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 тока от низковольтной аккумуляторной и/или суперконденсаторной батареи с гальванической развязкой.
Известен трансформаторный импульсный преобразователь (аналог), содержащий две группы внешних выводов для подключения источника электропитания и нагрузки (в том числе - дифференциальных) постоянного тока, зашунтированные фильтровыми конденсаторами, двухобмоточный трансформаторный реактор (трансреактор), буферный (накопительный) конденсатор, силовые электронные ключи, с обратно-шунтирующими диодами, силовые блокирующие диоды, узел рекуперации энергии рассеяния трансреактора в виде диодно-ключевой стойки с балластным реактором, два ограничительных дросселя, снабберный конденсатор с зарядно-разрядной двухдиодной стойкой и блок управления с цепями обратных связей по внешним токам и напряжениям и с импульсно-модуляторными выводами (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, с. 65, рис. 1).
К недостаткам известного устройства (аналога) относятся: низкие КПД и удельная мощность из-за большой внутренней реактивной мощности, развиваемой узлом рекуперации энергии, и узкие функциональные возможности из-за неспособности питания нагрузки переменного тока.
Из известных устройств наиболее близким по технической сути к предлагаемому является трансформаторный импульсный преобразователь (прототип), содержащий две пары внешних выводов для подключения источника электропитания и нагрузки постоянного тока, фильтровые конденсаторы, буферные конденсаторы, два реактора со взаимно индуктивной связью (с общим магнитопроводом), двухобмоточный трансформатор, электронный ключ, шунтирующий диод и блок управления с цепями обратных связей и импульсно-модуляторным выводом (С. Кук, С. Ненахов. Новый DC/DC-преобразователь с нулевыми пульсациями и интегрированными магнитопроводами. Силовая электроника, №2, 2004 г., с. 62-64, с. 64, рис. 4).
К недостаткам известного устройства (прототипа) относятся: узкие функциональные возможности из-за однонаправленности преобразования электроэнергии и неспособности питания нагрузки переменного тока, низкие надежность, КПД и удельная мощность устройства и большие помехоизлучения из-за жесткой коммутации ключей (со скачками токов и напряжений) и из-за отсутствия рекуперации энергии реактивных элементов индуктивностей рассеяния.
Основным техническим результатом предложения является расширение функциональных возможностей устройства за счет двунаправленности преобразования электроэнергии, а также питания нагрузок переменного тока. К дополнительным техническим результатам относятся: повышение надежности, КПД и удельной мощности устройства и снижение помехоизлучений за счет обеспечения мягкой коммутации ключей и рекуперации энергии индуктивностей рассеяния электромагнитных элементов.
Указанные результаты обеспечиваются тем, что в трансформаторный импульсный преобразователь, содержащий две пары внешних выводов для подключения источника электропитания и нагрузки постоянного тока, первый фильтровой конденсатор, первый и второй буферные конденсаторы, первый и второй реакторы, трансформатор с двумя обмотками, первый электронный ключ, первый диод и блок управления с цепями, обратных связей и с первым импульсно-модуляторным выводом, во-первых, ВВЕДЕНЫ второй ключ, второй диод, второй фильтровой конденсатор и управляемые вентили, а блок управления СНАБЖЕН вторым импульсно-модуляторным выводом и основными релейно-сигнальными выводами, во-вторых, в него ВВЕДЕНЫ третья пара внешних выводов для подключения нагрузки переменного тока, третий фильтровой конденсатор и циклоконвертор с двунаправленными вентилями, трансформатор СНАБЖЕН третьей обмоткой, а блок управления СНАБЖЕН дополнительными релейно-сигнальными выводами, и в-третьих, каждый из его ключей СНАБЖЕН снабберным конденсатором, зарядно-разрядной диодно-ключевой стойкой и диодно-дроссельной стойкой, а блок управления СНАБЖЕН вспомогательными импульсно-модуляторными выводами.
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 трансформаторного импульсного преобразователя.
Трансформаторный импульсный преобразователь содержит две пары внешних выводов 1-2 и 3-4 для подключения источника электропитания и нагрузки постоянного тока, вторая из которых зашунтирована первым фильтровым конденсатором 5, первый и второй буферные конденсаторы 6-7, первый и второй реакторы 8 и 9 со взаимно индуктивной связью (с общим магнитопроводом), трансформатор 10 с первой и второй обмотками 11 и 12, первый электронный ключ 13 и первый шунтирующий диод 14. Устройство содержит также блок управления 15 с цепями 16, 17 обратных связей по внешним токам и напряжениям и с первым импульсно-модуляторным выводом 18. Кроме этого устройство содержит: второй электронный ключ 19, второй шунтирующий диод 20, второй фильтровой конденсатор 21, первый и второй силовые управляемые вентили 22 и 23. Блок управления снабжен вторым импульсно-модуляторным выводом 24 и основными релейно-сигнальными выводами 25. Помимо перечисленного устройство содержит: третью пару внешних выводов 26-27 для подключения нагрузки переменного тока, зашунтированные третьим фильтровым конденсатором 28, циклоконвертор, состоящий из управляемых двунаправленных вентилей 29, 30. Трансформатор снабжен третьей обмоткой 31. Блок управления снабжен дополнительными релейно-сигнальными выводами 32. Каждый из электронных ключей снабжен снабберным конденсатором 33 и 34, зарядно-разрядной диодно-вентильной стойкой 35-36 и 37-38 и силовым блокирующим диодом 39 и 40. Блок управления снабжен вспомогательными релейно-сигнальными выводами 41.
