ВЫПРЯМИТЕЛЬ С КОРРЕКТОРОМ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ ДЛЯ САМОЛЕТНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Полезная модель относится к электротехнике и к импульсной силовой электронике и предназначена для использования в авиационно-бортовых системах электроснабжения.
Известен выпрямитель с корректором коэффициента мощности (аналог-), содержащий входной дроссель, зашунтированный вместе с входными выводами электронным коммутатором, однофазный двухдиодный выпрямитель с выходной двухконденсаторной фильтровой стойкой с заземленным средним выводом, собранный по схеме удвоителя напряжения, и блок управления с модуляторным выходным выводом и цепью обратной связи с датчиком входного тока и датчиками входного и выходного напряжений, являющийся однофазный фрагмент известного трехфазного Виенна-выпрямителя (В. Климов, С. Климова, Ю. Карпиленко. Корректоры коэффициента мощности однофазных источников бесперебойного питания. Силовая электроника, №3, 2009 г., с. 40-42, с. 41, рис. 2а).
К недостатком указанного устройства (аналога) относятся: узкие функциональные возможности, а именно - невозможность раздельного регулирования потенциалов плюсового и минусового выходных выводов относительно заземленного среднего вывода, а также отсутствие дополнительного выходного канала со стабилизированным переменным напряжением в случае питания устройства нестабильным переменным напряжением.
Известен выпрямитель с корректором коэффициента мощности для самолетных систем электропитания (прототип), содержащий однофазный двухдиодный выпрямитель, два дросселя, зашунтированные каждый вместе с соответствующими диодами выпрямителя соответствующим ключом двухключевого электронного коммутатора переменного тока, два блокирующих диода и выходную двухконденсаторную фильтровую стойку, шунтирующую выходные выводы устройства, включая плюсовой, минусовой и средний заземленный, объединенный с входным выводом (см. там же, с. 41, рис. 4б). В нем, в отличие от аналога, обеспечивается возможность раздельного регулирования потенциалов плюсового и минусового выходных выводов относительно заземленного среднего вывода.
Недостатком известного выпрямителя с корректором коэффициента мощности (прототипа) являются: узкие функциональные возможности устройства, а именно - отсутствие дополнительного выходного канала со стабилизированным переменным напряжением в случае питания устройства нестабильным переменным напряжением, а также низкий коэффициент потребляемой мощности, высокий уровень создаваемых электромагнитных помех и искажений формы питающего напряжения из-за высокочастотных пульсаций и асимметрии разнополярных форм входного тока.
Основным техническим результатом предложения является расширение функциональных возможностей устройства, а именно - обеспечение его дополнительным выходным каналом со стабилизированным переменным напряжением.
Дополнительным техническим результатом является повышение коэффициента потребляемой мощности и снижение уровня создаваемых электромагнитных помех и искажений формы питающего напряжения за счет снижения высокочастотных пульсаций и исключения асимметрии разнополярных форм входного тока.
Указанные технические результаты обеспечиваются БЛАГОДАРЯ тому, что в выпрямитель с коррекцией коэффициента мощности для самолетных систем электропитания, содержащий входные выводы для подключения источника питания переменного тока, основные выходные выводы для подключения к нагрузке постоянного тока, зашунтированные двухконденсаторной фильтровой стойкой, электронный коммутатор переменного тока, выпрямительную двухдиодную стойку, два блокирующих диода, два дросселя и блок управления с основными цепями обратных связей, имеющих датчик входного тока, датчик входного напряжения и датчики выходных потенциалов, а также с основной группой модуляторных выходных выводов, ВВЕДЕНЫ дополнительные выходные выводы для подключения нагрузки переменного тока, зашунтированные выходным фильтровым конденсатором, управляемый двунаправленный вентиль, а блок управления СНАБЖЕН основной группой релейных выходных выводов, и БЛАГОДАРЯ тому, что в него ВВЕДЕНЫ трансреактор с двумя последовательно-согласно соединенными обмотками, первый и второй однонаправленные модуляторные ключи с последовательно-встречно подсоединенными управляемыми блокирующими вентилями, управляемая однонаправленная двухвентильная стойка и спаренный двухпозиционный переключатель, а блок управления СНАБЖЕН дополнительной группой модуляторных выходных выводов, дополнительной группой релейных выходных выводов, командным выходным выводом и дополнительными цепями обратных связей, имеющими датчики напряжения и тока в цепях дополнительных выходных выводов, причем первый переключающий контакт переключателя заземлен, а также БЛАГОДАРЯ тому, что дроссели выполнены с общим магнитопроводом и соединены между собой последовательно-встречно.
