CC BY
273
УДК 262.391.175
ТОПОЛОГИЯ СТРУКТУРЫ СИЛОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ АВИАЦИОННОГО СЛЕДЯЩЕГО ПРИВОДА С РЕКУПЕРАЦИЕЙ ЭНЕРГИИ И ОПИСАНИЕ ФУНКЦИЙ ЕЁ КОМПОНЕНТОВ
В.Ю. ЛАШИН
Статья представлена доктором технических наук, профессором Решетовым С.А.
В статье излагается принцип работы гибридной схемы предлагаемой к использованию в авиационном следящем приводе, приведена классификация современных структур силовых трехфазных преобразователей переменного тока широкого применения. Проанализированы основные недостатки систем, ограничивающие их применение. Рассмотрены матричные структуры преобразователей и гибридные технологии построения силовых преобразователей переменного тока.
Ключевые слова: рекуперация, гибридные преобразователи, привод, авиационный.
Система для преобразования электрической энергии, предлагаемая к использованию в системе электроснабжения самолета, способствующая уменьшать расход и в соответствующих случаях рекуперировать энергию помогающего аэродинамического момента, имеет топологию гибридной структуры (рис. 1).
б
Рис. 1. Топология гибридной структуры: а - гибридная структура преобразователя;
б - классификация преобразователей тока
Основные сокращения и обозначения: АФГ - активный фильтр гармоник; БСРЭ - блок сброса или рекуперации энергии; БУС - бустер; ГПЭ - гибридные преобразователи энергии; ДК - двунаправленный ключ; ДПЭ - система с двойным преобразованием энергии; ДТ - датчик токовый; ИБП - источник бесперебойного питания; ККМ - корректор коэффициента мощности; МК - матричный коммутатор; НВ - неуправляемый выпрямитель; НПЧ - непосредственный преобразователь частоты; НЧК - низкочастотный коммутатор; ППЭ - система с прямой передачей энергии; РН - регулятор напряжения; СДПМ - синхронный двигатель с постоянными магнитами; СТ - силовой трансформатор; УВ - управляемый выпрямитель; УН - уравнитель напряжений; ФВ - фильтр выходной; ШИМ - широтно-импульсная модуляция; ШИМ-В - ШИМ-выпрямитель; ШИМ-И - ШИМ-инвертор; ШИМ-П - однополярный ШИМ-преобразователь; ЭМО - электромагнитная обстановка; ЭМС - электромагнитная совместимость; ЭП - электропривод.
Топология синтезирована на базе описанных ниже различных типов преобразовательных схем, с учетом их достоинств и недостатков.
Наиболее распространенной в настоящее время технологией преобразования переменного тока являются системы с двойным преобразованием энергии (ДПЭ), содержащие в своей струк-
а
туре звено постоянного тока. Звено постоянного тока обеспечивает накопление энергии от первичного источника питания переменного тока (рис. 2).
Системы с ШИМ-выпрямителем - структура преобразователя, появившаяся в последние годы, содержит двунаправленный мостовой ШИМ-выпрямитель (ШИМ-В), уравнитель напряжений (УН) и ШИМ-инвертор (ШИМ-И) (рис. 3). ШИМ-выпрямитель реализован на ЮБТ-транзисторах УТ1, УТ2, фазных дросселях Ь1 и накопительных конденсаторах С1, С2 (на рисунке условно изображена одна фаза выпрямителя). Активные фильтры гармоник (АФГ) предназначены для обеспечения синусоидальной формы тока, потребляемого от первичного источника при нелинейной нагрузке. Таковой нагрузкой может быть преобразователь с неуправляемым или управляемым выпрямителем. АФГ анализирует гармонический состав тока на входе преобразователя и генерирует в точке его подключения высшие гармоники тока в противофазе с высшими гармониками входного тока преобразователя. В результате высшие гармоники компенсируются, и ток в общей цепи сохраняет синусоидальную форму (рис. 4).
Появление гибридных структур преобразователей переменного тока обусловлено причиной решения проблемы ЭМС по отношению к первичным источникам энергии при использовании преобразователей с неуправляемыми выпрямителями. Вторая причина - увеличение входного коэффициента мощности системы с двойным преобразованием энергии. Третья причина - обеспечение ЭМС преобразователя по отношению нагрузки при использовании низкочастотного коммутатора (НЧК) - трехфазного инвертора, работающего с 120-градусной коммутацией.
На рис. 5 приведена схема гибридного преобразователя с зависимым АФГ.
УН
ШИМ-И ФВ
Нагрузка
Рис. 3. Система ДПЭ с ШИМ - выпрямителем
Источник
\л/'1 7=
Ьх 1
и.
к
АФГ
ДПЭ
Нагрузка
Рис. 4. Структурная схема ДПЭ с АФГ
Рис. 5. Гибридная структура
Рис. 6. Матричная структура преобразователя:
преобразователя с входным АФГ двунаправленный ключ; МК - матричный коммутатор;
БСРЭ - блок сброса или рекуперации энергии
Матричная структура обеспечивает преобразование параметров источника переменного тока в напряжение, необходимое для питания нагрузки, без накопления энергии в промежуточном звене постоянного тока. Такие преобразователи относятся к системам прямой передачи энергии (ППЭ). Отсутствие больших конденсаторов звена постоянного тока, занимающих от 30% до 50% объема инвертора, позволяют создавать малогабаритные преобразователи.
