Трехфазный преобразователь переменного тока в постоянный с повышенным коэффициентом мощности

Полезная модель относится к области электротехники, включая силовую преобразовательную технику, и предназначена для питания нагрузок постоянного тока от автономных или общесетевых источников трехфазного переменного тока с повышенным коэффициентом мощности.
Известен трехфазный преобразователь переменного тока в постоянный с повышенным коэффициентом мощности, содержащий три входные фазные клеммы, подключенных к началам обмоток трех входных дросселей, шесть силовых транзисторов, управление которых соединено с выходами блока управления, трехфазный мостовой выпрямитель, выходы которого подключены к стойке силовых конденсаторов и к выходным клеммам устройства (RU 2449460).
Недостатком указанного известного устройства является то, что к силовым диодам трехфазного мостового выпрямителя и к силовым транзисторам в закрытом состоянии прикладывается относительно высокое напряжение, равное выходному напряжению преобразователя. Данное обстоятельство вынуждает использовать силовые диоды с повышенным допустимым значением обратного напряжения, а силовые транзисторы с повышенным допустимым напряжением в закрытом состоянии, которые имеют сравнительно высокие потери мощности, как при протекании силового тока, так и во время коммутации, а также относительно высокую себестоимость. Данные факторы определяют сравнительно высокие потери мощности и себестоимость преобразователя в целом. При этом повышенные потери мощности требуют более эффективную систему охлаждения, что также оказывает влияние на повышение себестоимость устройства.
Известен многофазный выпрямитель с коррекцией коэффициента мощности, содержащий «m» входных фазных выводов для подключения «m»-фазного источника переменного тока, два разнополярных выходных вывода для подключения нагрузки постоянного тока и заземленные нейтральный входной и среднепотенциальный выходной выводы, «m» входных фильтровых конденсаторов, соединенных между собой в «звезду», шунтирующую входные фазные выводы, «m» балластных дросселей, двухконденсаторную фильтровую стойку с заземленным средним выводом, шунтирующую выходные выводы, «m»-фазный управляемый мостовой выпрямитель с выходными выводами постоянного тока, зашунтированными крайними выводами фильтра, «m» электронных ключей переменного тока и блок управления с цепями обратных связей, имеющими датчики входных и выходных напряжений и датчики входных токов, и с «m»-фазной группой основных выходных выводов, подключенных к управляющим выводам электронных ключей переменного тока, каждый из которых своими силовыми выводами включен между заземленным выходным выводом устройства и соответствующим фазным выводом переменного тока выпрямительного моста, подключенным через соответствующий балластный дроссель к соответствующему входному фазному выводу устройства, в который введены «2m» снабберных узлов, состоящих каждый из диодно-конденсаторной цепочки, шунтирующей соответствующее плечо мостового выпрямителя, разнонаправленной диодно-ключевой стойки, заземляющей средний вывод указанной цепочки, и дроссель, включенный между средним выводом диодно-ключевой стойки и соответствующим выводом постоянного тока мостового выпрямителя, плечи которого состоят из запираемых по управлению электронных ключей, а блок управления снабжен двумя «2m»-фазными группами дополнительных выходных выводов, подключенных к управляющим выводам ключей снабберных узлов и ключей мостового выпрямителя соответственно (RU 163741).
Недостатком указанного известного устройства является то, что к диодам мостового выпрямителя в обратном направлении прикладывается относительно высокое напряжение, равное выходному напряжению преобразователя. Данное обстоятельство вынуждает использовать диоды с повышенным допустимым значением обратного напряжения, которые имеют сравнительно высокие потери мощности, как при протекании силового тока, так и во время коммутации, а также относительно высокую себестоимость. В результате это определяют сравнительно высокие потери мощности и себестоимость преобразователя в целом. При этом повышенные потери мощности требуют более эффективную систему охлаждения, что также оказывает влияние на повышение себестоимость устройства.
