Многоуровневый выпрямитель напряжения
MULTILEVEL VOLTAGE RECTIFIER

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники, в частности к статическим электрическим преобразователям переменного напряжения в постоянное напряжение.
Известен выпрямитель напряжения (Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники, Новосибирск, 2003, стр. 158-160), содержащий два входных трансформатора и две соединенные последовательно ячейки трехфазных мостовых выпрямителей по схеме Ларионова. Достоинством такого выпрямителя напряжения является получение эквивалентной двенадцатипульсной схемы выпрямления на плюсовом и минусовом выводах звена постоянного тока. Недостаток устройства заключается в наличии силового трехобмоточного трансформатора, рассчитанного на полную мощность выпрямителя, а также получения на выходе только двух уровней выпрямленного напряжения. К недостаткам известного выпрямителя напряжения так же можно отнести невозможность регулирования уровней напряжения на выходе выпрямителя.
Известен выпрямитель напряжения (патент RU 2104610 С1, кл. Н02М 7/155, 20.04.1995 г., заявка 95107098/09 Двенадцатифазный выпрямитель, Булгаков С.А., Иванова Л.А., Крайчик Ю.С., Краснова Б.П., Поссе А.В.), содержащий два трехфазных трансформатора, первичные обмотки которых соединены между собой последовательно, и однофазные вентильные мосты, подключенные к вторичным обмоткам обоих трансформаторов, причем вентильные мосты собраны на основе однофазных двухполупериодных полууправляемых выпрямителей, включенных последовательно, причем однофазные двухполупериодные полууправляемые выпрямители собраны на диодах и тиристорах. Достоинством такого выпрямителя является повышение коэффициента мощности и ограничение аварийных токов. Недостатком известного устройства является наличие двух силовых трансформаторов, рассчитанных на полную мощность выпрямителя и имеющих сложную схему соединения первичных обмоток, а также наличие большого количества полупроводниковых элементов - диодов и тиристоров.
Известен выпрямитель напряжения (патент CN 104578835 А, кл. Н02М 7/155, Н02М 1/12, Н02М 1/42, 15.10.2013 г., AC/DC convertor implementation method based on asymmetrical multi-level synthesis tehnology, Gao Yifu, Chen Linlin, Liu Kun, номер заявки CN 201310479820.9), содержащий трехобмоточный силовой трансформатор, вторичные обмотки которого соединены звездой и треугольником, и два управляемых тиристорных трехфазных двухполупериодных выпрямителя напряжения, соединенных минусовыми выводами между собой, а плюсовыми выводами подключенными на нагрузку. Достоинством такого выпрямителя является возможность регулирования уровней выходного напряжения. К недостаткам известной схемы относится то, что при снижении выпрямленного напряжения на нагрузке увеличивается потребление реактивной мощности и происходит уменьшение коэффициента мощности пропорционально выпрямленному напряжению.
Наиболее близким по технической сущности является схема выпрямителя напряжения (патент RU 2297707 С1, кл. Н02М 7/155, 20.04.2007, Выпрямитель трехфазного тока, Зиновьев Г.С., Лопаткин Н.Н.), содержащая два входных трансформатора и шесть однофазных мостовых выпрямительных ячеек, каждая из которых состоит из четырех неуправляемых вентилей, причем первичные обмотки трансформатора подключены к питающей сети, а трехфазные вторичные обмотки подключены на входы однофазных мостовых выпрямительных ячеек, выходы которых соединены последовательно. Достоинством такого выпрямителя напряжения является реализация многоуровневой схемы выпрямления. Недостатком прототипа является наличие двух силовых трансформаторов, рассчитанных на полную мощность выпрямителя, необходимость соединения первичных обмоток трансформатора звездой и треугольником, а также наличие большого числа выпрямительных диодов в схемах однофазных мостовых выпрямительных ячеек.
Задачей предлагаемого изобретения является реализация многоуровневой схемы выпрямления напряжения с фиксацией уровней напряжения звена постоянного тока, определяемого уровнем напряжения источника питания без использования силовых трансформаторов. При необходимости регулирования уровней напряжения многоуровневого выпрямителя напряжения вниз от уровня напряжения, определяемого неуправляемым выпрямителем, многоуровневый выпрямитель напряжения может быть снабжен тиристорами. При необходимости регулирования уровней напряжения многоуровневого выпрямителя напряжения вверх от уровня напряжения, определяемого неуправляемым выпрямителем, многоуровневый выпрямитель напряжения может быть дополнительно снабжен дросселями, однофазными двухполупериодными выпрямителями и транзисторами.