Современный матричный преобразователь выполняется на 9-ти двунаправленных ключах, которые способны подключать любую из трех фаз входного напряжения к любой из трех фаз нагрузки (рис. 6). Каждый двунаправленный ключ ДК представляет собой два встречно включенные ЮБТ - транзистора, зашунтированные диодами.
Матричные преобразователи особо перспективны для построения высоконадежных электроприводов с синхронным двигателем на постоянных магнитах, которые характеризуются лучшими энергетическими и массогабаритными показателями по сравнению с другими двигателями переменного тока.
На рис. 1 гибридной структуры преобразователя изображены : двигатель с ДПР; III- инвертор ведомый противоЭДС вентильного электродвигателя; II - двусторонний ШИМ-преобразователь; БСРЭ - блок сброса или рекуперации энергии; I- управляемый выпрямитель-инвертор ведомый сетью (генератором ВС); генератор ВС; 6 - Б - программируемое микроконтроллерное управление; БЛ1, БА2, БАЗ - драйверы преобразовательных устройств (К - компаратор; ОУ- операционный усилитель; буст - бустрепная емкость); 1-14 - транзисторные ключи УТ с ЯУБ - цепочками, определяющими траектории переключения, и с бустрепными емкостями; Ь - реактор; Сф - буфер емкостной; (ТУ1, шим - контрол.) - высокочастотный преобразователь с трансформаторной развязкой для питания драйвера верхнего уровня; опт - гальваническая развязка посредством оптопар; СПФ -сигналы пересечения фаз; стаб БЛ4 - стабилизированное питание для драйверов; Ф - фильтры; БЛ(к) - сравнивающее устройство; шунт 1, 2, 3 - измерители токовой перегрузки.
Основные узлы преобразователя:
- управляемый выпрямитель + управляемый инвертор, ведомый сетью;
- управляемый высокочастотный ШИМ - преобразователь постоянного напряжения;
- управляемый датчиком положения ротора (ДПР) инвертор для питания вентильного двигателя.
Назначение основных узлов преобразователя:
- управляемый выпрямитель - управляемый инвертор, ведомый сетью, предназначен для передачи энергии от питающей сети к двигателю при положительных моментах сопротивления вращению и для передачи энергии от двигателя в питающую сеть при отрицательных, помогающих вращению моментах;
- управляемый высокочастотный ШИМ-преобразователь используется для изменения и стабилизации частоты вращения двигателя в различных режимах работы, с помощью регулирования напряжения питания инвертора, управляемого ДПР;
- управляемый датчиком положения ротора (ДПР) инвертор предназначен для питания вентильного двигателя, при этом логические сигналы для управления двигателем выдаются схемой датчика положения ротора (ДПР).
Описание работы основных узлов:
1. Описание работы схемы управляемого выпрямителя-инвертора
Цифра 1 на схеме (рис. 7) - один из четырнадцати транзисторных ключей преобразователя с ЯУБ - цепями, определяющими траекторию переключения, с бустрепной емкостью, 2 - схема управляемого 3-фазного выпрямителя-инвертора.
Управляемый 3-фазный выпрямитель, ведомый сетью, выполнен на диодах и ЮБТ-транзисторах (УТ1...УТ6) и управляется 3-фазным интегральным драйвером БА1, выполняю-
щим согласование управляющих логических сигналов, поступающих от датчика пересечения фаз, с сигналами управления мощных БТИЗ (ЮВТ)-траюисторов.
3 - схема управления транзисторами выпрямителя.
Защита по току. Информация о токе в выпрямителе-инверторе снимается с резистивного шунта R41. Отрицательное напряжение с шунта R41 поступает на инвертирующий вход интегрированным в DA1 операционном усилителе. С выхода операционного усилителя инвертированный сигнал с шунта R41 поступает также на DA1.
4 - схема синхронизации управления транзисторами выпрямителя.
Формирователь СПФ предназначен для получения сигналов, необходимых для работы управляемого трехфазного выпрямителя-инвертора, ведомого сетью. Формирователь СПФ выполнен на элементах DD1-DD6. На вход формирователя СПФ поступает напряжение 3х115В , 400 Гц (сигналы FA, FB, FC). Выходными являются шесть сигналов: А>В, А>С, В>С, В>А, С>А, С>В.
Управляемый высокочастотный ШИМ-преобразователь представляет собой комбинацию понижающего (транзистор VT7, диод транзистора VT8) и повышающего (транзистор VT8, диод транзистора VT7) преобразователей постоянного напряжения. Такая схема позволяет передавать энергию от входного буфера в нагрузку и обратно.
5 - схема управляемого высокочастотного ШИМ-преобразователя.
У правление силовыми транзисторами осуществляется DA2 высоковольтным интегральным драйвером IR2110. Питание драйвера верхнего уровня осуществляется от отдельного высокочастотного преобразователя, выполненного на ШИМ-контроллере с трансформаторной развязкой (TV1).
