Обратимый импульсный конвертор для авиабортовой системы электроснабжения

Полезная модель относится к электротехнике и к импульсной силовой электронике и предназначена для совместного двунаправленного электропитания авиабортовых магистральных электромашинных стартер-генераторов и аккумуляторной (химической или суперконденсаторной) батареи, в частности в системе электроснабжения полностью электрифицированного самолета.
Известен обратимый импульсный конвертор для авиабортовой системы электроснабжения (аналог), содержащий группы внешних выводов, включая заземленные, для подключения источника электропитания и потребителей электроэнергии постоянного тока, зашунтированные фильтровыми конденсаторами, двухобмоточный дроссель (трансреактор), элетронные модуляторы, состоящие из диодно-ключевых стоек, дополнительные диоды, управляемые электронные вентили и блок управления с цепями обратных связей, а также импульсно-модуляторными и релейно-сигнальными выводами, подключенными к управляющим выводам электронных ключей и вентилей (Патент на полезную модель №126230. Обратимый импульсный конвертор. Резников С.Б., Харченко И.А., бюл. №8 от 20.03.2013).
К недостаткам указанного устройства (аналога) относятся: низкие функциональная надежность и КПД из-за наличия цепи для «сквозных сверхтоков» при несанкционированном включении ключей (под воздействием на их драйверы электронного импульса молнии) и из-за «жесткой» коммутации ключей (при ненулевых токах и напряжениях), а также повышенные коммутационные помехоизлучения.
Из известных устройств наиболее близким по технической сути к предложенному является обратимый импульсный конвертор для авиабортовой системы электроснабжения (прототип), содержащий две пары внешних выводов, включая заземленные, для подключения источника элеткропитания и потребителя (в частности - накопителя) электроэнергии постоянного тока, зашунтированные фильтровыми конденсаторами, двухобмоточный трансреактор, два импульсных модулятора, состоящих каждый из четырех диодно-ключевых стоек, включенных по схеме четырехплечевого моста между выводами соответствующего фильтрового конденсатора и выводами трансреакторных обмоток, а также блок управления с цепями обратных связей и импульсно-модуляторными выводами (Резников С.Б., Бочаров В.В., Харченко И.А. Электромагнитная и электроэнергитическая совместимость систем электроснабжения и вторичных источников питания полностью электрифицированных самолетов / Под ред. С.Б. Резникова, - М.: Изд-во МАИ, 2014-160 с., стр. 51, рис. 2.2.1 г).
К недостаткам указанного устройства (прототипа) относятся: низкая функциональная надежность из-за большого числа (восьми) силовых электронных ключей и соответствующего числа каналов управления ими, а также низкий КПД и большие помехоизлучения устройства из-за «жесткой» коммутации ключей с существенным рассеиванием тепла и скачками токов и напряжений.
Основным техническим результатом предложения является: повышение функциональной надежности устройства за счет уменьшения (вдвое) числа силовых электронных ключей и цепей управления ими. К дополнительным результатам относится: повышение КПД и снижение помехоизлучений за счет «мягкой» коммутации ключей.
Указанные результаты обеспечиваются благодаря тому, что в устройство, содержащее первую и вторую пары внешних выводов для подключения источника электропитания и потребителя постоянного тока, фильтровые конденсаторы, трансреактор с первой и второй обмотками, первый и второй импульсные модуляторы, состоящие каждый из двух диодно-ключевых электронных стоек, а также блок управления с цепями обратных связей и двумя группами импульсно-модуляторных выводов, во-первых, в каждой модулятор введены по два дополнительных диода, включенных последовательно-разнонаправленно с соответствующими диодно-ключевыми стойками, образуя с ними четырехплечевые косые мосты, подключенные друг к другу своими первыми диагональными выводами через соответствующие обмотки трансреактора и к соответствующим парам внешних выводов своими вторыми диагональными выводами, во-вторых, каждый из модуляторных электронных ключей снабжен снабберным конденсатором, зарядно-разрядной двухдиодной стойкой и демпферным дросселем, и в-третьих, каждая из пар демпферных дросселей каждого модулятора выполнена с общим для них магнитопроводом.
На фиг. 1, фиг. 2 представлены принципиальная силовая схема и каналы управления предлагаемого обратимого импульсного конвертора для авиабортовой системы электроснабжения.
Обратимый импульсный конвертор для авиабортовой системы электроснабжения содержит: первую и вторую пары 1-2 и 3-4 внешних выводов, включая заземленные, для подключения источника электропитания и потребителя электроэнергии тока, зашунтрованные первым и вторым фильтровыми конденсаторами 5 и 6, трансреактор 7 с первой и второй обмотками 8 и 9, первый и второй импульсные модуляторы 10 и 11, состоящие каждый из двух диодно-ключевых стоек 12-13, 14-15 и 16-17, 18-19, а также блок управления 20 с цепями 21, 22 обратных связей по внешним токам и напряжениям и двумя группами 23 и 24 импульсно-модуляторных выводов. Каждый из модуляторов имеет также дополнительный диод 25, 26 и электронный управляемый вентиль 27, 28. Блок управления имеет также релейно-сигнальные выводы 29. Каждый из модуляторных ключей снабжен снабберным конденсатором с 30 по 33, зарядно-разрядной двухдиодной стойкой с 34-35 по 40-41 и демпферным дросселем с 42 по 45.
