Обратимый импульсный конвертор

Полезная модель относится к электротехнике и силовой импульсной электронике и может быть использована при создании авиационно-бортовых систем электроснабжения перспективных самолетов (полностью электрифицированных).

Основным техническим результатом предложения является повышение надежности и электромагнитной совместимости устройства за счет совместного заземления среднего вывода входного и вывода выходного фильтровых конденсаторов.

Дополнительным техническим результатом является расширение функциональных возможностей устройства, а именно - обеспечение возможности обратного преобразования низкого выходного напряжения в два повышенных входных напряжения.

Указанные технические результаты обеспечиваются БЛАГОДАРЯ тому, что в обратимый импульсный конвертор, содержащий, фильтровые входную двухконденсаторную стойку 1, 2 и выходной конденсатор 3, дроссель 4 с первой обмоткой 5, первый и второй электронные модулирующие ключи 6, 7, выпрямительные диоды 8, 9, 10, 11, 12 и схему управления 13 с первым и вторым модулирующими выходными выводами 14, 15, подключенными к управляющим выводам соответствующих модулирующих электронных ключей, первый из которых своим первым силовым выводом подключен к первому выводу первой обмотки дросселя, ВВЕДЕНЫ двунаправленный и однонаправленный электронные ключи 16 и 17, управляющие выводы которых подключены к дополнительным выходным выводам 18, 19, 20, ВВЕДЕННЫМ в схему управления, а в дроссель ВВЕДЕНА вторая обмотка 21, имеющая с первой общий магнитопровод и подключенная своими первым и вторым выводами через первый и второй диоды к первому и второму выводам, соответственно, первой дроссельной обмотки и первым выводом - к среднему выводу входной конденсаторной стойки и к первому выводу выходного конденсатора который своим вторым выводом через двунаправленный ключ подключен ко второму выводу первой дроссельной обмотки и через второй модулирующий ключ, зашунтированный согласно - последовательно между собой соединенными вторым и третьим диодами, а также через однонаправленный ключ, зашунтированный обратным четвертым диодом, - к первому крайнему выводу входной конденсаторной стойки, второй крайний вывод который подключен ко второму силовому выводу первого модулирующего ключа, зашунтированного обратным пятым диодом, а также БЛАГОДАРЯ тому, что его схема управления ВЫПОЛНЕНА с возможностью формирования широтно-регулируемых импульсов на обоих своих модулирующих выходных выводах при прямом преобразовании повышенных напряжений входной двухконденсаторной стойки в низкое напряжение выходного конденсатора и формирования аналогичных импульсов на своем втором модулирующием выходном выводе при обратном преобразовании; при этом при прямом преобразовании также подачи отпирающих сигналов на своих дополнительных выводах, подключенных к двунаправленному и однонаправленному ключам, а при обратном преобразовании - также подачи отпирающего сигнала на своем дополнительном выводе, подключенном к двунаправленному ключу. В ф-ле 2 п, илл. - 1

Полезная модель относится к электротехнике и силовой импульсной электронике и может быть использована при создании авиационно-бортовых систем электроснабжения перспективных самолетов (полностью электрифицированных).

Известны обратимые импульсные конверторы (аналоги), содержащие фильтровые входные и выходные конденсаторы, дроссель, несколько (четыре или восемь) модулирующих электронных ключей, дополнительные однонаправленные ключи, выпрямительные диоды и схему управления (Резников С.Б., Бочаров В.В., Кирилов В.Ю., Постников В.А. Электроэнергетическая и электромагнитная совместимость транспортного электрооборудования с высоковольтными цепями питания. - М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2010. - 512 с., стр.49, Рис.1.7.3 и Рис.1.7.4).

К недостаткам известных обратимых импульсных конверторов (аналогов) относится низкая надежность из-за большого числа модулирующих ключей и соответствующей сложности схемы управления, а также отсутствие среднего вывода во входном конденсаторном фильтре, затрудняющее использование питания устройства от многофазной сети переменного тока через мостовой выпрямитель с корректором коэффициента мощности (так называемый «Виенна-выпрямитель» с удвоением фазного напряжения).

Известен обратимый импульсный конвертор (прототип), содержащий фильтровую входную двухконденсаторную стойку и выходной конденсатор, дроссель, два модулирующих электронных ключа, диоды и схему управления с модулирующими выходными выводами (см. там же, стр.47. Рис.1.7.1.). Он способен преобразовывать в обоих направлениях напряжения первого и второго входных фильтровых конденсаторов в напряжение выходного конденсатора (в одном направлении).

