Импульсный преобразователь частоты со звеном постоянного напряжения

Полезная модель относится к электротехнике и к импульсной силовой электронике и предназначена для использования в качестве вторичного источника электропитания для потребителей переменного тока (одно- или трехфазных) с регулируемыми частотой и амплитудой, в частности - мощных исполнительных электроприводов, от сети или автономного генератора переменного тока с нестабилизируемыми параметрами и/или резервной аккумуляторной (суперконденсаторной) батареи.
Известен импульсный преобразователь частоты со звеном постоянного напряжения (аналог), содержащий первую и вторую группы внешних фазных выводов переменного тока, включая заземленные для подключения источника электропитания с нестабильными параметрами нагрузки с регулируемыми частотой и амплитудой и две группы дифференциальных выводов, включая заземленные среднепотенциальные, для подключения резервных источников электропитания постоянного тока, зашунтированные двухконденсаторными фильтровыми стойками, разделенные обратимым трансформаторным импульсным конвертором с шунтирующими перемычками и подключенные к внешним фазным выводам через соответствующие обратимые выпрямительно-инверторные преобразователи с корректорами коэффициента мощности, а также блок управления с цепями обратных связей и импульсно-модуляторными выводами (Резников С.Б., Бочаров В.В., Харченко Н.А. Электромагнитная и электроэнергетическая совместимость систем электроснабжения и вторичных источников питания полностью электрифицированных самолетов. Под ред. С.Б. Резникова. М.: Изд-во МАИ, 2014. - 160 с. Стр. 107, Рис. 2.5.2, стр. 108, Рис. 2.5.3., стр. 110, Рис. 2.5.4. и стр. 112, Рис. 2.5.5).
Его основным достоинством является обратимость преобразователя электроэнергии, гальваническая развязка между источником и нагрузкой и исключение цепи для «сквозных сверхтоков» при несанкционированных включениях электронных ключей (из-за воздействия на блок управления электромагнитных импульсов молнии).
К недостаткам указанного известного устройства (аналога) относятся: низкие удельная мощность, КПД и надежность из-за многократного преобразования и наличия трансформаторного узла, а также из-за жесткой коммутации электронных ключей (со ступенчатыми одновременными скачками токов и напряжений с большими коммутационными тепловыми потерями и помехоизлучениями).
Из известных устройств наиболее близким по технической сути к предлагаемому устройству является импульсный преобразователь частоты со звеном постоянного напряжения (прототип), содержащий первую и вторую трехфазные группы внешних фазных выводов переменного тока, включая заземленные, для подключения источника электропитания с нестабильными параметрами и нагрузки с регулируемыми частотой и амплитудой и дифференциальные внешние выводы постоянного тока, включая заземленный среднепотенциальный, для подключения резервного источника электропитания постоянного тока, зашунтированные фильтровыми конденсаторами и двумя двухконденсаторными фильтровыми стойками, входной Виенна-выпрямитель с повышающим импульсным корректором коэффициента мощности на базе входных балластных дросселей и заземляющих двунаправленных электронных ключей, два двухсекционных трансреактора, соединенных друг с другом через две двухключевые электронные стойки, группы выходных фазных балластных дросселей с подключенными к ним парами двунаправленных электронных ключей и блок управления с цепями обратных связей и группами импульсно-модуляторных выводов (Патент на полезную модель №125426. Импульсный преобразователь частоты. Резников С.Б., Бочаров В.В., Харченко И.А., Ермилов Ю.В. Бюлл. №6 от 27.02.2013 г.).
К недостаткам описанного известного устройства (прототипа) относятся: узкие функциональные возможности из-за отсутствия обратимости преобразования электроэнергии (в частности-рекуперации электроэнергии из нагрузки в основной и в резервный источники электропитания) и неспособности питания дополнительной нагрузки переменного тока со стабилизированной амплитудой напряжения, а так же низкие удельная мощность, КПД и надежность и большие помехоизлучения из-за жесткой коммутации электронных ключей (с одновременными скачками токов и напряжений, вызывающими большие коммутационные тепловые потери).
