RU125787U1

RU125787U1 - HIGH-FREQUENCY INVERSIBLE DC CONVERTER WITH HIGH FREQUENCY INVERTER-TRANSFORMER

Info

Publication number: RU125787U1
Application number: RU2012143858/07U
Authority: RU
Inventors: Станислав Борисович Резников; Владимир Владимирович Бочаров; Юрий Владимирович Ермилов; Игорь Александрович Харченко
Priority date: 2012-10-16
Filing date: 2012-10-16
Publication date: 2013-03-10

Abstract

Обратимый преобразователь постоянного напряжения с инверторно-трансформаторным звеном высокой частоты, содержащий входные выводы для подключения первичного источника постоянного тока, «n» пар выходных выводов для подключения нагрузок, обратимый инвертор-выпрямитель, трансформатор с одной первичной обмоткой и «n» вторичными обмотками, «n» обратимых выпрямителей-коммутаторов, входной конденсаторный фильтр, «n» выходных фильтров, шунтирующих соответствующие пары выходных выводов устройства, и схему управления, подключенную своими основными выходными выводами к управляющим выводам инвертора-выпрямителя, соединенного своими входными выводами с выводами входного конденсаторного фильтра и с входными выводами устройства, а выходными - с выводами первичной обмотки трансформатора, и к управляющим выводам выпрямителей-коммутаторов, соединенных каждый своими входными выводами с выводами соответствующих вторичных обмоток трансформатора, а первым выходным выводом - с первым выходным выводом устройства соответствующей пары, отличающийся тем, что в него введены «n» импульсных модуляторов, каждый из которых состоит из двух электронных ключей, диода и дросселя, подключенного своим первым выводом к точке соединения второго выходного вывода соответствующего выпрямителя-коммутатора с первым выводом первого электронного ключа, подключенного вторым своим выводом к соответствующему второму выходному выводу устройства, а своим вторым выводом - к точке соединения противонаправленных диода и второго электронного ключа, крайние выводы которых шунтируют соответствующую пару выходных выводов устройства, а схема упрA reversible DC-DC converter with a high-frequency inverter-transformer unit containing input terminals for connecting a primary DC source, “n” pairs of output terminals for connecting loads, a reversible inverter-rectifier, a transformer with one primary winding and “n” secondary windings, " n "reversible rectifier-switches, input capacitor filter," n "output filters, shunting the corresponding pairs of output terminals of the device, and a control circuit connected by its main the output terminals to the control terminals of the inverter-rectifier connected to the input terminals of the input capacitor filter and the input terminals of the device, and the output to the terminals of the primary winding of the transformer, and to the control terminals of the rectifier-switches, each connected to its input terminals with the conclusions of the corresponding secondary windings of the transformer, and the first output terminal with the first output terminal of the device of the corresponding pair, characterized in that "n" pulse is introduced into it x modulators, each of which consists of two electronic keys, a diode and a choke connected with its first output to the connection point of the second output terminal of the corresponding rectifier-switch with the first output of the first electronic key connected with its second output to the corresponding second output terminal of the device, and its the second conclusion is to the connection point of the anti-directional diode and the second electronic key, the extreme terminals of which bypass the corresponding pair of output terminals of the device, and the control circuit

Description

Полезная модель относится к электротехнике и силовой импульсной электронике и может быть использована при создании авиационно-бортовых систем электроснабжения перспективных самолетов (полностью электрифицированных).The utility model relates to electrical engineering and power pulsed electronics and can be used to create aviation-on-board power supply systems for promising aircraft (fully electrified).

Известны преобразователи постоянного, в частности - выпрямленного напряжения с инверторно-трансформаторным звеном высокой частоты (аналоги), содержащие входной обратимый инвертор-выпрямитель, высокой частоты, трансформатор с несколькими вторичными обмотками, выходные обратимые выпрямители-коммутаторы и схему управления (Многофазные автономные инверторы напряжения с улучшенными характеристиками / Тонкаль В.Е., Гречко Э.Н., Бухинский С.И., - Киев: Наук. думка, 1980. - 182 с, стр.130 - Рис.56, стр.137 - Рис 60, стр.145 - Рис.63).Known DC converters, in particular, rectified voltage with an inverter-transformer high frequency link (analogues), containing an input reversible inverter-rectifier, high frequency, a transformer with several secondary windings, output reversible rectifier-switches and a control circuit (Multiphase autonomous voltage inverters with improved characteristics / Tonkal V.E., Grechko E.N., Bukhinsky S.I., - Kiev: Science Dumka, 1980. - 182 s, p. 130 - Fig. 56, p. 137 - Fig. 60, p. .145 - Fig. 63).

