1

РЕЗЮМЕТА

на трудове на доц. д-р инж. Венцислав Цеков Вълчев

представени за участие в конкурс за ‘професор’ в професионално направление

5.2. Електротехника, електроника и автоматика, по научна специалност

‘Индустриална Електроника’, публикуван в Държавен вестник, брой 1, от 04.01.2013 г.

За участие в конкурса са предложени 73 научни труда и 2 учебника и учебни

пособия, публикувани след хабилитация за доцент, разпределени както следва: I. Статии в международни научни списания в чужбина 5 бр.; II. Статии в научни списания и годишници в България 18 бр.; III. Доклади в международни конференции в чужбина 29 бр.; IV. Доклади в международни конференции в България 20 бр.; V. Книги (1 бр. на китайски език )- 1 бр.; VI. Учебници и учебни пособия - 2 бр..

От представените за участие в конкурса научни трудове 19 публикации са в база данни

Scopus. Научните трудове представени за участие в конкурса имат сумарно IF =2,35.

Трудовете, представени за участие в конкурса, са разделени в две групи.

Първата група (А), общо 41 публикации са обединени като равностойни на

монографичен труд на тема ‘ИЗСЛЕДВАНЕ, МОДЕЛИРАНЕ И ПРОЕКТИРАНЕ НА СИЛОВИ

ЕЛЕКТРОННИ ПРЕОБРАЗУВАТЕЛИ’:

Статии в международни научни списания в чужбина 5 бр.;

Статии в научни списания и годишници в България 10 бр.;

Доклади в международни конференции в чужбина 17 бр.;

Доклади в международни конференции в България 9 бр..

Тематично трудовете от група А са систематизирани в следните области :

1. Нови схемни решения и методи за проектиране на силови електронни преобразуватели за ветрогенератори, (8 публикации);

2. Нови схемни решения на силови електронни преобразуватели чрез комбиниране на IGBT и MOSFET ключове, (5 публикации);

3. Изследване и методи за проектиране на силови електронни преобразуватели за токозахранващи устройства, (6 публикации);

4. Разработване на методи и схемни решения за управление и измервания на силови електронни преобразуватели, (8 публикации) ;

5. Анализ, изследване, модели и методи за проектиране на магнитни компоненти за силови електронни преобразуватели, (14 публикации).

Втората група (Б и В) включва 34 труда, разпределени както следва:

Статии в научни списания и годишници в България 8 бр.;

Доклади в международни конференции в чужбина 12 бр.;

Доклади в международни конференции в България 11 бр;.

Книги (1 бр. на китайски език ) 1 бр.;

Учебници и учебни пособия 2 бр..

Тематично тези 34 труда са в следните области: 1. Проектиране, изследване и експериментиране на електронни системи за ВЕИ.

2. Системи и методи за изследване и оценка на енергийния потенциал на ВЕИ.

3. Проектиране, изследване и експериментиране на електронни устройства за

измерване и преобразуване на електрическа енергия.

4. Системи за управление, проектиране и диагностика на електронни устройства.

2

А. Публикации, равностойни на монографичен труд

I . Статии в рецензирани научни списания в чужбина, общо 5 броя

[A1] Marinov A. S., V. C. Valchev, “Efficiency enhancement of four-quadrant PMDC motor control trough combination of power electronics switches”, Journal of Energy and Power Engineering, USA , September – October, 2011, ISSN 1934-8975 и “EPE-PEMC’2010”, 6-8 September, 2010, pp. T6-61:T6-69, Ohrid, Macedonia, ISBN 978-1-4244-7854-5. (забележка: от списанието предложиха публикуването след подобрения на статията).

Поради възможността за реализиране на управление, предлагащо голямо точност и линейност при регулиране, постояннотоковите двигатели с постоянни магнити (ПДПМ) са често срещани в практиката. Характерно за управлението на този тип двигатели е че силов)електронен преобразувател (СЕП), регулиращ тока и напрежението, трябва да бъде оразмерен за пълната мощност на електрическата машина. Така съществено изискване за ефективната работа на цялостната система е осигуряването на минимални електрически загуби в регулиращия СЕП.

Статията представя две нови решения, посредством които ефективността на силовия електронен преобразувател, реализиран чрез конвенционална схема може да бъде повишена средно с между 2% и 3%. В основата на предложените решения е комбинирането на полупроводникови ключове в силовите рамена на мостовата схема. Първото предложение разглежда използването на комбинация от биполярен транзистор с изолиран гейт (IGBT) и полеви транзистор с изолиран гейт (MOSFET), а второто комбинация между тиристор (SCR) и MOSFET. Предимството на предложените комбинации пред класическата реализация, базирана изцяло на MOSFET, се състои в намаляването на загубите от превключване - Psw, и по конкретно тези обусловени от обратното възстановяване на анти-паралелните диоди.

Двете предложени схеми са детайлно анализирани при работата им за управление на ПДПМ. Разгледани са процесите в схемата и са отбелязани основните параметри, които повишават ефективността. Описани са основните предимства и методите за тяхното постигане.

Проведено е изследване и анализ за приложимостта на предложените комбинации. Изготвен е сравнителен анализ с конвенционална схема използваща само MOSFET. Анализът се базирана на статистическа извадка на параметрите на елементите, чрез които могат да бъдат реализирани схемите. Изведени са графични зависимости за загубите от проводимост за трите вида разглеждани ключове: Pcond=I.Von за IGBT и SCR и Pcond=I

2.Rds(on)

за MOSFET; загубите от обратното възстановяване на анти-паралелните

диоди, зададени посредством:

onrr

onrrdconrr It

dtdi

IQVfIP ).

/.2(..)( ;

икономическата ефективност на предложените комбинации. Проведени са симулационни и експериментални изследвания, сравняващи работата на различните комбинации схеми и резултатите са представени таблично.

Обосновани са съответни предимства на различните комбинации от ключове по отношение на к.п.д и цена на ЕП.

3

[A2] Marinov A. S., V. C. Valchev, ‘Power loss reduction in electronic inverters trough IGBT-MOSFET combination’ Procedia Earth and Planetary Science, Volume 1, Issue 1, Elsevier, Pages 1539-1543, ISSN 1878-5220, 2009.

Намаляването на загубите в силовите електронни преобразуватели с

широчинно импулсно (ШИМ) регулиране е важна и нелека задача. Особено е

изразен проблемът при управление на електрически машини, тъй като товарът в

този случай е индуктивен, което води до значителни загуби при обратното

възстановяване на анти-паралелните диоди на силовите електронни ключове.

Използването на MOSFET води до високи загуби на анти-паралелните им диоди,

тъй като същите са с ниски показатели (заряд на обратно възстановяване - Qrr; ток

на обратно възстановяване - Irr, време за обратно възстановяване - trr), поради

паразитният им характер. Използването на IGBT води до намаляване на загубите на

анти-паралелните диоди, но и до по-големи загуби при изключване на силовия

ключ, породени от явлението "токова опашка". Настоящата статия предлага нов вид

конфигурация, при която комбинирането на MOSFET и IGBT в една схема

позволява предимствата на двата прибора да се съчетаят и съответно да се избягнат

описаните по-горе недостатъци.

Предложен е нов вид мостов инвертор на база на комбинация между

електронни ключове - MOSFET и IGBT при подходящ начин на

управление. Постигнато е намаляване на общите загуби във силовите

ключове и анти-паралелните диоди. MOSFET са използвани като "горни"

транзистори, а IGBT като "долни" транзистори. При предложената

конфигурация и начин на управление високочестотните комутации, свързани с

ШИМ поредицата за регулиране на изходното напрежение, се прилагат само

на MOSFET транзисторите, докато IGBT са отпушени през целия съответен

полупериод, т.е. комутират се с ниска честота. Този метод на управление

осигурява допълнително намаляване на комутационните загуби.

Реализиран е експеримент с предложеното комбинирано MOSFET-IGBT

рамо работещо при R-L товар. Посредством цифров осцилоскоп са измерени

тока и напрежението описващи комутационните процеси в схема изградена

само с MOSFET, само с IGBT и при комбинация на IGBT и MOSFET.

Представени са серия от графики, включващи времедиаграмите на

измерените токове и напрежения, визуализиращи предложената идея.

Проведените изчисления доказват предимствата на предложения инвертор

за намаляване на общите загуби на база на направено сравнение с

конвенционално реализирани схеми само с MOSFET или само с IGBT

транзистори .

Предложено е приложение на мостовия инвертор, базиран на MOSFET-

IGBT рамо в система за комбинирано производство на топлинна и

електрическа енергия. Приложението включва управлението на синхронна

машина с постоянни магнити (PMSM/BLDC) в двигателен и генераторен

режим на работа. Така описаната схема позволява двупосочно предаване на

електрическа енергия от електрическата мрежа към електрическата машина

и обратно, като електронното преобразувание става при минимални

комутационни загуби.

4

[A3] Nikolov G. T., V. C. Valchev, ‘Nanocrystalline magnetic materials versus

ferrites in power electronics’, Procedia Earth and Planetary Science, Volume 1,

Issue 1, Elsevier, Pages 1357-1361, ISSN 1878-5220, 2009.

При съвременните повишаващите се изисквания към индустриалните

електронни устройства подобряване на параметрите на техните компоненти е

изключително важно. В последните години традиционно използваните феритни

материали при високи работни честоти по-често се заменят с нанокристални

магнитни материали. Нанокристалните магнитно меки материали (МММ) са сплави

на желязото и/или никела с редица други елементи. Общата им химическа формула

има вида FeSiBCuNb, като различните модели имат различно процентно

съотношение. Тези материали са наследници на аморфните МММ и имат редица от

техните положителни качества. За производството на нанокристалните МММ се

използват същите технологични процеси, като при аморфните. Допълнително е

въведено закаляване при температура около 500-550°С, заедно с прилагането на

напречно и/или надлъжно магнитно поле. По този начин се формират области с

локална кристализация с размери няколко нанометра, от където произхожда и

името им. Част от отличните характеристики на материала са ниски загуби, високи

магнитна проницаемост, индукция на насищане и работна температура.

Статията предлага обзор и оценка на качествата, както на феритните така и

нанокристалните МММ. Анализирани са редица специфични характеристики,

които материалите притежават, както и на тяхното конкретно приложение.

Акцентирано е върху загубите в МММ. Представено е детайлно описание на

четири различни материала Vitroperm 500F (производство на Vaccumschmelze)

и 3F3 (Ferroxcube), N67 и N87(Epcos).

Проведени са експерименти с магнитни компоненти, реализирани с

четирите материали. Изследвани са основни функционални параметри и

загубите в компонентите при правоъгълно напрежение с различен коефициент

на запълване δ, променящ се в диапазона от 50% до 5%. Честотата на

напрежението е избрана да е 100kHz, а магнитната индукция 0,1Т. За тези

стойности има достатъчно информация от производителя и други източници,

които могат да бъдат използвани за допълнителна верификация на данните.

Показани са резултати и данни от проведените експерименти. Графично е

представена зависимостта на специфичните загуби на материалите в

зависимост от формата на работното напрежение. От същата графика ясно се

виждат многократно по-малките загуби при нанокристалния материал.

Проектирани, реализирани и изследвани са компоненти за реално

индустриално устройство - феритен и нанокристален трансформатор за

високочестотен заваръчен токоизточник, работна честота 100 kHz, мощност

4,5 kW. Двата трансформатора имат идентични функционални параметри.

Проведени са изследвания и анализ на получените резултати. Представени са

таблици с обобщение на резултатите от проектирането.

Дефинирани са основни изводи от сравнението на двата МММ: загубите в

сърцевината от нанокристален МММ са 2 до 3 пъти по-малки в сравнение с

феритните материали, а подобрението в обем и тегло са около 60%.

В статията има представени четири фигури и три таблици. Цитирани са 19

литературни източника.

5

[A4] Valchev V. C., A. Van den Bossche, P. Sergeant, ‘Core losses of nanocrystalline

soft magnetic materials under square voltage’, 2008, Journal of Magnetism and

Magnetic Materials, USA, Vol. 320, Jan., pp.53-57, ISSN 0304-8853.

Нанокристалните магнитно меки материали (МММ) комбинират висока

магнитна проницаемост 000,500000,15 r , висока индукция на насищане

TBsat 2.1 и относително ниски загуби при високи честоти. С тези си качества

превъзхождат феритните материали при приложения в индустриалната

електроника. Производителите на МММ обаче предоставят информация за

загубите на материала само при синусоидални напрежения. В индустриалната

електроника и по конкретно в силовата електроника, напреженията са

обикновено правоъгълни с променлив коефициент на запълване D.

Предлаганите от производителите данни са само за синосоудално

напрежение. Настоящата статия представя модели и експериментални

измервания на загубите на нанокристални МММ при правоъгълни

напрежения с променлив коефициент на запълване D.

Представен е широко-честотен модел на загубите в лентови МММ,

включително и нанокристални МММ. Моделът използва импедансна

функция )( jZc за представяне на магнитната проницаемост.

Проведени са измервания и е направено сравнение на специфичните

загуби в нанокристални МММ (Vitroperm 500) при синосуидални

напрежения measP с резултати получени от предложения модел )(SR , с

което е доказана валидността на модела при синосуидални

напрежения.

Проведени са измервания на специфичните загуби в МММ при

правоъгълно напрежение – мостова схема, като функция на

коефициента на запълване D при различни честоти: 20kHz, 100kHz и

ТB 1.0 за три различни сърцевини на материал Vitroperm 500.

Установено е, че при промяна на коефициента на запълване D от 5%

до 50% загубите се променят до 4 пъти.

Доказана е валидността на предложения модел при правоъгълно

напрежение с променлив коефициент на запълване D.

Доказано е, че класическата теория за оценка на загубите на база на

пиковата стойност на индукцията води до 3-4 пъти по малки резултати

в сравнение с реалните резултати при крайни стойности на

коефициента на запълване D (5%).

Статията е разработена в рамките на научно-изследователски проект

NATO Reserch Programe, Project RIG.918.482.

6

[A5] Van den Bossche A., V. C. Valchev, ‘Modeling Ferrite Core Losses in Power

Electronics’, Journal of Int. Review of Electrical Engineering, IREE, United

Kingdom, February, 2006, ISSN1827-6600.

Загубите в магнитните компоненти могат да бъдат разделени на два основни

вида - загуби в намотките и загуби в магнитно мекия материал (МММ). Статията

предлага обстоен анализ на загубите в МММ, и по-точно при феритните материали,

при типични за силовата електроника условия (напрежение и ток с

несинусиоидална форма).

Разгледан е известния модел ‘Modified Steinmetz Equation’ (MSE) за

прогнозиране на загубите при несиносуидални форми на напрежението и

тока.

Анализирани и сравнение са три модела предложени от авторите:

NSE Natural Steinmetz Extension, (Естествено разширяване на уравнението

на Стейнмец);

DNSE Double Natural Steinmetz Extension (Двойно естествено разширяване

на уравнението на Стейнмец);

DNSE Double Natural Steinmetz Extension with DC bias (Двойно естествено

разширяване на уравнението на Стейнмец при постоянно токово

подмагнитване)

Предоставени са уравнения за определяне на нужните параметри на

изразите на моделите. Важна особеност на трите модела е наличието само

на няколко параметъра, част от които могат да бъдат намерени в

каталожната информация за съответния МММ. Това значително улеснява

използването на моделите, без да влияе на точността им.

Верификацията на тези модели е извършена, както чрез сравнението на

резултатите с други известни модели (уравнението на Стейнмец и MSE -

модифицирано уравнение на Стейнмец), така и чрез провеждането на

измервания чрез осцилоскоп и чрез калориметър.

Представени са таблици, графики и осцилограми, илюстриращи

получените резултати и данни. От тях се вижда много доброто съвпадение

на резултатите от NSE и DNSE с тези получени от MSE и

експерименталните данни.

Установено е , че средната грешка е под 5% (в сравнение измерванията с

калориметър) при използване на предложените модели, а ако се използва

класическото уравнение на Стейнмец, особено при много малки (или много

големи) коефициент на запълване на подавания правоъгълен сигнал,

грешката нараства над 200%!

Статията е разработена в рамките на научно-изследователски проект

NATO Reserch Programe, Project RIG.918.482.

7

II. Статии в рецензирани научни списания и годишници в

България, общо 10 броя

[A6] Вълчев В. Ц., ‘Сравнителен анализ на функционалните и икономически

параметри на IGBT и MOSFET ключове, ‘Компютърни науки и комуникации,

списание на БСУ, брой 1, 2013 г., стр. 27-33.

Статията представя обзор и сравнение на най-популярните към момента

електронни ключове за силовата електроника: биполярните транзистори с

изолиран гейт (IGBT) и полевите транзистори с изолиран гейт (MOSFET).

Проведеното е статистическо изследване и сравнение, обхващащо 306

MOSFET и 205 IGBT прибора актуални към 2008 година и 355 MOSFET и 332

IGBT прибора актуални към 2013 година. Анализирани и сравнени са

основните функционални характеристики на приборите и тяхното развитие за

този период: максимални параметри, комутирана мощност, загуби (от

проводимост и комутационни) и цена за единица комутирана мощност.

Представени са процентни разпределения на разглежданите параметри в

общо 8 фигури. За изследвания напреженов диапазон 600V÷1200V, където

IGBT и MOSFET могат да бъдат директно сравнявани, са изведени следните

заключения:

В изследваното множество ключове съществуват повече на брой прибори

от вида IGBT, което обуславя по-голямо разнообразие, свързано съответно с

по-малки загуби и по-ниска цена спрямо конкурентните MOSFET;

Общите загуби от превключване на IGBT са чувствително по-малки от

тези за MOSFET. Това се дължи основно на по-лошите параметри на

паразитните анти-паралелни диоди на MOSFET спрямо интегрираните

такива на IGBT;

MOSFET ключовете поради ниското им изходно съпротивление се

характеризират със сравнително по-малки загуби от проводимост спрямо

IGBT.

При сравнение на общите загуби на приборите, приравнени към

максималната им комутирана мощност, IGBT са със значително по-

добри показатели;

При едни и същи максимални комутирани мощности IGBT се

характеризират с по-ниска цена спрямо MOSFET;

Сравнението на развитието на приборите за изследвания 5-годишен

период показва общо намаляване на цената на приборите, по което

може да се съди за тяхното активно технологично развитие и

използване.

Натрупаната база данни за над 1200 прибора е достъпна на

интернет адрес:

www.tu-varna.bg/tu-

varnaetm/images/Research/Valchev/transistor%20data.rar

8

[A7] Вълчев В. Ц., ‘Състояние и тенденции в развитието на магнитните

материали’, ‘Компютърни науки и комуникации’, списание на БСУ, брой

1, 2013 г., стр.21-26.

Статията представя състоянието и тенденциите в развитието на магнитните

материали. Разгледаните магнитни материали са създадени да отговарят на

постоянно нарастващите изисквания към магнитните компоненти: намаляване на

загубите, повишаване на индукцията на насищане, разнообразие на различни

форми.

Разгледаните в статията магнитни материали включват: прахово-

металургичния (powder-metallurgy, PM) магнитно мек материал (МММ);

модифицирани (подобрени) феритни материали; магнитен прахов материал

на база молипермалой (Molypermalloy powder, MPP); нанокристални МММ;

магнитно меки нанокомпозити (SMNC).

Всичките разгледани магнитни материали се отличават с намалени загуби

и висока индукция на насищане. Представени и сравнени са основните

предимства, текущи и нови приложения. Особено внимание е акцентирано

на приложенията на нанокристалните материали и тяхното приложение

като: филтрови индуктори – поради високата стойност на Bsat; цифрови

телекомуникации; трансформатори за импулсни преобразуватели - високи

Bsat и магнитна проницаемост; приложения при мрежови честоти; в битовата

електроника; ускорителите на частици, където са необходими сърцевини с

маса 50 kg и повече за силовите електронни преобразуватели и резонатори.

Обосновани са предимствата на сърцевините от магнитен ‘прахов’

молипермалой (MPP), които са с добра температурна стабилност,

възможност за реализация на компоненти с висока индуктивност и малки

загуби в сърцевината (MPP THINZ™). Материалът THINZ™ има и

допълнително предимство: възможност за реализирането на форми с малка

височина при по-големи мощности. Това качество е полезно за SMD

реализациите, където магнитния компонент (индуктор) е с височина до

няколко милиметра.

Изтъкнати са основните предимства на нанокомпозитните магнитно меки

материали: голяма плътност на магнитния поток (Bs), висока температура на

Кюри (Tc) и намалени загуби от вихрови токове. Подходящи са за

приложения в различни електронни устройства работещи в мулти-

мегахерцовия обхват

Дадени за основни изрази за загубите в материалите при правоъгълно и

синусоидално напрежение.

Направени са изводи за приложенията на дискутираните магнитни

материали на основа на магнитните им свойства и съответната цена. На база

на изводите са посочени доминантни приложения на всеки от материалите.

Анализирано е движението на цената на магнитните материали и са

потвърдени тенденциите за намаляването й.

9

[A8] Yankov P. V., V. C. Valchev, ‘Three phase circuit of passive converter with

improved parameters for wind turbines’, Journal of ‘Elektrotechnica & Elektronika

(E+E)’, 2011, ISSN 0861-4717, стр.38-44.

Възможността за работа на ветрогенераторите при променлива скорост на

вятъра е определяща за максимална ефективност при производството на

електроенергия. За тази цел свързването на вятърните турбини към мрежата се

осъществява посредством силови електронни преобразуватели. Чрез тях се

реализира т. нар. развръзка на оборотите на въртене на ротора на генератора от

честотата на мрежата, позволявайки високоефективен режим на работа.

Използуваните електрически преобразуватели, свързващи електрическия генератор

и изхода, определят типа на контрол на схемата на ветрогенератора. Схема с

напълно управляеми електронни ключове реализира съответно активен контрол, а

пасивна се нарича схема за преобразуване на енергия, която използва неуправляеми

електронни вентили (диоди).

Статията представя изследване на пасивен (реализиран с диоди)

преобразувател с подобрени параметри за вятърни генератори. Разгледан е

принципът на действие на предложената схема.

Създаден е универсален метод за фина настройка на елементите в

схемата. Резултатите са представени графично с криви мощност - честота за

100kW ветрогенератор. Целта е да се постигне зависимост мощност -

честота, която следва добре познатата кубична зависимост ( max,wtP ~ 3

T ) на

преобразуваната енергия.

Анализирани са отклоненията на реалната получена зависимост от

идеалната крива. Доказано е, че малките отклонения, които се получават са

с различен знак и всъщност, интегралния резултат се доближава значително

до идеалната крива (ефект на филтриране и приближаване до геометричен

център).

Резултатите от изследването позволяват получаване на предикативни

данни за годишния добив на електроенергия на системата. Това ще

определи конкурентоспособността на системата, сравнена със

съществуващите и прилагани до настоящия момент решения.

Реализиран е практически модел в мащаб за установяване на

достоверността на синтезираните данни от компютърните симулации.

Приложена е блокова схема на модела с описание на спецификите при

изследването. Потвърдени са получените резултати от компютърните

симулации при сравнение с практическия експеримент.

Статията е разработена при изпълнение на проект №Д002-48/10.12.2008,

"Развитие на специализирана научна инфраструктура за изследване потенциала на

слънцето и вятъра" финансиран от национален фонд "Научни изследвания".

