УНИВЕРСАЛЬНЫЙ МОДУЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к статическим преобразователям электрической энергии, применяемым в системах электроснабжения.
Известен модульный преобразователь, содержащий N параллельно включенных базовых и резервных модулей, сумматор, коммутатор, датчик тока нагрузки, схему сравнения, обеспечивающий управление числом модулей, находящихся в работоспособном состоянии (см. Высокочастотные транзисторные преобразователи / Э.М. Ромаш, Ю.И. Драбович, Н.Н. Юрченко, П.Н. Шевченко. - М.: Радио и связь, 1988, рис. 7.11, с. 263).
Недостатком данного преобразователя является низкий коэффициент полезного действия, а также большие масса и габариты.
Наиболее близким к предполагаемой полезной модели является универсальный модульный преобразователь, содержащий многофункциональный блок управления, силовой преобразователь, выполненный унифицированным, модульный блок коммутации, модульные блоки первого и второго фильтров, первый и второй комплекты шин по три и две соответственно, четыре преобразующих устройства, первые три и вторые два вывода преобразователя, причем вторые выводы унифицированного преобразователя соединены со вторыми входами многофункционального блока управления и вторыми выводами второго модульного блока фильтра, первые выводы которого соединены со вторым комплектом шин X, Y, а первые выводы унифицированного преобразователя соединены с первыми входами многофункционального блока управления и со вторыми выводами первого модульного блока фильтра, вторые выводы которого подключены к первому комплекту шин А, В, С, каждая из шин первого комплекта через контакты модульного блока коммутации подключена к первым выводам первого, второго и третьего основных преобразующих устройств, четвертое, резервное, преобразующее устройство своим первым выводом подключено к каждой из трех шин А, В, С через контакты модульного блока коммутации, второй и третий выводы всех преобразующих устройств соединены с первой и второй шинами соответственно второго комплекта шин X, Y, каждая из которых соединена с первыми выводами второго модульного блока фильтра, каждое преобразующее устройство содержит управляющие входы, которые соединены с соответствующими первыми выходами многофункционального блока управления и содержит модульный блок согласующего трансформатора и модульный блок полупроводниковых ключей, первые выводы преобразующих устройств соединены с началом первичной обмотки модульных блоков согласующих трансформаторов, а концы первичных обмоток соединены между собой и с нулевым проводом, кроме того начала первичных обмоток соединены с началом вторичных обмоток через контакты модульного блока коммутации, концы вторичных обмоток согласующих трансформаторов соединены между собой, а их начала соединены с первым выводом модульных блоков полупроводниковых ключей, содержащих последовательно включенные первый и второй транзисторы, причем коллектор первого транзистора соединен с эмиттером второго транзистора и их общий узел соединен с первым входом модульного блока полупроводниковых ключей, эмиттер первого и коллектор второго транзисторов являются вторым и третьим соответственно выводами преобразующих устройств, которые подключены к шинам X, Y второго комплекта, вторые выходы блока управления соединены с модульным блоком коммутации (Патент РФ №2231907 - 2002 г.).
Недостатками данного преобразователя являются низкий коэффициент полезного действия и невысокая надежность, обусловленная только одним резервным преобразующим устройством.
Общим недостатком известных модульных преобразователей является низкий эксплуатационный коэффициент полезного действия при изменении тока нагрузки в широком диапазоне.
Задачей предполагаемой полезной модели является уменьшение потерь электрической энергии, а, следовательно, повышение коэффициента полезного действия в широком диапазоне изменения тока нагрузки.
Поставленная задача решается тем, что в универсальном модульном преобразователе, содержащем первый вывод, второй вывод, первый модульный блок фильтров, модульный блок согласующих трансформаторов, модульный блок полупроводниковых ключей, второй модульный блок фильтров, многофункциональный блок управления, где каждый из модульных блоков состоит из первой шины питания, устройства коммутации, элементов и второй шины питания, причем первая шина питания через контакты устройства коммутации соединена с входами элементов, выходы которых соединены со второй шиной питания, первый выход первого вывода соединен с первой шиной питания первого модульного блока фильтров, а второй выход - с первым входом многофункционального блока управления, вторая шина питания первого модульного блока фильтров соединена с первой шиной питания модульного блока согласующих трансформаторов, вторая шина питания которого соединена с первой шиной питания модульного блока полупроводниковых ключей, вторая шина питания которого соединена с первой шиной питания второго модульного блока фильтров, вторая шина питания которого соединена с первым выходом второго вывода, второй выход которого соединен со вторым входом многофункционального блока управления, первый, второй, третий и четвертый выходы которого соединены с соответствующими управляющими входами первого, второго, третьего и четвертого устройств коммутации модульных блоков, пятый выход которого соединен с управляющими входами элементов модульного блока полупроводниковых ключей.
