemiga seotud EMI probleemide uurimisele (sh põhiliste häireallikate lokaliseerimine, matemaatiliste mudelite koostamine, EMI kaitsemeetodite väljatöötamine, analüüs ja eksperimentaalne uurimine). Perioodil 2011 - 2014 on grandi teema kõigi alateemade peale kokku avaldatud üle 70 eelretsenseeritud publikatsiooni sh 15 kategooriast 1.1, 15 kategooriatest 1.2 ja 1.3 ja 38 kategooriast 3.1. Lisaks sellele on saadud 3 Eesti patenti ja esitatud 1 Läti ja 1 USA patenditaotlus. Uurimistöö teemal kaitsti 7 doktoritööd. Väljapaistvate teadustulemuste eest pälvis grandi meeskond 2014. a. veebruaris Eesti Vabariigi Teaduspreemia.