RU172182U1 - Импульсный преобразователь напряжения - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к электротехнике и к импульсной силовой электронике и предназначена для использования в автономных комбинированных электротехнических комплексах постоянно-переменного напряжения, в частности - в источниках гарантированного и бесперебойного питания с модульно-масштабируемой архитектурой космических летательных аппаратов в качестве универсального модуля многофункционального импульсного преобразователя.Основным техническим результатом предложения является расширение функциональных возможностей устройства за счет взаимного преобразования дифференциальных постоянных и двух переменных напряжений в широких диапазонах действующих значений и частот.К дополнительным техническим результатам предложения относятся: повышение качества потребляемой и преобразованной электроэнергии за счет снижения коэффициентов несинусоидальности напряжений и токов, коррекции коэффициента мощности, стабилизации и выравнивания напряжений на дифференциальных внешних выводах постоянных напряжений, стабилизации амплитуды напряжения на вспомогательных внешних выводах переменного напряжения и обеспечения внешних вольтамперных характеристик с заданной жесткостью - от «источника тока» до «источника напряжения».Указанные технические результаты обеспечиваются благодаря тому, что в импульсный преобразователь напряжений, содержащий дифференциальные внешние выводы 1-2-3 постоянных напряжений и первую пару внешних выводов 4-5 переменного напряжения для подключения основного источника электропитания и нагрузки, двухконденсаторную фильтровую стойку 6-7, фильтровый конденсатор 8, инвертор синусоидального тока 9 со звеном высокой частоты, состоящий из балластного реактора 10, трансформатора 11 с первичной и вторичной обмотками 12 и 13, электронных модуляторной двухключевой и рекуперативной двухвентильных стоек 14-15 и 16-17, шунтирующего ключа 18 с обратным диодом и циклоконвертора с двунаправленными вентилями 19-20, а также блок управления 21 с выводами 22, 23 обратных связей и с основными импульсно-сигнальными и импульсно-модуляторными выводами 24 и 25, введены вторая пара внешних выводов 26-27 переменного напряжения для подключения дополнительного источника электроэнергии, мостовой коммутатор 28 с двунаправленными управляемыми ключами с 29 по 32 и однофазный Виенна-выпрямитель 33, состоящий из двухдиодной стойки 34-35, электронного двунаправленного ключа 36 и дроссельно-конденсаторной стойки 37-38, а блок управления снабжен дополнительными импульсно-модуляторными и импульсно-сигнальными выводами 39 и 40, и благодаря тому, что в него введен уравнительный делитель напряжений 41, состоящий из двухсекционного уравнительного реактора 42-43 и двух диодно-ключевых стоек 44-45 и 46-47, а блок управления снабжен вспомогательными импульсно-модуляторными выводами 48, а также благодаря тому, что в него введены пара вспомогательных внешних выводов 49-50 переменного напряжения для подключения нагрузки со стабилизированной амплитудой напряжения и индуктивно-емкостный фильтр 51-52. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Полезная модель относится к электротехнике и к импульсной силовой электронике и предназначена для использования в автономных комбинированных электротехнических комплексах постоянно-переменного напряжения, в частности - в источниках гарантированного и бесперебойного питания с модульно-масштабируемой архитектурой космических летательных аппаратов в качестве универсального модуля многофункционального импульсного преобразователя.

Известен импульсный преобразователь напряжений (аналог) - обратимый конвертор, содержащий пару входных внешних выводов для подключения источника электропитания постоянного напряжения и дифференциальные выходные внешние выводы для подключения дифференциальной нагрузки постоянных напряжений с возможным режимом рекуперации накопленной энергии в источник, зашунтированные фильтровыми конденсаторами, два двухобмоточных трансформаторных реактора (трансреактора), входной расщепленно-двухключевой модулятор с промежуточным накопительным конденсатором и устройством рекуперации энергии рассеяния трансреакторных обмоток, выходной модулятор с двумя коммутирующими и двумя шунтирующими электронными ключами и блок управления с цепями обратных связей и импульсно-модуляторными выводами (С. Резников, С. Климова, И. Харченко, В. Смирнов, В. Савостьянов. Резервно-аккумуляторные источники бесперебойного питания для автономных и сетевых систем электроснабжения со звеном постоянного повышенного напряжения//Силовая электроника, №2, 2016, с. 64-68, стр. 66, рис. 2).

