Многофункциональный импульсный преобразователь

Полезная модель относится к электротехнике и к импульсной электронике и предназначена для использования в качестве однофазного/трехфазного обратимого выпрямительно-инверторного преобразователя с коррекцией коэффициента мощности и со стабилизацией дифференциальных постоянных и переменного напряжений в автономных электроэнергетических комплексах, в частности-авибортовых, например, полностью электрифицированных самолетов.
Известен многофункциональный импульсный преобразователь (аналог), содержащий дифференциальные внешние выводы постоянных напряжений, включая заземленный среднепотенциальный, зашунтированные двухконденсаторной фильтровой стойкой, группу фазных внешних выводов переменного тока, включая заземленный нейтральный, зашунтированных группой фильтровых конденсаторов, а также в каждом фазном канале: обратимый выпрямительно-инверторный преобразователь с коррекцией коэффициента мощности, состоящий из первого накопительно-демодуляторного трансформаторного реактора (трансреактора), двунаправленного электронного ключа, первого мостового коммутатора с двумя электронными вентильно-ключевыми стойками, электронной двухключевой стойки с обратно-блокирующими диодами и двухвентильной стойки со снабберно-демпфирным конденсатором (с частотной перезарязкой), второй мостовой коммутатор дифференциального делителя напряжения, аналогичный первому, второй трансреактор делителя напряжения и кроме этого - блок управления с цепями обратных связей по внешним токам и напряжениям, с импульсно-модуляторными и релейно-сигнальными выводами для управления ключами и вентилями (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. 123, Рис. 2.6.4).
К недостаткам указанного известного устройства (аналога) относятся: низкие удельная мощность, КПД и надежность из-за большого числа преобразовательных каскадов, двух трансреакторов, сложного алгоритма управления и «жесткой» коммутации модуляторных ключей (со скачками токов и напряжений), вызывающей большие коммутационные тепловые потери и помехоизлучения, а также узкие функциональные возможности устройства из-за ограниченного диапазона соотношений величин переменного и дифференциальных постоянных напряжений и из-за неспособности стабилизации амплитуды переменного напряжения.
Из известных устройств наиболее близким по технической сути к предлагаемому является многофункциональный импульсный преобразователь (прототип), содержащий те же элементы, что и рассмотренный выше аналог, кроме второго мостового коммутатора и второго трансреактора (см. там же, стр. 120, Рис. 2.6.3).
Основным недостатком указанном известного устройства (прототипа) является: узкие функциональные возможности устройства из-за ограничения диапазона соотношений величин переменного и постоянных напряжений, а также из-за неспособности стабилизации амплитуды переменного напряжения и симметрирования дифференциально-плечевых напряжений. К дополнительным недостаткам прототипа относятся: низкие удельная мощность, КПД и надежность устройства из-за «жесткой» коммутации модуляторных ключей, повышающей коммутационные тепловые потери, перенапряжения и помехоизлучения.
Основной технический результат предложения: расширение функциональных возможностей устройства за счет расширения диапазона соотношений величин переменного и постоянного напряжений, а также обеспечения стабилизации амплитуды переменного напряжения и симметрирования дифференциально-плечевых напряжений. Дополнительными результатами являются: повышение удельной мощности, КПД и надежности за счет обеспечения «мягкой» коммутации ключей, снижающей коммутационные тепловые потери, перенапряжения и помехоизлучения.
Указанные результаты обеспечиваются благодаря тому, что в устройство, содержащее дифференциальные внешние выводы постоянных напряжений, фильтровую стойку, первую группу фазных внешних выводов переменных напряжений, первую группу фильтровых конденсаторов, а также в каждом фазном канале: двухобмоточной трансформаторный реактор, двунаправленный электронный ключ, первую и вторую диодно-ключевые стойки, первый и второй электронные ключи, первый и второй управляемые вентили, управляемую двухвентильную стойку и блок управления с цепями обратных связей, с основными импульсно-модуляторными и релейно-сигнальными выводами ВВЕДЕНЫ вторая группа фазных внешних выводов переменных напряжений, вторая группа фильтровых конденсаторов, группа фильтровых дросселей, а также в каждом фазном канале: полууправляемый диодно-ключевой мост и четырехдиодный мост, а блок управления СНАБЖЕН дополнительными импульсно-модуляторными выводами, а также благодаря тому, что ключи диодно-ключевых стоек, первый и второй электронные ключи СНАБЖЕНЫ нерассеивающими демпферно-снабберными цепочками, состоящими каждая из демпферного дросселя, снабберного конденсатора и зарядно-разрядной двухдиодной стойки.
