Трехфазный преобразователь переменного тока в постоянный с повышенным коэффициентом мощности
THREE-PHASE AC-TO-DC CONVERTER WITH INCREASED POWER FACTOR

Изобретение относится к области электротехники, включая импульсную силовую преобразовательную технику, и предназначено для использования в качестве вторичного источника с повышенным коэффициентом мощности для питания нагрузок постоянного тока при наличии первичных автономных или общесетевых источников трехфазного переменного тока.
Известны многофазный выпрямитель с коррекцией коэффициента мощности (патент RU 163741 U1. Бюл. №22 от 10.08.2016), а также трехфазный преобразователь переменного тока в постоянный с повышенным коэффициентом мощности (патент RU 192844 U1. Бюл. №28 от 03.10.2019), содержащие входные фазные клеммы, каждая из которых подключена к собственному датчику входного напряжения, датчики входного тока, входные дроссели, диоды выпрямителя, силовые транзисторы и диоды, фильтровые конденсаторы, блок управления, импульсно-модуляторные выходы которого подключены к цепям управления силовых транзисторов. Общим недостатком указанных известных устройств является большое количество входных дросселей, транзисторов и диодов, что снижает надежность и повышает стоимость устройства.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению  является принятый за прототип  трехфазный преобразователь переменного тока в постоянный с повышенным коэффициентом мощности, содержащий три входные фазные клеммы, датчики входного напряжения и тока, входные дроссели, диоды выпрямителя, силовые транзисторы и диоды, фильтровые конденсаторы, блок управления (см. патент RU 192844 U1. Опубликовано: 03.10.2019, Бюл. №28).
Технические задачи, на решение которых направлено заявляемое изобретение, заключаются в повышении энергетических показателей, эксплуатационной надежности, технологичности изготовления, а также снижении стоимости устройства.
Указанные задачи решаются за счет того, что  трехфазный преобразователь переменного тока в постоянный с повышенным коэффициентом мощности, содержащий входные клеммы подключения к фазам переменного тока, к каждой из которых последовательно включены датчик фазного входного напряжения и датчик фазного тока, силовые диоды, шесть из которых  разбиты на две группы, при этом у диодов первой группы объединены катоды, а у диодов второй группы объединены аноды, входные дроссели, силовые транзисторы, последовательно соединенные фильтровые верхний и нижний конденсаторы, входную нулевую клемму, соединенную с общей точкой фильтровых конденсаторов, две выходные клеммы, при этом положительная клемма соединена с другим концом верхнего конденсатора, а отрицательная клемма соединена с другим концом нижнего  конденсатора, блок управления с микропроцессором и компонентами согласования, информационные входы которого связаны с датчиками напряжения и тока в фазах, а управляющие выходы  с управляющими входами  силовых транзисторов, содержит только первый и второй дроссели, первый и второй силовые диоды, первый и второй силовые транзисторы, аноды трех диодов первой группы и катоды трех диодов второй группы соединены с тремя выходами цепочек, состоящих из последовательно включенных датчиков фазного входного напряжения и датчиков фазного тока, первый дроссель одним концом соединен с объединенными катодами диодов первой группы, а другим концом с анодом первого силового диода, катод которого соединен с положительной выходной клеммой, второй дроссель одним концом соединен с объединенными анодами диодов второй группы, а другим концом с катодом второго силового диода, анод которого соединен с отрицательной выходной клеммой, два силовых транзистора включены последовательно, причем их общая точка  соединена с входной нулевой клеммой, положительный электрод первого транзистора соединен с общей точкой первого дросселя и первого диода, а отрицательный электрод второго транзистора соединен с общей точкой второго дросселя и второго диода.
Техническим результатом использования данного изобретения в случае появления несинусоидальных входных токов при значительных индуктивностях нагрузки является   возможность улучшения коэффициента мощности устройства при одновременном  повышении КПД, эксплуатационной  надежности, технологичности изготовления  и снижении его стоимости.
