Трансформаторный импульсный преобразователь для авиакосмической силовой электроники

№ 1’2017
PDF версия
В статье описано нетрадиционное схемотехническое решение для трансформаторного импульсного преобразователя, входящего в состав электроэнергетических комплексов космических летательных аппаратов и авиабортовых резервно-аккумуляторных источников бесперебойного питания. Решение демонстрирует высокие показатели надежностной, массо-энергетической и технологической эффективности и качества электроэнергии (включая малые помехоизлучения) преобразователя, а также его пригодность в качестве унифицированного модуля при реализации модульно-масштабируемой архитектуры.

Введение

Отличительной особенностью электроэнергетических комплексов (ЭЭК) космических летательных аппаратов (КЛА) является отсутствие электромашинных генераторов и использование в качестве первичных источников электропитания относительно низковольтных солнечных, химических и/или суперконденсаторных (ионисторных) батарей. При этом для большого числа бортовых потребителей электроэнергии КЛА наиболее предпочтительными являются:

  • повышенное переменное трехфазное напряжение стабильной частоты (например 400 или 1000 Гц);
  • дифференциальные повышенные постоянные напряжения (например, ППН (0±135) или (0±270) В).

Первый вид питающего напряжения удобен благодаря простоте, надежности и массо-энергетической эффективности трансформации (для согласования и гальванической развязки), бездуговой коммутации и питанию нерегулируемых приводных асинхронных двигателей (гироскопических, насосных и др.). Второй вид напряжения (ППН) позволяет просто и надежно осуществлять параллельное включение нескольких каналов ЭЭК для повышения динамической устойчивости и качества электроэнергии, а также удобен для непосредственного питания регулируемых инверторов синусоидальных напряжений и токов (РИСН/Т), в частности полумостовых трехфазных, с заземленной нейтралью.

Из вышесказанного следует необходимость использования в ЭЭК КЛА вторичных источников электропитания (ВИЭП) с возможностью обратимых (двунаправленных) преобразований:

  • постоянного низкого напряжения (ПНН) и дифференциальных повышенных напряжений (ППН), например ±27 и (0±135) В ((0±270_ В);
  • ПНН в трехфазное переменное со стабильными или регулируемыми параметрами (f, U – const или f, U – var);
  • дифференциальных ППН в трехфазное переменное (с указанными в предыдущем пункте параметрами).

Аналогичные функции должны иметь также авиабортовые резервно-аккумуляторные источники бесперебойного питания (Р/А ИБП), входящие в состав ЭЭК с электромашинными генераторами (в частности, стартер-генераторами) в качестве первичных источников по числу маршевых и вспомогательной топливных силовых установок.

Разработка указанного ВИЭП наиболее целесо­образна с использованием промежуточного звена высокой частоты (ЗВЧ) на базе согласующего и гальванически развязывающего многообмоточного трансформатора прямоугольного тока (ТПТ) с подключенными к нему двунаправленными инверторно-выпрямительными импульсными мостовыми коммутаторами (ИМК1,2) и циклоконвертера (ЦК) — реверсивного выпрямителя.

Авторами предлагается нетрадиционное схемотехническое решение для указанного ВИЭП, защищенное приоритетом РФ и частично (фрагментарно) опубликованное в [1–3]. Основным достоинством предлагаемого решения, помимо многофункциональности (обратимой взаимосвязи трех внешних электроэнергетических каналов), является использование «трансформатора прямоугольного тока» в отличие от распространенного «трансформатора прямоугольного напряжения», требующего специальных дополнительных антинасыщающих симметрирующих устройств для быстродействующего выравнивания вольт-секундных параметров (интегралов) разно­полярных прямоугольных питающих импульсов.

Вторым существенным достоинством решения является совмещение двухтактного трансформаторного и однотактного трансреакторного (прямо- и обратноходового) преобразования, обеспечивающего повышение КПД и удельной мощности ВИЭП. Помимо указанного, схема обеспечивает «мягкую» коммутацию модуляторных ключей (при нулевых токах или напряжениях), снижающую коммутационные тепловые потери и помехоизлучения.

