Конвертер

Обратимые трансформаторные импульсные конверторы для резервно-аккумуляторных источников бесперебойного питания

№ 5’2016
PDF версия
Работу можно рассматривать как модернизацию схемотехнических решений для обратимых трансформаторных и трансреакторных импульсных конверторов (ОТИК) в составе резервно-аккумуляторных источников бесперебойного питания (ИБП) с дифференциальным звеном постоянного повышенного напряжения (ДЗППН), опубликованных в журнале «Силовая электроника» (2016, № 2) [1]. Предлагаемые схемы ОТИК обеспечивают повышение КПД, надежности, удельной мощности, а также снижение помехоизлучений. Эти решения, защищенные приоритетом РФ, представляют интерес для широкого круга специалистов в области импульсной силовой электроники, в частности — авиационно-космических и других транспортных электротехнических комплексов.

В настоящее время наблюдается бурное развитие электрификации транспортных средств, мобильных средств связи, космических спутников и летательных аппаратов с использованием низковольтных химических генераторов, солнечных батарей, аккумуляторных и суперконденсаторных (ионисторных) батарей. Основной недостаток указанных первичных источников электропитания — их относительно низкое напряжение, а следовательно, большой потребляемый ток, существенно снижающий КПД вторичных источников электропитания (ВИЭП), в частности так называемых резервно-аккумуляторных источников бесперебойного питания (РА ИБП).

Основным типом ВИЭП и РА ИБП является импульсный конвертор (ИК) на базе низковольтных (сильноточных) полевых транзисторных ключей (типа MOSFET) с относительно малым сопротивлением канала. Поскольку требуется широкий диапазон уровней выходных напряжений ИК и желательно совмещать функции прямого (повышающего) и обратного (понижающего) преобразований, а также противоречивы требования к ключевым транзисторам по уровням токов и напряжений, то становится очевидной потребность в разработке высокоэффективных по КПД, удельной мощности и надежности обратимых импульсных преобразователей (ОИК) с согласующей электромагнитной гальванической развязкой: трансформаторной или трансреакторной, т. е. так называемых обратимых трансформаторных (трансреакторных) импульсных конверторов (ОТИК).

Следует отметить, что использование ОТИК на базе двухтактных высокочастотных инверторов прямоугольного напряжения (типа «меандр») с выходным выпрямителем, а если учесть обратимость преобразования — ОТИК в виде двух двунаправленных инверторно-выпрямительных преобразователей (ДИВП) с промежуточным трансформаторным звеном высокой частоты (ТЗВЧ) на базе трансформатора прямоугольного напряжения существенно затруднено при больших мощностях (от одного киловатта и более). Для реализации этого решения необходимы специальные антинасыщающие устройства симметрирования вольт-секундных параметров (интегралов) разнополярных импульсов питающего напряжения трансформатора (например, введение высоко­частотного разделительного конденсатора с относительно низкой надежностью и большими массой и габаритами или с быстродействующей микропроцессорной системой автоматической отрицательной обратной связи с низкой надежностью и помехоустойчивостью).

Поэтому представляется целесообразным рассмотреть два взаимноальтернативных конкурентоспособных варианта структур ОТИК в качестве ВИЭП для РА ИБП (рис. 1):

  • ОТИК на базе двухтактных ДИВП с балластными реакторами постоянного тока и промежуточного ТЗВЧ с трансформатором прямоугольного тока (ТПТ);
  • ОТИК на базе двух однотактных двунаправленных импульсных модуляторов/выпрямителей (ДИМ/В) и промежуточного трансреактора (Т–L).
Структуры ОТИК:  а) на базе двух двухтактных ДИВП с балластными реакторами постоянного тока (LБ1,2) и промежуточного ТЗВЧ с ТПТ;  б) на базе двух однотактных ДИМ/В и промежуточного трансреактора (T–L)

Рис. 1. Структуры ОТИК:
а) на базе двух двухтактных ДИВП с балластными реакторами постоянного тока (LБ1,2) и промежуточного ТЗВЧ с ТПТ;
б) на базе двух однотактных ДИМ/В и промежуточного трансреактора (T–L)

Оба варианта обеспечивают согласование входного и выходного преобразователей по напряжению и их гальваническую развязку, а также исключают насыщение магнито­провода трансформатора прямоугольного тока (ТПТ) и трансреактора без введения специальных симметрирующих устройств.

Ранее при участии авторов данной статьи было предложено несколько схемотехнических решений для реализации структур, показанных на рис. 1 [1, 2]. Данную статью можно рассматривать как модернизацию этих решений для ОТИК с целью повышения КПД и удельной мощности, а также снижения помехоизлучений. Данные решения защищены приоритетом РФ. На рис. 2 и 3 приведены две принципиальные силовые схемы ОТИК в соответствии с двумя структурами, представленными на рис. 1.

