Управляемый выпрямитель с коррекцией коэффициента мощности и дифференциальным выходом
CONTROLLABLE RECTIFIER WITH POWER FACTOR CORRECTION AND DIFFERENTIAL OUTPUT

Изобретение относится к электротехнике и к импульсной силовой электронике и предназначено для питания нагрузок постоянного тока от автономных и общесетевых источников однофазного и трехфазного переменного тока.
Известен управляемый выпрямитель с коррекцией коэффициента мощности и дифференциальным выходом (аналог), называемый «Виенна-выпрямителем», содержащий входные балластные реакторы переменного тока, «m»-фазный двухполупериодный диодно-лучевой выпрямитель с выходной двухконденсаторной фильтровой стойкой, зашунтированный по входу электронными ключами переменного тока и блок управления с цепями обратных связей и импульсно-модуляторными выходными выводами (В. Климов, С. Климова, Ю. Карпиленко. Корректоры коэффициента мощности однофазных источников бесперебойного питания, Силовая Электроника, №3, 2009 г., с. 40-42, стр. 41, рис. 2). В нем применен повышающий импульсный модулятор, обеспечивающий синусоидальную форму входного тока.
Недостатком указанного известного устройства (аналога) являются узкие функциональные возможности, а именно - узкий диапазон регулирования и отсутствие самовыравнивания выходных напряжений, ограниченных снизу величиной амплитуды фазного питающего напряжения.
Из известных устройств наиболее близким по технической сути к предлагаемому является управляемый выпрямитель с коррекцией коэффициента мощности и дифференциальным выходом (прототип), содержащий «m» однофазных выпрямительных блоков, состоящих каждый из двухтранзисторной стойки с заземленным средним выводом, четырех диодов, двух реакторов, с также выходную двухконденсаторную фильтровую стойку с заземленным средним выводом, соединенным с нейтрально-нулевым входным выводом, и блок управления с цепями обратных связей по входным и выходным токам и напряжениям (см. там же, стр. 41, рис. 46). В нем также применен повышающий импульсный модулятор, обеспечивающий синусоидальную форму входного тока с высоким (близким к единице) значением коэффициента мощности.
Недостатком известного устройства (прототипа) является узкие функциональные возможности, а именно - узкий диапазон регулирования выходного напряжения, ограниченного снизу величиной амплитуды фазного питающего напряжения.
Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей устройства за счет расширения диапазона регулирования и самовыравнивания выходных напряжений со снятием их нижних ограничений без снижения коэффициента мощности.
Указанный технический результат обеспечивается БЛАГОДАРЯ тому, что в управляемый выпрямитель с коррекцией коэффициента мощности и дифференциальным выходом, содержащий «m» входных выводов для подключения «m»-фазного источника электропитания переменного тока, разнополярные выходные выводы для подключения нагрузки постоянного тока, вывод заземления, двухконденсаторную выходную фильтровую стойку с заземленным средним выводом, «m» выпрямительных блоков, состоящих каждый из однонаправленной электронной двухключевой стойки с заземленным средним выводом, четырех диодов и двух реакторных обмоток, а также блок управления с цепями обратных связей, имеющими датчики входных и выходных токов и напряжений, и с «m» группами основных импульсно-модуляторных выходных выводов, подключенными каждая к управляющим выводам двухключевой стойки соответствующего выпрямительного блока, в который ВВЕДЕНЫ две диодно-ключевые стойки, два снабберных конденсатора, двухвентильная стойка и два рекуператорных электронных ключа, а блок управления СНАБЖЕН «m» группами дополнительных импульсно-модуляторных выходных выводов, и БЛАГОДАРЯ тому, что реакторные обмотки каждого выпрямительного блока ВЫПОЛНЕНЫ с общим для них магнитопроводом, а в каждый выпрямительный блок ВВЕДЕНЫ индуктивно-емкостный фильтр, а также пятый и шестой диоды.
Экспериментальные исследования лабораторного макета устройства и компьютерное моделирование подтвердили его работоспособность и целесообразность широкого промышленного использования.