Экспериментальные исследования лабораторного макета и компьютерное моделирование предлагаемого устройства подтвердили его работоспособность и целесообразность широкого промышленного использования.
На чертеже (Фиг.) представлены принципиальная силовая схема с каналами управления предлагаемого выпрямителя с корректором коэффициента мощности.
Выпрямитель с корректором коэффициента мощности содержит: входные выводы 1-2 для подключения источника питания переменного тока, основные выходные выводы 3-4-5, включая плюсовой, минусовой и заземленный промежуточный, для подключения к нагрузке постоянного тока, зашунтированные двухконденсаторной фильтровой стойкой 6-7, электронный коммутатор переменного тока 8, 9, выпрямительную двухдиодную стойку 10-11, два блокирующих диода 12, 13, шунтирующие в обратном направлении левые выводы электронного коммутатора, два дросселя 14, 15 и блок управления 16 с основными цепями обратных связей 17, 18, имеющих датчик 19 входного тока, датчик 20 входного напряжения и датчики 21, 22 выходных потенциалов, а также с основной группой 23 модуляторных выходных выводов. Устройство содержит также: дополнительные выходные выводы 24-25 для подключения нагрузки переменного тока, зашунтированные выходным фильтровым конденсатором 26, управляемый двунаправленный вентиль 27-28, а блок управления снабжен также основной группой 29 релейных выходных выводов. Кроме этого устройство содержит: трансреактор с двумя последовательно-согласно соединенными обмотками 30-31, первый и второй однонаправленные модуляторные ключи 32, 33 с последовательно-встречно подсоединенными управляемыми блокирующими вентилями 34, 35, управляемую однонаправленную двухвентильную стойку 36-37 и спаренный двухпозиционный переключатель 38. Блок управления снабжен дополнительной группой 39 модуляторных выходных выводов, дополнительной группой 40 релейных выходных выводов, командным выходным выводом 41 и дополнительными цепями 42 обратных связей, имеющими датчики 43, 44 напряжения и тока, установленные в цепях дополнительных выходных выводов. Переключатель имеет первый и второй переключающие контакты 45 и 46, а также первый второй и третий общий неподвижные контакты 47, 48 и 49. Входные выводы зашунтированы входным фильтровым конденсатором 50.
Дроссели 14 и 15 выполнены с общим магнитопроводом и соединены между собой последовательно-встречно.
