Повышающе-понижающий ШИМ выпрямитель

Полезная модель относится к полупроводниковым выпрямителям электрической энергии, предназначенным для преобразования переменного напряжения в регулируемое по величине постоянное напряжение, которые могут быть использованы для регулирования и стабилизации постоянного напряжения на нагрузке, в том числе в системах регулирования скорости двигателей постоянного тока, а также в инверторных преобразователях частотного регулирования двигателей переменного напряжения в качестве их первого каскада преобразования.
Известен ШИМ выпрямитель (Зиновьев Г.С., Лопаткин Н.Н., Сидоров А.В. Анализ структур силовых электронных трансформаторов, Энергетика России в XXI веке, ISBN 978-5-93908-138-2, 325-332 с.), который состоит из, из входного LC-фильтра переменного напряжения, мостового преобразователя на вентилях с полным управлением, и выходного реактора, являющийся аналогом. Недостатком такого выпрямителя является невозможность повышения выпрямленного напряжения и сложность устройства из-за большого числа вентилей с полным управлением.
Известен широтно-импульсно модулированный (ШИМ) выпрямитель выпрямитель (Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники, М.: Юрайт, 2009, с. 602, рис. 13.4.9.), являющийся прототипом. Рассмотрим структуру данного преобразователя. Он состоит из входных LC-фильтра переменного напряжения в каждой фазе, последовательно включенных с ними накопительных реакторов в каждой фазе, подключенных к трехфазному диодному мостовому выпрямителю, выходного ключа, включенного параллельно выходу выпрямителя, и последовательного с нагрузкой разделительного диода.
Недостатком такого выпрямителя являются ограниченные функциональные возможности из-за невозможности понижения выпрямленного напряжения до нуля. Кроме того, входной ток выпрямителя, как правило, является низкого качества из-за его прерывистого характера.
Задачей (техническим результатом) предлагаемой полезной модели является расширение функциональных возможностей выпрямителя, позволяющего регулировать выпрямленное напряжение и в сторону его понижения или повышения от номинального значения. Кроме того, обеспечивается повышение качества входного тока за счет его непрерывного характера.
Поставленная задача решается тем, что в выпрямитель введены входной транзистор, входная многофазная мостовая диодная схема, выходной сглаживающий реактор. При этом входная многофазная мостовая диодная схема своими входами подключена к точкам соединения входного реактора и входного конденсатора каждой фазы, а параллельно выходу входной многофазной мостовой диодной схеме включен первый транзистор, при этом вторые зажимы входных конденсаторов подключены к входам выходной многофазной мостовой диодной схемы, а к ее выходу параллельно включен выходной транзистор, а также параллельно ей включен выходной сглаживающий реактор последовательно с нагрузкой.
На фиг. 1 приведена схема предлагаемого трехфазного (как пример) ШИМ выпрямителя, на фиг. 2 приведена схема предлагаемого однофазного ШИМ выпрямителя, на фиг. 3 и фиг. 4 представлены эпюры напряжений и токов на входе и выходе трехфазного ШИМ выпрямителя соответственно.
Рассмотрим структуру ШИМ выпрямителя на примере трехфазного выпрямителя (фиг. 1), аналогичную структуре однофазного ШИМ выпрямителя (фиг. 2). Предлагаемый выпрямитель 1 (фиг. 1) на входе связан с источником питания 2 (здесь трехфазным), а на выходе связан с нагрузкой 3 (здесь трехфазной). На входе каждая фаза выпрямителя состоит из последовательно соединенных входного реактора 4 и входного конденсатора 5, к точкам соединения которых подключены входы входной диодной мостовой схемы 6 (здесь трехфазной). Параллельно выходу этой мостовой схемы включен входной транзистор 7. Вторые концы входных конденсаторов 5 подключены ко входам второй диодной мостовой схемы 8 (здесь трехфазной). Параллельно выходу второй мостовой схемы включен выходной транзистор 9 (или полупроводниковый ключ, образованный встречно-параллельным соединением транзистора и диода), а последовательно с выходом подключен сглаживающий реактор 10, вторым концом подключенный к нагрузке 3, а также параллельно выходу второй мостовой схемы включен выходной сглаживающий реактор последовательно с нагрузкой.
Устройство работает следующим образом (на примере, когда источник питания 2 трехфазный). Транзисторы 7 и 9 работают попеременно, т.е. когда транзистор 7 находится в проводящем режиме, транзистор 9 находится в непроводящем режиме. Это первое состояние выпрямителя. В нем входные реакторы 4, выполняющие функцию накопительных элементов, подключены звездой через мост 6 и транзистор 7 к источнику питания 2 и в них нарастают токи, увеличивая запасаемую энергию реакторов. Входные конденсаторы 5 при этом подключены к входам второго диодного моста 8, выходным выпрямленным напряжением которого при этом питается нагрузка 3 через выходной сглаживающий реактор 10.
Во втором состоянии выпрямителя входные реакторы и входные конденсаторы во всех фазах, также выполняющие функцию накопительных энергообменных элементов, оказавшись включенными последовательно в каждой фазе через диоды моста 8 и проводящий транзистор 7, передают накопленную в реакторах 4 энергию в входные конденсаторы 5, восполняя ее утрату в первом состоянии. Ток нагрузки при этом замыкается через диоды плеч моста 8 и проводящий транзистор 9 (или полупроводниковый ключ, образованный встречно-параллельным соединением транзистора и диода), которые создают нулевую паузу в выходном напряжении выпрямителя, позволяющую обеспечивать ШИМ выходного напряжения. Процессы здесь подобны процессам в DC-DC преобразователе Кука, который, как известно, при изменении скважности импульсов, обеспечивает возможность регулирования среднего значения выходного напряжения как выше, так и ниже амплитуды входного напряжения. На рис.3 приведены диаграммы входного напряжения и тока фазы выпрямителя (который опережает напряжение), а на рис.4 приведены диаграммы ШИМ выходного напряжения и тока выпрямителя для режима повышения а) и понижения б) выходного постоянного напряжения по сравнению с амплитудой показанного здесь входного синусоидального напряжения. Видны широкие функциональные возможности регулирования выпрямленного напряжения вверх и вниз от входного напряжения, а также высокое качество входного тока, близкого по форме к синусоидальному.
Таким образом, повышающе-понижающий ШИМ выпрямитель имеет расширенные функциональные возможности, обеспечивая регулирование выпрямленного напряжения как в сторону его увеличения, так и в сторону его уменьшения по сравнению с номинальным выпрямленным напряжением. Кроме того, он имеет лучшее качество входного тока за счет его непрерывности по сравнению с прерывистым током выпрямителя прототипа.