На первом чертеже (Фиг. 1) представлены принципиальная силовая схема и каналы управления предлагаемого управляемого выпрямителя с коррекцией коэффициента мощности и дифференциальным выходом в однофазном варианте.
На втором чертеже (Фиг. 2) представлена структура трехфазного варианта предлагаемого устройства.
Предлагаемый управляемый выпрямитель с коррекцией коэффициента мощности и дифференциальным выходом содержит: «m» входных выводов 1 для подключения «m»-фазного источника электропитания переменного тока, разнополярные выходные выводы 2, 3 для подключения нагрузки постоянного тока, вывод заземления 4, двухконденсаторную выходную фильтровую стойку 5-6 с заземленным средним выводом, шунтирующую выходные выводы устройства, «m» выпрямительных блоков 7, состоящих каждый из однонаправленной электронной двухключевой стойки 8-9 с заземленным средним выводом, четырех диодов 10, 11, 12, 13 и двух реакторных обмоток 14, 15, а также блок управления 16 с цепями 17, 18 обратных связей, имеющими датчики 19, 20, 21, 22 входных и выходных токов и напряжений, и с «m» группами 23, 24, 25 основных импульсно-модуляторных выходных выводов, подключенными каждая к управляющим выводам двухключевой стойки соответствующего выпрямительного блока, который имеет две однонаправленные диодно-ключевые стойки 26-27 и 28-29, два снабберных конденсатора 30, 31, однонаправленную двухвентильную стойку 32-33 с заземленным средним выводом и два рекуператорных электронных ключа 34, 35. Блок управления снабжен «m» группами 36, 37, 38 дополнительных импульсно-модуляторных выходных выводов, подключенными каждая к управляющим выводам рекуператорных ключей двухвентильной стойки и ключей диодно-ключевых стоек соответствующего выпрямительного блока. Цепь подключения общего диодного вывода диодно-ключевых стоек каждого выпрямительного блока к соответствующему входному выводу устройства состоит из звена «m»-фазного индуктивно-емкостного входного фильтра 39 с заземленным выводом конденсатора. Кроме того, каждый выпрямительный блок снабжен пятым и шестым диодами 40, 41.
Крайние силовые выводы двухключевой стойки 8-9 каждого выпрямительного блока 7 непосредственно подключены к первым выводам соответствующих реакторов 14, 15 и через соответствующие первый и второй диоды 10, 11 подключены к соответствующим выходным выводам 2, 3 устройства. Вторые выводы реакторов 14, 15 подключены к первым выводам третьего и четвертого диодов 12, 13, соответственно. Диодно-ключевые стойки 26-27 и 28-29 соединены между собой последовательно-согласно и подключены своими свободными (крайними) ключевыми выводами ко вторым выводам соответствующих реакторных обмоток 14, 15, своим общим диодным выводом - через соответствующее звено входного индуктивно-емкостного входного фильтра 39 - к соответствующему входному выводу 1 устройства, а своими средними диодно-ключевыми выводами - через соответствующие снабберные конденсаторы 30, 31 - ко вторым выводам соответствующих второго и третьего диодов 12, 13 и к соответствующим крайним выводам двухвентильной стойки 32-33, сонаправленной с этими диодами. Каждый из пятого и шестого диодов 40, 41 включен между первым выводом одной и вторым выводом другой реакторных обмоток и шунтирует последовательно между собой включенные электронную двухключевую стойку 8-9 и соответствующую реакторную обмотку 14, 15. Реакторные обмотки 14, 15 каждого выпрямительного блока 7 выполнены с общим для них магнитопроводом и включены между собой согласно относительно направлений проводимости подключенных к ним электронных ключей 8, 9, 27, 29 и 34, 35, в качестве которых могут использоваться транзисторы или двухоперационные (запираемые по управлению) тиристоры.
Управляемый выпрямитель с коррекцией коэффициента мощности и дифференциальным выходом работает следующим образом.
