Двунаправленный импульсный преобразователь напряжений

Полезная модель относится к электротехнике и к импульсной электронике и предназначена для использования в качестве унифицированного модуля многофункционального импульсного преобразователя переменных и постоянных напряжений для высокотехнологичных и высоконадежных электроэнергосистем с модульно-масштабируемой архитектурой, в частности - для электроэнергетических комплексов более (или полностью) электрифицированных самолетов.
Известен двунаправленный импульсный преобразователь напряжений (аналог), содержащий входной заземленный фильтровой конденсатор, выходную двухконденсаторную фильтровую стойку с дифференциальным выходом, двухобмоточный накопительно-демодуляторный трансреактор, два четырехплечевых мостовых коммутатора с диодно-ключевыми стойками, соединенных между собой по постоянному току через две обмотки трансреактора, а также шунтирующую двухключевую стойку и блок управления с импульсно-модуляторными выводами (Резников С.Б., Бочаров В.В., Лавринович А.В., Харченко И.А. Обратимый преобразователь переменного и постоянного напряжений. Патент на полезную модель RU №138899, Бюлл. №9 от 27.03.2014 г.)
К недостаткам известного устройства (аналога) относятся: низкие надежность и технологичность устройства из-за отсутствия общего заземления внешних выводов, затрудняющего трехфазное исполнение с заземленной нейтралью, большие коммутационные тепловые потери и помехоизлучения из-за «жесткой» коммутации модуляторных ключей (при ненулевых токах и напряжениях) и из-за большой внутренней реактивной мощности, определяемой индуктивностями рассеяния обмоток трансректора.
Из известных устройств наиболее близким по технической сути к предлагаемому является двунаправленный импульсный преобразователь напряжений (прототип), содержащий входной заземленный фильтровый конденсатор, выходную двухконденсаторную фильтровую стойку, шунтирующую дифференциальный выход постоянного напряжения с заземленным среднепотенциальным выводом, двухсекционный накопительно-демодуляторный реактор, электронный восьмиплечевой мостовой коммутатор с диодно-ключевыми стойками и блок управления с цепями обратных связей и импульсно-модуляторными выходными выводами (Резников С.Б., Бочаров В.В., Лавринович А.В., Харченко И.А. Двунаправленный выпрямительно-инверторный преобразователь с коррекцией коэффициента мощности. Патент на полезную модель RU №143469, Бюлл. №20 от 20.07.2014 г.).
К недостаткам указанного известного устройства (прототипа) относятся: узкие функциональные возможности из-за неспособности обратимого преобразования постоянных-реверсивных и переменных напряжений с возможностью регулирования и стабилизации частот, амплитуд и взаимных фазовых сдвигов, а также большие коммутационные тепловые потери, перенапряжения и помехоизлучения из-за «жесткой» коммутации электронных ключей (при ненулевых токах и напряжениях).
Основным техническим результатом предложения является снижение тепловых потерь и помехоизлучений устройства за счет обеспечения непрерывности одного из внешних токов и «мягкой» коммутации коммутаторных ключей. Дополнительным результатом является расширение функциональных возможностей устройства за счет обратимого преобразования частоты, а также регулирования амплитуды и фазовых сдвигов двух переменных напряжений, в частности  для утроения числа фаз переменного тока.
Указанные результаты обеспечиваются благодаря тому, что в устройстве, содержащем две пары внешних выводов и для подключения источника электропитания и нагрузки, зашунтированные фильтровыми конденсаторами, и управляемый электронный мостовой коммутатор, состоящий из трех двухплечевых ветвей с диодно-ключевыми стойками в плечах, реактор и блок управления с цепями обратных связей и импульсно-модуляторными выводами, все крайние выводы ветвей принадлежат ключам, а все средние выводы принадлежат диодам; при этом каждое плечо коммутатора снабжено снабберным конденсатором, демпферным дросселем, зарядным диодом и разрядной двухдиодной стойкой.
Экспериментальные исследования лабораторного макета и компьютерное моделирование предлагаемого устройства подтвердили его работоспособность и целесообразность широкого промышленного использования.
На чертеже (Фиг. 1) приведены принципиальная силовая схема и каналы управления предлагаемого двунаправленного импульсного преобразователя напряжений.
Двунаправленный импульсный преобразователь напряжений содержит: две пары внешних выводов 1-2 и 3-4, включая заземленные, для подключения источника электропитания и нагрузки с возможностью рекуперации электроэнергии, зашунтированные первым и вторым фильтровыми конденсаторами 5 и 6, управляемый электронный мостовой коммутатор, состоящий из трех параллельно между собой включенных двухплечевых ветвей с диодно-ключевыми стойками с 7-8 по 17-18 в плечах, реактор 19, шунтирующий крайние выводы этих ветвей, и блок управления 20 с цепями 21, 22 обратных связей по внешним токам и напряжениям и с импульсно-модуляторными выводами 23.
