АДАПТИВНОЕ УСТРОЙСТВО СТАБИЛИЗАЦИИ НАПРЯЖЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Полезная модель может быть использована в системах вторичного электропитания, в частности в стабилизаторах переменного синусоидального напряжения, источниках бесперебойного питания, инверторах напряжения и других преобразовательных устройствах.
Предложено устройство стабилизации напряжения переменного тока на основе двойного преобразования энергии, в котором фильтр подавления высокочастотных гармоник содержит параллельно с основной емкостью коммутируемые конденсаторы, подключение которых осуществляется по сигналам с микроконтроллера (МК) в функции соотношения составляющих активной и полной выходных мощностей P/S и знака реактивной составляющей мощности нагрузки Q.
Технический результат - обеспечение адаптивности стабилизатора к нагрузкам индуктивного и емкостного характера, что обеспечивает повышение коэффициента передачи полной мощности в нагрузку.
Известны устройства стабилизации напряжения переменного тока, основанные на дискретном регулировании текущего значения входного напряжения с помощью коммутации отпаек автотрансформатора [1] (Патент России №2109322 С1 от 1998.04.20 г. Стабилизатор переменного напряжения. Куделько А.Р., Чуйко С.Е., Мальков Н.Б., Стрельников А.А.)
или использовании вольтдобавки/вольтвычитания со вторичной обмотки силового трансформатора [2] (Кобзев А.В., Лебедев Ю.М., Михальченко Г.Я. Стабилизаторы переменного напряжения с высокочастотным широтно-импульсным регулированием. М., Энергоатомиздат, 1986 г).
Недостатками таких устройств являются:
- ограниченная точность стабилизации выходного напряжения на уровне дискретности регулирующего органа;
- наличие силового трансформатора, обладающего значительной массой и габаритами;
- снижение кпд за счет потерь в режиме закорачивания вольтдобавочной обмотки трансформатора.
Известен стабилизатор напряжения, содержащий сетевой фильтр ЭМС (электромагнитной совместимости), выходной фильтр ЭМС, цепь автоматического байпас, силовой трансформатор, первичная обмотка которого включена последовательно с нагрузкой, а вторичная обмотка подключена к выходу регулируемого DC/AC преобразователя с высокочастотным ШИМ-управлением инвертора на IGBT - транзисторах сигналами с микропроцессорной системы, причем вход этого преобразователя подключен к выходу стабилизатора [3] (Precision Automatic Voltage Regulator, VRp Series, TSi Power Corporation, USSA, www.line-conditioner.com)
Недостатками такого устройства являются:
- малый допустимый диапазон входного напряжения;
- повышенный коэффициент искажения синусоидальности выходного напряжения;
- наличие силового трансформатора.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) является структура источника бесперебойного питания с двойным преобразованием энергии при работе в сетевом режиме [4] (Климов В.П. Источники бесперебойного питания серии ДПК малой мощности. Электрическое питание, №1, 2006 г.), содержащая сетевой фильтр ЭМС, блок реле, выпрямитель, бустер, инвертор, фильтр подавления высокочастотных гармоник и
выходной фильтр ЭМС, причем выход сетевого фильтра подключен к первому входу блока реле и выпрямителю, выход которого подключен через бустер ко входу инвертора, а выход последнего через фильтр подавления высокочастотных гармоник подключен ко второму входу блока реле, а его выход подключен к входу выходного фильтра ЭМС, причем сигналы управления бустером, инвертором и блоком реле поступают от микроконтроллера платы управления (МК).
Выпрямитель и бустер выполняют три основные функции:
- осуществляют преобразование напряжения сети переменного тока в стабилизированное напряжение постоянного тока, обеспечивая питание инвертора стабильным напряжением постоянного тока 700 В;
- обеспечивают потребление из сети входного тока, совпадающего по фазе с напряжением сети, и практически синусоидальной формы в не зависимости от характера нагрузки стабилизатора, что позволяет иметь входной коэффициент мощности близким к единице;
- обеспечивают мягкий старт для уменьшения пускового входного тока стабилизатора.
Недостатком такого устройства является зависимость нагрузочной способности от характера нагрузки: индуктивного или емкостного.
Заявляемая полезная модель решает задачу адаптивности стабилизатора к характеру нагрузки и повышению коэффициента передачи полной мощности в нагрузку.
На рис.1 приведена структурная схема предлагаемой полезной модели, содержащая сетевой фильтр 1, выпрямитель 2, бустер 3, инвертор 4, блок реле 5, цепь байпас 6, фильтр подавления высокочастотных гармоник 7, дополнительный блок коммутируемых конденсаторов 8, выходной фильтр ЭМС 9 и микроконтроллерное устройство 10. Выход сетевого фильтра подключен к первому входу блока реле, входу цепи байпас и выпрямителю, выход которого подключен через бустер ко входу инвертора, а выход последнего через фильтр подавления высокочастотных гармоник подключен ко второму входу блока реле, а его выход подключен к выходу цепи байпас и входу выходного фильтра, причем между входом фильтра подавления высокочастотных гармоник и вторым входом блока реле введен дополнительный блок коммутируемых конденсаторов. Управление узлами стабилизатора: бустером, инвертором, цепью байпас, блоком реле и дополнительным блоком коммутируемых конденсаторов осуществляют схемы управления микроконтроллерного устройства (МК),
Высокочастотный бустер, выполняющий функции корректора коэффициента мощности (ККМ), выполнен по схеме повышающего преобразователя с дифференциальным выходом. Инвертор преобразует напряжение постоянного тока 700 В в синусоидальное напряжение 50 Гц 220 В. Блок инвертора выполняется по полумостовой бестрансформаторной схеме на IGBT транзисторах. Силовые транзисторы инвертора управляются высокочастотными ШИМ сигналами. Широтно-импульсная модуляция сигналов осуществляется по синусоидальному закону, что обеспечивает высокую точность и низкий коэффициент искажения выходного напряжения. Синусоидальная форма выходного напряжения формируется из высокочастотных ШИМ импульсов с помощью L-C фильтра подавления высокочастотных гармоник.
