ДВУНАПРАВЛЕННЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬНО-ИНВЕРТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С КОРРЕКЦИЕЙ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ

Полезная модель относится к электротехнике и к импульсной силовой электронике и предназначена для использования в авиационно-бортовых системах электроснабжения, в частности - на полностью электрифицированных самолетах.
Известен двунаправленный выпрямительно-инверторный преобразователь с коррекцией коэффициента мощности (аналог), содержащий входные и выходные выводы для подключения источника питания и нагрузки переменного или постоянного тока, зашунтированные входными и выходным индуктивно-емкостным фильтрами, трехфазный управляемый мостовой электронный коммутатор, состоящий из трех параллельно-включенных двухплечевых стоек с двунаправленными электронными ключами в плечах, и блок управления с импульсно-модуляторными выходными выводами и цепями обратных связей, имеющими датчики входных и выходных электрических параметров (Зиновьев Г.С. Силовая электроника: учеб. пособие для бакалавров /Г.С. Зиновьев. - 5-е изд. испр. и доп. - М.: Издательство Юрайт. 2012. - 667 с. - Серия: Бакалавр. Углубленный курс, стр. 559, Рис. 13.4.36).
К недостаткам указанного устройства (аналога) относятся:
- узкие функциональные возможности, а именно - невозможность применения при заземленных выводах источника питания и нагрузки;
- наличие энергоемкого электролитического фильтрового конденсатора с низкими показателями надежности (термостойкости, безотказности и срока службы);
- низкое качество электроэнергии, в частности - низкий коэффициент мощности в цепи переменного тока из-за искажений его формы.
Наиболее близким по технической сути к предлагаемому устройству является двунаправленный выпрямительно-инверторный преобразователь с коррекцией коэффициента мощности (прототип), содержащий входные выводы для подключения источника питания переменного тока, выходные выводы для подключения нагрузки постоянного тока, зашунтированные выходным емкостным фильтром, трехфазный управляемый мостовой электронный коммутатор, состоящий из трех параллельно-включенных двухплечевых стоек с двунаправленными электронными ключами в плечах, двунаправленную двухключевую стойку, балластные дроссели и блок управления с импульсно-модуляторными выходными выводами и цепями обратных связей, имеющими датчики входных и выходных электрических параметров (см. там же, Рис. 13.4.3а).
К недостаткам известного двунаправленного выпрямительно-инверторного преобразователя с коррекцией коэффициента мощности (прототипа) относятся вышеперечисленные для аналога.
Основным техническим результатом предложения является расширение функциональных возможностей, а именно - обеспечение возможности применения при заземленных выводах источника питания и нагрузки.
Дополнительными техническими результатами предложения являются: исключение энергоемкого электролитического выходного фильтрового конденсатора с низкими показателями надежности (термостойкости, безотказности и срока службы), а также повышение качества электроэнергии, в частности - коэффициента мощности в цепи переменного тока за счет обеспечения синусоидальности его формы.
Указанные технические результаты ОБЕСПЕЧИВАЮТСЯ БЛАГОДАРЯ тому, что в двунаправленный выпрямительно-инверторный преобразователь, содержащий входные и выходные выводы для подключения источников питания и нагрузок переменного и постоянного тока, зашунтированные входным и выходным емкостными фильтрами, управляемый электронный мостовой коммутатор, состоящий из трех параллельно-включенных двухплечевых стоек, электронную двухключевую стойку и блок управления с импульсно-модуляторными выходными выводами и цепями обратных связей, имеющими датчики входных и выходных электрических параметров, ВВЕДЕНА двухдроссельная стойка с общим магнитопроводом и последовательно-согласно соединенными обмотками, двухплечевые стойки коммутатора и двухключевая стойка ВЫПОЛНЕНЫ однонаправленными, а выходной емкостный фильтр ВЫПОЛНЕН в виде двухконденсаторной стойки с заземленным средним выводом, подключенным к средним выводам двухдроссельной и двухключевой стоек и к первому входному выводу устройства
Экспериментальные исследования лабораторного макета и компьютерное моделирование предлагаемого устройства подтвердили его работоспособность и рациональность широкого промышленного использования.
На чертеже (Фиг.) представлены принципиальная силовая схема и цепи управления предлагаемого двунаправленного выпрямительно-инверторного преобразователя с коррекцией коэффициента мощности.
