ОБРАТИМЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО И ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЙ

Предлагаемая полезная модель относится к электротехнике и к импульсной силовой электронике и предназначена для использования в авиационно-космических системах электроснабжения, в частности, в полностью электрифицированных самолетах.
Известны обратимые преобразователи переменного напряжений (аналоги), содержащие входные ограничительные дроссели с заземляющими двунаправленными электронными ключами, неуправляемый диодно-мостовой трехфазный выпрямитель с выходной двухконденсаторной фильтровой стойкой (так называемая схема Виенна - выпрямителя с повышающими импульсными модуляторами) и понижающим импульсным регулятором напряжения (Чаплыгин Е.Е., Во Минь Тьинь, Нгуен Хоанг Ан. Виенна - выпрямитель-трехфазный корректор коэффициента мощности//Силовая электроника (приложение к ж. «Компоненты и технологии»), 2006, №1, с. 20-23, а также Овчинников Д.А., Кастров М.Ю., Лукин А.В., Малышков Г.М. Трехфазный выпрямитель с корректором коэффициента мощности // Практическая силовая электроника, 2002, №6, с. 5-15.)
К недостаткам указанных устройств (аналогов) относятся необходимость их дополнения вспомогательным инвертором синусоидального тока для обеспечения двунаправленности преобразования энергии, например, возможности рекуперации энергии из нагрузки в питающую сеть (при рекуперативном торможении электроприводных двигателей), а также низкие К.П.Д. и надежность из-за двухкаскадного последовательного преобразования энергии.
Известен обратимый преобразователь переменного и постоянного напряжений на базе обратимого (двунаправленного) корректора коэффициента мощности с непосредственной (однокаскадной) связью (аналог), содержащий управляемый обратимый мостовой импульсный преобразователь с предвключенными балластными дросселями использующий парные секции обмотки возбуждения нагрузочного электродвигателя, управляемый однофазный мостовой выпрямитель - реверсор и блок управления (Резников С.Б., Бочаров В.В., Корнилов А.Б., Электромагнитная совместимость коллекторного электропривода с трехфазной сетью переменного тока, электронный ж. «Инженерное образование», №08, август 2012 DOI:10.7463/0812.0450268).
Его недостатком является узкая функциональная возможность (обязательное использование в качестве нагрузки электродвигателя с электромагнитным возбуждением).
Наиболее близким по технической сути к предлагаемому устройству (протитипом) является обратимый преобразователь переменного и постоянного напряжений, содержащий трехфазный корректор коэффициента мощности по схеме Виенна-выпрямителя, последовательный понижающе-повышающий обратимый импульсный регулятор, цепи рекуперации энергии через мостовой трехфазный инвертор тока с промежуточным индуктивным накопителем и два мостовых реверсора (см. там же, рис. 1).
К недостаткам известного преобразователя переменного и постоянного напряжений (прототипа) относятся низкие К.П.Д. и надежность устройства из-за двухкаскадного последовательного преобразования электроэнергии с неизменным режимом модуляции и коммутационных перенапряжений на транзисторных ключах из-за ЭДС самоиндукции в индуктивностях предвключенных проводов и элементов монтажа.
Техническим результатом предложения является повышение К.П.Д. и надежности устройства за счет рационального чередования режимов модуляции в зависимости от соотношения входных и выходных напряжений и защиты силовых транзисторов от коммутационных перенапряжений без теплового рассеяния энергии.
Указанный технический результат обеспечивается БЛАГОДАРЯ тому, что в обратимый преобразователь переменного и постоянного напряжений, содержащий входные и выходные выводы, включая общий заземленный нейтрально-нулевой вывод для подключения источника переменного тока и нагрузки постоянного тока, два балластных дросселя, входной фильтровый конденсатор и выходную двухконденсаторную фильтровую стойку с заземленным средним выводом, мостовой коммутатор с двумя параллельно соединенными однонаправленными двухключевыми стойками, однонаправленную двухключевую электронную стойку и блок управления с цепями обратных связей по входным и выходным токам и напряжениям и основной группой импульсно-модулирующих и релейных выходных выводов, подключенных к управляющим выводам электронной стойки и мостового коммутатора, подключенного своими первыми диагональными выводами к крайним выводам фильтровой стойки и к разнополярным выходным выводам устройства, ВВЕДЕНЫ четыре однонаправленные электронные диодно-ключевые стойки, образующие однофазный управляемый выпрямительный мост, а в блок управления ВВЕДЕНА дополнительная группа импульсно-модулирующих выходных выводов, подключенных к управляющим выводам диодно-ключевых стоек выпрямительного моста, который своими входными выводами переменного тока подключен к входным выводам устройства, а своими выходными выводами постоянного тока подключен через соответствующие балластные дроссели ко вторым диагональным выводам мостового коммутатора, заземленным через соответствующие ключи электронной стойки, а также БЛАГОДАРЯ тому, что в его выпрямительный мост и в мостовой коммутатор ВВЕДЕНЫ по два снабберных конденсатора, каждый из которых включен между средними выводами пары смежных взаимно-противонаправленных диодно-ключевых стоек, соединенных между собой крайними диодным и ключевым выводами, соответственно, а дроссели выполнены с общим магнитопроводом и подключены к двухключевой электронной стойке разноименными выводами.
