Алтайский Краевой Инновационный Банк Данных
Министерство экономического развития Алтайского края
Управление инновационного развития и кластерной политики 
Алтайский Центр
Кластерного Развития
Инновации

Разработка новых энергоэффективных схем бестрансформаторных повышающих многоуровневых инверторов напряжения на базе вентильно-конденсаторных ячеек

Отношение к критическим технологиям:
Технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления тепла и электроэнергии


Контактная информация

ФИО пользователя
Власов Михаил Сергеевич


Почтовый адрес
,


ФИО руководителя проекта:
Лопаткин Николай Николаевич


Аннотация проекта

Оценка потенциального рынка и спроса на продукцию или услуги, планируемые к производству или оказанию в соответствии с инновационным проектом. Данные об объемах производства подобной продукции или подобных услуг в Алтайском крае, России и мире
Предлагается построение многоуровневого автономного инвертора по новой схеме, реализующей концепцию, восходящую к схеме неуправляемого выпрямителя-умножителя напряжения (E. Marx, 1924 г.), а именно управляемого периодического последовательно-параллельного переключения накопительных конденсаторов, позволяющую с помощью транзисторов подключать конденсаторы то параллельно соединенными к низковольтной сети, то последовательно соединенными к высоковольтной сети. Новые схемы вентильно-конденсаторных ячеек позволяют добиться истинного эффекта бестрансформаторного повышения напряжения, при котором не требуется ни наличие на входе многоуровневого источника постоянного напряжения или множества включаемых последовательно обычных источников постоянного напряжения, ни отдельных зарядных цепей для каждого конденсатора. При этом в каждый момент времени с выходных зажимов инвертора снимается столько уровней входного напряжения, сколько последовательно соединенных конденсаторов в той или иной полярности подключается к выходу. Здесь присущий всем многоуровневым инверторам напряжения знергосберегающий эффект усиливается благодаря устранению из структуры силового трансформатора и связанных с ним потерь мощности в меди и в стали. Максимальные значения прикладываемых к ключам напряжений равны напряжению источника постоянного напряжения, что позволяет использовать для получения высоких выходных напряжений более дешевые силовые вентили низкого класса. Возможные области применения предлагаемых повышающих инверторов напряжения – это, например, системы накопления энергии с батареями, рабочие напряжения которых (0.5-0.6 кВ) не позволяют их прямо использовать, присоединеняя к высоковольтным сетям (это можно сделать в бестрансформаторном трехфазном варианте с помощью многоуровневых преобразователей на основе предлагаемых повышающих инверторных ячеек), питания высоковольтных машин переменного тока от стандартных низковольтных сетей (с предварительным выпрямлением низкого напряжения) без использования высоковольтного трансформатора.


