СТАТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
STATIC CONVERTER

Область техники
Изобретение относится к статическим преобразователям для питания ответственных потребителей трехфазного переменного тока, нарушение работы которых может повлечь за собой возникновение ситуаций, представляющих опасность для жизни людей, повреждение оборудования, выход из строя транспортного средства и т.п.
Статический преобразователь такого типа должен обеспечиваться электроэнергией как минимум от двух независимых источников. В качестве резервного источника электроснабжения ответственных потребителей переменного тока наиболее широкое применение находят аккумуляторные батареи (АБ). Например, энергетические системы современных атомных подводных лодок (АПЛ) имеют в своем составе несколько автономных турбогенераторов переменного тока, использующих пар от реактора, и аккумуляторную батарею в качестве резервного источника энергии при неработающих турбогенераторах, а также машинные и статические преобразователи электрического тока для зарядки аккумуляторов. Основными силовыми сетями АПЛ является трехфазный переменный ток напряжением 380 В 50 Гц и постоянный ток напряжением 175-320 В (А.Б. Каракаев, Б.С. Маркитанов «Электрические сети подводных лодок». Государственная морская академия им. С.О. Макарова, Санкт-Петербург, 2003).
Наиболее полно варианты схемотехнических решений силовых узлов современных трехфазных статических преобразователей средней и большой мощности, работающих по схеме источника бесперебойного питания, изложены в статье Климов В.П., Москалев А.Д. Трехфазные «ИБП: схемотехника и технические характеристики». Электронные компоненты, №6, 2005 г.
Согласно указанному обзору наиболее распространены источники бесперебойного питания (ИБП) с двойным преобразованием энергии, обеспечивающие переход с сетевого режима на автономный без перерыва питания, обеспечивая необходимую форму и симметрию трехфазного выходного напряжения.
Существует три группы схем ИБП с двойным преобразованием энергии.
Согласно первой группе классическая структура ИБП с АБ в цепи питания инвертора содержит последовательно включенные мостовой управляемый тиристорный выпрямитель, трехфазный мостовой инвертор напряжения на IGBT-транзисторах, трехфазный выходной трансформатор с обмотками, включенными по схеме треугольник-звезда, и выходной фильтр. Высоковольтная АБ подключена к выходу управляемого выпрямителя. Эти ИБП обладают высокими показателями надежности, однако для них характерны повышенные массогабаритные показатели.
Вторую группу образуют ИБП с бустером в цепи питания инвертора. Их отличительной особенностью является отсутствие трансформатора, использование неуправляемого выпрямителя и наличие бустера - корректора коэффициента мощности в силовой цепи. Аккумуляторная батарея, как правило, состоит из двух секций со средней точкой, соединенной с нейтральным проводом. Этой группе преобразователей также присущи недостатки, связанные со значительными массогабаритными характеристиками и определенными ограничениями диапазона мощности.
Стремление увеличить коэффициент мощности в широком диапазоне изменения нагрузки и улучшить динамические характеристики ИБП с одной стороны и появление доступных для широкого применения высоковольтных быстродействующих силовых IGBT-модулей привело к появлению структуры ИБП с двунаправленным мостовым широтно-импульсным (ШИМ) преобразователем.
Структура такого ИБП содержит последовательно соединенные: входной трехфазный ШИМ-преобразователь на IGBT-транзисторах, фазные дроссели и накопительные конденсаторы, преобразователь напряжений, трехфазный мостовой инвертор и выходной фильтр. В схеме также присутствует преобразователь напряжений, входом подсоединенный к выходу входного ШИМ-преобразователя, выходом к аккумуляторной батарее. Преобразователь напряжений работает как зарядное устройство в сетевом режиме работы и как бустер цепи АБ в автономном режиме.
К недостаткам данной схемы следует отнести большое количество силовых IGBT-транзисторов в силовой цепи и возникновение на закрытых транзисторах значительных коммутационных напряжений, а также сложную схему управления транзисторами ШИМ-преобразователя, требующую информацию не только о величине токов и напряжений, но и об их фазовом сдвиге, что в целом приводит к достаточно большим весогабаритным характеристикам и недостаточной надежности.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по сущности является принимаемый за прототип статический преобразователь переменного тока, питаемый от основной сети трехфазного переменного тока и резервной сети постоянного тока, согласно патенту РФ №2481691.