Лабораторные исследования макета устройства и его компьютерное моделирование подтвердили его работоспособность и целесообразность широкого промышленного использования.
На чертеже (Фиг.) представлены принципиальная силовая схема предлагаемого обратимого преобразователя переменного и постоянного напряжений, а также внешние цепи его блока управления.
Предлагаемый обратимый преобразователь переменного и постоянного напряжений содержит: входные и выходные выводы 1, 2 и 3, 4, включая общий заземленный нейтрально-нулевой вывод 1 для подключения источника питания переменного тока и нагрузки постоянного тока, два балластных дросселя 5, 6, входной фильтровый конденсатор 7, двухконденсаторную фильтровую стойку 8-9 с заземленным средним выводом, мостовой коммутатор с двумя параллельно соединенными однонаправленными двухключевыми стойками 10-11 и 12-13, выполненными на транзисторах, однонаправленную двухключевую электронную стойку 14-15 и блок управления 16. Блок управления содержит цепи 17 и 18 обратных связей по входным и выходным токам и напряжениям и основную группу 19 импульсно-модулирующих и релейных выходных выводов. Устройство содержит также четыре однонаправленные электронные диодно-ключевые стойки 20-21 и 22-23, образующие однофазный управляемый выпрямительный мост. Блок управления имеет также дополнительную группу 24 импульсно-модулирующих выходных выводов. Устройство содержит также четыре снабберных конденсатора 25, 26, 27 и 28. Балластные дроссели выполнены с общим магнитопроводом. Мостовой коммутатор 10, 11, 12, 13 подключен своими первыми диагональными выводами к крайним выводам фильтровой стойки 8-9 и к разнополярным выходным выводам 3, 4 устройства. Управляемый выпрямительный мост 20, 21, 22, 23 своими входными выводами переменного тока подключен к входным выводам 1, 2 устройства, а своими выходными выводами постоянного тока подключен через соответствующие первый и второй балластные дроссели 5 и 6 ко вторым диагональным выводам мостового коммутатора, заземленным через соответствующие ключи 14 и 15 электронной стойки. Каждый из снабберных конденсаторов 25, 26, 27, 28 включен между средними выводами пар смежных диодно-ключевых электронных стоек 20-22, 21-23 управляемого выпрямительного моста и мостового коммутатора, соответственно.
Основная группа 19 импульсно-модулирующих и релейных выходных выводов блока управления 16 подключена к управляющим выводам двухключевой электронной стойки 14-15 и мостового коммутатора 10, 11, 12, 13, а дополнительная группа 24 импульсно-модулирующих выходных выводов - к управляющим выводам управляемого выпрямительного моста 20, 21, 22, 23. При этом имеется возможность формирования на дополнительной группе 24 выходных выводов блока управления 16 также импульсно-модулирующих высокочастотных сигналов, регулируемых цепями 17 обратных связей по входным токам и напряжениям.
Обратимый преобразователь переменного и постоянного напряжений работает следующим образом.
Входные выводы 1, 2 устройства подключают к источнику питания переменного тока, а выходные выводы 3, 4 и 1 - к нагрузке постоянного тока с промежуточным заземленным нулевым выводом.
На основных и дополнительных группах 19 и 24 выходных выводов блока управления 16 формируются высокочастотные широтно-импульсно модулируемые импульсные сигналы, управляемые с помощью цепей 17 и 18 обратных связей по входным и выходным токам и напряжениям.
2-1
Устройство может осуществлять прямое и обратное (рекуперативное) преобразование электроэнергии, причем на этапах «положительного» и «отрицательного» полупериодов переменного напряжения питающего источника U. При этом на каждом полупериоде прямого и обратного преобразований необходимо выделять три чередующихся режима работы в зависимости от соотношений между абсолютными величинами мгновенных значений входного и выходного напряжений:
Режим «повышения» напряжения;
Режим «понижения» напряжения;
Режим «накопления, сохранения и дозирования энергии».
В каждом из указанных режимов могут существовать три временных интервала: нарастания тока (потокосцепления) дросселя; приближенного сохранения тока (потокосцепления) и частичного спадания тока (потокосцепления). При этом предпочтительными по К.П.Д. являются режимы с непрерывными токами дросселей.
2-1
В связи с наличием горизонтально-осевой симметрии расположения элементов силовой схемы устройства (верхней и нижней ее частей) представляется достаточным рассмотрение только этапа «положительного» полупериода напряжения U на входных выводах 1, 2, когда потенциал вывода 2 выше, чем потенциал заземленного вывода 1.
Все возможные режимы работы и токовые цепи для «положительного» полупериода напряжения источника питания сведены в прилагаемую таблицу. Там же указаны условия непрерывности токов дросселей в пределах рассматриваемых полупериодов, т.е. регулировочные характеристики прямого и обратного преобразований:
и , где
И
ИМП
ШИМ
ИМП
ШИМ
γ=Δt/T - коэффициент заполнения импульса с длительностью Δt при широтно-импульсной модуляции с периодом T;
Д
ДОЗЫ
ШИМ
И
γ=Δt/T≤(1-γ) - относительная длительность передачи выходной дозы энергии дросселя.