Электронный коммутатор 8-9 переменного тока своим первым силовым выводом заземлен. Двунаправленный вентиль 27-28 своим первым выводом подключен через дроссели 14-15 к незаземленному первому входному выводу 1 устройства, второй входной вывод 2 которого вместе с промежуточным основным выходным выводом 5 заземлен и через электронный коммутатор 8-9 подключен к общему выводу дросселей 14, 15 и к среднему выводу двухдиодной стойки 10-11, крайние разноименные выводы которой (катод и анод) подключены к плюсовому и минусовому основным выходным выводам 3-4. Свободный вывод первого дросселя 14 подключен к первому незаземленному входному выводу 1 устройства. Первый переключающий контакт 45 переключателя 38 заземлен, а второй 46 через управляемый двунаправленный вентиль 27-28 подключен к свободному выводу второго дросселя 15. Неподвижные первый и второй неподвижные контакты 47 и 48, соответствующие первой позиции первого переключающего контакта 45 и второй позиции второго переключающего контакта46, подключены к первому дополнительному выходному выводу 24 устройства и к среднему выводу двухвентильной стойки 36-37, а третий общий неподвижный контакт 49, соответствующий второй позиции первого переключающего контакта 45 и первой позиции второго переключающего контакта 46, подключен ко второму дополнительному выходному выводу 25 устройства и к общему выводу обмоток 30, 31 трансреактора, крайние разноименные выводы которых (начало и конец) непосредственно подключены к соответствующим разноименным крайним выводам (катоду и аноду) вентильной стойки 36-37 и через соответствующие модуляторные ключи 32, 33 - к крайним выводам фильтровой стойки 6-7 с заземленным средним выводом. Каждый модулирующий ключ 32, 33 вместе с двухвентильной стойкой 36-37 зашунтирован соответствующим блокирующим вентилем 34, 35.
Выпрямитель с корректором коэффициента мощности для самолетных систем электропитания работает следующим образом.
Назначениями основных узлов и элементов силовой схемы являются:
- 14-8, 9, 11, 12-10, 11-6, 7, 3, 4 - повышающий (бустерный) высокочастотный импульсный конвертор с реверсивным (знакопеременным) входным и знакопостоянным (выпрямленным) выходным напряжением (фрагмент однофазного Виенна-выпрямителя по схеме удвоителя напряжения с корректором коэффициента мощности), который формирует синусоидальную форму входного тока, совпадающую по временной фазе с питающим напряжением, и регулирует величину среднего значения выпрямленного напряжения на основных выходных выводах 3-4;
- 15-27, 28-38-26, 24, 25 - индуктивно-емкостный низкочастотный фильтр в цепи переменного прямоугольного импульсно-модулированного напряжения подаваемого с входных выводов однофазного диодного выпрямителя (10, 11-5) на дополнительные выходные выводы 24-25 для питания нагрузки переменного тока (в соответствии с расширением функциональных возможностей устройства - основным техническим результатом);
- 30, 31, 35, 36, 37 - инвертор синусоидального тока для улучшения формы переменного напряжения на дополнительных выходных выводах (24, 25) на базе двух высокочастотных импульсных конверторов с общим трансреактором: одновременно с этим он выполняет функцию активного делителя выпрямленного напряжения путем двунаправленного взаимообмена энергией конденсаторов 6 и 7;
- 38 - двухпозиционный спаренный переключатель для переключения указанных импульсных конверторов с режима понижения напряжения (первая позиция со сплошными подвижными контактами 45, 46 на чертеже) на универсальный (понижающее-повышающий) режим с дозированием энергии, в зависимости от требуемого диапазона соотношений между постоянными напряжениями на основных выходных выводах (3-4-5) и амплитудой переменного напряжения на дополнительных выходных выводах (24-25).
Работа первого из перечисленных узлов подробно рассмотрена в описании аналога и во многих литературных источниках.
Работа второго узла из перечисленных отличается от работы общеизвестных аналогичных низкочастотных Г-образных фильтров только поочередным включением каждого из тиристоров двунаправленного вентиля 27-28 в соответствии с полупериодом переменного питающего напряжения. Запираются тиристоры самопроизвольно при нулевом токе. Наличие указанных тиристоров предотвращает появление высокочастотных колебательных процессов в образуемых Z-C-цепях. Его работа не зависит от позиции переключателя 38, согласующего его работу с работой третьего из перечисленных узлов, который должен осуществлять синхронную подпитку (подзарядку) конденсатора 26.
Третий из перечисленных узлов работает в разных режимах по разному, в зависимости от позиции переключателя 38.
