Многофункциональный импульсный преобразователь

Полезная модель относится к электротехнике и импульсной силовой электронике и предназначена для использования в качестве обратимого (двунаправленного) преобразователя переменных и/или постоянных напряжений в системах электроснабжения, в частности, авиационно-бортовых.
Известны многофункциональные импульсные преобразователи (аналоги), содержащие в каждом фазном канале пару внешних выводов, включая заземляющий, для подключения источника нестабильного переменного напряжения с возможностью потребления рекуперируемой мощности, зашунтированную фильтровым конденсатором, разнополярные и среднепотенциальный заземляющий внешние выводы для подключения дифференциального накопителя электроэнергии с возможностью зарядки и разрядки, зашунтированные двухконденсаторной фильтровой стойкой, реактор (трансреактор), несколько двухключевых стоек с обратно-блокирующими диодами и блок управления с цепями обратным связей по внешним токам и напряжениям и с импульсно-модуляторными, а также релейно-импульсными выводами (Резников С.Б., Бочаров В.В., Харченко И.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. 112, Рис. 2.5.5.а,б). Указанные устройства способны выполнять функции обратимого выпрямительно-инверторного преобразователя ОВИП с корректором коэффициента мощности и импульсным делителем постоянных напряжений на его дифференциальных выводах.
К недостаткам указанных устройств (аналогов) относятся: узкие функциональные возможности из-за неспособности одновременной стабилизации выпрямленных напряжений и амплитуды питающего переменного напряжения и регулирования частоты и амплитуды переменного напряжения нагрузки с возможностью рекуперации мощности в источник и в накопитель, а также низкие надежность, КПД и удельная мощность и повышенные помехоизлучения из-за «жесткой» коммутации силовых ключей (с одновременными скачками токов и напряжений).
Из известных устройств наиболее близким по технической сути к предполагаемому, является многофункциональный импульсный преобразователь (прототип), содержащий те же функциональные узлы, что и вышеуказанные аналоги (см. там же, стр. 119, Рис. 2.6.2).
Основным техническим результатом предложения является расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения одновременной стабилизации выпрямленных дифференциальных напряжений и амплитуды питающего переменного напряжения, а также регулирования частоты и амплитуды переменного напряжения нагрузки с возможностью рекуперации мощности в источник и в накопитель.
К дополнительным результатам относятся: повышение надежности, КПД и удельной мощности, а также снижение помехоизлучений за счет обеспечения «мягкой» коммутации силовых ключей.
Указанные результаты обеспечиваются благодаря тому, что в преобразователь, содержащий в каждом фазном канале первую пару выводов зашунтированную первым фильтровым конденсатором, разнополярные и среднепотенциальные выводы для подключения накопителя, зашунтированные фильтровой стойкой, реактор, пять электронных стоек с по с диодами и блок управления с цепями обратных связей и с импульсно-модуляторными выводами, во-первых, ВВЕДЕНЫ вторая пара внешних выводов внешних выводов, зашунтированная третьим фильтровым конденсатором, фильтровый дроссель и двухвентильная стойка, а блок управления СНАБЖЕН релейно-сигнальными выводами, во-вторых, ВВЕДЕН контактный выключатель, и в-третьих, каждый ключ СНАБЖЕН демпферно-снабберной цепочкой, состоящей из демпферного дросселя, снабберного конденсатора и диодно-ключевой стойки, а блок управления СНАБЖЕН группой импульсных выводов.
Экспериментальные исследования лабораторного макета и компьютерно-имитационной модели предлагаемого устройства подтвердили его работоспособность и целесообразность промышленного использования.
На фиг. 1, фиг. 2, представлены принципиальная силовая схема и каналы управления предлагаемого многофункционального импульсного преобразователя.