К недостаткам известных обратимых преобразователей постоянного напряжения с инверторно-трансформаторным звеном высокой частоты относится их низкая надежность, а именно - нетермостойкость, частые отказы и малый срок службы из-за необходимости использования энергоемких фильтровых электролитических конденсаторов (имеющих малую термостойкость, частые отказы и малый срок службы) а также из-за низкого уровня аварийной живучести, объясняемого отсутствием резервной взаимосвязи каналов питания. Известен обратимый преобразователь постоянного напряжения с инверторно-трансформаторным звеном высокой частоты (прототип), содержащий входной обратимый инвертор-выпрямитель, трансформатор с тремя вторичными обмотками, три обратимых выпрямителя-коммутатора, входной электролитический конденсаторный фильтр, выходные фильтры и схему управления (см. там же, стр.126. Рис.51).The disadvantages of the known reversible DC-DC converters with an inverter-transformer unit of a high frequency include their low reliability, namely non-heat resistance, frequent failures and short service life due to the need to use energy-intensive filter electrolytic capacitors (having low heat resistance, frequent failures and short service life ) and also due to the low level of emergency survivability, due to the lack of a backup relationship of power channels. A reversible DC-DC converter with a high-frequency inverter-transformer unit (prototype) is known, which contains an input reversible inverter-rectifier, a transformer with three secondary windings, three reversible rectifier-commutators, an input electrolytic capacitor filter, output filters and a control circuit (see ibid. , p. 126. Fig. 51).

Недостатком известного обратимого преобразователя постоянного напряжения с инверторно-трансформаторным звеном высокой частоты (прототипа) является его низкая надежность, а именно - нетермостойкость, частые отказы и малый срок службы из-за вышеуказанных причин.A disadvantage of the known reversible DC-DC converter with an inverter-transformer unit of a high frequency (prototype) is its low reliability, namely, non-heat resistance, frequent failures and short service life due to the above reasons.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому устройству является последний из перечисленных обратимых преобразователей постоянного напряжения с инверторно-трансформаторным звеном высокой частоты (прототип). Техническим результатом предложения является повышение надежности устройства, а именно - термостойкости, безотказности и срока службы за счет исключения электролитических конденсаторов, а также аварийной живучести за счет резервной взаимосвязи каналов питания.The closest in technical essence to the proposed device is the last of the listed reversible DC-DC converters with an inverter-transformer high frequency link (prototype). The technical result of the proposal is to increase the reliability of the device, namely, heat resistance, reliability and service life by eliminating electrolytic capacitors, as well as emergency survivability due to the backup relationship of the power channels.

