Обратимый преобразователь переменного и постоянного напряжений

Предлагаемая полезная модель относится к электротехнике и к импульсной силовой электронике предназначена для использования в авиационно-космических системах электроснабжения, в частности, в полностью электрифицированных самолетах. Техническим результатом предложения является повышение К.П.Д. и надежности устройства за счет рационального чередования режимов преобразования 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 1, 2 и 3, 4, включая общий заземленный нейтрально-нулевой вывод для подключения источника переменного тока с нейтральным выводом и нагрузки со средним нулевым выводом постоянного тока, два балластных дросселя 5, 6, входной фильтровый конденсатор 7 и выходную двухконденсаторную фильтровую стойку 8-9 с заземленным средним выводом, мостовой коммутатор с двумя параллельно соединенными однонаправленными двухключевыми стойками 10-11 и 12-13, однонаправленную двухключевую электронную стойку 14-15 и блок управления 16 с цепями 17 и 18 обратных связей по входным и выходным токам и напряжениям и основной группой 19 импульсно-модулирующих и релейных выходных выводов, ВВЕДЕНЫ четыре однонаправленные электронные диодно-ключевые стойки 20-21 и 22-23, образующие однофазный управляемый выпрямительный мост, а в блок управления ВВЕДЕНА дополнительная группа 24 импульсно-модулирующих выходных выводов, подключенных к управляющим выводам диодно-ключевых стоек выпрямительного моста, а также БЛАГОДАРЯ тому, что в его выпрямительный мост и в мостовой коммутатор ВВЕДЕНЫ по два снабберных конденсатора 25, 26 и 27, 28. В ф-ле 2п., илл. - 1.

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.

Устройство может осуществлять прямое и обратное (рекуперативное) преобразование электроэнергии, причем на этапах «положительного» и «отрицательного» полупериодов переменного напряжения питающего источника U_2-1. 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.

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_2-1 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=t_ИМП/T_ШИМ - коэффициент заполнения импульса с длительностью t_ИМП при широтно-импульсной модуляции с периодом T_ШИМ;

_Д=t_ДОЗЫ/T_ШИМ(1-_И) - относительная длительность передачи выходной дозы энергии дросселя.

|U_2-1| и U _З-1 - 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.

При очередном синхронном включении ключей 20 и 14 потокосцепление дросселя 5 нарастает вместе с током в цепи: 2-20-5-14-1 на интервале _ИT_ШИМ=t_ИМП. 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-_Д-_И)T_ШИМ (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_2-1| и U_З-1) на оставшемся интервале времени _ДT_ШИМ=t_ДОЗИР. После этого указанные процессы периодически повторяются, осуществляя преобразование энергии в соответствии с регулировочной характеристикой: .

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: _И и _Д, в отличии от режимов «повышения» и «понижения» напряжений при их заданных значениях U_2-1 и U_З-1 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 и*Tшим=tимп.	Цепи приблиз. сохранения тока дросселя на интервале (1-д-и)*Tшим	Цепи частичного спада тока дросселя на интервале д*Tшим=tдозы	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
		2	Понижение напряжения	2-20-5-10-8-1		5-10-8-1-22-5	UЗ-1=И·U2-1
		3	Накопление энергии	2-20-5-14-1
			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
		5	Понижение напряжения	3(8)-11-6-21-2(7)-1		6-21-2(7)-1-15-6	U2-1=И·UЗ-1
		6	Накопление энергии	3(8)-11-6-23-1
			Сохранение энергии		6-23-1-15-6
			Дозирование энергии			6-21-2(7)-1-15-6

1. Обратимый преобразователь переменного и постоянного напряжений, содержащий входные и выходные выводы, включая общий заземленный нейтрально-нулевой вывод для подключения источника переменного тока с нейтральным выводом и нагрузки постоянного тока со средним нулевым выводом, 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, отличающийся тем, что в него 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.

2. Обратимый преобразователь переменного и постоянного напряжений по п.1, отличающийся тем, 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.