Наиболее близким к предложенному устройству является трехфазный преобразователь переменного тока в постоянный, содержащий входные клеммы подключения к фазам переменного тока, к каждой из которых последовательно включены датчик фазного входного напряжения и датчик фазного тока, три верхних и три нижних транзистора, девять силовых диодов, включенных в фазы двумя верхними группами и одной нижней группой по три силовых диода, два последовательно соединенных фильтровых конденсаторов, две выходные клеммы, средства управления включением транзисторов и нулевую клемму, при этом с силовыми выходами датчиков связаны через силовые диоды первой верхней группы три пары верхних и нижних транзисторов, связанных с общей точкой фильтровых конденсаторов, а также связаны через вторую верхнюю и третью нижнюю группу силовых диодов с выходными клеммами подключения к нагрузке постоянного тока, которые соединены с выводами фильтровых конденсаторов для формирования в каждой фазе однонаправленного тока через транзисторы и образованием мостового выпрямителя из двух диодов в каждой фазе. (Мелешин В. И., Овчинников Д. А. Управление транзисторными преобразователями электроэнергии. М. 2011, Техносфера, с. 43, рис. 2.4, прототип).
Недостатком указанного устройства является невысокий КПД, обусловленный повышенными потерями мощности при одновременном протекании тока по последовательно соединенным диодам (например, VD1 и VD7 или VD3 и VD8 или VD5 и VD9 или т.п.), после перехода транзисторов VT1…VT6 в закрытое состояние.
Технической проблемой, разрешаемой настоящим техническим решением, является создание эффективного трехфазного преобразователя переменного тока в постоянный с повышенным коэффициентом мощности, и расширение арсенала трехфазных преобразователей переменного тока в постоянный
Техническим результатом полезной модели является повышение КПД за счет снижения потерь мощности благодаря снижению обратного напряжения и снижению длительности протекания силового тока через группы силовых диодов, и уменьшение себестоимости устройства, позволяющего применять силовые диоды выпрямителя с меньшими номинальными значениями допустимого обратного напряжения.
Сущность полезной модели заключается в том, что трехфазный преобразователь переменного тока в постоянный содержит входные клеммы подключения к фазам переменного тока, к каждой из которых последовательно включены датчик фазного входного напряжения и датчик фазного тока, три верхних и три нижних силовых транзисторов, девять силовых диодов, связанных с фазами, тремя группами по три силовых диода: первая и вторая верхняя группа, третья нижняя группа силовых диодов, два последовательно соединенных фильтровых конденсатора, две выходные клеммы, средства управления включением транзисторов в виде блока управления и нулевую клемму (общую точку), при этом с силовыми выходами датчиков связаны силовые диоды первой верхней группы, три верхних и три нижних силовых транзистора, связанных с общей точкой фильтровых конденсаторов, а также связаны через вторую верхнюю и третью нижнюю группу силовых диодов с выходными клеммами подключения к нагрузке постоянного тока, причем силовые диоды второй верхней группы подключенны катодами к соотвествующим коллекторам верхних силовых транзисторов, эмиттеры которых соединены с общей точкой фильтровых конденсаторов, катоды первой верхней группы силовых диодов соединены с положительными выходной клеммой и выводом первого конденсатора, а аноды третьей нижней стойки силовых диодов подключены к отрицательным выходной клемме и выводу второго конденсатора, трехфазный преобразователь снабжен тремя верхними фазными дросселями и тремя нижними фазными дросселями, четвертой нижней группой силовых диодов, при этом силовые выходы датчиков через верхний фазные дроссели подключены к соотвествующим анодам силовых диодов первой и второй верхней группы, а через нижние фазные дроссели подключены к соотвествующим эмиттерам нижних силовых транзисторов и катодам силовых диодов третьей нижней группы, средства управления включением силовых транзисторов выполнены в виде блока управления с микропроцессором и компонентами согласования, информационные входы которого связаны с датчиками напряжения и тока в фазах, а управляющие выходы - с управляющими входами (базой-эмиттер) силовых транзисторов.
