Двухтактный трансформаторный импульсный преобразователь

Полезная модель относится к электротехнике и к импульсной силовой электронике и предназначена для использования в авиационно-космических электроэнергетических и пилотажно-навигационных комплексах в качестве вторичного источника электропитания нагрузок постоянного и переменного напряжения с произвольными параметрами при питании от низковольтной аккумуляторной и/или суперконденсаторной батареи с гальванической развязкой.
Известен двухтактный трансформаторный импульсный преобразователь (аналог), содержащий внешние входные и выходные выводы для подключения источника электропитания постоянного напряжения и нагрузки с постоянным или переменным регулируемым напряжением, зашунтированные фильтровыми конденсаторами, высокочастотный трансформатор тока с двухсекционными первичной и вторичной обмотками, выходной циклоконвертор с двунаправленными управляемыми вентилями, двухтактный импульсный модулятор с двумя вентильно-ключевыми и двумя диодно-ключевыми стойками, двухвентильной стойкой, двумя блокирующими диодами, двумя балластными реакторами, буферно-накопительным конденсатором и четырьмя нерассеивающими демпферно-снабберными цепочками, составленными из демпферных дросселей, снабберных конденсаторов и зарядно-разрядных двухдиодных стоек (С. Резников, С. Климова, И. Харченко, В. Смирнов, В. Савостьянов. Резервно-аккумуляторные источники бесперебойного питания для автономных и сетевых систем электроснабжения со звеном постоянного повышенного напряжения. Силовая электроника, №2, 2016 г., с. 64-68, стр. 66, рис. 3).
К недостаткам указанного устройства (аналога) относятся: узкие функциональные возможности из-за неспособности обратимого конвертирования двух постоянных напряжений, в частности - дифференциального и униполярного, неспособности совместного питания нагрузки переменного тока от источников низкого и повышенного постоянных напряжений (так называемое «горячее» резервирование каналов питания) и как следствие - малая удельная мощность устройства.
Из известных устройств наиболее близким по технической сути к предлагаемому является двухтактный трансформаторный импульсный преобразователь (прототип), содержащий внешние входные и выходные выводы для подключения источника электропитания постоянного напряжения (в частности - аккумуляторной батареи) и нагрузки произвольного (постоянного или переменного) регулируемого напряжения, зашунтированные емкостными фильтрами, двухобмоточный высокочастотный трансформатор тока, циклоконвертор (циклически реверсируемый выпрямитель с двунаправленными управляемыми вентилями), импульсный модулятор с балластным реактором, двумя вентильно-ключевыми стойками, двумя диодно-ключевыми стойками, тремя снабберными конденсаторами с зарядно-разрядными двухдиодными стойками и блок управления с цепями обратных связей по внешним токам и напряжениям, а также с импульсно-модуляторными и релейно-сигнальными выводами, подключенными к управляющим выводам ключей и вентилей (см. там же, стр. 67, рис. 4).
К недостаткам указанного известного устройства (прототипа) относятся: узкие функциональные возможности устройства из-за отсутствия функции обратимого конвертора с униполярным и/или дифференциальным выходом, неспособности совместного питания нагрузки переменного тока от источников с низким (аккумуляторным) и повышенным (например, выпрямленно-сетевым) постоянными напряжениями, низкий КПД конвертирования из-за одноканальности преобразования энергии (только через трансформатор), малая удельная мощность (на единицу массы и объема) из-за неспособности указанного совместного питания и неспособность рекуперации электроэнергии, поступающей из цепи нагрузки в источник электропитания (например, при питании электропривода с рекуперативным торможением).
Основным техническим результатом предложения является расширение функциональных возможностей устройства за счет функции обратимого конвертора с униполярным и/или дифференциальным выходом, а также за счет возможности совместного питания нагрузки переменного тока от источников с низким и повышенным постоянными напряжениями. Дополнительным техническим результатом является повышение КПД конвертирования за счет дополнительной - трансреакторной - передачи электроэнергии, повышение удельной мощности устройства за счет указанного совместного питания и способность рекуперации электроэнергии, поступающей из цепи нагрузки, в источник электропитания.
