Устройство преобразования трехфазного переменного напряжения в постоянное

Устройство преобразования трехфазного переменного напряжения в постоянное относится к области электротехники, преобразовательной технике, импульсной силовой электронике и может быть использовано для питания нагрузок постоянного тока от автономных и сетевых источников трехфазного напряжения переменного тока, в том числе источников без выведенной нейтрали.
Данное устройство также может быть использовано в качестве источника напряжения постоянного тока с регулируемыми выходными параметрами для питания автономных объектов, потребители которых предъявляют повышенные требования к качеству электрической энергии и требуют подстройку значения питающего напряжения в заданных пределах.
Известно «Трансформаторно-выпрямительное устройство» авторское свидетельство SU №1510672, кл. Н02М 7/10 опубл. 10.06.2000 г., которое содержит пространственно-симметричный магнитопровод, выполненный в виде трех вертикальных колонн кольцевых сердечников, каскадный мостовой выпрямитель.
Указанное устройство имеет основной недостаток, выражающийся в отсутствии регулирования и стабилизации выходного выпрямленного напряжения постоянного тока, а также такие недостатки, как избыточные массогабаритные характеристики и высокие пульсации выходного напряжения.
Также известен патент RU 2280311 «Трехфазное трансформаторно-выпрямительное устройство с двухканальным преобразованием», которое содержит два трехфазных выпрямительных моста, параллельное соединенные выходные цепи которых предназначены для подключения нагрузки, входные выводы трехфазных выпрямительных мостов присоединены к цепям входящих в состав трансформаторного узла трехфазных вторичных обмоток, соединенных по схемам «треугольник» и «звезда» соответственно, при этом цепи трехфазных первичных обмоток трансформаторного узла подключены к соответствующим выводам трехфазной сети, а также уравнительный трехфазный реактор, который выполнен трехфазным и имеет по две обмотки в каждой из фаз.
Однако данное устройство имеет следующие недостатки, такие как отсутствие стабилизации выходного выпрямленного напряжения постоянного тока, что не позволяет применять их для питания нагрузок, критичных к изменению уровня входного напряжения, отсутствие гальванической развязки входных и выходных цепей, а также избыточные массогабаритные характеристики.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является патент US 5903066 (Active interfhase reactor for 12-pulse rectifier, 1999) содержащий автотрансформатор, имеющий соединение полуобмоток по типу «треугольник», первичные полуобмотки которого подключены к питающей сети, а вторичные полуобмотки, формирующие две трехфазные системы вторичных напряжений, сдвинутые друг относительно друга на 30 электрических градусов, подключены к диодным мостовым выпрямителям, формирующим два канала преобразования напряжения, выходы которых подключены через два межфазных реактора (interphase reactors) и один управляемый межфазный реактор (active interphase reactors) к нагрузке (стр. 12 (fig. 12)). Указанное устройство осуществляет преобразование первичного трехфазного напряжения переменного тока в выпрямленное напряжение постоянного тока для питания потребителей или нагрузки и имеет улучшенную электромагнитную совместимость с питающей сетью, выражающуюся в высоком качестве потребляемого тока.
Однако данный прототип имеет следующие недостатки, такие как отсутствие стабилизации выходного выпрямленного напряжения постоянного тока, что не позволяет применять их для питания нагрузок, критичных к изменению уровня входного напряжения, и отсутствие гальванической развязки входных и выходных цепей.
Общим недостатком вышеперечисленных технических решений, в том числе прототипа, является отсутствие регулирования стабилизации выходного выпрямленного напряжения постоянного тока, выражающееся в прямой зависимости уровня выходного напряжения от уровня напряжения питающей сети, изменяющегося, в среднем, в диапазоне от 0,9 Unom (Unom - номинальное значение напряжения) до 1,1 Unom, что не позволяет применять данные технические решения для питания нагрузок, критичных к изменению уровня входного напряжения, тем самым, ограничивая их область применения.
Задача заявляемого устройства преобразования трехфазного переменного напряжения в постоянное заключается в обеспечении регулирования и стабилизации выходного выпрямленного напряжения постоянного тока.