Назначение продукции или услуг в разрезе потребительских свойств
Предлагается построение многоуровневого автономного инвертора по новой схеме, реализующей концепцию, восходящую к схеме неуправляемого выпрямителя-умножителя напряжения еще на разрядниках (E. Marx, 1924 г.), а именно концепцию управляемого периодического последовательно-параллельного переключения накопительных конденсаторов, позволяющую с помощью транзисторов подключать конденсаторы то параллельно соединенными к низковольтной сети, то последовательно соединенными к высоковольтной сети. Новизна здесь состоит в использовании новых схем вентильно-конденсаторных ячеек, позволяющих добиться истинного эффекта бестрансформаторного повышения напряжения, при котором не требуется наличие на входе ни многоуровневого источника постоянного напряжения, ни множества включаемых последовательно обычных источников постоянного напряжения, а генерируется выходное напряжение, кратное напряжению единственного источника (или 3 источников в трехфазном варианте схемы). При этом в каждый момент времени с выходных зажимов инвертора снимается столько уровней входного напряжения, сколько последовательно соединенных конденсаторов в той или иной полярности подключается к выходу. Здесь присущий всем многоуровневым инверторам напряжения знергосберегающий эффект (связанный, в том числе, с качеством выходного напряжения) усиливается благодаря устранению из структуры силового трехфазного трансформатора и связанных с ним потерь мощности в меди и в стали. Ожидается, что в самих конденсаторах и вспомогательных цепях для ограничения их заряда потери будут примерно на порядок меньше, а потери в силовых ключах будут сопоставимы с аналогичными потерями в общепринятых структурах многоуровневых инверторов напряжения. Новые схемы вентильно-конденсаторных ячеек призваны обеспечивать создание многоуровневого автономного инвертора напряжения с возможностью формирования N неотрицательных уровней выходного напряжения, которому для питания требуется максимум один источник постоянного напряжения на фазу, с максимальными значениями прикладываемых к ключам напряжений, равными напряжению источника постоянного напряжения, что уменьшит необходимость для создания вентилей соединять по нескольку приборов последовательно, то есть упростит инвертор. Другими словами, доведена до идеала тенденция многоуровневых схем использовать для получения высоких выходных напряжений более дешевые силовые вентили низкого класса. В качестве полупроводниковой элементной базы ячеек, т. е. силовых вентилей, применяются IGBT-транзисторы с обратными диодами, которые имеют в настоящее время предельные параметры по напряжению и току, соответственно, до нескольких кВ и кА. Одна из возможных областей применения предлагаемых повышающих инверторов напряжения связана с системами накопления энергии с батареями. Рабочие напряжения батарей (до 0.5-0.6 кВ) не позволяют их прямо использовать, присоединяя к высоковольтным сетям. Это можно сделать в бестрансформаторном трехфазном варианте с помощью многоуровневых преобразователей на основе предлагаемых повышающих инверторных ячеек. Рационально также применение предлагаемых схем для питания высоковольтных машин переменного тока от стандартных низковольтных сетей (с предварительным выпрямлением низкого напряжения) без использования высоковольтного трансформатора.


Новизна предложения в технологии производства, способах использования
Предлагаемый многоуровневый инвертор использует новые схемы вентильно-конденсаторных ячеек, позволяющие добиться истинного эффекта бестрансформаторного повышения напряжения, при котором не требуется наличие на входе ни многоуровневого источника постоянного напряжения, ни множества включаемых последовательно обычных источников постоянного напряжения, а генерируется выходное напряжение, кратное напряжению единственного источника (или 3 источников в трехфазном варианте схемы). При этом в каждый момент времени с выходных зажимов инвертора снимается столько уровней входного напряжения, сколько последовательно соединенных конденсаторов в той или иной полярности подключается к выходу. Максимальные значения прикладываемых к ключам напряжений равны напряжению источника постоянного напряжения, что позволяет использовать для получения высоких выходных напряжений дешевые силовые вентили наиболее низкого класса. Таким образом, использование вентильно-конденсаторных ячеек с полярными конденсаторами позволяет устранить из структуры силовой трансформатор (в мощных инверторах - высоковольтный). Существующие схемы многоуровневых автономных инверторов напряжения, решающие те же задачи (создание систем питания для однофазных и трехфазных высоковольтных приемников переменного тока), либо построены с использованием силового трансформатора на соответствующее высокое напряжение (что снижает КПД инвертора и приводит к ухудшению его массогабаритных показателей), либо требуют наличия нескольких (по числу уровней выходного напряжения) источников постоянного напряжения или одного, но многоуровневого источника постоянного напряжения, либо требуют наличия дополнительных цепей предварительного заряда конденсаторов.


Описание области применения планируемой продукции или услуг
энергосбыт и энергоснабжение


