ДВУНАПРАВЛЕННЫЙ ИНВЕРТОРНО-ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Полезная модель относится к электротехнике и к импульсной силовой электронике и предназначена для использования в авиационно-бортовых системах электроснабжения, в частности - на полностью электрифицированных самолетах.
Известны двунаправленные инверторно-выпрямительные преобразователи (аналоги), содержащие входные и выходные выводы для подключения источника питания постоянного тока и нагрузки переменного тока, общий для входа и выхода заземляющий вывод, двухконденсаторную входную фильтровую стойку с заземленным средним выводом, электронный коммутатор, состоящий из однонаправленных двухключевых стоек, зашунтированных обратными диодами, и блок управления с импульсно-модуляторными выходными выводами и цепями обратных связей (Зиновьев Г.С.Силовая электроника: учеб. пособие для бакалавров /Г.С. Зиновьев. - 5-е изд. испр. и доп. - стр. 615, Рис. 13.6.1, Рис. 13.6.2, Рис. 13.6.3 и Рис. 13.6.4).
К недостаткам указанных устройств (аналогов) относятся: низкое качество электроэнергии во входной и выходной цепях, а именно - большая глубина пульсаций входного постоянного напряжения и низкий коэффициент мощности выходного переменного напряжения, а также низкая надежность из-за использования энергоемких электролитических конденсаторов с низкими показателями термостойкости, безотказности и срока службы.
По технической сути наиболее близким к предлагаемому устройству является двунаправленный инверторно-выпрямительный преобразователь (прототип), содержащий входные и выходные выводы для подключения источника питания постоянного тока и нагрузки переменного тока, общий для входа и выхода заземляющий вывод, двухконденсаторную входную фильтровую стойку с заземленным средним выводом, электронный коммутатор, состоящий из восьми однонаправленных двухключевых стоек, зашунтированных обратными диодами, две двухконденсаторные промежуточные фильтровые стойки и блок управления с импульсно-модуляторными выходными выводами и цепями обратных связей (см. там же, стр. 618, Рис. 13.6.7).
К недостаткам известного двунаправленного инверторно-выпрямительного преобразователя (прототипа) относятся те же вышеперечисленные для прототипа, а также низкая надежность из-за большого числа транзисторных ключей и цепей для управления ими.
Основным техническим результатом предложения является повышение качества электроэнергии во входных и выходных цепях, в частности - коэффициента мощности.
Дополнительным техническим результатом является повышение надежности устройства за счет сокращения числа транзисторных ключей и каналов управления ими, а также за счет исключения энергоемких электролитических конденсаторов с низкими показателями надежности (термостойкости, безотказности и срока службы).
Указанные технические результаты обеспечиваются БЛАГОДАРЯ тому, что в двунаправленный инверторно-выпрямительный преобразователь, содержащий входные и выходные выводы для подключения источника питания постоянного тока и нагрузки переменного тока, общий для входа и выхода заземляющий вывод, двухконденсаторные входную и промежуточную фильтровые стойки, электронный коммутатор, состоящий из двух двухключевых стоек, и блок управления с основными импульсно-модуляторными выходными выводами и с цепями обратных связей, имеющими датчики токов и напряжений, ВВЕДЕН первый двухсекционный дроссель, и БЛАГОДАРЯ тому, что в него ВВЕДЕНЫ второй двухсекционный дроссель и две диодно-ключевые стойки, а блок управления СНАБЖЕН вспомогательными импульсно-модуляторными выходными выводами, а также БЛАГОДАРЯ тому, что в него ВВЕДЕНА дополнительная двухключевая стойка, а блок управления СНАБЖЕН дополнительными импульсно-модуляторными выходными выводами.
Экспериментальные исследования лабораторного макета устройства и компьютерное моделирование предлагаемого устройства подтвердили его работоспособность и целесообразность широкого промышленного использования.
На чертеже (Фиг.) представлены принципиальная силовая схема и цепи управления предлагаемого двунаправленного инверторно-выпрямительного преобразователя
Двунаправленный инверторно-выпрямительный преобразователь содержит: входные выводы 1-2 для подключения разнополярных выводов источника питания постоянного тока, выходные выводы 3-4 для подключения нагрузки переменного тока, общий заземляющий вывод 5 для подключения среднепотенциального вывода источника питания и нейтрально-нулевого вывода нагрузки, двухконденсаторную входную фильтровую стойку 6-7 с заземленным средним выводом, шунтирующую своими крайними выводами входные выводы устройства, двухконденсаторную промежуточную фильтровую стойку 8-9, электронный коммутатор 10, состоящий из двух однонаправленных двухключевых стоек 11-12 и 13-14, и блок управления 15 с основными импульсно-модуляторными выходными выводами 16, подключенными к управляющим выводам коммутатора, и с цепями 17, 18, 19 обратных связей, имеющими датчики 20, 21, 22, 23, 24 токов и напряжений. Устройство содержит также первый и второй двухсекционные дроссели 25-26 и 27-28 и две встречно-направленные диодно-ключевые стойки 29-30 и 31-32, а блок управления снабжен также вспомогательными импульсно-модуляторными выходными выводами 33, подключенными к управляющим выводам ключей указанных стоек. Кроме этого устройство содержит однонаправленную дополнительную двухключевую стойку 34-35, а блок управления снабжен также дополнительными импульсно-модуляторными выходными выводами 36, подключенными к управляющим выводам указанной стойки.