Основным техническим результатом предложения является расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения обратимости преобразования электроэнергии, в частности - ее рекуперации из нагрузки в основной и в резервный источники, а также питание дополнительной нагрузки переменного тока со стабилизированной амплитудой напряжения. К дополнительным результатам относятся: повышение удельной мощности, КПД и надежности и снижение помехоизлучений за счет обеспечения «мягкой» коммутации электронных ключей с помощью использования нерассеивающих демпферно-снабберных цепочек.
Указанные результаты обеспечиваются благодаря тому, что в импульсный преобразователь частоты со звеном постоянного напряжения, содержащий первую и вторую основные группы внешних фазных выводов переменного тока для подключения источника электропитания с нестабильными параметрами и основной нагрузки с регулируемыми частотой и амплитудой напряжения, внешние дифференциальные выводы постоянных напряжений для подключения резервного источника или накопителя электроэнергии постоянного тока, фазные фильтровые конденсаторы и двухконденсаторную фильтровую стойку, входной Виенна-выпрямитель с первым корректором коэффициента мощности в виде входных балластных дросселей с первой группой заземляющих двунаправленных ключей, первый и второй трансреакторы, две двухключевые стойки, а также блок управления с цепями обратных связей и с основными группами импульсно- модуляторных выводов, во-первых ВВЕДЕНЫ выходной выпрямитель со вторым корректором коэффициента мощности в виде выходных балластных дросселей со второй группой заземляющих ключей, а также два управляемых вентиля, а блок управления СНАБЖЕН релейно-сигнальными выводами и дополнительной группой импульсно-модуляторных выводов, во-вторых, каждый из ключей, подключенных ко второму трансреактору, СНАБЖЕН обратно-блокирующим диодом, зарядно-разрядной двухдиодной стойкой и снабберным конденсатором, выходной выпрямитель СНАБЖЕН рекуператорной электронной стойкой, а блок управления СНАБЖЕН вспомогательной группой импульсно-модуляторных выводов, в-третьих, в него ВВЕДЕНЫ третья дополнительная группа внешних фазных выводов для подключения дополнительной нагрузки переменного тока со стабилизированной амплитудой напряжения и фильтр, и в-четвертых, его перечисленные узлы и элементы ВЫПОЛНЕНЫ в трехфазном варианте.
Экспериментальные исследования лабораторного макета и имитационно-компьютерное моделирование предлагаемого устройства подтвердили его работоспособность и целесообразность широкого промышленного использования.
На чертеже (Фиг.) представлены принципиальная силовая схема и каналы управления предлагаемого импульсного преобразователя частоты со звеном постоянного напряжения.
Импульсный преобразователь частоты со звеном постоянного напряжения содержит: первую и вторую основные группы 1-2 и 3-4 внешних фазных выводов переменного тока, включая заземленные, для подключения источника электропитания с нестабильными параметрами и основной нагрузки с регулируемыми частотой и амплитудой напряжения, внешние дифференциальные выводы 5-6-7 постоянных напряжений, включая заземленный среднепотенциальный, для подключения резервного источника или накопителя электроэнергии постоянного тока, фазные фильтровые конденсаторы 8, 9 и двухконденсаторную фильтровую стойку 10-11, шунтирующие указанные внешние выводы, входной Виенна-выпрямитель 12 с первым повышающим импульсным корректором коэффициента мощности в виде входных балластных дросселей 13 с первой группой 14 заземляющих двухнаправленных электронных ключей. Устройство так же содержит первый и второй двухсекционные трансреакторы 15-16 и 17-18, две электронные двухключевые стойки 19-20 и 21-22, с разнонаправленными ключами, зашунтированными обратными диодами, в каждой стойке.