вх1
Технический результат обеспечивается тем, что, входной фазный ток i принимает форму кривой, близкую к форме кривой входного синусоидального  напряжения, что обеспечивает повышенный коэффициент мощности предлагаемого устройства. При этом в отличие от прототипа в предлагаемом изобретении за счет нового схемотехнического решения, появилась возможность в три раза снизить количество входных дросселей, транзисторов и диодов. Количество элементов схемы относится к конструктивным (схемным) факторам, влияющим на её надежность. Вероятность безотказной работы системы P(t), состоящей из N элементов, равна произведению вероятностей безотказной работы каждого i-го элемента  :
Так как вероятность безотказной работы оценивается величиной, меньшей единицы, очевидно, что снижение числа элементов схемы ведет к её повышению, а следовательно, и повышению эксплуатационной  надежности устройства (см. Острейковский В.А. Теория надежности: Учеб. Для вузов. – М.: Высшая школа, 2003. -463с.). Рациональное снижение числа элементов схемы безусловно повышает также и энергетические показатели устройства вследствие снижения величины общих потерь. Позитивно влияет снижение числа элементов схемы и на ее стоимость, которая естественно снижается и на технологический процесс изготовления, который существенно упрощается. Существенную роль в реализации поставленных задач играет блок управления 24, который представляет собой плату с микропроцессором и компонентами согласования, которая позволяет обрабатывать не менее шести аналоговых сигналов с датчиков напряжения и тока, преобразовывать аналоговые сигналы в цифровую информацию, производить обработку цифровой информации по заданному алгоритму посредством установленной программы и формировать требуемые импульсно-модуляторные выходные сигналы по заданному алгоритму для управления не менее двумя силовыми транзисторами.
На фиг. 1 представлена электрическая схема заявляемого трехфазного преобразователя переменного тока в постоянный с повышенным коэффициентом мощности. Схема на фиг.1 содержит входные клеммы 1, 2, 3 подключения к фазам переменного тока, к каждой из которых последовательно включены датчики фазного входного напряжения 4, 5, 6 и датчики фазного тока 25, 26, 27, первый 11 и второй 12 силовые диоды, выпрямительные  диоды 18…23 разбиты на две группы, при этом у диодов 18, 19, 20 первой группы объединены катоды, а у диодов 21, 22,  23 второой группы объединены аноды, первый 7 и второй 8 дроссели, первый 9 и второй 10 силовые транзисторы, последовательно соединенные фильтровые верхний 14 и нижний 15 конденсаторы, входную нулевую клемму 13, соединенную с общей точкой фильтровых конденсаторов, две выходные клеммы 16 и 17, при этом положительная клемма 16 соединена с другим концом верхнего конденсатора 14, а отрицательная клемма 17 соединена с другим концом нижнего  конденсатора 15, блок управления 24 с микропроцессором и компонентами согласования, информационные входы которого 4, 5, 6 и 25, 26, 27 связаны с датчиками напряжения 4, 5, 6 и тока 25, 26, 27 в фазах, а управляющие выходы 9, 10 с управляющими входами  силовых транзисторов 9, 10, при этом аноды трех диодов 18, 19, 20 первой группы и катоды трех диодов 21, 22, 23 второй группы соединены с тремя выходами цепочек, состоящих из последовательно включенных датчиков фазного входного напряжения 4, 5, 6  и датчиков фазного тока 25, 26, 27, первый дроссель 7 одним концом соединен с объединенными катодами диодов 18, 19, 20 первой группы, а другим концом с анодом первого силового диода 11, катод которого соединен с положительной выходной клеммой 16, второй дроссель 8 одним концом соединен с объединенными анодами диодов 21, 22, 23 второй группы, а другим концом с катодом второго силового диода 12, анод которого соединен с отрицательной выходной клеммой 17, два силовых транзистора 9, 10 включены последовательно, причем их общая точка  соединена с входной нулевой клеммой 13, положительный электрод первого транзистора 9 соединен с общей точкой первого дросселя 7 и первого диода 11, а отрицательный электрод второго транзистора 10 соединен с общей точкой второго дросселя 8 и второго диода 12.
Схема трехфазного преобразователя переменного тока в постоянный с повышенным коэффициентом мощности работает следующим образом. При работе преобразователя микропроцессором блока управления 24 реализуется релейный (гистерезисный) способ управления, при котором задается максимальная и минимальная граница для управляемой переменной (в рассматриваемом случае входной ток).
max
min
Пусть наибольшие положительные значения имеет фазное напряжение клеммы 1. В этом случае микропроцессор блока управления 24 преобразует аналоговый сигнал обратной связи датчика 4 в цифровой, затем программыми средствами синтезирует в цифровом виде с заданными коэффициентами кривые максимального i и минимального i граничного значения тока.
вх1
max
упр9
Одновременно датчик 25 передает текущее значение входного фазного тока iна блок управления 24. Микропроцессор блока управления 24 преобразует аналоговый сигнал обратной связи датчика 25 в цифровой и программными средствами сравнивает его с кривой i. В результате чего формирует положительный выходной сигнал управления u, под действием которого транзистор 9 переходит в открытое (замкнутое) состояние. При этом силовой ток протекает по цепи:
- входная фазная клемма 1 – датчик входного тока 25 – выпрямительный диод 18 - входной дроссель 7 – транзистор 9 – входная нулевая клемма 13.