Показанные на рис. 2 ДИВП1 и ДИВП2 выполнены на базе одной и той же схемы, но с использованием различных транзисторных ключей — полевых и биполярных соответственно. Они дополнены однотипными (по схеме) уравнительными делителями напряжений (УДН1,2), выравнивающими напряжения на двух конденсаторных фильтровых стойках: Сф1–Сн и Сф2–Сф3, где Сн — накопительный (буферный) конденсатор для утилизации энергии и индуктивностей рассеяния секций первичной обмотки (N1–N2) ТПТ. Следует отметить, что в ДИВП2 роль Сн выполняет один из фильтровых конденсаторов (Сф2).

Принципиальная силовая схема ОТИК на базе двух двухтактных ДИВП с балластными реакторами постоянного тока (LБ1,2) и промежуточного ТЗВЧ с ТПТ

Рис. 2. Принципиальная силовая схема ОТИК на базе двух двухтактных ДИВП с балластными реакторами постоянного тока (LБ1,2) и промежуточного ТЗВЧ с ТПТ

Схема ДИВП отличается от известной схемы инвертора прямоугольного напряжения с двухсекционной первичной обмоткой трансформатора следующим:

  • наличием реактивного звена постоянного тока, превращающего его в «источник тока» (вместо «источника напряжения»), требующий в качестве нагрузки включить либо конденсатор, либо резистор (или их комбинацию), а также пригодный для параллельно-модульного расщепления;
  • наличием вентильных цепей (VS1,2–VDБЛ1 и VS3,4–VDБЛ2) для рекуперации энергии индуктивностей рассеяния секций обмоток трансформатора, исключающих коммутационные перенапряжения на транзисторных ключах (VT1,2);
  • введением цепей закорачивания токов реакторов и трансформаторных обмоток с помощью шунтирующих ключей (VTШ1,2) на промежуточных интервалах токозамыкающих пауз между интервалами нарастания и спада потокосцеплений в каждом периоде высокочастотной широтно-импульсной модуляции (Tшим), позволяющих повысить КПД трансформации тока и устойчивость процессов регулирования (стабилизации) выходных параметров и величины максимальных потокосцеплений путем дуального управления по двум взаимонезависимым параметрам: gнар и gп — относительным длительностям импульсов нарастания токов и токозамыкающих пауз соответственно;
  • использованием взаимоиндуктивной связи (М) между балластными реакторами (LБ1 и LБ2), позволяющей существенно повысить удельную мощность и КПД за счет прямо- и обратноходовой трансформации тока (минуя ТПТ);
  • обеспечением мягкой коммутации транзисторных ключей в результате введения нерассеивающих (тепло) демпферно-снабберных цепей (LД–CCH) с разрядкой снабберных конденсаторов на индуктивные ветви и дальнейшей утилизацией их энергии, что позволяет существенно повысить КПД и снизить помехоизлучения.

Уравнительные делители напряжений (УДН1 и УДН2) представляют собой дву­направленные «транспортеры заряда» на базе полярно-инвертирующего обратимого конвертора в виде четырехплечевого диодно-ключевого косого моста, зашунтированного по одной диагонали уравнительным двухсекционным реактором (Lур), а по другой — двухконденсаторной стойкой(Cф1–Сн и Сф2–Сф3). При высокочастотной модуляции одного из ключей происходит как прямоходовая, так и обратноходовая трансформация тока, что обеспечивает взаимовыравнивание напряжений на конденсаторах стойки. Достоинством схемы, помимо ее простоты, является исключение цепей для «сквозных сверхтоков» при несанкционированном включении обоих ключей (например, из-за воздействия на блок управления мощного электромагнитного импульса молнии).

Вторая схема ОТИК (рис. 3), так же как и первая, содержит в низковольтном (сильноточном) контуре только один ключ в цепи нарастания тока, что также обеспечивает ей в совокупности с мягкой коммутацией высокий КПД. В ней тоже имеются две двухконденсаторные стойки (Сф1–Сн и Сф1–Сф2). Однако вместо двухтактного трансформатора прямоугольного тока согласование напряжений и гальваническая развязка обеспечиваются двухобмоточным реактором (трансреактором Т–L). При этом в ДИМ/В-1 рекуперация энергии рассеяния первичной обмотки (L1) трансреактора осуществляется сначала в накопительный конденсатор (Сн), а уже из него — в фильтровый конденсатор (Сф1) через полярно-инвертирующий однотактный импульсный конвертор с промежуточным буферным конденсатором (СБ) по модернизированной «топологии Кука».