Указанные технические результаты обеспечиваются благодаря тому, что в двухтактный трансформаторный импульсный преобразователь, содержащий внешние входные и выходные выводы для подключения источника электропитания постоянного напряжения и нагрузки произвольного регулируемого напряжения, трансформатор с первичной и вторичной обмотками, первую фильтровую стойку, фильтровой конденсатор, циклоконвертор с двунаправленными вентилями, первый импульсный модулятор, состоящий из вентильно-ключевых стоек и диодно-ключевой стойки, двух снабберных конденсаторов и балластного реактора, также блок управления с цепями обратных связей, с первой группой импульсно-модуляторных выводов, с первой и второй группами релейно-сигнальных выводов, во-первых, введены внешние дифференциальные выводы со второй фильтровой стойкой и второй импульсный модулятор, аналогичный по составу и схеме соединений первому, трансформатор снабжен третьей обмоткой, а блок управления снабжен второй группой импульсно-модуляторных выводов и третьей группой релейно-сигнальных выводов, во-вторых, в него введены два уравнительных делителя напряжения с уравнительным реактором и с диодно-ключевыми стойками, а блок управления снабжен третьей и четвертой группами импульсно-модуляторных выводов, в-третьих, балластные реакторы выполнены с общим для них магнитопроводом, в-четвертых, каждый модулятор снабжен двухвентильной стойкой, а блок управления снабжен четвертой и пятой группами релейно-сигнальных выводов, в пятых, в него введен выпрямитель с дифференциальным выходом и с коррекцией коэффициента мощности, состоящий из фильтрового дросселя, двухдиодной стойки и двунаправленного электронного ключа, а блок управления снабжен пятой группой импульсно-модуляторных выводов, и в-шестых, контур, составленный из вторичной обмотки трансформатора, циклоконвертора и выпрямителя с внешними выходными выводами, выполнен в трехфазном варианте.
Экспериментальные исследования лабораторного макета и компьютерное моделирование предлагаемого устройства подтвердили его работоспособность и целесообразность широкого промышленного использования.
На чертеже представлены принципиальная силовая схема и каналы управления предлагаемого двухтактного трансформаторного импульсного преобразователя.
Двухтактный трансформаторный импульсный преобразователь содержит: внешние входные и выходные выводы 1-2 и 3-4, включая заземленные, для подключения источника электропитания постоянного напряжения и нагрузки произвольного регулируемого напряжения, трансформатор 5 с двухсекционными первичной и вторичной обмотками 6-7 и 8-9 со средними межсекционными выводами, первую двухконденсаторную фильтровую стойку 10-11, шунтирующую выводами первого конденсатора внешние входные выводы устройства, фильтровой конденсатор 12, шунтирующий внешние выходные выводы устройства, циклоконвертор 13, состоящий из управляемых двунаправленных вентилей 14, 15, первый импульсный модулятор 16, состоящий из электронных двух управляемых вентильно-ключевых стоек 17-18 и 19-20 и диодно-ключевой стойки 21-22, двух снабберных конденсаторов 23, 24 с последовательно с ними соединенными зарядными диодами и балластного реактора 25. Устройство содержит также блок управления 26 с цепями 27, 28 обратных связей по внешним токам и напряжениям, с первой группой 29 импульсно-модуляторных выводов, а также с первой и второй группами 30-31 релейно-сигнальных выводов. Кроме этого устройство содержит дифференциальные выводы 32-33-34, включая заземленный среднепотенциальный, для подключения дифференциальной нагрузки постоянных напряжений с режимом рекуперации энергии, зашунтированные второй двухконденсаторной фильтровой стойкой 35-36 с заземленным средним выводом, и второй импульсный модулятор 37, аналогичный по составу и схеме соединений первому импульсному