Импульсный мостовой преобразователь
Предлагаемая полезная модель относится к электротехнике и к импульсной силовой электронике и предназначена для использования в автономных системах авиационно-космических бортовых и наземных комплексов, а также в ветро- и топливоэнергетических становках электропитания. Основным техническим результатом предложения является расширение функциональных возможностей устройства, а именно - обеспечение питания потребителей регулируемым напряжением или током произвольно заданной формы, в частности - синусоидальной. Дополнительным результатом предложения является повышение надежности устройства за счет исключения несанкционированных импульсных сквозных сверхтоков и связанных с ними тепловых коммутационных потерь, помехоизлучений и отказов, а также за счет повышения его аварийной живучести. Указанный технический результат обеспечивается БЛАГОДАРЯ тому, что в импульсный мостовой преобразователь, содержащий группу конденсаторов 1, 2, 3, 4, четырехплечевой управляемый электронный мост 5, 6, 7, 8 с обратными диодами 9, 10, 11, 12, шунтирующими его однонаправленные электронные ключи, входные выводы 13, 14 устройства для подключения к источнику питания постоянного тока, выходные выводы 15, 16 устройства для подключения нагрузок переменного тока, а также схему управления с блоком управления 17, датчиками 18, 19 входных и выходных токов и датчиками 20, 21 входных и выходных напряжений, установленными в ее цепях обратных связей, причем управляющие выводы электронного моста подключены к выходным выводам блока управления, а сигнальные выводы датчиков - к его входным выводам, ВВЕДЕНЫ четыре выпрямительных диода 22, 23, 24, 25, четыре дроссельные обмотки 26, 27, 28, 29, реактор 30 и два двунаправленных электронных ключа 31, 32, группа конденсаторов образует четырехплечевой емкостной мост, каждое плечо которого зашунтировано соответствующим плечом электронного моста, состоящим из последовательно между собой соединенных ключа и соответствующей дроссельной обмотки, при этом дроссельные обмотки каждой из двух пар смежных плеч своими первыми выводами соединены между собой, а вторыми - подключены к разноименным силовым выводам ключей; входные выводы устройства подключены к первым парам диагональных выводов емкостного и электронного мостов, вторые пары диагональных выводов которых подключены к выходным выводам устройства через первый электронный ключ и реактор, зашунтированный вместе с выходными выводами устройства вторым электронным ключом, а управляющие выводы обоих ключей подключены к дополнительным выходным выводам, ВВЕДЕННЫМ в блок управления, выполненный с возможностью импульсной модуляции сигналов на его дополнительных выводах в зависимости от рассогласования сигналов на сигнальных выводах датчиков выходных токов и напряжений и соответствующих эталонных сигналов, и БЛАГОДАРЯ тому, что каждая пара диагональных дроссельных обмоток, соединенных с разноименными выводами диагональных ключей, выполнена с общим для них магнитопроводом и с их встречным включением относительно направлений проводимости этих ключей. В ф-ле 2 п., илл. - 1.
Предлагаемая полезная модель относится к электротехнике и к импульсной силовой электронике и предназначена для использования в автономных системах авиационно-космических бортовых и наземных комплексов, а также в ветро- и топливоэнергетических установках электропитания.
Известен импульсный мостовой преобразователь (сварочный инвертор), содержащий четырехключевой управляемый мост с шунтирующими конденсаторами и обратными диодами, одной парой диагональных выводов подключенный к входным выводам постоянного тока, а другой - через балластный дроссель к выходному трансформаторно-выпрямительному блоку с выходным сглаживающим реактором (Бардин А., Джаникян А., Никитин С., Романов А. Инверторное сварочное оборудование, Силовая электроника, 
3, 2008 г., с.116-119). Указанный преобразователь преобразуют постоянное (выпрямленное) напряжение сначала в переменное высокочастотное, а затем - в постоянное и имеет выходную вольтамперную характеристику источника тока.
Недостатком указанного преобразователя (аналога) является узкое функциональное назначение, в частности неспособность получения на выходе низкочастотного регулируемого синусоидального напряжения или тока.
Известен импульсный мостовой преобразователь (электронный балласт для питания газоразрядных ламп), содержащий сглаживающий реактор, четырехключевой электронный мост, группу конденсаторов, шунтирующие обратные диоды, выпрямительные диоды, балластный дроссель со схемой подпита и схему управления с блоком управления и датчиками входных и выходных токов и напряжений в цепях обратных связей (Патент на полезную модель 89909, Электронный пускорегулирующий аппарат для питания газоразрядных ламп. Авторы: Резников С.Б., Бочаров В.В., Дубенский Г.А., Кабелев Б.В., Парфенов Е.В., Корнилов А.Б., Гуренков Н.В., Бюл. 35 от 20.12.2009 г.). Он позволяет преобразовать выпрямленное сетевое напряжение в переменное прямоугольное повышенной частоты.