Решение поставленной задачи позволит исключить дорогой и габаритный силовой трансформатор из схемы многоуровневого выпрямителя напряжения, а также повысить надежность, эффективность и эксплуатационные характеристики предлагаемого многоуровневого выпрямителя напряжения.
При необходимости согласования уровней напряжения источника питания и нагрузки многоуровневого выпрямителя напряжения, последний может быть снабжен простым двухобмоточным согласующим трансформатором напряжения.
предусмотрены следующие отличия
Поставленная задача решается благодаря тому, что в многоуровневом выпрямителе напряжения, состоящем из источника многофазного переменного напряжения, однофазных выпрямительных ячеек, число которых равно числу фаз источника многофазного переменного напряжения, а каждая из однофазных выпрямительных ячеек состоит из диодов, : в схеме дополнительно введены два конденсатора в каждой однофазной выпрямительной ячейке, а фазы источника многофазного переменного напряжения электрически изолированы друг от друга, при этом каждая фаза источника многофазного переменного напряжения подключена к одной однофазной выпрямительной ячейке, каждая однофазная выпрямительная ячейка содержит два диода, причем катод первого диода соединен с анодом второго диода, это соединение образует вход однофазной выпрямительной ячейки, анод первого диода образует минусовую шину однофазной выпрямительной ячейки, а катод второго диода образует плюсовую шину однофазной выпрямительной ячейки, первый конденсатор своим первым выводом соединен с плюсовой шиной однофазной выпрямительной ячейки, а своим вторым выводом соединен с первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого соединен с минусовой шиной однофазной выпрямительной ячейки, начало каждой фазы источника многофазного переменного напряжения подключено к входу своей однофазной выпрямительной ячейки, а конец каждой фазы соединен со вторым выводом первого конденсатора и первым выводом второго конденсатора, образуя нулевую шину однофазной выпрямительной ячейки.
Кроме того, многоуровневый выпрямитель напряжения может содержать однофазные выпрямительные ячейки, плюсовыми и минусовыми шинами согласованно последовательно соединенные между собой.
Кроме того, многоуровневый выпрямитель напряжения может содержать однофазные выпрямительные ячейки, выполненные на полууправляемых силовых ключах - тиристорах.
Кроме того, многоуровневый выпрямитель напряжения может дополнительно содержать дроссели, однофазные двухполупериодные выпрямительные мосты и транзисторы, число которых равно числу фаз источника многофазного переменного напряжения, причем дроссель включен последовательно между началом каждой фазы источника многофазного переменного напряжения и входом однофазной выпрямительной ячейки, к входу однофазной выпрямительной ячейки подключен первый вывод переменного тока однофазного двухполупериодного выпрямительного моста, второй вывод переменного тока которого подключен на нулевую шину однофазной выпрямительной ячейки, а коллектор и эмиттер транзистора включены на плюсовую и минусовую шину однофазного двухполупериодного выпрямительного моста соответственно.
Кроме того, многоуровневый выпрямитель напряжения может дополнительно содержать многофазный двухобмоточный трансформатор, первичные обмотки которого подключены к источнику многофазного переменного напряжения, а вторичные обмотки гальванически развязаны между собой, причем начало каждой фазы вторичной обмотки трансформатора подключено к входу своей однофазной выпрямительной ячейки, а конец каждой фазы вторичной обмотки трансформатора соединен с нулевой шиной однофазной выпрямительной ячейки.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
