ИМПУЛЬСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЙ

Полезная модель относится к электротехнике и к импульсной силовой электронике и предназначена для использования в бортовых комбинированных системах электроснабжения переменно-постояного тока перспективных полностью электрифицированных самолетов.
Известен импульсный преобразователь напряжений (аналог), содержащий входные и выходные выводы, (включая общий для входа и выхода) для подключения источника электропитания постоянного тока и нагрузок переменного (или/и постоянного) тока, управляемый коммутатор с двухключевыми электронными стойками, двухконденсаторную фильтровую стойку, трансреактор с двухсекционной первичной обмоткой, дополнительные демпфирующие конденсаторы и блок управления с импульсно-модуляторными и релейными выходными выводами (Патент на полезную модель №125416 Импульсный преобразователь напряжений, Бюл. №6, 27.02.2013, Резников С.Б., Бочаров В.В., Ермилов Ю.В., Руруа К.С., Харченко И.А.).
К недостаткам указанного устройства (аналога) относятся несинусоидальность формы выходного переменного напряжения и низкий к.п.д. из-за большой реактивной мощности, циркулирующей через дополнительные демпфирующие конденсаторы.
Известен импульсный преобразователь напряжений (прототип), содержащий входные и выходные выводы, включая общий заземляющий, для подключения источника электропитания постоянного (выпрямленного) тока и нагрузок, управляемый мостовой коммутатор, двухконденсаторную фильтровую стойку, трансреактор с двухсекционными первичной и вторичной обмотками и блок управления с импульсно-модуляторными и релейными выходными выводами (Патент на полезную модель №124454, Автономная система электроснабжения, Бюл. №2, 20.01.2013, Резников СБ., Бочаров В.В., Харченко И.А., Ермилов Ю.В., Коняхин С.Ф.).
К недостаткам известного устройства (прототипа) относятся его узкие функциональные возможности, а именно - неспособность преобразования постоянного напряжения в синусоидальное с регулируемыми параметрами (амплитудой, частотой и фазовым сдвигом между током и напряжением). Кроме того, устройство не способно формировать внешние вольт-амперные характеристики источников напряжения и тока, в зависимости от выбранных характеристик нагрузок.
Основным техническим результатом предложения является расширение функциональных возможностей устройства, а именно - преобразования постоянного напряжения в синусоидальное с регулируемыми параметрами. Дополнительным техническим результатом является способность формирования внешних характеристик источников напряжения и тока.
Указанный технический результат ОБЕСПЕЧИВАЕТСЯ БЛАГОДАРЯ тому, что в импульсный преобразователь напряжений, содержащий входные и выходные выводы, для подключения источника питания постоянного тока и нагрузок, управляемый мостовой коммутатор с двумя двухключевыми электронными стойками, двухконденсаторную фильтровую стойку, трансреактор с секциями его основной обмотки, блок управления с импульсно-модуляторными выходными выводами и дополнительный электронный ключ, ВВЕДЕН двухпозиционный переключатель, зашунтированный фильтровым конденсатором, а блок управления СНАБЖЕН цепями обратных связей по выходным параметрам с датчиками тока и напряжения, а также источниками синусоидальных эталонных сигналов и ВЫПОЛНЕН с возможностью широтно-импульсной модуляции выходных сигналов в зависимости от величин отклонений сигналов в цепях обратных связей от эталонных, и БЛАГОДАРЯ тому, что в него также ВВЕДЕНА демпфирующая цепочка, состоящая из двухдиодной стойки и двух снабберных конденсаторов, а также БЛАГОДАРЯ тому, что в него ВВЕДЕНА вспомогательная двухключевая электронная стойка, подключенная своим средним выводом к общему заземляющему выводу устройства, своими крайними выводами - к крайним выводам демпфирующей цепочки, а управляющими выводами - к вспомогательным выходным выводам, ВВЕДЕННЫМ в блок управления.
Лабораторные испытания макета и компьютерное моделирование устройства подтвердили его работоспособность и целесообразность широкого промышленного использования в бортовых комбинированных системах электроснабжения самолетов.
