ОДНОТАКТНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Полезная модель относится к электротехнике и к импульсной силовой электронике и предназначена для использования в качестве регулятора переменного и постоянного тока в авиационно-бортовых системах электроснабжения.
Известен однотактный импульсный преобразователь (аналог), содержащий трансреактор с двумя первичными обмотками и вторичной обмоткой, двунаправленный электронный ключ, состоящий из диодно-мостового выпрямителя, зашунтированного по выходу транзисторным ключом, включенный между первыми разноименными выводами первичных обмоток трансреактора, вторые выводы которых подключены к входным выводам устройства. Вторичная обмотка трансреактора зашунтирована выходным фильтровым конденсатором и через высоковольтную обмотку трансформатора поджига подключена к выходным выводам устройства для подключения к газоразрядной ламповой нагрузке (С.Б. Резников, В.В. Бочаров, Г.А. Дубенский, Б.В. Кабелев, С.Ф. Коняхин, И.Н. Соловьев. Термостойкие электронные балласты наружного применения на базе однотактного двуполярного импульсного модулятора-циклоконвертора. ж. Практическая силовая электроника, с. 43-45, стр. 44, рис. 1).
К недостатками указанного устройства (аналога) относятся узкие функциональные возможности, в частности - неспособность обеспечения режима широтно-импульсного регулирования сетевых переменного и постоянного токов, а также низкий коэффициент потребляемой из сети мощности из-за прерывистого входного тока, плохая (несинусоидальная) форма выходного напряжения из-за колебательных процессов в силовой цепи и высокий уровень помехоизлучений устройства из-за наличия цепей для «сквозных сверхтоков» разрядки снабберных конденсаторов на входной фильтровый конденсатор.
Наиболее близким по технической сути к предлагаемому устройству является однотактный импульсный преобразователь (прототип), содержащий трансреактор с двумя первичными обмотками и вторичной обмоткой, снабберные конденсаторы, двунаправленный электронный ключ и блок управления с цепями обратных связей, имеющих датчики входных и выходных токов и напряжений (Патент на полезную модель №106811. Преобразователь переменного тока. Резников С.Б., Бочаров В.В., Кабелев Б.В., Дубенский Г.А., Коняхин С.Ф., Савенкова Н.В., Бюл. №20 от 20.07.2011 г).
К недостаткам указанного известного однотактного импульсного преобразователя (прототипа) относятся все вышеперечисленные для аналога.
Основным техническим результатом предложения является расширение функциональных возможностей устройства, а именно - обеспечение режима широтно-импульсного регулирования сетевых переменного и постоянного напряжений.
Дополнительными техническими результатами предложения являются: коррекция коэффициента потребляемой мощности, улучшение формы выходного напряжения и снижение уровня помехоизлучений устройства.
Указанные технические результаты обеспечиваются БЛАГОДАРЯ тому, что в однотактный импульсный преобразователь, содержащий входные и выходные выводы, трансреактор с двумя первичными обмотками и вторичной обмоткой, снабберные конденсаторы, первый двунаправленный электронный ключ и блок управления с цепями обратных связей, имеющими датчики входных и выходных токов и напряжений, и с первой группой импульсно-модуляторных выходных выводов, ВВЕДЕН второй двунаправленный электронный ключ, а блок управления СНАБЖЕН первой группой релейно-управляющих выходных выводов, и БЛАГОДАРЯ тому, что в него ВВЕДЕНЫ третий двунаправленный электронный ключ и выходной фильтровой конденсатор, а блок управления СНАБЖЕН второй группой релейно-управляющих выходных выводов, а также БЛАГОДАРЯ тому, что в него ВВЕДЕН четвертый двунаправленный электронный ключ, а блок управления СНАБЖЕН второй группой импульсно-модуляторных выходных выводов, и кроме того БЛАГОДАРЯ тому, что все его двунаправленные электронные ключи ВЫПОЛНЕНЫ с дифференциальными управляющими выводами, соответствующими направлениям проводимости.
Испытания лабораторного макета устройства и компьютерное моделирование подтвердили его работоспособность и целесообразность широкого промышленного использования.
На чертеже (Фиг.) представлены принципиальная силовая схема и цепи управления предлагаемого однотактного импульсного преобразователя.
Однотактный импульсный преобразователь содержит: входные выводы 1-2 для подключения источника питания переменного или постоянного тока, выходные выводы 3-4 для подключения нагрузки переменного или постоянного тока, трансреактор 5 с двумя первичными обмотками 6, 7 и вторичной обмоткой 8, шунтирующей выходные выводы устройства, первый и второй снабберные конденсаторы 9, 10, первый двунаправленный электронный ключ 11 и блок управления 12 с цепями 13, 14, 15 обратных связей, имеющими датчики 16, 17, 18 входных и выходных токов и напряжений и с первой группой 19 импульсно-модуляторных выходных выводов для управления этим ключом. Устройство содержит также второй двунаправленный электронный ключ 20, а блок управления - соответствующую первую группу 21 релейно-управляющих выходных выводов для управления им. Кроме этого устройство содержит третий двунаправленный электронный ключ 22 и выходной фильтровой конденсатор 23, шунтирующий выходные выводы устройства, а блок управления - соответствующую вторую группу 24 релейно-управляющих выходных выводов для управления этим ключом. И наконец, устройство содержит также четвертый двунаправленный электронный ключ 25, шунтирующий своими силовыми выводами вторичную обмотку трансреактора, а блок управления - соответствующую вторую группу 26 импульсно-модулирующих выходных выводов для управления им.