Экспериментальные исследования лабораторного макетам имитационно-компьютерное моделирование предлагаемого устройства подтвердили его работоспособность и целесообразность широкого промышленного использования.
На чертеже (Фиг. ) представлены принципиальная силовая схема и каналы управления предлагаемого многофункционального импульсного преобразователя.
Многофункциональный импульсный преобразователь содержит: дифференциальные внешние выводы 1-2-3 постоянных напряжений, включая заземленный среднепотенциальный, для подключения накопительного источника-потребителя постоянного тока (например, химической и/или суперконденсаторной аккумуляторной батареи), зашунтированные двухконденсаторной фильтровой стойкой 4-5; первую группу фазных внешних выводов 6-7 переменных напряжений, включая заземленный нейтральный вывод, для подключения источника и/или потребителя переменного тока с нестабильной (в общем случае) амплитудой (например, электромашинного магнитоэлектрического стартер-генератора с вращающимися постоянными магнитами и нестабильной частотой вращения), зашунтированных первой группой фильтровых конденсаторов 8 (по числу фазных выводов), а также в каждом фазном канале: двухобмоточный трансформаторный реактор (трансреактор) 9-10; двунаправленный электронный ключ 11; первую и вторую диодно-ключевые электронные стойки 12-13 и 14-15 с заземленными первыми крайними диодными выводами, первый и второй электронные ключи 16 и 17, первый и второй электронные управляемы вентили 18 и 19 и управляемую двухвентильную стойку 20-21. Устройство также содержит блок управления 22 с цепями 23, 24, 25 обратных связей по внешним токам и напряжениям с основными импульсно-модульными выводами 26, 27, 28 и релейно-сигнальными выводами 29. Кроме перечисленного устройство содержит: вторую группу фазных внешних выводов 30-31 переменных напряжений, включая заземленный нейтральный вывод, для подключения нагрузок переменного тока, критичных к стабильности амплитуды напряжения (например, информационно-управляющее и светосигнальное оборудование), зашунтированные второй группой фильтровых конденсаторов (по числу фазных выводов), группу фильтровых дросселей 33, а также в каждом фазном канале: полууправляемый диодно-ключевой четырехплечевой мост 34, состоящий из параллельно включенных двухдиодной и двухключевой стоек, и четырехдиодный мост 35. Блок управления снабжен также дополнительными импульсно-модуляторными выводами 36. Ключи диодно-ключевых стоек, а также первый и второй электронные ключи снабжены нерассеивающими демпферно-снабберными цепочками 37, 38, 39, 40, состоящими каждая их демпферного дросселя 41, снабберного конденсатора 42 и зарядно-разрядной двухдиодной стойки 43-44.
Каждый из первого и второго электронных ключей 16 и 17 включен между соответствующим крайним выводом фильтровой стойки 4-5 и первым выводом соответствующей обмотки реактора 9-10. Каждый из первого и второго управляемых вентилей 18-19 включен между соответствующим крайним выводом фильтровой стойки 4-5 и первым выводом соответствующей обмотки реактора 9-10. Управляемая двухвентильная стойка 20-21 шунтирует своими крайними выводами первые выводы соответствующих обмоток реактора 9-10. Каждый их фильтровых дросселей их группы 33 включен между незаземленным внешним фазным выводом 30 второй их группы 30-31 и средним выводом двухвентильной стойки 20-21. Диодно-ключевой мост 34 крайними выводами своих двухдиодной и двухключевой стоек подключен к разноименным (началу и концу) вторым выводам обмоток реактора 9-10, средним выводом своей двухдиодной стойки - через двунаправленный ключ 11 - к незаземленному внешнему фазному выводу 6 первой их группы 6-7, а средним выводом своей двухключевой стойки - заземлен.
Четырехдиодный мост 35 подключен своими первыми диагональными выводами к крайним выводам фильтровой стойки 4-5, а своими вторыми диагональными выводами шунтирует выводы фильтрового дросселя 33.
