Импульсный преобразователь напряжений

Полезная модель относится к электротехнике и к импульсной силовой электронике и может быть использована в качестве обратимых (двунаправленных) импульсных конвертора и/или в качестве трехфазного инвертора синусоидального напряжения с возможностью обратного выпрямления.
Известен импульсный преобразователь напряжения (аналог), содержащий две пары внешних выводов для подключения источника электропитания и нагрузки постоянных напряжения, зашунтированные фильтровыми конденсаторами, трансформатор, двухобмоточный реактор (трансреактор), два буферных конденсатора, электронный ключ, шунтирующий диод и блок управления (Слободан Кук, Сергей Ненахов. Новый DC/DC - преобразователь с нулевыми пульсациями и интегрированными магнитопроводами. Силовая электроника, №2, 2004 г., стр. 62-64, стр. 64, Рис. 4б). Он выполняет функции однонаправленного (необратимого) импульсного конвертора с согласованием и гальванической развязкой входа и выхода, а также сниженными пульсациями внешних токов.
К недостаткам указанного устройства (аналога) относятся: узкие функциональные возможности из-за неспособности двунаправленного преобразования (необратимости конвертирования), а также неспособности выполнения функции инвертора синусоидального напряжения (даже однофазного), а также малая удельная мощность из-за отсутствия второго (трансреакторного) канала передачи мощности.
Из известных импульсных преобразователей напряжений наиболее близким по технической сути к предлагаемому устройству является импульсный преобразователь напряжений (прототип), содержащий пару внешних выводов для подключения источника электропитания, несколько пар внешних выводов для подключения нескольких нагрузок постоянного напряжения зашунтированные фильтровыми конденсаторами, многообмоточный трансформатор с первичной и несколькими вторичными обмотками, многообмоточный реактор (трансреактор) с первичной и несколькими вторичными обмотками, электронный ключ, несколько шунтирующих диодов, несколько буферных конденсаторов в цепях соответствующих вторичных обмоток трансформатора и блок управления с цепями обратных связей по токам и напряжениями с импульсно-модуляторным выводом, подключенным к управляющему выводу электронного ключа (см. там же, стр. 64, Рис. 5).
К недостаткам указанного известного устройства (прототипа) относятся те же перечисленные выше для аналога.
Основным техническим результатом предлагаемой полезной модели является расширение функциональных возможностей устройства за счет способности обратимого (двунаправленного) преобразования постоянного напряжения в трехфазное переменного и взаимного преобразования двух постоянных напряжений разных уровней.
К дополнительным результатам относятся: повышение КПД и удельной мощности устройства за счет сложения мощностей, передаваемых трансформатором и двухобмоточным реактором, а также повышение статической устойчивости каналов управления за счет дуально-разделенного регулирования выходных напряжений и потокосцеплений реактора с помощью введения регулируемой токоразмыкающей паузы в ШИМ-регуляторе.
Указанные результаты обеспечиваются благодаря тому, что в импульсный преобразователь напряжения, содержащий две основные пары внешних выводов для подключения источника электропитания и нагрузки постоянных напряжений, зашунтированные фильтровыми конденсаторами, многообмоточный трансформатор с первичной и основной вторичной обмотками и с тремя вспомогательными вторичными обмотками, двухобмоточный реактор с первичной и вторичной обмоткам, первый и второй буферные конденсаторы, первый электронный ключей первый шунтирующий диод, а также блок управления с цепями обратных связей и с первым импульсно-модуляторным выводом, во-первых. ВВЕДЕНЫ первый рекуператорный диод, три дополнительных пары внешних выводов для подключения трехфазной нагрузки переменного напряжения, три циклоконвертора, состоящий каждый из пары двунаправленных управляемых вентилей и индуктивно-емкостного фильтра, причем блок управления СНАБЖЕН тремя группами релейно- сигнальных выводов, во-вторых, в него ВВЕДЕНЫ второй и третий электронные ключи, а блок управления СНАБЖЕН вторым и третьим импульсно-модуляторными выводами, в-третьих, в него ВВЕДЕНЫ четвертый электронный ключ и второй шунтирующий диод, а блок управления СНАБЖЕН четвертым импульсно-модуляторным выводом, а также ВВЕДЕН второй рекуперативный диод, в-четвертых, в него ВВЕДЕН выпрямитель и в-пятых, обмотки реактора включены встречно относительно разнополярных первых внешних выводов их основных пар.
Экспериментальные исследования лабораторного макета и имитационно-компьютерное моделирование предлагаемого устройства подтвердили его работоспособность и целесообразность широкого промышленного использования.
На чертежах приведены силовая принципиальная схема (фиг. 1) и каналы управления (фиг. 2) предлагаемого импульсного преобразователя напряжений.