Предпочтительно, силовые диоды третьей нижней группы анодами подключены к нулевой клемме и общей точке фильтровых конденсаторов, катодами соединены с соотвествсвующими коллекторами нижних силовых транзисторов.
На чертеже фиг. 1 изображена схема трехфазного преобразователя переменного тока в постоянный, на фиг. 2 - графики параметров тока трехфазного преобразователя переменного тока в постоянный по фиг. 1.
Трехфазный преобразователь переменного тока в постоянный, содержащий входные клеммы 1, 2, 3 подключения к фазам переменного тока, к каждой из которых последовательно подключены соответствующий датчик 4, 5, 6 фазного входного напряжения и соответствующий датчик 10, 11, 12 фазного тока, три верхних (здесь и далее: верхние элементы - это те элеметны схемы, которые связаны с положительной клеммой постоянного тока, нижние - связаны с отрицательной клеммой постоянного тока) 17, 19, 21 и три нижних 27, 29, 31 силовых биполярных транзисторов, девять силовых диодов, связанных с фазами, тремя группами по три силовых диода: первая верхняя группа 13, 14, 15, вторая верхняя группа 16, 18, 20, третья нижняя группа 37, 38, 39 силовых диодов, два последовательно соединенных фильтровых конденсатора 22, 23, две выходные клеммы 24, 25, средства управления включением транзисторов в виде блока 33 управления и нулевую клемму (общую точку) 32.
С силовыми выходами датчиков 4-6, 10-12 связаны силовые диоды 16, 18, 20 первой верхней группы, три верхних силовых транзистора 17, 19, 21 и три нижних силовых транзистора 27, 29, 31, связанных с общей точкой фильтровых конденсаторов 22, 23, а также связаны через вторую верхнюю группу силовых диодов 13-15 и третью нижнюю группу силовых диодов 37-39 с выходными клеммами 24, 25 подключения к нагрузке постоянного тока, причем силовые диоды 16, 18, 20 второй верхней группы подключении катодами к соотвествующим коллекторам верхних силовых транзисторов 17, 19, 21, эмиттеры которых соединены с общей точкой фильтровых конденсаторов 22, 23, катоды первой группы силовых диодов 13-15 соединены с положительными выходной клеммой 24 и выводом верхнего конденсатора 22, а аноды третьей нижней стойки силовых диодов 37-39 подключены к отрицательным выходной клемме 25 и выводу нижнего конденсатора 23. В результате реализуется формирование в каждой фазе однонаправленного тока через силовые транзисторы 17, 19, 21, 27, 29, 31 с образованием мостового выпрямителя из силовых диодов 13-15 второй верхней группы и силовых диодов 37-39 третьей нижней группы.
Преобразователь выполнен с тремя верхними фазными дросселями 7, 8, 9 и тремя нижними фазными дросселями 34, 35, 36, с четвертой нижней группой силовых диодов 26, 28, 30, при этом силовые выходы датчиков 4-6, 10-12 через верхний фазные дроссели 7-9 подключены к соотвествующим анодам силовых диодов 16, 18, 20, 13-15 первой и второй верхней группы, а через нижние фазные дроссели 34-35 подключены к соотвествующим эмиттерам нижних силовых транзисторов 27, 29, 31 и катодам силовых диодов 37-39 третьей нижней группы, средства управления включением силовых транзисторов 17, 19, 21, 27, 29, 31 выполнены в виде блока 33 управления с микропроцессором и компонентами согласования (не изображены), информационные входы которого связаны с датчиками 4-6, 10-12 напряжения и тока в фазах, а управляющие выходы - с управляющими входами (базой-эмиттер) силовых транзисторов 17,19,21, 27,29, 31.
Силовые диоды 26, 28, 30 третьей нижней группы анодами подключены к нулевой клемме 32 и общей точке фильтровых конденсаторов 22, 23, катодами соединены с соотвествсвующими коллекторами нижних силовых транзисторов 27, 29,31.