модулятору. Трансформатор имеет также третью двухсекционную обмотку 38-39. Блок управления снабжен также второй группой 40 импульсно-модуляторных выводов и третьей группой 41 релейно-сигнальных выводов. Помимо вышеуказанного устройство содержит два уравнительных делителя напряжения 42 и 43, состоящих каждый из двухсекционного уравнительного реактора 44-45 и двух диодно-ключевых стоек 46-47 и 48-49. Блок управления снабжен также третьей и четвертой группами 50 и 51 импульсно-модуляторных выводов. Каждый из импульсных модуляторов снабжен управляемой двухвентильной стойкой 52-53. Блок управления снабжен четвертой и пятой группами 54 и 55 релейно-сигнальных выводов. Кроме перечисленного устройство содержит также выпрямитель с дифференциальным выходом и коррекцией коэффициента мощности, состоящей из фильтрового дросселя 56, двухдиодной стойки 57-58 и двунаправленного электронного ключа 59. Блок управления снабжен также пятой группой 60 импульсно-модуляторных выводов. Контур, составленный из вторичной обмотки трансформатора, циклоконвертора и выпрямителя, выполнен в трехфазном варианте с заземленной нейтралью, а блок управления снабжен соответствующими дополнительными группами выводов. Балластный реактор 25 первого импульсного модулятора 16 включен между средними выводами первой фильтровой стойки 10-11 и первичной обмотки 6-7 трансформатора 5. Циклоконвертор 13 включен между выводами вторичной обмотки 8-9 трансформатора 5 и выводами фильтрового конденсатора 12. Ключи 18 и 20 первой и второй вентильно-ключевых стоек 17-18 и 19-20 первого импульсного модулятора 15 своими силовыми выводами включены каждый между первым внешним входным выводом 1 устройства и соответствующим крайним выводом первичной обмотки 6-7 трансформатора 5, подключенным через вентиль 17, 19 той же стойки к среднему выводу диодно-ключевой стойки 21-22, шунтирующей своими крайними выводами второй конденсатор 11 первой фильтровой стойки 10-11. Диодно-ключевые стойки 46-47 и 48-49 первого уравнительного делителя напряжения 42 соединены между собой в параллель по схеме полууправляемого косого моста, подключенного своими диагональными выводами постоянного тока к крайним выводам уравнительного реактора 44-45, а своими диагональными выводами переменного тока - к крайним выводам первой фильтровой стойки 10-11. Второй уравнительный делитель напряжения 43 аналогичен по составу и схеме соединений первому делителю. Каждый из двух снабберных конденсаторов 23 и 24 первого импульсного модулятора 16 шунтирует через соответствующий зарядный диод силовые выводы ключа соответствующей из первой и второй вентильно-ключевых стоек 17-18 и 19-20. Каждый управляемый вентиль двухвентильной стойки 52-53 шунтирует через соответствующий зарядный диод соответствующую секцию 6, 7 первичной обмотки трансформатора 5. Двунаправленный ключ 59 заземляет через фильтровой дроссель 56 незаземленный внешний выходной вывод 3 и через диоды двухдиодной стойки 57-58 - незаземленные разнополярные внешние дифференциальные выводы 32 и 33 устройства.
Балластные реакторы 25 импульсных модуляторов 16 и 27 выполнены с общим для них магнитопроводом и включены между собой электромагнитно - согласно относительно направлений проводимостей ключей 22 диодно-ключевых стоек 21-22, подключенных к ним и зашунтированных обратными диодами.
В качестве однонаправленных электронных ключей использованы ключевые транзисторы или двухоперационные (запираемые по управлению) тиристоры, в качестве двунаправленного ключа 59 - последовательно-встречно включенные ключевые транзисторы, зангунтированные обратными диодами, в качестве однонаправленных управляемых вентилей -обычные (однооперационные) тиристоры, а в качестве двунаправленных вентилей 14 и 15 циклоконвертора 13 - симисторы (триаки) или параллельно-встречные пары тиристоров.
