Трансформаторный импульсный преобразователь для авиакосмической силовой электроники

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 (ИМК_1,2) 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 (N_3A, N_3B, N_3C); балластный двухобмоточный трансреактор (L_Б1-2); шины дифференциального звена постоянных повышенных напряжений (ДЗППН); трехфазный симисторный циклоконвертер (ЦК); однотипные по схемам стабилизатор напряжений (УДН), импульсный регулятор тока рекуперативного торможения (ИРТ_рт); аккумуляторную батарею (АБ) с размыкающим контактором (К_АБ); стабилизатор напряжения Uс_Б (СтUс_Б). 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 (К_ру и К_иэд); трехфазный индуктивно-емкостный фильтр низкой частоты (L_ф–С_ф).

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

Работа ИМК_1,2

В режиме прямого преобразования (от U_АБ к 0±U_d) 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 С_ф1(U_АБ) и суммарного напряжения на L_Б1 и секции обмотки N₁ ТПТ (т. е. приведенного к ним через коэффициенты трансформации выпрямленного напряжения U_d), следует различать два возможных случая: «понижающая» и «повышающая» модуляция.

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

При включении, например, ключа VT₁ полные потокосцепления L_Б1-2 и ТПТ нарастают (dY/dt > 0) вместе с токами в цепях: С_ф1–L_Б1––N₁^‘–VT₁–L_Д1–С_ф1 и N₂^«–VD₄–C_ф2–С_ф3–L_Д2––(обратный диод VT₃) –N₂^‘–N₂^« и L_Б2–С_Ф3–L_Д2– –(обратный диод VT₃)–N₂^‘–L_Б2 («прямоходовая» трансформация ЭДС L_Б2). После выключения ключа VT₁ и включения шунтирующего ключа VT_Ш2 (через промежуток времени импульса t_и = g_и·Т_шим/2) указанные полные потокосцепления приблизительно сохраняются (dY/dt ≈ 0) вместе с токами в цепях: L_Б1–N₁^«–VD₁–C_Б–L_Б1 и L_Б2–N₂^‘–VD_Ш3-4–VT_Ш2–L_Б2 (токозамыкающая пауза для повышения КПД передачи энергий индуктивностей рассеяния L_Б1 и N₁^‘ в буферный конденсатор C_Б для дальнейшей рекуперации в С_Ф1 в течение длительности паузы Dt_п = g_п·Т_шим/2); N₂^‘–VD₃–С_Ф2–С_Ф3– (обратный диод VT₄) –N₂^«–N₂^‘ и L_Б2–N₂^‘–VD₃–C_Ф3–L_Б2 («обратноходовая» трансформация ЭДС в L_Б2 в течение интервала времени Т_шим/2–Dt_п–t_и = = (1–g_п–g_и) Т_шим/2). Затем на следующем полупериоде Т_шим/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 ≤ 0,5Т_шим сначала синхронно включаются оба ключа VT₁ и VT₂, что приводит к нарастанию в течение интервала t_и = g_иТ_шим/2 полного потокосцепления L_Б1–2 (dY/dt > 0) вместе с токами в цепях С_ф1–L_Б1–(N₁^‘–VT₁)//(N₁^«–VT₂)–L_Д1–С_ф1 (без потокосцепления ТПТ) и L_Б2–С_Ф3–L_Д2–((обратный диод VT₃)-N₂^«)//((обратный диод VT₄)–N₂^«)–L_Б2 («прямоходовая» трансформация ЭДС L_Б2). Затем одновременно выключается один из ключей VT₁ или VT₂ и включается шунтирующий ключ VT_Ш2, что приводит к передаче с высоким КПД основной части электромагнитной энергии из L_Б1 в L_Б2 с короткозамкнутым током в соответствующей цепи L_Б2–N₂^‘–VD^‘_Ш3–4––VT_Ш2–L_Б2 или L_Б2–N₂^«–VD^«_Ш3–4^‘–VT_Ш2–L_Б2 в течение длительности паузы Dt_п = g_п0,5Т_шим. Затем ключ VT_Ш2 выключается, и полные потокосцепления L_Б1–2 и ТПТ частично (или полностью) спадают (dY/dt< 0) вместе с током в соответствующей цепи L_Б2–N₂^‘–VD₃–C_Ф2–L_Б2 или L_Б2–N₂^«–VD₄–C_Ф2–L_Б2 («обратноходовая» трансформация ЭДС в L_Б2).

