ОБРАТИМЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ КОНВЕРТОР

Полезная модель относится к электротехнике и силовой импульсной электронике и может быть использована при создании авиационно-бортовых систем электроснабжения перспективных самолетов (полностью электрифицированных).
Известны обратимые импульсные конверторы (аналоги), содержащие фильтровые входные и выходные конденсаторы, дроссель, несколько (четыре или восемь) модулирующих электронных ключей, дополнительные однонаправленные ключи, выпрямительные диоды и схему управления (Резников С.Б., Бочаров В.В., Кирилов В.Ю., Постников В.А. Электроэнергетическая и электромагнитная совместимость транспортного электрооборудования с высоковольтными цепями питания. - М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2010. - 512 с., стр.49, Рис.1.7.3 и Рис.1.7.4).
К недостаткам известных обратимых импульсных конверторов (аналогов) относится низкая надежность из-за большого числа модулирующих ключей и соответствующей сложности схемы управления, а также отсутствие среднего вывода во входном конденсаторном фильтре, затрудняющее использование питания устройства от многофазной сети переменного тока через мостовой выпрямитель с корректором коэффициента мощности (так называемый «Виенна-выпрямитель» с удвоением фазного напряжения).
Известен обратимый импульсный конвертор (прототип), содержащий фильтровую входную двухконденсаторную стойку и выходной конденсатор, дроссель, два модулирующих электронных ключа, диоды и схему управления с модулирующими выходными выводами (см. там же, стр.47. Рис.1.7.1.). Он способен преобразовывать в обоих направлениях напряжения первого и второго входных фильтровых конденсаторов в напряжение выходного конденсатора (в одном направлении).
Недостатком известного обратимого импульсного конвертора (прототипа) являются низкие надежность и электромагнитная совместимость устройства из-за невозможности совместного заземления среднего вывода входного и вывода выходного фильтровых конденсаторов, а также неспособность преобразования низкого напряжения выходного фильтрового конденсатора в два повышенных напряжения конденсаторов входной двухконденсаторной стойки.
По технической сущности наиболее близким к предлагаемому устройству является последний из рассмотренных обратимых импульсных конверторов (прототип).
Основным техническим результатом предложения является повышение надежности и электромагнитной совместимости устройства за счет совместного заземления среднего вывода входного и вывода выходного фильтровых конденсаторов.
Дополнительным техническим результатом предложения является расширение функциональных возможностей устройства, а именно - возможности обратного преобразования низкого выходного напряжения в два повышенных входных напряжения. Указанные технические результаты обеспечиваются БЛАГОДАРЯ тому, что в обратимый импульсный конвертор, содержащий, фильтровые входную двухконденсаторную стойку и выходной конденсатор, дроссель с первой обмоткой, первый и второй электронные модулирующие ключи, выпрямительные диоды и схему управления с первым и вторым модулирующими выходными выводами, подключенными к управляющим выводам соответствующих модулирующих электронных ключей, первый из которых своим первым силовым выводом подключен к первому выводу первой обмотки дросселя, ВВЕДЕНЫ двунаправленный и однонаправленный электронные ключи, управляющие выводы которых подключены к дополнительным выходным выводам, ВВЕДЕННЫМ в схему управления, а в дроссель ВВЕДЕНА вторая обмотка, имеющая с первой общий магнитопровод и подключенная своими первым и вторым выводами через первый и второй диоды к первому и второму выводам, соответственно, первой дроссельной обмотки и первым выводом - к среднему выводу входной конденсаторной стойки и к первому выводу выходного конденсатора, который своим вторым выводом через двунаправленный ключ подключен ко второму выводу первой дроссельной обмотки и через второй модулирующий ключ, зашунтированный согласно - последовательно между собой соединенными вторым и третьим диодами, а также через однонаправленный ключ, зашунтированный обратным четвертым диодом, - к первому крайнему выводу входной конденсаторной стойки, второй крайний вывод который подключен ко второму силовому выводу первого модулирующего ключа, зашунтированного обратным пятым диодом, а также БЛАГОДАРЯ тому, что его схема управления ВЫПОЛНЕНА с возможностью формирования широтно-регулируемых импульсов на обоих своих модулирующих выходных выводах при прямом преобразовании повышенных напряжений входной двухконденсаторной стойки в низкое напряжение выходного конденсатора и формирования аналогичных импульсов на своем втором модулирующим выходном выводе при обратном преобразовании; при этом при прямом преобразовании также подачи отпирающих сигналов на своих дополнительных выводах, подключенных к двунаправленному и однонаправленному ключам, а при обратном преобразовании - также подачи отпирающего сигнала на своем дополнительном выводе, подключенном к двунаправленному ключу.