Сущность полезной модели поясняется чертежом на фиг. 1 Универсальный модульный преобразователь содержит первый модульный блок фильтров 1, элементы первого модульного блока фильтров 1.1,1.2,…, 1.L, модульный блок согласующих трансформаторов 2, элементы модульного блока согласующих трансформаторов 2.1,2.2,…,2.М, модульный блок полупроводниковых ключей 3, элементы модульного блока полупроводниковых ключей 3.1, 3.2,…,3.N, второй модульный блок фильтров 4, элементы второго модульного блока фильтров 4.1,4.2,…,4.К, первый вывод 5, первый 5.1 и второй 5.2 выходы первого вывода, первые шины питания модульных блоков 6.1,…,6.4, устройства коммутации модульных блоков 7.1,…,7.4, вторые шины питания модульных блоков 8.1,…,8.4, второй вывод 9, первый 9.1 и второй 9.2 выходы второго вывода, многофункциональный блок управления 10, выходы многофункционального блока управления 10.1,…,10.5.
Силовая часть универсального модульного преобразователя выполнена из четырех последовательно соединенных модульных блоков 1,…4, первые шины питания модульных блоков 6.1,…,6.4 через контакты соответствующих устройств коммутации 7.1,…,7.4 соединены с входами соответствующих элементов 1.1,1.2,…,1.L, 2.1,2.2,…,2.М, 3.1, 3.2,…,3.N, 4.1,4.2,…,4.К, выходы которых соединены со вторыми шинами питания 8.1,…,8.4, первый выход 5.1 первого вывода 5 соединен с первой шиной питания первого модульного блока фильтров 6.1, а второй выход 5.2 - с первым входом многофункционального блока управления 10, вторая шина питания первого модульного блока фильтров 8.1 соединена с первой шиной питания модульного блока согласующих трансформаторов 6.2, вторая шина питания которого 8.2 соединена с первой шиной питания модульного блока полупроводниковых ключей 6.3, вторая шина питания которого 8.3 соединена с первой шиной питания второго модульного блока фильтров 6.4, вторая шина питания которого 8.4 соединена с первым выходом 9.1 второго вывода 9, второй выход которого соединен со вторым входом многофункционального блока управления 10, первый, второй, третий и четвертый выходы 10.1,…, 10.4 которого соединены с соответствующими управляющими входами первого, второго, третьего и четвертого устройств коммутации модульных блоков 7.1,…,7.4, пятый выход 10.5 которого соединен с управляющими входами элементов модульного блока полупроводниковых ключей 3.1, 3.2,…,3.N.
Многофункциональный блок управления 10 выполнен на микропроцессорной технике и наряду с функцией контроля параметров по входу и выходу преобразователя и функцией защиты выбирает режим работы элементов модульного блока полупроводниковых ключей 3.1, 3.2,…,3.N, соответствующий тому или иному типу преобразователя электрической энергии и содержит набор программ работы для каждого из модульных блоков 1,…,4. В качестве элементов модульного блока полупроводниковых ключей 3.1, 3.2,…,3.N могут быть использованы транзисторы и тиристоры.
Универсальный модульный преобразователь может передавать электрическую энергию как в прямом, так и в обратном направлении, тем самым реализовать различные типы преобразователей электрической энергии (выпрямители, инверторы, преобразователи частоты и др.), что достигается подключением первичного источника электрической энергии либо к первому выводу 5, либо к второму выводу 6, а также выбором программы работы элементов модульного блока полупроводниковых ключей 3.1, 3.2,…,3.N, задаваемой многофункциональным блоком управления 10 по выходу 10.5.
Общее количество элементов модульных блоков L, М, N, K определяется количеством основных элементов, необходимых для обеспечения заданного графика нагрузок преобразователя и количеством резервных элементов, необходимых для обеспечения требуемых показателей надежности как самих модульных блоков 1,…,4, так и всего преобразователя в целом.
Универсальный модульный преобразователь работает следующим образом.
В режиме передачи электрической энергии в прямом направлении источник электрической энергии подключается к первому выводу 5 и его напряжение с первого выхода 5.1 подается на первую шину питания первого модульного блока фильтров 6.1, которое через контакты устройства коммутации первого модульного блока фильтров 7.1 подается на входы элементов первого модульного блока фильтров 1.1,1.2,…,1.L. После преобразования напряжение с выходов элементов первого модульного блока фильтров 1.1,1.2,…,1.L подается на вторую шину питания первого модульного блока фильтров 8.1 и далее на первую шину питания модульного блока согласующих трансформаторов 6.2. Это напряжение через контакты устройства коммутации модульного блока согласующих трансформаторов 7.2 подается на входы элементов модульного блока согласующих трансформаторов 2.1,2.2,…,2.М. После преобразования напряжение с выходов элементов модульного блока согласующих трансформаторов 2.1,2.2,…,2.М подается на вторую шину питания модульного блока согласующих трансформаторов 8.2 и далее на первую шину питания модульного блока полупроводниковых ключей 6.3. Это напряжение через контакты устройства коммутации модульного блока полупроводниковых ключей 7.3 подается на входы элементов модульного блока полупроводниковых ключей 3.1, 3.2,…,3.N. После преобразования напряжение с выходов элементов модульного блока полупроводниковых ключей 3.1, 3.2,…,3.N подается на вторую шину питания модульного блока полупроводниковых ключей 8.3 и далее на первую шину питания второго модульного блока фильтров 6.4. Это напряжение через контакты устройства коммутации второго модульного блока фильтров 7.4 подается на входы элементов второго модульного блока фильтров 4.1,4.2,…,4.К. После преобразования напряжение с выходов элементов второго модульного блока фильтров 4.1,4.2,…,4.К подается на вторую шину питания второго модульного блока фильтров 8.4 и далее на первый выход 9.1 второго вывода 9 к которому подключается нагрузка.