Недостатком известного обратимого импульсного конвертора (прототипа) являются низкие надежность и электромагнитная совместимость устройства из-за невозможности совместного заземления среднего вывода входного и вывода выходного фильтровых конденсаторов, а также неспособность преобразования низкого напряжения выходного фильтрового конденсатора в два повышенных напряжения конденсаторов входной двухконденсаторной стойки.

По технической сущности наиболее близким к предлагаемому устройству является последний из рассмотренных обратимых импульсных конверторов (прототип).

Основным техническим результатом предложения является повышение надежности и электромагнитной совместимости устройства за счет совместного заземления среднего вывода входного и вывода выходного фильтровых конденсаторов.

Дополнительным техническим результатом предложения является расширение функциональных возможностей устройства, а именно - возможности обратного преобразования низкого выходного напряжения в два повышенных входных напряжения. Указанные технические результаты обеспечиваются БЛАГОДАРЯ тому, что в обратимый импульсный конвертор, содержащий, фильтровые входную двухконденсаторную стойку и выходной конденсатор, дроссель с первой обмоткой, первый и второй электронные модулирующие ключи, выпрямительные диоды и схему управления с первым и вторым модулирующими выходными выводами, подключенными к управляющим выводам соответствующих модулирующих электронных ключей, первый из которых своим первым силовым выводом подключен к первому выводу первой обмотки дросселя, ВВЕДЕНЫ двунаправленный и однонаправленный электронные ключи, управляющие выводы которых подключены к дополнительным выходным выводам, ВВЕДЕННЫМ в схему управления, а в дроссель ВВЕДЕНА вторая обмотка, имеющая с первой общий магнитопровод и подключенная своими первым и вторым выводами через первый и второй диоды к первому и второму выводам, соответственно, первой дроссельной обмотки и первым выводом - к среднему выводу входной конденсаторной стойки и к первому выводу выходного конденсатора, который своим вторым выводом через двунаправленный ключ подключен ко второму выводу первой дроссельной обмотки и через второй модулирующий ключ, зашунтированный согласно - последовательно между собой соединенными вторым и третьим диодами, а также через однонаправленный ключ, зашунтированный обратным четвертым диодом, - к первому крайнему выводу входной конденсаторной стойки, второй крайний вывод который подключен ко второму силовому выводу первого модулирующего ключа, зашунтированного обратным пятым диодом, а также БЛАГОДАРЯ тому, что его схема управления ВЫПОЛНЕНА с возможностью формирования широтно-регулируемых импульсов на обоих своих модулирующих выходных выводах при прямом преобразовании повышенных напряжений входной двухконденсаторной стойки в низкое напряжение выходного конденсатора и формирования аналогичных импульсов на своем втором модулирующим выходном выводе при обратном преобразовании; при этом при прямом преобразовании также подачи отпирающих сигналов на своих дополнительных выводах, подключенных к двунаправленному и однонаправленному ключам, а при обратном преобразовании - также подачи отпирающего сигнала на своем дополнительном выводе, подключенном к двунаправленному ключу.

Лабораторные испытания макета устройства и исследования на компьютерной модели подтверждают возможность широкого его промышленного использования. На Фиг. представлена структурно-принципиальная схема предлагаемого обратимого импульсного конвертора.

Обратимый импульсный конвертор содержит фильтровые входную двухконденсаторную стойку 1, 2 и выходной конденсатор 3, дроссель 4 с первой обмоткой 5, первый и второй электронные модулирующие ключи 6, 7, выпрямительные диоды 8, 9, 10, 11, 12 и схему управления 13 с первым и вторым модулирующими выходными выводами 14, 15, двунаправленный и однонаправленный электронные ключи 16 и 17. Схема управления имеет также дополнительные выходные выводы 18, 19, 20, а дроссель содержит также вторую обмотку 21, имеющую с его первой обмоткой общий магнитопровод. Устройство также имеет входные выводы 22, 23 повышенного постоянного напряжения, выходной вывод 24 низкого потенциала и общий вывод заземления 25. Первый и второй дополнительные выводы 18 и 19 схемы управления 13 подключены к управляющим выводам двунаправленного электронного ключа 16, а третий вывод 20 - к управляющему выводу однонаправленного ключа 17.