Принципиальная силовая схема ОТИК на базе двух однотактных ДИМ/В и промежуточного трансреактора (T–L)

Рис. 3. Принципиальная силовая схема ОТИК на базе двух однотактных ДИМ/В и промежуточного трансреактора (T–L)

Модернизация заключается в применении дополнительного рекуперативного трансреактора (Lp1–Lp2) с прямо- и обратно­ходовой трансформацией тока, что повышает эффективность узла рекуперации (КПД и удельную мощность). Здесь, как и в первой схеме, обеспечивается мягкая коммутация низковольтного силового ключа (VT1) с помощью нерассеивающей демпферно-снабберной цепочки (Lд–Ссн) и диодно-ключевой зарядно-разрядной стойки (VDзар–VTp). Во втором ДИМ/В (ДИМ/В–2–УДН) совмещены функции модулятора, выпрямителя и уравнительного делителя напряжений ДЗППН. Как и в первой схеме, здесь используется двустороннее шунтирование обмоток трансреактора (ключами VTш1,2) в токозамыкающих паузах для повышения КПД трансформации тока и повышения устойчивости замкнутой системы регулирования (стабилизации).

Следует также отметить еще одно общее достоинство обеих предложенных схем: отсутствие реверса в полном потокосцеплении балластных реакторов (LБ1,2) и трансреактора (Т–L) при переключениях направлений преобразования электроэнергии (от АБ к ДЗППН и обратно), что существенно повышает быстродействие переключений и, следовательно, качество переходных процессов в замкнутой системе регулирования и стабилизации.

Экспериментальные исследования лабораторных макетов и компьютерно-имитационное моделирование предложенных схемотехнических решений для ОТИК подтвердили их работоспособность, а также высокие (приблизительно соизмеримые) массо-энергетические характеристики и низкие уровни помехоизлучений.

Несомненное преимущество схемы с трансформаторным звеном высокой частоты (ТЗВЧ) — возможность его использования для формирования выходного синусоидального напряжения с регулируемой частотой с помощью дополнительной одной обмотки или трех обмоток с выходным циклоконвертором (циклически — реверсируемым выпрямителем), в том числе трехфазным.

При выборе варианта следует учитывать конкретные заданные технические требования. Обе схемы пригодны для расщепленно-модульного использования, обеспечивающего модульно-масштабируемую архитектуру транспортных резервно-аккумуляторных ИБП с высокими показателями производственной, монтажной и ремонтно-эксплуатационной технологичности. Они предусматривают использование отечественной номенклатуры изделий силовой электроники, в частности авиакосмической.

 

Заключение

Рассмотренные в статье схемотехнические решения для обратимых трансформаторного и трансреакторного импульсных конверторов (ОТИК) с униполярными и дифференциальными внешними выводами созданы в результате модернизации предложенных ранее с участием авторов схем, приведенных в работе [1]. Указанные решения позволяют существенно улучшить массо-энергетические характеристики (КПД и удельную мощность), а также повысить надежность и снизить помехоизлучения. Оба решения, защищенные приоритетом РФ, пригодны для расщепленно-модульного исполнения, обеспечивающего модульно-масштабируемую архитектуру транспортных и спутниковых резервно-аккумуляторных источников бесперебойного питания с высокими показателями производственной, монтажной и ремонтно-эксплуатационной технологичности. Они предусматривают использование изделий отечественной силовой электроники, в частности авиакосмической.

Полагаем, что эта статья будет интересна широкому кругу специалистов в области импульсной силовой электроники, предназначенной, в частности, для авиационно-космических и других транспортных электротехнических комплексов.

Литература
  1. Резников С., Климова С., Харченко И., Смирнов В., Савостьянов В. Резервно-аккумуляторные источники бесперебойного питания для автономных и сетевых систем электроснабжения со звеном постоянного повышенного напряжения // Силовая электроника. 2016. № 2.
  2. Резников С. Б., Бочаров В. В., Харченко И.А. Электромагнитная и электроэнергетическая совместимость систем электроснабжения и вторичных источников питания полностью электрифицированных самолетов/ Под ред. С. Б. Резникова. М.: Изд-во МАИ, 2014.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

hentao pornnporn.com telugu chatting west indies open sex youpornhindi.com first night xxnx maja mallika tamil dirty story xxxfiretube.com teen xxnx xxxxu indianpornsearch.com pooja kumar sex 喉奥性感イラマ痴女 浜崎真緒 javsextube.com 君嶋真由 i love porn sexxxymovs.com mallusexvideos tomcat doujinshi bluhentai.com tiny boobs giant tits history sequel black dog hentai mobhentai.com hentai onee chan jammu blue film indiananalfuck.com indian incest xvideos mugen fc2 javwhores.mobi 巨乳 あげ افلام نيك مترجم cyberpornvideos.com طيذ momteachessex indianxxxonline.com house wife x videos 君嶋真由 freejavonline.mobi クローゼット 寝取られ sexx tamil indianfuckass.com bengali milf mia khalifa hard fuck pelisporno.org newsexstory