Блок управления 25 подключен первой и второй группами 29 и 40 импульсно-модуляторных выводов к управляющим выводам ключей импульсных модуляторов 16 и 37, третьей и четвертой группами 50 и 51 аналогичных выводов - к управляющим выводам ключей уравнительных делителей напряжения 42 и 43, а пятой группой 60 таких же выводов - к управляющим выводам двунаправленного ключа 59. Этот же блок своими первой и второй группами 30 и 31 релейно-сигнальных выводов подключен к управляющим выводам вентилей первого модулятора 16 и циклоконвертора 13, третьей группой 41 таких же выводов - к управляющим выводам вентилей второго модулятора 37, четвертой и пятой группами 54 и 55 таких же выводов - к управляющим выводам двухвентильных стоек 52-53 модуляторов. Добавленные группы импульсно-модуляторных релейно-сигнальных выводов блока управления подключены к соответствующим добавленным двум выпрямителям и циклоконверторам.
Двухтактный трансформаторный импульсный преобразователь работает следующим образом. К внешним входным выводам 1-2 подключают источник электропитания с постоянным низким напряжением (например, 27 В). К внешним выходным выводам 3-4 подключают нагрузку произвольного (постоянного или переменного) регулируемого напряжения (например, однофазную обмотку стартер-генератора в режиме электрозапуска силовой установки или двигателя исполнительного электропривода с режимом рекуперативного торможения (с возвратом энергии торможения в источник электропитания).
К дифференциальным внешним выводам 32-33-34 подключают накопительно на - нагрузочное дифференциальное звено постоянного повышенного напряжения (например, 0±270 В или 0±135 В), в частности - аналогичные звенья параллельно подключенных других таких же импульсных преобразователей, образующих вместе с рассматриваемым единый электротехнический комплекс.
шим
и
шим
3-4
На импульсно-модуляторных выводах блока управления формируются высокочастотные прямоугольные импульсы с постоянным периодом широтно-импульсной модуляции (Т) и регулируемой длительностью: t=γТ, где γ - относительная длительность (коэффициент заполнения) импульса, регулируемый в зависимости от разностей величин сигналов в цепях обратных связей (27, 28) и соответствующих эталонных сигналов. На релейно-сигнальных выводах блока управления формируются кратковременные импульсы (или пачки высокочастотных импульсов), синхронизируемые с фронтами (или спадами) модуляторных импульсов, а также с полупериодами выходного переменного напряжения на внешних выводах 3-4 (U).
Симметрия схем импульсных модуляторов 16 и 37 позволяет не рассматривать процессы с питанием от дифференциальных внешних выводов 32-33-34, т.к. они аналогичны процессам с питанием от внешних входных выводов 1-2.
При питании устройства от внешних входных выводов 1-2 первый импульсный модулятор 16 выполняет функцию двухтактного инвертора высокочастотного прямоугольного тока, второй модулятор 37 - функцию двухполупериодного выпрямителя этого тока, циклоконвертор 13 (циклически реверсируемый выпрямитель) - функцию делителя высокой частоты (непосредственного преобразователя частоты) с низкой выходной частотой (например, 400 Гц или регулируемой в диапазоне: от 0 до 800 Гц). При этом выпрямитель с коррекцией коэффициента мощности (56, 57, 58, 59) выполняет функцию цепи рекуперативной и/или реактивной мощности и дополнительной зарядки второй фильтровой стойки 35-36 дифференциального звена постоянного повышенного напряжения (выводы 33-34-35). Уравнительные делители напряжения 42 и 43 выполняют функцию автоматических выравнивателей напряжений на конденсаторах первой и второй фильтровых стоек 10-11 и 35-36 при любых несимметриях токов зарядки конденсаторов стойки.