Статический преобразователь, являющийся источником питания с двойным преобразованием энергии, обеспечивает при необходимости переход с основного режима на резервный с минимальным перерывом питания благодаря использованию следующей схемы соединения. Плюсовая клемма источника постоянного тока через контактор подключена к выпрямителю, работающему в основном режиме от сети переменного тока, через диоды с дросселями, стоящими в цепи каждой фазы переменного тока, а минусовая клемма источника постоянного тока подключена к общей точке этого выпрямителя. Выпрямитель выполнен на базе транзисторных чопперов, обеспечивающих регулирование напряжения при питании от источника постоянного тока. Почти все блоки схемы, задействованные при основном питании, используются и при резервном питании, что значительно упрощает схему. В результате снижаются масса и габариты преобразователя, что приводит к повышению надежности.
Кроме того, плюсовая и минусовая клеммы источника постоянного тока могут быть подключены к выходу основного выпрямителя, работающего в обычном режиме от сети переменного тока, через группу из последовательно включенных высокочастотного инвертора, трансформатора и второго дополнительного выпрямителя. Это увеличивает надежность за счет введения гальванической развязки двух питающих сетей. Однако такая схема включения требует существенного увеличения установленной мощности группы гальванической развязки, сопоставимой с мощностью, пропускаемой по основной цепи питания по переменному току, а следовательно, и массогабаритные показатели всего преобразователя будут достаточно велики.
Раскрытие изобретения
Целью заявляемого изобретения является обеспечение бесперебойного питания потребителей при кратковременном пропадании или снижении напряжения входного переменного тока с одновременным существенным снижением установленной мощности и массогабаритных показателей группы гальванической развязки и всего преобразователя.
Сущность изобретения заключается в том, что группа гальванической развязки непосредственно включается по входу к клеммам постоянного тока, а выход ее к выходу основного выпрямителя цепи переменного тока. При этом время работы группы гальванической развязки определяется только временем переключения силовых контакторов питающих цепей. Это позволяет снизить существенно массогабаритные характеристики группы гальванической развязки и, следовательно, всего преобразователя.
Согласно изобретению статический преобразователь для питания ответственных потребителей трехфазного переменного тока включает в себя клеммы входного трехфазного переменного тока и клеммы входного постоянного тока (положительную и отрицательную), а также контакторы, основной выпрямитель, подключенный по входу (через фазные дроссели и один из контакторов) к клеммам входного трехфазного переменного тока, фильтрующий конденсатор и инвертор, подключенные параллельно выходу выпрямителя, при этом положительная клемма входного постоянного тока через другой контактор и разделительные диоды подключена к точкам соединения каждого фазного дросселя с первым контактором, а отрицательная клемма постоянного тока через второй контактор подключена к общей минусовой точке выпрямителя, содержащего транзисторные чопперы, обеспечивающие регулирование величины напряжения, причем цепь, соединяющая клеммы постоянного тока и выпрямитель, включает группу гальванической развязки, состоящую из высокочастотного инвертора, трансформатора и дополнительного выпрямителя.
Группа гальванической развязки по входу подключена непосредственно к источнику постоянного тока, а по выходу - к выходным клеммам основного выпрямителя.
Таким образом, выходы основного выпрямителя и дополнительно выпрямителя гальванической развязки соединены параллельно. Поэтому при пропадании на короткое время входного переменного напряжения мгновенно осуществляется питание потребителей переменного тока через группу гальванической развязки, поскольку на ее подключение времени не требуется. Тем временем через систему управления осуществляется подключение постоянного напряжения через разделительные диоды и контакторы на вход основного выпрямителя, на что уходит от долей до нескольких секунд, в течение которых питание ответственных потребителей идет через группу гальванической развязки. Поскольку время работы группы гальванической развязки определяется лишь временем подключения основного выпрямителя к цепи постоянного тока, то и массогабаритные показатели элементов гальванической развязки могут быть значительно снижены ввиду короткого времени ее работы и соответственно малого нагрева составляющих ее элементов.
Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает бесперебойное питание потребителей при кратковременном пропадании или снижении напряжения входного переменного тока и улучшает массогабаритные характеристики группы гальванической развязки и всего статического преобразователя переменного тока преобразователя в целом.