Блок 33 управления выполнен с возможностью обрабатывать шесть аналоговых сигналов с датчиков напряжения и тока, преобразовывать аналоговые сигналы в цифровую информацию, производить обработку цифровой информации посредством установленной на нем программы и формировать выходные сигналы на выходах для управления шестью силовыми транзисторами 17, 19, 21, 27, 29, 31.
Все перечисленное оборудование устройства размещено в общем корпусе и объединено монтажной (установочной) стойкой и электрическими проводами.
На фиг. 2 обозначены: u - мгновенное значение напряжения, i - мгновенное значение тока, t - текущее значение времени, Т - период колебаний входного напряжения.
Предлагаемый трехфазный преобразователь переменного тока в постоянный устройство работает следующим образом.
При работе преобразователя микропроцессором блока 33 могут быть реализованы три способа управления:
-релейный (гистерезисный) способ управления, при котором задают максимальную и минимальную границу для управляемой переменной (в рассматриваемом случае входной ток);
- широтно-импульсный способ управления, при котором управляемую переменную (входной ток) изменяют с переменной шириной при постоянной частоте;
-частотно-импульсный способ управления, при котором управляемую переменную (входной ток) изменяют по ширине импульса или паузы при непостоянной частоте.
Остальные типы управления вытекают из этих способов и носят частный вид. Указанные способы управления имеют универсальный характер и применяют во всех возможных типах преобразователей: в инверторах, конверторах, преобразователях частоты, управляемых выпрямителях и т.п.
Ниже изложено описание работы при использовании микропроцессором блока 33 релейного (гистерезисного) способа управления, который является основным для данного устройства.
Полная мощность цепи переменного тока трехфазного преобразователя переменного тока в постоянный векторно складывается из суммы активной мощности и реактивной мощности. Коэффициент мощности равен отношению активной мощности постоянного тока на выходных клеммах 24, 25 к полной мощности входного трехфазного синусоидального напряжения переменного тока на входных клеммах 1, 2, 3, следовательно, чем меньше реактивная мощность, тем выше коэффициент мощности трехфазного преобразователя переменного тока в постоянный. Причем чем ближе форма кривой входного тока к форме кривой входного напряжения, тем меньше реактивная мощность устройства.
вх1
max
min
Пусть на интервале времени от 0 до Т/2 (фиг. 2), где Т период входного фазного напряжения, на входную клемму 1 поступает положительное входное фазное напряжение u, текущее значение которого датчик 4 передает на блок 33 управления. Микропроцессор блока 33 управления преобразовывает аналоговый сигнал обратной связи датчика 4 в цифровой, на основании которого программные средства синтезируют в цифровом виде кривые максимального i и минимального i граничного значения входного тока.
11
упр17
На интервале времени от 0 до t блок 33 управления формирует положительный выходной сигнал управления u (фиг. 2), под действием которого силовой транзистор 17 переходит в открытое состояние. При этом силовой ток протекает по цепи:
- входная фазная клемма 1 - датчик 10 входного тока - верхний фазный дроссель 7 - силовой диод 16 - силовой транзистор 17 - входная нулевая клемма 32. В результате происходит рост входного фазного тока:
16
17
где и u и u - падение напряжения на силовых диоде 16 и транзисторе 17.
вх1
max
вх1
max
11
упр17
Одновременно датчик 10 передает текущее значение входного фазного тока i на блок 33 управления. Микропроцессор блока 33 управления преобразовывает аналоговый сигнал обратной связи датчика 10 в цифровой, на основании которого программыми средствами сравнивают его с кривой i. Когда входной фазный ток i достигает положительного значения кривой i (момент времени t, фиг. 2), блок 33 управления снимает положительный сигнал управления u, в следствие чего силовой транзистор 17 переходит в закрытое состояние. При этом силовой ток протекает по цепи:
вх1
min
12
упр17
-входная фазная клемма 1 - датчик входного тока 10 - верхний фазный дроссель 7 - силовой диод 13 - силовой конденсатор 22 - входная нулевая клемма 32. В результате происходит заряд конденсатора 22 и спад входного тока i.Когда входной фазный ток спадает до положительного значения кривой i (момент времени t), блок 33 управления вновь формирует положительный сигнал управления u (фиг. 2), под действием которого силовой транзистор 17 переходит в открытое состояние. При этом силовой ток протекает по цепи:
- входная фазная клемма 1 - датчик входного тока 10 - верхний фазный дроссель 7 - силовой диод 16 - силовой транзистор 17 - входная нулевая клемма 32.
