Устройство стабилизации трехфазного переменного напряжения

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при производстве, преобразовании и распределении электрической энергии, в частности в стабилизаторах трехфазного переменного напряжения.
Известно устройство для реализации способа управления стабилизатором переменного напряжения по патенту РФ: RU 2074494 C1 от 27.02.1997, МПК Н02М 5/257, G05F 1/26 [1]. Устройство - стабилизатор переменного напряжения [1], содержит трехфазный вольтодобавочный трансформатор, включенный между входными и выходными выводами, управляющим входом подключен к выходу инвертора, вход которого через выпрямитель подключен к входным и выходным выводам. Выпрямитель и инвертор управляются соответственно системой управления выпрямителем и системой управления инвертором, которые также подключены к входным выводам и выходным выводам, измеряемым датчиком напряжения, информационный выход которого на элементе сравнения сравнивается с заданным значением выходного напряжения, а сигнал сравнения управляет системой управления выпрямителем и системой управления инвертором. В данном техническом решении напряжение вольтодобавки, формируемое выпрямителем, инверторами, вольтодобавочным трансформатором, регулируется по двум координатам - амплитуде и фазе. Кроме этого, в области больших отклонений напряжения на входе стабилизатора преобладает амплитудное регулирование, при малых - фазовое, а в промежуточных как амплитудное, так и фазовое.
Недостатками известного аналога [1] является узкий диапазон входного напряжения и увеличенные массогабаритные параметры вольтодобавочного трансформатора в мощных стабилизаторах переменного напряжения, а также невозможность работы при обрыве питающих фаз.
Известен стабилизатор постоянного напряжения по книге: Семенов Б.Ю. «Силовая электроника: от простого к сложному», Москва, СОЛОН-Пресс, 2005 г., стр. 235-242, рис. 10.1 - [2]. Стабилизатор постоянного напряжения содержит линейный дроссель, входом подключенный к плюсу входного напряжения, а выходом - к точке соединения коллектора ключевого транзистора и анода диода, катод которого подключен к плюсовому входу нагрузки, параллельно которой подключена фильтровая емкость, при этом эмиттер ключевого транзистора соединен с минусом входного напряжения, а управляющий вход подключен к выходу схемы управления,
Недостатком известного стабилизатора [2] является стабилизация только постоянного напряжения.
Прототипом заявляемого технического решения является устройство для реализации способа стабилизации трехфазного переменного напряжения по патенту РФ: RU 2551427 C1 от 27.05.2015, МПК Н02М 5/451, B60L 9/08, B60L 9/12 [3]. Устройство, реализующее способ [3] стабилизации трехфазного переменного напряжения, содержит источник переменного напряжения, три фазы которого (А, В, С) подключены к выпрямителю, представляющему собой трехфазный мостовой выпрямитель, датчик напряжения, блока управления, транзисторный ключ, накопительный конденсатор, линейный дроссель, отрицательный выход мостового выпрямителя подключен к отрицательному входу автономного инвертора напряжения, параллельно которому подключен датчик напряжения, информационный выход которого соединен с первым входом блока управления, который управляет автономным инвертором напряжения, и транзисторным ключом, к выходу автономного инвертора напряжения подключен трехфазный синусный фильтр. Блок управления управляет автономным инвертором напряжения по закону синусоидальной векторной широтно-импульсной модуляции. Устройство также содержит элемент сравнения, на второй вход которого подается заданное значение выходного напряжения Uзад, а выход подключен к второму входу блока управления, который управляет автономным инвертором напряжения. В устройство введен линейный дроссель, входом подключенный к плюсовому выходу выпрямителя, а выходом - к точке соединения коллектора транзисторного ключа и анода диода, катод которого подключен к плюсовому входу автономного инвертора напряжения, параллельно которому подключен накопительный конденсатор. Эмиттер транзисторного ключа соединен с минусом выпрямителя, а управляющий вход подключен к одному из выходов блока управления, формирующего импульсы управления по разностному сигналу с элемента сравнения. К выходу автономного инвертора напряжения подключен трехфазный синусный фильтр, состоящий из индуктивностей, включенных последовательно с выходными фазами (U, V, W) и емкостей, включенных между выходами индуктивностей.