Двунаправленный выпрямительно-инверторный преобразователь с коррекцией коэффициента мощности, содержит: входные и выходные выводы 1-2 и 3-4-5 для подключения источников питания и нагрузок переменного и постоянного тока, зашунтированные входным и выходным емкостными фильтрами 6 и 7-8, управляемый электронный мостовой коммутатор, состоящий из трех однонаправленных параллельно-включенных двухплечевых стоек 10-11, 12-13, 14-15, однонаправленную электронную двухключевую стойку 16-17 и блок управления 18 с импульсно-модуляторными выходными выводами 19, 20, и цепями 21, 22 обратных связей, имеющими датчики 23, 24, 25 входных и выходных электрических параметров. Устройство содержит также двухдроссельную стойку 26-27 с общим магнитопроводом и последовательно-согласно включенными обмотками.
Указанные обмотки 26, 27 своими крайними разноименными выводами (началом и концом) подключены к крайним силовым выводам двухплечевых стоек коммутатора 9 и двухключевой стойки. Выходной емкостный фильтр 7-8 выполнен в виде двухконденсаторной стойки, подключенной своим заземленным средним выводом к средним выводам двухдроссельной (26-27) и двухключевой (16-17) стоек и к первому входному выводу 1 устройства, а своими крайними выводами - к разнополярным выходным выводам 3-4 и к средним выводам первой и второй двухплечевых стоек 10-11 и 12-13 мостового коммутатора 9, средний вывод третьей стойки 14-15 которого подключен ко второму входному выводу 2 устройства.
В качестве всех электронных ключей можно использовать IGBT-тиристоры со встроенными обратно-блокирующими последовательными диодами (RB-IGBT), а в качестве основного узла блока управления 18 - широко выпускаемую промышленностью микросхему «Корректор коэффициента мощности» с прилагаемыми к ней датчиками токов и напряжений.
Двунаправленный выпрямительно-инверторный преобразователь с коррекцией коэффициента мощности работает следующим образом.
ШИМ
К входным выводам 1-2 подключают источник питания переменного тока с заземленным нейтральным выводом (например, однофазный канал магистральной авиабортовой трехфазной сети переменного напряжения), а к выходным выводам 3-4-5 - нагрузку постоянного тока с заземленным среднепотенциальным (нулевым) выводом (например, авиабортовую вторичную систему распределения постоянного повышенного напряжения с резервной аккумуляторной или накопительно-емкостной батареей). Блок управления 18 формирует на своих импульсно-модуляторных выходных выводах 19, 20 высокочастотные прямоугольные импульсы с постоянным периодом широтно-импульсной модуляции T.
3-4
Сначала рассмотрим работу схемы в режиме прямого преобразования электроэнергии от выводов 1-2 к выводам 3-4-5 - в выпрямительном режиме. В исходном состоянии конденсаторы 7-8 заряжены до напряжения: 0,5U с полярностями, указанными на чертеже.
2-1
2-1
И
И
ШИМ
И
ШИМ
ШИМ
И
и
ШИМ
ШИМ
2-1
На первом полупериоде входного переменного напряжения U(U>0) при включении ключа 14 полное (суммарное) потокосцепление двухдроссельной стойки 26-27 нарастает вместе с током в цепи: 6-14-26-6 в течение длительности импульса: t=γT, где γ - относительная длительность (коэффициент заполнения) управляющих импульсов. При этом происходит накопление очередной дозы электромагнитной энергии двухдроссельной стойки 26-27. Затем включается ключ 10, а ключ 14 выключается, и указанное потокосцепление частично (или полностью) спадает вместе с током в цепи: 26-8-10-26, поддерживаемым за счет э.д.с. самоиндукции обмотки 26 в течение оставшегося от периода T времени: T-t=(1-γ)T, передавая дозу накопленной в стойке 26-27 энергии фильтровому конденсатору и нагрузке. Далее указанные процессы высокочастотно-периодически качественно повторяются с периодом T в течение рассматриваемого полупериода (U>0).
2-1
2-1
На втором полупериоде напряжения U(U<0) происходят аналогичные процессы периодического нарастания тока в цепи: 6-27-15-6 и его спадания в цепи: 27-13-7-27, т.е. дозированной зарядки конденсатора 7 и питания нагрузки.
ВХ
2-1
ВЫХ
3-5
5-4
Указанные цепи образуют так называемые полярно-инвертирующие (повышающе-понижающие) конверторные модуляторы с регулировочной характеристикой (при непрерывном потокосцеплении): , где U=|U|; U=U(U).
И
3-4
С помощью блока управления 18 в рассмотренном выпрямительном режиме путем регулирования параметра γ с отрицательной обратной связью по цепям 21, 22 обеспечиваются: синусоидальность формы входного переменного тока и его синфазность с входным переменным напряжением, т.е. приближение к единице коэффициента входной мощности, а также стабилизация на заданном (эталонном) уровне выходного (средневыпрямленного) напряжения U.