К недостаткам указанного устройства (аналога) относятся: узкие функциональные возможности из-за неспособности взаимного преобразования постоянного и переменного и двух постоянных напряжений, относительно низкий КПД обратного преобразования с потерями в цепи разрядки промежуточного накопительного конденсатора и из-за жесткости коммутации электронных ключей в обоих направлениях преобразования, а также большие коммутационные помехоизлучения из-за жесткой коммутации.

Из известных устройств наиболее близким по технической сути к предлагаемому устройству является импульсный преобразователь напряжений (прототип) - двунаправленный инверторно-выпрямительный преобразователь, содержащий входные внешние выводы постоянного напряжения и выходные внешние выводы переменного напряжения для подключения источника электропитания и нагрузки, зашунтированные фильтровыми конденсаторами, инвертор синусоидального тока со звеном высокой частоты, состоящий из двухобмоточного трансформатора с двухсекционными обмотками, накопительно-демодуляторного балластного реактора, электронных модуляторной двухключевой и двух рекуператорных двухвентильных стоек шунтирующего электронного ключа, устройства рекуперации энергии рассеяния обмоток трансформатора в виде однотактного ключевого модулятора и циклоконвертора с двунаправленными управляемыми вентилями, демпферно-снабберные узлы для «мягкой» коммутации ключей, а также блок управления с цепями обратных связей по внешним токам и напряжениям и с импульсно-модуляторными и импульсно-сигнальными выводами (см. там же, стр. 66, рис. 2).

К недостаткам указанного известного устройства (прототипа) относятся: узкие функциональные возможности из-за неспособности взаимного преобразования дифференциальных постоянных и двух переменных напряжений в широких диапазонах действующих значений и частот, низкое качество потребляемой и преобразованной электроэнергии, а именно - высокие коэффициенты несинусоидальности (искажений) напряжений и токов, низкие значения коэффициентов мощности, а также неэффективные стабилизация и выравнивание напряжений на дифференциальных внешних выводах постоянных напряжений, неспособность стабилизации амплитуды переменного напряжения при питании от источника с нестабильным переменным напряжением и неспособность обеспечения внешних вольтамперных характеристик с заданной жесткостью - от «источника тока» до «источника напряжения».

Основным техническим результатом предложения является расширение функциональных возможностей устройства за счет взаимного преобразования дифференциальных постоянных и двух переменных напряжений в широких диапазонах действующих значений и частот.

К дополнительным техническим результатам предложения относятся: повышение качества потребляемой и преобразованной электроэнергии за счет снижения коэффициентов несинусоидальности напряжений и токов, коррекции коэффициента мощности, стабилизации и выравнивания напряжений на дифференциальных внешних выводах постоянных напряжений, стабилизации амплитуды напряжения на вспомогательных внешних выводах переменного напряжения и обеспечения внешних вольтамперных характеристик с заданной жесткостью - от «источника тока» до «источника напряжения».

Указанные технические результаты обеспечиваются благодаря тому, что в импульсный преобразователь напряжений, содержащий дифференциальные внешние выводы постоянных напряжений и первую пару внешних выводов переменного напряжения для подключения основного источника электропитания и нагрузки, двухконденсаторную фильтровую стойку, фильтровый конденсатор, инвертор синусоидального тока со звеном высокой частоты, состоящий из балластного реактора, трансформатора с первичной и вторичной обмотками, электронных модуляторной двухключевой и рекуперативной двухвентильных стоек, шунтирующего ключа с обратным диодом, циклоконвертора с двунаправленными вентилями, а также блок управления с выводами обратных связей и с основными импульсно-сигнальными и импульсно-модуляторными выводами, введены вторая пара внешних выводов переменного напряжения для подключения дополнительного источника электроэнергии, мостовой коммутатор с двунаправленными управляемыми ключами и однофазный Виенна-выпрямитель, состоящий из двухдиодной стойки, электронного двунаправленного ключа и дроссельно-конденсаторной стойки, а блок управления снабжен дополнительными импульсно-модуляторными и импульсно-сигнальными выводами, и благодаря тому, что в него введен уравнительный делитель напряжений, состоящий из двухсекционного уравнительного реактора и двух диодно-ключевых стоек, а блок управления снабжен вспомогательными импульсно-модуляторными выводами, а также благодаря тому, что в него введены пара вспомогательных внешних выводов переменного напряжения для подключения нагрузки со стабилизированной амплитудой напряжения и индуктивно-емкостный фильтр.