10

[A9] Yankov P. V., V. C. Valchev, ‘Power/Frequency Characteristics of Passive Controlled

Wind Turbines with Additional Reactive Components in the Circuitry’, Annual Journal of

Electronics, 2010, ISSN 1313-1842, pp.176-179.

Количеството на усвоената енергия от ветрогенераторите зависи

изключително много от начина на управление и извличане на енергията, т.е. колко е

натоварен ротора на генератора при различните скорости на вятъра. Оптимален

пренос на енергия се получава, когато зависимостта на преобразуваната от

вятърната турбина енергия и извличаната от електрическия генератор енергия имат

еднакви зависимости от ъгловата скорост на въртене [rad/sec]. Известно е, че

локосът на максимален пренос на мощност за вятърни турбини (т.е. кривата

обхващаща максимумите на кривите при различна скорост на вятъра) е кубична

зависимост P ~ 3 .

Настоящата статия изследва силови схеми за управление на ветрогенератор с

цел получаване на оптимална зависимост на извлечената енергия от

електрическия генератор. Изследвани са схеми на пасивни преобразуватели -

мостови диодни токоизправители с външно включени реактивни компоненти -

при следните входни параметри: изходна мощност Pout=110kW; работна честота

на генератора f=40Hz; изходно напрежение на постояннотоковата линия

Uout=1000V DC.

Изследването включва компютърна симулация в средата PSPICE. При

анализа на предложената схема, за да се ускори симулационният процес първо

се разглежда опростена еднофазна схема, след което за избрани параметри се

преминава на реално трифазно решение. Така са проведени симулации и анализ

на резултатите на: еднофазна схема с допълнителна индуктивност за диапазон

на работната честота на генератора 5 до 62.5Hz; трифазна схема с допълнителна

индуктивност при свързване в звезда.

Проведени са симулации описващи принципа на работа на изследваната

схема. За избрани параметри на елементите в симулираните схеми са получени

резултати даващи количествена оценка на изходните мощности и токовете.

Построени са честотно-мощностни криви на генератора при работата му с

предложената схема. Направено е сравнение с максималната теоретична

мощност която може да бъде извлечена от ветрогенератора при определена

скорост на вятъра. Доказно е, че при правилен подбор на параметрите на

електрическата машина и компоненти на пасивната схема изходната мощност

на ветрогенератора може да бъде приближена максималната теоретична.

Потвърдена е работоспособността на предложените схеми на пасивни

преобразуватели за управление на електрически генератор, задвижван от

вятърна турбина.

Обосновани са предимствата на предложения пасивен преобразувател:

възможност за работа при променлива скорост на вятърната турбина, пo-ниска

цена в сравнение с активните преобразуватели, по-висока надеждност поради

по-ниската сложност на схемата.

Статията е разработена при изпълнение на проект №Д002-48/10.12.2008,

"Развитие на специализирана научна инфраструктура за изследване потенциала на

слънцето и вятъра" финансиран от национален фонд "Научни изследвания".

11

[A10] Valchev V. C., P. V. Yankov, ‘Improvement on Passive Controlled Wind

Turbines Schematics and Obtaining Power/Frequency Curves’, Annual Journal of

Electronics, 2010, pp. 180-183, ISSN 1313-1842.

Осигуряването на работа при променлива скорост на вятърната турбина

дава възможност за висок енергиен добив при различни скорости на вятъра.

За управление на електрическия генератор, свързан към вятърната турбина се

използват активни и пасивни силови електронни преобразуватели. Всеки тип

има своите предимства и недостатъци.

Настоящиата статия представя подобрени схеми на пасивни

електронни преобразуватели (с диоди) за управление на

ветрогенератори работещи с променлива скорост на въртени и

използващи синхронни машини с постоянни магнити (SMPS/BLDC).

Подобрените преобразуватели позволяват постигането на по-високо

ефективно извличане на електрическа енергия чрез по-точното и

прецизно настройване на зависимостта P~f3.

Изследвани и анализирани са две схеми - еднофазна и трифазна

схема и двете с добавен автотрансформатор в паралел на

допълнителния външен индуктор. Еднофазната схема се използва при

първоначално определяне на компонентите в схемата тъй като

симулацията отнема по-малко техническо време. При конкретизиране

на параметрите на схемата за конкретния случай се преминава към

симулация на реалното трифазно приложение.

Разгледани и анализирани са възможните начини за моделиране на

автотрансформатор в софтуерния продукт PSpice, модул Capture CIS.

Дадени са препоръки за моделирането на автотрансформатор за целта

на конкретните симулации - подобряване на зависимостта " мощност -

честота" на изследвания пасивен преобразувател.

Анализирани са резултатите от получените зависимости "мощност -

честота" и възможностите за донастройка към оптималната зависимост

P~f3.

Проведени са симулации и анализ на токовете в схемата с

допълнителен автотрансформатор при номинална работна честота на

генератора f=40Hz. Обосновани са предимствата на предложената

подобрена схема (с добавен автотрансформатор в паралел на външния

индуктор): възможност за по-добра настройка на зависимостта

"мощност - честота" и по-висока ефективност на ветрогенератора.

Настоящата статия е разработена при изпълнение на проект

№ДО02-48/10.12.2008, "Развитие на специализирана научна инфраструктура

за изследване потенциала на слънцето и вятъра" финансиран от национален

фонд "Научни изследвания".

12

[A11] Marinov A. S., V. C. Valschev, ‘Practical and consumer aspects of transistor selection for combined MOSFET/IGBT legs in PWM inverters’, Transactions on knowledge society, Scientific Technical Union of Mechanical Engineering, volume 2, June 2009, ISSN 1313-4787, pages 5-7.

Един от основните параметри характеризиращ силовите електронни

преобразуватели (СЕП) е тяхната ефективност. Основна част от загубите са в

електронните ключове. Тези загуби могат да бъдат разгледани разделени като

загуби от проводимост и загуби от превключване (комутационни). Съществуват

различни начини и методи за намаляване на комутационните загуби на

електронните ключове.

Настоящата статия изследва чрез статистическа обработка на достъпни

ключове приложимостта на ново решение, базирано на комбинация на

биполярен транзистор с изолиран гейт (IGBT) и полеви транзистор с

изолиран гейт (MOSFET) в едно силово рамо. Изследвани са широка гама от

IGBT и MOSFET ключове с цел да се установят възможните комбинации,

имащи сходни параметри – реални комбинации за приложения в

индустриалната електроника. Обхванати са 365 модела IGBT и 174 модела

MOSFET, като са обследвани следните параметри: максимални токови и

напреженови натоварвания, комутационни характеристики и цена.

Обосновани са условията, при които най-добре са комбинират IGBT и

MOSFET приборите: напрежения до 600V токове до 65А, което позволява

изграждането на подходящи комбинации от над 50% ключове от

разгледаната извадка.

На база на статистическа извадка от изследваните налични IGBT и

MOSFET електронни ключове са построени графични зависимости по

отношение на максималните напрежения VDS за MOSFET и VCE за IGBT и

съответно максимално допустимите средни токове ID за MOSFET и IC за

IGBT; пресечните точки на IGBT и MOSFET спрямо максимално

допустимото им напрежение VDS и съответно VCE и цената на приборите в

множеството. Изхождайки от направения анализ са определени зоните,

където комбинирането на приборите е възможно и където то би дало най-

добри резултати от гледна точка на минимални загуби и цена.

На база на проведеното статистическо изследване за обоснованост от

комбиниране на приборите, са предложени двойка ключове IGBT и

MOSFET, които са най-подходящи за конкретно примерно приложение.

Научните изследвания поместени в статията са проведени в рамките на проект

№21 ‘Повишаване на научния потенциал в областта на инженерните науки и

информатиката’, Оперативна програма ‘Развитие на човешките ресурси’, ‘Подкрепа

за развитието на докторанти, постдокторанти, специализанти и млади учени’,

BG051PO001/07/3.3-02, МОН.

13

[A12] Valchev V. C., G. T. Nikolov, ‘Improved nanocrystalline core welding

transformer’, KSI Transactions on knowledge society, Scientific Technical Union

of Mechanical Engineering, volume 2, June 2009, ISSN 1313-4787, pages 12-15.

Приложението на съвременните нанокристални магнитно меки материали

(МММ) в индустриалната електроника се разширява поради подобрените им

функционални характеристики. Ключов компонент на заваръчните електронни

устройства е трансформаторът. Това се обуславя от усложнения му режим на

работа (от празен ход до късо съединение), както и изискванията за маса и обем.

Напревено е кратко сравнение между двата основни МММ използвани в

силовата електроника – съвременните нанокристални материали и широко

използваните феритни. Показани са данни за основните характеристики, от гледна

точка на приложението им в електрониката – магнитна проницаемост, загуби,

максимална работна температура.

Представени са механизмите на топлобмен, които са доминиращи в

силовата електроника – конвекция и радиация. Разгледана е спецификата на

магнитните компоненти (МК) по отношение на трансфера на топлина.

Разгледани са понятията ‘граничен слой’ и ‘еквивалентни повърхности’ и

конкретни уравнения за по-точното описване на топлинните процеси и

топлобмена в МК. Обърнато е и внимание на т.нар коефициент на чернота ε,

оказващ влияние при лъчевия топлобмен, тъй като за двата изследвани

материали той се различава.

Изследван е топлопреноса при принудително охлаждане и е представена

графична зависимост на повишения топлобмен от скоростта на въздушния

поток. Изведен е израз, чрез който може да бъде изчислен топлобмена на

МК, при различни стойности на скоростта на движение на охлаждащия

флуид (в случая въздух).

Получените зависимости са използвани при проектирането на двата

трансформатора, като в статията таблично са представени нужните

параметри. Избраната скорост на охлаждащия въздух е v=2.5m/s. Част от

получените параметри получени в процеса на проектирането, също са

показани.

Проектирани, експериментирани и изследвани са три трансформатора.

Два използващи нанокристален МММ (F3CC0025 и F3CC0050, FINEMET)

за магнитопровод, и един базиран на широко използваните феритни МММ

(EE100/60/28, Philips). Трансформаторите са съобразени с типичните

условия на работа на магнитния компонент (МК) в такова устройство - по-

висока работна температура и принудително охлаждане.

Дефинирани са подобренията, които се постигат при използуване на

нанокристален МММ + принудително охлаждане в конкретния заваръчен

апарат до 2 пъти в обем.

Научните изследвания поместени в статията са проведени в рамките на проект

№21 ‘Повишаване на научния потенциал в областта на инженерните науки и

информатиката’, Оперативна програма ‘Развитие на човешките ресурси’, ‘Подкрепа

за развитието на докторанти, постдокторанти, специализанти и млади учени’,

BG051PO001/07/3.3-02, МОН.

14

[A13] Вълчев В. Ц., Г. Т. Николов, ‘Нанокристални магнитни материали в

силовата електроника’, списание ‘Електротехника и Електроника (Е+Е)’,

2009, бр. 11-12, стр. 69 –73.

В статията са анализирани свойствата на нанокристалните магнитно меки

материали (МММ). Това са най-новите МММ използвани в индустриалната

електроника. За първи път такъв материал е получен в лабораторията на Hitachi

Metals, Япония през 1988г. Характеризират с висока магнитна проницаемост и

индукция на насищане, както и с ниски загуби и ограничени форми на

магнитопроводите. В резултата на множеството положителни качества, тези

материали намират все по-широко приложение в съвременната електроника.

В обобщена форма е представена историята на нанокристалните МММ от

тяхното първоначално производство до наши дни.

Статията предлага обстоен обзор на начините на производство на

нанокристалните МММ – основно метода за бързо втвърдяване от течно

състояние (Rapid solidification technology). Подробно е описан

производствения процес на тези материали, като са разгледани и някои по-

рядко използвани технологии.

Анализирани са магнитните свойства на тези материали (VITROPERM

500F, 800F, FINEMET FT3-L). Представени са честотните зависимости на

магнитната проницаемост и загубите на материали от фамилията

FeCuNbSiB. Направено е сравнение на магнитната проницаемост, загубите,

температурната стабилност с обичайно използваните в момента материали –

феритни и аморфни. Посочен е един от основните недостатъци на

нанокристалните МММ – ограниченото разнообразие от произвеждани

магнитопроводи.

Обобщени са приложенията на нанокристалните МММ в индустриалната

електроника: захранващи блокове SMPS, мощни инвертори за индустриални

цели, трансформатори с общо приложение, детектори на магнитни полета,

електропреносни и електроразпределителни системи, автомобилната

електроника.

Представени са две обобщаващи диаграми. Едната позволява бързо

определяне на подходящ материал за дадено приложение в зависимост от

неговите основни качества (магнитна проницаемост и загуби), а другата

диаграма е посветена изцяло на нанокристалните МММ, като са обобщени

част от възможната им употреба.

Обобщени са предимствата и недостатъците на МММ при приложенията

им в индустриалната електроника.

Анализирани са зависимостите на загубите от коефициента на запълване.

Установено е, че при крайни коефициенти на запълване (δ=5%÷15%,)

реалните загуби са 2 до 5 пъти (при δ=5%) по големи от тези, които биха

получени ако се използува метода за изчисляване на загуби при

синусоидални напрежения.

Научните изследвания поместени в статията са проведени в рамките на проект

№21 ‘Повишаване на научния потенциал в областта на инженерните науки и

информатиката’, ОП ‘РЧР’, ‘Подкрепа за развитието на докторанти,

постдокторанти, специализанти и млади учени’, BG051PO001/07/3.3-02, МОН.

15

[A14] Николов Г. Т., В. Ц. Вълчев, ‘Mодели на загубите в нанокристални и

феритни материали при правоъгълни напрежения’, Годишник на Технически

Университет – Варна, 2009 г., ISSN: 1311-896X стр.97-102.

В съвременната индустриална електроника все повече се използуват

програмни продукти за подпомагане процеса на проектиране на различни

устройства. Такива са всички CAD/CAE програми, които дават възможност да се

симулира работата на дадена електронна схема, без да е нужна практическата и

реализация за да се докаже функционалността й. Тези симулации са възможни при

използуване на различните модели, които съответния продукт използва.

Статията предлага математически модели на нанокристални и феритни

магнитни меки материали (МММ), чрез които могат да бъдат определени

редица функционални параметри на магнитните компоненти (МК) със

съответните сърцевини.

За феритните МММ е предложен модел „Естествено разширяване на

уравнението на Стейнмец“ (ЕРУС). Моделът е базиран на класическото

уравнение на Стейнмец (КУС), изразяващо загубите във феритни МММ при

синусоидални въздействия като функция на честотата (на степен α) и

амплитудната стойност на индукцията (на степен β). Предложена е нова

зависимост и са дадени изрази за определяне на коефициентите k, α β, чрез

който да бъдат определени тези параметри в зависимостта.

Предложеният модел е верифициран чрез провеждането на серия от

експерименти с феритен МММ 3F3 на фирмата Ferroxcube. Резултатите са

показани на графика, от която се вижда че при коефициент на запълване над

20% ЕРУС дава много по-добра точност от КУС, като при последния модел

разликите за δ=5% са до 5 пъти от реално измерените загуби.

Анализиран е резултатът от прилагане на ЕРУС при нанокристални

МММ, където поради разликата в структурата и физико химичния състав,

ЕРУС не успява точно да моделира загубите при нанокристални МММ.

Разгледан е известен модел, базиран на теорията на предавателните линии и

импедансни функции. Моделът е разширен за приложение при мостова и

полумостова схема.

Проведен е експеримент с нанокристален МММ Finemet FT-3M,

доказващ добро съвпадение на резултатите от разширения модел и

експеримента (2÷4% отклонение).

И двата предложени модела могат да бъдат използвани за определяне на

загубите при произволна форма на напрежението върху МК. В статията са

показани данни за правоъгълно напрежение с променлив коефициент на

запълване, тъй като това е най-често срещания случай в практиката.

16

[A15] Вълчев В. Ц., П. В. Янков, А. С. Маринов, „Сравнение на системи за

управление вятърна турбина с активен или пасивен изправител”, Годишник

на Технически Университет – Варна, 2009.

Скоростта на въртене на вятърна турбина при която се постига

максимален пренос на мощност е различна за различните скорости на вятъра.

Турбините с променлива скорост на въртене са свързани към мрежата

посредством система от силови електронни преобразуватели – изправител и

инвертор. Първият електронен преобразувател (след генератора) може да

бъде управляем – активен, или неуправляем - пасивен в зависимост от

използваните полупроводникови ключове: управляеми и неуправляеми

(диоди).

В статията е направена съпоставка на двата типа изправители по

различни критерии; цена, електромагнитна съвместимост, мощност,

ефективност, надеждност и др.

Анализирано е приложението на пасивни изправители, като са

обосновани предимствата на този тип пред активните изправители: ниска

цена - поради използването на диоди; висока надеждност – диодите могат да

се изберат с достатъчен запас по ток и напрежение; липса на управление –

диодите са неуправляеми електронни елементи; ниски нива на

електромагнитни излъчвания поради ниската честота на работа на този вид

преобразувател. Недостатък на неуправляемите изправители е по-ниско

к.п.д. за различните скорости на вятъра в сравнение със системата с активен

(с управляеми ключове) изправител.

Анализирани са фазово управлявани изправители с тиристори и

изправители със ШИМ управление с транзистори (IGBT или MOSFET).

Обосновани са предимствата и недостатъците на тези изправители - основен

недостатък на този вид изправители е сложното управление и по-ниската

надеждност.

Направени са заключения за използването на управляеми изправители,

когато себестойността на проектираното управление не е главен фактор в

крайната цена, необходимо е качественото инжектиране в мрежата, при

проектиране системи за средни и големи мощности.

Изправителите с пасивни елементи се препоръчват при системи за ниски

и средни мощности, когато е нужна максимална работоспособност във

времето без поддръжка и са необходими ниски нива на електромагнитните

излъчвания.

Докладът е разработен при изпълнение на проект №ДО02-48/10.12.2008,

"Развитие на специализирана научна инфраструктура за изследване потенциала на

слънцето и вятъра" финансиран от национален фонд "Научни изследвания".

17

III. Доклади в международни конференции в чужбина, общо 17 броя

[A16] Van den Bossche A., P. V. Yankov, V. C. Valchev, 'Design of Passive

Converter for Wind Driven Generators', “EPE-PEMC'11”, Birmingham, UK, 30

August - 1 September, 2011 ISBN/ISSN: 978-1-61284-167-0, pp. 1-10.

Пасивните силови електронни преобразуватели (диодни трифазни

токоизправители с външно свързани реактивни електронни компоненти) имат

редица предимства при управление на електрически генератори, задвижвани от

вятърни турбини работещи с променлива скорост на вятъра.

Настоящият доклад представя подобрен 3-фазен пасивен преобразувател

за управление на синхронна машина с постоянни магнити (PMSM(BLDC)),

използвана в генераторен режим. В докладът се изследват схеми

представени в патент PCT/EP2010/055637, Брюксел, Белгия, ЕС.

Анализирана е работата на пасивния преобразувател при различни

честоти и предложения метод за промяна на схемата от "звезда" към

"триъгълник" при повишаване на честотата. Дефинирани са заместващите

схеми при ниски и високи честоти на работа на схемата.

Проведен e симулационен анализ на предложената схемата, реализиран

във средата на PSPICE, за чиито изходни данни е направена допълнителна

математическа обработка посредством софтуерният продукт MathCAD.

Изследвани са зависимости на генерираната мощност и индуктивността на

генератора. Получена и графично представена е зависимостта на

генерираната мощност от честотата. Оценени са реалните отклонения от

оптималната скорост (-5% до +15%), като е доказано, че те не оказват

съществено влияние на общата генерирана мощност – до 1÷2%.

Анализирана е работата на цялата система: вятърна турбина + PMSM

генератор + пасивен изправител + електронна спирачка, по отношение на

пренапреженията, които могат да възникнат в процеса на работа. Разгледани

са аварийни режими и са дадени препоръки за подбор на параметрите на

електронната спирачка.

Представена е методика за изчисляване на предложения пасивен

преобразувател, посредством която могат да бъдат определени стойностите

и параметрите на отделните елементи, а именно: индуктивност на

генератора - Lgen, допълнителна външно свързана индуктивност - Lext;

максимално допустимите токове и напрежения описващи необходимите

силови ключове. Изчислен, реализиран и експериментиран е модел на

разглежданата системата построен в мащаб. Проведените експерименти

доказват функционалността на предложения начин на управление на PMSM

като генератор, задвижван от вятърна турбина при работа с променлива

скорост на вятъра.

Настоящият доклад е разработен при изпълнение на проект

№ДО02-48/10.12.2008, "Развитие на специализирана научна инфраструктура за

изследване потенциала на слънцето и вятъра" финансиран от национален фонд

"Научни изследвания".

18

[A17] Van Den Bossche A., D. V. Bozalakov, T. Vyncke, V. C. Valchev,

‘Programmable logic device based brushless DC motor control’, “EPE-PEMC'11”,

Birmingham, UK, 30 August - 1 September, 2011 ISBN/ISSN: 978-1-61284-167-

0, pp. 1-10.

Електрическите автомобили навлизат в приложение като алтернатива на

автомобилите с вътрешно горене поради по-добрите си енергийни и екологични

показатели. Една от най-перспективните концепции свързвани с електрическите

автомобили е така нареченият ‘свръх лек електрически автомобил’ (ultra light

electrical vehicle)

Докладът представя силово електронно устройство за управление на

3-фазна синхронна машина с постоянни магнити (PMSM, известни

още в практиката като постояннотокови безчеткови машини - BLDC)

за свръх лек електрически автомобил. Параметрите на електрическата

машина включват: входно напрежение Uin=100V; номинална мощност

P=1500W; пикова мощност Ppeak=4500W; обороти 4300÷6000 rpm;

въртящ момент 2.5Nm; пиков въртящ момент 10Nm. Устройството се

базира на програмна цифрова логика тип - CPLD, като конкретната

използвана интегрална схема е XC2C64 с 33 входно - изходни порта.

Представена е блоковата схема на устройството, комбинираща смесена

аналогова и цифрова част. Анализирани са особеностите и функциите

на отделните блокове.

Разгледани са в детайли блоковете за измерване на ток, на

температура, на позиция. Анализирани са режимите на ускоряване,

нормална работа и спиране на BLDC машината.

Предложена е методика за оразмеряване на всеки един от блоковете,

съобразно с параметрите на обекта на управление. Представени са

експериментални резултати (осцилограми и измервания) на реализираното

устройство в различни режими на работа. Изследванията са направени при

финкционираща реализация на предложената система за управление и

използване на специализиран лабораторен стенд.

Предложена е реализация на силов блок, на база на трифазен инвертор

използващ комбинирана структура IGBT-MOSFET (3 MOSFET ключа +3

IGBT ключа). Комбинираната структура се характеризира по-малки загуби

от комутация в електронни ключове и съответно по-висока цялостна

ефективност на системата за управление. В допълнение, комбинираната

структурата позволява изграждането на ефективна токова защита при

използването на ефекта на излизане от насищане на IGBT като токов

сензор.