Далее рассмотрим работу схемы в режиме обратного преобразования электроэнергии от выводов 3-4-5 к выводам 1-2 - в инверторном режиме.
2-1
2-1
И
И
ШИМ
ШИМ
ШИМ
И
И
ШИМ
ШИМ
U2-1
На первом полупериоде напряжения U(U>0) при включении ключа 11 полное потокосцепление двухдроссельной стойки 26-27 нарастает вместе с током в цепи: 8-27-11-8 в течение длительности импульса: t=γT. При этом происходит накопление дозы электромагнитной энергии стойки 26-27. Затем включается ключ 15, а ключ 11 выключается, и потокосцепление частично (или полностью) спадает вместе с током в цепи: 27-15-6-27, поддерживаемым за счет э.д.с. самоиндукции обмотки 27 в течение оставшегося от периода T времени: T-t=(1-γ)T, заряжая конденсатор 6 и передавая во входную цепь дозу накопленной электромагнитной энергии двухдроссельной стойке 26-27. Далее указанные процессы высокочастотно-периодически качественно повторяются с постоянным периодом T в пределах рассматриваемого полупериода (>0).
2-1
2-1
На втором полупериоде напряжения U(U<0) происходят аналогичные процессы периодического нарастания тока в цепи: 7-12-26-7 и его спадания в цепи: 26-6-14-26, т.е. дозированной зарядки (перезарядки) конденсатора 6 и передачи (рекуперации) электроэнергии во входную цепь.
ВХ
3-5
5-4
ВЫХ
2-1
Указанные цепи также образуют так называемые полярно-инвертирующие (повышающе-понижающие) конверторные модуляторы с регулировочной характеристикой (при непрерывном потокосцеплении): , где в этом случае U=U(U); U=|U|.
И
2-1
2-1
С помощью блока управления 18 в данном инверторном режиме путем регулирования параметра γ с отрицательной обратной связью по цепям 21, 22 обеспечиваются: синусоидальность формы переменного тока в цепи входных выводов 1-2 и его противофазность с напряжением U т.е. приближение к единице коэффициента рекуперируемой мощности, а также стабилизация на заданном (эталонном) уровне амплитудного значения напряжения U.
2-1
Δ
ШИМ
Δ
Δ
2-1
Если в качестве емкостного выходного фильтра 7-8 вместо энергоемких электролитических конденсаторов с низкими показателями надежности используются существенно менее энергоемкие, но высоконадежные пленочные (или керамические) конденсаторы, то при значительных токах нагрузки при работе устройства в выпрямительном режиме выпрямленные напряжения на парах выходных выводов 3-5, 5-4 и 3-4 будут иметь относительно глубокие пульсации с удвоенной низкой частотой питающего напряжения U. Для снижения глубины указанных пульсаций (повышения качества выходной электроэнергии) на двухдроссельную стойку 26-27 возлагается дополнительная функция индуктивного накопителя энергии (сглаживающего фильтра). С этой целью в управляющий алгоритм (в последовательность интервалов нарастания и спада потокосцепления) вводится регулируемый промежуточный интервал приближенного сохранения накопленной электромагнитной энергии двухдроссельной стойки 26-27 с длительностью: Δt=γT, где γ - относительная длительность промежуточного интервала, на котором включен один из ключей двухключевой стойки 16-17, замыкающий накоротко цепь соответствующей обмотки. При этом регулирование параметра γ позволяет не только обеспечить непрерывность полного потокосцепления двухдроссельной стойки 26-27, но и уменьшить относительную глубину его пульсаций за счет выбора оптимального его среднего значения (за период напряжения U).
Следует также отметить, что благодаря однонаправленности (отсутствию реверса) указанного полного потокосцепления обеспечивается высокое быстродействие управления в переходных процессах, требующих многократных переключений направлений преобразования электроэнергии (чередований выпрямительных и инверторных режимов). Это позволяет дополнительно повысить качество электроэнергии во входных и выходных цепях. При использовании предложенного устройства с подключением трехфазного источника питания к нему необходимо добавить два аналогичных устройства, с совмещенными выходными выводами 3-4-5. При этом коррекция коэффициента мощности производится раздельно в цепях фазных токов, что дополнительно повышает качество электроэнергии в цепи переменного тока.
Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемое устройство обеспечивает основной технический результат: расширение функциональных возможностей, а именно - обеспечение возможности применения при заземленных выводах источника питания и нагрузки, а также дополнительные технические результаты: исключение энергоемкого электролитического выходного фильтрового конденсатора с низкими показателями надежности (термостойкости, безотказности и срока службы), а также повышение качества электроэнергии, в частности - коэффициента мощности в цепи переменного тока за счет обеспечения синусоидальности его формы.