ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ЗВЕНОМ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к электротехнике и к импульсной силовой электронике и предназначена для авиационно-бортовых систем электроснабжения.
Известен преобразователь частоты с промежуточным звеном постоянного напряжения (аналог), содержащий входные и выходные выводы переменного напряжения и промежуточные выводы постоянного напряжения, зашунтированные промежуточным фильтровым конденсатором, однотипные по составу и схеме управляемый мостовой выпрямитель и управляемый мостовой коммутатор с импульсной модуляцией, но без диодно-ключевых стоек, включенные каждый через реакторы между промежуточными выводами постоянного напряжения и соответствующими выводами переменного напряжения (Зиновьев Г.С. Силовая электроника: учеб. пособие для бакалавров/Г.С. Зиновьев. - 5-е изд., испр. и доп. - М.: Издательство Юрайт, - 2012. - 667 с. - Серия: Бакалавр. Углубленный курс, стр. 627, рис. 13.7.5а). Благодаря симметричности силовой схемы относительно промежуточного фильтрового конденсатора он обладает свойством двунаправленного преобразования электроэнергии.
Недостатком известного преобразователя частоты (аналога) является ухудшение качества питающей и низкое качество преобразованной электроэнергии, в частности -низкие значения коэффициентов мощности из-за неспособности их коррекции.
Известен преобразователь частоты с промежуточным звеном постоянного напряжения (прототип), содержащий входные и выходные выводы переменного напряжения и промежуточные выводы постоянного напряжения, зашунтированные промежуточным фильтровым конденсатором, входной управляемый выпрямитель с коррекцией коэффициента потребляемой мощности и импульсной модуляцией выпрямленного напряжения, многообмоточный трансреактор, управляемый мостовой коммутатор с двунаправлено-вентильными стойками (С. Резников, С. Коняхин, А. Соколов. Регулируемые преобразователи частоты для питания высоковольтных двигателей переменного тока от промышленной сети, ж. Компоненты и технологии, №2, 2007 г., с. 100-102, стр. 101, рис. 1). В отличие от аналога он существенно не ухудшает качество питающей электроэнергии благодаря наличию корректора коэффициента потребляемой мощности.
К недостаткам указанного преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного напряжения (прототипа) относятся: узкие функциональные возможности, а именно - неспособность обеспечения двунаправленного преобразования электроэнергии, а также низкое качество преобразованной электроэнергии переменного напряжения (в частности - несинусоидальность его формы).
Основным техническим результатом предложения является расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения двунаправленного преобразования электроэнергии.
Дополнительным техническим результатом предложения является повышение качества преобразованной электроэнергии переменного напряжения, а именно - обеспечение синусоидальности его формы.
Указанные технические результаты ОБЕСПЕЧИВАЮТСЯ благодаря тому, что в преобразователе частоты с промежуточным звеном постоянного напряжения, содержащем входные и выходные выводы переменного напряжения, промежуточные выводы постоянного напряжения, зашунтированные промежуточным фильтровым конденсатором, двухобмоточный первый трансреактор, управляемый первый мостовой коммутатор, состоящий из двух диодно-ключевых электронных стоек, управляемый первый выпрямитель с импульсной модуляцией и блок управления, имеющий цепи обратных связей с датчиками входных и выходных переменных токов и напряжений и датчиком промежуточного постоянного напряжения, а также первую и вторую группы импульсно-модуляторных выходных выводов, его первый управляемый выпрямитель выполнен аналогичным первому мостовому коммутатору с двумя диодно-ключевыми электронными стойками, подключенными своими крайними выводами к первичной обмотке первого трансреактора, имеющего вторичную обмотку, и БЛАГОДАРЯ тому, что в него ВВЕДЕНЫ двухобмоточный второй трансреактор, управляемый второй мостовой коммутатор, аналогичный первому, и управляемый второй выпрямитель с импульсной модуляцией, аналогичный первому, а блок управления СНАБЖЕН третьей и четвертой группами импульсно-модуляторных выходных выводов, а также БЛАГОДАРЯ тому, что его первый мостовой коммутатор СНАБЖЕН первым и вторым снабберными конденсаторами.
Экспериментальные исследования лабораторного макета и компьютерное моделирование устройства подтвердили его работоспособность и целесообразность широкого промышленного использования.
На чертеже (Фиг.) представлены общая структура и принципиальные силовые схемы узлов предлагаемого преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного напряжения.