Многоуровневый выпрямитель напряжения, схема которого представлена на Фиг. 1, содержит источник многофазного переменного напряжения 1, однофазные выпрямительные ячейки 2-1÷2-n, число которых равно числу фаз 3-1÷3-n источника многофазного переменного напряжения 1. Каждая из однофазных выпрямительных ячеек 2-1 (2-2÷2-n) состоит из диодов 4-1 (4-2÷4-n), 5-1 (5-2÷5-n). В многоуровневый выпрямитель напряжения введены два конденсатора 6-1 (6-2÷6-n), 7-1 (7-2÷7-n) в каждой однофазной выпрямительной ячейке 2-1 (2-2÷2-n), а фазы 3-1÷3-n источника многофазного переменного напряжения 1 электрически изолированы друг от друга. Каждая фаза 3-1 (3-2÷3-n) источника многофазного переменного напряжения 1 подключена к одной однофазной выпрямительной ячейке 2-1 (2-2÷2-n). Каждая однофазная выпрямительная ячейка 2-1 (2-2÷2-n) содержит два диода 4-1 (4-2÷4-n), 5-1 (5-2÷5-n). Катод первого диода 4-1 (4-2÷4-n) соединен с анодом второго диода 5-1 (5-2÷5-n), это соединение образует вход 8-1 (8-2÷8-n) однофазной выпрямительной ячейки 2-1 (2-2÷2-n). Анод первого диода 4-1 (4-2÷4-n) образует минусовую шину 9-1 (9-2÷9-n) однофазной выпрямительной ячейки 2-1 (2-2÷2-n), а катод второго диода 5-1 (5-2÷5-n) образует плюсовую шину 10-1 (10-2÷10-n) однофазной выпрямительной ячейки 2-1 (2-2÷2-n). Первый конденсатор 6-1 (6-2÷6-n) своим первым выводом соединен с плюсовой шиной 10-1 (10-2÷10-n) однофазной выпрямительной ячейки 2-1 (2-2÷2-n), а своим вторым выводом соединен с первым выводом второго конденсатора 7-1 (7-2÷7-n), второй вывод которого соединен с минусовой шиной 9-1 (9-2÷9-n) однофазной выпрямительной ячейки 2-1 (2-2÷2-n). Начало каждой фазы 3-1÷3-n источника многофазного переменного напряжения 1 подключено к входу 8-1 (8-2÷8-n) своей однофазной выпрямительной ячейки 2-1 (2-2÷2-n), а конец каждой фазы 3-1 (3-2÷3-n) соединен со вторым выводом первого конденсатора 6-1 (6-2÷6-n) и первым выводом второго конденсатора 7-1 (7-2÷7-n), образуя нулевую шину 11-1 (11-2÷11-n) однофазной выпрямительной ячейки 2-1 (2-2÷2-n).
Многоуровневый выпрямитель напряжения, схема которого представлена на Фиг. 2, содержит однофазные выпрямительные ячейки 2-1÷2-n, плюсовые шины 10-2÷10-n и минусовые шины 9-1÷9-(n-1) которых согласованно последовательно соединены между собой.
Многоуровневый выпрямитель напряжения, схема которого представлена на Фиг. 3, реализован так, что каждая однофазная выпрямительная ячейка 2-1÷2-n выполнена на полууправляемых силовых ключах - тиристорах 12-1 (12-2÷12-n), 13-1 (13-2÷13-n).
Многоуровневый выпрямитель напряжения, схема которого представлена на Фиг. 4, дополнительно содержит дроссели 14-1÷14-n, однофазные двухполупериодные выпрямительные мосты 15-1÷15-n и транзисторы 16-1÷16-n, число которых равно числу фаз 3-1÷3-n источника многофазного переменного напряжения 1. Дроссель 14-1 (14-2÷14-n) включен последовательно между началом каждой фазы 3-1÷3-n источника многофазного переменного напряжения 1 и входом 8-1 (8-2÷8-n) однофазной выпрямительной ячейки 2-1 (2-2÷2-n). К входу 8-1 (8-2÷8-n) однофазной выпрямительной ячейки 2-1 (2-2÷2-n) подключен первый вывод переменного тока однофазного двухполупериодного выпрямительного моста 15-1 (15-2÷15-n), второй вывод переменного тока которого подключен на нулевую шину 11-1 (11-2÷11-n) однофазной выпрямительной ячейки 2-1 (2-2÷2-n). Коллектор и эмиттер транзистора 16-1 (16-2÷16-n) включены на плюсовую и минусовую шины однофазного двухполупериодного выпрямительного моста 15-1 (15-2÷15-n) соответственно.
Многоуровневый выпрямитель напряжения, схема которого представлена на Фиг. 5, дополнительно содержит многофазный двухобмоточный трансформатор 17, первичные обмотки 18-1÷18-n которого подключены к источнику многофазного переменного напряжения 1, а вторичные обмотки 19-1÷19-n гальванически развязаны между собой. Начало каждой фазы вторичной обмотки 19-1 (19-2÷19-n) трансформатора 17 подключено к входу 8-1 (8-2÷8-n) своей однофазной выпрямительной ячейки 2-1 (2-2÷2-n), а конец каждой фазы вторичной обмотки трансформатора 19-1÷19-n соединен с нулевой шиной 11-1 (11-2÷11-n) однофазной выпрямительной ячейки 2-1 (2-2÷2-n).