В каждой из демпферно-снаберрных цепочек с 37 по 40 демпферных дроссель 41 включен последовательно с соответствующим ключом (13, 15, 16, 17), а зарядно-разрядная двухдиодная стойка 43-44 своим средним выводом подключена через снабберный конденсатор 42 к первому силовому выводу этого ключа (например, 15, 17, подключенного к обмотке 10 реактора), первым крайним выводом - ко второму силовому выводу этого ключа, а вторым крайним выводом - к первому силовому выводу другого из указанных ключей (например, 13), подключенного к выводу другой обмотки (9) реактора 9-10.
Блок управления 22 подключен своими основными и дополнительными импульсно-модуляторными выводами 26, 27, 28 и 36 к управляющим выводам ключей (11, 13-15, 16-17 и 34), а своими релейно-сигнальными выводами 29 - к управляющим выводам вентилей (с 18 по 21).
В качестве электронных ключей использованы ключевые транзисторы или двухоперационные (запираемые по управлению) тиристоры, а в качестве управляемых вентилей - обычные (однооперационные) тиристоры или ключевые транзисторы.
Обмотки 9 и 10 трансформаторного реактора (трансреактора) 9-10 электромагнитно связаны между собой общим магнитопроводом.
Многофункциональный импульсный преобразователь работает следующим образом.
К дифференциальным внешним выводам 1-2-3 подключают накопительный источник-потребитель постоянного тока, например, химическую и/или суперконденсаторную аккумуляторную батарею (двухсекционную - с заземленным средним выводом).
К первой группе фазных внешних выводов 6-7 подключают источник и/или потребитель переменного тока с нестабильной (в общем случае) амплитудой, например, трехфазный электромашинный стартер-генератор с постоянными магнитами, вращающимися с нестабильной частотой. Ко второй группе фазных внешних выводов 30-31 переменных напряжений подключают нагрузку переменного тока, критичную к стабильности амплитуды напряжения, например, информационно-управляющее и/или светосигнальное авиабортовое оборудование.
шим
и
и
шим
и
На основных и дополнительных импульсно-модуляторных выводах 26, 27, 28 и 36 блока управления 22 формируются высокочастотные прямоугольные широтно-модулируемые импульсы с постоянным периодом (Т) и управляемой по цепям обратных связей длительностью импульса: t=γ⋅Т, где γ - коэффициент заполнения (относительная длительность) импульса. На релейно-сигнальных выводах 29 блока управления формируются низкочастотные прямоугольные импульсы или пачки высокочастотных кратковременных импульсов.
шим
Устройство способно работать в одном из трех режимов, рассматриваемых ниже. Во всех режимах на каждом очередном периоде Т полное потокосцепление (Ψ) трансреактора 9-10 сначала нарастает (этап: dΨ/dt>0), а затем частично (или полностью) спадает (этап: dΨ/dt<0).
6-7
8
Благодаря осевой (зеркальной) симметрии схемы достаточно рассматривать процессы выпрямления и инвертирования только на одном полупериоде переменного напряжения на выводах 6-7: U=U>0 (с положительным потенциалом вывода 6 относительно земли).
0(32)
1. Режим выпрямления (U8→U4=U5) с коррекцией коэффициента мощности (ККМ) и стабилизацией амплитуды переменного напряжения (U-const
4
5
8
1a. Интервалы повышения напряжения (U=U>u(t)).
Сначала (на этапе dΨ/dt>0) ток нарастает в цепи: 8-11-диод 34-10-15-14-8, а затем (на этапе dΨ/dt<0) ток спадает (частично или полностью) в цепи: 10-18-4-8-11-диод 34-10, заряжая конденсатор 4 за счет ЭДС источника и ЭДС самоиндукции обмотки реактора.
4
5
8
1б. Интервал понижения напряжения (U=U<u).
Сначала (на этапе dΨ/dt>0) ток нарастает в цепи: 8-11-диод 34-10-18-4-8, заряжая конденсатор 4, а затем (этап: dΨ/dt<0) ток спадает (частично или полностью) в цепи: 10-18-4-ключ 34-10, дозаряжая конденсатор 4 за счет ЭДС самоиндукции обмотки 10 реактора, и/или в цепи: 10-15-14-5-19-9-диод 34-10, заряжая конденсатор 5 за счет ЭДС взаимоиндукции обмоток 9-10 и ЭДС самоиндукции обмоток 10 реактора.
и
8
В этом режиме с помощью управления параметром γ формируется синусоидальный ток i(t) в цепи выводов 6-7, синхронный и синфазный с напряжением u(t) для приближения коэффициента мощности к единице (ККМ).