Нагрузочная характеристика инвертора представляет собой нелинейную зависимость коэффициента передачи полной мощности от значения коэффициента мощности нагрузки. Коэффициент снижения мощности (derating factor), указывает на % величины активной составляющей мощности нагрузки, которую можно подключить к инвертору [5] (В.Климов, А.Москалев Коэффициент мощности и нагрузочная характеристика ШИМ-инвертора в системах бесперебойного питания. Силовая электроника, №3, 2007 г.).
Коэффициент снижения мощности зависит от характера нагрузки. При активно-емкостной нагрузке ток емкости фильтра подавления высших гармоник суммируется с емкостной составляющей тока нагрузки, что снижает предельно допустимую нагрузку на выходе инвертора. Максимальное значение коэффициента передачи полной мощности в
нагрузку достигается при равенстве коэффициента мощности нагрузки выходному коэффициенту мощности инвертора.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в обеспечении адаптивности стабилизатора к нагрузкам индуктивного и емкостного характера, что обеспечивает повышение коэффициента передачи полной мощности в нагрузку.
Поставленная задача решается с помощью перестраиваемого фильтра подавления высокочастотных гармоник за счет коммутации дополнительных конденсаторов фильтра. Подключение и отключение дополнительных конденсаторов фильтра осуществляются сигналами микроконтроллера (МК) в функции значения коэффициента мощности нагрузки, представляющий отношение активной составляющей мощности Р (Вт) к полной S (ВА), и знака реактивной составляющей мощности Q (ВАр), определение которых обеспечивают дополнительные схемы вычисления отношения P/S и знака реактивной мощности.
Вычисления текущих значений мощностей осуществляются по следующим выражениям:
,
где: N - число дискрет (выборок) измерения электрических величин за период основной частоты выходного напряжения инвертора;
n - текущий номер дискреты.
Знак "+" в выражении для активной мощности принимается при совпадении знаков мгновенных значений тока и напряжения, а при их несовпадении принимается знак "-". Значение N определяется частотой коммутации транзисторов ШИМ-инвертора Fk. Период выборки может приниматься равным утроенному значению периода коммутации транзисторов: .
n
Так, если Fk=19,2 кГц, то выбираем период выборки Т=0,15625 мс, что соответствует N=128 на периоде основной частоты выходного напряжения инвертора 50 Гц.
Знак реактивной составляющей мощности нагрузки (Q) определяется знаком дискреты мгновенного значения тока нагрузки в начале (Iн) и конце (Iк) полупериода выходного напряжения.
н
k
1) Если I≤0,I≥0, то имеем индуктивный характер тока, соответствующий + Q (условие 1).
н
k
2) Если I≥0,I≤0, то имеем емкостной характер тока, соответствующий - Q (условие 2).
н
k
3) Если I=0,I=0, то имеем активный характер нагрузки, соответствующий Q=0 (условие 3).
Алгоритм управления коммутируемыми конденсаторами следующий.
1. При активно-индуктивной нагрузке (условие 1, 3):
а) если P/S=1-0,85, то общее значение емкости фильтра составляет Сф=С1+С2, т.е. К1 - замкнут, К2 - разомкнут;
б) если P/S<0,85, то общее значение емкости фильтра составляет Сф=С1+С2+С3, т.е. К1 - замкнут, К2 - замкнут;
2. При активно-емкостной нагрузке (условие 2):
а) если P/S=1-0,85, то общее значение емкости фильтра составляет Сф=С1+С2, т.е. К1 - замкнут, К2 - разомкнут;
б) если P/S<0,85, то общее значение емкости фильтра составляет Сф=С1, т.е. К1 - разомкнут, К2 - разомкнут;
Источники информации
1. Патент России №2109322 С1 от 1998.04.20 г. Стабилизатор переменного напряжения. Куделько А.Р., Чуйко С.Е., Мальков Н.Б., Стрельников А.А.
2. Кобзев А.В., Лебедев Ю.М., Михальченко Г.Я. Стабилизаторы переменного напряжения с высокочастотным широтно-импульсным регулированием. М., Энергоатомиздат, 1986 г.
3. Precision Automatic Voltage Regulator, VRp Series, TSi Power Corporation, USSA, www.line-conditioner.com
4. Климов В.П. Источники бесперебойного питания серии ДПК малой мощности, Электрическое питание, №1, 2006 г.
5. В.Климов, А.Москалев Коэффициент мощности и нагрузочная характеристика ШИМ-инвертора в системах бесперебойного питания, Силовая электроника, №3, 2007 г.