Преобразователь частоты с промежуточным звеном постоянного напряжения содержит: входные и выходные выводы 1-2 и 3-4 переменного напряжения, промежуточные выводы 5-6 постоянного напряжения, зашунтированные промежуточным фильтровым конденсатором 7, двухобмоточный первый трансреактор 8, управляемый первый мостовой коммутатор 9, состоящий из двух параллельно между собой соединенных диодно-ключевых электронных стоек 10-11-12-13 и 14-15-16-17, управляемый первый выпрямитель 18 с импульсной модуляцией и блок управления 19. Блок управления имеет цепи 20, 21, 22 обратных связей с датчиками 23, 24 входных и выходных переменных токов и напряжений и датчиком 25 промежуточного постоянного напряжения, а также первую и вторую группы 26, 27 импульсно-модуляторных выходных выводов, подключенные к управляющим выводам первого выпрямителя и первого мостового коммутатора. Первый управляемый выпрямитель выполнен аналогичным по составу и схеме управляемому первому мостовому коммутатору и состоит из двух электронных стоек 28-29-30-31 и 32-33-34-35. Первый трансреактор состоит из первичной и вторичной обмоток 36, 37. Кроме этого устройство содержит: двухобмоточный второй трансреактор 38, управляемый второй мостовой коммутатор 39, аналогичный по составу и схеме первому, и управляемый второй выпрямитель 40 с импульсной модуляцией, также аналогичный первому, а для управления ими в блоке управления имеются третья и четвертая группы 41, 42 импульсно-модуляторных выходных выводов. Первый мостовой коммутатор снабжен также первым и вторым снабберными конденсаторами 43, 44, а первый выпрямитель - аналогичными конденсаторами 45, 46. Входные и выходные выводы переменного напряжения зашунтированы соответствующими фильтровыми конденсаторами 47, 48.
Первый управляемый выпрямитель 18 средними выводами своих электронных стоек подключен к входным выводам переменного напряжения 1-2 устройства, а крайними выводами стоек - к первичной обмотке 36 первого трансреактора 8, вторичная обмотка 37 которого подключена к крайним выводам электронных стоек первого мостового коммутатора 9, подключенного средними выводами стоек к выводам промежуточного фильтрового конденсатора 7.
Каждая из двух электронных стоек первого мостового коммутатора 9 состоит из последовательно-сонаправленно и попарно-симметрично между собой соединенных двух диодов и двух управляемых ключей, чередующихся друг с другом, начиная с крайнего ключа 10 в первой стойке и с крайнего диода 14 - во второй, причем каждый из двух его снабберных конденсаторов 43 и 44 шунтирует соответствующую смежную диодно-ключевую пару 10-14 и 13-17, состоящую из крайнего ключа первой стойки и крайнего диода второй стойки.
В качестве ключей электронных стоек могут использоваться транзисторы или двухоперационные (запираемые по управлению) тиристоры. В качестве формирователей сигналов на импульсно-модуляторных выходных выводах блока управления могут использоваться широко выпускаемые промышленностью микросхемы «Корректор коэффициента мощности» с соответствующими датчиками токов и напряжений (резистивными или Холла).
Преобразователь частоты с промежуточным звеном постоянного напряжения работает следующим образом.
ШИМ
К входным выводам 1-2 подключают источник питания переменного тока, например авиационно-бортовую первичную сеть нестабильной частоты (360…800 Гц); к выходным выводам 3-4 - нагрузку переменного тока, например, подсистему распределения стабильной частоты (400 Гц), а к промежуточным выводам 5-6 - нагрузку постоянного повышенного напряжения, например, подсистему распределения ±270 В. На импульсно-модуляторных выходных выводах блока управления 19 формируются широтно-модулируемые высокочастотные импульсы с постоянным периодом T. Сначала рассмотрим процесс прямого преобразования энергии от входных выводов 1-5 к промежуточным выводам 5-6 (режим выпрямления).
И
И
ШИМ
И
ШИМ
П
П
ШИМ
П
ШИМ
ШИМ
И
П
И
П
ШИМ
На первом полупериоде переменного питающего напряжения потенциал вывода 1 положителен относительно заземленного вывода 2. При очередном одновременном включении ключей 28, 31, 33 и 34 первого выпрямителя 18 полное потокосцепление трансреактора 8 нарастает вместе с током в цепи: 1-29-28-36-35-34-2 в течение длительности импульса управления: t=γT, где γ - относительная длительность (коэффициент заполнения) импульса. При этом токи в цепях первого мостового коммутатора 9 отсутствуют, а снабберные конденсаторы 45 и 46 сбрасывают свою энергию, накопленную на предыдущем периоде T (см. ниже), пополняя электромагнитную энергию трансреактора 8 по цепи 36 своей разрядки на первичную обмотку: 45-28-36-31-46-34-33-45. Затем (или с произвольным опережением) включаются ключи 10 и 13 первого мостового коммутатора 9 и выключаются ключи 28, 34 первого выпрямителя 18, и полное потокосцепление трансреактора 8 приблизительно сохраняется вместе с закороченным током в цепи его вторичной обмотки: 37-13-12-11-10-37, поддерживаемым ее э.д.с. самоиндукции в течение длительности паузы: Δt=γT, где γ - относительная длительность паузы. При этом энергия индуктивности рассеяния первичной обмотки 36 трансреактора 8 расходуется на зарядку снабберных конденсаторов 45, 46 по цепи: 36-35-46-30-29-45-32-36, защищая тем самым ключи 28 и 34 от коммутационных перенапряжений. Затем ключ 10 выключается, ключ 13 остается включенным, а ключ 15 включается (с опережением), и потокосцепление трансреактора 8 частично плавно спадает вместе с током в цепи: 37-13-12-7-15-14-37, передавая дозу электромагнитной энергии трансреактора промежуточному фильтровому конденсатору 7 в течение оставшегося от периода T интервала времени: T-t-Δt=(1-γ-γ)T.