 

Силовая схема ВИЭП на базе трансформаторного импульсного преобразователя

Силовая схема двухтактного трансформаторного импульсного преобразователя (ТИП) в качестве ВИЭП в составе ЭЭК КЛА приведена на рисунке 1. Она содержит: низковольтный и высоковольтный импульсно-модуляторные коммутаторы (ИМК1 и ИМК2); трансформатор прямоугольного тока (ТПТ) с первичной (N1), вторичной (N2) и тремя фазными обмотками (N3A, N3B, N3C); балластный двухобмоточный трансреактор (LБ1-2); шины дифференциального звена постоянных повышенных напряжений (ДЗППН); трехфазный симисторный циклоконвертер (ЦК); однотипные по схемам стабилизатор напряжений (УДН), импульсный регулятор тока рекуперативного торможения (ИРТрт); аккумуляторную батарею (АБ) с размыкающим контактором (КАБ); стабилизатор напряжения UсБ (СтUсБ). В состав ЭЭК входят: исполнительный электродвигатель с рекуперативным торможением (ИЭД–РТ); распределительное устройство со стабильными частотой и амплитудой трехфазных напряжений (РУ f-const, U-const); контакторы (Кру и Киэд); трехфазный индуктивно-емкостный фильтр низкой частоты (Lф–Сф).

Силовая схема двухтактного ТИП в качестве ВИЭП электроэнергетического комплекса КЛА

Рис. 1. Силовая схема двухтактного ТИП в качестве ВИЭП электроэнергетического комплекса КЛА

 

Работа ИМК1,2

В режиме прямого преобразования (от UАБ к 0±Ud) первый коммутатор работает как высокочастотный двухтактный инвертор прямо­угольного тока (ИПТ), а второй — как диодный выпрямитель с дифференциальными выпрямленными напряжениями. При этом, в зависимости от соотношения напряжений на фильтровом конденсаторе Сф1(UАБ) и суммарного напряжения на LБ1 и секции обмотки N1 ТПТ (т. е. приведенного к ним через коэффициенты трансформации выпрямленного напряжения Ud), следует различать два возможных случая: «понижающая» и «повышающая» модуляция.

При «понижающей» модуляции ключи VT1 и VT2 включаются поочередно на время управляющего импульса tи = gиТшим/2, где gи и Тшим — регулируемая относительная длительность (коэффициент заполнения) импульса и постоянный период двухтактной широтно-импульсной модуляции.

При включении, например, ключа VT1 полные потокосцепления LБ1-2 и ТПТ нарастают (dY/dt > 0) вместе с токами в цепях: Сф1–LБ1––N1–VT1–LД1–Сф1 и N2«–VD4–Cф2–Сф3–LД2––(обратный диод VT3) –N2–N2« и LБ2–СФ3–LД2– –(обратный диод VT3)–N2–LБ2 («прямоходовая» трансформация ЭДС LБ2). После выключения ключа VT1 и включения шунтирующего ключа VTШ2 (через промежуток времени импульса tи = gи·Тшим/2) указанные полные потокосцепления приблизительно сохраняются (dY/dt ≈ 0) вместе с токами в цепях: LБ1–N1«–VD1–CБ–LБ1 и LБ2–N2–VDШ3-4–VTШ2–LБ2 (токозамыкающая пауза для повышения КПД передачи энергий индуктивностей рассеяния LБ1 и N1 в буферный конденсатор CБ для дальнейшей рекуперации в СФ1 в течение длительности паузы Dtп = gп·Тшим/2); N2–VD3–СФ2–СФ3– (обратный диод VT4) –N2«–N2 и LБ2–N2–VD3–CФ3–LБ2 («обратноходовая» трансформация ЭДС в LБ2 в течение интервала времени Тшим/2–Dtпtи = = (1–gпgи) Тшим/2). Затем на следующем полупериоде Тшим/2 происходят аналогичные процессы, но с участием ключа VT2 (второй такт питания ТПТ). Далее указанные процессы высокочастотно-периодически качественно повторяются, осуществляя прямое преобразование с «понижающей» модуляцией.

При «повышающей» модуляции на первом полупериоде 0 ≤ t ≤ 0,5Тшим сначала синхронно включаются оба ключа VT1 и VT2, что приводит к нарастанию в течение интервала tи = gиТшим/2 полного потокосцепления LБ1–2 (dY/dt > 0) вместе с токами в цепях Сф1–LБ1–(N1–VT1)//(N1«–VT2)–LД1–Сф1 (без потокосцепления ТПТ) и LБ2–СФ3–LД2–((обратный диод VT3)-N2«)//((обратный диод VT4)–N2«)–LБ2 («прямоходовая» трансформация ЭДС LБ2). Затем одновременно выключается один из ключей VT1 или VT2 и включается шунтирующий ключ VTШ2, что приводит к передаче с высоким КПД основной части электромагнитной энергии из LБ1 в LБ2 с короткозамкнутым током в соответствующей цепи LБ2–N2–VDШ3–4––VTШ2–LБ2 или LБ2–N2«–VD«Ш3–4–VTШ2–LБ2 в течение длительности паузы Dtп = gп0,5Тшим. Затем ключ VTШ2 выключается, и полные потокосцепления LБ1–2 и ТПТ частично (или полностью) спадают (dY/dt< 0) вместе с током в соответствующей цепи LБ2–N2–VD3–CФ2–LБ2 или LБ2–N2«–VD4–CФ2–LБ2 («обратноходовая» трансформация ЭДС в LБ2).