шим
Входные выводы 1 и вывод заземления 4 подключают к «m»-фазному источнику электропитания переменного тока, например к авиабортовой, судовой, ветроэнергетической, дизельно-генераторной или общепромышленной сети переменного тока. Разнополярные выходные выводы 2, 3, а возможно и вывод заземления 4, подключают к нагрузке постоянного тока с произвольной величиной напряжения, допустимой для электронных ключей 8, 9, 27, 29, 34, 35, например к системе распределения постоянного повышенного (0±270 В или 0±135 В) или низкого (±27 В) напряжения. Блок управления 16 формирует на своих основных и дополнительных импульсно-модуляторных выходных выводах высокочастотные прямоугольные импульсы с постоянным периодом (T) и с широтно-импульсной модуляцией, регулируемой с помощью цепей обратных связей.
2-4
4-3
вых
1-4
Схема каждого из «m» выпрямительных блоков 7 независимо от других блоков может работать в прямом и обратном (рекуператорном) направлении преобразования, причем в режимах повышения и понижения напряжения, а также понижающе-повышающем режиме, в засимости от соотношения между мгновенными (среднеимпульсными) значениями выходного напряжения (U≅U=U на конденсаторах 5 и 6) и абсолютной величины входного (фазного) напряжения (|U|). На протяжении каждого полупериода входного напряжения это соотношение, а, следовательно, и режимы могут меняться.
Сначала рассмотрим прямое направление преобразования энергии - выпрямительный режим. В этом режиме ключи 34 и 35 не работают.
выx
1-4
В режиме повышения напряжения (U>|U|) ключи 27 и 29 постоянно включены, вентили 32, 33 - выключены, а ключи 8 и 9 получают импульсно-модуляторное управление. Снабберные конденсаторы 30, 31 остаются разряженными и в работе схемы не участвуют.
1-4
и
и
шим
и
1-4
шим
шим
и
и
шим
1-4
4-3
На положительном полупериоде входного напряжения (U>0) при каждом очередном включении ключа 8 происходит нарастание полного (суммарного) потокосцепления реакторных обмток 14-15 вместе с током в цепи: 1-39-27-14-8-4-1 в течение длительности импульса: t=γ⋅Т, где γ - относительная длительность (коэффициент заполнения) импульса. Затем ключ 8 выключается и указанное потокосцепление частично (или полностью) спадает вместе с током в цепи: 14-10-5-4-1-39-26-27-14, поддерживаемым за счет суммы ЭДС самоиндукции реактора 14 и напряжения источника (U) в течение оставшегося от T времени: Т-t=(1-γ)⋅Т. При этом диоды 12 и 32 заперты напряжением питания (U). Следует попутно отметить, что ЭДС, наводимая при этом во втором реакторе (15), меньше величины U, благодаря чему диоды 11, 13 заперты, а конденсатор 6 не заряжается. Далее указанные процессы высокочастотно-периодически качественно повторяются, осуществляя зарядку конденсатора 5 и питание нагрузки таким же образом, как в устройствах - аналоге и прототипе: с относительно высоким КПД и непрерывным входным током, но без самовыравнивания мгновенных значений напряжений дифференциального выхода.
1-4
вых
1-4
На отрицательном полупериоде входного напряжения (U<0 и U>|U|) схема работает аналогичным образом, но с модуляцией ключа 9.
вых
1-4
1-4
1-4
В режиме понижения напряжения (U<|U|) ключи 8 и 9 постоянно выключены и в работе не участвуют, а ключи 27 и 29 и вентили 32, 33 получают импульсно-модулированное управление. В исходном состоянии снабберные конденсаторы 30, 31 заряжены с полярностями, указанными на чертеже (Фиг. 1) по цепям зарядки: 1-39-26-30-12-14-10-5-4-1 (при U>0) и 4-6-11-15-13-31-28-39-1-4 (при U<0).
