СЕТЕВОЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ С КОРРЕКТОРОМ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ

Полезная модель относится к электротехнике и к импульсной силовой электронике и предназначена для использования в авиационно-бортовых системах электроснабжения.
Известны сетевые выпрямители с корректором коэффициента мощности (аналоги), содержащие неуправляемый (диодный) выпрямитель, выходную двухконденсаторную фильтровую стойку с заземленным средним выводом, одну или две дроссельные обмотки, двухключевую электронную стойку и блок управления с цепями обратных связей по входному току, а также входному и выходному напряжениям для регулирования выходных параметров и повышения коэффициента потребляемой мощности (В. Климов, С. Климова, Ю. Карпиленко. Корректоры коэффициента мощности однофазных источников бесперебойного питания, Силовая Электроника, №3, 2009 г., с. 40-42, стр. 41, рис. 2, рис. 4а, рис. 4б и рис. 4в).
Общими недостатками всех указанных известных устройств (аналогов) являются узкие функциональные возможности, а именно - неспособность обеспечения обратного направления преобразования электроэнергии (режима инвертора синусоидального тока), а также низкая надежность из-за установки энергоемких электролитических конденсаторов (с низкими термостойкостью, безотказностью и сроком службы).
Наиболее близким по технической сути к предлагаемому устройству является сетевой выпрямитель с корректором коэффициента мощности (прототип), содержащий неуправляемый (диодный) выпрямитель, выходную двухконденсаторную фильтровую стойку с заземленным средним выводом, две дроссельные обмотки, двухключевую электронную стойку и блок управления с цепями обратных связей по входному току, а также входному и выходному напряжениям для регулирования выходных параметров и повышения коэффициента потребляемой мощности (Резников С.Б., Бочаров В.В., Корнилов А.Б., Электромагнитная совместимость коллекторного электропривода с трехфазной сетью переменного тока. Электронный журнал трудов МВТУ им. Баумана, Инженерное образование #08, август 2012, DOI: 10.7463/0812.0450268., рис. 1).
К недостаткам указанного известного сетевого выпрямителя с корректором коэффициента мощности (прототипа) относятся узкие функциональные возможности, а именно - неспособность обеспечения обратного направления преобразования электроэнергии (режима инвертора синусоидального тока), а также низкая надежность из-за установки энергоемких электролитических конденсаторов (с низкими термостойкостью, безотказностью и сроком службы).
Основным техническим результатом предложения является расширение функциональных возможностей устройства, а именно - обеспечение обратного направления преобразования электроэнергии в режиме инвертора синусоидального тока.
Дополнительным техническим результатом предложения является повышение надежности устройства за счет исключения энергоемких электролитических конденсаторов.
Указанные технические результаты ОБЕСПЕЧИВАЮТСЯ БЛАГОДАРЯ тому, что в сетевой выпрямитель с корректором коэффициента мощности, содержащий входные выводы и выходные выводы, двухконденсаторную стойку, две дроссельные обмотки, двухключевую электронную стойку, двунаправленный электронный ключ, выпрямительные вентили, блок управления с цепями обратных связей, и с основными импульсно-модуляторными выходными выводами, ВВЕДЕНЫ третий и четвертый электронные ключи и демпфирующий блок, состоящий из управляемой двухвентильной стойки и снабберного конденсатора, выпрямительные вентили ВЫПОЛНЕНЫ управляемыми, блок управления СНАБЖЕН дополнительными импульсно-модуляторными выходными выводами и импульсно-релейными выходными выводами, а дроссельные обмотки ВЫПОЛНЕНЫ с общим магнитопроводом и СОЕДИНЕНЫ между собой последовательно-согласно.
По технической сути указанные результаты обеспечиваются благодаря совмещению функций формирования синусоидальных форм потребляемого при выпрямлении сетевого тока и рекуперируемого в сеть тока при обратном преобразовании (инвертировании) с помощью одних и тех же дроссельных обмоток, электронных ключей и управляемых вентилей с добавлением блока демпфирования со снабберным конденсатором для ограничения коммутационных напряжений и снижения коммутационных потерь в электронных ключах, а также благодаря компенсации снижения энергоемкости емкостной фильтровой стойки с электролитическими конденсаторами за счет повышения суммарной энергоемкости дроссельных обмоток с общим магнитопроводом (так называемого трансреактора).
На чертеже (Фиг.) представлены принципиальная силовая схема предложенного сетевого выпрямителя с корректором коэффициента мощности и схема подключения каналов управления.
