Полумостовой инвертор прямоугольного тока с трансформаторно-циклоконверторным делителем частоты

Полезная модель относится к электротехнике и к импульсной силовой электронике и предназначена для использования в качестве обратимого импульсного преобразователя постоянного напряжения в одно- или трехфазное переменное напряжение в составе вторичных источников электропитания, в частности - в авиабортовых системах электроснабжения.
Известен полумостовой инвертор прямоугольного тока с трансформаторно-циклоконверторным делителем частоты (аналог), содержащий: выходные выводы с дифференциальным двухконденсаторным звеном постоянного напряжения, трехфазный двунаправленный (обратимый) инверторно-выпрямительный
преобразователь с высокочастотным инвертором прямоугольного тока, трансформатор прямоугольного тока с одной или тремя первичными и тремя вторичными обмотками, обратимый циклоконверторный делитель частоты (циклически-реверсивный двунаправленный выпрямительно-инверторный преобразователь), выходной фильтр низкой частоты и блок управления электронными ключами (С.Б. Резников, В.В. Бочаров, А.В. Лавринович, И.А. Харченко "Унифицированно-модульный синтез силовых интегральных схем многофункциональных импульсных преобразователей для авиационно-космических комбинированных систем электроснабжения переменно-постоянного тока". Часть 2. Унифицированные базовые модули обратимых выпрямительно-инвертирующих преобразователей с корректором коэффициента мощности и накопительно-демодулирующими реакторами. Практическая силовая электроника, №1 (57), 2015 г., с 46-55, стр. 53, Рис. 46).
К недостаткам указанного известного устройства (аналога) относятся: низкая удельная мощность устройства, низкие надежность и КПД и большие помехоизлучения из-за «жесткой» коммутации транзисторных ключей (с одновременными скачками токов и напряжений).
Из известных устройств наиболее близким по технической сути к предлагаемому является полумостовой инвертор прямоугольного тока с трансформаторно-циклоконверторным делителем частоты (прототип), содержащий: входные выводы с дифференциальным двухконденсаторным фильтром для подключения источника электропитания постоянного тока, высокочастотный трансформатор прямоугольного тока с двухсекционными первичной и одной или тремя вторичными обмотками, двунаправленный инверторно-выпрямительный преобразователь с двумя модуляторными электронными ключами, двумя диодно-ключевыми электронными стойками и двухсекционным реактором, циклоконверторный делитель частоты (циклически реверсируемый выпрямитель) на базе двунаправленных электронных ключей и блок управления (см. там же Рис. 4).
К недостаткам указанного известного устройства (прототипа) относятся: низкая удельная мощность устройства, а также низкие надежность и КПД и большие помехоизлучения из-за «жесткой» коммутации высокочастотных транзисторных ключей (с одновременными скачками токов и напряжений).
Основным техническим результатом предложения является повышение удельной мощности устройства. Дополнительным результатом является повышение надежности и КПД и снижение помехоизлучений устройства за счет обеспечения «мягкой» коммутации электронных ключей.
Указанные результаты обеспечиваются благодаря тому, что в устройство, содержащее входные выводы для подключения источника электропитания с постоянными напряжениями, зашунтированные фильтровой стойкой, фазные выходные выводы для подключения нагрузки переменного тока, зашунтированные фильтровым конденсатором, трансформатор тока с двухсекционными первичной и вторичной обмотками, двухсекционный реактор, два модулирующих электронных ключа, две диодно-ключевые электронные стойки, диоды, две двунаправленные циклоконверторные электронные стойки, а также блок управления с цепями обратных связей, с импульсно-модуляторными выводами и релейно-импульсными выводами, ВВЕДЕН диодный выпрямитель, включенный между входными и выходными выводами, а также благодаря тому, что каждый из модуляторных ключей диодно-ключевых стоек СНАБЖЕН демпферно-снабберной цепью, состоящей из демпферного дросселя, снабберного конденсатора и двухдиодной стойки.