Компаратор DA^) сравнивает напряжение, выделенное на резистивном шунте, с опорным положительным напряжением на неинвертирующем входе. Транзистор VT 7 выключается и ток в цепи реактора L1 спадает до прихода следующего импульса включения.
Среднее значение тока ШИМ-преобразователя зависит от величины индуктивности L1. Узел защиты транзистора VT7 ШИМ-преобразователя от выхода из насыщения собран на транзисторах VT15, VT16. Узел защиты ШИМ-преобразователя от перенапряжения собран на устройстве сравнения. Разрешение включения транзисторов VT 8, VT 7 появится после снижения напряжения на входе ШИМ-преобразователя ниже номинального.
Логические сигналы управления ШИМ-преобразователя поступают с контроллера D.
Контроллер D предназначен для регулирования напряжения на инверторе, управляемом ДПР. Сигналом обратной связи является утроенная частота работы инвертора, поступающая со схемы датчика положения ротора через оптопару U22 (порт А4 - вход), для ограничения тока ШИМ-преобразователя, для выключении ШИМ-преобразователя по сигналу FAULT.
На инверторе DD1 собран узел согласования логических сигналов процессора D с сигналами управления драйвера DA2. RCD-цепи служат для обеспечения гарантированной паузы между включением и выключением силовых транзисторов VT 8, VT 7 ШИМ-преобразователя.
Схема инвертора преобразователя управления электродвигателем с датчиком тока на сопротивлении R130.
6 - схема инвертора преобразователя управления электродвигателем.
Управляемый датчиком положения ротора (ДПР) инвертор выполнен на IGBT-транзисторах (VT1...VT6) и управляется 3-фазным интегральным драйвером DAЗ, выполняющим согласование управляющих логических сигналов, поступающих от датчика положения ротором, с сигналами управления мощных IGBT-транзисторов.
Формирование траектории переключения силовых ключей определяется RVD цепями в затворах транзисторов. Кроме того, эти цепи подавляют паразитные колебания в контуре управления затвором, а также ограничивают на допустимом уровне импульсные токи выходных каскадов драйвера DA3.
Рис. 7. Принципиальная схема системы для преобразования электрической энергии
и)
СЛ
Топология структуры силового преобразователя электрической энергии
Описание работы схемы инвертора управления электродвигателем.
Схема преобразования сигналов датчика положения ротора электродвигателя в логические сигналы управления драйвером инвертора-преобразователя с оптронной гальванической развязкой.
7 - схема преобразования сигналов датчика положения ротора электродвигателя.
При включении силовых транзисторов нижнего уровня происходит заряд бустрепных емкостей С через бустрепные диоды VD. Защита выходов от всплесков отрицательного напряжения при коммутации тока нагрузки от верхнего силового транзистора к диоду нижнего транзистора из-за ограниченного времени включения диода осуществляется диодами VD.
Защита по току. Информация о токе в выпрямителе-инверторе снимается с резистивного шунта R130. Диоды защищают входы встроенного операционного усилителя и компаратора от перенапряжений в моменты коммутации силовых ключей.
Эта схема относится к управляемым следящим приводам, агрегатам и устройствам, работающим в зоне аэродинамического потока (рули, механизация крыла и др.). Цикл работы таких приводов «выпуск - уборка » в одну сторону движения совершается с противодействующим моментом, создаваемым аэродинамическими силами, а в другую - с помогающим. Решить задачу рекуперации этой энергии надлежит при помощи описанной выше схемы гибридной структуры, управляемой программируемыми микроконтроллерами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Wheeler P.W. и др. Электромеханический привод с преобразователем матричного типа и электрической машиной с постоянными магнитами в приводе руля направления самолета // Силовая Электроника. - 2006. - № 4.
2. Чиженко И.М., Руденко В.С., Сенько В.И. Основы преобразовательной техники. - М.: Высшая школа, 1974.
3. Климов В.П. Современные направления развития силовых преобразователей переменного тока // Практическая силовая электроника. - 2007. - № 25.
4. Климов В.П., Москалев А. А. Трехфазные источники бесперебойного питания: схемотехника и технические характеристики // Электронные компоненты. - 2005. - № 8.
TOPOLOGY OF STRUCTURE OF THE POWER CONVERTER OF ELECTRIC ENERGY OF AN AVIATION WATCHING DRIVE WITH RECOVERY ENERGY AND THE DESCRIPTION OF FUNCTIONS OF ITS COMPONENTS
In article the description of work of the hybrid circuit offered to is stated to use in an aviation watching drive, classification of modern structures of power three-phase converters of an alternating current of wide application given. The basic lacks of systems limiting their application are analysed. The attention is given to matrix structures of converters and hybrid technology of construction of power converters of an alternating current.
Key words: recovery, hybrid converters, drive air.
Сведения об авторе
Лашин Василий Юрьевич, 1961 г.р., окончил МГТУ ГА (2006), старший преподаватель кафедры электротехники и авиационного электрооборудования МГТУ ГА, автор 6 научных работ, область научных интересов - техническая эксплуатация бортового авиационного электрифицированного оборудования.