«Мягкая» коммутация модуляторных ключей ИМК_1,2 (VT_1-4) обеспечивается с помощью нерассеивающих (тепла) демпферно-снабберных цепочек, состоящих из демпферных дросселей (L_Д1,2), снабберных конденсаторов (С_СН1-4) и шунтирующих зарядно-разрядных двухдиодных стоек (VD^‘_Ш1-2, VD^«_Ш1-2, VD^‘_Ш3-4, VD^«_Ш3-4). Снабберные конденсаторы разряжаются через шунтирующие ключи (VT_Ш1,2) на трансреактор (L_Б1,2) и ТПТ, передавая им накопленную энергию коммутации для дальнейшего ее использования в нагрузке. Этим обеспечивается снижение коммутационных тепловых потерь и помехоизлучений.

При работе ИМК_1,2 в прямом и обратном направлениях преобразования в трех двухсекционных обмотках ТПТ (N_3A, N_3B, N_3C) формируются прямоугольные высокочастотные переменные токи, замыкаемые через соответствующие циклоконвертеры (ЦК_{А, В, С}) и выходные фильтровые конденсаторы (С_{СНА, В, С}) и образующие на выводах А, В, С и N трехфазную систему квазисинусоидальных переменных напряжений (U_{А, В, С}) с заземленной нейтралью (N).

Состав и работа блоков СтUс_Б и УДН U_d1,2

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 (L_ст и L_ур), 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 С_Б в ИМК₁. Тогда производится широтно-импульсно модулируемое высокочастотное управление ключом VT_СТ2. При его очередном включении полное потокосцепление реактора L_ст нарастает вместе с токами в цепях С_Ф1–L_СТ^«–VT_СТ2–С_Ф1 и L_СТ^‘–(обратный диод VT_СТ1)–С_Б–L_СТ^‘ («прямоходовая» трансформация тока). При последующем выключении VT_СТ2 указанное потокосцепление частично (или полностью) спадает вместе с токами в цепи L_СТ^«–VD_СТ––С_Б–L_СТ^« («обратноходовая» трансформация тока). Далее указанные процессы высокочастотно-периодически качественно повторяются, заряжая С_Б до требуемого напряжения.

Если требуется рекуперировать часть электроэнергии из буферного конденсатора С_Б в аккумуляторную батарею, то воспроизводятся аналогичные процессы, но с модуляцией ключа VT_СТ1 и включениями вентиля VS_СТ при выключениях VT_СТ1.

В схеме УДН U_d1,2 вместо тиристора VS_СТ применен диод (VD^«_УР), благодаря чему для автоматического самовыравнивания напряжений на фильтровых конденсаторах С_Ф2 и С_Ф3 ДЗППН достаточно с постоянной высокой частотой одновременно (синхронно) коммутировать оба ключа (VT_УР1 и VT_УР2). При очередном таком включении полное потокосцепление реактора L_УР нарастает с током в цепи С_Ф2–VT_УР1–L_УР–VT_УР2–С_Ф3–С_Ф2. При этом благодаря идентичности секций L_УР при нарушении равновесия напряжений U_d1 ≠ U_d2, возникает разбаланс нарастающих токов в цепях С_Ф2–VT_УР1–L^‘_УР–С_Ф2 и С_Ф3–L^«_УР–VT_УР1–С_Ф3, стремящийся нивелировать разность U_d1 и U_d2. После их выключения, благодаря идентичности секций L_УР и практически единичному коэффициенту электромагнитной связи (при намотке секций в два провода), происходит автоматическое перераспределение токов секций по цепям L^‘_УР–С_Ф3–VD^«_УР–L^‘_УР и L^«_УР–VD^‘_УР–С_Ф2–L^«_УР с тем же вышеуказанным стремлением к само­выравниванию напряжений.

Через некоторое число таких циклов наступит практическое равновесие напряжений U_d1 и U_d2, после чего схема будет работать с квази­установившейся внутренней реактивной мощностью (в режиме квазиустановившихся колебаний). Время переходного процесса самовыравнивания напряжений U_d1 и U_d2 определяется (при постоянной частоте коммутаций) начальным возмущением (разностью |U_d1–U_d2|), а также величинами и разбалансом активных нагрузок в плечах ДЗППН.

Цепь питания исполнительного электродвигателя с рекуперативным торможением

Питание исполнительного электродвигателя с рекуперативным торможением (ИЭД_РТ) осуществляется с помощью трех пар двухсимисторных реверсивных выпрямителей, составляющих трехфазный ЦК. Каждый выпрямитель преобразует высокочастотный прямоугольный ток, трансформируемый в соответствующей фазной обмотке (N_{A, B, C}) ТПТ, в знакопеременное низкочастотное прямоугольное напряжение на выходном фильтровом конденсаторе (С_Ф4), которое формирует на соответствующем фазном выходе трехфазного низкочастотного Г-образного фильтра (L_Ф–С_Ф) фазное синусоидальное напряжение. Если замкнут контактор К_ИЭД, 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.