Обосновани са основните предимства на предложеното устройство:

висока надеждност, лесно програмиране чрез HDL, ниска собствена

електрическа консумация, добри функционални параметри.

19

[A18] Valchev V. C., G. T. Nikolov, A. S. Marinov, “Improved methodology for

design of magnetic components” – ICEST’11, Nis, Serbia, 29 June – 01 July, pp.

906-909 ISBN 978-86-6125-031-6, 2011.

За проектирането на магнитните компоненти се използват различни методи,

акцентиращи върху различни показатели от проектирането, или са съобразени с

конкретния магнитен материал и условия. Трудно е да се реализира универсална

методология, съчетаваща в себе си възможността за проектиране с различни

материали, при различни функционални условия.

Целта на настоящия доклад е да представи подобрение на вече

съществуващия метод (Fast design Approach), за да може да бъде обхванат

по-широк кръг от използвани магнитно меки материали (МММ), както и

възможността да бъде отразено по-тоно охлаждането на магнитния

компонент (МК) чрез добавяне на допълнителни изрази за този процес.

Анализирана е спецификата на обемната конструкция на МК, съобразена

с двата основни начина на топлобмен при МК – чрез излъчване и чрез

конвекция. Въведени са изрази за изчисляване на еквивалентните

повърхнини за изразите за топлобмена при излъчване и конвекция.

Представени са стойности на тези еквивалентни повърхнини за често

използвани сърцевини. Дадени са насоки за избора на ориентацията и

разположението на МК и оптималната скорост на въздушния поток (ако се

използва принудително охлаждане).

Разгледан е подобрен израз за дължината на ‘граничния слой’, използвана

при определяне на топлобмена чрез конвекция.

Анализирана е разсейващата способност на МК при принудително

охлаждане и е представен подобрен израз за коефициента на конвекция,

включващ скоростта на охлаждащия флуид. Проведен е експеримент в

реално индустриално електронно устройство S1700 на фирма ‘Струна’,

доказващ предложените подобрени изрази.

На база на предложените подобрения на стъпката от метода за

изчисляване на допустимата разсейвана мощност на МК, същата е

изчислена за основните разпространени форми на сърцевини на

нанокристални магнитопроводи на Hitachi Metals и феритни

магнитопроводи от серията ЕЕ на Ferroxcube. Поради ограниченият обем на

доклада са показани данните само за нанокристалните магнитопроводи.

Оценена е статистическата разлика при изчисляване на допустимата

разсейвана мощност на МК чрез подобрения метод и реалните измервания

на загубите в МК. Разликите са в диапазона ±2%, което за случай с

принудително охлаждане е добра точност на модела.

Втората подобрена стъпка от метода Fast design approach е определянето

на работната стойност на магнитната индукция, което е предложено да се

реализира чрез използването на математичен модел.

Докладът е разработен в рамките на проект №21 ‘Повишаване на научния

потенциал в областта на инженерните науки и информатиката’, ОП РЧР.

20

[A19] Nikolov G. T., V. C. Valchev, E. B. Bekov, A. S. Marinov, “Verification of

Improved methodology for design of magnetic components” – ICEST’11, Nis,

Serbia, 29 June – 01 July, pp. 933-936 ISBN 978-86-6125-031-6, 2011.

Докладът представя верификация на предложени подобрения в метода за

проектиране на магнитни компоненти "Fast Design approach" в публикация [А18].

Подобения метод позволява да бъде обхванат по-широк кръг от използвани

магнитно меки материали (МММ), както и възможността да бъде отразено

охлаждането на магнитния компонент (МК) чрез различни начини – както

естествено, така и типичното за силовата електроника принудително охлаждане.

При използуване на подобрения метод са проектирани, изработени и

изследвани различни високочестотни трансформатори за електродъгов

заваръчен токоизточник (Uin=300V, Uout=26-60V, Iout=150A, f=80kHz,

принудително охлаждане 2,5м/с, δ=10÷90%). Тъй като предложените

подобрения касаят възможността за проектиране с различни магнитно меки

материали (МММ), единият от трансформаторите е реализиран със

традиционен феритен МММ, а другият с нанокристален MMM.

Представени са всички стъпки от алгоритъма за изчисляването на

феритния трансформатор. Представени са начини за подобряване на

получения резултат: използуване на няколко проводника в паралел,

използуване на лентов проводник, използуване на по-голяма сърцевина. За

всеки начин са дадени препоръки и описание на най-подходящите случаи за

прилагането му.

Представени са подробни резултати от проектирането при използуване на

всеки от представените методи за подобрение (табличен вид). При анализа и

сравнението на различните феритни трансформатори (4 броя) по група

критерии е избран един за реализация.

При проектирането на избрания нанокристален трансформатор отново са

приложени начини за подобряване на дизайна. Поради ограничения обем на

доклада са показани данни само полученият оптимален вариант на

нанокристалният трансформатор.

Проектираните трансформатори (нанокристален и феритен) са

практически реализирани и с тях са проведени серия от измервания на

загубите по два независими начина - чрез калориметър и чрез измервателна

система базирана на съвременен цифров осцилоскоп.

От представените резултати се вижда, че реалните загуби са с около 3%

по-малко от изчислените загуби. Получените минимални отклонения между

изчислените и реалните загуби доказват високата точност и приложимост на

подобрения метод за проектиране на МК.

Докладът е разработен в рамките на проект „Развитие на специализираната

научна инфраструктура за изследване на ветровия и слънчевия потенциал“ №ДО02-

48/10.12.2008, към Фонд „Научни изследвания“, при Министерството на

образованието, младежта и науката.

21

[A20] Yankov P. V., Van den Bossche A., V. C. Valchev, ‘Successive resistive

braking circuit for permanent magnet wind turbine generators’, “EPE-

PEMC’2010”, 6-8 September, 2010, pp. T11-27:T11-31, Ohrid, Macedonia, ISBN

978-1-4244-7854-5.

Един от основните блокове на съвременните ветрогенератори е спирачката. Тя

е от съществено значение както при управление на турбината, така и при

предотвратяването и защита от аварийни режими. Съществуват три основни вида

спирачки за ветрогенератори: механична, електрическа (електронна) и

аеродинамична. Задължително при изграждане на ветрогенераторите е включването

на поне два типа спирачки. Във всички комбинации е задължително използването

на механична спирачка. Наличието на този тип спирачки обаче води до по-големи

размери на гондолата, както и до по-голяма разсейвана топлинна енергия. За да се

облекчи работа на механичната спирачка се налага използване на усъвършенствани

електрически и аеродинамични спирачки.

Докладът представя специализирано решение за изграждане на

електрическа спирачка за ветрогенератор, позволяваща бързо, надеждно и

ефективно спиране. Предложеното решение е приложимо и при аварийни

режими на работа - прекъсване на електроразпределителната мрежа, пикови

скорости на вятъра. Спирачката се свързва към постояннотоковата

електрическа страна на генератора. Схемата включва мощен електронен

ключ (тиристор) и разсейващ резистор. Комутацията на тиристора става с

минимален набор дискретни електронни елементи. Спирачката не изисква

външно захранване и управление.

Анализирана е работата на представената електрическа схема, разяснен е

принципът на работа, като са изведени зависимости за определяне

стойността на разсейващият резистор.

Предложената схема е подобрена чрез използване на многозвенна

структура. Този тип топология позволяваща постепенното спиране на

генератора и разпределянето на електрическото натоварване в няколко

разсейващи резистора.

Предложените схеми са изследвани на база на компютърна симулация.

Резултатите от компютърния анализ доказват функционалността на схемата,

както и времената и токовете, при които става комутацията на тиристорите

и съответно включването на спирачката. Обосновани са предимствата на

предложената електрическа спирачка.

Докладът е разработен в рамките на проект „Развитие на специализираната

научна инфраструктура за изследване на ветровия и слънчевия потенциал“ №Д 002-

48/10.12.2008, към Фонд „Научни изследвания“, при Министерството на

образованието, младежта и науката.

22

[A21] Marinov A. S., V. C. Valchev, ‘Improvement methodology for power loss

measurements in power electronic switches using digital oscilloscope and

MATLAB’, “EPE-PEMC’2010”, 6-8 September, 2010, pp. T7-6:T7-9, Ohrid,

Macedonia, ISBN 978-1-4244-7854-5.

Електрическите загуби в силовите електронни преобразуватели (СЕП) са един

най-важните показатели, отразяващи се на общата работа на тези устройства.

Процесите в СЕП се описват трудно и не винаги е възможно изготвянето на

прецизни модели за симулации. Една от част от развойната дейност при

подобряване на ефективността и намаляване на загубите се свързва с реални начини

за практически експерименти и измервания. Характерни изисквания към тези

начини са необходимостта от висока прецизност и скорост на измерванията при

широк честотен диапазон; възможност за използване на получените данни в

различни математически софтуерни програмни продукти.

Предложен е специализиран метод за измерване на загубите на

полупроводникови ключове използвани в СЕП. Методът се базира на

директно умножение на каналите на цифров осцилоскоп, с който се

измерват тока през транзистора и напрежението върху него. Разработен е

алгоритъм за обработка на данни, който позволява извличането им от

осцилоскопа и обработката им посредством персонален компютър, до

получаване на мощността, т.е. загубите в ключа. Освен разработения

алгоритъм, предложеният метод включва и използването на специализирана

пасивна токова сонда разгледана подробно в предходни публикации.

Разработен е програмен код, които позволява извличане на измерените

данни за тока и напрежението; изчисляване на загубите в прибора обект на

изследване чрез външно умножение на каналите и разграничаване

(отделяне) на загубите от проводимост от загубите от превключване.

Разработения метод е приложен с различни видове осцилоскопи,

направени са серия от измервания, които са сравнени с резултати от

конвенционални методи: калориметър; специализиран осцилоскоп с

вътрешно умножение на каналите. Предложения метод и получените

резултати са верифицирани чрез сравнението с измерванията с калориметър,

приемайки калориметъра за еталонно измерване .

От направените сравнения са обосновани предимствата на предложения

метод: значително по-точно измерване, сравнимо с това на калориметъра;

по-висока скорост на измерването; възможност за последваща

математическа обработка на данните; възможност за използване на

осцилоскопи с по-ниска цена.

Докладът е разработен в рамките на проект №21 ‘Повишаване на научния

потенциал в областта на инженерните науки и информатиката’, ОП РЧР.

23

[A22] Valchev V. C., H. Tahrilov, B. Dimitrov, ‘Investigation of an autonomous

hybrid system for direct supply of an induction heating device’, ICEST2010,

Ohrid, Macedonia.

Възобновяемите източници на енергия (ВЕИ) са едни от най-перспективните

за екологично чисто производство на енергия при избягване на консумацията на

изчерпаеми горива. Развитието на техниката позволява директното използване и

включване на ВЕИ при захранване на различни индустриални електронни

устройства и системи.

Докладът представя иновативна автономна хибридна система за директно

захранване на устройство за индукционно нагряване с изходна мощност -

Pload =2kW. Обосновани са предимствата на системата, а именно: избягва се

необходимостта междинни електрически преобразувания - премахва се

нуждата от стандартен 50Hz инвертор за включване на възобновяемия

електрически източник към електроразпределителната мрежа; няма

необходимост от синхронизиране с мрежата, синусоидалното изходно

напрежение не е задължително.

Изследвани и дефинирани са специфични изисквания към блоковете на

системата за съвместното им функциониране. Разгледаните блокове

включват: източниците на възобновяема енергия - ветрогенератор и фото-

електричен панел; изравнителни постояннотокови импулсни

преобразуватели управляващи потока на енергия от двата възобновяеми

източника; акумулаторна батерия; устройството за индукционно нагряване

реализирано на базата на мостов трансформаторен инвертор. Предложена е

принципна схема описваща електронните преобразуватели.

Представени са изрази за оразмеряване на пасивните елементи

(трансформатор и филтров кондензатор) в разгледаната структура.

Анализирани са трите режима на работа на системата включващо:

inputload PP - двете групи източник и товар функционират независимо;

inputload PP - необходимост от контрол на товара; inputload PP не се

препоръчва за продължително време.

Проведени са експерименти с реализираната система и са представени

резултати за два режима на работа WPload 1400 и WPload 2100 , включващи

промяната на температурата на нагрявания обект - алуминиев цилиндър,

като функция на времето и приложената мощност. Получените резултати са

графично представени и сравнени.

Настоящият доклад е разработен при изпълнение на проект

№ДО02-48/10.12.2008, финансиран от национален фонд "Научни изследвания".

24

[A23] Valchev V. C., D.V. Bozalakov, A. S. Marinov, ‘Improved grid connected

power supply for drivers in power electronic converters’, ICEST 2010, Ohrid,

Macedonia.

Управлението на електронните ключове в силовите електронни

преобразуватели е изключително важно за тяхното правилно и ефективно

функциониране. В тази връзка захранването на съответните драйверни схеми,

осигуряващи необходимите токове за бързия заряд и разряд на паразитните

капацитети на електронните ключове, представлява актуален проблем.

Докладът представя подобрена структура за импулсно захранване за

драйверни схеми за управление на силови електронни

преобразуватели. Предложеното захранване може да бъде директно

включено към захранващата електрическа мрежа без да се налага

използването на изправител и високоволтов филтров кондензатор.

Представена е схемата и принципа на действие на предложеното

захранване на база на модифициран трансформаторен AC/AC

преобразувател, на изхода на който има изправителни схеми.

Използвана е висока работна честота (30÷50kHz) на електронните

ключове (в случая с предложената схема се използват IGBT), което

осигурява по-малки размери и тегло на използваният трансформатор.

През всеки полупериод на захранващата мрежа преобразувателят

функционира като обратен трансформаторен преобразувател (flyback).

Предложеното захранване е реализирано, като са проведени серия

от експерименти. Получените от опитите резултати верифицират

заложената идея и демонстрират нейните предимства. Представени са

осцилограми и цифрови данни описващи: входните изходни

напрежения, напреженията и токовете върху използваните електронни

ключове, управляващите импулси подадени към електронните

ключове.

Предимствата на предложената схема включват: - намалени

масогабаритни показатели свързани с цялостния размер и тегло;

възможност да се използва, както променливо, така и постоянно

входно захранващо напрежение; по-добра икономическа ефективност

спрямо конвенционалното решение; широко приложение позволяващо

различен брой изходни напрежения, които могат да служат както при

захранване на драйверите на еднофазни така и на трифазни силови

електронни преобразуватели.

Настоящият доклад е разработен при изпълнение на проект

№ДО02-48/10.12.2008, финансиран от национален фонд "Научни

изследвания".

25

[A24] Marinov A. S., Van Den Bossche A., V. C. Valchev, , ‘Passive current probes in

power electronics and motion control’, PCIM2009, Nuremberg, Germany, 12-14

May, 2009, CD-ROM.

Измерването на ток е един основните процеси при изследване на силовите

електронни преобразуватели (СЕП), както и при получаване на информация за

реализиране на обратни връзки за автоматизиран контрол. Една от особеностите

при токовите трансдюсери за изследване на СЕП е необходимостта от минимално

фазово закъснение при преобразуването на измервания ток. Това се налага поради

малките времена на преходните процеси при превключване на електронните

ключове, където и най-малкото отклонение във фазата на тока би довело до голяма

грешка, която би се отразила с особена тежест при изчисляване на загубите в

ключовете. В допълнение, токовите сонди за СЕП трябва да могат да функционират

в широк честотен диапазон съответстващ на този на СЕП и позволяващ отчитане на

кратки преходни процеси свързани с превключването на електронните ключове;

при галванична развръзка осигуряваща минимални смущения пренасяни от

трансдюсера към измервателната верига, а също така и безопасност при

измерванията; без да се насищат при работа с различни коефициенти на запълване.

Докладът представя ново решение на токов трансдюсер, реализиран

посредством токов трансформатор, използващ нанокристален

магнитопровод. Предложената структура е изцяло базирана на пасивни

електронни компоненти и работи в режим на обратен трансформаторен

преобразувател, към които в допълнение е включено звено,

предотвратяващо насищането на токовия трансформатор.

Изследвана е работата на токовата сонда, като е обосновано използването

на нанокристален магнитопровод, което позволява повишаване на точността

на измерването. Това се дължи на по-високата магнитна проницаемост µ на

нанокристалния материал спрямо използваните конвенционални феритни

материали.

Реализирани са няколко прототипа на предложената токова сонда, които

са експериментално изследвани. Посредством прецизен сигнален генератор

и точен активен товар е проведен амплитудно-честотен анализ. При

изследване в диапазона 1kHz÷100MHz e установена работната честотна

лента на токовата сонда: 10kHz÷20MHz. Посредством специализиран

електронен преобразувател са направени изследвания за установяване на

фазовото закъснение pht на тока спрямо измерваното напрежение.

Установеното фазово закъснение е в рамките на nst ph 1 . Така направените

експериментални изследвания доказват, че параметрите на разработения

токов трансдюсер го правят подходящ за изследването на повечето

съвременни СЕП. В допълнение трябва да се отбележи и икономическата

ефективност на разработения токов трансдюсер която се дължи на факта, че

той е изцяло реализиран на базата на пасивни електронни компоненти.

26

[A25] Filchev T., D. Cook, P. Wheeler, A. Van Den Bossche, J. Clare, V. C. Valchev,

‘High power, high voltage, high frequency transformer/rectifier for HV industrial

applications’, EPE-PEMC 2008, Poznan, Poland, pp. 1326-1331.

Индустриалните електронни устройства за високо напрежение (>10kV) и

големи мощности (>10kVA) имат широко приложение. Конвенционалните

електронни преобразуватели за тези цели са обикновено с голям обем и тегло.

Намаляването на тези важни параметри се постига с използването на нов тип

силови електронни преобразуватели с висока работна честота и използване на

високочестотни магнитни компоненти. Предимствата на тези преобразуватели са

особено важни в приложения, където масата и обемът са критични. Докладът

представя високочестотно силово захранване (Vin=415V, Vout=15kV, I out=1A,

fsw=20kHz) с подобрени масогабаритни показатели.

Предложен, оразмерен и изследван е специализиран изправител –

умножител за предложената високоволтова система. Проведени са

симулации, доказващи работоспособността на схемата.

Предложен е метод за проектиране на високоволтови високочестотни

трансформатори. Проектиран и симулиран е високоволтов високочестотен

трансформатор за предложеното захранване чрез разработен алгоритъм при

отчитане на експлоатационните изисквания за изолация, магнитни

сърцевини (вид, форма), паразитни капацитети, загуби в намотките и в

сърцевината, "корона" ефект, охлаждане. При използването на

специализиран продукт е реализиран модел на трансформатора и симулации

за доказване на заложените функционални параметри.

Доказано е предимството на предложеното захранване при използването

на изправител - умножител, тъй като в този случай трансформаторът има

по-нисък коефициент на запълване на прозореца, което позволява по-добро

охлаждане на този най-критичен в преобразувателя елемент.

Представен е подробен модел на реализирания и изследван

трансформатор при използването на специализиран продукт Saber.

Представен е подробен алгоритъм за оразмеряване на високоволтовия

високочестотен трансформатор. Проектирани и реализирани са два

трансформатора с различна конструкция и са сравнени основните им

параметри. Изходното напрежение е 150kV при изходен ток 1A.

Реализираните трансформатори са с лентов проводник за първичната

намотка и лицендрат за вторичната намотка. Тази реализация позволява

намаляването на загубите от вихрови токове и повишаване надеждността на

трансформатора.

Научната работа по доклада е реализирана по проект: Contract no. JGS-1192.

27

[A26] Van den Bossche A., A. S. Marinov, V. C. Valchev, “Transistor desaturation

protection using the driver undervoltage lock out”, Seconde Conférence Internationale

sur le Génie Electrique, CIGE’08, 25-26 Octobre 2008, CUB, Bechar, Algérie.

Съвременните силови електронни устройства се нуждаят от ефективна и

бързодействаща електронна защита. Тази необходимост е особено важна за

силовите транзистори. Докладът представя схема на електронна защита по ток за

IGBT. Защитата е изградена на база на пасивни компоненти, като за индикация за

претоварване на транзистора се използва излизането му от режим на насищане

(desaturation mode). За предпазването на силовия транзистор се използва вградената

в повечето съвременни интегрални драйвери функция за защита от спад във

захранващото напрежение (under voltage lockout - UVLO).

Представена, реализирана и експериментирана е електронна защита за

силови транзистори - IGBT. В конкретният случаи защитата е изградена на

база на опто-изолиран драйвер HCPL - 3120. При превишаване на тока

протичащ през силовият IGBT - обект на защита - пада на напрежение върху

транзистора VCE(on) се увеличава. Посредством набор от дискретни

елементи, електронната защита отчита повишеното напрежение - VCE(on) и

понижава захранващото напрежение на драйвера под минималното работно.

Това води до задействане на вградената в драйвера UVLO защита и

съответно до извеждането на силовият IGBT от включено състояние. В

предложената схема след изтичане на зададена времеконстанта, състоянието

на защитата се нулира и при отпадане на аварийното състояние върху IGBT

прибора работата му се възстановява.

Изследвана е функционалността и работоспособността на схемата в

широк диапазон от работни параметри свързани с обекта на защита -

силовият IGBT, а именно: максимални напрежения върху ключа VCEmax

=(0÷600 V); работни честоти fsw=(500÷20,000 Hz); различни нива на зададен

праг на задействане на защитата Ic=(13÷25 A). От направените изследвания

се установява, че дори и при промяна на разглежданите параметри токовата

защита запазва зададения за сработване ток. Установени са времената

необходими за сработване на защитата, които варират в порядъка от 1µs до

2µs - за сравнение повечето силови IGBT могат да бъдат претоварени без да

настъпи необратим пробив за време от порядъка на 8µs до 10µs.

Направено е сравнение между специализирани драйвери с интегрирани

токови защити и предложената схема, като е подчертана по-добрата

функционалност на база на факта, че предложената защита има възможност

за гъвкава настройка на желания ток на задействане; не се рестартира при

всеки пореден импулс, т.е. по-добра устойчивост на електромагнитни

смущения. В допълнение може да се отбележи и по-добрата икономическа

ефективност, обусловена от възможността за реализиране на защитата и при

използване на неспециализирани драйвери с ниска себестойност.

Настоящият доклад е разработен при изпълнение на проект №21, "Повишаване

на научния потенциал в областта на инженерните науки и информатиката"

финансиран от ОП "РЧР".

28

[A27] Valchev V. C., A. Van den Bossche, A. S. Marinov, “Reducing switching losses

through MOSFET-IGBT combination’ – ICEST08, Nis, Serbia, 24-26 June, 2008, pp.

272-275.

В силовата електроника при големи мощности (над 10kVA) най-често

използваните електронни ключове са MOSFET и IGBT. Всеки от тях има своите

предимства и съответни недостатъци спрямо другия. Един от най-важните

показатели, по които те могат да бъдат сравнени са техните загуби, които в общия

случай могат да се дефинират като загуби от проводимост и загуби при комутация.

Сравнението м/у двата прибора може да се обобщи както следва: IGBT са с по-

малки загуби в отпушено състояние, но пък комутационните им загуби при

запушване са по-големи; MOSFET имат по-добри комутационни характеристики, но

при инверторни схеми с индуктивен товар, в които активно работят анти-

паралелните диоди на силовите ключове, MOSFET приложенията се

характеризират с повишени загуби на тези диоди – при възстановяването им.