Лабораторные испытания макета устройства и исследования на компьютерной модели подтверждают возможность широкого его промышленного использования. На Фиг. представлена структурно-принципиальная схема предлагаемого обратимого импульсного конвертора.
Обратимый импульсный конвертор содержит фильтровые входную двухконденсаторную стойку 1, 2 и выходной конденсатор 3, дроссель 4 с первой обмоткой 5, первый и второй электронные модулирующие ключи 6, 7, выпрямительные диоды 8, 9, 10, 11, 12 и схему управления 13 с первым и вторым модулирующими выходными выводами 14, 15, двунаправленный и однонаправленный электронные ключи 16 и 17. Схема управления имеет также дополнительные выходные выводы 18, 19, 20, а дроссель содержит также вторую обмотку 21, имеющую с его первой обмоткой общий магнитопровод. Устройство также имеет входные выводы 22, 23 повышенного постоянного напряжения, выходной вывод 24 низкого потенциала и общий вывод заземления 25. Первый и второй дополнительные выводы 18 и 19 схемы управления 13 подключены к управляющим выводам двунаправленного электронного ключа 16, а третий вывод 20 - к управляющему выводу однонаправленного ключа 17.
Первый модулирующий электронный ключ 16 своим первым силовым выводом подключен к первому выводу первой обмотки дросселя 4. вторая обмотка 21 дросселя 4 подключена своими первым и вторым выводами через первый и второй диоды 8 и 9 к первому и второму выводам, соответственно, первой дроссельной обмотки 5 и первым выводом - к среднему выводу входной конденсаторной стойки 1, 2 и к первому выводу выходного конденсатора 3, который своим вторым выводом через двунаправленный ключ 16 подключен ко второму выводу первой дроссельной обмотки 5 и через второй модулирующий электронный ключ 7, зашунтированный согласно-последовательно между собой соединенными вторым и третьим диодами 9, 10, а также через однонаправленный ключ 17, зашунтированный обратным четвертым диодом 11, - к первому крайнему выводу входной конденсаторной стойки 1, 2. Второй крайний вывод этой стойки подключен ко второму силовому выводу первого модулирующего ключа 6, зашунтированного пятым диодом 12.
Схема управления 13 выполнена с возможностью формирования широтно-регулируемых импульсов на обоих своих модулирующих выходных выводах 14, 15 при прямом преобразовании повышенных напряжений входной двухконденсаторной стойки 1, 2 в низкое напряжение выходного конденсатора 3 и формирования аналогичных импульсов на своем втором модулирующем выходном выводе 15 при обратном преобразовании низкого напряжения выходного конденсатора 3 в повышенные напряжения входной конденсаторной стойки 1, 2; при этом при прямом преобразовании обеспечивается также подача отпирающих сигналов на своих дополнительных выводах 18, 19, 20 подключенных к двунаправленному ключу 16 и к однонаправленному ключу 17, а при обратном преобразовании - также подача отпирающего сигнала на своем дополнительном выводе 19, подключенном к двунаправленному ключу 16.
В качестве модулирующих электронных ключей 6 и 7 могут быть использованы транзисторы или двухоперационные (запираемые по управлению) тиристоры. В качестве двунаправленного электронного ключа 16 могут быть использованы два параллельно-встречно включенных тиристора или транзистора, либо два последовательно-встречно включенных полевых транзистора МОСФЕТ с внутренними обратными диодами, либо симистор с двумя раздельными управляющими выводами. В качестве однонаправленного электронного ключа 17 можно использовать транзистор или однооперационный тиристор. Сердечник магнитопровода дросселя 4 имеет антинасыщающий зазор.
Обратимый импульсный конвертор работает следующим образом. К входным выводам 22, 23 и 25 подключают источник постоянного повышенного напряжения со средним выводом или два аналогичных источника, соединенных между собой последовательно-согласно. К выходному выводу 24 и общему выводу заземления 25 подключают источник постоянного тока низкого напряжения. Источники имеют возможность принимать обратно рекуперируемую энергию (например, аккумуляторные батареи или электромашинные стартер-генераторы).