«Мягкая» коммутация модуляторных ключей ИМК1,2 (VT1-4) обеспечивается с помощью нерассеивающих (тепла) демпферно-снабберных цепочек, состоящих из демпферных дросселей (LД1,2), снабберных конденсаторов (ССН1-4) и шунтирующих зарядно-разрядных двухдиодных стоек (VDШ1-2, VD«Ш1-2, VDШ3-4, VD«Ш3-4). Снабберные конденсаторы разряжаются через шунтирующие ключи (VTШ1,2) на трансреактор (LБ1,2) и ТПТ, передавая им накопленную энергию коммутации для дальнейшего ее использования в нагрузке. Этим обеспечивается снижение коммутационных тепловых потерь и помехоизлучений.

При работе ИМК1,2 в прямом и обратном направлениях преобразования в трех двухсекционных обмотках ТПТ (N3A, N3B, N3C) формируются прямоугольные высокочастотные переменные токи, замыкаемые через соответствующие циклоконвертеры (ЦКА, В, С) и выходные фильтровые конденсаторы (ССНА, В, С) и образующие на выводах А, В, С и N трехфазную систему квазисинусоидальных переменных напряжений (UА, В, С) с заземленной нейтралью (N).

 

Состав и работа блоков СтUсБ и УДН Ud1,2

Указанные блоки почти однотипны по схеме (за исключением замены диодов на тиристоры) и представляют собой двунаправленные «транспортеры заряда» на базе полярно-инвертирующих обратимых импульсных конвертеров (ОИК). К основным достоинствам используемой схемы ОИК с двухсекционным балластным реактором (Lст и Lур), помимо обратимости (двунаправленности) «транспортирования заряда», относятся:

  • безынерционность переключения направлений тока благодаря отсутствию реверса полного потокосцепления реактора, обеспечивающая высокое качество переходных процессов в замкнутом контуре системы регулирования (стабилизации);
  • исключение цепей для «сквозных сверх­токов» при несанкционированных включениях ключей (например, из-за воздействия электромагнитных импульсов молний на усилительно-формирующие драйверы);
  • высокие КПД и удельная мощность благодаря использованию прямо- и обратно­ходовой трансформации тока;
  • малые коммутационные тепловые потери и помехоизлучения благодаря «мягкой» коммутации ключей.

Пусть, например, требуется увеличить напряжение (или произвести начальную зарядку) буферного конденсатора СБ в ИМК1. Тогда производится широтно-импульсно модулируемое высокочастотное управление ключом VTСТ2. При его очередном включении полное потокосцепление реактора Lст нарастает вместе с токами в цепях СФ1–LСТ«–VTСТ2–СФ1 и LСТ–(обратный диод VTСТ1)–СБ–LСТ («прямоходовая» трансформация тока). При последующем выключении VTСТ2 указанное потокосцепление частично (или полностью) спадает вместе с токами в цепи LСТ«–VDСТ––СБ–LСТ« («обратноходовая» трансформация тока). Далее указанные процессы высокочастотно-периодически качественно повторяются, заряжая СБ до требуемого напряжения.

Если требуется рекуперировать часть электроэнергии из буферного конденсатора СБ в аккумуляторную батарею, то воспроизводятся аналогичные процессы, но с модуляцией ключа VTСТ1 и включениями вентиля VSСТ при выключениях VTСТ1.