Экспериментальные исследования лабораторного макета и компьютерное моделирование предлагаемого устройства подтвердили его работоспособность и целесообразность широкого промышленного использования.

На чертеже представлены силовая схема и каналы управления предлагаемого импульсного преобразователя напряжений.

Импульсный преобразователь напряжений содержит: дифференциальные внешние выводы 1-2-3 постоянных напряжений, первую пару внешних выводов 4-5 переменного напряжения, включая заземленные, для подключения основного источника электропитания и нагрузки, двухконденсаторную фильтровую стойку 6-7 с заземленным средним выводом, шунтирующую внешние выводы постоянного напряжения, фильтровый конденсатор 8 с заземленным первым выводом и инвертор синусоидального тока 9 со звеном высокой частоты. Указанный инвертор состоит из балластного реактора 10, трансформатора 11 с первичной и вторичной двухсекционными обмотками 12 и 13, электронных модуляторной двухключевой и рекуперативной двухвентильных управляемых стоек 14-15 и 16-17, шунтирующего ключа 18, зашунтированного обратным диодом (внутренним или внешним), и циклоконвертора в виде двухвентильной стойки 19-20 с двунаправленными вентилями (например, симисторами или встречно-параллельными тиристорными парами).

Устройство содержит также блок управления 21 с выводами 22, 23 обратных связей по токам и напряжениям и с основными импульсно-сигнальными и импульсно-модуляторными выводами 24 и 25. Устройство также содержит вторую пару внешних выводов 26-27 переменного напряжения для подключения дополнительного источника электроэнергии, мостовой четырехплечевой коммутатор 28 с двунаправленными управляемыми ключами 29-30 и 31-32 и однофазный Виенна-выпрямитель 33 с удвоением амплитуды напряжения и коррекцией коэффициента мощности, состоящий из выпрямительной двухдиодной стойки 34-35, электронного двунаправленного ключа 36 и дроссельно-конденсаторной стойки 37-38, зашунтированной этим ключом. Блок управления имеет также дополнительные импульсно-модуляторные выводы 39 и импульсно-сигнальными выводы 40. Кроме перечисленного устройство содержит уравнительный делитель напряжений 41, состоящий из двухсекционного уравнительного реактора 42-43 с заземленным средним межсекционным выводом и двух диодно-ключевых стоек 44-45 и 46-47. Блок управления имеет также вспомогательные импульсно-модуляторные выводы 48. Устройство помимо указанного содержит пару вспомогательных внешних выводов 49-50 переменного напряжения для подключения нагрузки со стабилизированной амплитудой напряжения и индуктивно-емкостный Г-образный фильтр 51-52.

Кроме всего перечисленного на чертеже показаны демпферно-снабберные узлы, установленные в полной аналогии с прототипом и состоящие из демпферных дросселей 53, 54, снабберных конденсаторов 55, 56 и зарядно-разрядных двухдиодных стоек 57-58, 59-60 и аналогичных элементов для демпферно-снабберного узла обеспечения «мягкой» коммутации шунтирующего ключа 18 (61, 62, 63, 64).

