ИМПУЛЬСНЫЙ ОДНОТАКТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Полезная модель относится к электротехнике и к импульсной силовой электронике и предназначена для использования в качестве регулятора переменного и постоянного тока в авиационно-бортовых системах электроснабжения.
Известен импульсный однотактный преобразователь (аналог), содержащий трансреактор с двумя первичными и вторичной обмотками, двунаправленного электронного ключа, состоящего из диодно-мостового выпрямителя, зашунтированного по выходу транзисторным ключом, и включенного между первыми разноименными выводами первичных обмоток трансреактора, вторые выводы которых подключены к входным выводам устройства. Вторичная обмотка трансреактора зашунтирована выходным фильтровым конденсатором и через высоковольтную обмотку трансформатора поджига подключена к выходным выводам устройства для подключения к газоразрядной ламповой нагрузке (С.Б. Резников, В.В. Бочаров, Г.А. Дубенский, Б.В. Кабелев, С.Ф. Коняхин, И.Н. Соловьев. Термостойкие электронные балласты наружного применения на базе однотактного двуполярного импульсного модулятора-циклоконвертора. ж. Практическая силовая электроника, с. 43-45, стр. 44, рис. 1).
К недостаткам указанного устройства (аналога) относятся узкие функциональные возможности, в частности - неспособность обеспечения режима широтно-импульсного регулирования сетевых переменного и постоянного напряжений, а также низкий коэффициент потребляемой из сети мощности из-за прерывистого входного тока, плохая (несинусоидальная) форма выходного напряжения из-за колебательных процессов в силовой цепи и высокий уровень помехоизлучений устройства из-за наличия цепей для «сквозных сверхтоков» разрядки снабберных конденсаторов на входной фильтровый конденсатор.
Наиболее близким по технической сути к предлагаемому устройству является импульсный однотактный преобразователь (прототип), содержащий трансреактор с двумя первичными и вторичной обмотками, снабберные конденсаторы, двунаправленный электронный ключ и блок управления с цепями обратных связей имеющих датчики входных и выходных токов и напряжений (Патент на полезную модель №106811. Преобразователь переменного тока. Резников С.Б., Бочаров В.В., Кабелев Б.В., Дубенский Г.А., Коняхин С.Ф., Савенкова Н.В., Бюл. №20 от 20.07.2011 г).
К недостаткам указанного известного импульсного однотактного преобразователя (прототипа) относятся все вышеперечисленные для аналога.
Основным техническим результатом предложения является расширение функциональных возможностей устройства, а именно - обеспечение режима широтно-импульсного регулирования сетевых переменного и постоянного напряжений.
Дополнительными техническими результатами предложения являются: коррекция коэффициента потребляемой мощности, улучшение формы выходного напряжения и снижение уровня помехоизлучений устройства.
Указанные технические результаты обеспечиваются БЛАГОДАРЯ тому, что в импульсный однотактный преобразователь, содержащий входные и выходные выводы для подключения источника питания и нагрузки переменного или постоянного тока, трансреактор с двумя первичными и вторичной обмотками, первый и второй снабберные конденсаторы, двунаправленный модуляторный электронный ключ и блок управления с цепями обратных связей, имеющими датчики входных и выходных токов и напряжений, и с первой группой импульсно-модуляторных выходных выводов, ВВЕДЕНЫ шесть управляемых вентилей, двухдиодная стойка с разнонаправленными диодами, двухконденсаторная выходная фильтровая стойка, шунтирующая выходные выводы устройства, и два балластных дросселя, а блок управления СНАБЖЕН первой и второй группами релейно-управляющих выходных выводов, подключенных к управляющим выводам указанных вентилей, и БЛАГОДАРЯ тому, что в него ВВЕДЕНЫ два шунтирующих электронных ключа, а блок управления СНАБЖЕН второй группой импульсно-модуляторных выходных выводов, подключенных к управляющим выводам этих ключей, а также БЛАГОДАРЯ тому, что балластные дроссели ВЫПОЛНЕНЫ с общим магнитопроводом.
Испытания лабораторного макета устройства и компьютерное моделирование подтвердили его работоспособность и целесообразность широкого промышленного использования.
На чертеже (Фиг.) представлены принципиальная силовая схема и цепи управления предлагаемого импульсного однотактного преобразователя.
