ОБРАТИМЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ С ИНВЕРТОРНО-ТРАНСФОРМАТОРНЫМ ЗВЕНОМ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ

Полезная модель относится к электротехнике и силовой импульсной электронике и может быть использована при создании авиационно-бортовых систем электроснабжения перспективных самолетов (полностью электрифицированных).
Известны преобразователи постоянного, в частности - выпрямленного напряжения с инверторно-трансформаторным звеном высокой частоты (аналоги), содержащие входной обратимый инвертор-выпрямитель, высокой частоты, трансформатор с несколькими вторичными обмотками, выходные обратимые выпрямители-коммутаторы и схему управления (Многофазные автономные инверторы напряжения с улучшенными характеристиками / Тонкаль В.Е., Гречко Э.Н., Бухинский С.И., - Киев: Наук. думка, 1980. - 182 с, стр.130 - Рис.56, стр.137 - Рис 60, стр.145 - Рис.63).
К недостаткам известных обратимых преобразователей постоянного напряжения с инверторно-трансформаторным звеном высокой частоты относится их низкая надежность, а именно - нетермостойкость, частые отказы и малый срок службы из-за необходимости использования энергоемких фильтровых электролитических конденсаторов (имеющих малую термостойкость, частые отказы и малый срок службы) а также из-за низкого уровня аварийной живучести, объясняемого отсутствием резервной взаимосвязи каналов питания. Известен обратимый преобразователь постоянного напряжения с инверторно-трансформаторным звеном высокой частоты (прототип), содержащий входной обратимый инвертор-выпрямитель, трансформатор с тремя вторичными обмотками, три обратимых выпрямителя-коммутатора, входной электролитический конденсаторный фильтр, выходные фильтры и схему управления (см. там же, стр.126. Рис.51).
Недостатком известного обратимого преобразователя постоянного напряжения с инверторно-трансформаторным звеном высокой частоты (прототипа) является его низкая надежность, а именно - нетермостойкость, частые отказы и малый срок службы из-за вышеуказанных причин.
Наиболее близким по технической сути к предлагаемому устройству является последний из перечисленных обратимых преобразователей постоянного напряжения с инверторно-трансформаторным звеном высокой частоты (прототип). Техническим результатом предложения является повышение надежности устройства, а именно - термостойкости, безотказности и срока службы за счет исключения электролитических конденсаторов, а также аварийной живучести за счет резервной взаимосвязи каналов питания.
Указанный технический результат обеспечивается благодаря тому что в обратимый преобразователь постоянного напряжения с инверторно-трансформаторным звеном высокой частоты, содержащий входные выводы для подключения первичного источника постоянного тока, «n» пар выходных выводов для подключения нагрузок, обратимый инвертор-выпрямитель, трансформатор с одной первичной обмоткой и «n», вторичными обмотками «n» обратимых выпрямителей-коммутаторов, входной конденсаторный фильтр, «n» выходных фильтров, шунтирующих соответствующие пары выходных выводов устройства, и схему управления, подключенную своими основными выходными выводами к управляющим выводам инвертора-выпрямителя, соединенного своими входными выводами с выводами входного конденсаторного фильтра и с входными выводами устройства, а выходными - с выводами первичной обмотки трансформатора, и к управляющим выводам выпрямителей-коммутаторов, соединенных каждый своими входными выводами с выводами соответствующих вторичных обмоток трансформатора, а первым выходным выводом - с первым выходным выводом устройства соответствующей пары, ВВЕДЕНЫ «n» импульсных модуляторов, каждый из которых состоит из двух электронных ключей диода и дросселя, подключенного своим первым выводом к точке соединения второго выходного вывода соответствующего выпрямителя-коммутатора с первым выводом первого электронного ключа, подключенного вторым своим выводом к соответствующему второму выходному выводу устройства, а своим вторым выводом - к точке соединения противонаправленных диода и второго электронного ключа, крайние выводы которых шунтируют соответствующую пару выходных выводов устройства, а схема управления ВЫПОЛНЕНА с возможностью широтно-импульсной модуляции импульсных сигналов на своих дополнительно в нее ВВЕДЕННЫХ модулирующих выходных выводах, подключенных к управляющим выводам ключей импульсных модуляторов.
На Фиг. представлена структурно-принципиальная схема предлагаемого обратимого преобразователя постоянного напряжения с инверторно-трансформаторным звеном высокой частоты.
Обратимый преобразователь постоянного напряжения с инверторно-трансформаторным звеном повышенной частоты содержит: входные выводы 1-2 для подключения первичного источника постоянного тока, «n» пар выходных выводов 3-4, 5-6, 7-8 для подключения нагрузок, обратимый инвертор-выпрямитель 9, трансформатор 10 с одной первичной обмоткой 11 и «n» вторичными обмотками 12, 13, «n» обратимых выпрямителей-коммутаторов 14, 15, входной конденсаторный фильтр 16, «n» выходных фильтров 17, 18, 19, шунтирующих соответствующие пары выходных выводов устройства, и схему управления 20, а также «n» импульсных модуляторов 21, 22, 23, состоящих каждый из двух электронных ключей 24, 25, диода 26 и дросселя 27.