Модуляторная двухключевая стойка 14-15 своим средним выводом подключена к первому крайнему выводу фильтровой стойки 6-7, а своими крайними выводами подключена к крайним выводам первичной обмотки 12 трансформатора 11 со средним межсекционным выводом, заземленным через балластный реактор 10, и к крайним выводам рекуператорной двухвентильной стойки 16-17 со средним выводом, заземленным через шунтирующий ключ 18. Дроссельно-конденсаторная стойка 37-38 Виенна-выпрямителя 33 включена своими крайними выводами между соседними выводами выпрямительной двухдиодной стойки 34-35 и фильтровой стойки 6-7. Мостовой коммутатор 28 своей первой парой диагональных выводов подключен к незаземленным внешним выводам 4 и 26 первой и второй их пар (4-5 и 26-27) внешних выводов переменного напряжения, а своей второй парой диагональных выводов подключен к средним выводам дроссельно-конденсаторной стойки 37-38 Виенна-выпрямителя 33 и двухвентильной стойки 19-20 циклоконвертора.

Каждая из диодно-ключевых стоек 44-45 и 46-47 уравнительного делителя напряжений 41 своим средним выводом подключена к соответствующему крайнему выводу уравнительного реактора 42-43, а своими крайними выводами шунтирует крайние выводы фильтровой стойки 6-7. Индуктивно-емкостный Г-образный фильтр 51-52 подключен своим крайним дроссельным выводом к среднему выводу двухдиодной стойки 34-35 Виенна-выпрямителя, а выводами конденсатора 52 - к вспомогательным внешним выводам 49-50, из которых один (50) заземлен. Адреса подключения основных и дополнительных импульсно-модуляторных и импульсно-сигнальных выводов 24, 25, 39, 40 и 48 блока управления 21 к управляющим выводам электронных ключей и вентилей показаны на чертеже.

В качестве всех вышеуказанных однонаправленных электронных ключей могут использоваться ключевые транзисторы или двухоперационные (запираемые по управлению) тиристоры, в качестве двунаправленного ключа - диодно-транзисторные пары (как на чертеже), в качестве всех однонаправленных вентилей - обычные (однооперационные) тиристоры, в качестве двунаправленных вентилей (19, 20) - симисторы или встречно-параллельные тиристорные пары, а в качестве двунаправленных ключей (29-32) коммутатора (28) - электромеханические реле или контакторы (или твердотельные полупроводниковые реле в случае допустимости гальванических утечек токов).

Импульсный преобразователь напряжений работает следующим образом. На импульсно-модуляторных выводах блока управления, управляющих ключами, формируются высокочастотные прямоугольные импульсы с постоянным периодом широтно-импульсной модуляции (Т_шим) и регулируемой длительностью импульса: t_и=γ_и⋅Т_шим/2, где γ_и - коэффициент заполнения (относительная длительность) импульса, регулируемый в зависимости от величин и знаков разностей между сигналами в цепях обратных связей и эталонных. На импульсно-сигнальных выводах, управляющих вентилями, формируются кратковременные (игольчатые) одиночные импульсы или «пачки» импульсов с низкими частотами следования, соответствующими частотам синусоидальных напряжений на внешних выводах переменных напряжений.

Устройство может выполнять следующие функции, работая в соответствующих режимах: 1) обратимое преобразование постоянных напряжений (униполярного или дифференциальных) в постоянное (другого регулируемого или/и стабилизированного уровней) с гальванической развязкой и переключаемой полярностью выхода, т.е. режим обратимого конвертора с реверсивным выходом; 2) обратимое преобразование постоянных напряжений (униполярного или дифференциальных) в переменное однофазное (регулируемой или/и стабилизируемой амплитуды) или в регулируемый переменный ток нагрузки (например, сети или синхронного электродвигателя) с произвольно заданным или изменяющимся напряжением, т.е. режим регулируемого двунаправленного инверторно-выпрямительного преобразователя; 3) совместное преобразование переменного напряжения с нестабильными частотой и амплитудой (например, от электромашинного магнитоэлектрического генератора при нестабильной скорости вращения) в постоянные напряжения (униполярное или дифференциальные) и в переменные напряжения двух видов: а) с той же частотой, но со стабильной амплитудой и б) со стабильными частотой и амплитудой, т.е. режимы выпрямителя, преобразователя частоты и стабилизатора переменного напряжения. В указанных режимах осуществляются коррекция коэффициента мощности и уравнительное деление постоянных напряжений.

Рассмотрим работу устройства в этих трех режимах в указанной последовательности.