вх1
вх1
max
упр9
В результате происходит рост входного фазного тока i. Когда входной фазный ток i начинает превышать значения кривой i, блок управления 24 снимает положительный сигнал управления u, под действием чего транзистор 9 переходит в закрытое (разомкнутое) состояние и силовой ток протекает по цепи:
- входная фазная клемма 1 – датчик входного тока 25 – выпрямительный диод 18 - входной дроссель 7 – диод 11 – конденсатор 14 – входная нулевая клемма 13.
вх1
вх1
min
упр9
В результате происходит заряд выходного конденсатора 14 и спад входного тока i. Когда входной фазный ток i становиться ниже значения кривой i, блок управления 24 вновь формирует положительный сигнал управления u, под действием которого транзистор 9 вновь переходит в открытое (замкнутое)  состояние. При этом силовой ток вновь протекает по цепи:
- входная фазная клемма 1 – датчик входного тока 25 – выпрямительный диод 18 - входной дроссель 7 – транзистор 9 – входная нулевая клемма 13.
вх1
В результате происходит рост входного фазного тока i и далее электрические процессы в устройстве повторяются аналогичным образом, как с рассматриваемым фазным напряжением, так и в случае, когда наибольшие положительные значения имеют фазные напряжения других входных клемм 2 и 3.
max
min
Если наименьшие отрицательные значения имеет фазное напряжение клеммы 1, микропроцессор блока управления 24 преобразует аналоговый сигнал обратной связи датчика 4 в цифровой, затем программыми средствами синтезирует в цифровом виде с заданными коэффициентами кривые максимального «-i» и минимального «-i» граничного значения тока.
вх1
max
упр10
Одновременно датчик 25 передает текущее значение входного фазного тока iна блок управления 24. Микропроцессор блока управления 24 преобразует аналоговый сигнал обратной связи датчика 25 в цифровой и программыми средствами сравнивает его с кривой «-i». В результате чего формирует положительный выходной сигнал управления u, под действием которого транзистор 10 переходит в открытое (замкнутое)  состояние. При этом силовой ток протекает по цепи:
- входная нулевая клемма 13 - транзистор 10 - входной дроссель 8 – выпрямительный диод 23 – датчик входного тока 25 - входная фазная клемма 1.
вх1
вх1
max
упр10
В результате происходит рост входного фазного тока i. Когда входной фазный ток i начинает превышать значения кривой «-i», блок управления 24 снимает положительный сигнал управления u, под действием чего транзистор 10 переходит в закрытое (разомкнутое) состояние и силовой ток протекает по цепи:
- входная нулевая клемма 13 – конденсатор 15 – диод 12 - входной дроссель 8 – выпрямительный диод 23 – датчик входного тока 25 - входная фазная клемма 1.
вх1
вх1
max
упр10
В результате происходит заряд выходного конденсатора 15 и спад входного тока i. Когда входной фазный ток i спадает ниже «-i», блок управления 24 вновь формирует положительный сигнал управления u, под действием которого транзистор 10 вновь переходит в открытое (замкнутое) состояние. При этом силовой ток протекает по цепи:
- входная нулевая клемма 13 - транзистор 10 - входной дроссель 8 – выпрямительный диод 23 – датчик входного тока 25 - входная фазная клемма 1.
вх1
В результате происходит рост входного фазного тока i и далее электрические процессы в устройстве повторяются аналогичным образом как с рассматриваемым фазным напряжением, так и в случае, когда наименьшие отрицательные значения имеют фазные напряжения других входных клемм 2 и 3.
вх1
Таким образом, входной фазный ток i принимает форму кривой, близкую к форме кривой входного напряжения, что и обеспечивает повышение коэффициента мощности предлагаемого устройства.
Были проведены экспериментальные исследования лабораторного макета устройства и компьютерное моделирование, которые подтвердили работоспособность и целесообразность широкого промышленного использования данного устройства. При этом был изготовлен и успешно испытан опытный макетный образец предлагаемого устройства, выполненный в виде законченного узла.
По мнению авторов, предлагаемый  трехфазный преобразователь переменного тока в постоянный может быть использован в трехфазных корректорах мощности, в источниках бесперебойного питания и в других устройствах, в которых предъявляют повышенные требования к коэффициенту мощности, КПД, надежности и стоимости изделия, а совокупность его существенных признаков необходима и достаточна для достижения заявляемого технического результата.