Помимо этого устройство содержит блок управления 23 с цепями 24, 25 обратных связей по внешним токам и напряжениям и с основными группами 26, 27 импульсно-модуляторных выводов. Устройство содержит также выходной Виенна-выпрямитель 28 со вторым повышающим импульсным корректором коэффициента мощности в виде выходных балластных дросселей 29 со второй группой 30 заземляющих двунаправленных электронных, а также два управляемых электронных вентиля 31 и 32, заземляющих крайние выводы первого трансформатора.
В блоке управления имеются также релейно-сигнальные выводы 33 и дополнительная группа 34 импульсно-управляющих выводов. Каждый из ключей двухключевых стоек, подключенный к выводу второго трансформатора, зашунтирован цепочкой из зарядного диода 35, 36, и снабберного конденсатора 37, 38. Помимо перечисленного устройства содержит третью дополнительную группу 41-42 внешних фазных выводов, включая заземленный, для подключения дополнительной нагрузки переменного тока со стабилизированной амплитудой напряжения и индуктивно-емкостный фильтр 43-44.
Двухключевые стойки 19-20 и 21-22 подключенные своими средними выводами к крайним выводам двухконденсаторной фильтровой стойки 10-11, а своими крайними выводами - к соответствующим выводам трансформаторов 15-16 и 17-18. Входной Виенна-выпрямитель 12 с корректором коэффициента мощности 13-14 включен между первой основной группой 1-2 внешних выводов и выводами фильтровой стойки 10-11, а выходной (28, 29, 30) - между второй основной группой 3-4 внешних выводов и выводами секций второго трансформатора 17-18, выполненного, как и первый трансформатор 15-16, в виде двух последовательно-согласно включенных секций, подключенных своими крайними выводами другого трансформатора через соответствующие двухключевые стойки 19-20 и 21-22. Общие выводы цепочек из зарядных диодов 35, 36 и снабберных конденсаторов 37, 38 подключены к соответствующим. выводам выпрямленного напряжения выходного Виенна-выпрямителя 28. Индуктивно-емкостный фильтр 43-44 включен между третьей дополнительной группой 41-42 внешних фазных выводов и выводами переменного тока входного Виенна-выпрямителя 12. Блок управления 23 своими основными группами 26 и 27 импульсно-модуляторных выводов подключен к управляющим выводам первой группы двухнаправленных ключей 14 и двухключевых стоек 19-20, 21-22, своими релейно-сигнальными выводами 33 - к управляющим выводам управляемых вентилей 31, 32, а своей дополнительной 34 импульсно-модуляторных выводов - к управляющим выводам второй группы двунаправленных ключей 30.
В качестве электронных ключей двухключевых стоек 19-20 и 21-22 использованы ключевые транзисторы с внутренними или внешними обратно-шунтирующими диодами. В качестве двунаправленных электронных ключей 14 и 30 использованы, соответственно, диодно-мостовые выпрямители с шунтирующими по выходу транзисторными ключами и двухтранзисторные стойки из встречно-включенных транзисторных ключей обратно-шунтирующими диодами. В качестве управляемых вентилей 31 и 32 использованы либо обычные (однооперационные) тиристоры, либо диодно-транзисторные стойки.
Импульсный преобразователь частоты со звеном постоянного напряжения работает следующим образом. К первой группе 1-2 внешних фазных выводов подключают источник электропитания переменного тока, в общем случае - с нестабильными параметром (частоты и/или амплитуды), например, промышленную сеть или автономный синхронный генератор (в частности: стартер-генератор). Ко второй группе 3-4 внешних фазных выводов подключают нагрузку переменного тока с регулируемыми (в частности - стабилизированными) частотой и амплитудой напряжения, например, электродвигатель исполнительного электропривода (синхронный или асинхронный). К дифференциальным внешним выводам 5-6-7 подключают резервный источник или потребитель электропитания постоянного напряжения, например, аккумуляторную, или суперконденсаторную батарею или/и фильтровую стойку другого магистрального канала автономной системы электроснабжения постоянного напряжения с параллельно включенными звеньями постоянного напряжения.