1. Режим обратимого конвертора с реверсивным выходом (U_1-2=U_3-2+U_1-3<=>±U_4-5).

Внешние выводы постоянных напряжений 1-2-3 подключают к источнику униполярного или дифференциальных постоянных напряжений (во втором случае - с заземленным среднепотенциальным выводом). Первую пару внешних выводов 4-5 подключают к нагрузке постоянного напряжения с возможным реверсом полярности напряжения и рекуперации электроэнергии. Примером использования этого режима может служить устройство питания реверсивного электропривода постоянного тока от звена постоянного повышенного напряжения (дифференциального или униполярного), а также от резервной аккумуляторной батареи автономной системы электроснабжения (например, летательного аппарата или наземного транспорта). Заметим, что если при этом используется реверсивный электропривод с режимом рекуперативного торможения, то для возврата энергии торможения (причем - вплоть до остановки) в источник питания можно также использовать рассматриваемое устройство.

1.1. При прямом питании нагрузки от источника (U_1-2=U_3-2+U_1-3=>±U_4-5) возможны (как и в прототипе) два случая (режима), в зависимости от соотношения напряжений питания U_3-2 и нагрузки U_4-5, приведенной к первичной обмотке 12 трансформатора: а) режим понижения и б) режим повышения напряжения.

В режиме понижения напряжения ключи 14, 15 инвертора высокочастотно-поочередно включаются на время импульса: t_и=γ_и⋅Т_шим/2. После очередного включения, например, ключа 14 ток (I) балластного реактора (а также его потокосцепление и электромагнитная энергия) нарастает по цепи: 7-10-(секция 12)-14- -54-7 (этап dI/dt>0). Одновременно с ним нарастает ток, индуцированный трансформатором 11 в цепи: (секция 13)-20-8-(секция 13), заряжая фильтровый конденсатор 8 и формируя на внешних выводах 4-5 при постоянно включенном ключе 30 коммутатора 28 постоянное напряжение U_4-5 (с положительным направлением, т.е. потенциалом V₄>0). Затем одновременно выключается ключ 14 и включается рекуператорный вентиль 16 и шунтирующий ключ 18, а вентиль 20 циклоконвертора остается включенным. При этом ток реактора 10 частично (или полностью) спадает под действием противоЭДС секции первичной обмотки 12 по цепям: 10-(секция 12)-16-6-10 и (секция 13)-20-8-(секция 13), продолжая заряжать конденсатор 8 за счет основной электромагнитной энергии реактора 10 и возвращая энергию индуктивности рассеяния обмотки 12 трансформатора в конденсатор 6 фильтровой стойки 6-7 (для ее дальнейшего использования) за время: Т_шим/2-t_и=(1-γ_и)⋅T_шим/2. Далее указанные процессы высокочастотно-периодически качественно повторяются с поочередным участием ключей 14 и 15, питая нагрузку.

В режиме повышения напряжения на каждом полупериоде Т_шим/2 сначала одновременно включаются оба ключа 14 и 15 на время: t_и=γ_и⋅Т_шим/2, после чего происходит нарастание тока балластного реактора 10 (этап dI/dt>0) по цепям: 7-10-(1-я секция 12-14)//(2-я секция 12-15)-7 с накоплением дозы электромагнитной энергии в реакторе. Затем один из ключей 14 и 15 (14 - на первом полупериоде Т_шим и 15 - на втором) выключается при одновременном включении соответствующего (смежного) вентиля 16 или 17, а второй ключ и второй вентиль остаются, соответственно, включенным и выключенным. Например, выключили ключ 14, а включили вентиль 16 (при этом ключ 15 остается включенным, а вентиль 17 выключенным). Тогда (на этапе dI/dt<0) происходит частичное (или полное) спадание тока реактора по цепям: 10-(2-я секция 12 (с противоЭДС))-15-7-10 (с добавлением энергии источника в нагрузку) и 10-(1-я секция 12)-16-6-10 (с возвращением части энергии реактора и энергии индуктивности рассеяния обмотки 12 в конденсатор 6 фильтровой стойки 6-7 (для дальнейшего ее использования в нагрузке посредством передачи в конденсатор 7 через уравнительный делитель напряжения 41). Далее указанные процессы высокочастотно-периодически повторяются, осуществляя питание нагрузки в этом режиме. Необходимо указать, что режим повышения напряжения нежелателен из-за большой внутренней реактивной (регулярно рекуперируемой) мощности, определяемой возвращением дозы энергии и из-за необходимости для его реализации поддерживать соотношение между напряжениями конденсаторов 6 и 7 фильтровой стойки: U₆>2U₇. Поэтому рекомендуется выбирать коэффициент трансформации трансформатора 11 таким образом, чтобы всегда обеспечивать режим понижения напряжения, а именно: k_тр=N₁₃/N₁₂>(U₇/U₆)_max, где N₁₃ и N₁₂ - числа витков первичной и вторичной обмоток трансформатора 11, U₆ и U₇ напряжения на конденсаторах фильтровой стойки 6-7, a (U₇/U₆)_max - максимальное значение отношения U₇ к U₆.