Указанный технический результат обеспечивается благодаря тому что в обратимый преобразователь постоянного напряжения с инверторно-трансформаторным звеном высокой частоты, содержащий входные выводы для подключения первичного источника постоянного тока, «n» пар выходных выводов для подключения нагрузок, обратимый инвертор-выпрямитель, трансформатор с одной первичной обмоткой и «n», вторичными обмотками «n» обратимых выпрямителей-коммутаторов, входной конденсаторный фильтр, «n» выходных фильтров, шунтирующих соответствующие пары выходных выводов устройства, и схему управления, подключенную своими основными выходными выводами к управляющим выводам инвертора-выпрямителя, соединенного своими входными выводами с выводами входного конденсаторного фильтра и с входными выводами устройства, а выходными - с выводами первичной обмотки трансформатора, и к управляющим выводам выпрямителей-коммутаторов, соединенных каждый своими входными выводами с выводами соответствующих вторичных обмоток трансформатора, а первым выходным выводом - с первым выходным выводом устройства соответствующей пары, ВВЕДЕНЫ «n» импульсных модуляторов, каждый из которых состоит из двух электронных ключей диода и дросселя, подключенного своим первым выводом к точке соединения второго выходного вывода соответствующего выпрямителя-коммутатора с первым выводом первого электронного ключа, подключенного вторым своим выводом к соответствующему второму выходному выводу устройства, а своим вторым выводом - к точке соединения противонаправленных диода и второго электронного ключа, крайние выводы которых шунтируют соответствующую пару выходных выводов устройства, а схема управления ВЫПОЛНЕНА с возможностью широтно-импульсной модуляции импульсных сигналов на своих дополнительно в нее ВВЕДЕННЫХ модулирующих выходных выводах, подключенных к управляющим выводам ключей импульсных модуляторов.The specified technical result is ensured due to the fact that it is a reversible DC-voltage converter with an inverter-transformer high-frequency link containing input terminals for connecting a primary DC source, “n” pairs of output terminals for connecting loads, a reversible inverter-rectifier, a transformer with one primary winding and “n”, secondary windings “n” of reversible rectifier-commutators, input capacitor filter, “n” output filters, shunting the corresponding pairs of output the device’s output terminals, and a control circuit connected by its main output terminals to the control terminals of the inverter-rectifier, connected by its input terminals to the terminals of the input capacitor filter and to the input terminals of the device, and the output terminals to the terminals of the transformer primary winding, and to the control terminals of the rectifiers switches, each connected by its input terminals to the terminals of the respective secondary windings of the transformer, and the first output terminal to the first output terminal of the device with of the corresponding pair, “n” pulse modulators were introduced, each of which consists of two electronic keys of the diode and the inductor connected by its first output to the connection point of the second output terminal of the corresponding rectifier-switch with the first output of the first electronic key connected by its second output to the corresponding second the output terminal of the device, and its second output to the connection point of the anti-directional diode and the second electronic key, the extreme terminals of which are shunted by the corresponding pair the output terminals of the device, and the control circuit is COMPLETED with the possibility of pulse-width modulation of the pulse signals at its additionally INTRODUCED modulating output outputs connected to the control terminals of the keys of the pulse modulators.

На Фиг. представлена структурно-принципиальная схема предлагаемого обратимого преобразователя постоянного напряжения с инверторно-трансформаторным звеном высокой частоты.In FIG. The structural diagram of the proposed reversible DC-DC converter with an inverter-transformer high frequency link is presented.

Обратимый преобразователь постоянного напряжения с инверторно-трансформаторным звеном повышенной частоты содержит: входные выводы 1-2 для подключения первичного источника постоянного тока, «n» пар выходных выводов 3-4, 5-6, 7-8 для подключения нагрузок, обратимый инвертор-выпрямитель 9, трансформатор 10 с одной первичной обмоткой 11 и «n» вторичными обмотками 12, 13, «n» обратимых выпрямителей-коммутаторов 14, 15, входной конденсаторный фильтр 16, «n» выходных фильтров 17, 18, 19, шунтирующих соответствующие пары выходных выводов устройства, и схему управления 20, а также «n» импульсных модуляторов 21, 22, 23, состоящих каждый из двух электронных ключей 24, 25, диода 26 и дросселя 27.A reversible DC-DC converter with an inverter-transformer unit of increased frequency contains: input terminals 1-2 for connecting a primary DC source, “n” pairs of output terminals 3-4, 5-6, 7-8 for connecting loads, a reversible inverter-rectifier 9, transformer 10 with one primary winding 11 and “n” secondary windings 12, 13, “n” reversible rectifier-switches 14, 15, input capacitor filter 16, “n” output filters 17, 18, 19, shunting the corresponding output pairs device pins and control circuit eniya 20, and «n» pulse modulators 21, 22, 23, each consisting of two electronic switches 24, 25, diode 26 and inductor 27.