Импульсный однотактный преобразователь содержит: входные и выходные выводы 1 -2 и 3-4-5 для подключения источника питания и нагрузки переменного или постоянного тока, трансреактор 6 с двумя первичными обмотками 7, 8 и двухсекционной вторичной обмоткой 9-10, имеющей общий для секций средний вывод, первый и второй снабберные конденсаторы 11, 12, двунаправленный модуляторный электронный ключ 13 и блок управления 14 с цепями 15, 16, 17 обратных связей, имеющими датчики 18, 19, 20 входных и выходных токов и напряжений, и с первой группой 21 импульсно-модуляторных выходных выводов. Устройство содержит также шесть управляемых вентилей 22, 23, 24, 25, 26, 27, двухдиодную стойку 28-29 с разнонаправленными диодами, двухконденсаторную выходную фильтровую стойку 30-31, шунтирующую выходные выводы устройства, и два балластных дросселя 32, 33, выполненных с общим магнитопроводом. Блок управления снабжен также первой и второй группами 34 и 35 релейно-управляющих выходных выводов. Устройство также содержит два шунтирующих электронных ключа 36, 37, а блок управления снабжен также второй группой 38 импульсно-модуляторных выходных выводов. Помимо этого устройство может содержать входной (сетевой) индуктивно-емкостный фильтр 39 низкой частоты с конденсатором 40, шунтирующим его выход.
Первая группа 21 импульсно-модуляторных выходных выводов блока управления 14 подключена к управляющим выводам двунаправленного модуляторного электронного ключа 13, включенного своими силовыми выводами между разноименными первыми выводами первичных обмоток 7 и 8 трансреактора 6. Каждая из указанных обмоток вместе с этим ключом зашунтирована соответствующим снабберным конденсатором 12 и 11, а первая из них (7) своим вторым выводом подключена к первому входному выводу 1 устройства. Первая группа 34 релейно-управляющих выходных выводов блока управления 14 подключена к управляющим выводам первого и второго вентилей 22, 23, соединенных между собой встречно-параллельно и включенных между вторым входным выводом 2 устройства и вторым выводом второй первичной обмотки 8 трансреактора 6. Вторая группа 35 релейно-управляющих выходных выводов блока управления 14 подключена к управляющим выводам остальных четырех вентилей 24, 25, 26, 27, из которых третий и четвертый вентили 24 и 25 включены каждый между соответствующими крайним выводом двухсекционной вторичной обмотки 9-10 трансреактора 6 и крайним выводом двухдиодной стойки 28-29, соединенных между собой своими средними выводами. Пятый и шестой управляемые вентили 26 и 27 включены каждый между соответствующим крайним выводом вторичной обмотки 9-10 трансреактора 6 и крайним выводом выходной фильтровой стойки 30-31, соединенной своим средним выводом со средним выводом двухдиодной стойки 28-29 и с заземленным среднепотенциальным выходным выводом 5 устройства, а своими крайними выводами через соответствующие балластные дроссели 32, 33 - с соответствующими крайними выводами двухдиодной стойки 28-29. Вторая группа 38 импульсно-модуляторных выходных выводов блока управления 14 подключена к управляющим выводам шунтирующих электронных ключей 36, 37, каждый из которых своими силовыми выводами включен между соответствующими крайними выводами вторичной обмотки 9-10 трансреактора 6 и двухдиодной стойки 28-29. Балластные дроссели 32 и 33, имеющие общий магнитопровод, включены согласно относительно направлений проводимости соответствующих диодов двухдиодной стойки 28-29, соединенных с этими дросселями.
В качестве двунаправленного электронного ключа 13 могут быть использованы диодно-мостовой выпрямитель, зашунтированный по выходу транзистором (как показано на чертеже) или другие известные двухключевые (двухтранзисторные) ключи переменного тока. Узел формирования выходных сигналов первой и второй групп 21 и 38 импульсно-модуляторных выходных выводов блока управления 14 может быть выполнен на базе широко выпускаемой промышленностью микросхемы «Корректор коэффициента мощности» и прилагаемых к ней датчиков тока и напряжения. В качестве датчика 20 входного и выходного напряжений может быть использована вспомогательно-измерительная обмотка трансреактора 6 (как показано на чертеже).
Импульсный однотактный преобразователь работает следующим образом.
ШИМ
Входные выводы 1-2 подключают к источнику электропитания переменного (или постоянного) напряжения, в частности - к авиационно-бортовой сети, а выходные выводы 3-4-5 - к нагрузке с переменным (или постоянным) входным напряжением. На первой и второй группах импульсно-модуляторных выходных выводов 21 и 38 формируются высокочастотные импульсы с постоянным периодом T и с широтно-импульсным регулированием с помощью обратных связей, а на первой и второй группах 34 и 35 релейно-управляющих выходных выводов - низкочастотные релейные сигналы, соответствующие полярностям напряжения источника питания, определяющим направления проводимостей вентильных пар: 22-23, 24-26 и 25-27.