Для обеспечения реверса выходного напряжения U_4-5 необходимо в циклоконверторе в составе конвертора 9 вместо внешних вентилей в парах 19 и 20 использовать внутренние вентили с противоположными направлениями проводимости.

1.2. При обратном (рекуперативном) преобразовании (±U_4-5<=>U_1-2=U_3-2+U_1-3) в мостовом коммутаторе 28 вместо вентиля 30 включается вентиль 29, подключая незаземленный внешний вывод 4 к среднему выводу дроссельно-конденсаторной стойки 37-38 Виенна-выпрямителя 33. В этом случае его корректор коэффициента мощности на базе дросселя 37 и ключа 36 вместе с двухдиодной стойкой 34-35 будут выполнять функцию повышающего (бустерного) полярно-повторяющего непосредственного конвертора с полярно-реверсивным питанием. При положительном потенциале вывода 4 каждое очередное включение ключа 36 вызывает нарастание тока дросселя 37 в направлении к заземлению (влево на чертеже), а последующее выключение ключа вызывает спадание этого тока через диод 34 и конденсатор 6, осуществляя его зарядку по цепи: 37-34-6-(цепь заземления)-5-4-29-37 с добавлением накопленной дозы энергии дросселя к рекуперируемой из нагрузки обратно в конденсатор 6. При отрицательном потенциале вывода 4 аналогичным образом заряжается конденсатор 7, но при противоположном направлении тока дросселя 37 (вправо на чертеже) по цепи: 37-29-4-5-(цепь заземления)-7-35-37.

Так как указанное преобразование имеет режим повышения напряжения, то оно способно использоваться в широком диапазоне скоростей электропривода с рекуперативным торможением - почти вплоть до остановки электродвигателя (когда ЭДС его якорной обмотки приближается к нулю).

Если требуется при осуществлении режима рекуперации также обеспечить гальваническую развязку между цепями источника и нагрузки, то оба преобразования (питание нагрузки и рекуперация ее энергии в источник) необходимо проводить через трансформаторное звено высокой частоты, т.е. от выводов 1-2-3 к выводам 4-5.

2. Режим регулируемого двунаправленного инверторно-выпрямительного преобразователя.

2.1. При инверторном преобразовании (U_1-2=U_3-2+U_1-3=>~U_4-5) также рекомендуется режим понижения напряжения (U_1-3=U_3-2>U_{секции12}), звено высокой частоты (11, 14-15, 16, 17, 18) работает вышеописанным образом, но по следующему алгоритму: с помощью регулирования блоком управления 21 двух взаимонезависимых параметров широтно-импульсной модуляции: γ_и и γ_п (при сравнении сигналов в цепях 22, 23 обратных связей с эталонными синусными сигналами) в балластном реакторе 10 формируется модульно-синусно-пульсирующий ток по закону: I(t)=I₀⋅|sin(ωt)|, который с помощью низкочастотных переключений направлений выпрямления в циклоконверторе 19-20 преобразуется в синусоидальный ток: I(t)=I₀⋅|sin(ωt)| в цепи внешних выводов 26-27 (при замкнутом ключе 32 коммутатора 28), в случае стабильности величины: ω=2πƒ, где ƒ - частота (например, 400 Гц), или в цепи внешних выводов 4-5 (при замкнутом ключе 30 коммутатора 28) в случае нестабильности или регулируемости частоты/(например, 360....800 Гц или от 0 до 360 Гц).