ШИМ
И
П
Далее вышеуказанные процессы периодически качественно повторяются с периодом T в пределах рассматриваемого первого полупериода питающего переменного напряжения. Аналогичным образом протекают процессы и на втором полупериоде питающего переменного напряжения. При этом в блоке управления 19 с помощью сравнения сигналов в цепях обратных связей 20 и 22 с эталонными сигналами и соответствующего дуального регулирования величин γ и γ производятся: а) обеспечение синусоидальной формы входного тока, совпадающей по фазе с питающим низкочастотным напряжением, т.е. поддержание (коррекция) коэффициента потребляемой мощности близким к единице; б) стабилизация постоянного напряжения на промежуточных выводах 5-6 и в) снижение глубины низкочастотных пульсаций знакопостоянного полного потокосцепления трансреактора 7 (для замены электролитического конденсатора на пленочный с большей надежностью и термостойкостью).
Так как силовая схема имеет зеркальную (осевую) симметрию, то вместо процесса дальнейшего (вторичного) прямого преобразования энергии от промежуточных выводов 5-6 к выходным выводам 3-4 (режим инвертирования) рассмотрим аналогичный процесс обратного (рекуперативного) преобразования энергии от тех же выводов 5-6 ко входным выводам 1-2 (такой же режим инвертирования).
В режиме инвертирования при обратном (рекуперативном) преобразовании энергии роль источника питания играет постоянно заряженный промежуточный фильтровой конденсатор 7, а в качестве нагрузки выступает первичная система распределения переменного тока, подключенная ко входным выводам 1-2.
И
И
ШИМ
ШИМ
П
П
ШИМ
ШИМ
И
П
ШИМ
На первом полупериоде переменного инвертируемого напряжения потенциал вывода 1 положителен относительно заземленного вывода 2. При очередном одновременном включении ключей 10, 13, 15 и 16 первого мостового коммутатора 9 полное потокосцепление трансреактора 8 нарастает вместе с током в цепи: 7-11-10-37-17-16-7 в течение длительности импульса управления: t=γT. При этом снабберные конденсаторы 43 и 44 сбрасывают свою энергию, накопленную на предыдущем периоде T (см. ниже), пополняя электромагнитную энергию трансреактора 8 по цепи своей разрядки: 43-10-37-13-44-16-15-43. Затем (или с опережением) включаются ключи 33, 34 первого выпрямителя 18 и выключаются ключи 10, 16, и полное потокосцепление трансреактора 8 приблизительно сохраняется вместе с закороченным током в цепи его первичной обмотки: 36-35-34-33-32-36, поддерживаемым ее э.д.с. самоиндукции в течение длительности паузы: Δt=γT. При этом энергия индуктивности рассеяния вторичной обмотки 37 трансреактора 8 расходуется на зарядку снабберных конденсаторов 43, 44 по цепи: 37-17-44-12-11-43-14-37, защищая тем самым ключи 10 и 16 от коммутационных перенапряжений. Затем ключ 34 выключается, а ключи 31 и 33 включаются (с опережением), и потокосцепление трансреактора 8 частично плавно спадает вместе с током в цепи: 36-31-30-47-33-32-36, передавая дозу электромагнитной энергии трансреактора входному фильтровому конденсатору 47 (и на выводы 1-2) в течение оставшегося от периода T интервала времени: (1-γ-γ)T.
ШИМ
1-2
1-2
И
П
Далее указанные процессы периодически качественно повторяются с периодом T в пределах рассматриваемого первого полупериода переменного напряжения U на выводах 1-2. Аналогичным образом протекают процессы и на втором полупериоде U. Блок управления 19 путем дуального регулирования величин γ и γ выполняет те же три вышеперечисленные (в п. а, б, в) функции.
Таким образом, по сравнению с прототипом в предлагаемом преобразователе частоты с промежуточным звеном постоянного напряжения обеспечиваются основной технический результат: расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения двунаправленного преобразования электроэнергии, а также дополнительный технический результат: повышение качества преобразованной электроэнергии переменного напряжения, а именно - обеспечение синусоидальности его формы.