Схема управления 20 подключена своими основными выходными выводами к управляющим выводам инвертора-выпрямителя 9, соединенного своими входными выводами с выводами входного конденсаторного фильтра 16 и с входными выводами 1-2 устройства, а выходными - с выводами первичной обмотки 11 трансформатора 10, и к управляющим выводам выпрямителей-коммутаторов 14, 15. Последние соединены своими входными выводами с выводами соответствующих вторичных обмоток 12, 13 трансформатора 10, а первым выходным своим выводом - с первым выходным выводом 4, 6 и 8 устройства каждой из трех их пар 3-4, 5-6 и 7-8. Дроссель 27 каждого импульсного модулятора 21, 22, 23 подключен своим первым выводом к точке соединения второго входного вывода соответствующего выпрямителя-коммутатора 14, 15 с первым выводом первого электронного ключа 24, подключенного своим вторым выводом к соответствующему второму выходному выводу 4, 6, 8 устройства, а своим вторым выводом - к точке соединения противонаправленных диода 26 и второго ключа 25, крайние выводы которых шунтируют соответствующую пару выходных выводов 3-4, 5-6, 7-8 устройства. При этом дроссели 27 импульсных модуляторов могут быть выполнены магнитно-связанными и располагаться на общем магнитопроводе.The control circuit 20 is connected by its main output terminals to the control terminals of the inverter-rectifier 9, connected by its input terminals to the terminals of the input capacitor filter 16 and to the input terminals 1-2 of the device, and the output terminals to the terminals of the primary winding 11 of the transformer 10, and to the control terminals rectifier-switches 14, 15. The latter are connected by their input terminals to the terminals of the corresponding secondary windings 12, 13 of the transformer 10, and their first output terminal is connected to the first output terminal 4, 6 and 8 of the device each of their three pairs 3-4, 5-6 and 7-8. The inductor 27 of each pulse modulator 21, 22, 23 is connected with its first terminal to the connection point of the second input terminal of the corresponding rectifier-switch 14, 15 with the first terminal of the first electronic key 24 connected with its second terminal to the corresponding second output terminal 4, 6, 8 of the device , and its second conclusion - to the connection point of the anti-directional diode 26 and the second key 25, the extreme terminals of which bypass the corresponding pair of output terminals 3-4, 5-6, 7-8 of the device. In this case, the chokes 27 of the pulse modulators can be made magnetically coupled and located on a common magnetic circuit.

Схема управления 20 выполнена с возможностью широтно-импульсной модуляции импульсных сигналов на своих модулирующих выводах, подключенных к управляющим выводам ключей импульсных модуляторов 21, 22, 23.The control circuit 20 is configured to pulse width modulate the pulse signals at its modulating terminals connected to the control terminals of the keys of the pulse modulators 21, 22, 23.

В качестве вентилей выпрямителей-коммутаторов 14, 15 можно использовать высокочастотные тиристоры (в частности - однооперационные) или транзисторы, а в качестве ключей импульсных модуляторов 21, 22, 23 - транзисторы. Обратимый инвертор - выпрямитель 9 может быть собран по любой из известных схем на транзисторах или тиристорах, в том числе по схеме указанного прототипа. Конденсаторы входного фильтра 16, а также входных фильтров 17, 18, 19 могут быть не электролитическими, а пленочными с относительно небольшой энергоемкостью, т.к. основную функцию сглаживающих фильтров выполняют дроссели 27 импульсных модуляторов.High-frequency thyristors (in particular, single-operation) or transistors can be used as gates of rectifier-commutators 14, 15, and transistors can be used as keys of pulse modulators 21, 22, 23. Reversible inverter rectifier 9 can be assembled according to any of the known schemes for transistors or thyristors, including the circuit of the specified prototype. The capacitors of the input filter 16, as well as the input filters 17, 18, 19 can be not electrolytic, but film with a relatively small energy consumption, because the main function of smoothing filters is performed by the chokes of 27 pulse modulators.

Обратимый преобразователь постоянного напряжения с инверторно-трансформторным звеном высокой частоты работает следующим образом.A reversible DC-voltage converter with an inverter-transformer high frequency link operates as follows.