25
24
и
и
шим
и
шим
При первой позиции переключателя 38, обозначенной на чертеже сплошными линиями подвижных переключающих контактов 45, 46, импульсные конверторы, образуемые двумя группами элементов схемы: 6, 32, 30, 26, 47, 45 и 7, 45, 47, 26, 31, 33 работают в режиме понижения напряжения. В течение первого полупериода напряжения на выводах 24-25 при очередном включении ключа 32 ток в обмотке 30 трансреактора нарастает по цепи: 6-32-30-26-47-45-6, заряжая конденсатор 26 (V>V, где V - потенциалы дополнительных выходных выводов) в течение длительности импульса: t=γ·T,, где γ - коэффициент заполнения (относительная длительность) импульса, Т - постоянный период широтно-импульсной модуляции.
шим
шим
и
и
шим
25
24
6
25
24
После выключения ключа 32 с одновременным включением вентиля 36 ток в обмотке 30 частично спадает по цепи: 30-26-36-30 продолжая заряжать конденсатор 26 за счет э.д.с. самоиндукции обмотки в течение оставшегося от периода Т времени: Т-t=(1-γ)·T, - Далее указанные процессы периодически-высокочастотно качественно повторяются, пока выполняется соотношение потенциалов: V>V и условие понижения напряжения: U>V-V.
вых
24
25
7
24
25
На втором полупериоде переменного напряжения u на дополнительных выходных выводах 24, 25 (когда V>V) при аналогичном условии понижения напряжения: u>(V-V) аналогичным образом работает второй импульсный конвертор, образуемый группой элементов: 7, 45, 47, 26, 31, 33.
вых
26
вых
вх
вх
6
7
В рассмотренном режиме понижения напряжения при условии непрерывности полного потокосцепления трансреактора (т.е. токов в обмотках 30 и 31 на соответствующих полупериодах переменного выходного напряжения: u(t)=u(t)) среднеимпульсное значение выходного напряжения по абсолютной величине изменяется при регулировании параметра у в соответствии с известной для понижающих конверторов с непрерывным потокосцеплением регулировочной характеристикой: |u|=γ·u, где u≈u≈u - среднеимпульсные значения напряжений на конденсаторах 6, 7 фильтровой стойки.
25
24
и
и
шим
шим
шим
и
и
шим
6
25
24
вых
При второй позиции переключателя 38. обозначенной на чертеже пунктирными линиями подвижных переключающих контактов 45, 46, импульсные конверторы работают в универсальном (понижающее-повышающем) режиме с дозированием энергии, накопленной трансреактором. В течение первого полупериода напряжения на дополнительных выходных выводах 24-25 (V>V) при очередном включении ключа 32 ток в обмотке 30 трансреактора нарастает по цепи: 6-32-30-49-45-6, накапливая дозу электромагнитной энергии трансреактора в течение длительности импульса: t=γ·T. После выключения ключа 32 с одновременным (или запаздывающим) включением вентиля 36 ток в обмотке 30 частично спадает по цепи: 30-26-36-30, заряжая конденсатор 26 за счет э.д.с самоиндукции обмотки в течение оставшегося от периода T времени: T-t=(1-γ)·Т. Далее указанные процессы периодически-высокочастотно качественно повторяются на данном полупериоде вне зависимости от соотношения между величинами U и (V-V)=u.
вых
24
25
На втором полупериоде переменного напряжения u на дополнительных выходных выводах 24, 25 (когда V>V) аналогичным образом работает второй импульсный конвертор на базе ключа 33.
вых
26
вых
вх
В рассмотренном универсальном (понижающее-повышающем) режиме с дозированием энергии при условии непрерывности полного потокосцепления трансреактора (т.е. токов в обмотках 30 и 31 на соответствующих полупериодах переменного выходного напряжения: u(t)=u(t)) среднеимпульсное значение выходного напряжения по абсолютной величине изменяется при регулировании параметра γ в соответствии с известной для понижающее-повышающих («полярноинвертирующих») конверторов регулировочной характеристикой: |u|=(γ/(1-γ))·u.
