Импульсный преобразователь частоты со звеном постоянного напряжения

Полезная модель относится к электротехнике и к импульсной электронике и предназначена для использования в качестве вторичного источника электропитания для потребителей переменного тока (одно- и трехфазных) с регулируемыми частотой и амплитудой, в частности -мощных исполнительных электроприводов, от сети или аварийного генератора переменного тока с нестабильными параметрами и/или от резервной аккумуляторной (суперконденсаторной) батареи с широким диапазоном напряжения.
Известен импульсный преобразователь со звеном постоянного напряжения (аналог), содержащий первую и вторую группы внешних фазных выводов переменного тока, включая заземленные, для подключения источника электропитания с нестабильными параметрами и нагрузки с регулируемыми частотой и амплитудой и две группы дифференциальных выводов, включая заземленные среднепотенциальные, для подключения резервных накопителей электроэнергии, зашунтированные
двухконденсаторными фильтровыми стойками с разними уровнями напряжений, разделенными обратным трансформаторным импульсным конвертором с шунтирующими перемычками и подключенными к внешним выводам через соответствующие обратимые выпрямительно-инверторные преобразователи с корректорами коэффициента мощности, а также блок управления с цепями обратных связей и с импульсно-модуляторными 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. 107, Рис. 2.5.2, стр. 108, Рис. 2.5.3, стр. 110, Рис. 2.5.4 и стр. 112, Рис. 2.5.5). Его основными достоинствами являются обратимость преобразования электроэнергии, гальваническая развязка между источником и нагрузкой и исключение цепей для «сквозных сверхтоков» при несанкционированных включениях электронных ключей (из-за воздействия на цепи управления электромагнитных импульсов молний).
К недостаткам указанного известного устройства (аналога) относятся: низкие удельная мощность, КПД и надежность из-за многокаскадного преобразования и наличия трансформаторного узла с большими индуктивностями рассеивания, при большом коэффициенте трансформации.
Из известных устройств наиболее близким по технической сути к предлагаемому устройству является импульсный преобразователь частоты со звеном постоянного напряжения (прототип), содержащий первую и вторую трехфазные группы внешних фазных выводов переменного тока, включая заземленные, для подключения источника электропитания с нестабильными параметрами и нагрузки с регулируемыми частотой и амплитудой и дифференциальные внешние выводы постоянного тока, включая заземленный среднепотенциальный, для подключения резервного накопительного звена постоянного напряжения, зашунтированные фазными фильтровыми конденсаторами и двумя двухконденсаторными фильтровыми стойками, входной Виенна-выпрямитель с повышающим импульсным корректором коэффициента мощности на базе индуктивной группы входных балластных дросселей и заземляющих двунаправленных электронных ключей (двухключевых стоек с шунтирующими двухдиодными стойками), два двухсекционных трансреактора, соединенных друг с другом через две двухключевые электронные стойки, группы выходных фазных балластных дросселей с подключенными к ним парами двунаправленных электронных ключей и блок управления с цепями обратных связей по внешним токам и напряжениям и группами импульсно-модуляторных выводов (Патент на полезную модель №125426 Импульсный преобразователь частоты. Резников С.Б., Бочаров В.В., Харченко И.А., Ермилов Ю.В. Бюлл.№6 от 27.02.2013 г.).
К недостаткам указанного известного устройства (прототипа) относятся: узкие функциональные возможности из-за ограничения диапазона напряжений на дифференциальных плечах звена постоянного напряжения (выше амплитуды переменных фазных напряжений) и неспособности обратного преобразования электроэнергии, в частности - ее рекуперации из нагрузки в резервный накопитель звена постоянного напряжения и из него -в источник, а также питания дополнительной нагрузки переменного тока со стабилизированной амплитудой напряжения; низкие удельная мощность, КПД и надежность из-за неспособности сочетания энергоэкономичных режимов импульсной модуляции с понижением и повышением напряжений, а также из-за «жесткой» коммутации электронных ключей.