Настоящия доклад предлага нов вид силово рамо, комбиниращо MOSFET

и IGBT. Рамото съвместява предимствата на двата вида ключове и

позволява намаляване на общите загуби на схемата която те изграждат.

Проведено е аналитично сравнение на конвенционалните реализации (на

база на един вид ключове) и комбинираното рамо при използване. Анализът

е проведен, изхождайки от параметри от техническата документация на

двойка IGBT и MOSFET, подбрани за конкретно технологично решение.

Параметрите включват: времената за включване td(on), tr, и изключване td(off), tf

на транзисторите; показателите свързани с обратното възстановяване на

вградените (в случая с MOSFET паразитни) анти-паралелни диоди - времето

за обратно възстановяване trr и заряда на обратно възстановяване Qrr.

На база на изведена зависимост на комутационните загуби при

възстановяване на анти-паралелни диоди ),,( onrrrrrr ItQFP , са изчислени

загубите за различните анализирани ключове. Изчислени са и загубите при

запушване на транзисторите ),,( offondcoff tIVFP . Получените изчислителни

резултати доказват намалените общи загуби – включително за всеки от

наблюдаваните компонентите – загуби при възстановяване на анти-

паралелни диоди и загуби при изключване на IGBT, на предложената

комбинирана структура.

За изследване на предложеното рамо комбиниращо MOSFET и IGBT e

реализирана опитна постановка, на база на която са проведени серия от

експерименти. Различните експерименти сравняват енергийните показатели

свързани със загубите в предложената схема и конвенционалните схеми

изградени само от MOSFET или само от IGBT. В доклада са представени

осцилограми показващи по-малките токове при включване в предложената

схема спрямо схема изцяло изградена от MOSFET; по малкото време за

достигане на тока до нула в предложената схема спрямо схема изградена

само с IGBT (където време е по-голямо поради проявата на ефекта "токова

опашка"). По-малките токове и време обуславят съответно и по-малки

електрически загуби. Настоящият доклад е разработен при изпълнение на проект №21, "Повишаване на

научния потенциал в областта на инженерните науки и информатиката", ОП "РЧР".

29

[A28] Valchev V. C., G. T. Nikolov, “Comparison of nanocrystalline magnetic

materials and ferrites used for power electronics transformers’ – ICEST08, Nis,

Serbia, 24-26 June, 2008, pp. 276-279.

Магнитните компоненти са едни от компонентите, определящите общите

параметри на индустриалните електронни устройства. Нанокристалните магнитно

меки материали (МММ) все повече навлизат в съвременната индустриална

електроника. Целта на настоящия доклад е да се представи проектиране на

магнитни компоненти и сравнение между нанокристалните МММ и феритите,

които в момента доминират на пазара.

Първоначално са анализирани каталожните данни на два типични

представителя на двата материала - Vitroperm 500F (нанокристален) и 3F3

(феритен). Сравнени са загубите, магнитната проницаемост, индукцията на

насищане. Представени са две графики, от които може да се види актуално

състояние на тези параметри за най-често използваните материали в

електрониката. От двете графики се вижда категоричното доминиране на

нанокристалните МММ пред останалите материали.

За да се предостави по-подробно сравнение на двата материала, е избрано

да се проектира и реализира конкретен магнитен компонент –

трансформаторът на ръчен заваръчен електродъгов токоизточник за изходен

ток 150А, работещ при честота 100kHz. Проектиран в детайли е феритен

трансформатор със зададените параметри, като са дадени всички стъпки от

проектирането.

Описани са и няколко възможни варианта за оптимизация на получените

резултати от проектирането: използването на намотки само с един слой,

редуване ‘interleaving’ на слоевете на първичната и вторичната намотки,

използуване на няколко проводника в паралел, използуване на лицендрат

(многожичен проводник). Акцентирано е върху подходящите случаи за

всяка отделна оптимизация. Представените оптимизации са приложени,

като в резултат са проектирани три феритни трансформатора – един без

оптимизации, един с увеличен диаметър на проводниците и няколко

свързани проводника в паралел, и трети вариант с употребата на проводник

тип „Лицендрат“.

Представено е проектирането на нанокристален трансформатор

(F3CC016A – 4 части). Поради ограниченият обем на доклада са включени

само част от стъпките по проектирането на нанокристалния трансформатор.

Сравнени са най-важните параметри на проектираните трансформатори.

Всички получени резултати са обединени в четири таблици. От

представените данни се вижда превъзходството на нанокристалния

трансформатор, като подобрението спрямо феритния е над 50% в

разглежданите критерии: обем, площ, маса на медта, обща маса.

Докладът е подготвен в рамките на проект „Нови нанокристални материали в

силовата електроника, изследване, моделиране, измервания и приложения“, договор

с вътрешно университетско финансиране – ТУ-Варна.

30

[A29] Valchev V. C., G. T. Nikolov, A. Van den Bossche, D. D. Yudov, ‘Power losses

and Applications of Nanocrystalline Magnetic Materials’, ICEST 2007, 24-27

June, 2007, Ohrid, Macedonia, pp. 731-734.

Нанокристалните магнитно меки материали (МММ) се характеризират с

редица преимущества пред феритите и нарастващо приложение в индустриалната

електроника. Те имат по-висока магнитна проницаемост, индукция на насищане и

работна температура, като в същото време имат по-ниски загуби. Всичко това води

до значителен растеж на употребата им в съвременната електроника.

Обобщени са магнитните свойства, които притежават манокристалните

МММ, показани са графично зависимости на някои от основните

параметри, като загуби, магнитна проницаемост, индукция на насищане,

възможности са влияние на формата на B-H кривата Разгледани са

спецификата при възникването и производствения процес на

нанокристалните МММ. Показана е фигура сравняваща няколко различни

МММ, по отношение на тяхната начална магнитна проницаемост и

индукция на насищане.

Подробно са анализирани загубите в нанокристалните МММ и е дадена

информация за математичен модел, който може да бъде използван за

определянето им. Моделът е широкочестотен и е базиран на теорията за

едномерните хомогенни предавателни линии в честотната област.

Предложен е метод за измерване на загубите в нанокристалните МММ при

правоъгълни напрежения. Приложена е информация от проведени

експерименти с различни образци на материал VITROPERM 500.

Експериментите доказват валидността на предложения модел: получените

чрез модела и експеримента загуби са близки (2-3% разлика).

Чрез използването на високочестотна тестова платформа са проведени

серии от измервания при различен коефициент на запълване. Показана е

осцилограма с данните за тока, напрежение, магнитен поток и загуби.

Данните от серията измервания са обобщени и е оформена графика, на

която се вижда зависимостта на загубите от коефициента на запълване δ на

приложеното напрежение. При сравнението между двата материала от

графиката се вижда около три пъти по-ниски загуби при нанокристалните

МММ, спрямо феритните, което потвърждава и информацията от

производителя.

Спецификите на нанокристалните МММ спрямо феритните МММ

налагат някои различия при проектирането им. Обърнато е внимание на

формата на сърцевината, честотния диапазон и работната температура.

Анализирани са приложенията на нанокристалните МММ в

индустриалната електроника. Дефинирани са конкретни препоръчителни

приложения според техните качества, като са обхванати 4 основни качества

(Bsat, μ, ниски загуби, контролирано отношение Br / Bsat ).

Докладът е представен чрез финансиране осигурено от проект NATO Research

program, проект RIG.981.482.

31

[A30] Yudov D. D., A. I. Dimitrov, V. C. Valchev, ‘Multi level Electronic

Transformer’, ICEST 2007, 24-27 June, 2007, Ohrid, Macedonia, pp. 735-738.

Използването на електронни преобразуватели, състоящи се от няколко

звена (нива) (Multi Level - ML) води до намаляването на максималните

напрежения и токове на използваните електронни ключове. Докладът

представя схема на електронен преобразувател, използван за заряд на

акумулаторни батерии (АБ). Входът на схемата се състои от три серийно

включени мостови токоизправители, а изходът включва три звена на

електронен трансформатор за постоянен ток (DCET).

Реализиран е PSpice модел на предложената тризвенна структура и

са представени симулации на работата и при различен товар.

Използвани са модели на реални електронни елементи.

Проведени са симулации на режимите на работа при промяна на

захранващото напрежение и напрежението на АБ и е доказана

работоспособността на схемата при тези условия.

Изведени са изрази за стойностите на тока и напрежението на

ключовете на схемата в зависимост от зададени работни параметри.

Уравненията са приложими при оразмеряване на схемата. Предложен е

и израз за оразмеряване на изходната индуктивност на всяко звено.

Представени са блокова диаграма на електронния трансформатор и

принципна схема на тризвенната и реализация. Реализацията е

предназначена за заряд на акумулаторни батерии. Представен е

подробен PSpice модел на изследвания тризвенен постояннотоков

електронен трансформатор за заряд на акумулаторни батерии. За

проектирането и реализацията е използван феритен магнитопровод. В

резултат на симулациите е доказано, че:

Входното напрежение за всяко едно от звената е еднакво и равно на

една трета (1/3) от входното напрежение на схемата.

Максималното напрежение върху транзистора е равно на 2.4 пъти

Uвх.

Входния ток на транзисторите има малка AC компонента, но няма

значителни пикове.

Научната работа по този доклад е извършена в рамките на проект NATO

Research Program Project RIG981.482.

32

[A31] Van den Bossche A., G. T. Nikolov, V. C. Valchev, ‘Low stand by power, self

oscillating power supply’, EPE07, 2 - 5 September 2007, Aalborg, Denmark.

Загубите на мощност в индустриалните електронни устройства в ‘Stаnd

by’ режим са важни при определяне на общата консумация на устройствата.

Този аспект е изключително важен при системи за преобразуване на енергия с

ограничен енергиен капацитет или в случаите на възобновяеми енергийни

източници. Докладът представя иновационно самоосцилиращо захранване с

намалени загуби в Stаnd-by режим.

Представена е схемна реализация на токозахранващо устройство,

която се базира на самоосцилираща верига и са анализирани трите

основни групи загуби в устройството. За разлика от повечето от

останалите схеми с намалена консумация, които работят в прекъснат

режим (hiccup mode), предложената от авторите схема работи в

непрекъснат режим, като в същото време загубите в магнитния

материал, медните проводници и управляващата схема са подържани

малки. Предимство на схемата е, че тя е от самоосцилиращ вид с LC

резонансна верига. Схемата може да работи и в клас С, където ток се

консумира на върха на синусоидата. Това води до повишена

ефективност и наподобява резонансен преобразувател с нулево

напрежение на комутация.

Предложени са решения за оптимизация на функционалните

параметри и допълнително намаляване на загубите.

Предложеното стабилизирано захранване (Uin=315V, DC) е

реализирано, като експериментално е доказана функционалността му

при широки промени на товара (0÷300mA: Uout=15V).

Изследвани са загубите на устройството във функция на входното

напрежение, като загубите не надвишават 0.2W. Демонстриран е и

режим, при който загубите са допълнително намалени и по–малки от

0.2W.

Показани са резултати от експериментите, описващи работата на

захранването в трите режима: като прав преобразувател, като обратен

преобразувате и комбиниран режим прав-обратен преобразувател.

Изследвана е подробно консумацията и са представени зависимости на

консумираната мощност от входното напрежение. Представените

зависимости са за двата изследвани случая с и без стабилизация.

Дадени са практически оказания за реализацията на захранването с

цел подобряване на електромагнитната съвместимост.

33

[A32] Van den Bossche A., V. C. Valchev, S. T. Barudov, ‘Practical Wide Frequency

Approach for Calculating Eddy Current Losses in Transformer Windings’, IEEE

ISIE, Montreal, Canada, 9-13 July, 2006.

Загубите от вихрови токове в намотките на трансформаторите и

индукторите се определят от няколко явления: повърхностен ефект (skin

effect), ефект на близост (proximity effect) и други ефекти и поради това

точното им изчисление е изключително сложно и изискващо изчислително

време.

Докладът представя практически ориентиран метод за изчисление

на загуби от вихрови токове в намотките на трансформатор. Методът

се базира на известни уравнения валидни при т.н. нискочестотнен

подход (НЧП): 6.1d , където /2 , f 2 . Въведен е

коефициент ck , който разширява приложимостта и валидността на

известното уравнение за загубите при НЧП и за високи честоти – т.е.

при 6.1d .

Представена е метод за изчисляване на ck като функция на

геометричните размери на намотките. За улесняване на проектирането

са разработени и предложени графични зависимости на ck за

трансформатор във функция на еквивалентна работна честота ekvf за

различни случаи на параметъра em (брой слоеве на съответната

намотка), за различни геометрични отношения в намотките.

Методът е демонстриран чрез изчисляване на ck за високочестотни

трансформатори за няколко типични случая: при един слой на

намотката, при "половин слой", при три слоя.

Представено е практическо приложение на метода за изчисляване на

загубите от вихрови токове в намотките чрез проектиране, реализация

и експерименти на трансформатор за заваръчно устройство

( kHzfkWPVV outin 20,5.2,300 ), спецификация на трансформатора:

сърцевина U80/40/25, N1=20, d1=1.18mm, N2=5, d2=2mm, по два

проводника в паралел. Получените резултати показват, че измерените

WPmeas 31.9 и изчислени загуби WPcal 403.9 на реализирания

трансформатор са близки по стойност, което доказва високата точност

на метода, съчетано със сравнително бързото изчисление и широкото

му приложение.

Предложения метод е широко приложим в магнитни компоненти за

индустриални електронни устройства.

Научната работа по доклада е извършена в рамките на проект NATO

Research Program Project RIG981.482.

34

IV. Доклади в международни конференции в България, общо 9 броя

[A33] Янков П. В., Е. Н. Димитрова, В. Ц. Вълчев, ‘Изследване на времето за

спиране на ветрогенератор с електрическа спирачка, Конгрес „50 Години ТУ

Варна“, 4-6 Октомври, Варна, 2012.

Електрическата спирачка е важен блок в съвременните индустриални системи

за преобразуване на енергията от вятъра. Предимствата на електрическата спирачка

включват: възможност за многократна употреба при незначително износване;

бързодействие; лесно управление и настройване. Тези предимства обосновават и

избора и при разработване на спирачни системи за ветрогенератори, където може

да бъде комбинирана заедно с механични и аеродинамични спирачки -

електронната спирачка не може да бъде основна. Именно това аргументира и

необходимостта от разработката на нови и подобряването и изследването на

съществуващи топологии и структури на електрически спирачки.

Докладът представя компютърно изследване на "пасивна" електрическа

спирачка използваща баластен резистор, комутиран от тиристорен

електронен ключ който се превключва при настъпване на авариен режим

във ветрогенратора. Целта на настоящият доклад е да изследва времето за

спиране на ветрогенератора при различни условия.

Проведена е компютърна симулация на разглежданата електронна схема,

функционираща като спирачка. Симулацията е разработена в средата на

Cadance - PSpice, като електрическата схема е изцяло моделирана, за

ветрогенератор е използвана заместващата схема на електрическия

генератора. Изследван е авариен режим свързан с отпадането на

електрическата мрежа, като са проучени времената за достигане на

праговите напрежения за сработване на защитата, както и времето

необходимо за нейното задействане.

Изследвано е времето на задействане на спирачката при отпадане на

натоварването на мрежата за две крайни честоти (ниска и висока) на

въртене на вятърната турбина. Установено е времето, за което

пренапрежението достига прага на задействане – съответно 30ms и 4ms,

при което спирачката задейства за 1 оборот и съответно за 1/5 оборота.

Получените резултати доказват функционалността на изследваната схемна

реализация.

Настоящият доклад е разработен при изпълнение на проект ОП „РЧР”

BG051PO001–3.3.06-0005 “Развитие потенциала на докторанти, посдокторанти,

млади учени и специализанти от инженерните науки в ТУ – Варна и техния принос

за развитие на икономика, базирана на знанието” .

35

[A34] Е. Н. Димитрова, Т. Х. Папанчев, В. Ц. Вълчев ,‘Проектиране на магнитни

компоненти в среда OrCAD/PSpice’, Конгрес на ТУ Варна, 4-6 Октомври,

2012.

В процеса на проектиране на магнитните компоненти (МК) за

индустриални електрони устройства се решават проблеми, често пъти

противоречиви по своята същност – ниска цена, малък обем, висок к.п.д. и др.

Обемът на изчисленията е голям, обикновено придружен с итеративни цикли,

и повторения до постигане на приемлив резултат. По-ефективно проектиране

може да се постигне с използването на интегрирани програмни системи от

типа на OrCAD PSpice.

В настоящия доклад се разглежда проектирането на МК в програмната

среда OrCAD 16.0 чрез модула Magnetic Parts Editor (MPE).

Представени и анализирани са възможностите програмния пакет

Magnetic Parts Editor, OrCad) за проектиране на трансформатори и

индуктори за импулсни преобразуватели, отчитайки спецификата на

приложението им и условията на работа. Анализирани са алгоритъма

на работа и изчислителните процедури в модула.

Представен е алгоритъм за проектиране и при използуване на MPE в

шест стъпки. Реализирано е проектирането на примерен

трансформатор (за обратен трансформаторен преобразувател, V1=20V,

V2=5V, I2=0.8A, f=100kHz) - представени изходни данни.

Анализирани са и са откроени особеностите в процеса на работа с цел

постигане на желаните крайни резултати.

В табличен вид са обобщени изходните разултати от проектирането

на трансформатора. Резултатите включват стойностите на основните

параметри на проекирания трансформатор.

Представен е начин за разширяване на базата от данни на

проводници и сърцевини за да се избегне липсата на параметри за тях

по българския стандарт.

Представения метод е подходяща както за използване в учебния

процес, така и за практическо приложение при проектиране на

конкретни електронни изделия, като захранващи модули,

преобразуватели и др.

Настоящият доклад е разработен при изпълнение на проект ОП „РЧР”

BG051PO001–3.3.06-0005 “Развитие потенциала на докторанти,

посдокторанти, млади учени и специализанти от инженерните науки в ТУ –

Варна и техния принос за развитие на икономика, базирана на знанието”.

36

[A35] Valchev V. C., G. T. Nikolov, ‘Advanced set-up for high frequency

measurements of magnetic materials and components in electronics’ – ICEST09, V.

Tarnovo, Bulgaria, 2009.

Приложенията на съвременната индустриална електроника нарастват, нараства

и нуждата от все по-разнообразни магнитни компоненти (МК). Известни са

множество методи за проектирането на МК. Независимо, че някои от тях дават

много добри резултати, нуждата от експериментална проверка на проектирания и

изработен МК остава. Провеждането на изпитания с МК обикновено изисква скъпа

специализирана апаратура. Такава апаратура осигурява големи възможности, но

високата й цена ограничава разпространението й. Целта на настоящия доклад е да

предложи експериментален комплекс за изследване на МК, който да има широки

възможности, и в същото време да не изисква скъпа апаратура.

Представени са основните (седем) компонента на предложения

експериментален и измервателен комплекс: полумостов/мостов силов

електронен преобразувател - осигурява необходимата стойност на

напрежението и тока прилагани към МК, съобразени със сигнала от

функционален генератор; цифров запомнящ осцилоскоп със

специализирани сонди - осигуряват измервания на тока, напрежението и

магнитния поток, на база на което се изчисляват редица други параметри

(например, загубите в МК); калориметър - позволява независимо и

сравнително точно измерване на загубите в МК; термометър - следи

температурата на МК; функционален генератор - задава необходимата

честота и форма на напрежението; захранващ блок - осигурява

необходимите стойности на тока и напрежението; нагревател - загрява МК

до желана по-висока температура.

Анализирани са особеностите на използването на предложения

експериментален комплекс. Дадени са практически препоръки за работата с

комплекса. Предоставена е информация за конкретно използваните

компоненти и са описани различни особености които трябва да се вземат в

предвид при избора на алтернативни компоненти, ако е необходимо

заместване.

За проверка на работоспособността на експерименталния комплекс са

проведени редица измервания на МК с няколко различни магнитни

материала – феритни МММ (3F3, N67, N87) нанокристални МММ

(Vitroperm 500F, Finemet F3CC). Представени са таблични и графични

резултати. Получените резултати за загубите са верифицирани чрез

съответни измервания с калориметър.

37

[A36] Ковачев Д. М., В. Ц. Вълчев, А. С. Маринов, ‘Някои аспекти на цифровото

управление на електронен преобразувател за мрежово свързани генераторни

системи’ Електроника 08, 29-30 май, София, България.

При комбинирани централи за топло и електроенергия със средна или

малка мощност CHP (Combined Heat and Power) променливите параметри на

генерираната електроенергия трябва да се преобразуват в постоянните

параметри на мрежата. Възможностите на съвременната индустриална

електроника позволяват изграждане на необходимите за случая мрежово-

свързани преобразуватели (МСП), които могат да бъдат както достатъчно

компактни и високоефективни, така и относително евтини.

Предложена е блок-схема на МСП с подобрени параметри, която

включва: генератор, изправител, инвертор, филтър, управление и

спомагателни блокове. Анализирани са трите режима на работа на

системата – начално развъртане (стартов), генераторен (основен) и

авариен режим. За намаляване на комутационните загуби в

преобразувателя е предложена подобрена схема включваща IGBT и

MOSFET.

Разгледани са аспекти на цифрово управление на МСП. Основните

стъпки включват: математическо моделиране на операциите (в среда

MATLAB), реализирани от аналоговите блокове, привеждане им към

цифрови сигнали.

Обосновано е осъществяването на цифровия синтез да е на езика за

хардуерно проектиране VHDL, като от съображения за по-добра

шумоустойчивост е подходящ FPGA (серия IGLOO или Fusion) на

Actel. Предимство на първата серия е понижената й консумация, а на

втората – наличието на вградени аналогови входове за измерване на

напрежение, ток и температура, както и аналогови изходи за директно

управляване на IGBT и MOSFET. Това позволява опростяване на

конструкцията и значително повишаване на надеждността на

устройството.

Предложен е начин за премахване на някои от обработките –

например преминаването на мрежовото напрежение през нулата да се

получи директно от знака на цифровия код, опростяване или

интегриране в други блокове на инверсията, изправянето, формиране

на закъснението при включване на електронните ключове и други.

Настоящият доклад е разработен при изпълнение на проект от вътрешен

конкурс на ТУ – Варна, 2008 г.

38

[A37] Юдов Д. Д., Д. Марева, В. Ц. Вълчев, ‘Мултирезонансен преобразувател

при противо е.д.н.’’, 13-15 юни, 2008, Международна конференция, БСУ,

Бургас, стр.151-156.

Основни изисквания към силовите електронни устройства за заряд на АБ

са намалени загуби и повишен к.п.д. Намаляването на загубите се постига с

различни методи, като меката комутация е един от тях.

Докладът представя схема и анализ на мултирезонансен инвертор за

зареждане на АБ с допълнителни пасивни компоненти за намаляване

на динамичните загуби.

Анализирана е цялостната схема на AC/DC/AC устройството.

Представени са изрази за оразмеряване на пасивните елементи.

Изчислената схема е симулирана в PSpice. Доказан е принципът на

действие и регулировъчните характеристики.

Представена е принципна схема на захранващ блок,

мултирезонансен автономен инвертор, токоизправител и филтър.