Недостатки прототипа [3] следующие:
- устройство сильно искажает входной ток, чем негативно влияет на питающую сеть;
- устройство не может нормально работать при обрыве одной из фаз, так как в данной схеме возникают сложности с увеличением мощности, особенно при обрыве фаз, и оно начинает очень сильно искажать параметры входной сети.
Сущность заявленной полезной модели состоит в том, что устройство стабилизации трехфазного переменного напряжения, содержащее источник переменного напряжения, три фазы которого (А, В, С) подключены к трехфазному мостовому выпрямителю, датчик напряжения, блок управления, транзисторный ключ, накопительный конденсатор, линейный дроссель, отрицательный выход выпрямителя подключен к отрицательному входу автономного инвертора напряжения, параллельно которому подключен датчик напряжения, информационный выход которого соединен с первым входом блока управления, который управляет автономным инвертором напряжения, и транзисторным ключом, к выходу автономного инвертора напряжения подключен трехфазный синусный фильтр. При этом накопительный конденсатор состоит из двух одинаковых накопительных конденсаторов, соединенных последовательно. Три фазы (А, В, С) входного переменного напряжения подключены к выпрямителю соответственно через три линейных дросселя и три датчика тока. К трем входам выпрямителя подсоединены соответственно входы трех транзисторных ключей, выходы которых соединены с совместным соединением (средней точкой) двух накопительных конденсаторов и нулевым проводом. Информационные выходы трех датчиков тока соединены соответственно со вторым, третьим и четвертым входами блока управления. Первые три выхода которого соединены с управляющими входами трех транзисторных ключей, остальные выходы блока управления соединены с управляющими входами инвертора.
Главными отличиями заявленного технического решения от прототипа является то, что
- в нем применена коррекция входного тока в трех фазах при помощи трех транзисторных ключей в отличие от коррекции выпрямленного напряжения (в прототипе) при помощи одного транзисторного ключа;
- вместо одного линейного дросселя в звене постоянного тока применены три линейных дросселя в каждой фазе на входе в выпрямитель;
- вместо одного накопительного конденсатора применены два одинаковых накопительных конденсатора, соединенных последовательно;
- на блок управления поступает сигнал не только от датчика выпрямленного напряжения, но и от трех датчиков входного тока, установленных в каждой из фаз.
Таким образом, предложенное техническое решение устраняет недостатки аналогов и прототипа по искажению входного тока, что негативно влияет на питающую сеть, а также по обеспечению его работы при обрыве одной фаз или двух фаз.
Техническим результатом заявленного технического решения является:
- обеспечение нормального электроснабжения конечного потребителя при пониженном или повышенном напряжении питания источника, перекосах фаз и кратковременной нестабильности питающего напряжения;
- обеспечение работоспособности нагрузки при пропадании одной или двух фаз питающего напряжения;
- обеспечение формы потребляемого тока, близкой к синусоиде;
- выравнивание тока источника электропитания при несимметричной нагрузке.
На фиг. 1 представлена блок-схема устройства стабилизации трехфазного переменного напряжения.
вкл
выкл
На фиг. 2 приведен график (осциллограмма) входного тока одной из фаз устройства, формируемого по среднему значению тока, где t - время включенного состояния транзисторного ключа, a t - время выключенного состояния транзисторного ключа.