Каждое плечо мостового коммутатора снабжено снабберным конденсатором с 24 по 29, демпферным дросселем с 30 по 35 в цепи этого плеча зарядным диодом с 36 по 41 и разрядной и двухдиодной стойкой с 42 по 47.
Двухплечевые ветви мостового коммутатора подключены своими средними межплечевыми выводами к соответствующим внешним выводам 1(3), 2 и 4. Разрядная двухдиодная стойка с 42 по 47 каждого плеча двухплечевых ветвей мостового коммутатора подключена своим средним выводом вместе с первым выводом соответствующего снабберного конденсатора с 24-29 к среднему выводу соответствующей диодно-ключевой стойки этого плеча, а своими крайними выводами - к крайним выводам аналогичных двухдиодных стоек, принадлежащих двум другим ветвям коммутатора, и не являющихся смежными с данным плечом.
Второй вывод снабберного конденсатора с 24 по 29 подключен через зарядный диод с 36 по 41 к крайнему ключевому выводу данной диодно-ключевой стойки.
Блок управления 20 (Фиг. 2) своими импульсно-модуляторными выводами 23 подключен к управляющим выводам ключей диодно-ключевых стоек мостового коммутатора.
В качестве ключей диодно-ключевых стоек мостового коммутатора использованы ключевые транзисторы или двухоперационные (запираемые по управлению) тиристоры.
Двунаправленный импульсный преобразователь напряжений работает следующим образом. К внешним выводам 1-2 и 3-4 подключают источник электропитания и нагрузки постоянного (в том числе реверсивного) или переменного напряжения, в общем случае - с возможностью рекуперации электроэнергии из нагрузки в цепь источника и/или в цепи других его нагрузок.
Характерным примером источника электропитания с нестабильными частотой и амплитудой переменного напряжения на выводах 1-2 может служить фазная обмотка якоря авиабортового электромашинного стартер-генератора с вращающимися постоянными магнитами с нестабильной угловой скоростью. Характерным примером нагрузки постоянного напряжения (на выводах 3-4) является униполярное звено постоянного повышенного напряжения (270 В) в авиабортовой системе электроснабжения (с заземленным минусовым выводом). Характерным примером нагрузки переменного напряжения со стабильной амплитудой на выводах 3-4 являются авиабортовые потребители переменного напряжения (с амплитудой фазного напряжения: ), некритичные к стабильности частоты (нагревательное, светотехническое и др. оборудование) или со стабильной частотой 400 Гц.
шим
и
и
шим
и
На импульсно-модуляторных выводах 23 блока управления 20 формируются высокочастотные широтно-модулируемые прямоугольные импульсы с постоянным периодом: Т и регулируемой длительностью импульса: t=γ⋅Т, где γ - относительная длительность (коэффициент заполнения) импульса.
шим
На каждом произвольном периоде: Т в общем случае чередуются три этапа:
а) этап нарастания тока реактора 19 (dI/dt>0); б)этап приблизительного сохранения тока (dI/dt≈0) и в) этап частичного (или полного) спада тока (dI/dt<0).
Рассмотрим следующие режимы работы устройства:
1-2
3-4
1) режим выпрямления питающего переменного напряжения (U на выводах 1-2) с коррекцией коэффициента мощности и с одновременной стабилизацией среднего значения выпрямленного напряжения (U на выводах 3-4);
3-4
1-2
2) режим инвертирования питающего постоянного напряжения (U) с его преобразованием в синусоидальное напряжение (U);
3) режим преобразования частоты и/или регулирования амплитуды и фазового сдвига переменного напряжения (от выводов 1-2 к выводам 3-4).
1-2
3-4
1. Режим выпрямления (U→U):
la) полярно-повторяющее понижение напряжения с этапами:
а) dI/dt>0) по цепи: 5-7-8-30-19-35-18-17-6-5;
б) dI/dt~0 по цепи: 19-33-14-13-11-12-32-19;
в) dI/dt<0 по цепи: 19-35-18-17-6-11-12-32-19.
1б) полярно-повторяющее повышение напряжения с этапами:
а) dI/dt>0 по цепи: 5-7-8-30-19-33-14-13-5;
б) см. этап «б» п. 1а;
в) dI/dt<0 по цепи: 19-35-18-17-6-5-7-8-30-19.
1в) полярно-инвертирующее понижение или повышение напряжения с этапами:
а) dI/dt>0 по цепи: 5-11-12-32-19-31-10-9-5;
б) см. этап «б» п. 1а;
в) dI/dt<0 по цепи: 19-35-18-17-6-11-12-32-19.
3-4
1-2
2. Режим инвертирования (U→U) с преобразованием постоянного напряжения в синусоидальное:
2а) полярно-повторяющее понижение напряжения с этапами:
а) dI/dt>0 по цепи: 6-15-16-34-19-31-10-9-5-6;
б) см. этап «б» п. 1а;
в) dI/dt<0 по цепи: 19-31-10-9-5-11-12-32-19.