Принципната схема на автономния инвертор се базира на полумостова

схема с мека комутация. Меката комутация е постигната чрез

включване на кондензатори в паралел на силовите ключове.

Представен е подробен PSpice модел на изследвания

мултирезонансен автономен инвертор за зареждане на акумулаторни

батерии. Показани са шест времедиаграми илюстриращи заложения

принцип на мека комутация и доказващи функционалността на

предложената схема. Изследвани са следните важни зависимости:

зависимост на комутационните загуби при промяна на кондензатора

свързан в паралел на силовите ключове;

зависимост на комутационните загуби от промяната на напрежението

на акумулатора;

зависимост на зарядния ток на акумулатора от коефициента н

запълване δ;

зависимост на комутационните загуби от изменението на

коефициента на запълване δ;

зависимост на комутационните загуби от изменението на товара.

Дадени са препоръки за стойностите на елементите Cs, Ls

определящи резонансната честота, за максимално намаляване на

комутационните загуби.

39

[A38] Вълчев В. Ц., Г. Т. Николов, Д. Д. Юдов, “Магнитни компоненти за

силовата електроника, тенденции и проектиране” – Конференция на БСУ, 13-

15 Юни, 2008 стр.177-183.

Все по-бързото развитие на съвременните полупроводникови ключове

налага адекватно развитие и на магнитните компоненти (МК) – две от

основните групи компоненти на индустриалната електроника. Настоящия

доклад представя нови магнитни материали в силовите електронни

преобразуватели, тенденции и проектиране на магнитните компоненти за

силовата електроника.

Представени са основните видове магнитно меки материали (МММ)

- нанокристални, като същевременно е направено сравнение с

традиционно използваните ферити. Направено е сравнение на

основните характеристики между типични представители на

съответните материали, от което се вижда причината за широкото

навлизане на нанокристалните МММ в индустриалната електроника.

Резултатите са представени и в табличен вид.

Анализирани са загубите в МК, при типични за силовата

електроника условия - наличието на напрежения със стръмни

фронтове (например правоъгълно). Предоставени са конкретни данни

за използваните тестови магнитни компоненти. Приложена е реална

осцилограма, от която се вижда както формата, така и стойностите на

тока, напрежението, загубите в магнитния компонент. На база на тези

данни, при различни стойности на коефициента на запълване на

променливото напрежение в диапазона от 5% до 50%, е получена

зависимостта на зависимостта на загубите от формата (респективно

коефициента на запълване) на сигнала и загубите в магнитния

материал.

Представена е усъвършенствана методика, базирана на известния

метод "Fast Design Approach". Накратко е описана всяка една стъпка от

методиката. Предложената методика позволява сравнително бързо да

се изчисли типичен трансформатор за силовата електроника, като е

отчетено отвеждането на загубите и е направена оценка вихровите

токове в намотките.

Докладът е разработен в рамките на проект №21 „Повишаване на

научния потенциал в областта на инженерните науки и информатиката”,

Оперативна програма „Развитие на Човешките Ресурси”, МОН:

BG051PO001/07/3.3-02.

40

[A39] Юдов Д. Д., А. Димитров, В. Ц. Вълчев – “Понижаващ преобразувател при

работа на противо Е.Д.Н.”, ‘Съвременни технологии 06’, БСУ, 27-28 април,

2006, Бургас, стр.50-57.

Използването на акумулаторни батерии (АБ) става все по–широко, което

налага усъвършенстването на електронните устройства за техния заряд.

Настоящият доклад представя изследване и анализ на схеми на импулсни

преобразуватели на напрежения, подходящи за зарядно устройство.

Анализирани са основните функции на специфичните блокове на зарядните

устройства за АБ. Дефинирани са основните изисквания към тези

устройства. Представен е модел на оловнокисели АБ.

Анализирани са основните схеми на импулсни преобразуватели в режим

на заряд на АБ – режим на противо Е.Д.Н. Входни условия: Vin=300V,

Vout=14.4V, Iout=20A, ΔIL=2A. Анализирани са понижаващия прав

безтрансформаторен преобразувател AIAIHL avDavCd 19,1,05.0,143 ,,

и прав трансформаторен преобразувател

HLNN d 8.122,43.0,52,431 . Изведени са изрази за оразмеряване на

преобразувателите.

Симулирани са две схеми на зарядни устройства и са изчислени техните

к.п.д. – приблизително 85%. На база на анализа е направен извод, че от

конструктивна и икономическа гледна точка по–подходяща е схемата на

безтрансформаторен преобразувател.

Симулирана и анализирана е в детайли цялата система на база на

безтрансформаторен преобразувател. Изследвани са загубите в транзистора

във функция на R и C, като е установено, че основни са комутационните

загуби и за тяхното намаляване са дадени практически препоръки.

Представени са еквиваленти електрически модели на оловнокиселинни

акумулаторни батерии. Описани са електрохимичните процеси протичащи в

акумулаторите. Представени са модели за симулации на разглежданите импулсни

преобразуватели. Проведени са симулации и са представени осем времедиаграми на

изследваните величини. В детайли са изследвани загубите в транзистора, като са

анализирани трите компоненти на тези загуби: загуби при включване, загуби при

изключване и загуби в отпушено състояние (от проводимост). Извършено е

аналитично представяне на токовете през компонентите на схемите, и са дадени

препоръки за минимално необходимата стойност на изходната индуктивност, която

се определя на база на допустимите пулсации на зарядния ток.

Акцентирано е върху основната разлика между двете изследвани схеми:

поради наличието на размагнитваща намотка максималният коефициент на

запълване при правия импулсен трансформаторен преобразувател на напрежение

коефициентът на запълване δ не може да надхвърля 0.5, докато при

безтрансформаторния няма такова ограничение.

41

[A40] Yudov D. D., A. Dimitrov, V. C. Valchev, ‘Transition Processes in DC/DC

Converter for Battery Charging’ XV Intern. Conference Electronics 06, 20-22

October. 2006, Sozopol, Bulgaria, CD-ROM.

Техническите изисквания към всеки силов електронен преобразувател

(СЕП) включват надеждната и стабилна работа при запазване на ниски нива

на електрическите загуби, добра електромагнитна съвместимост и

техническата безопасност. Част от методите за покриване на тези изисквания

включват допълнителни компенсиращи и филтърни звена. Тяхна основна

функция е ограничаването на максималните пикови стойности на

напрежението в СЕП. От изключително значение е правилното подбиране и

изчисляване на тези звена с оглед минимизиране на електрическите загуби в

СЕП.

Докладът представя изследване на прав понижаващ постояннотоков

преобразувател за заряд на акумулаторни батерии. Посредством

симулация чрез програмния продукт PSpice са представени и

анализирани преходните процеси в преобразувателя. Отчетени са

максималните пикови стойности на напрежението UDS върху

електронния ключ и тока ID през него. Показано е значението им за

стабилната работа на преобразувателя.

Изследван е ефектът от включване на компенсационна верига от

елементите Csn и Rsn паралелно на електронния ключ. Посредством

серия от компютърни изследвания е показана връзката между

капацитета на кондензатора и стойността на резистора в

компенсиращото звено - Rsn и Csn, напрежението - UDS и

електрическите загуби в транзистора. На тази база са дадени насоки за

правилен подбор на елементите в компенсиращото звено.

Анализирана е работата на преобразувателя при включване на

филтърно звено в изхода му. Филтърното звено включва резистора Rf

и кондензатора Cf. Предназначението на това звено е свеждането на

изходното напрежение на преобразувателя в режим на празен ход до

допустими нива от гледна точка на техническата безопасност.

Направеният анализ е представен като графична зависимост между

стойността на елементите във филтърното звено Cf и Rf, напрежението

в изхода на преобразувателя UDS и загубите в електронния ключ.

Представени са изрази за правилно оразмеряване на Cf и Rf:

outf RR ).3020( и fRC outf ./)4020( , където outR е изходното

съпротивление на преобразувателя, а f работната му честота.

Докладът е разработен в рамките на научно-изследователски проект

NATO Reserch Programe, Project RIG.918.482.

42

[A41] Вълчев В. Ц., П. В. Янков, Е. М. Димитрова, ‘Изследване на статична

електрическа спирачка за ветрогенератор’, Енергиен Форум 2013, „Св. Св.

Константин и Елена” гр. Варна, 12 - 15 юни, 2013.

Използването на спирачни системи е задължителна част от оборудването при

ветрогенераторите. Възможни са следните решения: електрическа, механична и

аеродинамична спирачки. За да отговарят на изискванията от директива IEC 61400-

1, спирачните системи трябва да включват най-малко два независими начина за

спиране. За средни и високи мощности механичните спирачки генерират голямо

количество топлинна енергия, разсейвана вътре в гондолата, което е сериозен

недостатък. Поради това се комбинират няколко типа спиране в определена

последователност.

В доклада е направено изследване на статична/кондензаторна

електрическа спирачка за ветрогенератор.

Представена е схема на статична електрическа спирачка с подобрена

схема на неуправляем трифазен токоизправител за ветрогенератори.

Изследването се базира на вече проведени симулации, експерименти и

метод за подбор на компонентите на схемни решения от патент

PCT/EP2010/055637. Изследването на спирачката е извършено аналитично и

графично. За да може да се оцени ефективността на спирането, е реализиран

сравнителен анализ с номиналната честотно/мощностна крива на даден

ветрогенератор.

Чрез графично сравнение между синтезираните честотно/мощностни

криви в номинален и авариен режим е направена оценка за ефективността

на изследваната електрическа спирачка и е доказана функционалността й.

Представена е графика, илюстрираща реактивното съпротивление и общия

импеданс при включен кондензатор във функция на работната честота.

Спирачната крива трябва да е над кубичната крива Pw, за да намалява

скоростта на въртене на ветргенератора. Обикновено е нужно около 50%

над номиналната честотно/мощностна крива.

При подходящ подбор на стойностите на схемните кондензатори се

постига необходимото 50%-но увеличение на електрическото натоварване

на генератора. Предложена е насока за подбора на стойностите на

кондензаторите за обхват на мощността на ветрогенератора от 50÷200 kW.

Разгледан е примерен генератор с мощност 100 kW, за който е отчетено, че с

добавена комбинация от кондензатори 15 μF и 3,3 μF, паралелно на намотките

на генератора, за честоти на въртене на ротора от 35 Hz до 50 Hz се постига

над 50% повече спирачна мощност от тази в номинален режим.

Направено е проучване на текущата цена на необходимите високоволтови

кондензатори с цел икономическа обосновка на изследваната електрическа

спирачка. В таблица са представени стойностите на напрежението Ur, тока

Imax и капацитета Cr, както и съответната цена на пазара. Акцентирано е

върху подходящи високоволтови кондензатори за осъществяване на

електрическата спирачка на примерния 100 kW ветрогенератор при

използуване на изследваната схема.

Докладът е разработен в рамките на проект BG051PO001-3.3.06-0005, ОП РЧР.

43

Б Публикации извън групата равностойни на монографичен труд

I. Статии в рецензирани научни списания и годишници в

България, общо 8 броя

[ Б1 ] Farhi O. A., V. C. Valchev, I. Hinovski, A. Ivanov, ‘Approach to renewable

energy assessment’, Journal of ‘Elektrotechnika & Elektronika (E+E)’, No 5-6,

2011, ISSN 0861-4717, pp. 2-7.

В рамките на Европейския съюз Република България е поела ангажимент за

създаване и прилагане на стратегия за развитие на нисковъглеродна икономика и

гарантиране на устойчив дългосрочен растеж. В настоящата статия е разгледан

възможен метод за оценка на националните възобновяеми енергийни ресурси,

обърнато е внимание на предприетите мерки за достигане на националните

индикативни цели, засегната е проблематиката свързана с финансовите механизми и

оптимизиране на разходите. Съгласно приетите ангажименти към 2010 г. 11% от

общото количество електрическа енергия в България трябва да се осигурява от ВЕИ.

В статията са представени аргументи за важността на ветровата

енергетика в общия дял на енергия, добивана от ВЕИ. Обобщени и

представени са данни за очакваното производство на електрическа енергия

от ВЕИ в процентно отношение към общата консумация за страната за всяка

година за периода 2010 - 2020г. Направена е разбивка на дела на двата най-

бързо развиващи се сектора във ВЕИ (слънчевата и ветровата енергетики) за

2010 г. до 2020 г. през две години - като инсталирани мощности и

произведена енергия.

Направена е оценка на наличния възобновяем енергиен ресурс на база данни налични на макро ниво и е разгледана възможност за прецизиране на тези резултати посредством полеви измервания, отчитащи допълнителни фактори, който правят възможно построяването на прецизни модели, позволяващи маркирането на най-благоприятните места за разполагане на енергогенериращи единици, с оглед оптимално оползотворяване на разполагаемия възобновяем енергиен ресурс.

Разгледани са географските и климатичните особености на България и съответните защитени области (Натура 2000) и необходимостта от изготвянето на ГИС (географска информационна система) за ВЕИ за страната.

Представени са резултати (карти на енергийния потенциал) на макрониво за страната, получени при изпълнение на проект ДО02-48/10.12.2008 на Национален фонд "Научни изследвания".

Обоснована е необходимостта, че подкрепата за изграждане на нова инфраструктура за пренос и разпределение за целите на присъединяването на нови производители от ВЕИ трябва да се основава на информация и база данни за енергийния потенциал, които да са достъпни за инвеститорите.

Натрупаният опит и данни при изпълнение на проект №ДО02-48/10.12.2008, показва, че изявените проблеми на национално ниво могат да намерят своето решение в рамките на вече предприети изследвания.

44

[ Б2 ] Petrov P., A. Terziev, A. Ivanov, V. C. Valchev, I. Genovski, ‘Preliminary

estimates of wind energy’, Journal of ‘Elektrotechnika & Elektronika (E+E)’,

No 5-6, 2011, ISSN 0861-4717, pp.45-49.

При съвременната енергетика общият енергиен баланс се получава в резултат

на преобразуването на енергията от различни енергоизточници. Основно изискване

към електрическата мрежа е във всеки един момент да се поддържа баланс между

потреблението на енергия и нейното производство. Рязкото повишение или

понижение на енергопроизводството предизвиква сериозен дисбаланс, което може

да доведе дори до преустановяване на работата на мрежата. Този факт налага

прогнозирането на енергопроизводство. Енергията, която се генерира от силата на

вятъра, може да се определи като една от най-трудно предсказуемите в сравнение с

останалия тип ВЕИ. Повишаването на енергопроизводството от този тип енергия

през последните години значително нараства, което за в бъдеще ще създаде

сериозни проблеми на електроенергийната мрежа.

В настоящата работа са предложени възможни методи за предварително

прогнозиране на ветровия енергиен ресурс на база специализирани

измервания със 15 метеорологични мачти, височина 60 метра.

Представени са изрази за оценка и прогноза на годишната произведена

мощност от ветрогенератори. Отчетени са влиянието на релефа, както и

връзката между плътността на въздуха и температурата му.

Анализирана е важната необходимост от прогнозиране на генерираната

мощност в часовете на денонощието и съчетаването и с потребителския

график, като са разгледани двата възможни метода: пасивно

(консервативно) прогнозиране, базирано на предишен опит и метод -

оптимизация, базиран на моделиране чрез специализиран софтуер.

Разгледани са основните стъпки при прилагане на втория метод.

Представена е детайлна итеративна процедура за оценка на ефективността

на ветропарк. Процедурата се базира на дванадесет месечни измервания на

скоростта на вятъра на три височини на мястото, където е ветропарка (което

се обследва).

Представени са резултати на научното изследване в рамките на проект

ДО02-48/10.12.2008 “РАЗВИТИЕ НА СПЕЦИАЛИЗИРАНА НАУЧНА

ИНФРАСТРУКТУРА ЗА ИЗСЛЕДВАНЕ ПОТЕНЦИАЛА НА СЪНЦЕТО И

ВЯТЪРА” (15 броя метеорологични мачти), съгласно натрупаната база

данни, посредством която да бъде прогнозното годишно

енергопроизводство за всеки район на Северна България.

С помощта на измерванията, които продължават в реално време, заедно с

анализираните дългогодишни такива и пакетът от параметри за дадения

парк ще бъде възможно построяването и на почасови прогнозни графици. Те

ще позволят на енергийния оператор възможност за „плавно” и надеждно

управление и балансиране на електропреносната мрежа.

Статията е разработена в рамките на научно-изследователски проект

ДО02-48/10.12.2008.

45

[ Б3 ] Фархи О. А., И. Хаджидимов, В. Ц. Вълчев, В. Павлов, Д. Кирова, А.

Иванов, Е. Драганова, В. Киряков, Ж. Киряков, ‘Прогнозен ветрови

потенциал на Северна България’, списание ‘Автоматика и Информатика’,

бр.1, 2011, ISSN 0861-7562, стр.44-47.

Ефективното използване на ветровата енергия изисква прецизна оценка на

енергийния потенциал на база на реални измервания за достатъчно дълъг период.

Целта на статията е да се представят, анализират и обобщят резултати от измерване

на ветрови параметри, обработени с лицензиран продукт WindPro.

Представена е технологията на измерването, базирана на метеорологични

мачти тип XHD, NRG Systems, 60m. Използвани са чашковидни анемометри

NRG 40C и ванове NRG 200P, разположени на четири нива на височина - 60,

50, 40 и 10 метра (инфраструктура на ТУ Варна по проект ДО02-

48/10.12.2008, НФ ‘НИ’).

Разгледани са резултати от цифровите модели, получени от WindPro,

даващи възможност за определяне на: основна посока на вятъра (роза на

вятъра); максимална скорост при турболентност; средно месечни стойности

на наблюдаваните параметри, Weibull разпределение; измерване на вятъра

във височина. Използван е модел LINCOM. Въведени са данни за релефа.

Надморската височина се определя с т. нар. TIN модел. Използвани са пет

основни класове на грапавост.

На база на получените резултати са изработени карти на ветровия

потенциал на районите, където са разположени отделните мачти (16 на

брой) и обща карта на Северна България. За да се определи скоростта на

вятъра на височина 100 м се използва екстраполация чрез генериране на

ветрова статистика.

Анализирани са резултатите и създадените карти на районите и

цялостната карта на Северна България. Направени са изводи за получените

резултати и влиянието на спецификата на релефа (напр. за предпланинските

райони на Стара планина).

Оценена е необходимостта от по-дългосрочни измервания за изготвяне на

по-детайлни карти на вятъра, особено за хълмисти и планински райони.

Изготвените карти могат да се използват като независим източник за

предварителна оценка на ефективността на ветроенергийните източници, а

също и за статистически анализ на национално и европейско ниво.

Създадените карти дават възможност на електроенергийния системен

оператор да планира по-добре инвестициите и енергодобива във ветровата

енергетика за Северна България.

При създаване на цялостна карта на България ще се допълни ветровата

карта на Европа.

Статията е разработена в рамките на научно-изследователски проект

ДО02-48/10.12.2008.

46

[ Б4 ] Фархи О. А., И. Хаджидимов, В. Ц. Вълчев, В. Павлов, А. Иванов, В.

Киряков, Ж. Киряков, И. Павлова, ‘Прогнозен слънчев потенциал на

Северна България’, списание ‘Автоматика и Информатика’, бр.4, 2010,

ISSN 0861-7562, стр. 17-20.

Прогнозирането на енергийния потенциал на Слънцето изисква

измервания за поне едногодишен период.

Статията представя методика и резултати от изследване на

слънчевия потенциал в Северна България при използването на

шестнадесет метеорологични мачти с измервателни комплекси, тип

NRG (проект ДО02-48/10.12.2008, НФ ‘НИ’).

Представен е анализ на слънчевия потенциал на база на измерените

стойности, W/m2, на височина десет метра от земната повърхност.

Разгледани са особеностите и предимствата на силициеви

пиранометри тип LI-COR 200 за регистриране на плътността на

слънчевата радиация.

Месечната енергия се получава чрез сумиране на дневните

стойности на енергията, а обобщената годишна енергия - чрез

месечните стойности на енергията.

На база на получените от измерванията данни са определени

годишните стойности на слънчевата енергия, падаща върху

хоризонтална повърхност. Тези стойности са използвани за създаване

на карта на потенциала на слънцето. За определяне на зоните с

постоянна стойност (еквипотенциални зони) са използвани и данни от

карти на METEONORM. За изграждане на цялостна карта на Северна

България е използван принципа на суперпозицията.

Обобщени са получените резултати за плътността на слънчевата

радиация и са направени изводи за евентуалните причини за

определени разлики с картата PVGIS за някои зони (гр. Димово, гр.

Луковит, гр. Оряхово). Измерените потенциали са около 1400 W/m2, а

резултатите от картата PVGIS са 1250 W/m2. Обоснована е

необходимостта от по-дългосрочно измерване за по-добра корелация,

както и отчитането на цялостната метеорологична обстановка.

Статията е разработена в рамките на научно-изследователски-проект

ДО02-48/10.12.2008, „Развитие на специализирана научна структура за

изследване потенциала на слънце и вятър, Национален фонд „Научни

изследвания”, МОН.

47

[ Б5 ] Valchev V. C., P. V. Yankov, A. S. Marinov, “PMSM/BLDC as generators

in renewable energy conversion systems’ – Annual Journal of Electronics

2009, ISSN 1313-1842, pp. 137-140.

Възобновяемите енергийни източници (ВЕИ) са едни от най-важните за

човечеството при бъдещото производство на енергия. Възможността за генерация

при високи нива на устойчивост и природосъобразност ги поставя на едно от

челните места при планиране и изграждане на съвременната енергийна система.

При голяма част от ВЕИ процесът на производство на енергия е свързан с

преобразуването на механична в електрическа енергия. Именно това прави

електрическия генератор важно звено при изграждането на ВЕИ системи. С него до

голяма степен се свързва ефективността и надеждността на системата, както и

допълнителните интерфейсни схеми необходими за присъединяването на ВЕИ

системата към електроразпределителната мрежа.

Статията разглежда в детайли електрическите генератори, използвани във ВЕИ

системите, базирани на ветрова енергия. Анализирани са предимствата и

недостатъците на използваните технологии.

Синхронните машини с постоянни магнити (PMSM) са разгледани като една

от най-перспективните технологии при изграждане на ветрогенератори.

Анализирани са техните предимства, както и електронните схеми необходими за

управлението им. Обобщени са конкретни приложения, използващи синхронни

машини с постоянни магнити.

Анализирани и обосновани са основните предимства на PMSM/BLDC

машината в сравнение с конвенционалната променливотокова машина:

намалени са загубите в медта;

намалено тегло (няма възбудителна намотка);

по-малки загуби и по-добри условия за охлаждане;

по-малка големина за една и съща мощност (поради специфичната

конструкция);

възможност за по-добро управление на позицията в резултат на по-малките

пулсации на въртящия момент;

висок въртящ момент при малки скорости.

Доказани са предимствата на PMSM/BLDC за приложения, преобразуващи

енергията на ВЕИ. Очертани са следните предимства, които са изключително важни

за системите а ВЕИ:

намалени габарити и тегло – изискване характерно за битови приложения;

повишена ефективност – задължително изискване за ВЕИ системите;

висока надеждност – по-ниски изисквания към поддръжката.