Указание конкурентных преимуществ планируемой продукции или услуг
Общепринятыми структурами построения многоуровневых инверторов напряжения являются: 1) структуры с последовательным соединением однофазных мостовых ячеек; 2) инверторы с фиксирующими диодами (NPC); 3) инверторы с плавающими конденсаторами (FC). Всем трехфазным многоуровневым инверторам напряжения присущ знергосберегающий эффект ввиду улучшения формы питающего нагрузку (например, двигатель переменного тока) выходного напряжения (ступенчатая форма, дополненная ШИМ-переходами между соседними уровнями напряжений), что снижает потери системы от высших гармоник тока, дополнительно улучшая характеристики электромеханического преобразования энергии без применения дополнительных фильтров. Однако как указанные, так и другие виды многоуровневых инверторов напряжения требуют либо наличия нескольких (по числу уровней выходного напряжения) источников постоянного напряжения, либо одного, но многоуровневого источника постоянного напряжения. Таким образом, для получения именно повышенного (по сравнению с максимальным возможным уровнем питающего постоянного напряжения) выходного переменного напряжения необходим повышающий (в мощных инверторах - высоковольтный) силовой трансформатор, что снижает КПД инвертора и приводит к ухудшению его массогабаритных показателей. Существующие схемы многоуровневых автономных преобразователей используют концепцию Э. Маркса - управляемого периодического последовательно-параллельного переключения накопительных конденсаторов - либо только в преобразователях постоянного напряжения в постоянное, либо в инверторах напряжения, но с требованием наличия дополнительных цепей предварительного заряда конденсаторов. Таким образом, предлагаемые технические решения как самих вентильно-конденсаторных ячеек, так и автономного инвертора напряжения на их основе являются новыми по отношению к мировому уровню, что подтверждено получением патента РФ на изобретение однофазного многоуровневого автономного инвертора напряжения.


Обозначение объема платежеспособного спроса и его географии
Рынок сбыта продукции: предприятия энергосбыта и энергоснабжения в любых регионах РФ (для связи батарейных систем накопления энергии с высоковольтными сетями, организации питания высоковольтных машин переменного тока от стандартных низковольтных сетей без использования высоковольтного трансформатора).


Перечень основных публикаций и публичных выступлений, в которых отражены достигнутые результаты научно-исследовательских работ по проекту
1. Зиновьев Г.С., Лопаткин Н.Н. Многоуровневый автономный инвертор напряжения. Патент на изобретение РФ № 2393619 // Изобретения. Полезные модели: Официальный бюллетень Российского агентства по патентам и товарным знакам Бюллетень № 18, 2010.
2. Lopatkin N.N. Three-phase transformerless boost multilevel inverter with one DC voltage source // EDM’2011. Twelfth international conference and seminar on micro/nanotechnologies and electron devices. Erlagol, Altai – June 30 – July 4, 2011. Proceedings (DVD Edition). - С. 402-405.
3. Зиновьев Г.С., Лопаткин Н.Н., Скудин Д.В. Многоуровневый бестрансформаторный инвертор напряжения для высоковольтного электропривода и электроэнергетики // Актуальные проблемы электронного приборостроения (АПЭП-2010): материалы X международной конференции, Новосибирск, 2010 г. В 7 т. – Новосибирск, 2010. – Т. 7. – С. 13-17.


Текущая стадия разработки проекта
Макет, опытный образец


Форма защиты интеллектуальной собственности
Получены патенты, свидетельства


Информация об охранных документах

-

Финансовые показатели Проекта

Общая стоимость проекта (тыс. рублей)
50


Фактически профинансировано (тыс. руб.)
Всего Капитальные вложения НИОКР Прочие расходы
Федеральный бюджет 0 0 0 0
Краевой бюджет 0 0 0 0
Местный бюджет 0 0 0 0
Собственные бюджет 0 0 0 0
Привлеченные средства 50 0 50 0

Перечень работ, необходимых для доведения проекта до стадии коммерческого использования
Направление расходов Содержание Стоимость (тыс. руб.)
Капитальные вложения
Всего, в том числе 0
НИОКР
Всего, в том числе 0
Прочие расходы
Всего, в том числе 0
ИТОГО: 0

Срок реализации Проекта (месяцев)
12


Срок окупаемости инвестиций (месяцев)
12


Формы сотрудничества

- Финансовые ресурсы
- Совместные исследования и разработки
- Совместная реализация продукции
- Продажа продукции, технологии


Потенциальный промышленный партнер:
вузы, НИИ, промышленные предприятия


Информация о прохождении экспертиз

Вид экспертизы Организация, проводившая экспертизу Дата проведения экспертизы
Государственная нет
Экологическая нет
Кредитная нет
Независимая нет

Ключевые слова

-


Графические, презентационные, текстовые и иные материалы к проекту

-