Работа многоуровневого выпрямителя напряжения происходит следующим образом. При наличии напряжения на фазах 3-1÷3-n источника многофазного переменного напряжения 1, изображенных на Фиг. 1, на плюсовой шине 10-1 (10-2÷10-n) и минусовой шине 9-1 (9-2÷9-n) относительно нулевой шины 11-1 (11-2÷11-n) однофазной выпрямительной ячейки 2-1 (2-2÷2-n) формируются положительный и отрицательный уровни напряжения соответственно.
Более подробно рассмотрим работу одной однофазной выпрямительной ячейки 2-1. Пусть на данный момент на начале фазы 3-1 источника многофазного переменного напряжения 1 присутствует более положительный потенциал относительно конца фазы 3-1 источника многофазного переменного напряжения 1. Тогда диод 5-1 находится в открытом состоянии и напряжение фазы 3-1 источника многофазного переменного напряжения 1 приложено к конденсатору 6-1 и нагрузке, подключенной к плюсовой шине 10-1 и нулевой шине 11-1. При этом конденсатор 6-1 заряжается, а нагрузка, подключенная к плюсовой шине 10-1 и нулевой шине 11-1 (на Фиг. нагрузка не показана), потребляет энергию от фазы 3-1 источника многофазного переменного напряжения 1. Нагрузка, подключенная на минусовую шину 9-1 и нулевую шину 11-1 (нагрузка не показана), потребляет энергию от конденсатора 7-1, накопленную на предыдущей полуволне напряжения. При этом для положительной шины 10-1 и нулевой шины 11-1 организован однофазный однополупериодный выпрямитель, в качестве которого выступает диод 5-1. А конденсатор 6-1 играет роль накопителя и фильтра для напряжения, организованного на положительной шине 10-1 и нулевой шине 11-1. При смене полуволны напряжения фазы 3-1 источника многофазного переменного напряжения 1 в тот момент, когда на начале фазы 3-1 источника многофазного переменного напряжения 1 присутствует более отрицательный потенциал относительно конца фазы 3-1 источника многофазного переменного напряжения 1. Тогда диод 4-1 находится в открытом состоянии и напряжение фазы 3-1 источника многофазного переменного напряжения 1 приложено к конденсатору 7-1 и нагрузке, подключенной к минусовой шине 9-1 и нулевой шине 11-1. При этом конденсатор 7-1 заряжается, а нагрузка, подключенная к минусовой шине 9-1 и нулевой шине 11-1, потребляет энергию от фазы 3-1 источника многофазного переменного напряжения 1. При этом для минусовой шины 9-1 и нулевой шины 11-1 организован однофазный однополупериодный выпрямитель, в качестве которого выступает диод 4-1. А конденсатор 7-1 играет роль накопителя и фильтра для уровня напряжения организованного на минусовой шине 9-1 и нулевой шине 11-1. При этом нагрузка, подключенная к плюсовой шине 10-1 и нулевой шине 11-1, потребляет энергию от конденсатора 6-1.
Среднее значение напряжения на конденсаторах 6-1, 7-1 и на обоих конденсаторах 6-1 и 7-1 будет находиться в диапазоне
ф1
6-1
7-1
(6-1)+(7-1)
где U - действующее значение напряжения фазы 3-1 источника многофазного переменного напряжения 1, U - среднее значение напряжения на конденсаторе 6-1, U - среднее значение напряжения на конденсаторе 7-1, U - среднее значение напряжения на последовательно соединенных конденсаторах 6-1 и 7-1.
Уровень среднего значения напряжения на конденсаторах 6-1 (6-2÷6-n) и 7-1 (7-2÷7-n) и на нагрузке будет зависеть от действующего значения напряжения фазы 3-1 (3-2÷3-n) источника многофазного переменного напряжения 1, величины емкости конденсаторов 6-1 (6-2÷6-n) и 7-1 (7-2÷7-n) и мощности, потребляемой нагрузкой.
Таким образом, схема многоуровневого выпрямителя напряжения, изображенная на Фиг. 1, позволяет организовать гальванически развязанные источники постоянного напряжения с несколькими уровнями. Данный вариант многоуровнего выпрямителя напряжения может быть использован при питании однофазных инверторов напряжения каскадного преобразователя частоты либо в любой схеме источника питания, где необходимо обеспечение гальванической развязки и получение нескольких уровней напряжения.
Для получения большего числа уровней выпрямленного напряжения однофазные выпрямительные ячейки 2-1÷2-n многоуровневого выпрямителя напряжения, схема которого изображена на Фиг. 2, могут быть соединены согласованно последовательно плюсовыми 10-2÷10-n и минусовыми 9-1÷9-(n-1) шинами между собой.