Экспериментальные исследования лабораторного макета и имитационно-компьютерное моделирование предлагаемого устройства подтвердили его работоспособность и целесообразность широкого промышленного использования в качестве обратимого импульсного преобразователя постоянного напряжения в одно- или трехфазное переменное напряжение в составе вторичных источников электропитания (ВИЭП) в частности - в авиабортовых системах электроснабжения.
На Фиг. 1 и Фиг. 2 представлены принципиальная силовая схема и каналы управления предлагаемого полумостового инвертора прямоугольного тока с трансформаторно-циклоконверторным делителем частоты.
Устройство содержит: дифференциальные входные выводы 1-2-3, включая заземленный среднепотенциальный, для подключения источника электропитания с постоянными напряжениями, зашунтированные двухконденсаторной фильтровой стойкой 4-5, фазные выходные выводы 6-7, включая нейтральный заземленный, для подключения нагрузки переменного тока (одно- или трехфазной), зашунтированные фильтровым конденсатором 8, трансформатор тока 9 с двухсекционными первичной и вторичной (вторичными) обмотками 10-11 и 12-13, двухсекционный реактор 14-15 с заземленным средним (межсекционным) выводом, два модулирующих электронных ключа 16 и 17, зашунтированных обратными диодами, две диодно-ключевые электронные стойки 18-19 и 20-21 с общими заземленными крайними диодными выводами, а также диоды 22 и 23.
Устройство также содержит: две двунаправленные циклоконверторные электронно-ключевые стойки 24 и 25 и блок управления 26 с цепями 27, 28 обратных связей по внешним токам и напряжениям, с импульсно-модуляторными выводами 29 и релейно-сигнальными выводами 30.
Помимо указанного выше устройство содержит диодный выпрямитель 31. Каждый из модуляторных электронных ключей и электронных ключей диодно-ключевых стоек снабжен демпферно-снабберной цепью, состоящей из демпферного дросселя 32, снабберного конденсатора 33 и двухдиодной стойки 34-35.
Диодно-ключевые электронные стойки 18-19 и 20-21 подключены своими крайними ключевыми выводами через соответствующие секции 10 и 11 первичной обмотки трансформатора 9 к соответствующим крайним выводам реакторных секций 14 и 15 и через соответствующие диоды 22 и 23 к соответствующим крайним выводам фильтровой стойки 4-5. Циклоконверторные электронно-ключевые стойки 24-25 включены каждая между незаземленным выводом соответствующей секции 12,13 вторичной обмотки трансформатора 9 и незаземленным общим выходным фазным выводом 7. Диодный выпрямитель 31 включен между выходными фазными и разнополярными входными выводами 6-7 и 1-2. В каждой демпферно-снабберной цепочке демпферный дроссель 32 включен последовательно с соответствующим электронным ключом, а двухдиодная стойка 34-35 своим средним выводом через снабберный конденсатор 33 подключена к первому силовому выводу этого ключа, своим первым крайним выводом - ко второму силовому выводу этого ключа, а своим вторым крайним выводом через соответствующий диод - к соответствующему выводу реактора 14-15. В блоке управления 26 импульсно-модуляторные выводы 29 подключены к управляющим выводам модулирующих ключей 16, 17 и ключей 19, 21 диодно-ключевых стоек 18-19 и 20-21, а релейно-сигнальные выводы 30 - к управляющим выводам циклоконверторных электронно-ключевых стоек 24 и 25.
Начала секций обмоток трансформатора и реактора обозначены на чертеже жирными точками. В качестве электронных ключей использованы транзисторные ключи (полевые или биполярные).