К недостаткам указанного известного импульсного мостового преобразователя (прототипа) относятся узкое функциональное назначение, а именно - неспособность питания потребителей регулируемым напряжением и током произвольно заданной формы в соответствии с эталонным сигналом, в частности - синусоидальной, а также низкая надежность устройства из-за наличия цепей для сквозных сверхтоков при несанкционированных (от помех в блоке управления) одновременных включениях двух ключей одной двухключевой стойки моста и связанных с ними тепловых коммутационных потерь, помехоизлучений и отказов и кроме того из-за низкой аварийной живучести, определяемой неработоспособностью устройства при отказе одного из ключей.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является последний из рассмотренных импульсных мостовых преобразователей, выбранный в качестве прототипа.
Основным техническим результатом предложения является расширение функциональных возможностей устройства, а именно - обеспечение питания потребителей регулируемым напряжением или током произвольно заданной формы, в частности - синусоидальной.
Дополнительным результатом предложения является повышение надежности устройства за счет исключения несанкционированных импульсных сквозных сверхтоков и связанных с ними тепловых коммутационных потерь, помехоизлучений и отказов, а также за счет повышения его аварийной живучести.
Указанный технический результат обеспечивается БЛАГОДАРЯ тому, что в импульсный мостовой преобразователь, содержащий группу конденсаторов, четырехплечевой управляемый электронный мост с обратными диодами, шунтирующими его однонаправленные электронные ключи, входные выводы устройства для подключения к источнику питания постоянного тока, выходные выводы устройства для подключения нагрузок переменного тока, а также схему управления с блоком управления, датчикамивходных и выходных токов и датчиками входных и выходных напряжений, установленными в ее цепях обратных связей, причем управляющие выводы электронного моста подключены к выходным выводам блока управления, а сигнальные выводы датчиков - к его входным выводам, ВВЕДЕНЫ четыре выпрямительных диода, четыре дроссельные обмотки, реактор и два двунаправленных электронных ключа, группа конденсаторов образует четырехплечевой емкостной мост, каждое плечо которого зашунтировано соответствующим плечом электронного моста, состоящим из последовательно между собой соединенных ключа и соответствующей дроссельной обмотки, при этом дроссельные обмотки каждой из двух пар смежных плеч своими первыми выводами соединены между собой, а вторыми - подключены к разноименным силовым выводам ключей; входные выводы устройства подключены к первым парам диагональных выводов емкостного и электронного мостов, вторые пары диагональных выводов которых подключены к выходным выводам устройства через первый электронный ключ и реактор, зашунтированный вместе с выходными выводами устройства вторым электронным ключом, а управляющие выводы обоих ключей подключены к дополнительным выходным выводам, ВВЕДЕННЫМ в блок управления, выполненный с возможностью импульсной модуляции сигналов на его дополнительных выводах в зависимости от рассогласования сигналов на сигнальных выводах датчиков выходных токов и напряжений и соответствующих эталонных сигналов, и БЛАГОДАРЯ тому, что каждая пара диагональных дроссельных обмоток, соединенных с разноименными выводами диагональных ключей, выполнена с общим для них магнитопроводом и с их встречным включением относительно направлений проводимости этих ключей.
Проведенные экспериментальные исследования на макете и его компьютерное моделирование подтвердили его работоспособность и целесообразность широкого промышленного внедрения.
На фиг. приведена принципиальная силовая схема предлагаемого импульсного мостового преобразователя.
Импульсный мостовой преобразователь содержит группу конденсаторов 1, 2, 3, 4, образующих емкостной мост, четырехплечевой управляемый электронный мост 5, 6, 7, 8 с обратными диодами 9, 10, 11, 12, шунтирующими его однонаправленные ключи, входные выводы 13, 14 устройства для подключения к источнику питания постоянного тока и выходные выводы 15, 16 для подключения нагрузок переменного тока, а также схему управления с блоком управления 17, с датчиками 18, 19 входных и выходных токов и датчиками 20, 21 входных и выходных напряжений, установленных в ее цепях обратных связей, четыре выпрямительных диода 22, 23, 24, 25, четыре дроссельные обмотки 26, 27, 28, 29, реактор 30 и два двунаправленных электронных ключа 31, 32. Управляющие выводы электронного моста и двунаправленных электронных ключей подключены к основным и дополнительным выходным выводам блока управления соответственно, а сигнальные выводы датчиков токов и напряжений - к его входным выводам.