Для регулирования уровней напряжения многоуровневого выпрямителя напряжения, изображенного на Фиг. 3, ниже уровня напряжения однофазного однополупериодного неуправляемого выпрямителя однофазные выпрямительные ячейки 2-1÷2-n выполнены на полууправляемых силовых ключах -тиристорах 12-1 (12-2÷12-n), 13-1 (13-2÷13-n). При этом управление уровнями напряжения возможно осуществлять независимо как для положительного уровня между плюсовой 10-1 (10-2÷10-n) и нулевой шиной 11-1 (11-2÷11-n), так и для отрицательного уровня между минусовой 9-1 (9-2÷9-n) и нулевой шиной 11-1 (11-2÷11-n). Регулирование уровня напряжения вниз относительно уровня напряжения, определяемого однофазным однополупериодным неуправляемым выпрямителем, осуществляется регулированием угла фазового управления открытия тиристоров 12-1 (12-2÷12-n), 13-1 (13-2÷13-n).
Многоуровневый выпрямитель напряжения, схема которого представлена на Фиг. 4, позволяет регулировать уровень напряжения однофазных выпрямительных ячеек 2-1÷2-п на конденсаторах 6-1 (6-2÷6-n), и 7-1 (7-2÷7-n) выше уровня напряжения, получаемого от однофазного однополупериодного неуправляемого выпрямителя. Такое регулирование возможно благодаря применению дросселей 14-1÷14-n и применению однофазных двухполупериодных выпрямительных мостов 15-1÷15-n и транзисторов 16-1÷16-n, которые организуют режим накопления энергии в дросселях 14-1÷14-n с последующей передачей этой энергии через диоды 5-1÷5-n, 4-1÷4-n на конденсаторы 6-1÷6-n и 7-1÷7-n. Данный процесс аналогичен работе активного выпрямителя напряжения, а именно включением транзистора 16-1 (16-2÷16-n) и закорачиванием фазы 3-1 (3-2÷3-n) источника многофазного переменного напряжения 1 через дроссель 14-1 (14-2÷14-n), однофазный двухполупериодный выпрямительный мост 15-1 (15-2÷15-n) и транзистор 16-1 (16-2÷16-n), работающий в ключевом режиме работы. При этом ток, протекающий через дроссель 14-1 (14-2÷14-n), начинает нарастать по абсолютной величине, в результате чего происходит запасание энергии в дросселе 14-1 (14-2÷14-n). После чего транзистор 16-1 (16-2÷16-n) выключается. Энергия, накопленная в дросселе 14-1 (14-2÷14-n) через диоды 4-1 (4-2÷4-n) или 5-1 (5-2÷5-n), в зависимости от направления тока, протекающего через дроссель, передается на конденсаторы 6-1÷6-n или 7-1÷7-n и на нагрузку, подключенную параллельно этим конденсаторам 6-1÷6-n, 7-1÷7-n. Транзистор 16-1 (16-2÷16-n) включается при положительной полуволне напряжения фазы 3-1 (3-2÷3-n) источника многофазного переменного напряжения 1 для передачи энергии, накопленной в дросселе 14-1 (14-2÷14-n), на конденсатор 6-1 и на нагрузку, подключенную параллельно этому конденсатору 6-1. Транзистор 16-1 (16-2÷16-n) включается при отрицательной полуволне напряжения фазы 3-1 (3-2÷3-n) источника многофазного переменного напряжения 1 для передачи энергии, накопленной в дросселе 14-1 (14-2÷14-n), на конденсатор 7-1 и на нагрузку, подключенную параллельно этому конденсатору 7-1.
Многоуровневый выпрямитель напряжения, схема которого представлена на Фиг. 5,  позволяет согласовать уровни напряжения источника многофазного переменного напряжения 1 с уровнем напряжения на нагрузке с помощью многофазного двухобмоточного трансформатора 17. Данный вариант схемы (Фиг. 5) позволяет получить требуемый уровень напряжения на нагрузке без использования тиристоров 12-1 (12-2÷12-n), 13-1 (13-2÷13-n) и без использования дросселей 14-1÷14-n, однофазных двухполупериодных выпрямительных мостов 15-1÷15-n и транзисторов 16-1÷16-n.
Таким образом, предлагаемый многоуровневый выпрямитель напряжения позволяет создать схему многоуровневого выпрямителя напряжения без использования силового трансформатора, а также улучшить функциональные возможности, повысить надежность при его работе, снизить вес, габариты и стоимость.