Основным техническим результатом предложения является расширение функциональных возможностей устройства за счет расширения диапазона напряжений звена постоянного напряжения и обеспечения обратимости преобразования электроэнергии, в частности - ее рекуперации из нагрузки в резервный накопитель и из последнего - в источник, а также питания дополнительной и вспомогательной нагрузок переменного тока со стабильными параметрами, в частности - со стабилизированной амплитудой при нестабильной частоте напряжения.
К дополнительным результатам относятся: повышение удельной мощности, КПД и надежности устройства за счет сочетания энергоэкономичных режимов импульсной модуляции с понижением и повышением напряжений, а также за счет обеспечения «мягкой» коммутации электронных ключей.
Указанные результаты обеспечиваются благодаря тому, что в устройстве, содержащем первую и вторую группы внешних фазных выводов переменного тока для подключения источника электропитания с нестабильными параметрами и основной нагрузки с регулируемыми частотой и амплитудой напряжения, внешние дифференциальные выводы постоянных напряжений для подключения резервного накопительного звена постоянного напряжения, фазные фильтровые конденсаторы и фильтровую стойку, дифференциальный входной выпрямитель с корректором коэффициента мощности, имеющий индуктивную группу с балластными дросселями, три двухдиодные стойки и две двухключевые стойки, а также выходной полумостовой импульсный инвертор, состоящий из трансреактора, двух пар электронных ключей и двух диодов, а кроме этого - блок управления с цепями обратных связей и с двумя группами импульсно-модуляторных выводов, во-первых, в него введены третья и четвертая группы внешних фазных выводов переменного тока, заземленные через третью и четвертую группы фильтровых конденсаторов, фильтровые дроссели, а также трехпозиционный переключатель, в импульсный инвертор введена дополнительная двухключевая стойка, а один из вентилей первой и второй двухвентильных стоек выполнен управляемым, во-вторых балластные дроссели входного выпрямителя выполнены с общим магнитопроводом, в-третьих, устройство выполнено в трехфазном варианте с общей фильтровой стойкой, и в - четвертых, в импульсном инверторе каждый из незаземленных ключей первой пары двухключевых стоек снабжен снабберным конденсатором и двумя диодами.
Экспериментальные исследования лабораторного макета и имитационно-компьютерное моделирование предлагаемого устройства подтвердили его работоспособность и целесообразность широкого промышленного использования.
На чертеже (Фиг. 1) приведены принципиальная силовая схема и каналы управления предлагаемого импульсного преобразователя частоты со звеном постоянного напряжения.
Устройство содержит: первую и вторую 1-2 и 3-4 внешних фазных выводов переменного тока, включая заземленные, для подключения источника электропитания с нестабильными параметрами и основной нагрузки с регулируемыми частотой и амплитудой напряжения, внешние дифференциальные выводы 5-6-7 постоянных напряжений, включая заземленный среднепотенциальный, для подключения резервного накопительного звена постоянного напряжения, первую и вторую группу фазных конденсаторов 8, 9 и двухконденсаторную фильтровую стойку 10-11, шунтирующие указанные внешние выводы, соответственно. Устройство содержит также дифференциальный входной выпрямитель 12 с импульсным корректором коэффициента мощности, имеющий в своем составе индуктивную группу 13 с первым и вторым балластными дросселями 14 и 15, первую, вторую и третью двухвентильные стойки 16-17, 18-19, 20-21, а также первую и вторую электронные двухключевые стойки 22-23 и 24-25. Устройство содержит также выходной полумостовой импульсный инвертор 26, состоящий из двухсекционного трансреактора 27-28, двух пар электронных двухключевых стоек 29-30, 31-32 и 33-34, 35-36 и двух диодов 37-38. Кроме этого устройство содержит блок управления 39 (Фиг. 2) с цепями 40, 41 обратных связей по внешним токам и напряжениям и с двумя группами 42 и 43 импульсно-модуляторных выводов. Помимо перечисленного, устройство содержит третью и четвертую группы 44 и 45 внешних фазных выводов переменного тока для подключения дополнительной нагрузки со стабильными параметрами и вспомогательной нагрузки со стабилизированной амплитудой напряжения, заземленных через третью и четвертую группы 46 и 47 фильтровых конденсаторов, группу фильтровых дросселей 48, а также трехпозиционный переключатель 49 с переключаемым и тремя и тремя позиционными выводами. Каждый из ключей 29 и 32 первой пары двухключевых стоек 29-30 и 31-32, подключенных к крайним выводам фильтровой стойки 10-11, снабжен снабберным конденсатором 52, 53 и зарядно-разрядной диодной стойкой 54, 55.