Устройство содержит в каждом из трех фазных каналов: первую пару выводов 1-2, включая заземляющий, для подключения источника нестабильного переменного напряжения с возможностью потребления рекуперируемой (нагрузкой) мощности, зашунтированную первым фильтровым конденсатором 3, разнополярные и среднепотенциальный заземляющий внешние выводы 4, 5 и 6 для подключения дифференциального накопителя электроэнергии с возможностью его зарядки и разрядки, зашунтированные двухконденсаторной фильтровой стойкой 7-8, реактор 9, пять двухключевых электронных стоек с 10-11 по 18-19 с обратно-блокирующими диодами с 20, 21 по 28, 29 и блок управления 30 с цепями 31, 32 обратных связей по внешним токам и напряжениям и с импульсно-модуляторными выводами 33. Кроме того устройство содержит вторую пару внешних выводов 34-35, включая заземленный, для подключения нагрузки регулируемого по частоте и амплитуде переменного напряжения с возможностью рекуперации мощности в источник и в накопитель, зашунтированную вторым фильтровым конденсатором 36, а также третью пару внешних выводов 37-38, включая заземляющий, для подключения нагрузки стабильного по амплитуде переменного напряжения, зашунтированную третьим фильтровым конденсатором 39, фильтровый дроссель 40 и управляемую двухвентильную стойку 41-42. Блок управления снабжен также релейно-сигнальными выводами 43. Устройство содержит также контактный выключатель 44, заземляющий среднепотенциальный вывод фильтровой стойки. Каждый ключ электронных стоек снабжен демпферно-снабберной цепочкой, состоящей из демпферного дросселя 45, снабберного конденсатора 46 и электронной диодно-ключевой разрядной стойки 47-48. Блок управления снабжен также группой импульсных выводов 49. Первые три электронные стойки 10-11, 12-13 и 14-15 своими средними выводами подключены к соответствующим выводам фильтровой стойки 7-8, а своими крайними выводами вместе к крайним выводами четвертой и пятой электронных стоек 16-17 и 18-19 подключены к выводам реактора 9. Вторая пара внешних выводов 34-35 включена между средними выводами второй и пятой электронных стоек 12-13 и 18-19. Двухвентильная стойка 41-42 своим средним выводом через фильтровой дроссель 40 подключена к незаземленному внешнему выводу 37 третьей их пары 37-38, а своими крайними выводами через соответствующие ключи 11 и 14 первой и третьей электронных стоек 10-11 и 14-15 - к соответствующим крайним выводам фильтровой стойки 7-8. Первая пара внешних выводов 1-2 включена между средними выводами второй и четвертой электронных стоек 12-13 и 16-17. Контактный переключатель 44 заземляет среднепотенциальный вывод фильтровой стойки 7-8. В каждой депмферно-снабберной цепочке демпферный дроссель 45 включен последовательно с соответствующим ключом электронных стоек, а электронная диодно-ключевая разрядная стойка 47-48 подключена своим средним выводом через снабберный конденсатор 46 к первому силовому выводу указанного ключа, а своими крайними выводами включена между вторым силовым выводом этого ключа и соответствующим выводом реактора. Блок управления 30 своими импульсно-модуляторными выводами 33 подключен к управляющим выводам ключей электронных стоек 10-11, 12-13, 16-17 и 18-19, релейно-сигнальными выводами 43 - к управляющим выводам двухвентильной стойки 41-42, а группой импульсных выводов 49 - к управляющим выводам ключей 48 разрядных диодно-ключевых стоек 47-48.
В качестве ключей электронных и разрядных стоек использованы транзисторные ключи или двухоперационные (запираемые по управлению) тиристоры, а в качестве управляемых вентилей двухвентильной стойки - однооперационные тиристоры или транзисторные ключи с обратноблокирующими диодами.
Многофункциональный импульсный преобразователь работает следующим образом. К внешним выводам 1-2 подключают источник нестабильного переменного напряжения с возможностью потребления рекуперируемой мощности, например, фазную обмотку автономного магнитоэлектрического генератора с нестабильной частотой вращения и с возможностью работы в режиме электродвигателя. К внешним выводам 4-5-6 подключают дифференциальный накопитель электроэнергии с возможностью зарядки и разрядки, например, двухсекционную аккумуляторную или суперконденсаторную (ионисторную) батарею. К внешним выводам 34-35 подключают нагрузку регулируемого по частоте и амплитуде переменного напряжения с возможностью рекуперации мощности в источник и в накопитель, например, фазную обмотку электродвигателя переменного тока исполнительного привода с рекуперативным торможением. И наконец, к внешним выводам 37-38 подключают нагрузку стабильного по амплитуде переменного напряжения, например, приборный электронно-вычислительный и радиолокационный комплексы, некритичные к частоте питающего переменного напряжения.