К выходным выводам 1-2 устройства подключают первичный источник постоянного тока, например, выход выпрямителя сетевого напряжения. В последнем случае на входе обратимого инвертора-выпрямителя 9 будет низкочастотно пульсирующее знакопостоянное напряжение, частично сглаженное малоэнергоемким конденсаторным фильтром 16. При подаче от внутреннего генератора схемы управления 20 на управляющие выводы инвертора-выпрямителя 9 высокочастотных импульсов на каждой паре выводов всех вторичных обмоток 12, 13 трансформатора 10 появляется высокочастотное несущее напряжение, промодулированное по амплитуде пульсирующей низкочастотной огибающей в соответствии с формой выпрямленного сетевого напряжения.A primary DC source is connected to the output terminals 1-2 of the device, for example, the output of the mains voltage rectifier. In the latter case, the input of the reversible inverter-rectifier 9 will have a low-frequency pulsating alternating voltage, partially smoothed by a low-energy capacitor filter 16. When a control circuit 20 is supplied from the internal generator to the control terminals of the inverter-rectifier 9 high-frequency pulses on each pair of outputs of all secondary windings 12, 13 transformer 10 appears high-frequency carrier voltage, modulated by the amplitude of the pulsating low-frequency envelope in accordance with the shape of the rectified of the mains voltage.

Указанные высокочастотные напряжения после выпрямления в выпрямителях-коммутаторах 14, 15 поступают в виде знакопостоянных пульсирующих напряжений на входы импульсных модуляторов 21, 22, 23. Дроссель 27 каждого модулятора выполняет функцию сглаживающего индуктивного накопителя, способного накапливать электромагнитную энергию тока, нарастающего по цепи 14-27-25, сохранять эту энергию, определяемую током в замкнутой цепи 27-26-24-27 или 27-25-14-27, и дозировано передавать ее в нагрузку и в выходной фильтр по цепи тока 27-26-4-3(17)-14-27. Для этого схема управления 20 периодически сначала включает ключи 24 и 25, затем выключает ключ 25, а потом включает ключ 24. При этом благодаря широтно-импульсному регулированию с участием цепей обратных связей производится стабилизация тока дросселя 27 и напряжения на нагрузке (регулированием коэффициентов заполнения импульсов управления ключами 25 и 24, соответственно).These high-frequency voltages after rectification in rectifier-switches 14, 15 are supplied in the form of alternating pulsating voltages to the inputs of pulse modulators 21, 22, 23. The inductor 27 of each modulator performs the function of a smoothing inductive storage device capable of accumulating electromagnetic energy of current increasing along circuit 14-27 -25, store this energy, determined by the current in a closed circuit 27-26-24-27 or 27-25-14-14-27, and dosed to transfer it to the load and to the output filter through the current circuit 27-26-4-3 (17 ) -14-27. For this, the control circuit 20 periodically first turns on the keys 24 and 25, then turns off the key 25, and then turns on the key 24. In this case, thanks to the pulse-width regulation with the participation of feedback circuits, the current of the inductor 27 and the voltage at the load are stabilized (by adjusting the pulse duty cycle key management 25 and 24, respectively).

В рекуперативном режиме источником энергии является устройство, подключенное к любой из пар выходных выводов 3-4, 5-6, 7-8. К ним могут относиться электромагнитные элементы активно-индуктивной нагрузки, например, приводной электродвигатель в режиме рекуперативного торможения, а также резервные источники питания, например, аккумуляторная батарея. Приемником энергии в этом режиме является первичный источник электропитания, подключенный к входным выводам 1-2 устройства.In regenerative mode, the energy source is a device connected to any of the pairs of output terminals 3-4, 5-6, 7-8. These may include electromagnetic elements of an active-inductive load, for example, a drive motor in regenerative braking mode, as well as backup power sources, for example, a rechargeable battery. The energy receiver in this mode is the primary power source connected to the input terminals 1-2 of the device.

В указанном режиме импульсные модуляторы 21, 22, 23 вместе с обратимыми выпрямителями-коммутаторами 14, 15 выполняют функцию инвертора прямоугольного тока высокой частоты, питающего трансформатор 10 со стороны его вторичных обмоток 12, 13.In this mode, pulse modulators 21, 22, 23, together with reversible rectifier-commutators 14, 15, perform the function of a high-frequency rectangular current inverter supplying transformer 10 from its secondary windings 12, 13.

