МНОГОФАЗНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ С КОРРЕКЦИЕЙ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ

Полезная модель относится к электротехнике и к импульсной силовой электронике и может использоваться в автономных и общесетевых системах электропитания нагрузок постоянного и переменного тока стабилизированного напряжения от сети переменного тока с нестабильным напряжением.
Известен многофазный выпрямитель с коррекцией коэффициента мощности (аналог), содержащий входные и выходные выводы для подключения «m»-фазного источника электроэнергии переменного тока и нагрузок постоянного тока, а также однофазного переменного тока высокой частоты, общий «m»-фазный диодный мост с предвключенным сетевым фильтром и корректором коэффициента мощности и звено высокой частоты в виде импульсного полумостового инвертора напряжения и трансформаторно-выпрямительного блока (С. Резников, В. Бочаров, И. Харченко, Ю. Ермилов, А. Лавринович. Импульсные вторичные источники питания с повышенным качеством входных и выходных токов. Силовая электроника, №2, 2013 г., с. 74-80, стр. 76, рис. 3).
К недостаткам указанного устройства (аналога) относятся: низкий КПД из-за каскадного преобразования электроэнергии, низкая надежность из-за наличия цепи для сквозного сверхтока при одновременном включении ключей полумостового инвертора (при воздействии помех на блок управления) и насыщения магнитопровода трансформатора при асимметрии вольтсекундных характеристик его питающих разнополярных импульсов, а также узкие функциональные возможности из-за неспособности питания «m»-фазной нагрузки переменного тока стабилизированного напряжения.
Из известных устройств наиболее близким по технической сути к предлагаемой полезной модели является многофазный выпрямитель с коррекцией коэффициента мощности (прототип), содержащий «m»-фазные входные разнополярные выходные и заземляющий внешние выводы для подключения источника электропитания переменного тока и для нагрузки постоянного тока, «m»-фазный диодный мост с предвключенными сетевым фильтром и корректором коэффициента мощности и с выходной двухконденсаторной фильтровой стойкой с заземленным средним выводом - по известной схеме Виенна-выпрямителя (Патент на полезную модель №124454. Автономная система электропитания. Резников С.Б., Бочаров В.В., Харченко И.А., Ермилов Ю.В., Коняхин С.Ф., Бюлл. №2 от 20.01.2013 г.)
К недостаткам указанного известного устройства (прототипа) относятся: узкие функциональные возможности из-за неспособности обеспечения питанием нагрузок переменного тока стабилизированного напряжения при нестабильном напряжении источника питания.
Техническим результатом устройства является расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения питанием нагрузок переменного тока стабилизированного напряжения при нестабильном напряжении источника питания.
Указанный технический результат обеспечивается благодаря тому, что в многофазный выпрямитель с коррекцией коэффициента мощности, содержащий «m» фазных и заземляющий нейтральный входные выводы, а также разнополярные и заземляющий среднепотенциальный выходные выводы для подключения «m»-фазного источника электропитания переменного тока и нагрузок постоянного тока, «m»-фазный диодный мост, «m» входных реакторов, выходную двухконденсаторную фильтровую стойку с заземленным средним выводом, «m» двунаправленных электронных ключей и блок управления с цепями обратных связей, имеющими датчики входных токов и внешних напряжений, и с основными импульсно-модуляторными выходными выводами, ВВЕДЕНЫ «m» фазных и заземленный нейтральный дополнительные внешние выводы для подключения «m»-фазной нагрузки переменного тока стабилизированного напряжения, а также «m»-фазный Г-образный конденсаторно-дроссельный фильтр переменного тока, а также БЛАГОДАРЯ тому, что в него ВВЕДЕН импульсный уравнительный блок, состоящий из уравнительного реактора и двух диодно-ключевых стоек, составленных из первого диода и электронного ключа с обратно-шунтирующим вторым диодом и образующих полууправляемый косой мост, причем блок управления СНАБЖЕН вспомогательными импульсно-модуляторными выходными выводами.
Экспериментальные исследования лабораторного макета и компьютерное моделирование предлагаемого устройства подтвердили его работоспособность и целесообразность широкого промышленного использования.
На чертеже (Фиг. 1) представлены принципиальная силовая схема и каналы управления предлагаемого многофазного выпрямителя с коррекцией коэффициента мощности.