Сетевой выпрямитель с корректором коэффициента мощности содержит: входные выводы 1, 2 переменного тока, включая заземленный, и выходные выводы 3, 4, 5 постоянного тока, включая разнополярные и заземленный среднепотенциальный, двухконденсаторную фильтровую стойку 6-7 с заземленным средним выводом, шунтирующую выходные выводы, две дроссельные обмотки 8, 9, двухключевую электронную стойку 10 с первым и вторым ключами и с заземленным средним силовым выводом, двунаправленный электронный ключ 11, первый и второй управляемые выпрямительные вентили 12 и 13 и блок управления 14 с цепями обратных связей 15 и 16, имеющими датчики входных тока и напряжения и выходного напряжения, и с основными импульсно-модуляторными выходными выводами 17. Устройство содержит также третий и четвертый электронные ключи 18 и 19 и демпфирующий блок 20, состоящий из управляемой двухвентильной стойки 21-22 и снабберного конденсатора 23. Блок управления снабжен также дополнительными импульсно-модуляторными выходными выводами 24 и импульсно-релейными выходными выводами 25.
Дроссельные обмотки 8, 9 выполнены с общим магнитопроводом, подключены своими первыми выводами через соответствующие управляемые вентили 12, 13 к разнополярным выходным выводам устройства и непосредственно - к крайним силовым выводам двухвентильной стойки 21-22, подключенной своим средним силовым выводом через снабберный конденсатор 23 к соединенным между собой вторым выводом дроссельных обмоток 8, 9, подключенных также через двунаправленный электронный ключ 11 к незаземленному входному выводу 1 устройства. Первые выводы дроссельных обмоток 8, 9 подключены также к крайним силовым выводам двухключевой электронной стойки 10 и к аналогичным первым силовым выводам третьего и четвертого электронных ключей 18 и 19, соответственно, шунтирующих каждый своими силовыми выводами фильтровую стойку 6-7 вместе с соответствующим выпрямительным вентилем 12 и 13. Своими вторыми разнополярными силовыми выводами третий и четвертый электронные ключи 18 и 19 подключены к разнополярным выходным выводам устройства.
Сетевой выпрямитель с корректором коэффициента мощности работает следующим образом.
К входным выводам 1, 2 подключают источник электропитания переменного тока, например, однофазную сеть с заземленным нейтральным (нулевым) выводом, а к выходным выводам 3, 4, 5 - нагрузку постоянного тока со среднепотенциальным выводом, например, два последовательно между собой соединенных электродвигателя постоянного тока, требующих обеспечения также обратного направления преобразования электроэнергии (от двигателей в питающую сеть) в режиме рекуперативного торможения.
ШИМ
Блок управления 14 формирует на своих выводах 17 и 24 высокочастотные широтно-модулируемые прямоугольные двуполярные импульсы с постоянным периодом T, а на импульсно-релейных выходных выводах 25 - низкочастотные прямоугольные однополярные импульсы, в соответствии с заданным алгоритмом для режима прямого преобразования электроэнергии.
1-2
1,2
1
2
1
2
3-5
1-2
Так как схема устройства обладает осевой (зеркальной) симметрией, то достаточно рассмотреть ее работу только для одного полупериода переменного питающего напряжения U, например, для которого U=V-V>0, где V и V - потенциалы выводов 1 и 2. При этом будем считать, что выполняется условие повышения напряжения: U>U.
И
И
ШИМ
И
ШИМ
ШИМ
И
И
ШИМ
1-2
1-2
При очередном включении верхнего ключа стойки 10 и двунаправленного ключа 11 полное (суммарное) потокосцепление обмоток 8-9 нарастает вместе с током в цепи: 1-11-8-10-2 в течение длительности импульса управления: t=γT, где γ - относительная длительность (коэффициент заполнения) импульса. Затем включается вентиль 12, а ключ 10 выключается (ключ 11 остается включенным), и указанное потокосцепление частично плавно спадает вместе с током в цепи: 8-12-6-5-2-1-11-8, поддерживаемым за счет суммарной э.д.с. самоиндукции обмотки 8 и источника в течение оставшегося от периода T времени: T-t=(1-γ)T. Далее процессы периодически качественно повторяются в течение всего полупериода питающего напряжения U, заряжая фильтровый конденсатор 6 и питая нагрузку. Аналогичные процессы протекают и на втором полупериоде напряжения U, но с участием второй дроссельной обмотки 9 и с зарядкой фильтрового конденсатора 7.
И
В рассмотренном режиме прямого преобразования электроэнергии схема работает в обычном режиме повышающего (бустерного) корректора коэффициента мощности, т.е. с помощью регулирования параметра γ, в зависимости от отклонений сигналов в цепях обратных связей от эталонных сигналов, обеспечивает синусоидальность формы входного тока, а также его синхронность и синфазность с питающим напряжением. При этом коэффициент потребляемой от источника мощности приближается к единице.
В режиме обратного преобразования (т.е. рекуперации электроэнергии) питание схемы осуществляется от выводов 3-4-5, и схема функционирует как инвертор синусоидального тока, формируемого в цепях выводов 1-2 и фильтрового конденсатора 26. При указанном обратном направлении преобразования схема может работать в трех режимах: «понижения напряжения», «повышения напряжения» и в режиме «дозирования энергии» (или иначе: «понижающее-повышающем режиме»). Рассмотрим их поочередно.
3-5
5-4
1-2
1. Режим «понижения напряжения» (U≈U>|U|).
