Универсальный модульный преобразователь

 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к статическим преобразователям электроэнергии, применяемым в системах автономного, в том числе гарантированного, электроснабжения. Новизна технического решения обусловлена введением основных и резервного преобразовательных устройств, содержащих модульный блок однофазного согласующего трансформатора и модульный блок полупроводниковых ключей, которые, к примеру, могут быть выполнены на транзисторах, при этом резервное устройство подключается к той фазе, от которой питалось неисправное преобразовательное устройство; двух комплектов шин, к которым подключаются преобразовательные устройства и позволяющим при необходимости наращивать установленную мощность универсального модульного преобразователя, путем подключения к ним однотипных преобразовательных устройств; модульных блоков фильтров и модульного блока коммутации, согласующих трансформаторов, полупроводниковых ключей; многофункционального блока управления, который способен работать по нескольким алгоритмам управления таким образом, что преобразователь может работать в режимах выпрямителя, инвертора, непосредственного преобразователя частоты, в том числе обеспечивая обратимость работы преобразователей как по преобразованию, так и по стабилизации параметров электроэнергии, кроме того, режим конвертора обеспечивается при последовательном подключении преобразователей – это является техническим результатом. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к статическим преобразователям электроэнергии, применяемым в системах автономного, в том числе гарантированного, электроснабжения.

Известные статические преобразователи (см. Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. - М.: Энергоатомиздат, 1992, с.296) выполняют функции выпрямителей, инверторов, конверторов или преобразователей частоты. Основным недостатком известных преобразователей является низкая надежность работы.

Наиболее близким по техническому решению является преобразователь (см. Кобзев А.В., Михальченко Г.Я., Музыченко Н.М. Модуляционные источники питания РЭА. - Томск.: Радио и связь, 1990, рис. 1.2), содержащий блок управления, входной и выходной фильтры, последовательные звенья, подключенные между собой параллельно и содержащие входной преобразователь, модулятор и выходной преобразователь. К недостаткам преобразователя относятся большая масса и габариты, низкая надежность из-за избыточного числа преобразователей электроэнергии и неспособность работать в обратимых режимах (пропускать, преобразуя и стабилизируя, потоки энергии в обоих направлениях) по преобразованию и стабилизации параметров электроэнергии.

Техническим решением поставленной задачи является улучшение массогабаритных показателей и повышение надежности преобразователя, обеспечение обратимости его работы, т.е. универсальности, по преобразованию и стабилизации параметров электроэнергии за счет модульной конструкции с модульным блоком коммутации.

Поставленная задача достигается тем, что универсальный модульный преобразователь, содержащий блок управления, входной и выходной фильтры и силовой преобразователь, выполнен унифицированным, а в качестве блока управления использован многофункциональный блок управления и преобразователь содержит модульный блок коммутации, модульные блоки первого и второго фильтров, первый и второй комплекты шин по три и две соответственно, четыре преобразующих устройства, первые три и вторые два вывода преобразователя, причем вторые выводы унифицированного преобразователя соединены со вторыми входами многофункционального блока управления и вторыми выводами второго модульного блока фильтра, первые выводы которого соединены со вторым комплектом шин X, Y, а первые выводы унифицированного преобразователя соединены с первыми входами многофункционального блока управления и со вторыми выводами первого модульного блока фильтра, вторые выводы которого подключены к первому комплекту шин А, В, С, каждая из шин первого комплекта через контакты модульного блока коммутации подключена к первым выводам первого, второго и третьего основных преобразующих устройств, четвертое, резервное, преобразующее устройство своим первым выводом подключено к каждой из трех шин А, В, С через контакты модульного блока коммутации, второй и третий выводы всех преобразующих устройств соединены с первой и второй шинами соответственно второго комплекта шин X, Y, каждая из которых соединена с первыми выводами второго модульного блока фильтра, каждое преобразующее устройство содержит управляющие входы, которые соединены с соответствующими первыми выходами многофункционального блока управления и содержат модульный блок согласующего трансформатора и модульный блок полупроводниковых ключей, первые выводы преобразующих устройств соединены с началом первичной обмотки модульных блоков согласующих трансформаторов, а концы первичных обмоток соединены между собой и с нулевым проводом, кроме того, начала первичных обмоток соединены с началом вторичных обмоток через контакты модульного блока коммутации, концы вторичных обмоток согласующих трансформаторов соединены между собой, а их начала соединены с первым выводом модульных блоков полупроводниковых ключей, содержащих последовательно включенные первый и второй транзисторы, причем коллектор первого транзистора соединен с эмиттером второго транзистора и их общий узел соединен с первым входом модульного блока полупроводниковых ключей, эмиттер первого и коллектор второго транзисторов являются вторым и третьим соответственно выводами преобразующих устройств, которые подключены к шинам X, Y второго комплекта, вторые выходы блока управления соединены с модульным блоком коммутации.

