ОДНОФАЗНЫЙ ОБРАТИМЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ СО ЗВЕНОМ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ САМОЛЕТНОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Полезная модель относится к электротехнике и к импульсной силовой электронике и предназначена для использования в авиационно-бортовых системах электроснабжения, в частности - полностью электрифицированных самолетов.
Известны однофазные обратимые преобразователи частоты со звеном постоянного напряжения (аналоги), входящие в состав трехфазных преобразователей частоты и содержащие входные и выходные внешние выводы для подключения источника питания и нагрузки переменного тока, два разнополярных промежуточных внешних вывода для подключения резервного источника питания (или емкостного накопителя) постоянного тока, зашунтированных емкостным фильтром, два управляемых трехфазно-мостовых коммутатора, три пары дросселей и блок управления с двумя группами импульсно-модуляторных выходных выводов и с каналами обратных связей с датчиками токов и напряжений (Р. Вайс, Р. Херрманн, Навстречу ветру, Силовая электроника, №1, 2011 г., с. 26-29, с. 27, рис. 3, а также: Алан Тимс, А. Колпаков, WIndSTACK - Новая концепция преобразователей большой мощности, Силовая электроника, №3, 2011 г., с. 34-38, с. 35, рис. 1).
К недостатком указанных устройств (аналогов) относятся: узкие функциональные возможности, а именно - неспособность питания нагрузок с заземленным нейтральным выводом, а также низкие коэффициенты мощности во входных и выходных цепях, что повышает тепловые потери в них и создает сильные помехоизлучения.
Наиболее близким по технической сути к предлагаемому устройству является однофазный преобразователь частоты со звеном постоянного напряжения (прототип), входящий в состав трехфазного преобразователя частоты и содержащий входные и выходные внешние выводы для подключения источника питания и нагрузки переменного тока, два разнополярных промежуточных внешних вывода для подключения резервного источника питания (или емкостного накопителя) постоянного тока, зашунтированных емкостными фильтрами, два управляемых трехфазно-мостовых коммутатора, три пары дросселей и блок управления с двумя группами импульсно-модуляторных выходных выводов и с каналами обратных связей с датчиками токов и напряжений (Зиновьев Г.С. Силовая электроника: учеб. Пособие для бакалавров / Г.С. Зиновьев. - 5-e изд. испр. и доп. - М.: Издательство Юрайт, 2012. - 667 с - Серия: Бакалавр, Углубленный курс, стр. 501, рис. 11.2.2). В отличие от вышеуказанных аналогов он имеет несколько более высокие коэффициенты мощности в цепях переменного тока благодаря возможности частичной компенсации реактивных мощностей.
К недостаткам известного обратимого преобразователя частоты со звеном постоянного напряжения (прототипа) относятся: узкие функциональные возможности, а именно - неспособность питания нагрузок с заземленным нейтральным выводом, а также низкие коэффициенты мощности во входных и выходных цепях, что повышает тепловые потери в них и создает сильные помехоизлучения.
Основным техническим результатом предложения является расширение функциональных возможностей устройства, а именно - обеспечение возможности питания нагрузок с заземленным нейтральным выводом.
Дополнительным техническим результатом является повышение коэффициентов мощности во входных и выходных цепях, а также снижение тепловых потерь в них и уровня помехоизлучений.
Указанные технические результаты обеспечиваются БЛАГОДАРЯ тому, что в однофазном обратимом преобразователе частоты со звеном постоянного напряжения для самолетной системы электроснабжения, содержащем пары входных, выходных и разнополярных промежуточных внешних выводов, зашунтированные соответствующими емкостными фильтрами, два управляемых трехфазно-мостовых коммутатора, состоящих каждый из трех двухключевых электронных стоек, две пары дросселей и блок управления с двумя группами импульсно-модуляторных выходных выводов и с каналами обратных связей, имеющими датчики токов и напряжений в цепях внешних выводов, промежуточный емкостный фильтр ВЫПОЛНЕН в виде двухконденсаторной стойки, каждая пара дросселей ВЫПОЛНЕНА в виде двухобмоточной стойки с общим для нее магнитопроводом, средний вывод которой вместе со средним выводом двухконденсаторной стойки и с первыми входным и выходным внешними выводами устройства ЗАЗЕМЛЕНЫ.
Экспериментальные исследования лабораторных макетов и компьютерное моделирование предлагаемого устройства подтвердили его работоспособность и целесообразность широкого промышленного использования.
На чертеже (Фиг.) представлены принципиальная силовая схема и каналы управления предлагаемого однофазного обратимого преобразователя частоты со звеном постоянного напряжения для самолетной системы электроснабжения.