Предложена е подобрена схема за безсензорно управление на синхронен

генератор с постоянни магнити.

Статията е разработена в рамките на научно-изследователски проект ДО02-

48/10.12.2008, „Развитие на специализирана научна структура за изследване

потенциала на слънце и вятър, Национален фонд „Научни изследвания”, МОН.

48

[ Б6 ] Димова Р. Д., В. Ц. Вълчев, ‘Система за мониторинг и управление на

ветрогенератори’, Годишник на ТУ Варна 2009, ISSN:1311-896X, стр.43-

46.

Пред бъдещото развитие на енергийния сектор стоят големите

предизвикателства на нарастващия дефицит на енергоресурси и проблемът с

увеличаването на отделяните парникови газове. Възобновяемите енергийни

източници са ефективно решение и на двете предизвикателства. Разположението на

ветрогенераторните паркове на голямо разстояние от населени места, липсата на

добра инфраструктура, както и големите инвестиции за радиопредаване са

предпоставки за високи месечни разходи и недостатъчна надеждност на

комуникациите, свързани с оценка на ресурса и експлоатация на ветропарковете.

Статията представя система за мониторинг и наблюдение на ветрогенераторен

парк, използваща на телекомуникационна технология с многократен достъп с

разделяне по време (TDMA) по протоколи GSM/GPRS. Представена е идея за

използване на комуникациите за оценка на потенциални възможности на

източниците на енергия и за подходяща инфраструктура за предаване на данни за

наблюдение и контрол. Представена е хардуерната и софтуерната част от системата

за предаване на данни.

Системата за наблюдение и контрол в комбинация със система SCADA може

да се използва за контрол и управление на различни системи, които имат вграден

интерфейс за серийна комуникация. Това е възможно тъй като изграждането и

инициализацията на мрежата позволява тя да предава данни от и към описаните

серийни връзки.

Обосновани са предимствата на представената система: спестяване на разходи

по поддръжка, осигуряване на ниски месечни такси и мобилност, позволяваща

предаване на сигнал до която и да е точка. В резултат на гъвкавостта на системата,

тя осъществява комутация през различни стандарти за пренос на данни по Интернет

и позволява да се използват системите за достъп до глобалната мрежа.

Представени са SCDA системите, които служат за наблюдение на различни

параметри – вътрешни процеси, температура, налягане, позиция на перките,

клапани и други. Анализирано е представеното наблюдението на ветрогенераторен

парк. За конфигуриране на логерите и анализ на данните се използува

специализиран софтуер. Интервалите на отчитане на параметрите на вятъра може

да се променят, по подразбиране този интервал е 60 секунди. Специализираният

софтуер е пригоден и за активен (on-line) режим на наблюдение, обхващащ

текущото състояние на функциите на всеки ветрогенератор. Едновременно с това

постъпващите данни се архивират за последващ технологичен или статистически

анализ.

Статията е разработена в рамките на научно-изследователски проект ДО02-

48/10.12.2008, „Развитие на специализирана научна структура за изследване

потенциала на слънце и вятър, Национален фонд „Научни изследвания”, МОН.

49

[ Б7 ] Генов П. Е., Е. Б. Беков, В. Ц. Вълчев, ‘Съвременни методи и тенденции

в УЗ медицинска диагностика’,списание Акустика, ISSN 1312-4897, брой

8, 2006, стр. 95-100.

Изследването на биологични обекти с ултразвукови електронни

устройства позволява получаването на качествени акустични образи. В

статията са разгледани нови методи и тенденции в цифровата ултразвукова

медицинска диагностика.

Анализирани са предимствата и недостатъците на тримерната и

четримерната ултразвукова медицинска диагностика. Предимства:

Висока информативност, позволяваща представяне на пространственото

разположение и формата на различни структури и органи.

Възможност за получаване на различни сечения.

Изчисляване на обема на различни обекти.

Обемно представяне на повърхността на различни обекти.

Изследване поведението на различни обекти при тяхното движение.

Недостатъци:

Повишена сложност при реализиране на метода.

Представяне на образа в двумерна координатна система

Обосновани са предимствата на електронните методи за получаване на

акустична информация.

Анализирано е използването на ехо-контрастни вещества в

ултразвуковата диагностика (изследване на сърцето и съдовата система.

Разгледан е методът на тъканните хармоници, чието приложение позволява

значително подобряване на разрешаващата способност и контраста на

ехографските изображения.

Представен е съвременен метод в ултразвуковата диагностика –

елестография. Разликата в големината на модула на еластичност при здрава и

увредена тъкани, дава възможност да се подобри диагностицирането при

онкологични заболявания. Представени са изображения при използуване на

метода.

Анализирана е вибродиагностиката, като нов неивазивен метод за

получаване на динамични изображения на тъканите на основа на техните

вибрации. Регистрирането на вибрациите позволява формирането на

съответни изображения.

Представен е и метод на акустичната микроскопия, изискващ по-високи

честоти (10-6

м). Обоснована е важността на разработване на нови електронни

ултразвукови трансдюсери при честоти от порядъка на единици и десетки

гигахерци.

Обобщени са изводи в резултат на направения анализ на представените

методи. Основните несъмнени предимства на представените методи са

неинвазивност, безвредност (в частност не се използват йонизиращи лъчения)

и широка достъпност.

50

[ Б8 ] Беков Е. Б., П. Генов, В. Ц. Вълчев, ‘Нови тенденции в цифровата

ултразвукова медицинска диагностика’, Годишник на ТУ – Варна, 2006,

стр. 82-86.

Прилагането на цифровата електроника в ултразвуковата електронна

апаратура води до съществена промяна в структурата на тези електронни

устройства и позволява подобряване на функционалните им параметри.

Статията разглежда нови тенденции в прилагането на цифровата електроника

в ултразвуковата диагностика.

Разгледана е пълната дигитализация на използваните технически

средства в ултразвуковата диагностика. Показани са предимствата на

цифровата ултразвукова диагностика и недостатъците на аналоговата

ултразвукова диагностика.

Представени са основни отношения за разпространение на вълните,

дадени са изрази за разпространението на ултразвуковата вълна в

биологичните тъкани. Описана е функцията, характеризираща

излъчената ултразвукова вълна в зоната на фокусиране. Анализирани

са цифровите методи за формиране на ултразвуковия лъч. Представени

са основни аспекти на цифровата обработка и визуализацията на

отразените ехо сигнали.

Представени са уравнения описващи разпространението на

ултразвуковите вълни в биологични тъкани. Изхожда се от факта, че

биологичните тъкани имат свойства близки до свойствата на течните

среди. На фигура е показан контролен плот на разпространение на

ултразвукова вълна при фокусиране в близката зона – 20мм, излъчена

от трансдюсер с работна честота 7.5MHz. Освен метода на фазирана

решетка е разгледан и метода за пикселно формиран фокус при

управление на фокусирането при предаване и приемане.

Разгледан е методът на цифровия сканиращ конвертор, базиран на

голям обем памет чрез която може да се постигне интелигентно

цифрово увеличение. Разгледани са нови възможности и приложения

на цифровата ултразвукова диагностична апаратура. Разгледани са

въпроси свързани с вграждане на съвременни комуникационни

интерфейси (DICOM) в ултразвуковите апарати.

Докладът е разработен в рамките на научно-изследователски проект

NATO Reserch Programe, Project RIG.918.482.

51

II. Доклади в международни конференции в чужбина, общо 12 броя

[ Б9 ] Valchev V. C., B. H. Dimitrov, A. Van den Bossche, A. S. Marinov,

‘Balancing energy losses in parallel connected MOSFETs for push pull

inverters’, PCIM 2013, 14-16 May, Germany.

Една от разпространените схеми за изграждане на еднофазни инвертори на

напрежение е така наречената противотактна (push-pull) схема. Приложението й е

обосновано в устройства, където ниско постоянно напрежение се преобразува

(трансформаторно) до високо променливо напрежение. Този режим на работа е

свързан с големи токове в първичната част на схемата и в първичната намотка на

трансформатора, което често налага свързването на няколко транзистора в паралел.

Несиметричности в схемата, породени от толеранси в компонентите, могат да

доведат до неравномерно разпределение на електрическите натоварвания между

паралелно свързаните прибори. Това води до влошаване на енергийните показатели

на инверторната схема, както и намалява надеждността на устройството.

Настоящият доклад предлага подобрена схема на свързване на силови

ключове в паралел при реализиране на противотактни инверторни схеми.

В съществото си новостта в предложената структура се състои в това, че

паралелното свързване на компонентите в схемата става посредством

мултифилярно навитата първична намотка на трансформатора. Така за

разлика от конвенционалното свързване, където всички транзистори са

директно включени в паралел към първичната намотка, тук всеки

транзистор е свързан към отделен проводник от намотката. Предимство на

предложената схема е равномерното натоварване и съответно разпределение

на загубите в ключовете, което съответно води и до равномерно

температурно разпределение.

Предложената схема е изследвана и сравнена експериментално с такава

използваща конвенционално свързване. При експеримента са изследвани

следните показатели в двете реализирани схеми:

разпределение на загубите в електронните ключове - измерени със

цифров осцилоскоп;

топлинното разпределение на загубите между ключовете - измерени с

термографска камера.

На база на направените експерименти и анализ е установено:

при предложената схема стойността на загубите се запазва, но те са

равномерно разпределени между паралелно свързаните електронни ключове;

при предложената реализация се избягва концентрирането на загубите в

отделен прибор, което може да доведе до неконтролируемо нарастване на

неговата температура и съответно неговият отказ, а този отказ до

претоварване на другите прибори и до отказ на цялото устройство.

Докладът е разработен при изпълнение на проект ОП „РЧР” BG051PO001–

3.3.06-0005.

52

[ Б10 ] Valchev V. C., A. S. Marinov, A. Van den Bossche, ‘Dual band

current probe for smart energy metering applications’, EPE '13-ECCE, Lille,

France, 3-5 September, 2013 (accepted, in print).

Интелигентните измервателни устройства (smart meters) са съвременна

концепция, позволяваща интегрирането на множество от измервателни системи с

цел получаването на информация за различни по характер и природа процеси.

Натрупаната информация дава възможност организиране на прецизно и ефективно

управление и мениджмънт на ресурсите. Пример за интелигентни измервателни

устройства, намиращи широко приложение в бита, са така са наречените

интелигентни измерватели на електрическа енергия (smart energy meters). Този тип

устройства събират и предават информация за консумираната електрическа енергия

от множество или отделни електроуреди.

Докладът представя специализиран измервател на ток, предназначен за

използване в интелигентни измерватели на енергия. Предложената схема

позволява измерването на ток в широк амплитуден диапазон, отговарящ на

широкия възможен диапазон на консумиран ток от битовите електроуреди

(от няколко десетки мили ампера за устройва работещи в "stand-by" до

двадесет ампера за мощни електроуреди).

Предложената схема се базира на дву-обхватен токов трансформатор,

чийто обхвати се превключват от микрокотролерна система посредством

електронно комутиране на товарни резистори. Така предложената схема

може да измерва както големи, така и малки токове без да се получава

загуба на информация свързана със разделителната способност на

използваните аналогово цифрови преобразуватели.

Съставен е компютърен модел за изследване на устройството. Моделът е

реализиран използвайки програмният продукт PSIM и включва: токовия

трансформатор при използване на нанокристален магнитопровод;

електронните ключове реализирани посредством насрещно свързани

MOSFET; цифровата част управляваща ключовете и обработваща

информацията свързана с големината на измервания ток. Използвайки

модела, са проведени серия симулации, на база на които са направени

изводи за функционалността и точността на предложената схема.

Симулациите включват изследване при измерван ток в "ниския" обхват на

сензора - 200mА и ток във "високия" обхват - 20А.

Изхождайки от разработения модел и направените симулации е

проектиран и разработен прототип на дву-обхватния токов трансформатор.

Проведени са серия от експерименти доказващи резултатите получени при

симулацията. Резултатите от реалните експерименти верифицират модела, а

от там съответно и направените изводи за качествата и функционалността

на предложения токов сензор.

Докладът е разработен в рамките на проект МУ03-164 на НФ ‘НИ’, МОМН.

53

[ Б11 ] Nikolaev N. D., Y. Rangelov, V. C. Valchev, A. S. Marinov,

‘Technique for indirect analysis of domestic power consumers based on power

pattern recognition for smart energy metering’, MIPRO ‘36th International

Convention on Information and Communication Technology, Electronics and

Microelectronics’, 20-24 May, 2013, Opatija, Croatia (accepted, in print).

Важна задача при оценка на енергийната консумация на битовите потребители

е идентифицирането на дела (енергийната консумация) от всеки един електроуред.

Познавайки тази информация, потребителите биха имали възможността да

подобрят ефективността на използване на електроуредите, с което да се постигнат

по-големи икономии на енергия. За целта изследванията в последните години са

насочени към създаването на устройства за разпознаване на включените в

домашната електрическа мрежа устройства.

Докладът представя нов алгоритъм за индиректно разпознаване на

включените в домакинската електрическа мрежа електроуреди. Алгоритъмът

засича промените в мощността през захранващия домакинството основен

кабел и определя кое е комутираното устройство.

Разработеният алгоритъм се базира на данните, получени посредством

централно измервателно устройство, което се монтира в електрическото

табло на потребителя. Данните за измерените моментни стойности на тока и

напрежението се подават за обработване към входните блокове на

алгоритъма, които изчисляват моментната стойност на мощността,

консумирана от домакинството.

С помощта на блок за компенсиране на амплитудата на напрежението се

постига стабилизиране на измерената моментна мощност, защото както е

известно при превключването им пасивните електроуреди изменят по

приблизително квадратичен закон своята мощност (алгоритъмът е тестван с

девиация на амплитудата 13V).

След последваща специализирана обработка на получения сигнал, на

входа на контролер с размита логика се подават импулси с точно определена

продължителност (0.2 s) и амплитудна стойност, уникални за всеки

електроуред. Контролерът на свой ред разпознава кое е комутираното

устройство и подава импулс за превключване на състоянието на един от

тригерите, който отразява състоянието на този електроуред.

Алгоритъмът е тестван чрез виртуална симулация, представяща

превключване на три електроуреда с различна мощност (865 W, 414 W и

112 W). С дефинирания при тестовете толеранс от 10 % при разпознаването се

гарантира разграничаване на електрически лампи с разлика в номиналната

мощност от 5 W.

Проведените експерименти доказват устойчивата работа на алгоритъма,

въпреки внасяните външни смущения в захранващата мрежа (промяна в

амплитудата и хармоничния състав). Доказана е и функционалността му за

разпознаване на електрическите консуматори, които формират основното

електропотребление в домакинствата – бойлери и отоплителни уреди,

осветителни лампи, готварски печки и други.

Докладът е разработен в рамките на проект МУ03-163 на НФ ‘НИ’, МОМН.

54

[ Б12 ] Valchev V. C., A. S. Marinov, E. N. Dimitrova, ‘Self powered current

acquisition system with wireless data transfer’, MIPRO ‘36th International

Convention on Information and Communication Technology, Electronics and

Microelectronics’, 20-24 May, 2013, Opatija, Croatia, (accepted, in print).

Терминът интелигентни електрически мрежи (smart grids) е широко понятие,

обединяващо множество електронни схеми с различно предназначение, насочено

към производството, преноса и консумацията на електрическа енергия. В това

число влизат и така наречените интелигентни измерватели на енергия (smart

meters). Интелигентните измерватели на енергия най-често намират приложение в

бита, като позволяват комплексни измервания на консумираната от различните

електроуреди енергия, което от своя страна дава възможност на потребителя да

организира свой микро енергиен мениджмънт.

Докладът представя структура на специализиран интелигентен

измервател на енергия. Предложената структура включва множество от

отдалечени измерватели на ток, отчитащи консумацията на различните

електроуреди и предаващи информация към централна станция.

Централната станция изчислява енергията консумирана от всеки един от

обектите на база на измерено напрежение. Новостта в случая е в

използваната топология за реализиране на отдалечените станции, която

позволява измерването и предаването на данните да се извършва при

използуване на самостоятелно схемно захранване посредством

измерителния токов трансформатор. Това премахва нуждата от по-сложни

захранващи схеми.

Съставен е компютърен модел, реализиращ принципа на работа на

предложената схема. На база на модела са проведени серия от симулации,

като е изследвана и установена функциалността на схемата и точността й

при измерването.

За да се направи пълна верификация на предложената схема в модела са

заложени реални данни, представляващи моментните стойности на тока за

различни електроуреди. При използуване на тези експериментални

стойности са проведени серии от компютърни симулации, анализиращи

поведението на схемата при реални условия на работа. На база на

резултатите от симулациите е направен изводът, че предложената схема е

функционална и с достатъчна точност за съответното й приложение.

Докладът е разработен в рамките на проект МУ03-164 ‘Интелигентни системи

за енергиен мениджмънт’ на НФ ‘НИ’, МОМН.

55

[ Б13 ] Dimitrov B. H., G. T. Nikolov, V. C. Valchev, ‘Investigation of an

intelligent power supply system for an electric heater furnace with silicon

carbide heaters’, MIPRO ‘36th International Convention on Information and

Communication Technology, Electronics and Microelectronics’, 20-24 May,

2013, Opatija, Croatia, (accepted, in print).

Докладът разглежда захранващ блок за високотемпературни силициево-карбидни

нагреватели за индустриални пещи. Предлага се ново устройство, реализирано чрез

съвременни електронни силови ключове, управлявани от микроконтролерна

система. Предложената схема има редица предимства спрямо класическото решение

чрез мощен нискочестотен трансформатор. Първото предимство е по-доброто

управление на нагревателния елемент, в резултат на което се постига по-добро

температурно разпределение в пещта. Автоматичната корекция на подаваното

напрежение към нагревателя води до неговия по-дълъг експлоатационен срок.

Допълнителни възможности, които системата предлага са цифрово отчитане на

напрежение, ток, мощност, зададена и реална температура. В резултат на използвания

8 битов микроконтролер, реализацията на връзка с компютър е изключително лесна.

Такава може да бъде изградена както по стандартния интерфейс RS-232, така и чрез

USB интерфейс. Цялата система се захранва от трифазно мрежово напрежение с

изведен звезден център.

Преобразуването на изправеното трифазно мрежово напрежение се

реализира от силовия блок. Предложено е решение за управление на

силициево-карбидни нагреватели чрез съвременни електронни силови

ключове. В случая е използван компактен IGBT модул. Освен силовите

транзистори, в модула има интегриран и трифазен мостови изправител,

както и термистор, измерващ температурата на кристала. За намаляване на

напрежението до желаната стойност е реализиран еднофазен инвертор с

импулсен трансформатор. Избрана е честота на работа 50kHz.

Управлението е реализирано чрез 8 битов микроконтролер на фирмата Microchip. За проведените експерименти е използвана развойната платка EasyPic6.

За управлението на нагревателите е нужно следенето на тока и напрежението. Измерването на ток става с помощта на специализираните токови преобразуватели с датчик на Хол - HXS 50-NP. Изходният им сигнал е постоянно напрежение, чиято стойност е правопропорционална на измервания ток. Това значително улеснява употребата им в съвременните микроконтролери, които често имат вграден АЦП. Измерването на напрежението е реализирано с оптоизолирана схема, която изпраща стойността на напрежението по сериен канал. Така се постига пълна галваническа изолация на управлението спрямо силовата част.

С проектираната система са проведени както лабораторни, така и експериментални изследвания. Представени са резултати, потвърждаващи работоспособността на системата. Показани са и термоснимки, визуално показващи равномерното нагряване на нагревателните елементи.

Докладът е разработен в рамките на проект МУ03-164 ‘Интелигентни системи

за енергиен мениджмънт’ на НФ ‘НИ’, МОМН.

56

[ Б14 ] Marinov A. S., E. B. Bekov, V. C. Valchev, ‘PVDF Based Wind

Direction and Speed Sensor for Weather Assessment Relevant to Renewable

Energy Generation’, EPE-PEMC 2012, 4-6 September ,Novi Sad, Serbia,

DS1d.4-1-4.

За успешното прогнозиране на добива на енергия от ветропаркове

изключително важно е измерването на скоростта на вятъра и неговата посока.

Анализирани са видовете сензори за посока на вятъра и са представени

предимствата и недостатъците им. Изхождайки от направения анализ е синтезирана

и изследвана структура за реализация на специализиран сензор на база на PVDF

материал.

Докладът предлага ново индустриално електронно решение за измерване

и определяне посоката и скоростта на вятъра, включващо сензор на база на

материала поливинилденафлуорид (PVDF). Представени са предимствата на

PVDF - полимер с много добри пиезоелектрични свойства, който може да

бъде произвеждан в изключително тънки ленти с дебелина от няколко

десетки микрона.

Разгледана е конструкцията на сензорът: кръстообразна подложка като на

всяка от страните е залепена по една PVDF пиезоелектрична лента. Така

сензорът има общо осем пиезоелектрични елемента. При излагане на вятър

съответният елемент преобразува кинетичната енергия на въздушния поток

в еквивалентни механични трептения, които от своя страна, в резултат на

пиезоелектричния ефект, се преобразуват до електрическа енергия.

Представена е електронната схема, необходима за усилване и обработка на

получените сигнали.

Реализирана е експериментална верификация и оценка на

функционалността на предложеното електронно устройство на база на

PVDF материала. Изследванията са направени в лабораторна среда, като

обект на разглеждане е само една PVDF пластина от описания сензор.

Изследванията включват: изследвания за работата на сензора при различна

скорост на въздушният поток; изследване за работата на сензора при

въздушен поток с константна скорост и променлив ъгъл (0о÷180

о) спрямо

анализираната PVDF пластина. Показани са реални резултати от

проведените измервания, изходно напрежение с амплитуда 0 до 160mV в

двата проведени експеримента се явява точна функция съответно на

скоростта на въздушния поток и ъгъла, който той сключва спрямо

изследваната PVDF пластина. Анализирани са и различни външни

въздействия и смущаващи фактори, които биха могли да окажат влияние на

измерванията: пироелектрическия ефект, характерен за PVDF, влиянието на

температурата, влажност, дъжд. Установено е, че до голяма степен

външните влияния могат да бъдат премахната посредством лентова

филтрация на изходния сигнал.

Обосновани са предимствата на предложеното електронното устройство

база на PVDF сензор: надеждно и икономическо ефективно решение за

измерване на посоката и скоростта на вятъра. Направените в доклада

изследвания показват, че темата може да бъде доразвита като се премине

към опитни изследвания в реална среда.

57

[ Б15 ] Bekov E. B., A. S. Marinov, V. C. Valchev, ‘PVDF based Rain Sensor

for Weather Assessment relevant to renewable Energy Sources’, PCIM 2012,

8-10 May 2012 Nurmberg, Germany, pp.1658-1661.

Информацията за метеорологичната обстановка е изключително важна при

оценката и прогнозирането на добива на енергия от ВЕИ. Това налага

разработването на специализирани системи са сбор и обработка на данни,

изследващи и оценяващи в детайли различните климатични прояви и влияния.

Докладът представя специализирано електронно устройство за измерване

и регистриране на количество и интензитета на валеж чрез на PVDF сензор.

Сензорът използва пиезоелектричния ефект на материала

поливинилденафлуорид (PVDF).