В схеме УДН Ud1,2 вместо тиристора VSСТ применен диод (VD«УР), благодаря чему для автоматического самовыравнивания напряжений на фильтровых конденсаторах СФ2 и СФ3 ДЗППН достаточно с постоянной высокой частотой одновременно (синхронно) коммутировать оба ключа (VTУР1 и VTУР2). При очередном таком включении полное потокосцепление реактора LУР нарастает с током в цепи СФ2–VTУР1–LУР–VTУР2–СФ3–СФ2. При этом благодаря идентичности секций LУР при нарушении равновесия напряжений Ud1Ud2, возникает разбаланс нарастающих токов в цепях СФ2–VTУР1–LУР–СФ2 и СФ3–L«УР–VTУР1–СФ3, стремящийся нивелировать разность Ud1 и Ud2. После их выключения, благодаря идентичности секций LУР и практически единичному коэффициенту электромагнитной связи (при намотке секций в два провода), происходит автоматическое перераспределение токов секций по цепям LУР–СФ3–VD«УР–LУР и L«УР–VDУР–СФ2–L«УР с тем же вышеуказанным стремлением к само­выравниванию напряжений.

Через некоторое число таких циклов наступит практическое равновесие напряжений Ud1 и Ud2, после чего схема будет работать с квази­установившейся внутренней реактивной мощностью (в режиме квазиустановившихся колебаний). Время переходного процесса самовыравнивания напряжений Ud1 и Ud2 определяется (при постоянной частоте коммутаций) начальным возмущением (разностью |Ud1Ud2|), а также величинами и разбалансом активных нагрузок в плечах ДЗППН.

 

Цепь питания исполнительного электродвигателя с рекуперативным торможением

Питание исполнительного электродвигателя с рекуперативным торможением (ИЭДРТ) осуществляется с помощью трех пар двухсимисторных реверсивных выпрямителей, составляющих трехфазный ЦК. Каждый выпрямитель преобразует высокочастотный прямоугольный ток, трансформируемый в соответствующей фазной обмотке (NA, B, C) ТПТ, в знакопеременное низкочастотное прямоугольное напряжение на выходном фильтровом конденсаторе (СФ4), которое формирует на соответствующем фазном выходе трехфазного низкочастотного Г-образного фильтра (LФ–СФ) фазное синусоидальное напряжение. Если замкнут контактор КИЭД, то это напряжение регулируется по частоте и амплитуде (последняя регулируется за счет управляемых пауз между импульсами выпрямленных напряжений) с целью управления электромагнитным моментом и скоростью вращения вала ИЭД. Для осуществления рекуперативного торможения ИЭД с помощью ЦК он вводится в режим генератора (синхронного или асинхронного), питающего мостовой выпрямитель (В), а от его выхода — через повышающий импульсный регулятор тока (ИРТ) ДЗППН.

Примененный в схеме способ позволяет обеспечить рекуперативное торможение в широком скоростном диапазоне (вплоть до остановки). Если при торможении отсутствует (или мала по мощности) нагрузка ДЗППН, то энергия торможения с помощью ИМК1 и ИМК2 перекачивается в АБ.

 

Заключение

Предложенное нетрадиционное схемотехническое решение для трансформаторного импульсного преобразователя, входящего в состав электроэнергетических комплексов КЛА и авиабортовых резервно-аккумуляторных ИБП, обеспечивает высокую надежностную, массо-энергетическую и технологическую эффективность и высокое качество электроэнергии (включая малые помехоизлучения) преобразователя благодаря его многофункциональности (обратимой взаимосвязи трех внешних электроэнергетических каналов), трансформаторной гальванической развязке и согласованию по напряжениям каналов, высокому КПД за счет трансформаторного и трансреакторного преобразования, исключению цепей для «сквозных сверхтоков», защите от коммутационных перенапряжений и «мягкой» коммутации модуляторных ключей.

Схема представляется пригодной для использования в качестве унифицированного модуля многофункционального импульсного преобразователя при реализации электроэнергетических комплексов с модульно масштабируемой архитектурой (с гибким наращиванием мощности), обеспечивающей высокую эффективность в производственной, монтажной и эксплуатационной областях. Решение защищено приоритетом РФ и представляет интерес для широкого круга специалистов в авиакосмической силовой электронике и автономно-транспортных системах электроснабжения.                   

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках гранта Президента РФ № МК-8036.2016.5.

Литература
  1. 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. 2016. № 2.
  2. Пат. на полезную модель № 145994 (РФ). Трансформаторный инвертор / С. Б. Резников, В. В. Бочаров, А. В. Лавринович, А. Б. Корнилов, Н. П. Черкашина // Бюлл. № 27 от 27.09.2014.
  3. Резников С. Б., Бочаров В. В., Харченко И. А. Электромагнитная и электроэнергетическая совместимость систем электроснабжения и вторичных источников питания полностью электрифицированных самолетов. М.: Изд-во МАИ. 2014.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.