Многофазный выпрямитель с коррекцией коэффициента мощности содержит: «m» фазных и заземленный нейтральный входные выводы 1, 2, 3 и 4, а также разнополярные и заземляющий выводы 5, 6 и 7 для подключения «m»-фазного источника электропитания переменного тока и нагрузок постоянного тока, соответственно, «m»-фазный основной диодный мост 8, «m» входных реакторов 9, выходную двухконденсаторную фильтровую стойку 10-11 с заземленным средним выводом, «m» двунаправленных электронных ключей 12 и блок управления 13 с цепями 14, 15 обратных связей, имеющими датчики 16, 17, 18, 19 входных токов и внешних напряжений, и с основными импульсно-модуляторными выходными выводами 20. Устройство содержит также «m» фазных и заземленный нейтральный дополнительные внешние выводы 21, 22, 23 и 24 для подключения «m»-фазной нагрузки переменного тока стабилизированного напряжения, а также «m»-фазный Г-образный конденсаторно-дроссельный фильтр переменного тока 25-26. Устройство содержит также импульсный уравнительный блок 27, состоящий из уравнительного реактора 28 с заземленным средним выводом и двух диодно-ключевых стоек, составленных каждая из однонаправленных первого диода 29, 30 и электронного ключа 31, 32 с обратно-шунтирующим вторым диодом 33, 34 и образующих полууправляемый косой мост, крайние выводы стоек которого зашунтированы уравнительным реактором, а средние выводы подключены к разнополярным выходным выводам устройства, причем блок управления снабжен вспомогательными импульсно-модуляторными выводами 35, подключенными к управляющим выводам ключей уравнительного блока.
Помимо перечисленных элементов устройство может содержать помехоподавительный входной емкостный фильтр 36.
Двунаправленные электронные ключи 12 заземлены своими первыми силовыми выводами и подключены своими вторыми силовыми выводами через соответствующие реакторы 9 к входным фазным выводам 1, 2, 3 устройства, а непосредственно - к выводам переменного тока диодного моста 8. Выводы постоянного тока диодного моста зашунтированы крайними выводами фильтровой стойки 10-11 и подключены к разнополярным выходным выводам 5-6 устройства. Конденсаторные и дроссельные общие выводы емкостно-индуктивного фильтра 25-26 подключены к фазным дополнительным внешним выводам 21, 22, 23 устройства, свободные конденсаторные выводы заземлены, а свободные дроссельные выводы подключены к выводам переменного тока диодного моста 8. Блок управления 13 своими основными и дополнительными импульсно-модуляторными выходными выводами 20 и 35 подключены к управляющим выводам двунаправленных ключей 12 и электронных ключей 31 и 32 уравнительного блока 27.
В качестве двунаправленных электронных ключей 12 могут использоваться последовательно-встречно включенные транзисторы, зашунтированные обратными диодами (как показано на чертеже) или полевые транзисторы МОСФЕТ со встроенными обратно-шунтирующими диодами, а также встречно-спаренные двухоперационные (запираемые по управлению) тиристоры.
Многофазный выпрямитель с коррекцией коэффициента мощности работает следующим образом.
Фазные и нейтральный входные выводы 1, 2, 3 и 4 подключают к источнику электроэнергии переменного тока с возможной нестабильностью амплитуды и частоты «m»-фазного напряжения, например 115/200…250…440 В, 360…800 Гц. Разнополярные и заземляющий выходные выводы 5, 6 и 7 подключают к нагрузкам постоянного тока стабилизированного напряжения в двух возможных вариантах: дифференциальная нагрузка с заземленным среднепотенциальным выводом или/и без него (например, с напряжениями: 0±270 В на выводах 5-7 и 7-6 или ±540 В - на выводах 5-6.
Дополнительные внешние выводы 21, 22, 23 и 24 подключают к «m»-фазной нагрузке переменного тока стабилизированного напряжения, например 115/200 В, 360…800 Гц.
Сначала рассмотрим назначение и работу уравнительного блока 27.
шим
и
и
шим
Общим функциональным назначением уравнительного блока 27 является выравнивание напряжений на конденсаторах фильтровой стойки 10-11. Для этого на вспомогательных импульсно-модуляторных выходных выводах 35 блока управления 13 формируются высокочастотные импульсы с постоянным периодом: T и регулируемой длительностью: t=γ·Т.