Первый электронный ключ 13 шунтирует своими силовыми выводами последовательно между собой соединенные первый буферный конденсатор 6 с первой обмоткой 11 трансформатора 10 и подключен ими через первый реактор 8 к первой паре внешних выводов 1-2 устройства, вторая пара выводов 3-4 которого подключена через второй реактор 9 к последовательно между собой соединенным второму буферному конденсатору 7 со второй обмоткой 12 трансформатора 10, зашунтированным первым шунтирующим диодом 14. Второй фильтровый конденсатор 21 шунтирует первую пару внешних выводов 1-2 устройства. Силовые выводы второго электронного ключа 19 включены параллельно первому диоду 14 и параллельно ветви со вторыми буферным конденсатором 7 и обмоткой 12 трансформатора 10. Каждый из силовых управляемых вентилей 22 и 23 шунтирует (через соответствующий силовой блокирующий диод 39-40) соответствующую пару реактора с буферным конденсатором: 8-6 и 9-7. Циклоконвертор 29-30 включен между третьей обмоткой 31 трансформатора 10 и третьей парой внешних выводов 26-27 устройства. Каждый из силовых блокирующих диодов 39-40 включен последовательно с соответствующим силовым управляемым вентилем 22 и 23. Каждая из зарядно-разрядных диодно-вентильных стоек 35-36 и 37-38 своим средним выводом подключена через снабберный конденсатор 33 и 34 к первому силовому выводу соответствующего ключа 13 и 19, своим крайним диодным выводом подключена ко второму силовому выводу того же ключа, а своим крайним вентильным выводом - к общим выводам соответствующих силовых управляемого вентиля и блокирующего диода, образующих однонаправленные стойки 22-39 и 23-40. Первый и второй реакторы 8 и 9 включены между собой электромагнитно-согласно относительно направлений проводимости подключенных к ним ключей (что отражено звездочками, обозначающими начала обмоток).
Блок управления 15 подключен: первым и вторым импульсно-модуляторными выводами 18 и 24 к управляющим выводам первого и второго электронных ключей 13 и 19, а основными, дополнительными и вспомогательными релейно-сигнальными выводами 25, 32 и 41 - к управляющим выводам силовых вентилей 22, 23, двунаправленных вентилей 29, 30 и вентилей 36, 38 зарядно-разрядных диодно-вентильных стоек соответственно. В качестве электронных ключей 13 и 19 использованы ключевые транзисторы, в качестве управляемых вентилей 22, 23 и 36, 38 - тиристоры, а в качестве двунаправленных вентилей 29, 30 - симисторы или пары встречно-параллельных тиристоров.
Трансформаторный импульсный преобразователь работает следующим образом.
Благодаря полной симметрии силовой схемы устройство способно одинаково преобразовывать постоянные напряжения в обоих направлениях, что позволяет рассмотреть только одно из них: от первой пары внешних выводов 1-2 ко второй паре внешних выводов 3-4.
Первую пару внешних выводов 1-2 устройства подключают к источнику постоянного (или пульсирующего знакопостоянного напряжения, в частности - выпрямленного сетевого), в соответствии с полярностью, показанной на чертеже. Вторую пару внешних выводов 3-4 устройства подключают к нагрузке знакопостоянного напряжения, например, к двигателю постоянного тока, имеющему режим рекуперативного торможения с возвратом энергии в источник питания и/или во второй фильтровой конденсатор 21.
При подключении происходит предварительная зарядка второго фильтрового конденсатора 21 и первого буферного конденсатора 6 (по цепи 21-8-6-11-21), а также частичная импульсная зарядка второго буферного конденсатора 7 через первый диод 14 благодаря ЭДС индукции, наводимой во вторичной обмотке 12 трансформатора 10 при нарастании зарядного тока в его первичной обмотке 11.