Каждое плечо емкостного моста (например, плечо 1) зашунтировано соответствующим плечом электронного моста, состоящим из последовательно между собой соединенных ключа (например, ключа 5) и соответствующей дроссельной обмотки (например, обмотки 26). Дроссельной обмотки (например, 26 и 27) каждой пары смежных плеч электронного моста своими первыми выводами соединены между собой, а вторыми - подключены к разноименным силовым выводам (к эмиттеру и коллектору) ключей (например, 5 и 6).
Входные выводы 13, 14 устройства подключены к первым парам диагональных выводов емкостного и электронного мостов, вторые пары диагональных выводов которых подключены к выходным выводам 15, 16 устройства через первый двунаправленный электронный ключ 31 и реактор 30, зашунтированный вместе с выходными выводами вторым двунаправленным электронным ключом 32.
Блок управления 17 выполнен с возможностью импульсной модуляции сигналов на его дополнительных выводах в зависимости от рассогласования сигналов на сигнальных выводах датчиков выходных токов и напряжений и соответствующих эталонных сигналов.
Каждая пара диагональных дроссельных обмоток (например, 26 и 29), соединенных с разноименными выводами диагональных ключей (например, эмиттером ключа и коллектором ключа), выполнена с общим для них магнитопроводом и с их встречным включением относительно направлений проводимости этих ключей.
В качестве ключей 5, 6, 7, 8 электронного моста целесообразно применять биполярные или полевые транзисторы. В качестве шунтирующего ключа 31 можно применить двухтранзисторную стойку с обратными диодами или четырехдиодный мост, зашунтированный по выходу транзистором.
Импульсный мостовой преобразователь работает следующим образом.
Входные выводы 13, 14 устройства подключают к источнику питания постоянного тока, например, к аккумуляторной батарее или питающей сети через выпрямитель, а выходные выводы 15-16 подключают к нагрузке переменного тока, например, к асинхронной электрической машине, в частности - к заторможенному или раскрученному асинхронному стартер-генератору ветро-, гидро- или топливной силовой установки.
С помощью блока управления 17 обеспечивают постоянно-открытое состояние первого двунаправленного электронного ключа 31 (для повышения жесткости внешней характеристики преобразователя, соответствующей т.н. «источнику напряжения»).
На входных выводах 13, 14 имеется знакопостоянное питающее напряжение, сглаживаемое двумя параллельно соединенными двухконденсаторными стойками 1-2 и 3-4 и разделяемое в каждой стойке на два взаимно-противофазно варьируемых последовательно-слагаемых напряжения в соответствии с функционированием двух обратимых дозирующих конверторов, образуемых парами однонаправленных ключей 5-6 и 7-8 и парами соответствующих дроссельных обмоток 26-27 и 28-29. Каждый конвертор благодаря широтно-импульсному регулированию периодически осуществляет обратимую передачу импульсно-дозированной энергии из одного конденсатора стойки в другой и обратно, не меняя при этом их суммарного напряжения и периодически изменяя по синусоидальному закону разность потенциалов средних выводов конденсаторных стоек, а, следовательно, и напряжение на выходных выводах 15, 16 устройства. Например, если нагрузка в цепи 15-16 отключена, то при очередном включении ключа 5 при выключенном ключе 6 происходит нарастание тока в дроссельной обмотке 26 по цепи: 1-5-26-1 и по цепи 13-5-26-2-14. После выключения ключа 5 в соответствии с электротехническим законом коммутации о непрерывности потокосцепления (и электромагнитной энергии) этот ток спадает по цепи: 26-2-23-26. Таким образом доза энергии из конденсатора 1 и из источника питания передается конденсатору 2, благодаря чему первый разряжается, а второй заряжается, повышая потенциал вывода 15. Аналогично указанный конвертор при модуляции ключа 6 через обмотку 27 передает дозированную энергию обратно - от конденсатора 2 и из источника питания конденсатору 1. Аналогично, но противофазно обмениваются энергией конденсаторы 3 и 4. При подключенной к выводам 15-16 нагрузке переменного тока указанные процессы будут сопровождаться передачей части энергии в нагрузку благодаря разности потенциалов между выводами 15 и 16. Если нагрузка переменного тока имеет активно-индуктивный или двигательно-рекуперативный характер, то запаздывающие по временной фазе реактивные токи имеют возможность периодически передавать (рекуперировать) энергию из нагрузки в конденсаторные стойки и обратно в источник постоянного тока благодаря наличию выпрямительных и обратных диодов.
Аналогичным образом преобразователь может выполнять функцию емкостного компенсатора реактивной мощности в однофазной сети переменного тока, подключенной к выходным выводам 15, 16, обеспечивая при этом, например, самовозбуждение асинхронной машины, работающей в генераторном режиме (для чего потребуется несколько таких устройств по числу фаз якоря машины с возможным объединением и заземлением выходных выводов 15).