На чертеже (Фиг.) представлены принципиальная силовая схема и цепи управления предлагаемого импульсного преобразователя напряжений.
Импульсный преобразователь напряжений содержит: входные и выходные выводы 1, 2, 3, 4, включая общий заземляющий вывод (3), для подключения источника питания постоянного тока со среднепотенциальным заземленным выводом и нагрузок переменного и/или постоянного токов, управляемый мостовой коммутатор с двумя сонаправленными параллельными двухключевыми электронными стойками 5-6 и 7-8, двухконденсаторную фильтровую стойку 9-10, трансреактор 11 с двумя секциями 12-13 его основной обмотки, блок управления 14 с импульсно-модуляторными выходными выводами 15, дополнительный электронный ключ 16, двухпозиционный переключатель 17 и дополнительный фильтровый конденсатор 18. Блок управления снабжен цепями 19 обратных связей по выходным параметрам, имеющими датчики тока 20 и напряжения 21, а также источниками эталонных сигналов.
Кроме этого устройство содержит демпфирующую цепочку 22, состоящую из однонаправленной двухдиодной стойки 23-24, включенной между вторыми выводами секций основной обмотки трансреактора, и двух снабберных конденсаторов 25, 26, последовательно подсоединенных к ее крайним выводам, и подключенную своим средним междиодным выводом к незаземленному выходному выводу устройства, а своими крайними выводами - к крайним выводам электронных стоек мостового коммутатора и выводам сонаправленно их шунтирующего дополнительного электронного ключа, а также вспомогательную электронную стойку 27-28, шунтирующую указанную цепочку. Блок управления снабжен также вспомогательными выходными выводами 29. Трансреактор может также иметь вспомогательную обмотку 30, подключенную к вспомогательным выходным выводам 31 и 32 устройства для подсоединения вспомогательной нагрузки, например - непосредственно или через промежуточный выпрямитель.
Электронные стойки 5-6 и 7-8 мостового коммутатора подключены своими крайними выводами к разнополярным первым выводам («началу» и «концу») секций 12 и 13 основной обмотки трансреактора 11, зашунтированным дополнительным электронным ключом 16, а своими средними выводами - к крайним выводам фильтровой стойки 9-10 и к разнополярным входным выводам 1-2 устройства. Переключатель 17 подключен своими двумя стационарными (крайними на чертеже) выводами, зашунтированными конденсатором 18, к выходным выводам 3-4 устройства, а своим переключаемым выводом (средним на чертеже) - к среднему выводу фильтровой стойки 9-10.
Блок управления 14 выполнен с возможностью широтно-импульсной модуляции сигналов на своих выходных выводах 15 и 29, подключенных к управляющим выводам электронных ключей, в зависимости от величин отклонений сигналов в цепях обратных связей 19 от эталонных сигналов.
В качестве управляемых ключей электронных стоек 5-6, 7-8 и 27-28, а также дополнительного электронного ключа 16 могут использоваться транзисторы или двухоперационные (запираемые по управлению) тиристоры.
Импульсный преобразователь напряжений работает следующим образом. Входные выводы 1, 2, 3 устройства подключают к выводам источника постоянного тока, имеющего среднепотенциальный заземленный вывод, а выходные выводы 3-4 - к выводам нагрузки переменного (или постоянного) тока, например - к фазной обмотке трехфазного электродвигателя. Вспомогательные выходные выводы 31-32 устройства можно подключить к вспомогательной нагрузке, например - к выпрямительному зарядному устройству.
1. Если для нагрузки переменного (или постоянного) тока требуется вид внешней вольт-амперной характеристики питающего ее устройства, соответствующий «источнику напряжения» (что соответствует случаю двигательной нагрузки), то переключатель 17 находится в положении, указанном на чертеже сплошной перемычкой (правом положении перемычки).
Блок управления 14 формирует на своих выходных выводах 15 и 29 высокочастотные широтно-управляющие импульсы, регулируемые цепями обратных связей 19 по выходным параметрам (по току и напряжению).