Новизна технического решения обусловлена введением основных и резервного преобразовательных устройств, содержащих модульный блок однофазного согласующего трансформатора и модульный блок полупроводниковых ключей, которые, к примеру, могут быть выполнены на транзисторах, при этом резервное устройство подключается к той фазе, от которой питалось неисправное преобразовательное устройство; двух комплектов шин, к которым подключаются преобразовательные устройства и позволяющим при необходимости наращивать установленную мощность универсального модульного преобразователя путем подключения к ним однотипных преобразовательных устройств; модульных блоков фильтров и модульного блока коммутации, согласующих трансформаторов, полупроводниковых ключей; многофункционального блока управления, который способен работать по нескольким алгоритмам управления таким образом, что преобразователь может работать в режимах выпрямителя, инвертора, непосредственного преобразователя частоты, в том числе обеспечивая обратимость работы преобразователей как по преобразованию, так и по стабилизации параметров электроэнергии, кроме того, режим конвертора обеспечивается при последовательном подключении преобразователей.

По данным научно-исследовательской и патентной литературы авторам не известна заявленная совокупность признаков, направленная на достижение поставленной задачи.

Сущность изобретения поясняется функциональной схемой универсального модульного преобразователя, которая представлена на чертеже.

Универсальный модульный преобразователь содержит первые 1, 2, 3 и вторые 4, 5 выводы для подключения источника питания или нагрузки соответственно, соединенные с многофункциональным блоком управления 6, который соединен с модульным блоком коммутации 7, первый 8 и второй 9 модульные блоки фильтров соединены с первым комплектом шин А, В, С, 0 и вторым комплектом шин X, Y соответственно, три основных 10, 11, 12 и одно резервное 13 преобразующее устройство, каждое из которых содержит модульные блоки однофазных согласующих трансформаторов 14-17, соединенных с одной стороны с модульными блоками полупроводниковых ключей 18-21, блоки однофазных согласующих трансформаторов 14-17 имеют одноименные выводы 22-25, а модульные блоки ключей 18-21 содержат первый 26 и второй 27 транзисторы и выводы 28-30, соединенные со вторым комплектом шин X, Y, а выводами 28 - с выводами 24 однофазных согласующих трансформаторов 14-17, первый комплект шин А, В, С, 0 через контакты 31-36 соединен с соответствующими преобразовательными устройствами 10-13, одноименные выводы которых 22, 24 соединены с контактами 37-40 модульного блока коммутации 7.

Многофункциональный блок управления 6 универсального модульного преобразователя своими управляющими выходами соединен с соответствующими входами полупроводниковых ключей 18-21, выполнен на микропроцессорной технике и содержит несколько программ, обеспечивающих работу по преобразованию и стабилизации напряжения нескольких типов преобразовательных устройств, кроме того, он осуществляет функции контроля параметров электроэнергии, функции защиты и оперативных переключений через модульный блок коммутации 7.

Универсальный модульный преобразователь работает следующим образом.

Режим выпрямителя. К первым выводам 1, 2, 3 универсального модульного преобразователя подключается трехфазный источник электроэнергии переменного тока. Модульный блок первого фильтра 8 в этом режиме может быть исключен из схемы преобразователя. Через шины А, В, С и контакты 31-33, коммутация которых осуществляется модульным блоком коммутации 7, напряжение источника питания подключается к преобразовательным устройствам, а именно к выводам 22, 23 первичных обмоток однофазных модульных блоков согласующих трансформаторов 14-16. Трансформаторы осуществляют согласование напряжения источника питания с нагрузкой, т.е. преобразуют его до требуемого для нагрузки уровня. Далее напряжение переменного тока прикладывается к модульным блокам полупроводниковых ключей 18-20, которые преобразуют его в напряжение постоянного тока, последнее поступает к шинам Х и Y. Модульный блок второго фильтра 9 осуществляет сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения до требуемого уровня, нагрузка подключается к выводам 4 и 5. Стабилизация напряжения осуществляется многофункциональным блоком управления 6 за счет изменения угла управления полупроводниковых ключей относительно времени естественной коммутации фазных напряжений источника питания. Резервное преобразовательное устройство 13 включается в работу в случае неисправности какого-либо из основных преобразовательных устройств 10-12, к соответствующей фазе источника питания А, В, С. К входным выводам 1, 2, 3 может подключаться и однофазный источник напряжения.

Режим инвертора. Источник напряжения постоянного тока подключается ко вторым выводам 4, 5 универсального модульного преобразователя, и через модульный блок второго фильтра 9 и шины X, Y напряжение прикладывается к модульным блокам полупроводниковых ключей 18-21. Последние осуществляют преобразование напряжения постоянного тока в симметричную трехфазную систему напряжений переменного тока и через контакты 31-36, шины А, В, С, модульный блок первого фильтра 8 подают напряжение на первые выводы 1, 2, 3, к которым подключается нагрузка переменного тока.