Техническим результатом является улучшение массогабаритных характеристик устройства и улучшение электромагнитной совместимости устройства с питающей сетью
Технический результат достигается за счет того, что заявляемая полезная модель содержит в структуре:
- автотрансформатор, первичные полуобмотки которого подключены к питающей сети, а вторичные полуобмотки, формирующие две трехфазные системы вторичных напряжений, сдвинутые друг относительно друга на 30 электрических градусов, подключены к диодным мостовым выпрямителям, формирующим два канала первичного выпрямления напряжения,
- два преобразователя постоянного напряжения (ППН), подключенных через сглаживающие фильтры попарно к выходам двух каналов первичного выпрямления напряжения и выпрямления и обеспечивающих трансформаторную гальваническую развязку входных и выходных цепей и формирование каналов вторичного выпрямления измененного по уровню напряжения, причем типовая структура каждого ППН содержит два трансформатора, первичные обмотки которых включены последовательно между средними точками ключей мостового транзисторного преобразователя напряжения, а вторичные обмотки подключены через схему выпрямления, датчик тока и сглаживающий фильтр параллельно,
- выходную объединяющую шину,
- систему управления, получающую сигналы с датчиков и обеспечивающую управление транзисторными ключами ППН, за счет чего обеспечивается регулирование и стабилизация выходного напряжения устройства, а также выравнивание токов в каналах выпрямления напряжения.
При этом заявленное устройство позволяет получить регулируемое и стабилизированное выходное выпрямленное напряжение постоянного тока, изменяющееся в диапазоне от 0,99 Unom. Также заявленное устройство, за счет наличия двух ППН, четырех датчиков токов и системы управления позволяет уравнять токи потребления каналов первичного выпрямления напряжения, что обеспечивает сохранение сдвига в 30 электрических градусов между системами координат двух трехфазных систем вторичных напряжений, что позволяет получить ступенчатую 12-пульсную форму потребляемого тока с коэффициентом гармоник не более 16% при номинальном токе нагрузки устройства, что улучшает электромагнитную совместимость устройства с питающей сетью.
На фиг. 1 изображена структурная схема устройства преобразования трехфазного переменного напряжения в постоянное, где:
1- автотрансформатор,
2 - первый трехфазный мостовой диодный выпрямитель,
3 - второй трехфазный мостовой диодный выпрямитель,
4 - выходной сглаживающий фильтр первого канала первичного выпрямления напряжения,
5 - выходной сглаживающий фильтр второго канала первичного выпрямления напряжения,
6 - первый мостовой транзисторный преобразователь напряжения,
7 - второй мостовой транзисторный преобразователь напряжения,
8 - первый трансформатор первого мостового транзисторного преобразователя напряжения,
9 - второй трансформатор первого мостового транзисторного преобразователя напряжения,
10 - первый трансформатор второго мостового транзисторного преобразователя напряжения,
11 - второй трансформатор второго мостового транзисторного преобразователя напряжения,
12 - выпрямительный каскад первого канала вторичного выпрямления напряжения,
13 - выпрямительный каскад второго канала вторичного выпрямления напряжения,
14 - выпрямительный каскад третьего канала вторичного выпрямления напряжения,
15 - выпрямительный каскад четвертого канала вторичного выпрямления напряжения,
16 - датчик тока первого канала вторичного выпрямления напряжения,
17 - датчик тока второго канала вторичного выпрямления напряжения,
18 - датчик тока третьего канала вторичного выпрямления напряжения,
19 - датчик тока четвертого канала вторичного выпрямления напряжения,
20 - выходной сглаживающий фильтр первого канала вторичного выпрямления напряжения,
21 - выходной сглаживающий фильтр второго канала вторичного выпрямления напряжения,
22 - выходной сглаживающий фильтр третьего канала вторичного выпрямления напряжения,
23 - выходной сглаживающий фильтр четвертого канала вторичного выпрямления напряжения,
24 - выходная объединяющая шина,
25 - система управления
На фиг. 2 изображена электрическая схема подключения полуобмоток автотрансформатора 1 по типу «треугольник», где:
26 - первичная полуобмотка АВ,
27 - первичная полуобмотка ВС,
28 - первичная полуобмотка СА,
29 - вторичная полуобмотка fC,
30 - первичная полуобмотка сС,
31 - первичная полуобмотка dA,
32 - первичная полуобмотка аА,
33 - первичная полуобмотка еВ,
34 - первичная полуобмотка ЬВ.