2.2. При выпрямлении переменного напряжения, например - с нестабильными параметрами частоты и амплитуды (U_4-5) в коммутаторе 28 включен ключ 29, и указанное напряжение подводится к фильтровому конденсатору 38 Виенна-выпрямителя 33. На каждом периоде T_шим на первом интервале: t_и=γ_и⋅Т_шим включается двунаправленный ключ 36, вызывая нарастание тока (dI/dt) в дросселе 37, а на втором интервале: T_шим-t_и=(1-γ_и)⋅T_шим после выключения ключа 36 происходит частичное (или полное) спадание этого тока (dI/dt<0) по одной из цепей зарядки фильтровой стойки 6-7: 37-34-6-38-37 или 37-38-7-35-37, в зависимости от полупериода напряжения: U_4-5. При этом за счет одновременного регулирования амплитуды и фазы синусоидального эталонного сигнала и регулирования параметра γ_и (коэффициента заполнения импульса) осуществляется формирование синусоидального тока в питающей цепи (4-5), синхронизированного с питающим напряжением (U_4-5), т.е. проводятся коррекция коэффициента потребляемой мощности (К_м≈1), а также стабилизация среднего значения выпрямленных дифференциальных напряжений: U_1-3 и U_3-2.

3. Совместное преобразование переменного напряжения (U_4-5) с нестабильными частотой и амплитудой в постоянные напряжения: U_1-3 и U_3-2 (выпрямление) и в переменные двух видов: а) с той же частотой, но со стабильной амплитудой (U_49-50, т.е. стабилизацией напряжения) и б) со стабильными (или регулируемыми) частотой и амплитудой (U_26-27, т.е. преобразование частоты).

3.1. Одновременно с указанным в п. 2.2 выпрямлением происходит стабилизация амплитуды переменного напряжения на внешних выводах 49-50 (U_0/49-50=const) за счет их периодического шунтирования через Г-образный фильтр 51-52 и поочередно проводящие выпрямительные диоды 24, 25.

Для обеспечения устойчивости и повышения точности регулирования формы потребляемого переменного тока (коррекции коэффициента мощности) и стабилизации выпрямленных напряжений в этом режиме одновременно производится управление уравнительным делителем напряжения 41 вышеописанным способом.

3.2. Преобразование частоты (и одновременно - амплитуды) переменного напряжения (U_4-5) в переменное напряжение (U_26-27) осуществляется за счет использования промежуточных звеньев постоянного напряжения (фильтровая стойка 6-7) и высокой частоты (11-18). В этом режиме постоянно включены ключи 29 и 32 мостового коммутатора 28 и одновременно происходят процессы, описанные в пп. 2.1 и 2.2.

При всех вышеперечисленных режимах благодаря демпферно-снабберным узлам обеспечивается «мягкая» коммутация основных модуляторных ключей (включения при нулевых токах, а выключения - при нулевых напряжениях), а также защита этих ключей от коммутационных перенапряжений. При этом снабберные конденсаторы (55, 56 и 62) заряжаются после выключений шунтируемых ими ключей через демпферные дроссели (53, 54 и 61) и зарядные диоды (57, 59 и 63) и полностью разряжаются в цепь балластного реактора через эти ключи, через разрядные диоды (58, 60 и 64) и другие ключи, подключенные к реактору через первичную обмотку трансформатора по цепям: 55-58-61-18-10-12-14-55; 56-60-61-18-10-12-15-56 и 62-18-10-12-14-64-62. Указанная «мягкая» коммутация с помощью нерассеивающих (тепла) узлов снижает коммутационные тепловые потери (повышает КПД) и помехоизлучения (как и в прототипе).