шим
Ключ уравнительного блока 27, соединенный с конденсатором стойки 10-11, например 10, имеющим более высокое напряжение, чем второй, например, ключ 31, на каждом очередном периоде T сначала включается, вызывая нарастание полного потокосцепления уравнительного реактора 28 вместе с током в цепи разрядки конденсатора 10: 10-31-28-10 и с индуцированным током в цепи прямоходовой зарядки конденсатора 11: 28-11-34-28 (за счет трансформаторной ЭДС), а затем выключается, вызывая частичное (или полное) спадание потокосцепления вместе с токами в цепях: 28-11-30-28-29-10-28 (за счет ЭДС самоиндукции индуктивности рассеяния правой секции реактора).
Далее рассмотрим работу основной части схемы выпрямителя в вышеуказанных вариантах подключения нагрузки постоянного тока.
-й
1 случай: источник с заземленной нейтралью, а нагрузка - дифференциальная с заземленным среднепотенциальным выводом или/и высоковольтная - без такого вывода (подключенная к выводам 5-6).
Устройство работает как известная схема Виенна-выпрямителя с корректором коэффициента мощности на базе ключей переменного тока (двунаправленных), образованных двухключевыми стойками 12-22 (работа освещена в описании прототипа). В этом случае уравнительный блок может быть незадействованным или выполнять функцию снижения пульсаций напряжений на конденсаторах 10 и 11.
1-4
2-4
3-4
В полупериодах положительных фазных напряжений (U, U и U) происходит зарядка верхнего конденсатора 10 фильтровой стойки 10-11 по цепям: 1 (2, 3)-9-8-10-7, 4 после предварительных разгонов токов реакторов 9 по цепям: 1 (2, 3)-9-12-4. В полупериодах отрицательных фазных напряжений происходит зарядка нижнего конденсатора 11 по цепям: 4, 7-11-8-9-1 (2, 3) после предварительных разгонов токов реакторов 9 по цепям: 4-12-9-1 (2, 3).
и
С помощью регулирования параметра γ (коэффициента заполнения импульсов) одновременно обеспечиваются: синусоидальная форма входных фазных токов с нулевыми фазовыми сдвигами относительно соответствующих фазных напряжений (с единичным коэффициентом мощности) и величины средневыпрямленных напряжений на конденсаторах фильтровой стойки 10-11. При этом корректор коэффициента мощности работает как повышающий (бустерный) импульсный модулятор (реверсивный цикло-конвертор).
-й
-ом
2 случай: источник с заземленной нейтралью, а нагрузка - двухполюсная с заземленным минусовым выводом, подключенная к выводам 5-7. В этом случае выпрямительная часть схемы работает таким же образом, как ив 1 случае, а роль уравнительного блока 27, работающего по тому же вышеописанному алгоритму, автоматически сводится к перекачиванию энергии, поступающей в конденсатор 11 фильтровой стойки 10-11 (на отрицательных полупериодах фазных напряжений) в тот же конденсатор 10, питающий нагрузку. В этом случае половина энергии питания преобразуется одним модуляторным каскадом (с помощью ключей 12), а вторая половина энергии питания - двумя последовательными каскадами (повышающим и понижающим).
В результате, в течение обоих полупериодов любого из питающих фазных напряжений происходит зарядка конденсатора 10 и соответственно - питание двухполюсной нагрузки, подключенной к выводам 5-7.
и
10cp.
11ср.
Блок управления 13 с помощью широтно-импульсного регулирования параметра: γ (коэффициента заполнения импульса) в зависимости от величин отклонений сигналов цепей обратных связей от эталонных значений обеспечивает: а) синусоидальную форму входных фазных токов и их синхронизацию с соответствующими фазными питающими напряжениями (единичный коэффициент мощности) и б) стабилизацию выходных средневыпрямленных напряжений на конденсаторах 10 и 11 фильтровой стойки (U и U).
10cp.
11cp.
Благодаря указанной стабилизации величин U и U переменные напряжения на выводах переменного тока основного диодного моста 8 относительно заземленных внешних выводов 4, 7 и 24 имеют прямоугольную знакопеременную форму (типа «меандра»), которая после преобразования в конденсаторно-дроссельном фильтре 25-26 приобретает синусоидальную форму со стабилизированной амплитудой (и соответственно - действующим значением). Указанные напряжения подаются со стороны фильтра на дополнительные внешние выводы 21, 22, 23, 24 для питания нагрузки переменного тока стабилизированного напряжения (частота при этом соответствует частоте напряжений на входных выводах 1, 2, 3, 4, например, 360…800 Гц).
Таким образом, предлагаемая полезная модель по сравнению с прототипом обеспечивает технический результат: расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения питанием нагрузок переменного тока стабилизированного напряжения при нестабильном напряжении источника питания.