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. Обязательные поля помечены *