На фиг. 3-7 приведены осциллограммы работы устройства, поясняющие работу схемы.
На фиг. 3 показаны: фазное (фаза А) напряжение сети - 35, фазное (фаза а) напряжение первой тройки вторичных напряжений автотрансформатора - 37, фазное (фаза d) напряжение второй тройки вторичных напряжений автотрансформатора - 36.
На фиг. 4 показаны: выходное напряжение первого канала первичного выпрямления напряжения до сглаживания фильтром - 38, выходное напряжение второго канала первичного выпрямления напряжения до сглаживания фильтром - 39.
На фиг. 5 показана форма фазного (фаза А) тока, потребляемого устройством от сети - 40.
На фиг. 6 показаны: выходное напряжение при минимальном значении напряжения питающей сети (-10% от номинального значения) и номинальном токе нагрузки устройства - 41, выходное напряжение при максимальном значении напряжения питающей сети (+13% от номинального значения) и токе нагрузки устройства, составляющем 10% от номинального значения - 42.
На фиг. 7 показаны: ток первого канала вторичного выпрямления напряжения при номинальном токе нагрузки устройства - 43, ток первого канала вторичного выпрямления напряжения при токе нагрузки устройства, составляющем 10% от номинального значения - 44.
Двухканальный узел первичного выпрямления напряжения А1 (см. фиг. 1) состоит из автотрансформатора 1, первого трехфазного мостового диодного выпрямителя 2, второго трехфазного мостового диодного выпрямителя 3, выходного сглаживающего фильтра первого канала первичного выпрямления напряжения 4, выходного сглаживающего фильтра второго канала первичного выпрямления напряжения 5.
Первый ППН А2 (см. фиг. 1) состоит из первого мостового транзисторного преобразователя напряжения 6, первого трансформатора первого мостового транзисторного преобразователя напряжения 8, второго трансформатора первого мостового транзисторного преобразователя напряжения 9, выпрямительного каскада первого канала вторичного выпрямления напряжения 12, выпрямительного каскада второго канала вторичного выпрямления напряжения 13.
Второй ППН A3 (см. фиг. 1) состоит из второго мостового транзисторного преобразователя напряжения 7, первого трансформатора второго мостового транзисторного преобразователя напряжения 10, второго трансформатора второго мостового транзисторного преобразователя напряжения 11, выпрямительного каскада третьего канала вторичного выпрямления напряжения 14, выпрямительного каскада четвертого канала вторичного выпрямления напряжения 15.
Система управления 25 (см. фиг. 1) получает следующие сигналы: выходное сглаженное постоянное напряжение первого канала первичного выпрямления U3, выходное сглаженное постоянное напряжение второго канала первичного выпрямления U4, токи нагрузки каналов вторичного выпрямления напряжения I1-I4, выходное сглаженное постоянное напряжение Uout.
Принцип работы предлагаемого устройство преобразования трехфазного переменного напряжения в постоянное заключается в следующем.
Вывода А-В-С автотрансформатора 1 подключаются к автономному или сетевому источнику трехфазного напряжения переменного тока. Вывода a-b-с выходных вторичных полуобмоток автотрансформатора 1 образуют первую систему вторичных напряжений, сдвинутую относительно системы первичных напряжений на угол +15 электрических градусов.
Вывода d-e-f выходных вторичных полуобмоток автотрансформатора 1 образуют вторую систему вторичных напряжений, сдвинутую относительно системы первичных напряжений на угол - 15 электрических градусов.
Таким образом, две системы вторичных напряжений получаются сдвинутыми друг относительно друга на 30 электрических градусов.
Двухканальный узел первичного выпрямления формирует два независимых канала первичного выпрямления напряжения со значениями напряжений постоянного тока U1 для первого канала и U2 - для второго канала. Напряжения U1 и U2 частоту пульсаций в 6 раз большую, чем частота входного переменного напряжения сети. Пульсации напряжений U1 и U2 сглаживаются фильтрами 4 и 5 соответственно. Напряжение U3, полученное после фильтрации напряжения U1, поступает на мостовой транзисторный преобразователь напряжения 6, где, посредством ключевого режима работы транзисторов происходит изменение постоянного напряжения в переменное, поступающее на последовательно включенные первичные обмотки трансформаторов 8 и 9. Вторичные обмотки трансформаторов 8 и 9 подключены к выпрямительным каскадам первого канала вторичного выпрямления напряжения 12 и второго канала вторичного выпрямления напряжения 13 соответственно, в результате чего переменные напряжения трансформаторов 8 и 9 выпрямляются до значений напряжений постоянного тока U5 и U6 соответственно. Напряжение U5 поступает через датчик тока 16 на выходной сглаживающий фильтр первого канала вторичного выпрямления напряжения 20, где происходит снижение уровня пульсаций и формируется выходное напряжение U9.
