Обратимый импульсный конвертор с обратноходовыми модуляторами

Авторы патента:

Полезная модель относится к электротехнике и к импульсной силовой электронике и предназначена для использования в качестве двунаправленного преобразователя постоянных напряжений в системах электроснабжения перспективных самолетов с полностью электрифицированным оборудованием - так называемых «полностью электрических самолетов». Основным техническим результатом предложения является повышение к.п.д. устройства. Дополнительным техническим результатом является повышение надежности устройства. Указанные технические результаты обеспечиваются БЛАГОДАРЯ тому, что в обратимый импульсный конвертор с обратноходовыми модуляторами, содержащий две пары внешних выводов 1-2 и 3-4 для подключения источника питания и нагрузки постоянного тока, трансформатор 5 с двумя обмотками 6, 7, два обратноходовых модулятора 8, 9, состоящих каждый из фильтрового конденсатора 10, шунтирующего пару внешних выводов устройства, двух электронных ключей 11, 12, двух выпрямительных диодов 13, 14 и двух снабберных конденсаторов 15, 16, а также блок управления 17 с двумя группами 18, 19 импульсно-модулирующих выходных выводов, подключенных каждая к управляющим выводам электронных ключей соответствующего модулятора, в каждый обратноходовой модулятор ВВЕДЕНЫ два блокирующих диода 20, 21 и управляемый вентиль 22, зашунтированный обратным диодом 23, а блок управления СНАБЖЕН двумя релейно-управляющими выходными выводами 24, 25, подключенными каждый к управляющему выводу управляемого вентиля соответствующего модулятора, и БЛАГОДАРЯ тому, что в каждый модулятор ВВЕДЕНЫ два полупроводниковых ограничителя 26, 27 напряжения, шунтирующих соответствующие снабберные конденсаторы В ф-ле 2 п., илл. - 1.

Известен обратимый (двунаправленный) импульсный конвертор с обратноходовыми модуляторами (аналог), содержащий два встречно-включенных обратимых обратноходовых (полярно-инвертирующих) модуляторно-выпрямительных полумостовых блока, зашунтированных по входу и выходу конденсаторными фильтрами, и блок управления (Патент 33274 на полезную модель от 10.10.2003 г. Обратимый импульсный преобразователь постоянных напряжений, Резников С.Б., Молочников А.Ю.).

К недостаткам известного обратимого (двунаправленного) импульсного конвертора с обратноходовыми модуляторами (аналога) относятся: отсутствие трансформаторной гальванической развязки между входом и выходом и низкая надежность из-за наличия цепей для «сквозных сверхтоков» при несанкционированных включениях двух транзисторов одной стойки (например, при воздействии электромагнитных помех в блоке управления), а также из-за использования энергоемких фильтровых электролитических конденсаторов с низкими показателями термостойкости, безотказности и срока службы.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому устройству является обратимый импульсный конвертор с обратноходовыми модуляторами (прототип), входящий в состав сварочного инверторного аппарата и содержащий два обратимых (двунаправленных) модуляторно-выпрямительных блока, зашунтированных емкостными фильтрами и гальванически развязанных с помощью трансформатора с антинасыщающим зазором в магнитопроводе, а также блок управления (В. Бардин, А. Пивкин, Зависимость КПД сварочного инвертора от характеристик тока, Силовая Электроника, 4, 2012 г, с. 51-53, стр. 51, рис. 1). В отличие от аналога он позволяет повысить показатели надежности - термостойкость и срок службы, исключив электролитические конденсаторы из состава емкостных фильтров и возложив их функцию на трансформатор (накопительный трансреактор) и используя для сохранения накопленной электромагнитной энергии закорачивающие его транзисторные цепи.

Основным недостатком известного обратимого импульсного конвертора с обратноходовыми модуляторами (прототипа) является низкий к.п.д. из-за большой внутренней реактивной мощности, определяемой большими рекуперативными токами через входные емкостные фильтры, возникающими из-за э.д.с. самоиндукции индуктивностей рассеяния трансформатора в сумме с э.д.с. взаимоиндукции.

Дополнительным недостатком прототипа является относительно низкая надежность из-за коммутационных перенапряжений на транзисторах вследствие вышеуказанных э.д.с. самоиндукции.

Основным техническим результатом предложения является повышение к.п.д. устройства. Дополнительным техническим результатом является повышение надежности устройства.