0(32)
0
8
В рассмотренном режиме одновременно с выпрямлением и стабилизацией выпрямленных напряжений осуществляется также стабилизация амплитуды переменного напряжения на выводах 30-31 (U-const). Для этого блок управления синхронизирует включение пар управляемых вентилей: 18-21 и 19-20. При этом часть токов зарядки фильтровой стойки 4-5 через вентили 18 и 19 ответвляется в цепь фильтровых дросселя 33 и конденсатора 32 (с переменным направлением тока ответвления), вызывая после фильтрации переменное напряжение на выводах 30-31. При оказанном ответвлении потенциал среднего вывода двухвентильной стойки 20-21 поочередно приравнивается к потенциалам выводов 1 и 2, которые стабилизируются блоком управления по цепям обратных связей, чем и обеспечивается стабилизация амплитуды U для u(t).
4
5
8
2. Режим инвертирования (U=U→U)
4
5
8
2а. Интервалы понижения напряжения (U=U>u(t)).
Сначала (на этапе dΨ/dt>0) ток нарастает по цепи: 4-16-9-диод 34-11-8-4, заряжая конденсатор 8 за счет ЭДС источника, а затем (этап: dΨ/dt<0) ток спадает (частично или полностью) по цепи: 9-диод 34-11-8-12-13-9, дозаряжая конденсатор 8 за счет ЭДС самоиндукции обмотки 9 реактора.
4
5
8
2б. Интервалы повышения напряжения (U=U<u(t)).
Сначала (на этапе dΨ/dt>0) ток нарастает по цепи: 4-16-9-ключ 34-4, а затем спадает по цепи: 9-диод 34-11-8-4-16-9, заряжая конденсатор 8 за счет суммы ЭДС источника и ЭДС самоиндукции обмотки 9 реактора.
Благодаря использованию в обоих рассматриваемых режимах преобразований с понижением и с повышением напряжений существенно расширяется диапазон соотношений напряжений на внешних выводах 1-2-3 и 6-7.
4
5
3. Режим симметрирования дифференциально-плечевых напряжений (U=U).
4
5
шим
5
4
В этом режиме устройство выполняет функцию обратимого (двунаправленного) «транспортера заряда», сочленяющего выводы конденсаторов 4 и 5 фильтровой стойки 4-5. Пусть, например, напряжение на конденсаторе 4 превысило величину напряжения на конденсаторе 5 (U>U). В этом случае на очередном периоде Т сначала (этап dΨ/dt>0) ток нарастает в цепи: 4-16-9-ключ 34-4, разряжая конденсатор 4, а затем (этап dΨ/dt<0) ток спадает (частично или полностью) по цепи: 9-ключ 34-5-19-9, заряжая конденсатор 5 за счет ЭДС самоиндукции обмотки 9 реактора («транспортируя» заряд от 4 к 5). Аналогично осуществляется симметрирование в случае, если (U>U), т.е. схема работает как обратимый полярно-инвертирующий импульсный конвертор.
Во всех рассмотренных режимах с помощью нерассеивающих демпферно-снаберрных цепочек с 37 по 40 обеспечивается «мягкая» коммутация модуляторных ключей 13,15,16 и 17 (без скачков токов и напряжений ключей). Так например, при включении ключа 17 его ток плавно нарастает благодаря демпферному дросселю 41; при этом снабберный конденсатор 42 полностью разряжается по специально организованной для этого цепи через ключ 13 и разрядный диод 43: 42-43-13-9-диод 34-10-17-42, передавая накопленную ранее энергию реактору, и через него - в нагрузку. При выключении ключа 17 напряжение на нем плавно нарастает вместе с зарядкой конденсатора 42 через дроссель 41 и зарядный диод 44. Указанная «мягкая» коммутация снижает коммутационные тепловые потери, перенапряжения и помехоизлучения, что позволяет повысить удельную мощность, КПД и надежность устройства.
Таким образом, по сравнению с прототипом, предлагаемое устройство обеспечивает основной технический результат: расширение функциональных возможностей устройства за счет расширения диапазона соотношений величин переменных и постоянных напряжений, а также обеспечения стабилизации амплитуды переменного напряжения и симметрирования дифференциально-плечевых напряжений, и кроме того - дополнительные результаты: повышение удельной мощности, КПД и надежности за счет обеспечения «мягкой» коммутации ключей, снижающей коммутационные тепловые потери, перенапряжения и помехоизлучения.