Режим непосредственного преобразователя частоты. При этом необходимы дополнительные модульные блоки полупроводниковых ключей, эмиттерные выводы 29 которых подключаются к шине Y, а коллекторные выводы 30 - к шине X. В этом случае каждый из модульных блоков полупроводниковых ключей подключается к соответствующей шине А, В, С через контакты 31-36, 37-40. Модульные блоки согласующих трансформаторов 14-17 в этом режиме исключены из работы. Высокочастотное напряжение источника питания подключается к первым выводам 1, 2, 3 универсального модульного преобразователя и через первый фильтр 8, шины А, В, С - к модульным блокам полупроводниковых ключей 18-21, которые преобразуют систему трехфазных напряжений в однофазную и понижают его частоту до требуемых значений для нагрузки, которая подключается к выводам 4, 5 преобразователя. Второй фильтр 9 обеспечивает требуемое качество преобразованного напряжения источника питания. При необходимости получения трехфазной низкочастотной системы напряжения в конструкции универсального модульного преобразователя должна быть предусмотрена дополнительная шина Z совместно с шинами X, Y. В этом случае несколько изменяется алгоритм работы блока управления 6.

Режим конвертора. В этом случае необходимо последовательно включить два универсальных модульных преобразователя, при этом первый должен работать в инверторно-трансформаторном режиме, а второй - в режиме выпрямителя. Здесь стабилизацию напряжения можно осуществлять как за счет изменения угла управления транзисторов инвертора, так и за счет изменения угла управления транзисторов выпрямителя.

При необходимости наращивания установленной мощности или повышения надежности универсального модульного преобразователя его конструкция позволяет подключать к шинам А, В, С и X, Y типовых по мощности модульных блоков фильтров, основных и резервных преобразовательных устройств.

В отличие от известных преобразователей электроэнергии универсальный модульный преобразователь обладает следующими достоинствами.

1. Уменьшается масса, габариты и повышается надежность преобразователя, в том числе его ремонтопригодность.

2. Несложными техническими решениями может осуществляться наращивание установленной мощности преобразователя.

3. Обеспечение обратимости работы по преобразованию и стабилизации параметров электроэнергии позволит уменьшить число преобразователей в автономных системах электроснабжения за счет возможности реализации адаптивного управления.

4. Сокращается время проектирования преобразователей за счет разработки однотипных, с учетом известных режимов работы, модульных блоков и применения системы управления, позволяющей осуществлять управление, обеспечивающее различные режимы работы.

Формула изобретения

Универсальный модульный преобразователь, содержащий блок управления, входной и выходной фильтры и силовой преобразователь, отличающийся тем, что универсальный модульный преобразователь выполнен унифицированным, а в качестве блока управления использован многофункциональный блок управления и указанный преобразователь содержит модульный блок коммутации, модульные блоки первого и второго фильтров, первый и второй комплекты шин по три и две соответственно, четыре преобразующих устройства, первые три и вторые два вывода преобразователя, причем вторые выводы унифицированного преобразователя соединены со вторыми входами многофункционального блока управления и вторыми выводами второго модульного блока фильтра, первые выводы которого соединены со вторым комплектом шин Х, Y, а первые выводы унифицированного преобразователя соединены с первыми входами многофункционального блока управления и со вторыми выводами первого модульного блока фильтра, вторые выводы которого подключены к первому комплекту шин А, В, С, каждая из шин первого комплекта через контакты модульного блока коммутации подключена к первым выводам первого, второго и третьего основных преобразующих устройств, четвертое, резервное, преобразующее устройство своим первым выводом подключено к каждой из трех шин А, В, С через контакты модульного блока коммутации, второй и третий выводы всех преобразующих устройств соединены с первой и второй шинами соответственно второго комплекта шин Х, Y, каждая из которых соединена с первыми выводами второго модульного блока фильтра, каждое преобразующее устройство содержит управляющие входы, которые соединены с соответствующими первыми выходами многофункционального блока управления и содержат модульный блок согласующего трансформатора и модульный блок полупроводниковых ключей, первые выводы преобразующих устройств соединены с началом первичной обмотки модульных блоков согласующих трансформаторов, а концы первичных обмоток соединены между собой и с нулевым проводом, кроме того, начала первичных обмоток соединены с началом вторичных обмоток через контакты модульного блока коммутации, концы вторичных обмоток согласующих трансформаторов соединены между собой, а их начала соединены с первым выводом модульных блоков полупроводниковых ключей, содержащих последовательно включенные первый и второй транзисторы, причем коллектор первого транзистора соединен с эмиттером второго транзистора и их общий узел соединен с первым входом модульного блока полупроводниковых ключей, эмиттер первого и коллектор второго транзисторов являются вторым и третьим соответственно выводами преобразующих устройств, которые подключены к шинам Х, Y второго комплекта, вторые выходы блока управления соединены с модульным блоком коммутации.

РИСУНКИ

Рисунок 1