Входная и промежуточная фильтровые стойки 6-7 и 8-9 своими крайними выводами шунтируют входные выводы 1-2 устройства, а своими средними выводами подключены к соответствующим заземленному и незаземленному выходным выводам 4 и 3 устройства. Средний вывод первого дросселя 25-26 подключен к незаземленному первому выходному выводу 3 устройства и к среднему выводу промежуточной фильтровой стойки 8-9, а его крайние выводы - к крайним силовым выводам параллельно-сонаправленно между собой соединенных коммутаторных двухключевых стоек 11-12 и 13-14, средние выводы которых подключены к входным выводам 1-2 устройства. Каждая из диодно-ключевых стоек 29-30 и 31-32 своими крайними силовыми выводами стречно-направленных диода и ключа шунтирует крайние выводы входной фильтровой стойки 6-7, а своим средним силовым выводом подключена к соответствующему крайнему выводу второго дросселя 27-28. Каждый ключ дополнительной двухключевой стойки 34-35 шунтирует соответствующую секцию первого дросселя 25-26.
В качестве ключей двухключевых стоек коммутатора (10) и дополнительной стойки (34-35) могут использоваться IGBT-транзисторы с внутренними обратно-блокирующими последовательными диодами (RB-IGBT, показанные на чертеже), а в качестве основного узла блока управления 15 - широко выпускаемые промышленностью микросхемы «Корректор коэффициента мощности» - ККМ с прилагаемыми к ним датчиками токов и напряжений.
Двунаправленный инверторно-выпрямительный преобразователь работает следующим образом.
ШИМ
К входным выводам 1-2 устройства подключают разнополярные выводы источника питания постоянного тока, к выходным выводам 3-4 - нагрузку переменного тока, а к общему - заземляющему выводу 5 - среднепотенциальный вывод источника питания и нейтрально-нулевой вывод нагрузки (например, распределительные шины вторичных подсистем распределения постоянного повышенного напряжения и переменного напряжения стабильной частоты авиационно-бортовой системы электроснабжения). Блок управления 15 формирует на своих импульсно-модуляторных выходных выводах 17, 18, 19 высокочастотные широтно-модулируемые импульсы с постоянным периодом T.
1-2
3-4
Сначала рассмотрим режим прямого преобразования электроэнергии (от выводов 1 -2 к выводам 3-4), т.е. инверторный режим. В исходном состоянии конденсаторы фильтровых стоек 6-7 и 8-9 заряжены до равных напряжений: 0,5U с полярностями, указанными на чертеже. При этом выходное напряжение U=0.
3-4
3-4
И
И
ШИМ
И
ШИМ
ШИМ
И
И
ШИМ
ШИМ
9MAX
8MIN
3-4
1-2
3-4
3-4
На первом полупериоде выходного переменного напряжения U (U≥0), приложенного к выходным выводам 3-4, после включения ключа 13 полное (суммарное) потокосцепление первого дросселя 25-26 нарастает вместе с током в цепи: 8-13-25-8 в течение длительности управляющего импульса: t=γT, где γ - относительная длительность (коэффициент заполнения) импульса, накапливая дозу электромагнитной энергии в этом дросселе за счет конденсатора 8. Затем, при включении ключа 11 и выключении ключа 13 указанное потокосцепление частично (или полностью) спадает вместе с током в цепи: 25-9-11-25, поддерживаемым за счет э.д.с. самоиндукции секций 25 обмотки дросселя в течение оставшегося от T времени: T-t=(1-γ)T, заряжая конденсатор 9 и передавая ему дозу электромагнитной энергии дросселя. Далее указанные процессы высокочастотно-периодически качественно повторяются с периодом T, заряжая конденсатор 9 до максимального значения напряжения U и соответственно разряжая конденсатор 8 до минимального значения T в течение первой четверти периода переменного выходного напряжения U. После этого с помощью ключей 14 и 12 и второй секции 26 обмотки дросселя аналогичным образом производятся зарядка конденсатора 8 и, соответственно, разрядка конденсатора 9 до исходных равных напряжений: 0,5U в течение второй четверти периода напряжения U. При этом схема возвращается в исходное состояние, при котором U=0.
3-4
3
На втором полупериоде выходного переменного напряжения U (U-4<0) вышеперечисленные процессы качественно повторяются аналогичным образом, но с обратной очередностью: сначала заряжается конденсатор 8, а конденсатор 9 разряжается, а затем - наоборот, возвращаясь в исходное состояние.