1-3
2-3
шим
н
шим
6-7
Предлагаемое устройство работает следующим образом. К дифференциальным входным выводам 1-2-3 подключают источник электропитания с постоянными напряжениями U и U, а к выходным фазными выводам 6-7 - нагрузку переменного тока (произвольного характера, а также с возможной рекуперацией электроэнергии обратно в источник электропитания). На импульсно-модуляторных выводах 29 формируются высокочастотные импульсы с постоянным периодом широтно-импульсной модуляции Т и регулируемой длительностью импульсов: t=γ⋅Т/2, где γ - регулируемый коэффициент заполнения импульса. На релейно-сигнальных выводах 30 блока управления формируются низкочастотные прямоугольные импульсы, синхронизированные с полупериодами выходного переменного напряжения U.
шим
На произвольном первом полупериоде Т/2 полное потокосцепление Ψ реактора 14-15 сначала нарастает (этап: dΨ/dt>0) вместе с током в цепи: 4-16-10-14-4, а затем частично (или полностью) спадает вместе с током в цепи: 10-14-18-19-10.
шим
На втором полупериоде Т/2 Ψ сначала нарастает вместе с током в цепи: 5-15-11-17-5, а затем частично (или полностью) спадает вместе с током в цепи: 15-11-21-20-15.
Далее указанные процессы высокочастотно-периодически качественно повторяются с протеканием по секциям 10-11 первичной
шим
обмотки трансформатора тока 9 высокочастотного прямоугольного тока (типа «меандр») с тем же периодом Т.
п
п
шим
п
Для обеспечения дуального одновременного регулирования среднециклических значений тока (абсолютной величины потокосцепления) секций трансформаторных обмоток 10-11 и полного потокосцепления Ψ реактора 14-15 (для предотвращения насыщения его магнитопровода) между указанными чередующимися полупериодами вводится промежуточная токозамыкающая пауза с длительностью: Δt=γ⋅Т/2, где γ - регулируемая относительная длительность паузы. Во время указанной паузы полное потокосцепление Ψ реактора 14-15 приблизительно сохраняется (этап: dΨ/dt≈0) вместе с токами в цепях: 14-18-19-10-14 или 15-11-21-20-15.
Таким образом, левая часть схемы устройства представляет собой регулируемый трехуровневый инвертор высокочастотного прямоугольного тока, питающего через трансформатор тока 9 циклоконверторный делитель частоты с двунаправленными ключами 24 и 25. Указанный прямоугольный ток наводит аналогичный ток в секциях 12-13 вторичной обмотки трансформатора 9, который с помощью циклоконверторного делителя частоты (циклически реверсируемого выпрямителя) формирует в нагрузке, шунтируемой фильтровым конденсатором 8, низкочастотный переменный ток. При определенных соотношениях параметров нагрузки и емкости конденсатора 8 ток и напряжение в нагрузке могут приближаться к синусоидальным или к трапецеидальным. При наличии реактивной составляющей мощности нагрузки, а также при рекуперации ее энергии обратно в источник (например, при рекуперативном торможении исполнительного электроприводного двигателя) ток нагрузки имеет возможность замыкаться через диодный выпрямитель 31 на цепь зарядки входной фильтровой стойки 4-5 и на источник электропитания.
Благодаря наличию демпферно-снабберных цепей (не рассеивающих тепловой мощности) осуществляется «мягкая» коммутация высокочастотных электронных ключей 16, 17 и 19, 21 (без одновременных скачков токов и напряжений). Благодаря этому повышается КПД (снижаются коммутационные потери), повышается надежность (исключаются сверхтоки и перенапряжения) и снижаются коммутационные помехоизлучения. Снабберный конденсатор 33 при каждом выключении ключа 16 плавно заряжается через демпферный дроссель 32 и диод 34, а при последующем включении ключа 16 - плавно разряжается по цепи: 33-16-10-14-15-11-17-35-33, передавая накопленную им энергию (почти без потерь) трансформатору 9 и реактору 14-15 для дальнейшей ее передачи в нагрузку.
Таким образом, по сравнению с прототипом в предложенном устройстве достигается основной технический результат: повышение удельной мощности устройства, и дополнительный технический результат: повышение надежности и КПД и снижение помехоизлучений устройства за счет обеспечения «мягкой» коммутации электронных ключей (без одновременных скачков токов и напряжений).