Первый модулирующий электронный ключ 16 своим первым силовым выводом подключен к первому выводу первой обмотки дросселя 4. вторая обмотка 21 дросселя 4 подключена своими первым и вторым выводами через первый и второй диоды 8 и 9 к первому и второму выводам, соответственно, первой дроссельной обмотки 5 и первым выводом - к среднему выводу входной конденсаторной стойки 1, 2 и к первому выводу выходного конденсатора 3, который своим вторым выводом через двунаправленный ключ 16 подключен ко второму выводу первой дроссельной обмотки 5 и через второй модулирующий электронный ключ 7, зашунтированный согласно-последовательно между собой соединенными вторым и третьим диодами 9, 10, а также через однонаправленный ключ 17, зашунтированный обратным четвертым диодом 11, - к первому крайнему выводу входной конденсаторной стойки 1, 2. Второй крайний вывод этой стойки подключен ко второму силовому выводу первого модулирующего ключа 6, зашунтированного пятым диодом 12.

Схема управления 13 выполнена с возможностью формирования широтно-регулируемых импульсов на обоих своих модулирующих выходных выводах 14, 15 при прямом преобразовании повышенных напряжений входной двухконденсаторной стойки 1, 2 в низкое напряжение выходного конденсатора 3 и формирования аналогичных импульсов на своем втором модулирующем выходном выводе 15 при обратном преобразовании низкого напряжения выходного конденсатора 3 в повышенные напряжения входной конденсаторной стойки 1, 2; при этом при прямом преобразовании обеспечивается также подача отпирающих сигналов на своих дополнительных выводах 18, 19, 20 подключенных к двунаправленному ключу 16 и к однонаправленному ключу 17, а при обратном преобразовании - также подача отпирающего сигнала на своем дополнительном выводе 19, подключенном к двунаправленному ключу 16.

В качестве модулирующих электронных ключей 6 и 7 могут быть использованы транзисторы или двухоперационные (запираемые по управлению) тиристоры. В качестве двунаправленного электронного ключа 16 могут быть использованы два параллельно-встречно включенных тиристора или транзистора, либо два последовательно-встречно включенных полевых транзистора МОСФЕТ с внутренними обратными диодами, либо симистор с двумя раздельными управляющими выводами. В качестве однонаправленного электронного ключа 17 можно использовать транзистор или однооперационный тиристор. Сердечник магнитопровода дросселя 4 имеет антинасыщающий зазор.

Обратимый импульсный конвертор работает следующим образом. К входным выводам 22, 23 и 25 подключают источник постоянного повышенного напряжения со средним выводом или два аналогичных источника, соединенных между собой последовательно-согласно. К выходному выводу 24 и общему выводу заземления 25 подключают источник постоянного тока низкого напряжения. Источники имеют возможность принимать обратно рекуперируемую энергию (например, аккумуляторные батареи или электромашинные стартер-генераторы).

Сначала рассмотрим прямое преобразование повышенных напряжений U₁ и U ₂ на конденсаторах 1 и 2 входной фильтровой конденсаторной стойки в низкое напряжение U₃ на выходном фильтровом конденсаторе 3. Для этого на дополнительные выходные выводы 18 и 20 схемы управления 13 подаются отпирающие сигналы, включающие однонаправленный ключ 17 и двунаправленный ключ 16 (нижний тиристор). На модулирующие выходные выводы 14 и 15 схемы управления подаются широтно-регулируемые прямоугольные высокочастотные импульсы с синхронными фронтами и периодом модуляции Т, включающие модулирующие ключи 6 и 7 с интервалами импульсов t_И6 t_И7 соответственно. При включении ключей 6 и 7 токи в обмотках 5 и 21 дросселя 4 нарастают по цепям: 1-6-5-16-3-1 и 2-21-7-17-2 и благодаря согласному включению обмоток увеличивают их суммарное потокосцепление и электромагнитную энергию дросселя. Для упрощения рассмотрения примем условие t_И6=t_И7=t _{6, 7}. Тогда после одновременного выключения ключей 6 и 7 токи обмоток 5 и 21 дросселя будут частично спадать по цепям: 5-3-8-5 и 21-3-16-21, заряжая конденсатор 3. Далее указанные процессы циклически повторяются с периодом модуляции Т.

Таким образом, при прямом преобразовании обмотка 5 входит в состав классического понижающего конвертора, а обмотка 21 - в состав классического полярно-инвертирующего (понижающе-повышающего) конвертора.