В результате происходит рост входного фазного тока согласно выражению (1).
вх1
max
13
упр17
Когда входной ток i вновь достигает положительного значения кривой i (момент времени t, блок 33 управления снимает положительный сигнал управления u, а силовой транзистор 17 переходит в закрытое состояние и далее электрические процессы в устройстве качественно повторяются.
вх1
21
упр27
На интервале времени от Т/2 до Т, на входную клемму 1 поступает отрицательное входное фазное напряжение u (фиг. 2). При этом на интервале времени от Т/2 до t блок 33 управления формирует положительный сигнал управления u, под действием которого силовой транзистор 27 переходит в открытое состояние и силовой ток протекает по цепи:
- входная нулевая клемма 32 - силовой диод 26 - силовой транзистор 27 - нижний фазный дроссель 36 - датчик входного тока 10 - входная фазная клемма 1.
В результате происходит рост по абсолютной величине входного фазного тока:
26
27
где u и u - падение напряжения на силовых диоде 26 и транзисторе 27.
вх1
max
21
ynp27
Когда входной фазный ток i (фиг. 2) достигает отрицательного значения кривой i (момент времени t), блок управления снимает положительный сигнал управления U, под действием чего силовой транзистор 27 переходит в закрытое состояние. При этом силовой ток протекает по цепи:
- входная нулевая клемма 32 - силовой конденсатор 23 - силовой диод 39 - нижний фазный дроссель 36 - датчик входного тока 10 - входная фазная клемма 1.
вх1
В результате происходит заряд силового конденсатора 23 и спад по абсолютной величине входного тока i.
вх1
min
22
упр27
Когда входной ток i достигает отрицательного значения кривой i (момент времени t), блок управления 33 формирует положительный сигнал управления u (фиг. 2), под действием которого силовой транзистор 27 переходит в открытое состояние. При этом силовой ток протекает по цепи:
- входная нулевая клемма 32 - силовой диод 26 - силовой транзистор 27 - нижний фазный дроссель 36 - датчик входного тока 10 - входная фазная клемма 1.
В результате происходит рост по абсолютной величине входного фазного тока согласно выражению (2).
вх1
max
23
упр27
Когда входной ток i вновь достигает отрицательного значения кривой i (момент времени t), блок 33 управления снимает положительный сигнал управления u, под действием чего силовой транзистор 27 переходит в закрытое состояние и далее электрические процессы в устройстве качественно повторяются до момента времени Т. Следует отметить, что на интервале времени от T до Т/2 блок 33 не формирует сигналы управления силовым транзистором 17.
вх1
Таким образом, входной фазный ток i принимает форму кривой, близкую к форме кривой входного напряжения, что обеспечивает повышенный коэффициент мощности предлагаемого устройства.
Аналогичным образом формируется входной ток и на других фазах устройства. При этом блок 33 управления может реализовать любые запрограммированные способы формирования выходных сигналов управления силовыми транзисторами 17, 19, 21, 27, 29, 31.
Анализ электрических процессов в предлагаемом устройстве посредством метода эквивалентных схем с использованием аппарата теории электрических цепей (уравнений Киргофа и мотода контурных токов) показал, что максимальное обратное напряжение к силовым диодам 13-15 первой верхней группы прикладывается, когда входное напряжение на входных клеммах 1-3 имеет отрицательные значения, а максимальное обратное напряжение к силовым диодам 37-39 третьей нижней группы прикладывается, когда входное напряжение на входных клеммах 1-3 имеет положительные значения. При этом, например, максимальное обратное напряжение на силовом диоде 13 можно найти из контура:
- входная клемма 1 - датчик тока 10 - верхний фазный дроссель 7 - силовой диод 13 - силовой конденсатор 22 - входная нулевая клемм 32, посредством следующего выражения:
7
где u - падение напряжения на верхнем фазном дросселе 7;
13
u - падение напряжения на силовом диоде 13;
22
u - напряжения на силовом конденсаторе 22.