Импульсный преобразователь напряжений содержит: две пары 1-2 и 3-4 внешних выводов для подключения источника электропитания и нагрузки постоянных напряжений, зашунтированные фильтровыми конденсаторами 5 и 6, многообмоточный трансформатор 7 с первичной обмоткой 8, основной вторичной обмоткой 9 и тремя вспомогательными вторичными обмотками 10, 11,12, двухобмоточный реактор (трансреактор) 13 с первичной и вторичной обмотками 14 и 15, первый и второй буферные конденсаторы 16 и 17, первый электронный ключ 18 и первый шунтирующий диод 19.
Кроме этого устройство содержит блок управления 20 с цепями 21, 22, 23 обратных связей по внешним токам и напряжениям с первым импульсно-модуляторным выводом 24.
Кроме перечисленного, устройство содержит первый рекуператорный диод 25, три дополнительных пары 26, 27, 28 внешних выводов устройства для подключения трехфазной нагрузки переменного напряжения и три однофазных циклоконвертора 29, 30 и 31. Каждый из циклоконвертеров состоит из пары двунаправленных управляемых вентилей 32-33, образующих стойку, и индуктивно-емкостного фильтра 34-35. При этом блок управления снабжен тремя группами релейно-сигнальных выводов 36, 37, 38.
Устройство содержит также второй и третий электронные ключи 39 и 40, а блок управления снабжен также вторым и третьим импульсно-модуляторным выводами 41 и 42.
Помимо указанного, устройство содержит четвертый электронный ключ 43 и второй шунтирующий диод 44, а блок управления также снабжен четвертым импульсно-модуляторным выводом 45. Кроме того устройство содержит второй рекуператорный диод 46 и трехфазный выпрямитель 47.
Обмотки 14 и 15 двухобмоточного реактора 13 включены электромагнитно друг с другом (на общем магнитном сердечнике) встречно относительно разнополярных первых внешних выводов 1 и 3 устройства двух их основных пар 1-2 и 3-4 (на чертеже начало обмоток 14 и 15 отмечены кружками).
Каждый из первого и второго буферных конденсаторов 16 и 17 подключен своим первым выводом через соответствующую обмотку 14 и 15 реактора 13 к первому внешнему выводу 1 и 3 соответствующей их пары 1-2 и 3-4. Каждый из первого электронного ключа 18 и первого шунтирующего диода 19 шунтирует цепочку из последовательно между собой соединенных соответствующего буферного конденсатора 16 и 17 и соответствующей первичной и основной вторичной обмоток 8 и 9 трансформатора 7 и подключен через соответствующую обмотку 14 и 15 реактора 13 к внешнему выводу 1 и 3 соответствующей их пары 1-2 и 3-4. Первый рекуператорный диод 25 включен между первым внешним выводом 1 их пары 1-2 и вторым выводом первого буферного конденсаторов 16. Каждый из циклоконвертеров 29, 30, 31 включен между соответствующей вспомогательной вторичной обмоткой 10, 11,12 трансформатора 7 и соответствующей дополнительной парой внешних выводов. Индуктивно-емкостной фильтр 34-35 каждого циклоконвертора 29, 30, 31 включен своим входом между средними выводами стойки из управляемых вентилей 32-33 и соответствующей вспомогательной вторичной обмотки 10, 11, 12 трансформатора 7, а своим выходом - к соответствующей паре дополнительных внешних выводов 26,27,28. Каждый из второго т третьего электронных ключей 39 и 40 шунтирует соответствующую обмотку 14 и 15 реактора 13.
Каждый из четвертого электронного ключа 43 и второго шунтирующего диода 44 шунтирует в обратном направлении первый шунтирующий диод 19 и первый электронный ключ 18 соответственно. Второй рекуператорный диод 46 включен между первым внешним выводом 3 второй их пары выводов 3-4 и вторым выводом второго буферного конденсатора 17. У трехфазного выпрямителя 47 выводы переменного тока подключены к дополнительным парам внешних выводов 26, 27, 28 а выводы выпрямленного напряжения - ко второй паре внешних выводов 3-4 устройства.
В блоке управления 20 первый импульсно-модуляторный вывод 24 подключен к управляющему выводу первого электронного ключа 18, три группы 36, 37, 39 релейно-сигнальных выводом - к управляющим выводам вентилей 32, 33 циклоконвертеров 29, 30, 31, второй и третий импульсно-модуляторные выводы 41 и 42 - к управляющим выводам второго и третьего электронных ключей 39 и 40, четвертый импульсно-модуляторный вывод 45 к управляющему выводу четвертого электронного ключа 43.
В качестве электронных ключей используются транзисторные ключи, а в качестве управляющих вентилей циклоконвертеров 29, 30, 31 - симисторы, встречно-парные тиристоры или транзисторные ключи.