Указанные технические результаты обеспечиваются БЛАГОДАРЯ тому, что в обратимый импульсный конвертор с обратноходовыми модуляторами, содержащий две пары внешних выводов для подключения источника питания и нагрузки постоянного тока, трансформатор с двумя обмотками, два обратноходовых модулятора, состоящих каждый из фильтрового конденсатора, шунтирующего пару внешних выводов устройства, двух электронных ключей, двух выпрямительных диодов и двух снабберных конденсаторов, а также блок управления с двумя группами импульсно-модулирующих выходных выводов, подключенных каждая к управляющим выводам электронных ключей соответствующего модулятора, в каждый обратноходовой модулятор ВВЕДЕНЫ два блокирующих диода и управляемый вентиль, зашунтированный обратным диодом, а блок управления СНАБЖЕН двумя релейно-управляющими выходными выводами, подключенными каждый к управляющему выводу управляемого вентиля соответствующего модулятора, и БЛАГОДАРЯ тому, что в каждый модулятор ВВЕДЕНЫ два полупроводниковых ограничителя напряжения, шунтирующих соответствующие снабберные конденсаторы

Экспериментальные исследования лабораторного макета устройства и компьютерное моделирование подтвердили его работоспособность и целесообразность широкого промышленного использования в системах электроснабжения перспективных самолетов.

На чертеже (Фиг.) представлены структура предлагаемого обратимого импульсного конвертора с обратноходовыми модуляторами, принципиальная силовая схема указанных модуляторов и внешние цепи блока управления.

Обратимый импульсный конвертор с обратноходовьми модуляторами содержит: две пары внешних выводов 1-2 и 3-4 для подключения источника питания и нагрузки постоянного тока, трансформатор 5 с двумя обмотками 6, 7, выполненный с антинасыщающим зазором в магнитопроводе, и два одинаковых обратноходовых модулятора 8, 9. Каждый обратноходовой модулятор состоит из фильтрового конденсатора 10, шунтирующего пару внешних выводов, двух электронных ключей 11, 12, двух выпрямительных диодов 13, 14 и двух снабберных конденсаторов 15, 16, шунтирующих электронные ключи через выпрямительные диоды 13, 14. Устройство содержит также блок управления 17 с двумя группами 18, 19 импульсно-модуляторных выходных выводов, подключенных каждая к управляющим выводам электронных ключей соответствующего модулятора. Каждый модулятор имеет также два блокирующих диода 20, 21 и управляемый вентиль 22, зашунтированный обратным диодом 23. Блок управления имеет также два релейно-управляющих выходных вывода 24, 25. Каждый обратноходовой модулятор имеет также два полупроводниковых ограничителя напряжения 26, 27.

Обратноходовые модуляторы 8, 9 включены каждый между соответствующей парой 1-2 и 3-4 внешних выводов устройства и соответствующей обмоткой 6,7 трансформатора 5. Каждый электронный ключ 11, 12 модулятора соединен своим первым силовым выводом с соответствующим выводом обмотки 6 трансформатора 5. Снабберные конденсаторы 15, 16 через соответствующие выпрямительные диоды 13, 14 подключены к соответствующим электронным ключам 11, 12. Управляемый вентиль 22 каждого модулятора своими силовыми выводами подключен через последовательно между собой соединенные встречно с ним направленные первый блокирующий диод 20 и первый электронный ключ 11, обмотку 6 трансформатора 5 и встречно с ним направленные второй электронный ключ 12 и второй блокирующий диод 21 к соответствующей паре внешних выводов 1-2 и 3-4 устройства.

Группы 18, 19 импульсно-модулирующих выходных выводов блока управления 17 подключены каждая к управляющим выводам электронных ключей 11, 12 соответствующего модулятора 8, 9, а релейно-управляющие выходные выводы 24, 25 блока управления 17 подключены каждый к управляющему выводу управляемого вентиля 22 соответствующего модулятора 8, 9.

Блок управления 17 выполнен с возможностью подачи управляющих импульсов на свои релейно-управляющие выходные выводы 24 и 25 в зависимости от командного сигнала, соответствующего требуемому направлению преобразования электроэнергии, а именно: от внешних выводов 1-2 к выводам 3-4 или наоборот (прямое и обратное преобразование).

Обратимый импульсный конвертор с обратноходовыми модуляторами работает следующим образом. К входным выводам 1-2 устройства подключают первичный источник постоянного тока, например основную самолетную бортовую систему распределения постоянного повышенного напряжения (270 В). К выходным выводам 3-4 устройства подключают нагрузку постоянного тока, например, вспомогательную бортовую систему распределения постоянного низкого напряжения (27 В) с резервной аккумуляторной батареей. На группах 18, 19 импульсно-модуляторных выходных выводов и на релейно-управляющих выходных выводах 24, 25 блока управления 17 формируются соответственно широтно-модулированные прямоугольные импульсы с высокой частотой f_ШИМ=1/T_ШИМ широтно-импульсной модуляции и релейно-сигнальные импульсы в зависимости от командного сигнала, соответствующего требуемому направлению преобразования электроэнергии, например от входных внешних выводов 1-2 к выходным выводам 3-4 (прямое преобразование). При этом первый обратноходовой модулятор 8 работает в режиме широтно-импульсного модулятора прямоугольных импульсов, второй (9) - в режиме выпрямителя (демодулятора), а все устройство - в режиме понижающего конвертора. В исходном состоянии фильтровой конденсатор 10 и снабберные конденсаторы 15, 16 заряжены от источника питания непосредственно и через диоды 23, 20 и 21 с полярностями, указанными на чертеже.