шим
имп
шим
шим
В блоке управления 30 на импульсно-модуляторных выводах 33 формируются высокочастотные прямоугольные импульсы с постоянным периодом (Т) широтно-импульсной модуляции и регулируемыми длительностями управляющих импульсов (t=γ⋅Т, где γ - коэффициент заполнения импульса), на релейно-сигнальных выводах 43 - низкочастотные прямоугольные импульсы или пачки кратковременных импульсов, соответствующие полупериодам низкочастотного переменного напряжения на внешних выводах 37-38, а на группе импульсных выводов 49 - кратковременные высокочастотные импульсы с постоянным периодом Т и длительностью, достаточной для полной разрядки снабберных конденсаторов 46 на цепь реактора 9.
Рассмотрим поочередно возможные режимы работы преобразователя: 1) режим дифференциального выпрямителя с коррекцией коэффициента мощности и со стабилизацией выпрямленных напряжений и амплитуды переменного напряжения; 2) режим регулируемого инвертора синусоидального напряжения/тока; 3) режим преобразования частоты; 4) режим утроения числа фаз; 5) режимы конверторов; 6) режим уравнительного делителя постоянных напряжений. При этом во всех режимах, кроме 4-го, контактный ключ 44 замкнут, обеспечивая общее заземление внешних выводов.
7-8
I. Режим дифференциального выпрямителя с коррекцией коэффициента мощности и стабилизацией выпрямленных напряжений U и амплитуды напряжения на выводах 37-38
1-2
Симметрия силовой схемы устройства позволяет рассмотреть только один полупериод питающего напряжения: U>0.
7
8
1-2
На интервале времени с повышением напряжения (U=U>U) ток реактора 9 (I) сначала нарастает (этап dI/dt>0) по цепи: 3-16-20-9-25-13-3, а затем частично (или полностью) спадает (этап dI/dt<0) по цепи: 9-23-11-7-3-16-20-9.
7
8
1-2
шим
На интервале времени с понижением напряжения (U=U<U) в течение произвольного периода Т ток реактора 8 сначала нарастает (этап dI/dt>0) по цепи: 3-16-20-9-23-1-7-3, а затем частично (или полностью) спадает (этап dI/dt<0) по цепи: 9-25-13-8-14-26-9.
При очередном включении ключей 14 и 11 одновременно с подключением к реактору 9 заряжаемых конденсаторов фильтровой стойки 7-8 производится также поочередное их подключение через управляемые вентили 41 и 42 и фильтровый дроссель 40 к внешним выводам 37-38.
7
8
С помощью регулирования величины коэффициента заполнения импульса (γ) блоком управления 30 в зависимости от величин измеряемых сигналов в цепях 31,32 обратных связей и их отклонений от эталонных значений производятся: а) формирование синусоидальных фазных входных токов, синфазных и синхронных с соответствующими фазными напряжениями (для приближения коэффициента мощности к единице); б) стабилизация средневыпрямленных напряжений U и U и в) соответствующая стабилизация амплитуды переменного напряжения на выводах 37-38.
34-35
4-5-6
II. Режим регулируемого инвертора синусоидального напряжения/тока U с питанием от дифференциального накопителя (U)
34-35
Симметрия силовой схемы устройства позволяет рассмотреть только один полупериод питающего напряжения: U=U36≤0.
7
8
36
шим
На интервале времени с понижением напряжения (U=U>U) в течение произвольного периода Т ток реактора 9 (I) сначала нарастает этап (dI/dt>0) по цепи: 7-10-22-9-29-19-36-7, а затем частично (или полностью) спадает (этап dI/dt<0) по цепи: 9-23-19-36-12-24-9.
7
8
36
шим
На интервале с повышением напряжения (U=U<U) в течение произвольного периода Т ток реактора 9 (I) сначала нарастает этап (dI/dt>0) по цепи: 7-10-22-9-25-13-7, а затем частично (или полностью) спадает (этап dI/dt<0) по цепи: 9-25-13-7-10-22-9.
34-35
С помощью регулирования величины γ блоком управления 30 производятся: формирование синусоидальных фазных напряжений U и регулирование их частоты, амплитуды фазового сдвига в соответствии с эталонными сигналами и сигналами в цепях 31,32 обратных связей (например, по закону скалярного управления исполнительным электродвигателем переменного тока, обеспечивающего постоянство электромагнитного момента: U/f=const).
1-2
34-35
III. Режим преобразования частоты (f→f)
1-2
34-35
В этом режиме производится непосредственное преобразование (без промежуточного звена постоянного напряжения 7-8) питающего переменного напряжения U с нестабильными (в общем случае) частотой и амплитудой в переменное напряжение нагрузки U с регулируемыми частотой и амплитудой. При этом возможно чередование (по произвольным законам) различных соотношений полярностей и мгновенных значений указанных напряжений. Рассмотрим два наиболее характерных сочетания таких полярностей и соотношений мгновенных значений:
1-2
34-35
1-2
34-35
1) u(t)>0, U(t)<0, |u|>|u| - полярно-повторяющее понижение.