Далее рассмотрим обратное преобразование низкого напряжения U₃ на конденсаторе 3 в повышенные напряжения U₁, и U₂ на конденсаторах 1 и 2. Для этого на дополнительный выходной вывод 19 схемы управления 13 подается отпирающий сигнал, включающий двунаправленный ключ 16 (верхний тиристор), а на модулирующий выходной вывод 15 подаются широтно-регулируемые прямоугольные высокочастотные импульсы с периодом Т и интервалами t_И7. При включении ключа 7 ток в обмотке 21 дросселя 4 нарастает по цепи: 3-16-7-10-21-3, увеличивая суммарное потокосцепление и электромагнитную энергию дросселя. После выключения ключа 7 в соответствии с электротехническим законом о непрерывности суммарного потокосцепления взаимоиндуктивно-связанных обмоток произойдет скачкообразное перераспределение указанного тока (потокосцепления) на две токовые цепи: 21-2-11-10-21 и 5-12-1-3-16-21, заряжающие конденсаторы 2 и 1, соответственно. Далее указанные процессы циклически повторяются с периодом модуляции Т.

Таким образом, при обратном преобразовании двухобмоточный дроссель 4 (трансреактор) образует цепи двух классических повышающих конверторов: полярно-инвертирующего (32) и обратноходового (31).

При обоих преобразованиях (прямом и обратном) наилучшие энергетические характеристики будут соответствовать условию непрерывности суммарного потокосцепления дросселя 4.

Из всего вышесказанного можно заключить следующее.

По сравнению с прототипом устройство имеет более высокую надежность и электромагнитную совместимость благодаря совместному заземлению среднего вывода входного 1, 2 и вывода выходного 3 фильтровых конденсаторов, позволяющему при заземлении корпуса устройства, а возможно и нулевого вывода питающей сети, подключенной через выпрямитель к входной стойке 1-2, исключить паразитные емкостные связи между узлами схемы и пути распространения электромагнитных помех, а также повысить электробезопасность при эксплуатации устройства.

Кроме указанного основного технического результата в предложенном устройстве по сравнению с прототипом достигается дополнительный технический результат: расширение функциональных возможностей устройства, а именно - обеспечение обратного преобразования низкого выходного напряжения на конденсаторе 3 в два повышенных входных напряжения на конденсаторах 1, 2, что является важным свойством при необходимости рекуперации энергии, например, при торможении электропривода или при взаимном резервировании сетей постоянного тока повышенного и низкого напряжений (например, в современных и перспективных авиационно-бортовых системах электроснабжения с напряжениями ±270 В и ±27 В.)

Обратимый импульсный конвертор, содержащий фильтровые входную двухконденсаторную стойку и выходной конденсатор, дроссель с первой обмоткой, первый и второй электронные модулирующие ключи, выпрямительные диоды и схему управления с первым и вторым модулирующими выходными выводами, подключенными к управляющим выводам соответствующих модулирующих электронных ключей, первый из которых своим первым силовым выводом подключен к первому выводу первой обмотки дросселя, отличающийся тем, что в него введены двунаправленный и однонаправленный электронные ключи, управляющие выводы которых подключены к дополнительным выходным выводам, введенным в схему управления, а в дроссель введена вторая обмотка, имеющая с первой общий магнитопровод и подключенная своими первым и вторым выводами через первый и второй диоды к первому и второму выводам, соответственно, первой дроссельной обмотки и первым выводом - к среднему выводу входной конденсаторной стойки и к первому выводу выходного конденсатора, который своим вторым выводом через двунаправленный ключ подключен ко второму выводу первой дроссельной обмотки и через второй модулирующий ключ, зашунтированный согласно последовательно между собой соединенными вторым и третьим диодами, а также через однонаправленный ключ, зашунтированный обратным четвертым диодом, - к первому крайнему выводу входной конденсаторной стойки, второй крайний вывод который подключен ко второму силовому выводу первого модулирующего ключа, зашунтированного обратным пятым диодом.

2. Обратимый импульсный конвертор по п.1, отличающийся тем, что его схема управления выполнена с возможностью формирования широтно-регулируемых импульсов на обоих своих модулирующих выходных выводах при прямом преобразовании повышенных напряжений входной двухконденсаторной стойки в низкое напряжение выходного конденсатора и формирования аналогичных импульсов на своем втором модулирующим выходном выводе при обратном преобразовании; при этом при прямом преобразовании также подачи отпирающих сигналов на своих дополнительных выводах, подключенных к двунаправленному и однонаправленному ключам, а при обратном преобразовании - также подачи отпирающего сигнала на своем дополнительном выводе, подключенном к двунаправленному ключу.