Однофазный обратимый преобразователь частоты со звеном постоянного напряжения для самолетной системы электроснабжения содержит: пары входных, выходных и разнополярньгх промежуточных внешних выводов 1-2, 3-4 и 5-6, зашунтированных соответствующими емкостными фильтрами 7, 8 и 9-10, два управляемых трехфазно-мостовых коммутатора 11 и 12, состоящих каждый из трех параллельно-сонаправленно соединенных двухключевых электронных стоек 13-14, 15-16 и 17-18, две пары дросселей 19-20 и 21-22 и блок управления 23 с двумя группами 24, 25 импульсно-модуляторных выходных выводов, подключенными к управляющим выводам ключей соответствующих коммутаторов, и с каналами 26, 27, 28 обратных связей, имеющими датчики 29, 30, 31 токов и напряжений в цепях внешних выводов устройства. Промежуточный емкостный фильтр 9-10 выполнен в виде двухконденсаторной стойки. Каждая пара дросселей 19-20 и 21-22 выполнена в виде двухобмоточной стойки с общим для нее магнитопроводом, средний вывод которой вместе со средним выводом двухконденсаторной стойки промежуточного емкостного фильтра 9-10 и с первыми входным и выходным внешними выводами 1 и 3 устройства заземлены, а разноименные выводы (начало и конец) которой подключены к разнополярным выводам постоянного тока соответствующего мостового коммутатора 11 и 12. Каждый из трехфазно-мостовых коммутаторов 11 и 12 подключен средним силовым выводом своей первой электронной стойки 13-14 к соответствующему второму входному и выходному внешнему выводу 2, 4, а средними выводами своих второй и третьей электронных стоек 15-16 и 17-18 - к разнополярным промежуточным внешним выводам 5 и 6 устройства, соответственно.
В качестве ключей электронных стоек трехфазно-мостовых коммутаторов 11, 12 можно использовать IGBT-транзисторы со встроенными обратно-блокирующими диодами (показанными на чертеже в коллекторных выводах транзисторов) или MOSFET-транзисторы с внешними сонаправленными последовательно включенными диодами. В качестве основного узла блока управления 23 можно использовать широко выпускаемую промышленностью микросхему «Корректор коэффициента мощности» с прилагаемыми к ней датчиками токов и напряжений (резистивных или Холла).
Однофазный обратимый преобразователь частоты со звеном постоянного напряжения для самолетной системы электроснабжения работает следующим образом.
шим
К первой паре внешних выводов 1-2 подключают источник переменного тока, например, фазную обмотку магистрального авиабортового генератора переменного тока с нестабильной частотой: 360…800 Гц, ко второй паре внешних выводов 3-4 - нагрузку переменного тока, например, распределительные шины переменного тока стабильной частоты: 400 Гц, а к разнополярным промежуточным внешним выводам 5-6 - резервный источник питания постоянного тока, например, аккумуляторную (или накопительно-емкостную) батарею с повышенным напряжением: 270 В (или распределительные шины постоянного повышенного напряжения: 270 В вторичной авиабортовой сети). Блок управления 23 формирует на своих импульсно-модуляторных выходных выводах 24, 25 высокочастотные широтно-модулированные импульсы с постоянным периодом T.
5-6
5-6
В исходном состоянии конденсаторы 9 и 10 емкостного фильтра 9-10 заряжены до приблизительно равных напряжений: 0,5 U, где U - напряжение на промежуточных внешних выводах 5-6, с полярностями, показанными на чертеже (Фиг.).
Сначала рассмотрим выпрямительный режим мостового коммутатора 11 при прямом преобразовании электроэнергии (от выводов 1-2 к выводам 5-6 и далее к выводам 3-4) через коммутатор 12.
1-2
и
и
шим
и
шим
шим
и
и
шим
шим
1-2
1-2
5-6
На первом полупериоде напряжения U выводов 1-2 (когда потенциал вывода 2 положителен относительно заземленного вывода 1) на управляющий вывод ключа 17 постоянно подается отпирающий сигнал. При включении ключа 13 полное (суммарное) потокосцепление дросселей 19, 20 нарастает вместе с током в цепи: 7-13-19-7 в течение длительности импульса: t=γ·T, где γ - относительная длительность (коэффициент заполнения) управляющего импульса, накапливая дозу электромагнитной энергии дросселей. После выключения ключа 13 это потокосцепление частично (или полностью) спадает вместе с током в цепи: 19-10-17-19, поддерживаемым за счет э.д.с. обмотки дросселя 19, заряжая конденсатор 10 в течение оставшегося от периода Т времени: Т-t=(1-γ)·T. Далее указанные процессы периодически-высокочастотно качественно повторяются с периодом Т в пределах указанного первого полупериода питающего напряжения U, причем - независимо от соотношения напряжений U и 0,5U. Такой режим импульсного конвертирования (в нашем случае - циклоконвертирования) обычно называют повышающе-понижающим, а также полярно-инвертирующим или «дозирующим».