1-4
1-4
вых
и
и
шим
шим
и
и
шим
В положительном полупериоде входного напряжения (U>0 и U>U) при каждом очередном включении ключа 27 и вентилей 32, 33 происходит нарастание полного потокосцепления реакторных обмоток 14-15 вместе с током в цепи: 1-39-26-27-14-10-5-4-1, а также с током разрядки снабберного конденсатора 30 по цепи: 30-27-14-10-5-4-32-30. При этом конденсатор 30 отдает в цепь реактора 14 и нагрузки всю дозу энергии, накапливаемой им на предыдущем этапе. Далее через промежуток времени: t=γ⋅Т ключ 27 выключается по управлению, а вентили 32, 33 остаются включенными и указанное потокосцепление частично (или полностью) спадает вместе с токами в цепях: 14-10-5-4-32-12-14 и 1-39-26-30-12--14-10-5-4-1 в течение времени: Т-t=(1-γ)⋅Т. При этом благодаря зарядке снабберного конденсатора 30 входной ток остается непрерывным.
Одновременно с указанными спадающими токами скачкообразно возникает и затем также спадает ток в цепи зарядки второго фильтрового конденсатора 6 по цепи: 15-13-33-6-11-15, поддерживаемый за счет ЭДС взаимоиндукции, наводимой во втором реакторе 15 и обеспечивающий самовыравнивание напряжений на конденсаторах 5 и 6 дифференциального выхода.
Далее указанные процессы высокочастотно-периодически качественно повторяются также с непрерывным входным током, относительно высоким КПД и самовыравниванием напряжений дифференциального выхода.
1-4
1-4
вых
На отрицательном полупериоде входного напряжения (U<0 и |U|>U) процессы протекают аналогично, но с участием ключа 29 вместо 27.
Далее вышеуказанные процессы низкочастотно-периодически повторяются с периодом питающего напряжения.
В универсальном понижающе-повышающем («дозирующем») режиме на положительном полупериоде входного напряжения синхронно коммутируются ключи 8 и 27, а на отрицательном - ключи 9 и 29, при этом вентили 32, 33 постоянно включены.
и
и
шим
шим
и
и
шим
На положительном полупериоде после очередного включения ключей 8 и 27 полное потокосцепление реакторных обмоток 14-15 нарастает вместе с токами в цепях: 1-39-26-27-14-8-4-1 и 30-27-14-8-32-30 в течение длительности импульса: t=γ⋅Т. Затем оба ключа 8 и 27 выключаются, и накопленная реакторными обмотками 14-15 доза общей электромагнитной энергии передается поровну (при равенстве чисел витков реакторов) в конденсаторы 5-6 фильтровой стойки дифференциального выхода вместе с токами в цепях: 14-10-5-32-12-14, 15-13-33-6-11-15 и 14-10-5-6-11- -15-13-33-32-12-14 в течение времени: Т-t=(1-γ)⋅Т. Одновременно с этим происходит зарядка снабберного конденсатора 30 по цепи: 1-39-26-30-12-14-5-4-1, обеспечивая непрерывность входного тока. Далее процессы высокочастотно-периодически качественно повторяются.
На отрицательном полупериоде входного напряжения процессы протекают аналогично, но с участием ключей 9 и 29 и снабберного конденсатора 31.
Далее вышеуказанные процессы низкочастотно-периодически повторяются с периодом питающего напряжения, обеспечивая непрерывность входного тока и самовыравнивание напряжений на фильтровых конденсаторах 5-6 дифференциального выхода устройства.
Теперь рассмотрим обратное направление преобразования энергии - рекуперативно-инверторный режим. В этом режиме работают все ключи (включая 34, 35), а управляемые вентили 32 и 33 постоянно выключены. Режим является универсальным - понижающе-повышающим.
1-4
и
и
шим
шим
В положительном полупериоде входного напряжения (U>0) при очередном одновременном включении ключей 9 и 35 полное потокосцепление реакторных обмоток 14, 15 нарастает вместе с током в цепи: 6-9-15-35-6 в течение длительности импульса: t=γ⋅Т, накапливая в них дозу электромагнитной энергии. Затем ключ 9 остается включенным, включается ключ 29, а ключ 35 выключается и полное потокосцепление частично (или полностью) спадает вместе с током в цепи: 15-29-28-39-1-4-9-15, передавая (рекуперируя) накопленную в реакторах дозу энергии в первичную (питающую) цепь (сеть) переменного тока. Далее указанные процессы высокочастотно-периодически качественно повторяются с периодом T.