2б) полярно-повторяющее повышение напряжения с этапами:
а) dI/dt>0 по цепи: 6-15-16-34-19-33-14-13-6;
б) см. этап «б» п. 1а;
в) dI/dt<0 по цепи: 19-31-10-9-5-6-15-16-34-19.
2в) полярно-инвертирующее понижение или повышение напряжения с этапами:
а) dI/dt>0 по цепи: 6-15-16-34-19-33-14-13-6;
б) см. этап «б» п. 1а;
в) dI/dt<0 по цепи: 19-31-10-9-5-11-12-32-19.
3. Режим преобразования частоты и/или регулирования параметров переменного напряжения (амплитуды и фазового сдвига).
3-4
3-4
В этом режиме на интервале «положительного» полупериода выходного напряжения: U>0 (когда потенциал вывода 4 положителен относительно заземления) повторяются режимы выпрямления (п.п. 1а, 1б, 1в), а на интервале «отрицательного» полупериода: U<0 (когда потенциал вывода 4 отрицателен) имеем следующие случаи:
3а) полярно-повторяющее понижение напряжения с этапами:
а) dI/dt>0 по цепи: 5-6-15-16-34-19-31-10-9-5;
б) см. этап «б» п. 1а;
в) dI/dt<0 по цепи: 19-33-14-13-6-15-16-34-19.
3б) полярно-повторяющее повышение напряжения с этапами:
а) dI/dt>0 по цепи: 5-11-12-32-19-31-10-9-5;
б) см. этап «б» п. 1а;
в) dI/dt<0 по цепи: 5-6-15-16-34-19-31-10-9-5.
3в) полярно-инвертирующее понижение или повышение напряжения с этапами:
а) dI/dt>0 по цепи: 5-7-8-30-19-33-14-13-5;
б) см. этап «б» п. 1а;
в) dI/dt<0 по цепи: 19-33-14-13-6-15-16-34-19.
3-4
В режиме выпрямления коррекция коэффициента потребляемой мощности (т.е. приближение коэффициента мощности к единице) обеспечивается за счет формирования пульсирующего тока реактора 19 по модульно-синусному закону:  и, соответственно - входного тока - по синусоидальному закону:  совпадающему по временной фазе с функцией входного напряжения  При этом обеспечивается стабилизация среднего значения выпрямленного напряжения U, приложенного ко второму фильтровому конденсатору 6.
В инверторном режиме также используется формирование модульно-синусоидального закона тока реактора 19 (амплитудная модуляция с пульсирующим потокосцеплением) и соответствующего синусоидального выходного тока (демодуляция).
В режиме преобразования частоты производится формирование выходного напряжения с параметрами амплитуды и фазового угла, определяемыми эталонным синусоидальным сигналом (с помощью цепей 21 и 22 обратных связей блока управления 20).
3-4
1-2
1-2
3-4
2-4
Если частоту выходного однофазного напряжения U(t) сохранить, но сдвинуть это напряжения относительно U(t) по временной фазе  на величину 2π/3(120°), то получим трехфазную систему из трех линейных напряжений: U, U, U, взаимосдвинутых по временной фазе на 2π/3(120°) («треугольник» векторов напряжений). Это соответствует функции утроения частоты переменного тока.
Во всех перечисленных режимах обеспечивается «мягкая» коммутация ключей коммутатора (без одновременных скачков тока и напряжения). Нарастание тока в ключе сдерживается демпферным дросселем с 30 по 35, а нарастание напряжения на ключе сдерживается снабберным конденсатором с 24 по 29, который до выключения ключа полностью разряжается, передавая накопленную им энергию реактору 19 для ее использования в нагрузке.
Демпферные дроссели и снабберные конденсаторы образуют так называемые «нерассеивающие демпферно-снабберные цепочки». Примером цепей для полной разрядки снабберного конденсатора являются цепи: 24-8-30-19-33-14-45-24 и 24-8-30-19-35-18-47-24, в зависимости от того - какой ключ из пары 14 и 18 включен совместно с ключом 8.
Указанная «мягкая» коммутация обеспечивает снижение тепловых и коммутационных потерь (повышение КПД) и помехоизлучений (улучшение электромагнитной совместимости). Помимо этого повышение КПД (снижение тепловых потерь) обеспечивается выбором наиболее энергоэкономичных режимов модуляции с непрерывным одним из внешних токов: полярно-повторяющих режимов понижения или повышения напряжения.
Таким образом, по сравнению с прототипом в предложенном устройстве обеспечивается основной технический результат: снижение тепловых потерь и помехоизлучений устройства за счет обеспечения непрерывности одного из внешних токов и «мягкой» коммутации коммутаторных ключей, и кроме того - дополнительный результат: расширение функциональных возможностей устройства за счет обратимого преобразования частоты, а также регулирования амплитуды и фазовых сдвигов двух переменных напряжений, в частности - для утроения числа фаз переменного тока.