Схема управления 20 подключена своими основными выходными выводами к управляющим выводам инвертора-выпрямителя 9, соединенного своими входными выводами с выводами входного конденсаторного фильтра 16 и с входными выводами 1-2 устройства, а выходными - с выводами первичной обмотки 11 трансформатора 10, и к управляющим выводам выпрямителей-коммутаторов 14, 15. Последние соединены своими входными выводами с выводами соответствующих вторичных обмоток 12, 13 трансформатора 10, а первым выходным своим выводом - с первым выходным выводом 4, 6 и 8 устройства каждой из трех их пар 3-4, 5-6 и 7-8. Дроссель 27 каждого импульсного модулятора 21, 22, 23 подключен своим первым выводом к точке соединения второго входного вывода соответствующего выпрямителя-коммутатора 14, 15 с первым выводом первого электронного ключа 24, подключенного своим вторым выводом к соответствующему второму выходному выводу 4, 6, 8 устройства, а своим вторым выводом - к точке соединения противонаправленных диода 26 и второго ключа 25, крайние выводы которых шунтируют соответствующую пару выходных выводов 3-4, 5-6, 7-8 устройства. При этом дроссели 27 импульсных модуляторов могут быть выполнены магнитно-связанными и располагаться на общем магнитопроводе.
Схема управления 20 выполнена с возможностью широтно-импульсной модуляции импульсных сигналов на своих модулирующих выводах, подключенных к управляющим выводам ключей импульсных модуляторов 21, 22, 23.
В качестве вентилей выпрямителей-коммутаторов 14, 15 можно использовать высокочастотные тиристоры (в частности - однооперационные) или транзисторы, а в качестве ключей импульсных модуляторов 21, 22, 23 - транзисторы. Обратимый инвертор - выпрямитель 9 может быть собран по любой из известных схем на транзисторах или тиристорах, в том числе по схеме указанного прототипа. Конденсаторы входного фильтра 16, а также входных фильтров 17, 18, 19 могут быть не электролитическими, а пленочными с относительно небольшой энергоемкостью, т.к. основную функцию сглаживающих фильтров выполняют дроссели 27 импульсных модуляторов.
Обратимый преобразователь постоянного напряжения с инверторно-трансформторным звеном высокой частоты работает следующим образом.
К выходным выводам 1-2 устройства подключают первичный источник постоянного тока, например, выход выпрямителя сетевого напряжения. В последнем случае на входе обратимого инвертора-выпрямителя 9 будет низкочастотно пульсирующее знакопостоянное напряжение, частично сглаженное малоэнергоемким конденсаторным фильтром 16. При подаче от внутреннего генератора схемы управления 20 на управляющие выводы инвертора-выпрямителя 9 высокочастотных импульсов на каждой паре выводов всех вторичных обмоток 12, 13 трансформатора 10 появляется высокочастотное несущее напряжение, промодулированное по амплитуде пульсирующей низкочастотной огибающей в соответствии с формой выпрямленного сетевого напряжения.
Указанные высокочастотные напряжения после выпрямления в выпрямителях-коммутаторах 14, 15 поступают в виде знакопостоянных пульсирующих напряжений на входы импульсных модуляторов 21, 22, 23. Дроссель 27 каждого модулятора выполняет функцию сглаживающего индуктивного накопителя, способного накапливать электромагнитную энергию тока, нарастающего по цепи 14-27-25, сохранять эту энергию, определяемую током в замкнутой цепи 27-26-24-27 или 27-25-14-27, и дозировано передавать ее в нагрузку и в выходной фильтр по цепи тока 27-26-4-3(17)-14-27. Для этого схема управления 20 периодически сначала включает ключи 24 и 25, затем выключает ключ 25, а потом включает ключ 24. При этом благодаря широтно-импульсному регулированию с участием цепей обратных связей производится стабилизация тока дросселя 27 и напряжения на нагрузке (регулированием коэффициентов заполнения импульсов управления ключами 25 и 24, соответственно).
В рекуперативном режиме источником энергии является устройство, подключенное к любой из пар выходных выводов 3-4, 5-6, 7-8. К ним могут относиться электромагнитные элементы активно-индуктивной нагрузки, например, приводной электродвигатель в режиме рекуперативного торможения, а также резервные источники питания, например, аккумуляторная батарея. Приемником энергии в этом режиме является первичный источник электропитания, подключенный к входным выводам 1-2 устройства.
В указанном режиме импульсные модуляторы 21, 22, 23 вместе с обратимыми выпрямителями-коммутаторами 14, 15 выполняют функцию инвертора прямоугольного тока высокой частоты, питающего трансформатор 10 со стороны его вторичных обмоток 12, 13.
Для этого схема управления 20 периодически сначала одновременно включает ключи 24 и 25 импульсного модулятора, вызывая нарастание тока дросселя 27 по цепи 4-24-27-25-3 а затем одновременно выключает ключ 24 и включает (поочередно) один из вентилей инвертора-коммутатора (14, 15), подключенных ко вторичной обмотке (12, 13) трансформатора 10, вызывая частичное спадание тока дросселя по цепи 27-25-14-12-27.
Далее, переменная ЭДС, индуцируемая в первичной обмотке 11 трансформатора 10 и выпрямленная обратными диодами обратимого инвертора-выпрямителя 9, передает электромагнитную энергию, накопленную в дросселе 27, в первичный источник электропитания и во входной конденсаторный фильтр 16. Для сглаживания возможных низкочастотных пульсаций, возникающих со стороны выходных выводов устройства в рекуперативном режиме, можно использовать те же замкнутые цепи сохранения накопленной энергии дросселя: 27-26-24-27 и 27-25-14-27. Заметим, что в рекуперативном режиме можно через трансформатор 10 осуществлять взаимное питание одних выходных выводов устройства от других, т.е. обеспечить резервные цепи питания для повышения аварийной живучести. Таким образом, по сравнению с прототипом в предлагаемом обратимом преобразователе постоянного напряжения с инверторно-трансформаторным звеном высокой частоты обеспечивается технический результат: повышение надежности устройства, а именно - термостойкости, безотказности и срока службы за счет исключения энергоемких электролитических конденсаторов, а также аварийной живучести за счет резервной взаимосвязи каналов питания.