Средний узловой вывод указанной стойки через снабберный конденсатор подключен к первому силовому выводу ключа, через зарядный диод подключен ко второму силовому выводу ключа, а через разрядный диод - заземлен.
Входной выпрямитель 12 включен между первой группой 1-2 внешних фазных выводов и фильтровой стойки 10-11, а импульсный инвертор 26 - между фильтровой стойкой 10-11 и второй группой 3-4 внешних фазных выводов.
Первая электронная двухключевая стойка 22-23 входного выпрямителя 12 заземляет первые выводы балластных дросселей 14 и 15 и средние выводы двухвентильных стоек 16-17 и 18-19, а вторая стойка 24-25 своими крайними выводами подключена ко вторым выводам соответствующих балластных дросселей 14, 15, а своим средним выводом - к незаземленному внешнему выводу 1 первой их группы 1-2. Каждый из диодов 37 и 38 импульсного инвертора 26 своим первым выводом подключен к первому выводу соответствующей секции 27, 28 трансреактора, а своим вторым выводом -соответствующие крайнему выводу фильтровой стойки 10-11. Вторые выводы этих секций, заземлены через ключи двухключевой стойки 50-51. Каждая из секций 27-28 трансреактора зашунтирована соответствующей двухключевой стойкой 33-34 и 35 -36 второй их пары с общими средними выводами, подключенными к переключаемому выводу 49. Трехпозиционный переключатель 49 своими первыми и вторыми позиционными выводами подключен к незаземленным внешним фазным выводам 1и 3 первой и второй их группы 1-2 и 3-4, а своим третьим позиционным выводом - к незаземленному внешнему фазному выводы 44 третьей их группы.
Балластные дроссели 14 и 15 входного выпрямителя 12 выполнены с общим магнитопроводом. Первая, вторая, третья и четвертая группы 1-2, 3-4, 44-45 внешних фазных выводов, входной выпрямитель 12, импульсный инвертор 26, фильтровые конденсаторы и фильтровые дроссели выполнены в трехфазном варианте с общей фильтровой стойкой 10-11. Один из вентилей каждой из первой и второй двухвентильных стоек 16-17 и 18-19 выполнен управляемым - тиристорным и подключен своим управляющим выводом к соответствующему импульсно-модуляторному выводу первой их группу 42 блока управления 39. В качестве электронных ключей использованы ключевые транзисторы (биполярные или полевые) или двухоперационные (запираемые по управлению) тиристоры.
Импульсный преобразователь частоты со звеном постоянного напряжения работает следующим образом.
К первой группе 1-2 внешних фазных выводов подключают источник электропитания переменного тока с нестабильными параметрами частоты и амплитуды, например, магистральную сеть или автономный электромашинный генератор (в частности стартер-генератор).
Ко второй группе 3-4 внешних фазных выводов подключают нагрузку переменного тока с регулируемыми частотой и амплитудой, например, мощный исполнительный электропривод с режимом рекуперативного торможения с возвратом электроэнергии в накопитель, подключенный к дифференциальным внешним выводам 5-6-7. К дополнительной и вспомогательной группам 44 и 45 внешних фазных выводов подключают дополнительную нагрузку переменного тока со стабильными параметрами и со стабилизированной амплитудой напряжения, например, к группе 44 -нагрузки 115/200В, 400Гц, а к группе 45 - нагрузки некритичные к частоте напряжения: компьютер, управляющий комплекс или осветительное оборудование.
шим
имп
и
шим
и
На импульсно-модуляторных выводах 42 и 43 блока управления 39 формируются высокочастотные прямоугольные управляющие импульсы с постоянным периодом широтно-импульсной модуляции (Т) и с регулируемой по цепям 40, 41 обратных связей длительностью импульсов: t=γ⋅Т, где γ - относительная длительность (коэффициент заполнения) импульса.