Импульсный преобразователь напряжений работает следующим образом.
В исходном состоянии, к внешним выводам 1-2 подключен источник электропитания постоянного напряжения (например, 27В). К внешним выводам 3-4 подключена нагрузка постоянного напряжения (например, 270В) с возможностью рекуперации энергии в источник. К внешним выводам 27-27-28 подключена трехфазная нагрузка переменного синусоидального напряжения (например, 115/200В, 400 Гц) также с возможностью рекуперации энергии либо в фильтровый конденсатор 6 (звено постоянного напряжения), либо через него - далее в источник.
шим
И
И
шим
И
На импульсно-модуляторных выводах 41, 42, 45 формируются высокочастотные прямоугольные управляющие импульсы с постоянным периодом широтно-импульсной модуляции (ШИМ) Т и регулируемой длительностью импульсов: t=γ⋅Т, где γ - коэффициент заполнения импульса.
Балластные конденсаторы 16 и 17 всегда заряжены по цепям: 5-14-16-8-5 и 6-9-17-15-6.
шим
На произвольном периоде Т имеем последовательные три временных этапа: 1) этап нарастание полного потокосцепления ψ реактора 13 (dψ/dt>0); 2) этап приблизительного сохранения ψ (dψ/dt≈0) - «токозамыкающая пауза» и 3) этап частичного (или полного) спадания ψ (dψ/dt≤0). Рассмотрим эти этапы.
1. Этап dψ/dt>0. Происходит нарастание токов в цепях 5-14-включенный 18-5; 16-18-8-16; 9-6-15-17-9, обеспечивая зарядку фильтрового конденсатора 6. При этом буферные конденсаторы 16 и 17 частично разряжаются по указанным цепям.
Одновременно производится питание фильтрового конденсатора 35 индуктивно-емкостного фильтра 34-35 в каждом из циклоконвертеров 29, 30, 31 по цепи: 10 - включенный вентиль 32-34-35-10. Заметим, что управляющий вентиль 32 включен в течение длительного времени - полупериода переменного синусоидального напряжения на внешних выводах 26.
2. Этап dψ/dt≈0 («токозамыкающая пауза»). Одновременно выключается 18 и включаются 39 и 40. Происходит приблизительное сохранение токов в индуктивно-связанных контурах: 14-39-14, 8-25-5-8 (рекуперация энергии индуктивности рассеяния трансформатора 7); 15-40-15, 9-17-19-9 (частичная подзарядка 17 за счет энергии индуктивности рассеяния 9).
3. Этап dψ/dt≤0. Выключаются ключ 39 и 40. Происходит частичное (или полное) спадание токов в цепях: 14-16-25-14 с плавным переходом в цепь: 14-16-8-5-14 (зарядка 16 и размагничивание сердечника трансформатора 7); 15-46-17-15 и 9-17-19-9 (зарядка конденсатора 17). Одновременно производится питание фильтрового конденсатора 35 в каждом из циклоконвертеров 29, 30, 31 по цепи: 10-35-34-включенный вентиль 32-10. Далее все указанные процессы высокочастотно-периодически качественно повторяются, осуществляя питание нагрузок на выводах 3-4 и 26, 27, 28.
Рекуперация энергии из трехфазной нагрузки в источник питания и/или в звено постоянного напряжения (6) осуществляется через выпрямитель 47 передающий также реактивную составляющую мощности нагрузки.
И
И
шим
паузы
При регулировании процессов с помощью ШИМ благодаря использованию «токозамыкающих пауз» помимо основного их назначения: существенного повышения КПД реактора («трансреактора») за счет снижения внутренней реактивной мощности, связанной с рекуперацией энергии индуктивностей рассеяния 13 и 7, значительно расширяется зона устойчивости замкнутой системы регулирования. Это объясняется наличием двух регулирующих параметров: t=γ⋅Т и Δt, что в свою очередь, позволяет реализовать дуальное взаимовариантное (с заданной точностью до ε) регулирование выходного напряжения (U) и полного потокосцепления (ψ) реактора, ограниченного насыщением его магнитопровода.
Таким образом, по сравнению с прототипом в предлагаемом импульсном преобразователе напряжений обеспечиваются основной технический результат: расширение функциональных возможностей устройства за счет способности обратимого (двунаправленного) преобразования постоянного напряжения в трехфазное переменное и взаимного преобразования двух постоянных напряжений разных уровней, а также дополнительные результаты: повышение КПД и удельной мощности устройства за счет сложения мощностей, передаваемых трансформатором и двухобмоточным реактором, а также повышение статической устойчивости каналов управления за счет дуально-раздельного регулирования выходных напряжений и потокосцепления реактора с помощью введения регулируемой токозамыкающей паузы в широтно-импульсном регуляторе.