ОБРАТИМЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

Полезная модель относится к электротехнике и к импульсной силовой электронике и предназначена для использования в автономных авиационно-бортовых системах электроснабжения.
Известен обратимый импульсный преобразователь частоты (первый аналог), содержащий входной трехфазный обратимый (двунаправленный) управляемый выпрямительно-инверторный коммутатор и выходной трехфазный обратимый инвертор напряжения, зашунтированный по входу емкостным фильтром и подключенный к выходным выводам постоянного тока коммутатора через два электромагнитных реактора, а также блок управления с импульсно-модуляторными выходными выводами, подключенными к управляющим выводам коммутатора и инвертора (С.В, Аверин, А.Н. Данилина, Ю.Г. Следков, Бортовой преобразователь частоты с рекуперацией электроэнергии, Практическая силовая электроника, №2 (50), 2013 г., с. 13-16.).
К недостаткам известного устройства (первого аналога) относятся его низкие надежность и электробезопасность из-за гальванической связи входных и выходных цепей, а также ухудшение качества питающей электроэнергии из-за несинусоидальной формы входных токов и отсутствия коррекции коэффициента потребляемой мощности.
Известен обратимый импульсный преобразователь частоты (второй аналог), содержащий два трехфазных обратимых (двунаправленных) управляемых выпрямительно-инверторных мостовых коммутатора, подключенных выводами постоянного тока к общему промежуточному емкостному фильтру, а выводами переменного тока через балластные дроссели - к соответствующим входным и выходным выводам устройства (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. 627, рис. 13.7.5а).
К недостаткам известного устройства (второго аналога) относятся его низкие надежность и электробезопасность из-за гальванической связи входных и выходных цепей, а также низкое качество выходной и ухудшенное качество потребляемой электроэнергии из-за отсутствия цепей пофазного регулирования формы входных токов и выходных напряжений и отсутствия коррекции коэффициента потребляемой мощности.
Известен обратимый импульсный преобразователь частоты (прототип), содержащий два трехфазных обратимых (двунаправленных) управляемых выпрямительно-инверторных мостовых коммутатора с диодно-ключевыми стойками в плечах, подключенных разноименными выводами постоянного тока через электромагнитный реактор друг к другу, а выводами переменного тока, зашунтированными емкостными фильтрами, - к соответствующим входным и выходным выводам устройства (см. там же: Зиновьев Г.С., стр. 627, рис. 13.7.56).
К недостаткам известного обратимого импульсного преобразователя частоты (прототипа) относятся: низкие надежность и электробезопасность устройства из-за гальванической связи входных и выходных цепей, низкое качество выходной и ухудшение качества питающей электроэнергии из-за несинусоидальной формы токов и напряжений и отсутствия коррекции коэффициента потребляемой мощности, а также низкое быстродействие переключений направлений преобразования энергии.
Основным техническим результатом предложения является повышение надежности и электробезопасности устройства за счет гальванической развязки, согласования напряжений его входных и выходных цепей и шунтирования ключей ограничительными снабберными конденсаторами с цепями утилизации энергии.
К дополнительным техническим результатам относятся: повышение качества выходной и сохранение качества питающей электроэнергии за счет обеспечения синусоидальной формы токов и напряжений и коррекции коэффициента мощности, а также повышение быстродействия переключений направлений преобразования энергии.
Указанные технические результаты обеспечиваются БЛАГОДАРЯ тому, что в обратимом импульсном преобразователе частоты, содержащем пары входных и выходных выводов, зашунтированных емкостными фильтрами, два управляемых мостовых коммутатора, состоящих каждый из двух параллельно-сонаправленно между собой соединенных ветвей, имеющих каждая по две последовательно соединенные диодно-ключевые стойки, электромагнитный реактор и блок управления с импульсно-модуляторными выходными выводами, в каждый из его мостовых коммутаторов ВВЕДЕНЫ два снабберных конденсатора, а электромагнитный реактор ВЫПОЛНЕН с двумя магнитосвязанными обмотками, подключенными к выводам постоянного тока соответствующих мостовых коммутаторов и включенных между собой согласно относительно полярностей этих выводов.
На чертеже (Фиг.) представлена силовая принципиальная схема предлагаемого обратимого импульсного преобразователя частоты. Обратимый импульсный преобразователь частоты содержит: пару входных и пару выходных выводов 1-2 и 3-4 для подключения источника питания и нагрузки, зашунтированные емкостными фильтрами 5 и 6 и два управляемых мостовых коммутатора 7,8. Каждый мостовой коммутатор состоит из двух параллельно-сонаправленно между собой соединенных ветвей, имеющих каждая по две последовательно соединенные диодно-ключевые стойки 9-10, 11-12, 13-14, 15-16 и 17-18, 19-20, 21-22, 23-24. Кроме этого устройство содержит электромагнитный реактор 25 и блок управления 26 с импульсно-модуляторными выходными выводами. Каждый из мостовых коммутаторов имеет по два снабберных конденсатора 27, 28 и 29, 30. Электромагнитный реактор выполнен с двумя магнитосвязанными обмотками 31, 32. Каждый из мостовых коммутаторов 7 и 8 своими выводами постоянного тока подключен к соответствующей обмотке 31, 32 реактора 25, выводами переменного тока - к соответствующей паре входных и выходных выводом 1-2 и 3-4 устройства, а управляющими выводами - к импульсно-модуляторным выходным выводам блока управления 26. Каждый из двух снабберных конденсаторов 27, 28 и 29, 30 соответствующего мостового коммутатора 7 и 8 включен между средними выводами смежных диодно-ключевых стоек 9-10 и 13-14, 11-12 и 15-16, 17-18 и 21-22, 19-20 и 23-24, принадлежащих разным ветвям и соединенных в паре выводом диода одной ветви с выводом ключа другой ветви. Обмотки 31 и 32 реактора 25 включены между собой согласно относительно полярностей выводов постоянного тока коммутаторов (начала обмоток обозначены жирными точками на чертеже).