Напряжение U6 поступает через датчик тока 17 на выходной сглаживающий фильтр второго канала вторичного выпрямления напряжения 21, где происходит снижение уровня пульсаций и формируется выходное напряжение U10.
Напряжение U7 поступает через датчик тока 18 на выходной сглаживающий фильтр третьего канала вторичного выпрямления напряжения 22, где происходит снижение уровня пульсаций и формируется выходное напряжение U11.
Напряжение U8 поступает через датчик тока 19 на выходной сглаживающий фильтр четвертого канала вторичного выпрямления напряжения 23, где происходит снижение уровня пульсаций и формируется выходное напряжение U12.
Выходные токи всех четырех каналов вторичного выпрямления объединяются на общей шине 24, где формируется выходное стабилизированное постоянное напряжение Uout, которое поступает на вход потребителю или нагрузке. Токи нагрузки всех четырех каналов вторичного выпрямления напряжения определяются датчиками тока 16 -19 и пропорциональны сигналам I1-I4 соответственно. Сигналы напряжений U3, U4, Uout и токов I1-I4 передаются в систему управления 25, в которой происходит формирование сигналов управления S1-S4 транзисторами первого мостового транзисторного преобразователя напряжения 6 и сигналов управления S5-S8 транзисторами второго мостового транзисторного преобразователя напряжения 7. Система управления обеспечивает изменение импульсов управления S1 - S8 по законам автоматического регулирования для поддержания стабилизированного уровня выходного напряжения Udc с требуемыми показателями качества, что подтверждается осциллограммами фиг. 6 и фиг. 7, а также для обеспечения одинаковых значений токов нагрузки всех четырех каналов вторичного выпрямления напряжения, что, в свою очередь позволяет уравнять токи каналов первичного выпрямления напряжения.
Таким образом, заявленное устройство позволяет получить регулируемое и стабилизированное выходное выпрямленное напряжение постоянного тока, в соответствии с осциллограммами на фиг. 6, изменяющееся в диапазоне от 0,99 Unom до 1,01 Unom, т.е. менее чем на 1% от номинального, при изменении параметров питающей сети от минимального (-10%) до максимального значения (+13%) и/или изменении тока нагрузки от номинального значения до значения, составляющего 10% от номинального значения тока нагрузки.
Причем наличие трансформаторов 8-11 обеспечивает гальваническую развязку входных и выходных цепей устройства.
При условии равенства токов каналов первичного выпрямления напряжения, напряжения U1 и U2 имеют одинаковые значения амплитуд и размаха пульсаций, а также равны по среднему значению. С учетом того, что периоды пульсаций напряжений U1 и U2 сдвинуты друг относительно друга на угол 30°, формируемый сдвигом систем вторичных полуобмоток обмоток автотрансформатора, что показано на фиг. 4. Т.о. при одновременной работе двух выпрямительных мостов получаем форму потребляемого системой фазного тока, состоящую из 12-ти ступеней, соответствующую форме тока потребления 12-ти пульсного выпрямителя, что показано на фиг. 5, при этом коэффициент гармоник потребляемого тока составляет не более 16% при номинальном токе нагрузки для номинальной выходной мощности устройства в единицы кВт, что позволяет сделать вывод об улучшенной электромагнитной совместимости предлагаемой схемы с питающей сетью.
Также предлагаемое устройство имеет улучшенные массогабаритные характеристики, выражающиеся в снижении массы и габаритов каскада первичного выпрямления напряжения (суммарной массы и габаритов моточных низкочастотных магнитных элементов) на 10-15% по сравнению с указанными аналогами, в том числе прототипом, за счет исключения из состава схемы таких магнитных элементов, как управляемые и неуправляемые реакторы (уравнительные полуреакторы) при проектировании изделий и систем с выходной мощностью от 500 Вт до единиц кВт.