Если в качестве нагрузки переменного тока используется нагрузка активно-емкостного характера, газоразрядная (ламповая, сварочно-дуговая) или выпрямительно-зарядная (например, с накопительным конденсатором или аккумулятором), то преобразователь должен обеспечить внешнюю вольтамперную характеристику «источника тока». В этом случае двунаправленные ключи 31 и 32 по управлению либо оставляют в неизменных состояниях (31 - включен, а 32 - выключен), вводя реактор 30 в цепь нагрузки, либо высокочастотно широтно-импульсно противофазно модулируют, регулируя с отрицательной обратной связью ток нагрузки в соответствии с эталонным сигналом и сигналами датчика тока 19, поступающий в блок управления. При этом на интервалах времени выключения ключа 31 и включения ключа 32 ток реактора 30 закорачивается на цепь нагрузки через ключ 32, позволяя обеспечить статическую устойчивость системы регулирования.
Благодаря одновременному противофазному периодическому регулированию потенциалов на выходных выводах 15, 16 амплитуда переменного напряжения на этих выводах может достигать величины напряжения питания на входных выводах 13 14. Уменьшенная вдвое амплитуда может быть обеспечена также, если потенциал вывода 15 удерживать постоянным, например - нулевым, относительно заземленной нейтрали выпрямленной питающей сети. Для этого можно применить подключение среднего вывода стойки 1-2 к нулевому выводу питающей сети и выключить ключи 5 и 6, управляя лишь ключами 7, 8. Однако при этом ухудшатся динамические характеристики (быстродействие) системы регулирования в переходных процессах. Несмотря на это следует констатировать, что при обрывах и отказах в цепях одного из конверторов или конденсаторной стойки имеется возможность сохранить работоспособность устройства, т.е. повысить его «живучесть».
Следует также указать, что в отличие от прототипа в схеме предлагаемого устройства благодаря наличию дроссельных обмоток в цепях разрядки конденсаторов отсутствуют цепи для импульсных так называемых «сквозных» сверхтоков, возникающих при несанкционированном (например, от помех в блоке управления) одновременном кратковременном включении электронных ключей смежных плеч моста и вызывающих повышенные коммутационные потери и помехоизлучения в электронных ключах, вплоть до их отказов.
Таким образом, в предлагаемом импульсном мостовом преобразователе в сравнении с аналогами и с прототипом обеспечивается заявленный технический результат: расширение функциональных возможностей, а именно - обеспечение питания потребителей регулируемым напряжением или током произвольно заданной формы, в частности синусоидальной, а также дополнительный результат: повышение надежности устройства за счет исключения импульсных сверхтоков и связанных с ними тепловых коммутационных потерь, помехоизлучений и отказов устройства.
1. Импульсный мостовой преобразователь, содержащий группу конденсаторов, четырехплечевой управляемый электронный мост с обратными диодами, шунтирующими его однонаправленные электронные ключи, входные выводы устройства для подключения к источнику питания постоянного тока, выходные выводы устройства для подключения нагрузок переменного тока, а также схему управления с блоком управления, датчиками входных и выходных токов и датчиками входных и выходных напряжений, установленными в ее цепях обратных связей, причем управляющие выводы электронного моста подключены к выходным выводам блока управления, а сигнальные выводы датчиков - к его входным выводам, отличающийся тем, что в него введены четыре выпрямительных диода, четыре дроссельные обмотки, реактор и два двунаправленных электронных ключа, группа конденсаторов образует четырехплечевой емкостный мост, каждое плечо которого зашунтировано соответствующим плечом электронного моста, состоящим из последовательно между собой соединенных ключа и соответствующей дроссельной обмотки, при этом дроссельные обмотки каждой из двух пар смежных плеч своими первыми выводами соединены между собой, а вторыми подключены к разноименным силовым выводам ключей; входные выводы устройства подключены к первым парам диагональных выводов емкостного и электронного мостов, вторые пары диагональных выводов которых подключены к выходным выводам устройства через первый электронный ключ и реактор, зашунтированный вместе с выходными выводами устройства вторым электронным ключом, а управляющие выводы обоих ключей подключены к дополнительным выходным выводам, введенным в блок управления, выполненный с возможностью импульсной модуляции сигналов на его дополнительных выводах в зависимости от рассогласования сигналов на сигнальных выводах датчиков выходных токов и напряжений и соответствующих эталонных сигналов
2. Импульсный мостовой преобразователь по п.1, отличающийся тем, что каждая пара диагональных дроссельных обмоток, соединенных с разноименными выводами диагональных ключей, выполнена с общим для них магнитопроводом и с их встречным включением относительно направлений проводимости этих ключей.