1
2
3
4
5
6
Устройство стабилизации трехфазного переменного напряжения содержит источник трехфазного переменного напряжения (1) с нейтральным выводом N. Три фазы входного переменного напряжения источника (1) переменного напряжения (А, В, С) подключены соответственно через три линейных дросселя (2), (3) и (4) и три датчика тока (5), (6) и (7) ко входам неуправляемого трехфазного мостового выпрямителя (8), далее выпрямителя (8). Выпрямитель (8) состоит из диодов V, V, V, V, V и V, включенных по схеме трехфазного моста. Параллельно к трем входам выпрямителя (8) подсоединены входы трех транзисторных ключей (9), (10) и (11), выходы которых соединены с совместным соединением (средней точкой) двух накопительных конденсаторов (12), (13) и нулевым проводом N. Другие выводы накопительных конденсаторов (12), (13) подсоединены соответственно к положительному и отрицательному выходам неуправляемого трехфазного мостового выпрямителя (8), к которым также подключен датчик напряжения (14), информационный выход которого соединен с первым входом блока управления (15), который управляет автономным инвертором напряжения (16), далее инвертором (16) и транзисторными ключами (9), (10) и (11). При этом информационные выходы трех датчиков тока (5), (6) и (7) соединены соответственно со вторым, третьим и четвертым входами блока управления (15). Выходы выпрямителя (8) подсоединены к входам инвертора (16), к выходу которого подключен трехфазный синусный фильтр (17). Первые три выхода блока управления (15) соединены с управляющими входами трех транзисторных ключей (9), (10) и (11), остальные выходы блока управления (15) соединены с управляющими входами инвертора (16).
Устройство стабилизации трехфазного переменного напряжения работает следующим образом.
Напряжение ~U с источника (1) переменного напряжения (А, В, С, N) подают на входы линейных дросселей (2), (3), (4). Напряжение с выходов линейных дросселей (2), (3), (4) через датчики токов (5), (6), (7) подают к входам выпрямителя (8) и параллельно к входам транзисторных ключей (9), (10), (11). Выпрямленное выпрямителем (8) пульсирующее постоянное напряжение подают на вход инвертора (16), а также на последовательно соединенные накопительные конденсаторы (12), (13) и датчик напряжения (14).
Мгновенное значение напряжения на входе в инвертор (16) по информационному выходу датчика напряжения (14) подают на первый вход блока управления (15). Мгновенные значения входных токов в фазах (А, В, С) подают по информационным выходам трех датчиков тока (5), (6), (7) соответственно на второй, третий и четвертый входы блока управления (15).
1
2
3
4
5
6
Блок управления по сигналам с трех датчиков тока (5), (6), (7) и датчика напряжения (14) вычисляет требуемое для поддержания стабильного значения напряжения Uи на входе инвертора (16) мгновенное значение тока каждой фазы (А, В, С), изменяющееся по синусоидальному закону, и согласно вычисленным значениям тока каждой из фаз (А, В, С) формирует импульсы включения/выключения транзисторных ключей (9), (10), (11). При включенном транзисторном ключе соответствующей фазы ток дросселя линейно нарастает, дроссель находится в фазе накопления энергии. При выключенном состоянии транзисторного ключа ток замыкается через соответствующий диод (V, V, V, V, V, V), дроссель отдает накопленную энергию последовательно в нагрузку. Средняя точка накопительных конденсаторов (12), (13) и выходы транзисторных ключей (9), (10), (11) подключены к нейтральному выводу источника (1) переменного напряжения (N).
Из полученного постоянного стабилизированного напряжения Uи автономным инвертором напряжения формируют переменное напряжение по закону синусоидальной векторной широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Блок управления (15) формирует алгоритм управления инвертора (16), который сводится к заданию порядка смены состояний ключевых элементов инвертора (16), длительностей пребывания в каждом из них, частоты ШИМ и частоты выходного напряжения. Процесс формирования напряжения с использованием векторной ШИМ известен и подробно описан в технической литературе, например А.В. Клевцов «Преобразователи частоты для электропривода переменного тока». Тула: «Гриф и К», 2008 г., стр. 47…51 [4].