Рассмотрим поочередную работу перечисленных узлов.
1. Работа импульсных модуляторов 16 и 37 при питании от выводов 1-2.
1-2
10
6=7
В зависимости от соотношения напряжений питания (U=U) и напряжений на дифференциальных внешних выводах U, приведенных к секции первичной обмотки 6-7 трансформатора 5 (через коэффициент трансформации), различают два возможных режима импульсной модуляции: 1а) режим «понижения» напряжения и 1б) режим «повышения» напряжения.
10
6-7
37
37
37
37
37
37
37
37
37
37
37
шим
37
37
37
37
37
1а) Режим «понижения» напряжения (U>U). При каждом очередном включении ключа 18 (или 20) наступает этап нарастания полного потокосцепления () балластных реакторов (25 и 25) вместе с токами в цепях: 10-25-6 (или 7) - 18 (или 20) - 10, а также 39 (или 38) - 19 (или 17) - 21-36-35 - обратный диод 18 (или 20) - 38 (или 39) - 39 (или 38) и 25 - обратный диод 22-21-36-35-53-25 (прямоходовая зарядка второй фильтровой стойки 35-36). Вслед за этим производятся (синхронно) выключение ключа 18 (или 20) и включение ключа 22 и вентиля 17 (или 19), и наступает этап токозамыкающей паузы с приблизительным сохранением полного потокосцепления реакторов () вместе с током в замкнутой накоротко цепи: 25-6 (или 7) - 17 (или 19) - 22-25. При этом токи, обусловленные ЭДС самоиндукции индуктивностей рассеяния второго балластного реактора и секций третьей обмотки трансформатора, относительно быстро спадают до нуля по вышеуказанным цепям. По окончании токозамыкающей паузы (с относительной длительностью: Δγ=Δt/Т) ключ 22 также выключается, и наступает этап частичного (или полного) спада потокосцепления реакторов () вместе с токами в цепях: 25-6 (или 7) - 17 (или 19) - 21-11-25 и 25-39 (или 38) - 19 (или 17) - 21-36-25 (обратноходовая зарядка конденсатора 36 второй фильтровой стойки).
Далее указанные процессы высокочастотно качественно циклически повторяются, индуцируя во вторичной обмотке 8-9 высокочастотную ЭДС Снабберные конденсаторы 23 и 24 заряжаются через зарядные диоды при выключении соответствующих ключей 18 и 20 и полностью разряжаются через те же ключи и через вентили 52 и 53 на соответствующие секции 6 и 7 первичной обмотки трансформатора 5 для дальнейшей передачи накопленной ими энергии в нагрузку. Указанные конденсаторы вместе с индуктивностями рассеяния обмотки трансформатора обеспечивают мягкую коммутацию ключей (при нулевом токе или напряжении).
10
6-7
1б) Режим «повышения» напряжения (U<U).