0
К дополнительной третьей группе 41-42 внешних выводов подключают дополнительную нагрузку переменного тока со стабилизированной амплитудой (U-const), например, вычислительную или радиоэлектронную аппаратуру.
шим
имп
шим
На импульсно-модуляторных выводах 26, 27 и 34 блока управления 23 формируются высокочастотные импульсы с постоянным периодом широтно-импульсной модуляции (Т) и регулируемой по цепям обратных связей (24, 25) длительностью импульса: t=γ⋅Т, где γ - относительная длительность (коэффициент -заполнения) импульса.
Рассмотрим поочередно работу четырех основных силовых функциональных узлов: 1) входного Виенна выпрямителя (12-13-14); 2) ключей 20 и 22, двухключевых стоек и выходного выпрямителя в режимах инвертирования и выпрямления; 3) ключей 19 и 21 и ветилей 31, 32 в режиме рекуперации, а также 4) узлов со снабберными конденсаторами 37, 38.
1. Работа входного Виенна-выпрямителя 12 с корректором коэффициентом мощности (13-14). Этот узел выполняет одновременно три функции: а) формирование синусоидальных входных фазных токов, синхронных и синфазных с питающими фазными напряжениями для приближения коэффициента мощности к единице (с целью сохранения качества питающей электроэнергии, разгрузки источника питания и снижения тепловых потерь во входных цепях); б) стабилизация и симметрирование выпрямленных напряжений в плечах дифференциального звена постоянных напряжений на конденсаторах фильтровой стойки 10-11 и в) стабилизация амплитуды переменного напряжения на третьей группе 39-40 внешних фазных выводов - как следствие второй функции (б).
8
1-2
шим
Рассмотрим интервал положительного полупериода синусоидального напряжения на фильтровом конденсаторе 8 (U=U>0). На произвольном периоде Т ток входного балластного дросселя 13 сначала нарастает по цепи: 8-13-14-8, а затем частично (или полностью) спадает по цепи: 8-13-10-8, заряжая конденсатор 10. Далее эти процессы высокочастотно -периодически качественно повторяются в пределах положительного полупериода.
8
шим
В интервале отрицательного полупериода (U<0) на произвольном периоде Т ток дросселя 13 сначала нарастает по цепи: 8-14-13-8, а затем частично (или полностью) спадает по цепи: 8-11-12-13-8, заряжая конденсатор 11. Благодаря регулированию параметра γ с помощью обратных связей блока управления 23 осуществляются первые две из перечисленных выше функций. При этом диоды фазной двухдиодной стойки 12 высокочастотно коммутируются, чередуясь в соответствии с полупериодами питающего напряжения и выполняя при этом роль пассивных (неуправляемых) ключей, поочередно подводящих разнополярные трапецеидальные потенциалы крайних выводов стойки 10-11. К входному выводу фильтра 43-44, формирующему синусоидальное напряжение на выводах 41-42 со стабилизированной амплитудой.
9
3-4
шим
3-4
2. Работа в режиме регулируемого полумостового ШИМ-инвертора синусоидального фазного напряжения. Рассмотрим интервал полупериода положительного напряжения: U=U>0. На произвольном периоде Тполное потокосцепление второго трансреактора 17-18 и ток выходного балластного дросселя 29. Сначала нарастают вместе с током в цепи 10-20-17-29-9-10. Затем потокосцепление второго трансреактора 17-18 частично (или полностью) спадает вместе с током в цепи: 17-39-28-10-11-28-17, а ток дросселя 29 частично (или полностью) спадает по цепи: 29-9-30-29. Далее эти процессы высокочастотно-периодически качественно повторяются в пределах данного полупериода напряжения U. На другом полупериоде этого напряжения аналогичным образом работают ключи 22, 30 и 39. При этом с помощью регулирования параметра γ блоком управления 23 формируются синусоидальные ток выходного балластного дросселя 29 и напряжения на внешних выводах 3-4.