Согласно описанному алгоритму действия в предлагаемом устройстве при отрицательных значениях входного фазного напряжения, поступающего на входную фазную клемму 1, ток через верхний фазный дроссель 7 не протекает, соотвестственно падение напряжения на нем равно нулю. С учетом данного фактора из выражения (3) находим падения напряжения на силовом диоде 13:
Амп
Согласно принятому условию, что входное фазное напряжение имеет отрицительные значения, то из выражения (4) видно, что к силовому диоду 13 прикладывается отрицательное напряжение, т.е. в обратном направлении. При этом входное фазное напряжение имеет максимальное значение равное амплитуде U а напряжение на конденсаторе равно половине напряжения нагрузки Uн. В связи с этим из выражения (4) можно найти максимальное обратное напряжение, которое прикладывается к силовому диоду 13:
В предлагаемом устройстве напряжение нагрузки через коэффициент К повышения выходного напряжения связано с амплитудным значением входного фазного напряжения следующим выражением:
Амп
После подстановки U из выражения (6) в (5) и преобразования получаем максимальное значения обратного напряжения, прикладываемого к диоду 13:
Аналогичные максимальные значения обратного напряжения получаем для силовых диодов 14, 15 и 37…39.
Как видно из выражения (7), с ростом коэффициента К максимальное обратное напряжение на силовых диодах стремиться к величине равной половине напряжения нагрузки.
Таким образом, по сравнению с прототипом, в котором, например, ток силовых диодов D7…D12 протекает непрерывно в течение всего соответствующего полупериода, в предлагаемом устройстве ток через аналогичные диоды 16, 18, 20, 26, 28, 30 протекает только в то время, когда открыт силовой транзистор, что, за счет уменьшения длительности протекания силового тока снижает в них потери мощности и соответственно повышает КПД устройства.
По сравнению с прототипом вышеописанные факторы позволяют снизить максимальное значение обратного напряжения на силовых диодах 13-15 и 37-39 преобразователя, благодаря чему в предлагаемом устройстве можно использовать относительно низковольтные силовые полупроводниковые диоды, которые имеют малые потери мощности как при протекании силового тока, так и во время коммутации, а также относительно невысокую себестоимость.
При этом по сравнению с прототипом, силовые диоды 16, 18, 20 верхней второй группы имеет меньшую длительность протекания силового тока, которая определена только открытым состоянием соответствующего силового транзистора 17, 19, 21, что обуславливает меньшие потери мощности в данных силовых диодах.
Из вышеизложенного следует, что предлагаемое техническое решение по сравнению с прототипом обеспечивает технический результат: повышение КПД и снижение себестоимости устройства за счет нового схемотехнического решения, которое позволяет применять силовые диоды выпрямителя с меньшими паспортными значениями допустимого максимального обратного напряжения и меньшей длительностью протекания силового тока. При этом пониженные потери мощности требуют менее эффективную систему охлаждения, что также оказывает влияние на снижение себестоимости заявляемого устройства.
Предлагаемый трехфазный преобразователь переменного тока в постоянный можно использовать в трехфазных корректорах мощности, в источниках бесперебойного питания и в других устройствах, к которым предъявляют повышенные требования к коэффициенту мощности, КПД и себестоимости изделия.
Экспериментальные исследования лабораторного макета устройства трехфазного преобразователя переменного тока в постоянный и компьютерное моделирование подтвердили работоспособность и целесообразность широкого промышленного использования данного устройства. При этом был изготовлен и успешно испытан опытный образец предлагаемого устройства, выполненный в виде конструктивно единого законченного узла.