Устройство способно работать (одновременно или раздельно) в следующих режимах:
5-6
6-7
0(45-2)
1) режим прямой зарядки накопительного звена постоянного напряжения (фильтровой стойки 10-11) от источника электропитания (от выводов 1-2), а также питание вспомогательной нагрузки переменного тока (через выводы 45-2) с одновременной стабилизацией выпрямленных напряжений (U=U) и амплитуды фазных напряжений (U) и коррекцией коэффициента мощности (ККМ);
2) режим питания нагрузки переменного тока (от выводов 3-4) с регулируемыми частотой и амплитудой от резервного накопителя, подключенного к выводам 5-6-7) и режим рекуперации электроэнергии из реактивной, в частности - электродвигательной нагрузки в резервный накопитель;
3) режим питания нагрузки переменного тока со стабильными параметрами частоты и амплитуды (через выводы 44-4) от накопительного звена постоянного напряжения (от фильтровой стойки 10-11).
4) Режим стартерного запуска силовой установки (от выводов 1-2 через стартер генератор) от накопительного звена.
Рассмотрим перечисленные режимы в указанной последовательности.
1-2
5-6
6-7
1-2
45-2
5-6
6-7
0(45-2)
1. Режим преобразования: U→U и U, а также U→U с одновременной стабилизацией U=U и U
1-2
1-2
5-6
6-7
Зеркально-осевая симметрия схемы устройства позволяет рассматривать только один полупериод переменного напряжения: U>0 с участием балластного дросселя 14 выпрямителя 12. При этом выпрямление напряжений: U→U и_U может быть: а) повышающим; б)понижающим; в) дозирующим (повышающе-понижающим в зависимости от величины параметра у).
шим
1-0
8
1а). Повышающее выпрямление. На произвольном периоде Тсначала ток дросселя 14 нарастает по цепи: 8-24-14-22-8, а затем частично (или полностью) спадает по цепи: 14-16-10-8-24-14, поддерживаемый за счет ЭДС самоиндукции дросселя. Условием непрерывности тока дросселя в квазистатическом процессе является: U=(l/(1-γ))⋅U.
шим
16). Понижающее выпрямление. На произвольном периоде Тсначала ток дросселя 14 нарастает по цепи: 8-24-14-16-10-8, а затем частично (или полностью) спадает по цепи: 14-16-10-20-14.
10
8
Условием непрерывности тока дросселя в квазистатическом процессе будет: U=γ⋅U.
шим
1-0
8
1в). Дозированное (повышающе-понижающее) выпрямление. Ток дросселя на произвольном периоде Т сначала нарастает по цепи: 8-24-14-22-8, а затем частично (или полностью) спадает по цепи: 14-16-10-20-14, условием непрерывности тока дросселя в квазистатическом процессе будет: U(1/(1-γ))-U.
Последний (дозирующий) процесс удобен по универсальности алгоритма управления, но проигрывает двум остальным по КПД из-за прерывистости входного и выходного токов даже при непрерывном токе дросселя.
5-6
6
7
0(45-2)
Питание вспомогательной нагрузки переменного тока (от выводов 45-2) производится через балластные дроссели 14 и 15, вентили 17 и 19 и фильтровой дроссель 48 на интервалах проводимостей диодов 16 и 18. При этом за счет периодического подключения выводов фильтровой стойки 10-11 ко входу дросселя 48 через проводящие диоды 16 и 18 и вентиля 17 и 19 одновременно со стабилизацией выпрямленных напряжений: U=U- производится стабилизация амплитуды переменного напряжения на выводах 45-2 (U) с помощью блока управления 39 с цепями 40 и 41 обратных связей по внешним напряжениям.
С помощью блока управления в режиме выпрямления формируются синусоидальные питающие фазные токи, синхронные и синфазные с фазными напряжениями, для приближения коэффициента потребляемой мощности к единице. Указанная коррекция коэффициента мощности позволяет обеспечить сохранение качества питающей электроэнергии, снизить тепловые потери в проводах и магнитопроводах узлов первичного источника электропитания и в системе распределения его энергии, а также уменьшить помехоизлучения в кабельной сети.