Рассмотрим первый полупериод переменного питающего напряжения, когда потенциал входного вывода 2 положителен относительно заземленного входного вывода 1, и соответственно, потенциал выходного вывода 4 положителен относительно заземленного выходного вывода 5, который выше потенциала выходного вывода 3. В течение этого полупериода постоянно включены вентили 22, 24 и 26. При этом снабберные конденсаторы 11, 12, начиная с момента начала данного полупериода к произвольному моменту в пределах его первой четверти, заряжены по цепям: 40-22-11-7-40 и 40-22-8-12-40 до того же напряжения, что и фильтровый конденсатор 40, т.е. приблизительно до мгновенного значения сетевого напряжения.
И
И
ШИМ
И
При первом включении ключа 13 полное потокосцепление трансреактора 6 нарастает вместе с токами в цепях: 40-22-8-13-7-40, 11-8-13-11 и 12-13-7-12 в течение длительности импульса: t=γT, где γ - относительная длительность (коэффициент заполнения) импульса. При этом одновременно происходят накопление трансреактором 6 электромагнитной энергии и трансформирование э.д.с. в его вторичной обмотке 9-10. Под действием половины указанной э.д.с, возникающей в секции 9 этой обмотки, происходит зарядка верхнего конденсатора 30 двухконденсаторной выходной фильтровой стойки 30-31 током в цепи: 9-24-32-30-9.
П
П
ШИП
П
Затем включается шунтирующий ключ 36, а ключ 13 выключается, и полное потокосцепление трансреактора 6 приблизительно сохраняется вместе с током в закороченной цепи: 9-28-36-9 в течение длительности паузы: Δt=γT, где γ - относительная длительность паузы. При этом энергия индуктивностей рассеяния первичных обмоток 7 и 8 трансреактора 6 расходуется на дозарядку снабберных конденсаторов 11, 12 по цепям: 8-12-40-22-8 и 7-40-22-11-7, благодаря чему исключается коммутационное перенапряжение на запертом ключе 13.
ШИМ
ШИМ
И
П
И
П
ШИМ
ШИМ
Затем шунтирующий ключ 36 выключается, и полное потокосцепление трансреактора 6 частично плавно спадает вместе с током в цепи зарядки нижнего конденсатора 31 стойки 30-31: 9-31-26-9 в течение оставшегося от T промежутка времени: T-t-Δt=(1-γ-γ)T. Далее вышеуказанные процессы периодически качественно повторяются с постоянным периодом T. При этом снабберные конденсаторы 11,12 периодически возвращают в цепь трансреактора 6 дозу энергии дозарядки, полученную ими на предыдущем периоде Тшим-
На втором полупериоде переменного питающего напряжения постоянно включены вентили 23,25 и 27, широтно-импульсно модулируются ключи 13 и 37. Благодаря осевой (зеркальной) симметрии цепей, связанных со вторичной обмоткой 9-10 трансреактора 6, процессы, протекающие на втором полупериоде аналогичны рассмотренным выше и могут отдельно не рассматриваться.
Аналогичным образом устройство работает и при питании от источника постоянного напряжения любой полярности (т.е. в качестве конвертора или автономного инвертора).
П
И
В процессе рассмотренной работы устройства в качестве регулятора сетевого переменного напряжения в его блоке управления 14 производится раздельное регулирование двух параметров широтно-импульсной модуляции: γ и γ в зависимости от разностей между уровнями сигналов датчиков токов и напряжений (18, 19, 20) и эталонными уровнями. Благодаря указанному регулированию форма входного тока устройства повторяет форму питающего напряжения и совпадает с ним по временной фазе, что позволяет: приблизить значение коэффициента потребляемой мощности к единице и сохранить качество питающей электроэнергии, а также обеспечить высокое качество (синусоидальность формы и стабилизацию амплитуды) выходного напряжения в широком диапазоне его регулирования.
Кроме того, в предлагаемом устройстве отсутствуют цепи для «сквозных сверхтоков», возникающих в прототипе при разрядке одного конденсатора на другой при слабом токоограничении, благодаря чему снижается уровень помехоизлучений устройства.
Таким образом, по сравнению с прототипом в предлагаемом устройстве обеспечиваются как основной технический результат: расширение функциональных возможностей устройства, а именно - обеспечение режима широтно-импульсного регулирования сетевых переменного и постоянного напряжений, а также дополнительные технические результаты: коррекция коэффициента потребляемой мощности, сохранение качества питающей электроэнергии, улучшение формы выходного напряжения и понижение уровня помехоизлучений устройства.