В данном режиме многофункциональный блок управления 10 по информационным сигналам со второго выхода первого вывода 5.2 об источнике электрической энергии производит выбор режима работы элементов модульного блока полупроводниковых ключей 3.1, 3.2,…,3.N, который реализуется формированием управляющих сигналов на пятом выходе многофункционального блока управления 10.5. Далее на основе информации о нагрузке в текущий момент времени, поступающей со второго выхода второго вывода 9.2, многофункциональный блок управления 10 на основе программы работы модульных блоков определяет необходимое количество работающих элементов во всех модульных блоках 1,…,4, обеспечивающее в них минимум потерь электрической энергии в процессе преобразования, а коэффициент полезного действия всего преобразователя - максимальным.
В режиме передачи электрической энергии в обратом направлении источник электрической энергии подключается ко второму выводу 9 и его напряжение с первого выхода 9.1 через вторую шину питания второго модульного блока фильтров 8.4 подается на выходы элементов второго модульного блока фильтров 4.1,4.2,…,4.К. После преобразования напряжение с входов элементов второго модульного блока фильтров 4.1,4.2,…,4.К через контакты устройства коммутации второго модульного блока фильтров 7.4 подается на первую шину питания второго модульного блока фильтров 6.4. Далее это напряжение через вторую шину питания модульного блока полупроводниковых ключей 8.3 подается на выходы элементов модульного блока полупроводниковых ключей 3.1, 3.2,…,3.N. После преобразования напряжение с входов элементов модульного блока полупроводниковых ключей 3.1, 3.2,…,3.N через контакты устройства коммутации модульного блока полупроводниковых ключей 7.3 подается на первую шину питания модульного блока полупроводниковых ключей 6.3. Далее это напряжение через вторую шину питания модульного блока согласующих трансформаторов 8.2 подается на выходы элементов модульного блока согласующих трансформаторов 2.1,2.2,…,2.М. После преобразования напряжение с входов элементов модульного блока согласующих трансформаторов 2.1,2.2,…,2.М через контакты устройства коммутации модульного блока согласующих трансформаторов 7.2 подается на первую шину питания модульного блока согласующих трансформаторов 6.2. Далее это напряжение через вторую шину питания первого модульного блока фильтров 8.1 подается на выходы элементов первого модульного блока фильтров 1.1,1.2,…,1.L. После преобразования напряжение с входов элементов первого модульного блока фильтров 1.1,1.2,…,1.L через контакты устройства коммутации первого модульного блока фильтров 7.1 подается на первую шину питания первого модульного блока фильтров 6.1 и далее на первый выход 5.1 первого вывода 5 к которому подключается нагрузка.
В этом режиме многофункциональный блок управления 10 по информационным сигналам со второго выхода второго вывода 9.2 об источнике электрической энергии также производит выбор режима работы элементов модульного блока полупроводниковых ключей 3.1, 3.2,…,3.N, который реализуется формированием управляющих сигналов на пятом выходе многофункционального блока управления 10.5. Далее на основе информации о нагрузке в текущий момент времени, поступающей со второго выхода первого вывода 5.2, многофункциональный блок управления 10 на основе программы работы модульных блоков определяет необходимое количество работающих элементов во всех модульных блоках 1,…,4, обеспечивающее в них минимум потерь электрической энергии в процессе преобразования, а коэффициент полезного действия всего преобразователя - максимальным.
Таким образом, полезная модель за счет изменения режимов работы элементов модульного блока полупроводниковых ключей 3.1, 3.2,…,3.N обеспечивает свойство универсальности преобразователя, а за счет набора программ работы для каждого из модульных блоков 1,…,4, формируемых многофункциональным блоком управления 10, обеспечивает изменение их структуры, приводящее к максимальным значениям коэффициента полезного действия преобразователя в широком диапазоне изменения тока нагрузки.
К дополнительным достоинствам полезной модели можно отнести уменьшение времени поиска неисправности и ремонта, а также возможность модернизации модульных функциональных узлов в процессе длительной эксплуатации преобразователя.