1-2
П
И
И
ШИМ
ШИМ
И
П
П
ШИМ
П
ШИМ
ШИМ
И
П
П
И
ШИМ
В исходном состоянии конденсаторы фильтровой стойки 9-10 заряжены каждый до напряжения, равного половине напряжения источника питания U=U. При очередном включении ключа 5 происходит нарастание полного потокосцепления трансреактора 11 вместе с током в цепи: 9-5-12-23-17-9, нарастающим в течение промежутка времени импульса: t=γT, где T - период широтно-импульсной модуляции, γ - коэффициент заполнения (относительная длительность) импульса. При этом часть (доза) энергии конденсатора 9 переходит в запасаемую электромагнитную энергию трансреактора 11. Далее, в общем случае, включается ключ 16 и выключается ключ 5 после чего происходит приблизительное сохранение полного потокосцепления (и энергии) трансреактора 11 вместе с приблизительно постоянным током в закороченной цепи: 12-23-24-13-16-12, поддерживаемым за счет э.д.с. самоиндукции его основной обмотки в течение промежутка времени паузы Δt=γT, где γ - относительная длительность паузы. Далее ключ 16 выключается, а ключ 7 включается, и потокосцепление трансреактора частично спадает вместе с током в цепи: 12-23-17-10-7-12 за оставшееся от периода T время: T-t-Δt=(1-γ-γ)T. При этом часть (доза) электромагнитной энергии трансреактора перекачивается в конденсатор 10 фильтровой стойки 9-10. Кроме этого происходит передача части энергии в цепь вспомогательной нагрузки, подключенной к выводам 31-32 за счет э.д.с индукции вспомогательной обмотки 30 трансреактора, а также сброс энергии индуктивности рассеяния секции 13 основной обмотки трансреактора в снабберный конденсатор 25 по цепи: 13-25-23-24-13, предотвращающая скачок перенапряжения на выключаемом ключе 16. При следующем очередном включении ключа 16 избыточная энергия конденсатора 25 рекуперирует в цепь секции 12 трансреактора вместе с током его разрядки по цепи: 25-16-12-25. Далее указанные процессы периодически повторяются, перекачивая энергию конденсатора 9 и источника питания в конденсатор 10 и во вспомогательную нагрузку.
П
После зарядки конденсатора 10 до напряжения, близкого к напряжению U источника питания, блок управления 14 изменяет вышеописанный алгоритм управления на сходный, приводящий к перекачке энергии конденсатора 10 обратно в конденсатор 9. Это легко прослеживается благодаря зеркально-осевой симметрии силовой схемы устройства.
ВЫХ
4-3
П
10
П
0
0
ВЫХ
0
0
П
Далее указанные процессы периодически повторяются с относительно низкой циклической частотой ω=2πf, где f - частота выходного синусоидального напряжения: U(t)=U(t)=U10(t)-0,5U, где U(t)=0.5U+Usin(ωt) - однополярное гармонически пульсирующее напряжение на конденсаторе 10, U - амплитуда синусоидального выходного напряжения: U(t)=Usin(ωt), U<0,5U.
П
И
0
0
С помощью изменения вышеуказанных параметров γ и γ блоком управления 14 производятся: обеспечение синусоидальной формы выходного напряжения; регулирование его параметров (амплитуды, частоты и фазового сдвига относительно тока), а также регулирование среднеимпульсной величины Ψ=однополярного пульсирующего полного потокосцепления трансреактора 11: Ψ(t)=Ψ=+Ψsin(ωt), где Ψ - амплитуда переменной составляющей потокосцепления.
2. Если для нагрузки переменного тока требуется вид внешней вольт-амперной характеристики питающего ее устройства, соответствующий «источнику тока» (что соответствует, например, случаю подпитки от устройства автономной сети с компенсирующими конденсаторами или автономной сети с активными нагрузками), то переключатель 17 переводят в противоположное состояние (левое положение пунктирной перемычки на чертеже). В этом случае роль демодулирующего звена (промежуточного накопительного буфера) возлагается не на емкостную фильтровую стойку 9-10, а на трансреактор 11.