1
2
3
И6
И7
И6
И7
6, 7
Сначала рассмотрим прямое преобразование повышенных напряжений U и U на конденсаторах 1 и 2 входной фильтровой конденсаторной стойки в низкое напряжение Uна выходном фильтровом конденсаторе 3. Для этого на дополнительные выходные выводы 18 и 20 схемы управления 13 подаются отпирающие сигналы, включающие однонаправленный ключ 17 и двунаправленный ключ 16 (нижний тиристор). На модулирующие выходные выводы 14 и 15 схемы управления подаются широтно-регулируемые прямоугольные высокочастотные импульсы с синхронными фронтами и периодом модуляции Т, включающие модулирующие ключи 6 и 7 с интервалами импульсов t t соответственно. При включении ключей 6 и 7 токи в обмотках 5 и 21 дросселя 4 нарастают по цепям: 1-6-5-16-3-1 и 2-21-7-17-2 и благодаря согласному включению обмоток увеличивают их суммарное потокосцепление и электромагнитную энергию дросселя. Для упрощения рассмотрения примем условие t=t=t. Тогда после одновременного выключения ключей 6 и 7 токи обмоток 5 и 21 дросселя будут частично спадать по цепям: 5-3-8-5 и 21-3-16-21, заряжая конденсатор 3. Далее указанные процессы циклически повторяются с периодом модуляции Т.
Таким образом, при прямом преобразовании обмотка 5 входит в состав классического понижающего конвертора, а обмотка 21 - в состав классического полярно-инвертирующего (понижающе-повышающего) конвертора.
3
1
2
И7
Далее рассмотрим обратное преобразование низкого напряжения U на конденсаторе 3 в повышенные напряжения U, и U на конденсаторах 1 и 2. Для этого на дополнительный выходной вывод 19 схемы управления 13 подается отпирающий сигнал, включающий двунаправленный ключ 16 (верхний тиристор), а на модулирующий выходной вывод 15 подаются широтно-регулируемые прямоугольные высокочастотные импульсы с периодом Т и интервалами t. При включении ключа 7 ток в обмотке 21 дросселя 4 нарастает по цепи: 3-16-7-10-21-3, увеличивая суммарное потокосцепление и электромагнитную энергию дросселя. После выключения ключа 7 в соответствии с электротехническим законом о непрерывности суммарного потокосцепления взаимоиндуктивно-связанных обмоток произойдет скачкообразное перераспределение указанного тока (потокосцепления) на две токовые цепи: 21-2-11-10-21 и 5-12-1-3-16-21, заряжающие конденсаторы 2 и 1, соответственно. Далее указанные процессы циклически повторяются с периодом модуляции Т.
Таким образом, при обратном преобразовании двухобмоточный дроссель 4 (трансреактор) образует цепи двух классических повышающих конверторов: полярно-инвертирующего (3→2) и обратноходового (3→1).
При обоих преобразованиях (прямом и обратном) наилучшие энергетические характеристики будут соответствовать условию непрерывности суммарного потокосцепления дросселя 4.
Из всего вышесказанного можно заключить следующее.
По сравнению с прототипом устройство имеет более высокую надежность и электромагнитную совместимость благодаря совместному заземлению среднего вывода входного 1, 2 и вывода выходного 3 фильтровых конденсаторов, позволяющему при заземлении корпуса устройства, а возможно и нулевого вывода питающей сети, подключенной через выпрямитель к входной стойке 1-2, исключить паразитные емкостные связи между узлами схемы и пути распространения электромагнитных помех, а также повысить электробезопасность при эксплуатации устройства.
Кроме указанного основного технического результата в предложенном устройстве по сравнению с прототипом достигается дополнительный технический результат: расширение функциональных возможностей устройства, а именно - обеспечение обратного преобразования низкого выходного напряжения на конденсаторе 3 в два повышенных входных напряжения на конденсаторах 1, 2, что является важным свойством при необходимости рекуперации энергии, например, при торможении электропривода или при взаимном резервировании сетей постоянного тока повышенного и низкого напряжений (например, в современных и перспективных авиационно-бортовых системах электроснабжения с напряжениями ±270 В и ±27 В.)