Графические иллюстрации
На чертеже представлена электрическая схема статического преобразователя.
Осуществление изобретения
Статический преобразователь содержит входные клеммы 1 для подвода трехфазного переменного тока, тройной контактор 2 для включения/отключения цепи переменного тока, входные клеммы 3 для подвода постоянного тока, двойной контактор 4 для включения/отключения цепи постоянного тока, а также дроссели 5, стоящие в цепи каждой фазы, выпрямитель 6, фильтрующий конденсатор 7, инвертор 8. Положительная входная клемма подвода постоянного тока подключена через контактор 4 к трем фазным входам выпрямителя б через разделительные диоды 9, отрицательная клемма подключена через контактор 4 к общей точке выпрямителя 6. Выпрямитель 6 выполнен на базе транзисторных чопперов, обеспечивающих регулирование напряжения при питании от сети постоянного тока. При этом три его плеча имеют в своем составе IGBT-транзисторы 10, шунтированные диодами 11. Три других плеча выполнены на силовых диодах 12.
Входные клеммы 3 постоянного тока также подключены к группе из последовательно соединенных: высокочастотного инвертора 13, трансформатора 14 и дополнительного нерегулируемого выпрямителя 15. При этом выходы дополнительного выпрямителя 15 подключены к выходам основного выпрямителя 6, соответственно плюс с плюсом, минус с минусом.
Статический преобразователь, предназначенный для питания ответственных потребителей переменного тока, работает следующим образом.
При подаче напряжения переменного тока от основного источника питания на клеммы 1 включается контактор 2, и переменное трехфазное напряжение через дроссели 5 подается на основной регулируемый выпрямитель 6. Далее выпрямленное напряжение фильтруется конденсатором 7 и поступает на вход инвертора 8, вырабатывающего на выходе переменный ток, который поступает к нагрузке.
Группа гальванической развязки постоянно подключена к выходу основного выпрямителя 6. А именно напряжение постоянного тока с клемм 3 поступает через замкнутые контакты контактора 4 к высокочастотному инвертору 13, после которого переменное напряжение приводится к нужному номиналу трансформатором 14 и превращается в постоянное дополнительным выпрямителем 15. При пропадании переменного напряжения через группу гальванической развязки в течение нескольких секунд обеспечивается питание переменным током ответственных потребителей без перерыва питания.
Одновременно в момент пропадания переменного напряжения на входных клеммах 1 выключается контактор 2, включается контактор 4 и постоянное напряжение, имеющееся на клеммах 3, поступает с положительной клеммы через контактор 4 к разделительным диодам 9 и далее на дроссели 5, затем на вход выпрямителя 6. А отрицательная клемма через контактор 4 соединяется с общей минусовой точкой выпрямителя 6. В этом случае выпрямитель 6 вырабатывает однополярное пульсирующее напряжение, которое затем сглаживается конденсатором 7, инвертируется на инверторе 8 и уже это полученное переменное напряжение поступает к нагрузке. И таким образом осуществляется переход от питания через группу гальванической развязки к питанию через разделительные диоды 9 и основной выпрямитель 6.
Поскольку группа гальванической развязки подключена к клеммам 3 источника постоянного тока непосредственно без включающих/отключающих ключей, то ее напряжение мгновенно появляется на выходе выпрямителя 6, в то время как напряжение, прошедшее через разделительные диоды 9, на входе выпрямителя 6 появляется с запаздыванием из-за наличия ключей включения/отключения и внешней схемы управления, осуществляющей переключение двух сетей и регулирование напряжения на выходе статического преобразователя
В качестве элементов статического преобразователя могут быть использованы:
выпрямитель 6 - выпрямитель на чопперах (IGBT-транзисторах и диодах), выполненный по мостовой схеме;
фильтрующий конденсатор 7 - электролитический конденсатор;
инвертор 8 - инвертор по трехфазной мостовой схеме;
разделительные диоды 9 - силовые диоды полупроводникового типа;
высокочастотный инвертор 13 - инвертор по однофазной мостовой схеме;
дополнительный выпрямитель 15 - диодный выпрямитель по однофазной мостовой схеме.
На основе предлагаемого изобретения был изготовлен и успешно испытан опытный образец статического преобразователя переменного тока.