9
3-4
ШИМ
3. Работа того же узла в режиме выпрямления (рекуперации электроэнергии из основной нагрузки переменного тока в фильтровую стойку 10-11). Рассмотрим интервал первого полупериодного напряжения: U=U>0. На произвольном периоде Т ток дросселя 29 сначала нарастает по цепи: 9-29-30-9, а затем частично (или полностью) спадет по цепи: 29-39-28-10-9-29, заряжая конденсатор 10 фильтровой стойки. Далее эти процессы высокочастотно-периодически качественно повторяются в пределах данного полупериода. На втором полупериоде аналогично работают ключи 30 (левый) и 39 (нижний), заряжая конденсатор 11 фильтровой стойки.
3-4
При этом как и во входном Виенна-выпрямителе с помощью регулирования параметра γ блоком управления 23 формируется синусоидальный ток дросселя 29, синхронный и синфазный с переменным напряжением питания (U), т.е. обеспечивается приближение коэффициента потребляемой мощности к единицы.
8
1-2
ШИМ
1-2
4. Работа ключей 19 и 21 и вентилей 31, 32 в режиме рекуперации электроэнергии из фильтровой стойки 10-11 в источник электропитания (питающую сеть). Рассмотрим первый («положительный») полупериод питающего напряжения: U=U>0. На произвольном период Т полное потокосцепление первого трансреактора 15-16 сначала нарастает вместе с током в цепи: 10-19-15-8-10, а затем частично (или полностью) спадает вместе с током в цепи: 15-8-31-15. Далее эти процессы высокочастотно- периодически качественно повторяются в пределах данного полупериода напряжения: U. На втором полупериоде этого напряжения аналогично работают ключ 21 и вентиль 32 совместно с секцией 16 первого трансформатора.
При этом с помощью регулирования параметра γ блок управления 23 формирует синусоидальный ток рекупераций электроэнергии в источник электропитания (питающую сеть) с коэффициентом мощности близким к 1.
5. Работа узлов со снабберными конденсаторами 37. 38 и рекуператорной (разрядной) двухключевой стойкой 39. Перед произвольным включением ключа 20 снабберный конденсатор 37 заряжен по цепи: 10-блокирующий диод ключа 20-37-левый диод зарядно-разрядной стойки 35-17-29-9-10. При очередном включении ключа 20 ток относительно плавно нарастает благодаря индуктивности секции 17 второго трансреактора ("мягкое" включение). При этом снабберный конденсатор 37 относительно быстро колебательно полностью разряжается по цепи одновременно включаемого верхнего ключа рекуператорной стойки 39: 37-20-39 правый диод 35-37, после чего ток секции 17 закорачивается на цепь: 17-39-35-17 вплоть до момента выключения ключа 39, соответствующего максимуму тока. После выключения последнего указанный ток (несколько спавший ниже максимума) переключается в цепь рекуперации остаточной электромагнитной энергии трансреактора в фильтровую стойку: 17-30-11-28-17. К моменту выключения ключа 20 напряжение снабберного конденсатора 37 равно нулю, т.е. напряжение на ключе после его выключения плавно нарастает вместе с зарядкой конденсатора ("мягкое" выключение).
Благодаря наличию "нерассеивающей" демпферно-снабберной цепочки (17-37) реализуется "мягкая" коммутация ключа 20 в режиме инвертирования (наиболее напряженного по мощности преобразования).
Таким образом, в предложенном устройстве по сравнению с прототипом обеспечиваются основной технический результат: расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения обратимости преобразования электроэнергии всех основных каскадов, в частности -рекуперации электроэнергии из нагрузки в основной и в резервный источники электропитания, и за счет питания дополнительной нагрузки переменного тока со стабилизированной амплитудой напряжения, а также дополнительные технические результаты: повышение удельной мощности, КПД и надежности при одновременном снижении помехоизлучений устройства за счет обеспечения "мягкой" коммутации электронных ключей (без скачков рассеиваемой мощности) с помощью использования нерассеивающих демпферно-снабберных цепочек.