шим
На произвольном периоде Т ток реактора 9 сначала нарастает (этап dI/dt>0) по цепи: 3-16-20-9-29-19-36-3, а затем частично (или полностью) спадает (этап dI/dt<0) по цепи: 9-29-19-36-12-24-9.
1-2
34-35
1-2
34-35
2) u(t)>0, u(t)>0, |u|>|u| - полярно-инвертирующее повышение.
шим
34-35
1-2
На произвольном периоде Т ток реактора 9 сначала нарастает (этап dI/dt>0) по цепи: 3-16-20-9-25-13-3, а затем частично (или полностью) спадает (этап dI/dt<0) по цепи: 9-25-13-36-18-28-9. При этом для повышения напряжения в режиме непрерывного тока реактора выполняется условие: 0,5<γ<1, при котором |u|=|u|⋅γ/(1-γ).
IV. Режим утроения числа фаз
A-B
B-C
C-B
В этом режиме источник питания переменного однофазного напряжения подключают к выводам 1-2, а трехфазную нагрузку, соединенную «в треугольник» подключают к трем парам внешних выводов: 1-2 (U); 34-35 (U) и 35-1 (U), образующих систему «линейных» напряжений.
При этом ключ 44 - разомкнут.
1-2
Устройство в этом режиме работает так же, как и в режиме III, но в качестве фазосдвигающего преобразователя на 2π/3 синусоидального напряжения U при сохранении его частоты. В этом случае получаем на нагрузке систему трех линейных напряжений с симметричным взаимным сдвигом в 2π/3 рад (120 «электрических градусов»). В случае необходимости можно получить дополнительныйвывод с искусственным «нулем», подключив к выводам 1,2 и 35 дополнительный емкостный фильтр в виде трехконденсаторной «звезды».
V. Режимы конверторов
Режимы конверторов нетрудно реализовать, если подвести источник питания постоянного напряжения к любой из пар внешних выводов: 1-2, 4-6, 6-5, 4-6 или 34-35, а нагрузку (или нагрузки) постоянного напряжения - к другой из этих пар (или к другим парам).
шим
Из возможных двунаправленных (обратимых) конверторных преобразований большинство является частными случаями вышерассмотренных режимов. Осталось рассмотреть режим обратимого конвертора с взаимным питанием пар внешних выводов 4-6 и 6-5. В этом режиме устройство образует так называемый, двунаправленный (обратимый) «транспортер заряда», например, от 7 к 8. В течение произвольного периода Т ток реактора 9 сначала нарастает этап (dI/dt>0) по цепи: 7-10-22-9-25-13-7, а затем частично (или полностью) спадает (этап dI/dt<0) по цепи: 9-25-13-8-14-26-9. Аналогично «транспортируется» заряд от 8 к 7.
VI. Режим уравнительного делителя напряжения
Этот режим является частным случаем предыдущего (V), когда производится автоматическое выравнивание напряжений нагрузок на парах внешних выводов: 4-6 и 6-5 при питании любой из них или пары 4-5 от источника постоянного напряжения.
Во всех перечисленных режимах обеспечивается «мягкая» коммутация силовых ключей (без одновременных скачков токов и напряжений). При этом снабберный конденсатор 46 заряжается через демпферный дроссель 45 и реактор 9 при очередном выключении ключа 16, и затем полностью плавно разряжается по цепи: 46-48-9-21-17-16-46 при одновременном (хотя бы кратковременном) включении ключей 17, 16 и 48. Указанная «мягкая» коммутация снижает коммутационные тепловые потери и помехоизлучения, а также повышает надежность устройства и его удельную мощность.
Таким образом, по сравнению с прототипом в предлагаемом многофункциональном импульсном преобразователе обеспечивается основной технический результат: расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения одновременной стабилизации выпрямленных дифференциальных напряжений и амплитуды питающего напряжения, а также регулирования частоты и амплитуды переменного напряжения нагрузки с возможностью рекуперации мощности в источник и в накопитель, а также дополнительные результаты: повышение надежности, КПД и удельной мощности, а также снижение помехоизлучений устройства за счет обеспечения «мягкой» коммутации силовых ключей.