37
шим
37
37
37
шим
37
37
37
37
37
37
37
37
На первом этапе () ключи 18 и 20 включаются вместе (синхронно), после чего полное потокосцепление балластных реакторов (25 и 25) нарастает вместе с токами в цепях: 10-25-6-18-10 и 10-25-7-20-10, не вызывая намагничивания магнитопровода трансформатора 5. Вслед за этим производятся (синхронно) выключение одного из ключей 18 и 20 (поочередно от периода к периоду ШИМ) и включение ключа 22 и соответствующего вентиля 17 или 19, и наступает этап токозамыкающей паузы с длительностью: Δt=ΔγT с приблизительным сохранением полного потокосцепления реакторов () вместе с током в замкнутой накоротко цепи: 25-7 (или 6) - 19 (или 17) - 22-25. При этом ток, обусловленной ЭДС самоиндукцией индуктивностей рассеяния секции 6 (или 7) первичной обмотки трансформатора 5 относительно быстро спадает до нуля по цепи: 6 (или 7) - 17 (или 19) - 21-11-25-6 (или 7), а ток в другой секции этой обмотки скачкообразно почти удваивается (сохраняя при этом полное потокосцепление трансформатора и ток в цепи реактора) и индуцирует скачок ЭДС в третьей обмотке 38-39 и соответствующее нарастание тока в цепи: 38-17-21-36-35-обратный диод 20-39 (при скачке тока в секции 6), т.е. идет обратноходовая зарядка второй фильтровой стойки 35-36. Затем ключ 22 также выключается, а подключенный к нему вентиль (17 либо 19) остается включенным, и наступает заключительный этап частичного (или полного) спадания потокосцеплений реакторов и трансформатора (этап  длительностью (1-γ-Δγ)Т) вместе с токами в цепях: 25-6 (или 7) - 17 (или 19) - 21-11-25, а также 25-38-17-21-36-25 и 25-39-19-21-36-25(обратноходовая зарядка стойки 35-36). Далее указанные процессы высокочастотно-периодически качественно повторяются, индуцируя во вторичной обмотке 8-9 высокочастотную ЭДС.
2. Работа уравнительных делителей напряжения 42 и 43.
11
10
32-34
34-33
Принцип их действия базируется на двунаправленном (обратимом) «транспортировании» зарядов на обкладках конденсаторов 10 и 11 (или 35 и 36) фильтровых стоек с помощью полярно-инвертирующих импульсных конверторов. При превышении напряжения U над напряжением U широтно-модулируется ключ 49. При его включении полное потокосцепление уравнительного реактора 44-45 нарастает (этап ) вместе с током в цепи: 11-49-44-11, а после его выключения - частично (или полностью) спадает (этап ) вместе с током по цепи: 44-10-48-44. Аналогично производятся: обратная «транспортировка» заряда (от 10 к 11), а также взаимный обмен зарядами конденсаторов 35 и 36, т.е. автоматическое выравнивание напряжений U и U на дифференциальных внешних выводах 32-33-34.
1. Работа выпрямителя 56-59 с дифференциальным выходом и коррекцией коэффициента мощности.
По своей схеме он является полярно-повторяющим повышающим (бустерным) конвертором с реверсивным входом. В процессе широтно-импульсной модуляции при каждом включении двунаправленного ключа 59 ток фильтрового дросселя 59 нарастает, а при его выключении - частично (или полностью) спадает, заряжая один из конденсаторов второй фильтровой стойки 35-36, в соответствии с полупериодом переменного напряжения на внешних выходных выводах 3-4. При этом благодаря регулированию параметра γ формируется синусоидальная форма тока дросселя, синхронизированная с указанными полупериодами напряжения (для приближения коэффициента мощности к единице). Энергия, потребляемая второй фильтровой стойкой 35-36 через выпрямитель (диоды 57-58), либо непосредственно передается дифференциальной нагрузке постоянных напряжений, либо через второй импульсный модулятор 37 и трансформатор 5 передается на внешние входные и/или выходные выводы 1-2 и 3-4. Если нагрузка является униполярной, то она подключается либо к крайним выводам второй фильтровой стойки, либо к одному из конденсаторов этой стойки (35 или 36).
Таким образом, предлагаемый двухтактный трансформаторный импульсный преобразователь по сравнению с прототипом обеспечивает основной технический результат: расширение функциональных возможностей устройства за счет функции обратимого конвертора с униполярным и/или дифференциальным выходом, а также за счет возможности совместного питания нагрузки переменного тока от источников с низким и повышенным постоянными напряжениями, а также дополнительные технические результаты: повышение КПД конвертирования за счет дополнительной - трансреакторной передачи электроэнергии (через балластные реакторы), повышение удельной мощности (на единицу массы или объема) устройства за счет указанного совместного питания и способность рекуперации электроэнергии, поступающей из цепи нагрузки в источник электропитания.