5-6-7
3-4
3-4
2. Режим преобразования: U↔U. Здесь также рассмотрим только полупериод переменного напряжения: U>0 с непрерывным током в секции 27 трансреактора. При этом переключатель 49 находится в среднем положении, показанном на чертеже.
шим
2а). Повышающее инвертирование. На произвольном периоде Тсначала ток секции 27 трансреактора нарастает по цепи: 10-29-27-50-10, а затем частично (или полностью) спадает по цепи: 27-34-49-9-10-29-27.
2б). Понижающее инвертирование. Ток секции 27 нарастает по цепи: 10-29-27-34-49-9-10, а спадает по цепи: 27-34-49-9-30-27.
2в). Дозированное (повышающе-понижающее) инвертирование. Ток секции 27 трансреактора нарастает по цепи: 10-29-27-50-10, а затем частично (или полностью) спадает по цепи: 27-34-49-9-30-27.
2г). Дозирующая рекуперация с выпрямлением. Ток секции 27 трансреактора сначала нарастает по цепи: 9-49-33-27-50-9, а затем частично (или полностью) спадает по цепи: 27-50-11-37-27.
5-6-7
4-4
3. Режим преобразования: U↔U. В этом режиме переключающий вывод (контакт) переключателя 49 находится в позиции, показанной на чертеже нижним пунктиром. При этом процессы аналогичны перечисленным в п. 2 (с учетом замены фильтрового конденсатора 9 на конденсатор 46 и замены алгоритма регулирования частоты и амплитуды переменного напряжения на алгоритм их стабилизации).
5-6-7
1-2
4. Режим преобразования: U↔U. (стартерный запуск силовой установки). В этом режиме переключающий вывод (контакт) переключателя 49 находится в позиции показанной на чертеже верхним пунктиром. При этом процессы аналогичны перечисленным в п. 2 (с учетом замены фильтрового конденсатора 9 на конденсатор 8 и исключения п. 2г.).
Перечисленные режимы могут быть дополнены пятым режимом - форсированной прямой зарядки накопительного звена постоянного напряжения (фильтровой стойки 10-11) от источника электропитания (от выводов 1-2).
1-2
5-6
6-7
5. Режим форсированной зарядки: U→U и U. В этом режиме переключающий вывод (контакт) переключателя 49 находится в позиции, показанной на чертеже верхним пунктиром. При этом одновременно осуществляются процессы, аналогичные в п. 1 и в п. 2г (с учетом замены конденсатора 9 на конденсатор 8).
«Мягкая» коммутация силовых ключей 29 и 32 осуществляется с помощью снабберных конденсаторов 52 и 53. Конденсатор 52 заряжается после выключения ключа 29 через зарядный диод стойки 54, а разрежается после выключения ключа по цепи: 52-29-27-50-54-52, передавая накопленную энергию трансреактору 27-28 для ее дальнейшего использования. Аналогичным образом функционирует снабберный конденсатор 53, исключая тепловое рассеяние накапливаемой энергии и обеспечивая процессы выключения ключей при нулевом напряжении. Включения ключей производится при нулевых токах, сдерживаемых индуктивностями секций трансреактора и монтажных проводов.
Таким образом, по сравнению с прототипом в предлагаемом устройстве обеспечивается основной технический результат: расширение функциональных возможностей за счет расширения диапазона напряжений звена постоянного напряжения и обеспечения обратимости преобразования электроэнергии, в частности - ее рекуперации из нагрузки в резервный накопитель и из последнего - в источник, а также питания дополнительной и вспомогательной нагрузок переменного тока: первое - со стабильными параметрами, в частности - со стабилизированной амплитудой при нестабильной частоте напряжения, второе - повышение удельной мощности, КПД и надежности за счет сочетания энергоэкономичных режимов импульсной модуляции с понижением и повышением напряжений и обеспечения «мягкой» высокочастотной коммутации электронных ключей.