Диодно-ключевые стойки каждого из импульсных модуляторов 10 и 11 своими крайними диодными выводами подключены к соответствующим выводам соответствующего фильтрового конденсатора 5 и 6, а своими крайними выводами подключены к соответствующим выводам трансреакторных обмоток 8, 9. Каждый из управляемых вентилей 27 и 28 включен между соответствующим выводом соответствующего фильтрового конденсатора 5 и 6 и крайним ключевым выводом соответствующей диодно-ключевой стойки 14-15 и 18-19.
Каждый из демпферных дросселей с 42 по 45 включен последовательно с соответствующим ключом 13, 15, 17, 19, зашунтированным цепочкой из снабберного конденсатора с 30 по 33 и зарядного диода 34, 36, 38, 40, общие выводы которых подключены через разрядный диод 35, 37, 39, 41 к одному из выводов диодно-ключевой стойки 18-19, 16-17, 14-15, и 12-13, соответственно, другого модулятора.
Импульсно-модуляторные и релейно-сигнальные выводы 23, 24 и 29 блока управления 20 подключены к управляющим выводам модуляторных ключей и вентилей, соответственно.
В качестве модуляторных ключей использованы ключевые транзисторы или двухоперационные (запираемые по управлению) тиристоры, а в качестве управляемых электронных вентилей 27 и 28 - обычные (одкооперационные) тиристоры (или ключевые транзисторы).
Обратимый импульсный конвертор для авиабортовой системы электроснабжения (см. Фиг.) работает следующим образом.
К первой паре 1-2 внешних выводов подключают источник электропитания, например, аккумуляторную или суперконденсаторную батарею. Ко второй паре 3-4 внешних выводов подключают потребитель электроэнергии (нагрузку), например, магистральный электромашинный стартер-генератор, вал которого сочленен с валом бортовой силовой (тяговой или вспомогательной) установки.
Благодаря осевой (зеркальной) симметрии силовой схемы достаточно рассмотреть ее работу только при одном направлении преобразования электроэнергии, например, от выводов 1-2 к выводам 3-4, т.е. режим стартерного запуска силовой установки с первичным питанием от аккумуляторной (суперконденсаторной) батареи при произвольном изменяющимся соотношением напряжений на выводах 1-2 и 3-4.
шим
н
шим
1-2
На импульсно-модуляторных выводах 23 и 24 блока управления 20 формируются широтно-моделируемые высокочастотные прямоугольные импульсы с постоянным периодом (Т) и регулируемой длительностью импульсов: t=γТ, где γ - коэфициент заполнения (относительная длительность) импульса, а на релейно-сигнальных выводах 29 - низкочастотные прямоугольные импульсы (или пачки высокочастотных импульсов), соответствующие направлению преобразования. Рассмотрим поочередно режимы понижения и повышения напряжения источника элеткропитания (U).
1-2
3-4
1. Режим понижения напряжения (U>U)
шим
На каждом периоде (Т) полное потокосцепление (ϕ) трансреактора 7 сначала нарастает (этап: dϕ/dt>0) вместе с током в цепи : 5-12-13-42-9-28-6-5, а затем частично (или полностью) спадает (этап: dϕ/dt<0) вместе с током в цепи: 9-28-6-25-9.
3-4
1-2
2. Режим повышения напряжения (U>U)
шим
На каждом периоде (Т) полное потокосцепление трансреактора сначала нарастает вместе с током в цепи: 5-12-13-42-9-45-19-18-5, а затем частично (или полностью) спадает с током в цепи: 9-28-6-5-12-13-42-9.
В обоих рассмотренных режимах производится «мягкая» коммутация электронных ключей (13 и 19), т.е. включение при нулевом токе, а выключение при нулевом напряжении ключа. При этом снабберные конденсаторы (30 и 33) заряжаются при выключениях ключей по цепям: 12-30-34-42 и 45-40-33-18, и полностью разряжаются при включениях ключей по цепям: 30-13-42-9-45-19-18-35-30 и 33-41-13-42-9-45-19-33, передавая накопленную ими энергию в цепь трансреактора 7 для дальнейшего ее использования (без существенного теплового рассеяния).
Аналогичным образом производится обратное преобразование электроэнергии (от выводов 3-4 к выводам 1-2), т.е. зарядка аккумуляторной (или суперконденсаторной) батареи от электромашинного стартер-генератора в режиме генерирования.
Таким образом, по сравнению с прототипом в предлагаемом устройстве обеспечивается основной технический результат: повышение функциональной надежности за счет уменьшения (вдвое) числа силовых электронных ключей и цепей управления ими, а также дополнительные результаты: повышение КПД и снижение помехоизлучений за счет «мягкой» коммутации электронных ключей (т.е. за счет введения «нерассеивающих» демпферно-снабберных индуктивно-емкостных цепочек, реализующих включение ключей при нулевых токах в них и выключение ключей при нулевых напряжениях на них.