При формировании выходного напряжения инвертора (16) по закону синусоидальной векторной ШИМ форма выходного напряжения прямоугольно-ступенчатая. Для получения выходного синусоидального напряжения к выходу инвертора (16) подключают синусный фильтр (17). Первую гармонику выходного напряжения инвертора (16), выделенную синусным фильтром (17), подают на выводы конечного потребителя (А1, В1, С1). Нейтральный вывод конечного потребителя N1 подключают к нейтральному выводу источника (1).
Ограничительные признаки формулы полезной модели: «Устройство стабилизации трехфазного переменного напряжения, содержащее источник переменного напряжения, три фазы которого (А, В, С) подключены к трехфазному мостовому выпрямителю, датчик напряжения, блок управления, транзисторный ключ, накопительный конденсатор, линейный дроссель, отрицательный выход выпрямителя подключен к отрицательному входу автономного инвертора напряжения, параллельно которому подключен датчик напряжения информационный выход которого соединен с первым входом блока управления, который управляет автономным инвертором напряжения, и транзисторным ключом, к выходу автономного инвертора напряжения подключен трехфазный синусный фильтр» необходимы для описания конструкции полезной модели, представленной одинаковым признаками (ограничительными) для прототипа и заявляемого технического решения.
Отличительный признак «Накопительный конденсатор состоит из двух одинаковых накопительных конденсаторов, соединенных последовательно» необходим для облегчения работы накопительных конденсаторов и ускорения их работы, что повышает качество сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения.
Отличительные признаки «Три фазы (А, В, С) входного переменного напряжения подключены к выпрямителю соответственно через три линейных дросселя и три датчика тока» позволяют производить накапливание в дросселях мощности, а датчики тока позволяют оптимизировать работу системы управления при нештатной работе одной из фаз.
Отличительный признак «К трем входам выпрямителя подсоединены соответственно входы трех транзисторных ключей, выходы которых соединены со средней точкой соединения двух накопительных конденсаторов и нулевым проводом» позволяют при работе устройства корректировать и оптимизировать значения тока и напряжения в каждой из фаз под управлением блока управления.
Отличительные признаки «Информационные выходы трех датчиков тока соединены соответственно со вторым, третьим и четвертым входами блока управления» и «Первые три выхода которого соединены с управляющими входами трех транзисторных ключей, остальные выходы блока управления соединены с управляющими входами инвертора» определяют схему подключения датчиков напряжения и тока к блоку управления.
В совокупности ограничительные и отличительные признаки формулы полезной модели позволяют достигнуть заявленный новый полезный эффект (технический результат), а именно обеспечение качественного нормального электроснабжение конечного потребителя при пропадании одной или двух фаз питающего напряжения, при помощи формирования формы потребляемого тока, близкой к синусоиде, а также снизить негативное влияние на питающую сеть путем выравнивания тока источника электропитания при несимметричной нагрузке.
Из вышеприведенного следует, что заявленное техническое решение «Устройство стабилизации трехфазного переменного напряжения» обладает всеми критериями полезной модели, так как:
техническое решение в совокупности с ограничительными и отличительными признаками формулы полезной модели является новым для устройств данного класса, и, следовательно, соответствует критерию "новизна",
реализация заявленного устройства не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию "промышленная применимость".
Литература
1. Патент РФ: RU 2074494 C1 от 27.02.1997, МПК Н02М 5/257, G05F 1/26. «Способ управления стабилизатором трехфазного синусоидального напряжения».
2. Книга: Семенов Б.Ю. «Силовая электроника: от простого к сложному». Москва, СОЛОН-Пресс, 2005 г., стр. 235-242, рис. 10.1.
3. Патент РФ: RU 2551427 C1 от 27.05.2015, МПК Н02М 5/451, B60L 9/08, B60L 9/12, «Способ и устройство стабилизации трехфазного переменного напряжения» - прототип.
4. Книга: А.В. Клевцов «Преобразователи частоты для электропривода переменного тока». Тула: «Гриф и К», 2008 г., стр. 47…51.