1-2
Таким образом на интервале полного периода переменного выходного напряжения рассмотренная группа элементов: 30, 31, 32, 35, 36, 37 реализует функцию инвертора синусоидального тока, периодически подпитывающего выходной фильтровый конденсатор 26 для улучшения формы его переменного напряжения, совпадающего по частоте с частотой питающего напряжения устройства (u(t)), а по временной фазе - с фазой входного напряжения диодного выпрямителя (10-11).
3-5
5-6
Одновременно с указанной функцией рассмотренная группа элементов выполняет функцию активного делителя выпрямленного напряжения (на основных выходных выводах 3-4) в равном (половинном) или ином заданном соотношении U/U путем двунаправленного взаимообмена энергией конденсаторов 6 и 7.
Наиболее просто рассмотреть указанный взаимообмен во второй позиции переключателя 38, обозначенной на чертеже пунктирными линиями подвижных переключающих контактов 35, 46.
0
шим
При очередном выключении ключа 32 одновременно включается подсоединенный к нему и обмотке 30 катодом блокирующий вентиль 35, через который протекает ток зарядки конденсатора 7 по цепи: 30-49-45-7-35-30 в течение интервала запаздывания: Δt=Δγ·Т, а затем (с запаздыванием на At после выключения 32 подается сигнал на включение вентиля 36. При этом конденсаторы 7 и 26 имеют возможность подключения к обмотке 30 трансреактора в параллель через соответствующие вентили 35 и 36. Однако до тех пор, пока напряжения на конденсаторах 7 и 26 не сравняются, вентиль, соединенный с конденсатором, имеющим большее напряжение, будет заперт превышением (разностью) напряжений, и заряжаться от э.д.с. самоиндукции обмотки 30 будет конденсатор с меньшим напряжением. После сравнивания напряжений указанных конденсаторов они будут подключены к обмотке в параллель и будут заряжаться одновременно расщепленными токами, пропорциональными их электроемкостям. Аналогичный процесс происходит при выключении другого модулирующего ключа 33 в другом полупериоде.
3-4
3-5
5-4
Регулируя величину относительного запаздывания γ с помощью блока управления 16 производится двунаправленный взаимообмен энергией конденсаторов 6 и 7 для выполнения функции активного делителя выпрямленного напряжения U в равном (половинном) или ином заданном соотношении U/U. Следует отметить, что при использовании дополнительных выходных выводов 24, 25 для питания нагрузки 5-4 переменного тока это соотношение должно быть половинным для симметрии формы выходного напряжения.
3-5
6
5-4
7
Сумма указанных напряжений U=U и U=U, составляющая величину выпрямленного напряжения t/3.4 по своему среднему за период значению, регулируется и стабилизируется корректором коэффициента мощности, роль которого выполняет регулируемый коммутатор переменного тока 8-9, путем регулирования амплитуды переменного (синусоидального) входного тока (при одновременном регулировании временной фазы этого тока для приближения коэффициента мощности по основной гармонической составляющей к единице).
Снижение высокочастотных пульсаций и улучшение гармонического состава частотного спектра входного тока производится не только с помощью импульсного регулирования коммутатора 8-9, но и за счет введения взаимоиндуктивной связи между дросселями 14, 15, выполненными с общим магнитопроводом и включенными последовательно-встречно. Пульсации напряжения, возникающие на выводах второго дросселя 15 из-за коммутационных процессов, наводят в первом дросселе 14 э.д.с. взаимоиндукции с полярностями, компенсирующими пульсации падения напряжения на собственной индуктивности первого дросселя, снижая пульсации тока в нем.
Таким образом, по сравнению с прототипом в предлагаемом выпрямителе с корректором коэффициента мощности обеспечиваются основной технический результат: расширение функциональных возможностей устройства, а именно - обеспечение его дополнительным выходным каналом со стабилизированным переменным напряжением (с частотой питающего источника переменного тока), а также дополнительный технический результат: повышение коэффициента потребляемой мощности и снижение уровня создаваемых электромагнитных помех и искажений формы питающего напряжения в первичной (питающей) сети.