2-1
З-1
|U| и U - абсолютные величины мгновенных значений напряжений источника питания и нагрузки.
В качестве наглядного примера рассмотрим наиболее универсальный (повышающее-понижающий) режим «накопления, сохранения и дозирования энергии», обозначенный в таблице под номером 3.
И
ШИМ
ИМП
Д
И
ШИМ
2-1
З-1
Д
ШИМ
ДОЗИР
При очередном синхронном включении ключей 20 и 14 потокосцепление дросселя 5 нарастает вместе с током в цепи: 2-20-5-14-1 на интервале γT=Δt. Затем ключ 20 выключается, а потокосцепление приблизительно сохраняется вместе с током в замкнутой накоротко цепи: 5-14-22-5 за счет ЭДС самоиндукции дросселя 5 на интервале паузы (1-γ-γ)T (при малом активном сопротивлении обмотки дросселя). Затем ключ 14 выключается, а ключ 10 включается, после чего потокосцепление дросселя 5 частично снижается вместе с током по цепи: 5-10-8-1-22-5, передавая дозу (часть) накопленной к этому моменту электромагнитной энергии дросселя 5 в нагрузку за счет его ЭДС самоиндукции (независимо от соотношений между напряжениями |U| и U) на оставшемся интервале времени γT=Δt. После этого указанные процессы периодически повторяются, осуществляя преобразование энергии в соответствии с регулировочной характеристикой: .
И
Д
2-1
З-1
Следует особо указать на обеспечение статической устойчивости процесса регулирования среднециклического значения потокосцепления (тока) и запасаемой электромагнитной энергии дросселя благодаря дуальному (двухаргументному) управлению по величинам двух аргументов: γ и γ, в отличии от режимов «повышения» и «понижения» напряжений при их заданных значениях U и U обладающих только динамической устойчивостью с обязательным использованием цепей отрицательных обратных связей (иначе ток дросселя либо нарастает до недопустимого уровня, либо становится прерывистым-пульсирующим, снижая К.П.Д. преобразования). Это обстоятельство дополнительно повышает надежность и К.П.Д. устройства.
Следует также отметить, что в предложенной схеме подключения снабберных конденсаторов 42 и 43 обеспечивается не только формирование траектории процессов выключения транзисторных ключей для снижения их коммутационных потерь и напряжений, но и передача энергии, накапливаемой этими конденсаторами, в нагрузку (при очередном включении ключа), что также приводит к повышению надежности и К.П.Д. устройства.
Основную же роль в достижении заявленного технического результата играет рациональный поочередный выбор с помощью блока управления из всех перечисленных выше режимов с наибольшим К.П.Д., как при прямом, так и при обратном (рекуперативном) преобразовании.
Таким образом, в предложенном устройстве в отличие от прототипа обеспечивается технический результат: повышение К.П.Д. и надежности устройства за счет рационального чередования режимов преобразования и защиты силовых транзисторов от коммутационных перенапряжений без теплового рассеяния энергии.
Таблица.
Режимы работы и токовые цепи.
полупериоды напр. источн.
Токовые цепиРежимы работы.
Цепи нарастания тока дросселя на интервале γи*Tшим=Δtимп.
Цепи приблиз. сохранения тока дросселя на интервале (1-γд-γи)*Tшим
Цепи частичного спада тока дросселя на интервале γд*Tшим=Δtдозы
Условия непрерывности токов дросселей (регулировачные характеристики)
Положительный полупериод
Прямое преобразование энергии
1
Повышение напряжения
2-20-5-14-1
5-10-8-1-22-5
<img file="00000005.tif" he="13" wi="38" img-content="undefined" img-format="tif" />
2
Понижение напряжения
2-20-5-10-8-1
5-10-8-1-22-5
U<sub>З-1</sub>=γ<sub>И</sub>·U<sub>2-1</sub>
3
Накопление энергии
2-20-5-14-1
<img file="00000006.tif" he="14" wi="32" img-content="undefined" img-format="tif" />
Сохранение энергии
5-14-22-5
Дозирование энергии
5-10-8-1-22-5
Обратное преобразование (рекуперация) энергии
4
Повышение напряжения
3(8)-11-6-23-1
6-21-2(7)-1-3(8)-6
<img file="00000007.tif" he="13" wi="38" img-content="undefined" img-format="tif" />
5
Понижение напряжения
3(8)-11-6-21-2(7)-1
6-21-2(7)-1-15-6
U<sub>2-1</sub>=γ<sub>И</sub>·U<sub>З-1</sub>
6
Накопление энергии
3(8)-11-6-23-1
<img file="00000008.tif" he="14" wi="32" img-content="undefined" img-format="tif" />
Сохранение энергии
6-23-1-15-6
Дозирование энергии
6-21-2(7)-1-15-6