1-4
На отрицательном полупериоде входного напряжения (U<0) происходят аналогичные процессы, но с участием реактора 14 и ключей 8, 27, 34.
п
п
шим
п
п
0
0
1-4
Для улучшения качества электроэнергии переменного тока в указанном рекуперативно-инверторном режиме между этапами нарастания и спадания полного потокосцепления реакторных обмоток 14, 15 целесообразно ввести токозамыкающую паузу с длительностью: t=γ⋅Т, при которой ключи 34 и 35 включены, а остальные - выключены и полное потокосцепление приблизительно сохраняется вместе с токами в цепях: 14-10-34-14 и 15-35-11-15. Регулируя величины относительных длительностей импульсов и пауз (γ и γ) и используя при этом цепи обратных связей 17, 18, блок управления 16 обеспечивает модульно-синусоидальный закон изменения полного потокосцепления реакторных обмоток 14, 15: Ψ(t)=Ψ|sin(ωt)| и тем самым - синусоидальную форму выходного тока: I(f)=I⋅sin(ωt), синхронизированную с синусоидальной формой входного напряжения: U(t).
2-4
4-3
В заключение рассмотрим режим импульсного деления напряжений дифференциального выхода (U и U). В этом режиме каждый выпрямительный блок 7 работает в качестве обратимого полярно-инвертирующего импульсного конвертора, способного импульсно перекачивать заряд (энергию) из одного конденсатора фильтровой стойки 5-6 в другой и обратно, независимо от соотношения между их напряжениями.
шим
Для перекачки (транспортирования) заряда (энергии) из конденсатора 5 в конденсатор 6 сначала включаются ключи 34 и 8 и полное потокосцепление реакторных обмоток 14, 15 нарастает вместе с током в цепи: 5-34-14-8-5, а после выключения ключа 34 и включения вентиля 33 (ключ 8 остается включенным) это потокосцепление частично или полностью спадает вместе с током в цепях: 14-8-6-11-41-14 и 15-13-33-6-11-15. Далее указанный процесс высокочастотно-периодически качественно повторяется с периодом T.
Обратная перекачка из конденсатора 6 в конденсатор 5 происходит аналогично, но с участием сначала ключей 35 и 9, а затем - вентиля 32 (вместе с ключом 9).
В заключение следует особо отметить, что все вышеперечисленные режимы и процессы протекают при однонаправленном полном потокосцеплении реакторных обмоток 14, 15 (без его реверса), благодаря чему достигается высокое быстродействие переключений режимов работы и обеспечивается высокое качество входной и преобразованной электроэнергии.
2-4
4-3
Таким образом, благодаря наличию ключей 27, 29, 34, 35, вентилей 32, 33 и снабберных конденсаторов 30, 31 в устройстве обеспечивается двунаправленное преобразование энергии и исключаются нижние ограничения величин напряжений дифференциального выхода (U и U), которые в аналоге и прототипе определяются амплитудным значением переменного напряжения питания (для общеизвестных так называемых «повышающих корректоров коэффициента мощности» - ККМ). При этом сохраняется непрерывность входных токов, что позволяет за счет сохранения синусоидальности их формы и синхронизации входных токов с питающими фазными напряжениями обеспечить максимальную величину коэффициента мощности, близкую к единице.
Из вышеизложенного следует, что предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом обеспечивает технический результат: расширение функциональных возможностей устройства за счет двунаправленности преобразования энергии, расширения диапазона регулирования и самовыравнивания выходных напряжений со снятием их нижних ограничений без снижения коэффициента мощности.
Благодаря указанному техническому результату исключается необходимость установки дополнительных понижающих дифференциальных регуляторов выпрямленного напряжения и рекуператорно-инверторных устройств, тем самым улучшаются массо-энергетические характеристики выпрямительного устройства и существенно расширяется область его непосредственного и высокоэффективного использования в автономно-транспортных и стационарных системах электроснабжения.