В качестве ключей диодно-ключевых стоек могут быть использованы транзисторы или двухоперационные (полностью управляемые) тиристоры.
Обратимый импульсный преобразователь частоты работает следующим образом. В силу осевой (зеркальной) симметрии схемы работа устройства идентична для обоих направлений преобразования энергии. Поэтому достаточно рассмотреть процесс преобразования с направлением потока электроэнергии от входных выводов 1-2 к выходным выводам 3-4, подключенным, соответственно, к источнику питания переменного тока и к нагрузке переменного тока.
В зависимости от полярности входного напряжения происходит поочередная зарядка снабберных конденсаторов 29 и 30 с полярностью показанной на чертеже, через пары диодов 9-13 и 11-15 и обмотку 31 реактора 25. На импульсно-модуляторных выходных выводах блока управления 26 формируются отпирающие высокочастотные импульсы с широтной модуляцией.
1-2
И
И
ШИМ
ШИМ
И
И
П
П
ШИМ
П
3-4
3-4
ШИМ
П
И
П
И
ШИМ
ШИМ
ШИМ
П
И
При очередном включении всех четырех ключей коммутатора 7, например - при положительном напряжении U на выводах 1, 2, одновременно с ними включаются ключи 18 и 19 коммутатора 8. Сначала на обмотку 31 частично разряжаются снабберные конденсаторы 27 и 28 по цепям: 27-10-31-15-16-14-27 и 28-16-14-13-31-12-28, а затем ее ток нарастает по цепи питания: 1-9-10-31-15-16-2, увеличивая полное потокосцепление реактора 25 в течение интервала времени: t=γT, где T - период широтно-импульсной модуляции, γ - коэффициент заполнения импульса. В момент t ключи 10, 12, 14, 16 выключаются, а ключи 18, 20 остаются включенными. При этом ток обмотки 32 резко нарастает, а в обмотке 31 - резко спадает, заряжая снабберные конденсаторы 27, 28 по цепи: 31-15-28-11-9-27-13-31. При этом полное потокосцепление реактора приблизительно сохраняется вместе с током в цепи: 32-17-18-20-19-32 в течение интервала времени паузы Δt=γT. Энергия индуктивности рассеяния обмотки 31 реактора передается снабберным конденсаторам 27, 28, а при следующем включении ключей коммутатора 7 - опять в цепь реактора, практически без тепловых потерь. По истечении интервала Δt в зависимости от полярности напряжения U на выводах 3,4 включается ключ 22 или 24, оставляя включенным диагонально расположенный ключ 20 или 18. При этом полное потокосцепление реактора частично плавно спадает вместе с током в цепи обмотки 32 и нагрузки, например, при U>0: 32-22-21-3-4-20-19-32, в течение интервала: T-t-t=(1-γ-γ)T, оставшегося от периода T. За это время доза электромагнитной энергии реактора 25, накопленной в нем, передается в нагрузку. Далее указанные процессы периодически повторяются с периодом T. При этом коэффициенты заполнения γ и γ взаимно независимо регулируются блоком управления 26 таким образом, чтобы среднеимпульсные значения входного и выходного токов являлись синусоидальными функциями времени с заданными амплитудами, а коэффициент потребляемой мощности приближался к единице.
П
И
Важными свойствами рассмотренной схемы являются следующие: а) полное потокосцепление реактора 25 является знакопостоянным и может быть непрерывным; б) среднеимпульсные значения входного и выходного токов могут взаимонезависимо регулироваться за счет изменения величин γ и γ; в) при переключениях направлений преобразования энергии полное потокосцепление сохраняет свое направление, т.е. не требует времени для реверса; г) благодаря наличию снабберных конденсаторов 27,28,29,30 исключаются перенапряжения на ключах при их выключениях (из-за Э.Д.С. самоиндукции обмоток реактора) и практически без тепловых потерь утилизируется энергия, накапливаемая в индуктивностях рассеяния обмоток.
Таким образом, в предлагаемом обратимом импульсном преобразователе частоты по сравнению с прототипом обеспечиваются основной технический результат: повышение надежности и электробезопасности устройства за счет гальванической развязки и согласования напряжений его входных и выходных цепей и шунтирования ключей ограничительными снабберными конденсаторами с цепями утилизации энергии, а также дополнительные технические результаты: повышение качества выходной и сохранения качества питающей электроэнергии за счет обеспечения синусоидальной формы токов и напряжений и коррекции коэффициента мощности, а также повешение быстродействия переключений направлений преобразования энергии.