При синхронном включении ключей 11, 12 за время импульса t_И происходит нарастание полного потокосцепления трансформатора вместе с токами в цепях его обмотки 6: 10-23-20-11-6-12-21-10; 15-11-6-12-21-15 и 16-20-11-6-12-16. По истечении регулируемого времени t_И второй ключ 12 выключается, а первый (11) остается включенным в течение длительности времени регулируемой паузы t_П. При этом происходит приблизительное сохранение наросшего потокосцепления и накопленной энергии трансформатора 5 вместе с незначительно спадающим током в короткозамкнутой обмотке 6 по цепи: 6-14-20-11-6. По истечении длительности t_П выключается также первый ключ 11 и включается вентиль 22 второго блока 9, работающего в режиме выпрямителя. После этого за оставшееся время (T_ШИМ-t_И -t_П) происходят передача части (дозы) электромагнитной энергии трансформатора 5 в нагрузку через цепь 7-14-22-10-13-7 модулятора 9 и через внешние выводы 3-4, а также одновременно - рекуперация энергии индуктивности рассеяния обмотки 6 трансформатора 5 в снабберные конденсаторы 15, 16 по параллельным цепям: 6-14-16-21-13-6 и 6-14-20-15-13-6. Здесь уместно заметить, что снабберные конденсаторы 15, 16 имеют гораздо меньшую суммарную электроемкость, чем фильтровый конденсатор 10, и поэтому заряжаются от ЭДС самоиндукции индуктивности рассеяния трансформатора до более высоких напряжений чем в прототипе, но ограниченных полупроводниковыми ограничителями 26, 27. Благодаря этому по сравнению с прототипом время () указанной рекуперации существенно сокращается, а следовательно сокращается энергия трансформатора WE_МI_{6 СР.}, возвращаемая под действием э.д.с. E_М взаимоиндукции в его обмотке 6 со средним током I_{6 СР.}=0,5I₆ (0) и, соответственно, существенно снижается внутренняя среднеимпульсная реактивная мощность , циркулируемая во входном модуляторе. Благодаря этому снижаются тепловые потери в элементах устройства и повышается его к.п.д. Далее вышеописанные процессы периодически повторяются с периодом T_ШИМ, осуществляя прямое преобразование энергии. Для осуществления обратного (рекуперативного) преобразования энергии (от выводов 3-4 к выводам 1-2) необходимо в блоке управления 17 поменять на взаимо-противоположные алгоритмы управления сигналами на его выходных выводах 18, 24 и выводах 19, 25.

Таким образом, в предлагаемом устройстве обеспечиваются основной технический результат: повышение к.п.д. устройства за счет снижения внутренней реактивной мощности а также дополнительный технический результат: повышение надежности устройства за счет непосредственного ограничения коммутационных напряжений на ключах с помощью шунтирующих снабберных конденсаторов с резервными полупроводниковыми ограничителями напряжения.

1. Обратимый импульсный конвертор с обратноходовыми модуляторами, содержащий две пары внешних выводов для подключения источника питания и нагрузки постоянного тока, трансформатор с двумя обмотками, два обратноходовых модулятора, включенных каждый между соответствующей парой внешних выводов устройства и выводами соответствующей обмотки трансформатора и состоящих каждый из фильтрового конденсатора, шунтирующего пару внешних выводов устройства, двух электронных ключей, двух выпрямительных диодов и двух снабберных конденсаторов, соединенных своими первыми выводами с первыми силовыми выводами соответствующих электронных ключей, а также блок управления с двумя группами импульсно-модуляторных выходных выводов, подключенных каждая к управляющим выводам электронных ключей соответствующего модулятора, соединенных каждый своим вторым силовым выводом с соответствующим выводом обмотки трансформатора, отличающийся тем, что в каждый обратноходовой модулятор введены два блокирующих диода и управляемый вентиль, зашунтированный обратным диодом, а блок управления снабжен двумя релейно-управляющими выходными выводами, подключенными каждый к управляющему выводу управляемого вентиля соответствующего модулятора, который своими силовыми выводами подключен через последовательно между собой соединенные первый блокирующий диод, первый электронный ключ, обмотку трансформатора, второй электронный ключ и второй блокирующий диод к соответствующей паре внешних выводов устройства, а каждый снабберный конденсатор включен последовательно с соответствующим выпрямительным диодом между силовыми выводами соответствующего электронного ключа.

2. Обратимый импульсный конвертор с обратноходовыми модуляторами по п.1, отличающийся тем, что в каждый модулятор введены два полупроводниковых ограничителя напряжения, шунтирующих соответствующие снабберные конденсаторы.