Помимо перечисленного устройство может содержать входной индуктивно-емкостный сетевой фильтр 27 низкой частоты (Г, Π или О-образный). Все двунаправленные электронные ключи выполнены с дифференциальными (парными) управляющими выводами, соответствующими направлениям проводимости ключа.
В качестве первого и четвертого двунаправленных электронных ключей 11 и 25 можно использовать встречные двухтранзисторные стойки, зашунтированные обратными диодами, как показано на чертеже, или встречно-параллельные пары полностью управляемых (двухоперационных) тиристоров, а в качестве второго и третьего ключей 20 и 22 - их же или встречно-параллельные пары обычных (однооперационных) тиристоров. В качестве основного узла блока управления 12 можно использовать широко выпускаемую промышленностью микросхему «Корректор коэффициента мощности» с прилагаемыми к ней датчиками токов (16, 17). В качестве датчика напряжений (18) можно использовать вспомогательную обмотку трансреактора 5.
Однотактный импульсный преобразователь работает следующим образом.
ШИМ
Входные выводы 1-2 подключают к источнику электропитания переменного (или постоянного) напряжения, в частности - к авиационно-бортовой сети, а выходные выводы 3-4 - к нагрузке с переменным (или постоянным) входным напряжением, соответственно. На первой и второй группах импульсно-модуляторных выходных выводов 19 и 26 формируются высокочастотные импульсы с постоянным периодом T, с широтно-импульсным регулированием и с учетом заданных направлений проводимости электронных ключей, а на группах 21 и 24 релейно-управляющих выходных выводов - низкочастотные релейные сигналы, также соответствующие полярностям напряжения источника питания, определяющим направление проводимости ключа 20.
Рассмотрим полупериод переменного питающего напряжения, когда потенциал входного вывода 2 положителен а потенциал выходного вывода 4 отрицателен относительно заземленных первых входного и выходного выводов 1 и 3. Пусть ключ 20 (левый транзистор) и ключ 22 (правый транзистор) включились в момент нулевого питающего напряжения и остаются включенными на всем полупериоде, благодаря чему конденсаторы 9 и 10 заряжаются приблизительно до текущего значения напряжения питания по цепям: 2-27-20-9-6-27-1 и 2-27-20-7-10-27-1.
И
И
ШИМ
И
ШИМ
П
П
ШИМ
Π
ШИМ
ШИМ
И
Π
И
П
ШИМ
При первом включении ключа 11 (верхнего транзистора) полное потокосцепление трансреактора 5 нарастает вместе с током в цепи: 2-27-20-7-11-6-27-1 в течение длительности импульса: t=γT, где γ - относительная длительность (коэффициент заполнения) импульса, T - период широтно-импульсной модуляции. Затем ключ 11 выключается, но включается (с небольшим опережением) ключ 25 (нижний транзистор), после чего происходит приблизительное сохранение полного потокосцепления трансреактора вместе с током в цепи: 8-25-8 в течение длительности паузы: Δt=γT, где γ - относительная длительность паузы. При этом электромагнитная энергия взаимоиндуктивностей (индуктивностей намагничивания) трансреактора приблизительно сохраняется, а энергия индуктивностей рессеяния его первичных обмоток передается конденсаторам 9 и10 по цепям их дозарядки: 7-10-27-1-2-27-20-7 и 6-27-1-2-27-20-9-6. Затем ключ 25 выключается, и потокосцепление трансреактора частично спадает вместе с током в цепи: 8-23-22-8 в течение времени, оставшегося от периода T: T-t-Δt=(1-γ-γ)T. При этом часть электромагнитной энергии трансреактора расходуется на зарядку выходного фильтрового конденсатора 23 и на питание нагрузки.
При втором и последующих включениях ключа 11 сначала происходит частичная разрядка конденсаторов 9, 10 на первичные обмотки 6 и 7 по цепям: 9-7-11-9 и 10-11-6-10 до напряжения питания (при этом ключ 20 обесточен из-за запертого правого диода), а затем повторяется вышеописанный процесс дальнейшего нарастания потокосцепления реактора. Далее все вышеуказанные процессы качественно периодически повторяются в пределах данного полупериода (данных полярностей) питающего и выходного напряжений. Аналогичным образом устройство работает и на втором полупериоде переменного питающего напряжения, а также при питании от источника постоянного напряжения (т.е. в качестве модулятора прямоугольного тока).
Π
И
В процессе работы устройства в его блоке управления 12 производится раздельное регулирование двух параметров широтно-импульсной модуляции: γ и γ в зависимости от разностей между уровнями сигналов датчиков тока и напряжений (16, 17, 18) и эталонными уровнями. Благодаря указанному регулированию форма входного тока устройства повторяет форму питающего напряжения и совпадает с ним по временной фазе, что позволяет: приблизить значение коэффициента потребляемой мощности к единице и сохранить качество питающей электроэнергии, а также обеспечить высокое качество (синусоидальность формы и стабилизацию амплитуды) выходного напряжения в широком диапазоне его регулирования.
Кроме того, в предлагаемом устройстве отсутствуют цепи для «сквозных сверхтоков», возникающих в прототипе при разрядке одного конденсатора на другой при слабом токоограничении, благодаря чему снижается уровень помехоизлучений устройства.
Таким образом, по сравнению с прототипом в предлагаемом устройстве обеспечиваются как основной технический результат: расширение функциональных возможностей устройства, а именно - режим широтно-импульсного регулирования сетевых переменного и постоянного напряжений, а также дополнительные технические результаты: коррекция коэффициента потребляемой мощности, сохранение качества питающей электроэнергии, улучшение формы выходного напряжения и понижение уровня помехоизлучений устройства.