и
шим
шим
При синхронной подаче первого управляющего прямоугольного импульса с первого импульсно-модуляторного выходного вывода 18 и с первого релейно-управляющего выходного вывода 25 блока управления 15 происходит включение первого электронного ключа 13. Это приводит к нарастанию тока в дросселе 8 по цепи: 21-8-13-21 и к нарастанию тока в первичной обмотке 11 трансформатора 10, вызванного частичной разрядкой первого буферного конденсатора 6 по цепи: 6-13-11-6. Одновременно с этим наводимая ЭДС вторичной обмотки 12 трансформатора 1 складывается с напряжением второго буферного конденсатора 7 (с полярностью, показанной на Фиг.) и вызывает нарастание тока во втором дросселе 9 и в нагрузке по цепи: 12-5-9-7-12. Этот процесс продолжается в течение промежутка времени импульса t=γТ, где Т - период высокочастотной широтно-импульсной модуляции, γ - относительная длительность импульса (коэффициент заполнения импульса). Затем с помощью блока управления ключ 13 выключается.
шим
и
шим
26-27
На импульсно-модуляторных выводах 18 и 24 блока управления 15 формируются высокочастотные прямоугольные импульсы с постоянным периодом широтно-импульсной модуляции (Т) и с регулируемой длительностью импульсов: t=γТ, где γ - относительная длительность (коэффициент заполнения) импульсов, зависящий от величины разностей между сигналами в цепях обратных связей и эталонными сигналами (по известному принципу отрицательной обратной связи для замкнутых систем управления). На релейно-сигнальных выводах 25 блока управления 15 формируются высокочастотные кратковременные прямоугольные импульсы, синхронизированные своими фронтами со спадами импульсов на выводах 18 и 24 соответственно, а на выводах 41 - такие же импульсы, синхронизированные с фронтами импульсов на выводах 18 и 24. На выводах 32 блока управления 15 формируются низкочастотные кратковременные импульсы (или их низкочастотно чередующиеся пачки), синхронизированные с соответствующими полупериодами выходного переменного напряжения на внешних выводах 26-27 (U(t)).
шим
и
шим
и
шим
На протяжении каждого периода Т на первом этапе с длительностью t нарастают токи в цепях: 21-8-13-21 и 6-13-11-6, а также трансформируемый ток в цепи: 12-5-9-7-12. На втором этапе с длительностью: Т-t=(1-γ)Т токи сначала частично (или полностью) спадают в цепях: 8-6-39-22-8, 11-39-22-21-11 (за счет ЭДС самоиндукции индуктивности рассеяния обмотки 11), а также в цепях: 12-7-14-12 и 9-14-5-9 (за счет трансформаторной и самоиндукции ЭДС), а затем и по цепи: 8-6-11-21-8 (за счет ЭДС самоиндукции реактора 8).
26-27
Далее указанные процессы высокочастотно-периодически качественно повторяются, трансформируя в третьей обмотке 31 трансформатора 10 высокочастотное переменное напряжение (ЭДС). Это напряжение низкочастотно-реверсивно выпрямляется циклоконвертором 29-30, формируя (после демодуляции) на выводах третьего фильтрового конденсатора 28 выходное переменное напряжение: U, близкое по форме к синусоидальному.
В указанном режиме прямого преобразования электроэнергии обеспечивается мягкая коммутация электронного ключа 13 (без скачков тока и напряжения). При этом снабберный конденсатор 33 плавно заряжается после каждого выключения ключа 13 через диод 35, а затем полностью разряжается после очередного его включения по цепи: 33-36-22-8-13-33 через проводящие к этому моменту вентили 36 и 22, отдавая накопленную энергию реактору 8 для дальнейшего использования (без существенных тепловых потерь). Как и в прототипе, благодаря электромагнитной связи реакторов 8 и 9 и наводимых в них вольтдобавочных ЭДС обеспечивается снижение пульсаций внешних токов.
При обратном преобразовании электроэнергии (от выводов 3-4 к выводам 1-2) происходят процессы, аналогичные тем, что и в прямом направлении.
25-26
26-27
К вышесказанному можно добавить возможность относительно маломощного преобразования электроэнергии переменного напряжения (U) в энергию аккумуляторных или конденсаторных батарей, подключенных к выводам 1-2 и 3-4. Для этого, во избежание насыщения магнитопровода трансформатора, двунаправленные вентили 29-30 поочередно включаются в моменты, близкие к окончаниям спадов синусоидального напряжения: U(t), подводя к выводам третьей обмотки 31 трансформатора 10 знакопеременные низкочастотные относительно узкие треугольные импульсы. При этом на выводах первой и второй обмоток 11 и 12 трансформатора наводятся импульсы ЭДС той же формы, которые, выпрямляясь с помощью силовых блокирующих диодов 39, 40 и управляемых вентилей 22, 23, заряжают фильтровые конденсаторы 21 и 5.
Таким образом, по сравнению с прототипом в предлагаемом устройстве обеспечиваются основной технический результат: расширение функциональных возможностей за счет двунаправленности преобразования электроэнергии и питания нагрузки переменного тока, а также дополнительные технические результаты: повышение надежности, КПД и удельной мощности устройства и снижение помехоизлучений за счет обеспечения мягкой коммутации ключей и рекуперации энергии реактивных элементов и снабберных цепочек.