Для этого схема управления 20 периодически сначала одновременно включает ключи 24 и 25 импульсного модулятора, вызывая нарастание тока дросселя 27 по цепи 4-24-27-25-3 а затем одновременно выключает ключ 24 и включает (поочередно) один из вентилей инвертора-коммутатора (14, 15), подключенных ко вторичной обмотке (12, 13) трансформатора 10, вызывая частичное спадание тока дросселя по цепи 27-25-14-12-27.For this, the control circuit 20 periodically first simultaneously turns on the keys 24 and 25 of the pulse modulator, causing the current of the inductor 27 to increase along circuit 4-24-27-25-3 and then simultaneously turns off the key 24 and turns on (alternately) one of the inverter-switch valves ( 14, 15) connected to the secondary winding (12, 13) of the transformer 10, causing a partial decrease in the inductor current along the circuit 27-25-14-12-27.

Далее, переменная ЭДС, индуцируемая в первичной обмотке 11 трансформатора 10 и выпрямленная обратными диодами обратимого инвертора-выпрямителя 9, передает электромагнитную энергию, накопленную в дросселе 27, в первичный источник электропитания и во входной конденсаторный фильтр 16. Для сглаживания возможных низкочастотных пульсаций, возникающих со стороны выходных выводов устройства в рекуперативном режиме, можно использовать те же замкнутые цепи сохранения накопленной энергии дросселя: 27-26-24-27 и 27-25-14-27. Заметим, что в рекуперативном режиме можно через трансформатор 10 осуществлять взаимное питание одних выходных выводов устройства от других, т.е. обеспечить резервные цепи питания для повышения аварийной живучести. Таким образом, по сравнению с прототипом в предлагаемом обратимом преобразователе постоянного напряжения с инверторно-трансформаторным звеном высокой частоты обеспечивается технический результат: повышение надежности устройства, а именно - термостойкости, безотказности и срока службы за счет исключения энергоемких электролитических конденсаторов, а также аварийной живучести за счет резервной взаимосвязи каналов питания.Further, the EMF variable induced in the primary winding 11 of the transformer 10 and rectified by the reverse diodes of the reversible inverter-rectifier 9 transfers the electromagnetic energy stored in the inductor 27 to the primary power source and to the input capacitor filter 16. To smooth out possible low-frequency ripples arising from side of the output terminals of the device in a regenerative mode, you can use the same closed circuit to save the accumulated energy of the throttle: 27-26-24-27 and 27-25-14-27. Note that in the regenerative mode, it is possible through the transformer 10 to provide mutual power to some output terminals of the device from others, i.e. provide redundant power circuits to enhance emergency survivability. Thus, in comparison with the prototype in the proposed reversible DC-voltage converter with an inverter-transformer high frequency link, the technical result is provided: improving the reliability of the device, namely, heat resistance, reliability and service life by eliminating energy-intensive electrolytic capacitors, as well as emergency survivability due to redundant interconnection of power channels.

Claims

A reversible DC-DC converter with a high-frequency inverter-transformer unit containing input terminals for connecting a primary DC source, “n” pairs of output terminals for connecting loads, a reversible inverter-rectifier, a transformer with one primary winding and “n” secondary windings, " n "reversible rectifier-switches, input capacitor filter," n "output filters, shunting the corresponding pairs of output terminals of the device, and a control circuit connected by its main output terminals to the control terminals of the inverter-rectifier, connected by its input terminals to the terminals of the input capacitor filter and to the input terminals of the device, and output to the terminals of the primary winding of the transformer, and to the control terminals of the rectifier-switches, each connected by its input terminals to the terminals of the corresponding secondary windings of the transformer, and the first output terminal with the first output terminal of the device of the corresponding pair, characterized in that "n" pulse is introduced into it x modulators, each of which consists of two electronic keys, a diode and a choke connected with its first output to the connection point of the second output terminal of the corresponding rectifier-switch with the first output of the first electronic key connected with its second output to the corresponding second output terminal of the device, and its the second conclusion is to the connection point of the anti-directional diode and the second electronic key, the extreme terminals of which bypass the corresponding pair of output terminals of the device, and the control circuit The circuit is configured for pulse-width modulation of pulse signals at its additionally introduced modulating output terminals connected to the control terminals of the pulse modulator keys.