На втором полупериоде рассматриваемого выпрямительного режима коммутатора 11 (при отрицательном потенциале вывода 2) постоянно получает отпирающий сигнал ключ 16, а импульсно коммутируется ключ 14. При этом происходит аналогичные процессы зарядки конденсатора 9 с помощью дозирования электромагнитной энергии дросселя 20, а именно: ток нарастает по цепи: 7-20-14-7, а спадает по цепи: 20-16-9-20.
и
1-2
5-6
В указанном выпрямительном режиме коммутатора 11 блок управления 23 с помощью регулирования параметра γ обеспечивает синусоидальность формы среднеимпульсного входного переменного тока и его синфазность с питающим переменным напряжением U, приближая значение коэффициента потребляемой мощности к единице, и стабилизирует величину средневыпрямленного напряжения U на заданном уровне (например, 270 В).
Рассмотри инверторный режим работы коммутатора 11 в процессе обратного преобразования энергии (от выводов 3-4 к выводам 5-6 и далее - к выводам 1-2), подразумевая, что коммутатор 12 работает аналогичным образом. В этом режиме коммутатор 11 преобразует энергию от выводов 5-6 к выводам 1-2.
1-2
и
и
шим
Δ
шим
шим
шим
и
и
Δ
шим
На первом полупериоде «выходного» (в этом режиме) напряжения U после включения ключа 18 полное потокосцепление дросселей 19 и 20 нарастает вместе с током в цепи: 10-20-18-10 в течение длительности импульса: t=γ·T,, накапливая дозу электромагнитной энергии дросселей. Затем включается ключ 14, а ключ 18 выключается, и указанное потокосцепление частично (или полностью) спадает вместе с током в цепи: 20-14-7-20, поддерживаемым за счет э.д.с. самоиндукции обмотки дросселя 20, в течение длительности начального спада: Δt=γ·T,, заряжая фильтровый конденсатор 7 и питая входную цепь (первичную сеть) энергией, поступающей из конденсатора 10. Затем включается ключ 16 и выключается ключ 14, и потокосцепление продолжает частично (или полностью) спадать вместе с током в цепи: 20-16-9-20, поддерживаемым э.д.с. самоиндукции обмотки дросселя 20, в течение оставшегося от периода Т времени Т-t-Δt=(1-γ-γ)·T, возвращая часть электромагнитной энергии дросселей 19, 20 в конденсатор 9 помежуточного фильтра 9-10.
шим
1-2
1-2
5-6
Далее указанные процессы периодически-высокочастотно качественно повторяются с периодом T в пределах первого полупериода напряжения U, причем - также независимо от соотношения напряжений U и 0,5 U («дозирующий» режим модуляции).
Во втором полупериоде рассматриваемого инверторного режима коммутатора 11 импульсно коммутируются ключи 13, 15, 17. При этом происходят аналогичные процессы зарядки конденсатора 7 и питания входной цепи (первичной цепи) энергией, поступающей из конденсатора 9, с помощью дозирования электромагнитной энергии дросселя 19. При этом ток нарастает по цепи: 9-15-19-9, затем сначала частично спадает по цепи: 19-7-13-19, а потом - по цепи: 19-10-17-19.
и
Δ
1-2
В указанном инверторном режиме блок управления 23 с помощью регулирования параметров γ и γ·обеспечивает синусоидальность формы среднеимпульсного значения выходного переменного тока и его синфазность с выходным (первичным сетевым) переменным напряжением U, приближая значение коэффициента выходной (первично-сетевой) мощности к единице, и автоматически активно выравнивая между собой среднеимпульсные напряжения на конденсаторах 9 и 10 промежуточного емкостного фильтра 9-10 (функция активного делителя постоянного напряжения).
В случае трехфазной первичной сети и трехфазной нагрузки переменного тока предложенное устройство должно быть продублировано еще двумя аналогичными устройствами, что не вызывает затруднений благодаря наличию общего заземления первых (нейтральных) внешних выводов 1 и 3, а также среднего (нулевого) вывода промежуточного емкостного фильтра 9-10.
В заключение описания работы предложенного устройства следует указать на его дополнительное достоинство (дополнительный технический результат), обеспечиваемый благодаря выполнению пар дросселей с общими для пар магнитопроводами: снижение масс и габаритов и повышение технологичности изготовления устройства, а также повышение быстродействия регулирования в переходных процессах при изменениях режимов работы и при стабилизации благодаря однонаправленности (отсутствию реверса) потокосцеплений дросселей.
Таким образом, по сравнению с прототипом предложенное устройство реализует основной технический результат: расширение функциональных возможностей устройства, а именно - обеспечение возможности питания нагрузок с заземленным нейтральным выводом, и, кроме того, дополнительные технические результаты: повышение коэффициентов мощности во входной и выходной цепях, а также снижение тепловых потерь в них и уровня помехоизлучений.