Таким образом, по сравнению с прототипом в предлагаемом устройстве обеспечиваются основной технический результат: расширение функциональных возможностей устройства за счет взаимного преобразования дифференциальных постоянных и двух переменных напряжений в широких диапазонах действующих значений и частот, а также дополнительные технические результаты: повышение качества потребляемой и преобразованной электроэнергии за счет снижения коэффициентов несинусоидальности напряжений и токов, коррекции коэффициента мощности, стабилизации и выравнивания напряжений на дифференциальных внешних выводах постоянных напряжений, стабилизации амплитуды напряжения на вспомогательных внешних выводах переменного напряжения и обеспечения внешних вольтамперных характеристик с заданной жесткостью - от «источника тока» до «источника напряжения». Последний дополнительный результат позволяет использовать устройство в качестве универсального модуля при параллельном и последовательном наращивании мощности многофункционального импульсного преобразователя.

Claims (3)

1. Импульсный преобразователь напряжений, содержащий дифференциальные внешние выводы постоянных напряжений и первую пару внешних выводов переменного напряжения, включая заземленные, для подключения основного источника электропитания и нагрузки, двухконденсаторную фильтровую стойку с заземленным средним выводом, шунтирующую внешние выводы постоянного напряжения, фильтровый конденсатор с заземленным первым выводом, инвертор синусоидального тока со звеном высокой частоты, состоящий из балластного реактора, трансформатора с первичной и вторичной двухсекционными обмотками, электронных модуляторной двухключевой и рекуперативной двухвентильной управляемых стоек, шунтирующего ключа, зашунтированного обратным диодом, и циклоконвертора в виде двухвентильной стойки с двунаправленными вентилями, а также блок управления с выводами обратных связей по токам и напряжениям и с основными импульсно-сигнальными и импульсно-модуляторными выводами, подключенными, соответственно, к управляющим выводам двухвентильной стойки и модуляторной двухключевой стойки, которая своим средним выводом подключена к первому крайнему выводу фильтровой стойки, а своими крайними выводами подключена к крайним выводам первичной обмотки трансформатора со средним межсекционным выводом, заземленным через балластный реактор, и к крайним выводам рекуператорной двухвентильной стойки со средним выводом, заземленным через шунтирующий ключ, отличающийся тем, что в него введены вторая пара внешних выводов переменного напряжения для подключения дополнительного источника электроэнергии, мостовой четырехплечевой коммутатор с двунаправленными управляемыми ключами и однофазный Виенна-выпрямитель с удвоением напряжения и коррекцией коэффициента мощности, состоящий из выпрямительной двухдиодной стойки, электронного двунаправленного ключа и дроссельно-конденсаторной стойки, зашунтированной этим ключом и включенной своими крайними выводами между средними выводами указанной двухдиодной и фильтровой стоек, а блок управления снабжен дополнительными импульсно-модуляторными выводами, подключенными к управляющим выводам двунаправленного ключа Виенна-выпрямителя и импульсно-сигнальными выводами, подключенными к управляющим выводам мостового коммутатора, своей первой парой диагональных выводов подключенного к незаземленным выводам первой и второй пар внешних выводов переменного напряжения, а своей второй парой диагональных выводов подключен к средним выводам указанной дроссельно-конденсаторной стойки Виенна-выпрямителя и двухвентильной стойки циклоконвертора.

2. Импульсный преобразователь напряжений по п. 1, отличающийся тем, что в него введен уравнительный делитель напряжений, состоящий из двухсекционного уравнительного реактора с заземленным средним межсекционным выводом и двух диодно-ключевых стоек, а блок управления снабжен вспомогательными импульсно-модуляторными выводами, подключенными к управляющим выводам ключей этих диодно-ключевых стоек, каждая из которых своим средним выводом подключена к соответствующему крайнему выводу уравнительного реактора, а своими крайними выводами шунтирует крайние выводы фильтровой стойки.

3. Импульсный преобразователь напряжений по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в него введены пара вспомогательных внешних выводов переменного напряжения для подключения нагрузки со стабилизированной амплитудой напряжения и индуктивно-емкостный Г-образный фильтр, подключенный крайним дроссельным выводом к среднему выводу двухдиодной стойки Виенна-выпрямителя, а выводами конденсатора - к указанным вспомогательным внешним выводам, из которых один заземлен.

Images