Представена и анализирана е структурата на сензора, включваща

подложка на която е залепена PVDF лента. Така реализираната

конструкция, при използуване на пиезоелектричният ефект на PVDF

материала, преобразува кинетичната енергия на дъждовните капки в

електрическа. Големината на напрежението в изводите на елемента ще бъде

пропорционално на силата на удара произведен при взаимодействие на

дъждовните капки със материала. Съответно, изходното напрежение ще

представлява импулси с площ пропорционална на силата, която от своя

страна е пропорционална на големината на капката.

Представена е блокова схема на алгоритъм за цифровата обработка на

резултатите (DSP) от измерването, реализирана чрез софтуер. Блоковата

схема може да бъде реализирана, за да се формира завършено устройство,

посредством подходящ микроконтролер.

Представена е верификация на реализираното и експериментирано

електронно устройство със PVDF сензор. Експерименталното изследване е

проведено в лабораторна среда и включва въздействие върху сензора

посредством система за прецизно капко-отделяне. Проведени са серия от

експерименти както при използване на капки с различна големина, така и

при различен интензитет на капко-отделянето. Резултатите са

систематизирани и представени като времедиаграми на усиленото изходно

напрежение на сензора. В допълнение, част от резултатите са обработени

посредством представеният алгоритъм, като е демонстрирано измерването

на количеството вода съдържащо се в капките, попаднали върху сензора.

Направена е начална калибровка на устройството.

Компактността на конструктивното решение и добрата точност

позволяват широко приложение на предложения сензор. Направените

изследвания показват функционалност и надеждност на устройството, което

предполага по-нататъшното развитие на темата и провеждане на

експериментална верификация в реални условия.

Докладът е разработен при изпълнение на проект ОП „РЧР”

BG051PO001–3.3.06-0005.

58

[ Б16 ] Marinov A. S., V. C. Valchev, G. T. Nikolov, ‘Modeling and Analysis

of μCHP System for Domestic Use’, ICEST’11, Nis, Serbia, 29 June – 01

July, pp. 808 – 811, ISBN 978-86-6125-031-6, 2011.

Енергийната консумация на домакинствата в ЕС обхваща 26% от цялата

енергийна консумация в съюза. Около 60% от тази енергия е за отопление. Едно

съвременно ефективно решение за енергийно подсигуряване на домакинствата,

базирано на когенерацията са микросистемите за комбинирано производство на

топлинна и електрическа енергия (КПТЕЕ). Тези индустриални електрони системи

осигуряват едновременно топлина и електрическа енергия, като по-важният

енергиен продукт от гледна точка на количествените нужди на едно домакинство е

топлината. Докладът представя изследване на приложимостта и ефективността на

тези системи.

Предложен е модел на КПТЕЕ при отчитане на всички важни групи

фактори и променливи, описващи системата и потребителя: влияние на

климата; особености на домакинството; конструкция и големина на дома;

вид и специфика на използваното гориво - цена, енергиен капацитет.

Посредством своята ефективност са дефинирани са основните блокове на

модела на КПТЕЕ, включително и индустриалните електронни

преобразуватели.

Проведена е серия от симулации на системата с определени входни

данни. За консумация и условия на домакинството за което са направени

симулациите са избрани типични входни данни, използвани от повечето

производители и дистрибутори на отоплителна техника за дома, а именно:

разгъната площ на дома 100 кв.м.; височина 2.8 м. Използвани са данни

описващи климатичните условия на град Варна за 2010 година. Моделът

обхваща следните видове горива: лигнитни въглища, дърва за отопление,

природен газ, пропан бутан, дизелово гориво, газьол, пелети. Енергийните

стойности на горивата и техните цени са определени локално - на база на

обобщение на спецификациите за предлаганите в региона на североизточна

България, за които е направено изследването.

На база на резултатите получени от симулацията е направено сравнение

за икономическата ефективност на система само за отопление и на

предложената КПТЕЕ. Сравнението е извършено при използване на един и

същ вид гориво. Получените резултатите показват по-добрата икономическа

ефективност (13 до 20%) на предложената КСТЕЕ. Нейното предимството

се увеличава до 46%, ако за отопление се използва електричество.

Извършен е икономически анализ на използването на различни видове

горива за системата, като са посочени предимствата и недостатъците на

различните видове горива за това приложение. Обосновано е, че пелетите

(на база на биомаса) са икономически най-изгодни за КПТЕЕ.

Настоящият доклад е разработен при изпълнение на проект №ДО02-48/10.12.2008,

"Развитие на специализирана научна инфраструктура за изследване потенциала на

слънцето и вятъра" финансиран от национален фонд "Научни изследвания".

59

[ Б17 ] Farhi O. A., V. C. Valchev, I. Hadzhidimov, V. Kirjakov, A. Ivanov,

“Detailed Wind and Solar Resource Map Methodology of Bulgaria”- 6th

Internationale Konferenz fur Alternative Mobilitat, 7-8 September 2009,

Germany.

Необходимостта от нови и възобновяеми енергийни източници е в

съответствие с необратимите климатични промени в света, както и с

изчерпването на изкопаемите горива.

Докладът разглежда и обосновава необходимостта от детайлни

карти на енергийния потенциал на вятъра и Слънцето в България,

позовавайки се на наличната към момента и недостатъчна информация

за страната, както и начина на събирането й.

Разглежда се Европейския атлас на вятъра (база данни за потенциала

на вятъра за Европа), публикуван през 1989 год. от известната

лаборатория RISO. Представени са методите и моделите за

разработването на атласа и използването на специализирания софтуер

WAsP. В атласа няма данни за територията на България, тъй като няма

измервания на подходяща височина и за достатъчно дълъг период.

Разгледани са стъпките за създаване на детайлна карта на

енергийния потенциал на вятъра и Слънцето за България. Анализирана

е технологията и методологията за измерване параметрите на вятъра

и Слънцето.

Представени са възможностите на метеорологични мачти NRG, 60 m

и измервателни елементи. Обоснована е пълната съвместимост на

възможностите на представената измервателна инфраструктура с IEC

(International Electrotechnic Commission) и IEA (International Energy

Agency), което дава основание за надеждността и точността на

бъдещите измервания.

Обоснован е фактът, че представената измервателна инфраструктура

на ТУ Варна (проект ДО02-48/10.12.2008, НФ ‘НИ’) е подходяща

завършена система за извършване на целогодишни измервания на

параметрите на вятъра и Слънцето с цел създаване на детайлни карти

на енергийния потенциал за нуждите на инвеститори и за допълване

съответните данни на Европа за територията на България.

Настоящият доклад е разработен при изпълнение на проект

№ДО02-48/10.12.2008, "Развитие на специализирана научна инфраструктура

за изследване потенциала на слънцето и вятъра" финансиран от национален

фонд "Научни изследвания".

60

[ Б18 ] Kovachev D. M., E. M. Dimitrova, V. C. Valchev, ‘Computer-Aided

Engineering with the help of OrCAD’, ICEST 2007, 24-27 June, 2007, Ohrid,

Macedonia, pp. 807-811.

Проектирането на устройства в индустриалната електроника изисква

подходящи софтуерни симулатори. Докладът представя възможностите на

универсалния софтуерен продукт OrCAD за компютърното проектиране в

електрониката, както и съвместимостта му с други подобни продукти

(CADANCE).

Обобщени и описани са стъпките (етапите) при проектиране:

Предварителни дейности;

Създаване на текущ проект;

Реализиране на симулации в рамките на текущия проект.

Дадени са правила за последователността и организацията на

практическата работа с оглед: създаване на надеждна печатна платка и

осигуряване на възможностите за пре-проектиране; търсене на грешки

в текущия проект (debugging); избягване на често срещани грешки при

използването на продукта – напр. използуване на автоматично

разполагане (PLACE) и автоматично опроводяване (ROUTE) в модул

Layout.

Изложени са препоръки за получаване на адекватни резултати –

напр. активните компоненти, които имат голям ток при превключване,

да имат включен в паралел кондензатор (10÷100nF), дори 2 или 3

различни кондензатора за различните работни честоти.

В табличен вид са представени допустимите разстояния (clearance)

между проводниците в PCB.

Пояснени са предназначението и основните дейности, които се

изпълняват от CAD системите в електрониката: въвеждане, описание,

проектиране на схеми; анализ на функционалността и основните

параметри на схемата въз основа на проведени симулации; изработена

специализирана документация свързана със схемата, конкретната и

реализация производство, поддръжка и отстраняване на

неизправностите.

Докладът е разработен в рамките на научно-изследователски проект

NATO Reserch Programe, Project RIG.918.482.

61

[ Б19 ] Dimitrova E. N., E. Gadjeva, A. Van den Bossche and V. C. Valchev,

‘A Model-Based Approach to Automatic Diagnosis Using General Purpose

Circuit Simulators’, IEEE ISIE, Montreal, Canada, 9-13 July, 2006, CD-ROM.

Изключително важен етап в реализирането на съвременни индустриални

електронни устройства е диагностиката и тестването на тези устройства. В

доклада е предложен моделно базиран метод за диагностика на

функционални параметри на аналогови схеми при използването на

универсални софтуерни симулатори.

Предложени са модели на неизправности – при отклонения от

номиналната стойност на пасивни електронни компоненти (±20% и

±50%): резистори, кондензатори и индуктивности. Моделите са

предназначени за използуване в среда Cadance PSpice. Описани са

основните параметри, с които се задават моделите и съответните

заместващи схеми за видовете пасивни елементи.

Предложен е метод за диагностика, отразяващ всички влияния на

включените отклонения на стойностите на елементите чрез

наблюдение на 4 функционални параметъра на схемата: напрежение в

установено състояние (SSV), пренапрежение (OV), време на

нарастване (TR) и време на закъснение на сигнала (TD). Дефинирани

са 7 основни стъпки на предложения метод за диагностика.

Предложеният метод е демонстриран чрез проведени анализ и

диагностика на две примерни аналогови схеми – филтър и PID

регулатор. Представени са резултатите от проведения анализ при

разгледаните отклонения (±20% и ±50%) на пасивните елементи

(R,L,C). Обхваната е цялата група от 32 неизправности за филтъра и 52

неизправности за регулатора.

Представени в табличен вид са резултати от проведена

диагностична процедура на схема електронен филтър и като фигури,

времедиаграмите свързани с конкретната открита неизправност във

филтъра.

Получените резултати доказват приложимостта на метода при

откриване на отклонения и при диагностика на аналогови електронни

схеми.

Докладът е разработен в рамките на научно-изследователски проект

NATO Research Programme, Project RIG.918.482.

62

[ Б20 ] Bekyarov L., E. M. Dimitrova, V. C. Valchev, ‘Measuring Pulse-

width demodulator with direct conversion’,13th International Symposium on

Power Electronics, Novi Sad, Serbia & Montenegro, November 2-4, 2005,

Paper No T4-1.3, pp 1-4.

Силовите електронни преобразуватели (СЕП) са един от основните

блокове, изграждащи съвременните индустриални електронни устройства. Те

намират изключително широко приложение в електрическите задвижвания,

електротехнологичните устройствата, генерирането и разпространението на

електрическа енергия и др. Основен блок на всеки СЕП е неговото

управление.

Докладът разглежда специализирана електронна схема част от

структура за управление на СЕП. Разгледаната електронна схема

представлява демодулатор, посредством който може да бъде

реализирана обратна връзка, даваща информация на управляващата

схема относно импулсите, контролиращи електронните ключове при

използване на широчинно импулсна модулация (ШИМ).

Разгледана е конвенционална схема за реализиране на

демодулатора. В основната схема е интегратор с принудително

нулиране. За схемата е направен пълен анализ, като са изведени

зависимостите, описващи адитивните и мултипликативни грешки в

схемата.

Предложена е нова подобрена схема за реализация на демодулатора.

Предложената схема използва независимо нулиране. Анализирани са

източниците на грешка в схемата като е направено сравнение с

разгледаната конвенционална схема. За двете схеми на база на

изграден модел и симулация в ORCAD PSPICE са изведени и сравнени

относителни грешки. Установена е малка грешка в предложената

измервателна схема.

Представени са аналитични изрази за изходното напрежение на

интегратора във функция на времето и времезадаващите елементи.

Показани са времедиаграмите на изследвания широко импулсен

демодулатор. Представена е принципна схема на реална схема,

реализираща предложения принцип.

Докладът е разработен в рамките на научно0изследователски проект

NATO Reseаrch Prograмme, Project RIG.918.482.

63

III. Доклади в конференции в България, общо 11 броя

[ Б21 ] Dimitrov B. H., A. S. Marinov, V. C. Valchev, ‘Experimental based

selection of a structure of a power electronic converter for control of silicon

carbide electric heater’, SIELA 2012, 28-30 May 2012, Bourgas, Bulgaria.

Силициево карбидните нагреватели са елементи, използвани във

високотемпературните камерни пещи, където различен на брой нагреватели се

прилагат за постигане на желания термален процес. Конвенционалните схеми за

захранване на силициево карбидни нагреватели включват така наречените пещни

трансформатори, понижаващи мрежовото напрежение и позволяващи паралелно

включване на нагревателите. Основни недостатъци на този вид структура са големи

размери и тегло на пещния трансформатор; невъзможност за регулиране и

изравняване на мощността в нагревателите, което води до неравномерност в

температурното поле на пещта. Това налага търсенето на нови подобрени решения

за захранване на нагреватели, включващи използването на индустриални

електронни преобразуватели (ЕП).

Настоящият доклад представя сравнителен анализ на известни схеми на

трансформаторни ЕП за преобразуване на постоянно напрежение,

използвани при захранване на силициево карбиден нагревател. Анализът

има за цел установяването на най-подходящата схема за захранване на

нагревателя от гледна точка на: цялостната ефективност на системата;

възможно най-благоприятен режим на работа за нагревателя и електронните

компоненти на ЕП с цел стабилност и надеждност на работата.

Анализирани се следите топологии: прав двутранзисторен

трансформаторен постояннотоков преобразувател на напрежение (ТППН);

обратен ТППН; мостов ТППН. Проведени са и експериментални

изследвания, използвайки силициево карбиден нагревател с номинална

мощност .2kWPnom

От проведените експериментални изследвания и получените резултати са

направени следните изводи: структурата на мостов ТППН представлява най-

подходящото решение от изпитаните топологии поради по-малките пикови

напрежения върху транзисторите при комутацията на електроните ключове

- може да бъде избегнато включването на компенсационни вериги; за

избраните работни честоти е възможно преобразувателя да работи като

инвертор, което премахва нуждата от изправителни диоди в изхода му и

намалява значително загубите в система.

Докладът е разработен в рамките на проект МУ03-164 ‘Интелигентни системи

за енергиен мениджмънт’ на НФ ‘НИ’, МОМН.

64

[ Б22 ] Yankov P. V., V. C. Valchev, A. S. Marinov, ‘Electrical energy

generation based on solar thermal collectors and peltier elements’,

“Elelectronika 2010 Conference”, 28 May, 2010, Sofia, pp.57-61, ISSN 1313-

3985.

Едно от основните съвременни приложения на индустриалните електронни

устройства е свързано с ефективното усвояване на енергията на възобновяемите

енергийни източници (ВЕИ). Разпространени са слънчевите термалните системи за

производство на топлина енергия (слънчевата енергия се използва за затопляне на

вода). Съществуват различни структури и топологии на слънчевите термалните

системи, служещи за подобряване на функционалните възможности и параметри и

повишаване на ефективността им.

Докладът представя структура на когенерационна система, базирана на

термална енергия с комбинирано производство на електрическа енергия.

Електрическата енергия в системата се добива чрез използване

термоелектрично преобразуване посредством елемент на Пелтие.

Температурната разлика, необходима за термоелектричния ефект върху

елемента на Пелтие, се получава от водата, влизаща и излизаща от

системата. Така описаната структура е блоково представена, като отделните

блокове са детайлно разгледани.

Реализиран е опитен прототип на предложената структура, базиран на

елемент на Пелтие тип TE1-12715L с максимална електрическа мощност

150W. Експериментално е изследвано количеството произведена

електрическа енергия, P в предложената система. Изследването е

съобразено със зависимостта IPbPaP * , изразяваща

количеството получена електрическа енергия при определена температурна

разлика. За работния температурен диапазон на слънчев термален панел е

отчетена средната изходна мощност на електрическата енергия, получена

от елемента на Пелтие. Получените резултати са таблично и графично

представени.

Анализирани са резултатите от изследването. Направен е изводът, че

поради сравнително ниската ефективност на елемента на Пелтие при

преобразуване на топлинна разлика в електрическа енергия (около 0,4%),

количеството на произведената електрическа енергия (по-малко от ват за

реализираният прототип) не е достатъчно за захранване на съществени

консуматори. Приложението би могло да бъде използвано като вътрешно-

схемно захранване за електронните схеми, регулиращи и управляващи

процесите, свързани с работата на слънчевата термалната система.

Настоящият доклад е разработен при изпълнение на проект №Д002-48/10.12.2008,

"Развитие на специализирана научна инфраструктура за изследване потенциала на

слънцето и вятъра" финансиран от национален фонд "Научни изследвания".

65

[ Б23 ] Терзиев А., П. Петров, И. Геновски, В. Ц. Вълчев, ‘Анализ на данни

за слънчевия потенциал в северна България получени от измервания с

високи метеорологични мачти’, Енергиен Форум, 23-26 Юни, 2010,

Варна, стр.512-519.

В настоящия доклад е представен метод за обобщаване на данни за

полеви измервания и разработване на карта за разпределението на слънчевия

потенциал в северната част на България. Използуване е база данни, събирани

от специализирано оборудване, монтирано върху високи метеорологични

мачти.

Коментирани са основните фактори, които в следващ етап трябва да

бъдат взети под внимание при цялостно моделиране на интензитета на

слънчевия потенциал. На този етап е представена предварителна карта

(без да са отчетени тези параметри, поради късия измервателен

период), построена на базата на корелация между данните с линейна

интерполация.

Представено е разположението на метеорологичните мачти в

Северна България. Месторазположението е избрано на база на

разработена методика. Получените данни от дневните измервания са

усреднени. Представена е фигура, включваща резултатите от

интерполацията. На фигурата ясно се отличават зоните с по-висок

енергиен потенциал.

При анализа на данните, получени в резултат на натурните

измервания е извършена и проверка на тяхната достоверност чрез

сравнение с данни от базата данни Joint research center. Представени

са фигури за сравнение на дневни профили на слънчевата радиация на

база данни от натурните измервания и от JRC. Доказано е доброто

съвпадение на резултатите.

При определяне на стойностите на интензитета на слънцето за

областта между точките на измерванията са взети под внимание

няколко фактора: надморска височина, запрашеност на въздуха и др.

За чиста атмосфера факторът на запрашеност е равен на 1. За да се

изчисли стойността на показателите е изведена зависимост, даваща

изменението на този фактор от пряката слънчева радиация и от

дифузната такава.

Извършената научна дейност, отразена в доклада е финансирана по

проект ДО02-48/10.12.2008, ‘Развитие на специализирана научна

инфраструктура за изследване потенциала на слънцето и вятъра’.

66

[ Б24 ] Петров П., И. Геновски, А. Терзиев, В. Ц. Вълчев, ‘Анализ на

данни за ветровия потенциал в получени от измервания с високи

метеорологични мачти, разположени в северна България’, Енергиен

Форум, 23-26 Юни, 2010, Варна, стр.520-527.

В настоящата работа е представена методика за прогнозиране на

разпределението на скоростното поле на база данни, събирани от

метеорологични мачти в северната част на България. В резултат на

първоначалните корелационни анализи и проведените числени симулации са

посочени два основни параметъра, които е необходимо да бъдат разгледани и

изследвани с цел определянето на тяхното влияние при разпределение на

скоростното поле. На следващ етап ще бъде оценена и възможност за

включване на допълнителни параметри в анализите с цел прецизиране на

скоростното поле.

Направен е корелационен анализ на база данни за скоростта на

вятъра, събирани от високи метеорологични мачти, разположени в

Северната част на България. Разположението на мачтите е съобразено

с топологията на релефа. На местата, където релефът е по-комплексен,

мачтите са разположени по-нагъсто една до друга с цел получаване на

по-достоверно скоростно поле.

При корелационния анализ е използван корелационен коефициент

на Пирсанов, който е представен в доклада. В табличен вид са

изведени корелационните коефициенти, дадени в проценти. На фигура

е представено полученото разпределение на скоростното поле, на база

триангулация с линейна интерполация.

Наред с линейната интерполация по използваната методика е

проведена допълнителна числена симулация с цел независима оценка

на влиянието на фактора "топология на релефа". За тази цел е

използван програмен продукт, представящ разпределението на

скоростното поле и предварително построена тримерна карта на

релефа на изследваната област.

Целтта на цифровата цимулация е да покаже, че има добро

съвпадение между резултатите, получени по двата метода.

Установени са два основни параметъра при формиране на

скоростното поле: факторната грапавост и разпределението по посоки

(роза на вятъра).

Извършената научна дейност, отразена в доклада е финансирана по проект

ДО02-48/10.12.2008 - Развитие на специализирана научна инфраструктура за

изследване потенциала на слънцето и вятъра.

67

[ Б25 ] Marinov A. S., V. C. Valchev, ‘Overview and comparison of

renewable microgeneration with Combined Heat Power systems – ICEST09,

V. Tarnovo, Bulgaria, 2009.

Системите за когенерация представляват ефективен метод за

производство на енергия, при който от един горивен източник се получават

два енергийни изхода. Вид системи за когенерация са тези за комбинирано

производство на топлинна и електрическа енергия. Тяхното използване

доскоро беше ограничено до системи за голяма и средна мощност. Развитието

на индустриалната електроника и технологиите в последните години позволи

до намаляването на мащаба на тези системи и приложението им на ниво

децентрализирана генерация и в бита. Този тип системи често се наричат

системи за микро-когенерация или микросистеми за комбинирано

производство на топлина и електрическа енергия (µCHP).

Докладът представя систематизирано проучване и обобщение на

видовете системи за микро-когенерация. Анализирани и сравнени са

съществуващите технологии включващи системи базирани на

двигатели вътрешно горене, двигатели с външно горене, горивни

клетки, както и други технологии.

На база на направения анализ е предложена структура на нова

система за микро-когенерация, базирана на органичен цикъл на

Ранкин и използваща биомаса за гориво. Предложена е топология на

силов електронен преобразувател, регулиращ електрическата енергия,

произведена от системата и позволяващ присъединяването й към

електроразпределителната мрежа.

Разгледани са в детайли компонентите на предложената система за

комбинирана топло и електроенергия. Анализирана е структурата на

силовите електронни преобразуватели, които са част от цялата

система. Представени са предимствата на избраните компоненти на

системата спрямо конвенционалните избори.

Обоснован е изборът на BLDC електрическа машина за генератор в

системата.

Направена е икономическа оценка на ефективността на системата

при средна мощност 3.5kW електрическа и 20kW топлинна мощност,

като началната инвестиция е в рамките на петнадесет хиляди евро.

Докладът е разработен в рамките на проект BG051PO001/07/3.3-02/21 по

Оперативна програма ‘Рзвитие на човешките ресурси’, MON.