И
И
ШИМ
ШИМ
ШИМ
И
И
ШИМ
ШИМ
При очередном включении ключа 19 потокосцепление обмоток нарастает вместе с током в цепи: 3-19-9-11-26-2-5, в течение времени t=γT. Затем включается нижний ключ стойки 10 (ключ 11 остается включенным), а ключ 19 выключается, и потокосцепление плавно частично спадает вместе с током в цепи: 9-11-26-2-10-9 поддерживаемым за счет э.д.с. самоиндукции обмотки 9, в течение оставшегося от периода T времени: T-t=(1-γ) T. Далее процессы периодически качественно повторяются с периодом T.
3-5
5-4
1-2
2. Режим «повышения напряжения» (U≈U<|U|).
И
И
ШИМ
ШИМ
ШИМ
И
И
ШИМ
ШИМ
При очередном включении ключей 18 и 19 и вентиля 22 блока демпфирования 20 потокосцепление обмоток нарастает вместе с токами в двух цепях: 3-19-9-8-18-4 и 23-22-9-23 (за счет напряжения снабберного конденсатора 23, заряженного на предыдущем временном интервале) в течение длительности импульса t=γT. Затем включаются нижний ключ стойки 10, ключ 11 и вентиль 21 блока демпфирования 20, а ключи 18, 19 выключаются, и потокосцепление плавно частично спадает вместе с токами в двух цепях: 9-11-26-2-10-9 (за счет э.д.с. самоиндукции обмотки 9) и 8-21-23-8 (за счет э.д.с. индуктивности рассеяния обмотки 8), заряжая фильтровый конденсатор 26 и снабберный конденсатор 23 в течение оставшегося от периода T времени: T-t=(1-γ)T. Далее процессы периодически качественно повторяются с периодом T.
3. Режим «дозирования энергии» («понижающее-повышающий»).
И
И
ШИМ
П
П
ШИМ
ШИМ
ШИМ
И
П
И
П
ШИМ
ШИМ
П
При очередном включении ключей 18, 19 и вентиля 22 полное потокосцепление дроссельных обмоток 8-9 нарастает вместе с током в цепи: 3-19-9-8-18-4 в течение длительности импульса: t=γT. При этом в начальной стадии процесса нарастания потокосцепления, пока ток обмотки 8, начинаясь с нуля, не сравняется по величине с уже имеющимся и нарастающим током обмотки 9, разностный ток протекает по цепи зарядки снабберного конденсатора: 9-23-22-9, после чего зарядка конденсатора 23 прекращается, а общий ток обмоток продолжает нарастать. Затем включается вентиль 13 и выключается ключ 19 (ключ 18 остается включенным), и потокосцепление приблизительно сохраняется вместе с током в цепи: 9-8-18-13-9 в течение длительности паузы: Δt=γT. Затем ключ 18 выключается, а включаются нижний ключ стойки 10, ключ 11 и вентиль 21 блока демпфирования 20, и потокосцепление плавно частично спадает вместе с токами в двух цепях: 9-11-26-10-9 (за счет э.д.с. самоиндукции обмотки 9) и 8-21-23-8 (за счет э.д.с. индуктивности рассеяния обмотки 8) в течение оставшегося от периода T времен: T-t-Δt=(1-γ-γ)T. Далее вышеуказанные процессы периодически качественно повторяются с периодом T, дозируя поступающую на выход (в конденсатор 26) энергию путем регулирования параметра γ.
И
П
Этот режим универсален, т.к. пригоден при любом соотношении входного и выходного напряжений и обладает статической устойчивостью системы регулирования параметров выходного синусоидального тока и среднеимпульсного значения полного потокосцепления дроссельных обмоток благодаря дуальному управлению по двум взаимонезависимым параметрам относительных длительностей нарастания потокосцепления (γ) и его приблизительного сохранения (паузы - γ). Кроме того, он позволяет частично
переложить функцию емкостного накопителя энергии (стойки 6-7) на индуктивный (трансреакторный) накопитель (обмотки 8-9), исключив электролитические конденсаторы из состава стойки 6-7.
Следует отметить, что режим «дозирования энергии» функционально заменяет рассмотренные выше режимы «понижения» и «повышения» напряжения; однако проигрывает им по КПД. Поэтому его рекомендуется применять только с целью использования дроссельных обмоток в качестве промежуточного накопителя энергии и демодулятора выходного переменного тока с целью исключения энергоемких электролитических конденсаторов из состава емкостного фильтра 6-7, имеющих низкую надежность (термостойкость, безотказность и срок службы).
Таким образом, предлагаемый сетевой выпрямитель с корректором коэффициента мощности по сравнению с прототипом обеспечивает основной технический результат: расширение функциональных возможностей устройства, а именно - обеспечение обратного направления преобразования электроэнергии в режиме инвертора синусоидального тока, а также дополнительный технический результат: повышение надежности устройства за счет исключения энергоемких электролитических конденсаторов (с низкими термостойкостью, безотказностью и сроком службы).