ВЫХ
4-3
4-3
1-2
4-3
1-2
При этом в зависимости от полярности выходного напряжения (переменного или постоянного) нарастание (накопление) полного потокосцепления (и энергии) трансреактора 11 производится за счет токов в секциях 12, 13 (по отдельности или сразу в обеих секциях) его основной обмотки. Так как схема мостового коммутатора импульсного преобразователя напряжений имеет зеркально-осевую симметрию, то достаточно рассмотреть работу устройства в указанном режиме только для полупериода одной полярности выходного напряжения U=U, а именно - когда потенциал вывода 4 положителен относительно заземленного вывода 3. При этом следует различать два случая: а) случай повышения напряжения, когда U>0,5U и б) случай понижения напряжения, когда U<0,5U.
И
И
ШИМ
П
П
ШИМ
ШИМ
ШИМ
И
П
П
И
ШИМ
ШИМ
4-3
1-2
2а) Случай повышения напряжения. На первом этапе при включении диагонально расположенных ключей 5 и 8 мостового коммутатора потокосцепление трансреактора 11 нарастает вместе с током в цепи: 1-5-12-23-24-13-8-2, преобразуя энергию источника питания в запасенную электромагнитную энергию трансреактора 11 в течение промежутка времени импульса: t=γT. Затем на втором этапе ключи 5 и 8 выключаются, а включается ключ 16, и потокосцепление приблизительно сохраняется вместе с почти постоянным током в закороченной цепи: 12-23-24-13-16-12 в течение длительности паузы: Δt=γT. Затем на третьем этапе включается ключ 28, ключ 5 остается включенным, а ключ 16 выключается, и полное потокосцепление трансреактора частично спадает вместе с токами в цепях: 12-23-4-3-28-12; 30-31-32-30 и 13-25-23-24-13 (за счет э.д.с. самоиндукции взаимоиндуктивности и индуктивностей рассеяния) в течение оставшегося от периода T времени: T-t-Δt=(1-γ-γ)T. При этом происходит зарядка снабберного конденсатора 25, предотвращающего перенапряжение на выключающемся ключе 16 и возвращающего накопленную при этом дозу энергии обратно в трансреактор при следующем очередном включении ключа 16 (по цепи разрядки: 25-16-12-25). Далее указанные процессы периодически повторяются с периодом T в пределах выполнения условия: U>0,5U на данном полупериоде выходного переменного напряжения устройства.
И
И
ШИМ
ШИМ
4-3
1-2
2б) Случай понижения напряжения. На первом этапе при включении ключа 5 мостового коммутатора потокосцепление трансреактора 11 нарастает вместе с током в цепи: 9-5-12-23-4-3-17-9, преобразуя энергию конденсатора 9 и источника в запасенную электромагнитную энергию трансреактора 11 в течение промежутка времени импульса: t=γT. Затем повторяются второй и третий этапы вышеописанного случая повышения напряжения (этапы приблизительного сохранения и спада потокосцепления). Далее эти процессы периодически повторяются с периодом T в пределах выполнения условия: U<0,5U на данном полупериоде выходного напряжения.
Резюмируя вышеописанные два случая (повышения и понижения напряжения), получаем картину преобразования энергии источника постоянного тока в энергию нагрузки с переменным напряжением при любых соотношениях мгновенных величин их напряжений.
П
И
Таким образом, в предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом обеспечиваются основной технический результат: расширение функциональных возможностей устройства, а именно - преобразование постоянного напряжения в синусоидальное с регулируемыми параметрами (амплитудой, частотой и фазовым сдвигом относительно тока за счет регулирования величин γ и γ), а также дополнительный технический результат: способность формирования внешних характеристик источников напряжения и тока за счет использования в качестве демодулирующего звена (промежуточного накопительного буфера) либо емкостной фильтровой стойки (9-10), либо трансреактора (11), определяющих, соответственно, емкостный или индуктивный характер внутреннего выходного импеданса устройства.