68

[ Б26 ] Dimitrova E. N., E. Gadjeva, D. Shikalanov, V. C. Valchev,

“Diagnosability investigation of Linear Analog Electronic Circuits using

Parameterized Sensitivity SPICE Macromodels”, Proceedings of Summer

School ‘Advanced Aspects of Theoretical electrical engineering’ Sozopol’09,

pp.18-23.

Бързото развитие на електрониката се нуждае и от съвременни методи за

диагностика на електронните схеми, съчетани с нарастващата им сложност.

Докладът представя метод за диагностика на линейни аналогови

схеми. Методът се базира на изследване на чувствителността на

подбрани тестови характеристики. Моделът на чувствителност е

реализиран чрез софтуерен симулатор PSpice, като са въведени

коефициенти на чувствителност на изходните характеристики в

честотната област. Представени са модели на резистор, кондензатор,

източник на напрежение и операционен усилвател. При използуване на

предложените модели на електроннит елементи е съставен и модел на

примерна електронна схема.

Определянето на чувствителността е сведено до параметричен

анализ на предложените модели. Подбрани са подходящи тестови

честоти. Използван е модул PROBE за обработка на резултатите от

симулациите и изследване на примерна схема за неизправности.

Представено е решение (тестване) на примерна схема.

Предложеният метод има приложение в индустриалната електроника.

Представени са общо дванадесет фигури, които включват модел на

кондензатор, модел на резистор, модел на операционен усилвател,

модел на независим източник на напрежение, примерната изследвана

верига, резултати от симулации, чрез които се откриват съответните

неизправности.

Разписани са макроси, характеризиращи неизправностите в

изследваната примерна схема.

Докладът е разработен в рамките на проект 091ni041-03/209, Научно-

Изследвателски Сектор на ТУ-София

69

[ Б27 ] Вълчев В. Ц., А. С. Маринов, Д. М. Ковачев, ‘Система за

комбинирана топло и електро-енергия на база на био-горива’,

Електроника 08, София, 2008, стр. 258-264.

Растящото ниво на енергийна консумация и очакваното изчерпване на

конвенционалните горива създава необходимостта от нови енергийни

източници. Такъв източник са био-горивата, които се получават от органични

материали, като суровина може да бъде специално отглеждана енергийна,

или отпадъчни материали от селското и горското стопанство. Едно от бързо

развиващи се приложения на био-горивата е съчетаното производството на

топло и електроенергия. При тези системи най-често се генерира топлинна

енергия, като основна част от нея се използва за отопление, а по-малка се

преобразува в електроенергия.

Докладът представя блокова схема на Комбинирана Система за

Топло и Електроенергия (КСТЕЕ) на база на био-горива, включваща

горивна камера, разширител, генератор, индустриални (силови)

електронни преобразуватели (СЕП) и изходен филтър.

Предложена е структурна схема на мрежово свързан силов

преобразувател, включващ два блока (СЕП1 и СЕП2) за преобразуване

и инжектиране на енергия в мрежата, като са анализирани режимите

на работа - на стартиране и на генериране.

Предложената е нова структура на рамената на СЕП с подобрени

енергетични параметри. Изследвано е влиянието върху ефективността

на топологията чрез използването на комбинация от MOSFET и IGBT

за реализиране на силовите ключове, което позволява използването на

предимствата и на двата прибора. Постигна се намаляване на

комутационните загуби в преобразувателя.

Представени са фигури на принципните схеми на двата силови

електронни преобразувателя. За разяснение на режима на стартиране

на схемата и режима на генериране са представени съответните

заместващи схеми на силовата част на двата електронни

преобразувателя.

Анализиран е и аварийния режим на работа на системата и начина

на реакция за предпазване на компонентите й.

Доказана е общата повишена ефективност на предложената

топология на основа по-добрата структура и комбинирането на IGBT и

MOSFET ключове.

Докладът е разработен в рамките на проект финансиран от ТУ-Варна

2008 година.

70

[ Б28 ] Ковачев Д. М., В. Ц. Вълчев, ‘За избора на език за хардуерно

проектиране, 13-15 юни, 2008, Международна конференция, БСУ, Бургас,

стр.357-363.

Проектирането на цифрови схеми не изисква задължително използване на

програмни средства, но езиците за хардуерно проектиране (Hardware Description

Language - HDL) бързо и съществено промениха начина на проектиране. С

реализиране на все повече разработки направо на ниво чип, проектирането на

цифрови устройства изисква да се извършва пълна и точна симулация.

Разработването на схеми с около и над 5000 логически и/или аналогови елементи

става прекалено сложно и обемисто, което е основната причина, накарала някои от

производителите на средства за автоматизирано проектиране да преминат към

използване на HDL-базирано проектиране.

След кратък преглед на езиците за хардуерно проектиране ABEL, Verilog,

VHDL и SystemC, в доклада е направен кратък сравнителен анализ на

възможностите на езиците VHDL и Verilog – като намиращи най-широко

приложение в научните изследвания и промишлените разработки.

С помощта на литературен обзор е направено сравнение на базата следните

критерии – лекота на усвояване, възможности за моделиране на хардуерни

структури, процедури за компилиране, разнообразие на използваните типове данни,

възможности за модулна организация на проекта, предлагани езикови конструкции

за абстрактно моделиране, наличието на механизми за разширения, библиотеки на

използваните описания и примитиви, възможности за създаване и работа с големи

проекти, набори от използвани оператори и параметризирани модели, възможности

за работа с процедури и задачи, разбираемост на програмния код, използване на

повтарящи се конструкции за формиране на групи от еднотипни компоненти,

възможности за генериране на тестове с помощта на всички или на част от

използваните езикови конструкции, необходима степен на детайлизиране на

описанията.

В допълнение двата езика са сравнени и на базата на примерни описания,

реализиращи еднотипни алгоритми и синтез на съответната структура [5].

Използваните примери са: реализация на конвейерно стъпало, извеждащо към 9-

битова изходна магистрала сумите от данните на три 8-битови входни магистрали с

три състояния при наложено ограничение за минимална хардуерна реализация;

цифров часовник с възможност за будилник (използван е входен тактов сигнал с

честота 1 Hz), приоритетен дешифратор (разрешаващ достъп до една и съща

синхронна RAM-памет на три независими процесора), откриване и корекция на

грешка в обменяните между микропроцесор и памет 16-битови данни, пример за

откриване на най-голям общ делител (НОД) на две числа, който е разгледан

значително по-задълбочено в [8].

В резултат на сравнителния анализ са направени общи изводи за

възможностите и целесъобразността при избора на HDL, а именно, че използването

на езика ABEL не е подходящо при работа с FPGA; за проектиране и симулация на

системно ниво е възможно да се използва SystemC; при необходимост от

имплементация в FPGA или ASIC е най-подходящо използването на VHDL или

Verilog.

71

[ Б29 ] Nikolov G. T., V. C. Valchev, A. Van den Bossche, D. M. Kovachev

‘Improved Low power Controller For Solar Collectors’, ‘Modern technologies

07’, BFU, 5-6 July, 2007, Bourgas, pp.69-74.

В съвременните условия на нарастващо енергийно потребление

преобразуването и усвояването на слънчевата енергия е особено актуално.

Индустриалните електронни устройства, използвани при управлението на

системите за преобразуване на слънчева енергия трябва да имат добра

ефективност и малки загуби на празен ход.

Предложено е подобрено устройство (контролер) за управление на

процесите в система за преобразуване на слънчева енергия в топлина.

Устройството е с повишен коефициент на полезно действие (к.п.д.).

Анализирани са блоковете на устройството и са обосновани техните

предимства по отношение на загубите на мощност в тях. Устройството

изпълнява три функции: измерване и регулиране на температурата на

водата в слънчевия колектор и в бойлера за топла вода, измерване и

регулиране на нивото на течността в разширителния съд, сигнализация

за състоянието на водната помпа.

Предложеното електронно устройство е реализирано и

експериментирано. Постигната е консумация <10mA при 6V

захранване. Захранващия блок е с изключително ниска консумация в

резултат на специално разработеното захранване. За реализация на

цялата система са използвани компоненти с ниска консумация,

например водна помпа ALPHA Pro32-40 (6W), имаща консумация до

50% в сравнение с конвенционални решения. За всички компоненти по

схемата на контролера са дадени конкретните стойности, позволяващи

лесна реализация на устройството.

Представеното електронно устройство с намалени загуби е

подходящо за широко приложение при преобразуване слънчевата

енергия в топлина.

Представени са пет фигури включващи: разпределение на

слънчевите часове за четирите най-големи града в България;

принципна схема на изследваното захранване с понижена консумация;

принципна схема на реализирания контролер за управление на

слънчеви колектори; резултати от симулациите на нискочестотния

филтър; изглед на реализираният контролер и използваната

циркулационна помпа с намалена консумация.

Докладът е разработен в рамките на научно изследователски проект

NATO Research Programme, Project RIG.918.482.

72

[ Б30 ] Ковачев Д. М., В. Ц. Вълчев, ‘Възможности на съвременни FPGA

устройства’, ‘Съвременни технологии 07’, БСУ, 5-6 Юли, 2007, БСУ,

Бургас, стр.192-197.

Докладът представя сравнителен преглед на актуалните програмируеми при

потребителя вентилни матрици (Field Programmable Gate Arrays - FPGA). Те

съдържат конфигуриращи се блокове от логика (в последните години и аналогови

блокове) и конфигуриране на връзките между тях, съчетано със значително по-

голяма степен на интеграция и свобода при реализиране на необходимите

логически функции, отколкото при стандартните програмируеми логически

устройства.

Сравнени със специализираните интегрални схеми (Application Specific

Integrated Circuits - ASIC), FPGA предлагат по-бързо проектиране и модифициране,

по-ниска себестойност, а също поява на пазара без големи начални

капиталовложения. З за 2003 година са стартирали между 1500 и 9000 нови изделия,

базирани на ASIC, докато броят на FPGA-базираните нови изделия за същата

година е около 450 000 [1].

Разглеждането обхваща последните серии на някои от по-големите

производители на FPGA, в частност са включени серии на Xilinx, Altera и Actel,

обобщените характеристики на които са съпоставени в 7 таблици. Конкретно са

разгледани параметри на Spartan-3, Virtex-4 и Virtex-5, Cyclon, Stratix, ProASIC3,

IGLOO, Fusion.

Отчетено е, че приложението на FPGA е предимно в следните пазарни

сегменти: ASIC и приложни потребителски разработки на специализирани ИС;

цифрова обработка на сигнали, или DSP (Digital Signal Processing); вградени

микроконтролери, или EMC (Embedded MicroControllers); интерфейсни

комуникационни контролери (за физическия слой); гъвкава (реконфигуруема)

производителност, или RC (Reconfigurable Computing).

Като резултат на направения анализ на възможностите на изброените серии е

препоръчано следното им приложно-ориентиране разпределение:

За приложения с интензивни (изчислителни) обработки на сигнали, в това

число компютърни системи: Spartan-3А-DSP, Cyclon II, III, Virtex-4SX,

Virtex-5SXT, Stratix IIIL, (ARM)ProASIC3E.

За комуникационни приложения (контролери): Cyclone II, III, Vitex-

5LXT, Stratix IIIE.

За ниска консумация в автономни приложения (преносими и/или

захранвани с батерии): IGLOO, Stratix II, III.

За приложения с изискване за минимална апаратна част: Spartan-3AN,

ProASIC3E, Fusion Cortex-M1.

За приложения с висока защитата на интелектуалната собственост:

ProASIC, Fusion.

За промишлени системи (контролери, обединени платформи с няколко

разнородни приложения и др.): Fusion, Virtex-4FX, Virtex-5FXT, Stratix IIIL.

Направеното класифициране нe трябва да се възприема като постулат, а

окончателният избор трябва да се прави след внимателно отчитане на конкретните

особености и изисквания на приложението.

73

[ Б31 ] Маринов А. С., В. Ц. Вълчев, Д. М. Ковачев, ‘Системи за

преобразуване на енергия на ВЕИ за малки и средни мощности”, 13-15

юни, 2008, Международна конференция, стр.184-191.

Възобновяемите енергийни източници (ВЕИ) са алтернатива на

човечеството в стратегически план за осигуряване на енергийните

потребности при очертаващото се изчерпване на изкопаемите горива.

В доклада е разгледано състоянието на ВЕИ в ЕС, като е направено

сравнение на приетите директиви за процентно потребление на ВЕИ и

реалното състояние. Направен е извод, че политиката на ЕС по

отношение на ВЕИ се изпълнява реално. Очертана е ролята на водно -

електрическите централи (ВЕЦ), като важно направление, което обаче

достига своя лимит на ресурса. Направени са основни изводи за

важната роля в бъдеще на ветровата и слънчевата енергетика, като

основни направления на ВЕИ за ЕС.

Обобщен е напредъкът на страните членки на ЕС по отношение на

инсталираните мощности за ВЕИ.

Обобщено е състоянието на ВЕИ в България. Основен дял към

момента имат големите ВЕЦ. Отчетен е фактът, че потенциалът за

създаване на нови мощности за ВЕЦ е на изчерпване за страната.

Разгледани са особеностите на системите за преобразуване

енергията на ВЕИ с малки и средни мощности. Очертана е прогнозата

за развитие на тези системи за различните видове ВЕИ. Разгледани са

икономически предпоставки и съществуващия ресурс за развитието на

малки и средни системи за ЕС и за България.

Анализирани са т. нар. когенераторни системи и са направени

изводи за преобладаващите енергийни нужди на домакинствата в

страната и съответните препоръчителни параметри на системите за

комбинирано производство на топло и електрическа енергия.

Разграничени са предимствата и недостатъците на микросистемите за

различните видове горива и основни технологии за създаване на тези

системи.

Научните изследвания поместени в доклада са проведени в рамките на

проект №21 ‘Повишаване на научния потенциал в областта на инженерните

науки и информатиката’, Оперативна програма ‘Развитие на човешките

ресурси’, ‘Подкрепа за развитието на докторанти, постдокторанти,

специализанти и млади учени’, BG051PO001/07/3.3-02, МОН.

74

B. КНИГИ, УЧЕБНИ ПОСОБИЯ

[В1]. Van den Bossche A., V. C. Valchev, ‘Inductors and Transformers for Power

Electronics’, 2013, China Machine Press, Beijing, China, книга, 480 стр., второ

допълнено издание, 3000 броя, на Китайски език, по заявна на китайския

издател, под печат.

Представени са всички аспекти на проектирането: от теорията и изчисленията до

практическата реализация, измервания и верификация на магнитни компоненти за силовата

електроника. Приложени са класически аналитични методи, както и метода на крайните

елементи и специализиран софтуер за представяне и решаване на фундаментални и

специфични проблеми и задачи. Направени са подобрения спрямо първото издание на

Английски език.

Основна глава на книгата е глава 2, в която авторите представят своя метод ‘Fast

design approach’ за проектиране на магнитни компоненти, обединяващ всички основни аспек-

ти. В следващите глави основните аспекти на ‘Fast design approach’ са последователно разви-

ти и представени задълбочено, предназначени към научни работници и докторанти в областта.

Глава 1: Fundamentals of magnetic theory – представен е кратък обзор на основните

закони в теорията на електромагнетизма, видовете магнитни вериги и различните

магнитомеки материали използвани в електрониката.

Глава 2: Fast design approach – авторите предлагат метод за проектиране на магнитни

компоненти – трансформатори и дросели, отчитайки загубите от вихрови токове в намотките

и в магнитопровода, начините на топлоотвеждане и формиране на намотките.

Глава 3: Magnetic materials and cores – представени са свойствата и особеностите на

магнитни материали и видове магнитопроводи. Специално внимание е обърнато на загубите в

тях. Представени са особеностите на загубите при различни форми на напрежението. Глава 4: Coil winding aspects – тази глава е посветена на различните особености на изработката на намотките, като коефициент на запълване, начин на подреждане и влиянието на изолацията на проводниците. Глава 5: Eddy currents in winding conductors – дадени са редица методи за определянето на загубите от вихрови токове. Разгледани са в детайли механизмите на този вид загуби. Представено е приложение с програми за изчисляване на загубите. Глава 6: Thermal considerations – тук са обсъдени начините, чрез които става топлообмена в магнитните компоненти и начините за определяне на температурния режим. Авторите предлагат три метода с различна точност и сложност. Глава 7: Parasitic capacitances in the magnetic components – разгледани са видовете паразитни капацитети, ефекта от тях и методите за тяхното намаляване. Глава 8: Inductor design – главата е посветена на проектирането на дросели. Разгледани са видовете дросели в зависимост от използваните проводници и технологията за производство. Дадени са примери за проектирането на дросели с различно приложение. Глава 9: Transformer design – разгледани са основните фактори оказващи влияние върху проектирането на трансформатори. Обсъдени са различни модели на трансформатори. Показани са начини за оптимизация на редица параметри на трансформатора. Изчислени са примерни реализации и са посочени особеностите им. Глава 10: Optimal copper/core loss ratio – предложени са решения за определяне на оптималното съотношение на загубите в медта къмто загубите в магнитопровода. Дадени са редица конкретни примери. Глава 11: Tests and measurements of magnetic components –описани са различни методи за измерване на параметрите на индуктори и трансформатори. Описни са измерванията на температура, загуби, импеданс, паразитни индуктивност и капацитет.

Приложения A, B, C, D съдържат информация за сърцевини, проводници, математически

равенства, необходими при проектирането на магнитни компоненти.

75

[В2]. Юдов Д. Д., Д. Димов, В. Ц. Вълчев, Учебник ‘Токозахранващи

устройства’, 2008.

Учебникът е предназначен за студенти от спец. Електроника и спец.

Комуникационна техника и технологии, Компютърни системи и технологии и др.

Обхванати са основните принципи на преобразуване на електрическата енергия от

един вид в друг и основните блокове и схемни решения на токозахранващите

устройства. Основно внимание е отделено на токоизправителите (еднофазни и

трифазни), работещи при различни товари и устройства. Разгледани са и схемите на

и функционирането на блоковете, които подобряват качествата на захранващото

напрежение - филтри, стабилизатори. Представят се и основни инверторни схеми и

импулсни преобразуватели. Разглеждат се възможностите за анализиране на

токозахранващите устройства. Разглеждат се конкретни блокови и принципни

схеми на серийно произвеждани токозахранващи устройства.

Материалът е разделен и оформен в 11 глави.

Глава 1. Общи сведения за токозахранващите устройства. Обхванати са

блокови схеми на ТЗУ; градивни елементи на ТЗУ, пасивни градивни елементи (R,

L, С); силови полупроводникови диоди, силови транзистори и тиристори.

Глава 2. Първични източници на електрическа енергия. Разглеждат се

химични източници на електрическа енергия; акумулатори; възобновяеми

енергийни източници.

Глава 3. Токоизправители. Работа при активен товар. Включени се общи

сведения; класификация; специфични параметри; еднофазни токоизправители (ТИ),

трифазни ТИ, сложни токоизправителни схеми.

Глава 4. Работа на токоизправителите при активно-индуктивен товар.

Разгледана е работата на еднофазни и трифазни ТИ при R-L товар.

Глава 5. Работа на токоизправителите на противо е.д.н. Работа на ТИ при

активно-капацитивен товар, при противо е.д.н, умножители на напрежение, зарядни

устройства.

Глава 6. Управляеми токоизправители. Методи за регулиране на изправеното

напрежение. Тиристорни токоизправители. Транзисторни токоизправители.

Глава 7. Изглаждащи филтри. Общи сведения. Параметри. Видове. RLC

изглаждащи филтри. Многозвенни филтри. Активни филтри.

Глава 8. Електронни преобразуватели на променливо напрежение. Еднофазни

и трифазни електронни преобразуватели на променливо напрежение.

Глава 9. Инвертори. Транзисторни еднофазни инвертори. Полумостов

инвертора на напрежение. Мостов инвертор на напрежение. Трифазни инвертори.

Резонансни инвертори. Тиристорни инвертори. Регулиране. ШИМ.

Глава 10. Стабилизатори на напрежение и ток. Общи сведения. Параметри,

характеристики. Компенсационни стабилизатори с непрекъснато действие.

Интегрални стабилизатори с фиксирано изходно напрежение. Защити.

Глава 11. Импулсни стабилизатори на напрежени. Безтрансформаторни

импулсни стабилизатори – основни принципи. Повишаващ, понижаващ,

повишаващ-понижаващ импулсен преобразувател на постоянно напрежение.

Трансформаторни импулсни преобразуватели на напрежение.

76

[В3]. Ганчев Т., В. Ц. Вълчев, Г. Т. Николов, А. С. Маринов, Ръководство за

лабораторни упражнения по МКЕ, 2013 г.

Ръководството за лабораторни упражнения е съставено съгласно утвърдената учебна програма по дисциплината „Материали и компоненти в електрониката” (МКЕ), изучавана в първи курс от студентите със специалност „Компютърни системи и технологии” (КСТ). Подходящо е и за други специалности изучаващи базова електроника. Ръководството включва петнадесет теми за лабораторни упражнения, въвеждащи студентите в основни понятия от областта на електрониката и позволяващи придобиването на базови знания за дискретните полупроводникови прибори, съставляващи елементната база на съвременната електроника. Разглеждат се основните свойства и се изследват базовите характеристики на широк диапазон от дискретни електронни компоненти. Специално внимание е отделено за запознаване с полупроводникови прибори използващи новите силициево-карбидни и галиево-нитридни материали. Упражненията са организирани както следва: Тема 1 Встъпително упражнение, запознава студентите с измервателната апаратура и правилата за безопасна работа в лабораторията. Тема 2 Изследване на сензори за измерване на електрични величини, разглежда основните методи за измерване на електричните величини ток и напрежение и най-често използваните за целта сензори. Тема 3 Изследване и измерване на основните параметри на пасивни елементи, запознава студентите със свойствата на елементи резистор и кондензатор. Тема 4 Изследване на изправителни диоди, е посветена на изследване на статичните и честотни характеристики на изправителните диоди, Тема 5 Изследване на диоди със специално предназначение, изследват се някои диоди със специално предназначение, като светодиоди и ценерови диоди. Тема 6 Изследване на биполярни транзистори, изследват се характеристиките на биполярен транзистор в схема на свързване общ емитер, Тема 7 Изследване на статични характеристики на биполярни транзистори, изследват се характеристиките в схеми обща база и общ колектор. Тема 8 Изследване на статични характеристики на полеви транзистори, изследват се статичните характеристики на полеви транзистор с PN-преход. Тема 9 Изследване на полупроводникови елементи в ключов режим. Тема 10 Изследване процесите на комутация при полевите транзистори и тяхното значение за компютърната техника. Тема 11 Изследване на полупроводникови елементи базирани на съвременни материали и технологии, изследват се съвременни елементи като силициево-карбидни диоди и транзистори. Теми 12 Изследване на оптоелектронни елемент и фотоприемници. Тема 13 Изследване на светодиодни и течно-кристални индикатори. Тема 14 Изследване на сензори за измерване на неелектрични величини. Тема 15 Реализация на печатни платки.

Пет приложения предлагат допълнителна информация на студентите, относно правилата за безопасна работа в лабораторията, предавателните характеристики на изследваните сензори изискванията към протоколите от лабораторни упражнения и точковата система за оценяване.

Изготвил доц. д-р инж. Венцислав Вълчев