3-4
И
Далее все вышеуказанные процессы низкочастотно-периодически качественно повторяются с периодом выходного переменного напряжения U. При этом блок управления 15 с помощью регулирования параметра γ с отрицательной обратной связью в соответствии с эталонными сигналами обеспечивает:
8
9
- периодические (гармонические) пульсирующие однополярные напряжения Uи U на конденсаторах 8 и 9:
8
1-2
0
U(t)=0,5U-Usinωt;
9
1-2
0
U(t)=0,5U+Usinωt;
- синусоидальное выходное напряжение (см. чертеж):
3-4
6
8
7
9
0
t
6
7
1-2
0
0
1-2
U(t)=U-U=-U+U=Usinω, где U=U=0,5U - постоянные напряжения конденсаторов 6 и 7 входной фильтровой стойки; U - амплитудное значение выходного напряжения (U<0,5U).
В обоих полупериодах энергия, расходуемая в нагрузке, потребляется ею непосредственно от конденсаторов фильтровых стоек 6-7 и 8-9, которые, в свою очередь, восполняют ее за счет энергии источника питания.
В режиме обратного преобразования электроэнергии (от выводов 3-4 к 1-2), т.е. в выпрямительном режиме, энергия, поступаемая (рекуперируемая) из индуктивных или электродвигательных цепей нагрузки (например, при рекуперативном торможении приводных электродвигателей переменного тока), непосредственно расходуется на зарядку конденсаторов входной и промежуточной фильтровых стоек 6-7 и 8-9, а из них, в свою очередь, возвращается в цепи источника питания постоянного тока. При этом все вышеперечисленные процессы качественно остаются аналогичными, а изменяются лишь величины энергетических доз, передаваемых первым дросселем 25-26 и накапливаемых в нем за счет непрерывного полного потокосцепления, имеющего постоянную составляющую для компенсации относительно малой энергоемкости пленочных фильтровых конденсаторов (вместо электролитических - в прототипе).
И
ШИМ
ШИМ
ШИМ
Далее рассмотрим процессы самовыравнивания (деления) напряжений на конденсаторах входной фильтровой стойки 6-7 в случае отсутствия в источнике питания среднепотенциального заземленного вывода или в случае относительно больших внутренних сопротивлений в его разнополярных цепях. При очередном синхронном включении ключей 30 и 32 диодно-ключевых стоек 29-30 и 31-32 полное потокосцепление второго дросселя 27-28 нарастает вместе с токами в цепях: 1-30-27-28-32-2; 1-30-27-5; 5-28-32-2; 6-30-27-6 и 7-28-32-7 в течение длительности импульса t=0,5T. При этом благодаря согласному включению обмоток 27 и 28 дросселя, имеющих общий магнитопровод, конденсаторы 6 и 7 оказываются включенными между собой в параллель посредством автотрансформаторной магнитной связи между обмотками, что в большой мере способствует выравниванию их напряжений за счет перераспределения их зарядных токов. Затем ключи 30 и 32 синхронно выключаются, и полное потокосцепление дросселя частично (или полностью) спадает вместе с токами в цепях: 27-7-29-27 и 28-31-6-28, поддерживаемыми за счет э.д.с. самоиндукции обмоток и также автоматически (автотрансформаторно) распределяемых в соответствии с тенденцией выравнивания напряжений на конденсаторах 6 и 7, в течение оставшегося от периода T времени: 0,5T.
ШИМ
И
И
ШИМ
И
Далее указанные процессы высокочастотно-периодически качественно повторяются с постоянным периодом T. Для ускорения процессов выравнивания напряжений на конденсаторах 6 и 7, например, при переходных процессах в цепях нагрузки, алгоритм управления ключами 30 и 32 может быть усложнен, например, с использованием поочередного (несинхронного) включения и регулирования величин: t=γT за счет регулирования параметра γ.
Δ
ШИМ
Δ
В заключение следует отметить возможность более устойчивого управления коммутатором 10 и регулирования уровня постоянной составляющей и максимального (ненасыщающего) уровня полного потокосцепления первого дросселя путем введения в алгоритм управления коммутатора регулируемого интервала паузы: Δt=γT, где γ - регулируемая относительная длительность паузы, в течение которой с помощью включенных ключей 34 и 35 (или хотя бы одного из них) происходит приблизительное сохранение полного потокосцепления (и электромагнитной энергии) дросселя вместе с токами в цепях: 25-34-25 и 26-35-26, поддерживаемыми за счет э.д.с. самоиндукции обмоток дросселя.
Следует также указать на существенное достоинство схемы, связанное с отсутствием двунаправленности (реверса) полных потокосцеплений дросселей в процессах перехода от одних режимов к другим, благодаря чему повышается быстродействие регулирования и дополнительно повышается качество электроэнергии во входных и выходных цепях.
Таким образом, предлагаемый двунаправленный инверторно-выпрямительный преобразователь по сравнению с прототипом обеспечивает основной технический результат: повышение качества электроэнергии во входных и выходных цепях, в частности - коэффициента мощности, и дополнительный технический результат: повышение надежности устройства за счет сокращения числа транзисторных ключей и каналов управления ими, а также за счет исключения энергоемких электролитических конденсаторов с низкими показателями надежности (термостойкости, безотказности и срока службы).