ОДНОФАЗНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ
SINGLE-PHASE VOLTAGE RECTIFIER

Предложение относится к области электротехники и силовой электроники, в частности, к статическим электрическим преобразователям переменного напряжения в постоянное напряжение и может быть использовано во вторичных источниках электропитания. Отличительной особенностью предложения является функциональная возможность однофазного выпрямителя напряжения позволяющего повышать либо уменьшать напряжение на своем выходе относительно напряжения определяемого неуправляемым однофазным двухполупериодным выпрямителем напряжения.
Известен выпрямитель напряжения (Горелик А.Л., Промышленная электроника. - Москва, Госэнергоиздат, 1958, - 463 с, ил. Однофазная двухтактная схема выпрямления, стр. 176), содержащий четыре диода собранных по схеме однофазного двухполупериодного выпрямителя напряжения. Достоинством такого выпрямителя является простота конструкции, минимум полупроводниковых приборов с естественной коммутацией, а так же высокая степень надежности. Недостатком известного устройства является отсутствие возможности регулирования напряжения на выходе неуправляемого однофазного двухполупериодного выпрямителя напряжения средствами самого выпрямителя напряжения.
Известна схема управляемого выпрямитель напряжения (Герман-Галкин С.Г., Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: Учебное пособие. - СПб.: КОРОНА принт, 2001, - 320 с., ил. Однофазный двухполупериодный выпрямитель напряжения, стр. 128), содержащая четыре тиристора собранных по схеме однофазного двухполупериодного выпрямителя напряжения. Достоинством такого выпрямителя является возможность регулирования напряжения на выходе такого выпрямителя только вниз относительно напряжения определяемого схемой неуправляемого однофазного выпрямителя напряжения. Недостатком известной конструкции является возможность регулирования напряжения звена постоянного тока только вниз относительно напряжения определяемого схемой неуправляемого выпрямителя напряжения, а также искажения формы напряжения питающей сети. К недостаткам известного выпрямителя также можно отнести генерацию выпрямителем в питающую сеть коммутационных помех вызванных работой тиристоров.
Известна схема однофазного повышающего двухполупериодного выпрямителя напряжения (патент KR 20000001444, SINGLE PHASE ACTIVE RECTIFIER FOR power FACTOR CONTROL, автор JONG YONG CHAE, класс H02M 7/155, дата приоритета 11.06.1998, дата выдачи 15.01.2000 г.) содержащая датчик сетевого напряжения, датчик тока, дроссель установленный последовательно с источником переменного напряжения, два диода катодной группы и два диода анодной группы, причем каждому из диодов анодной группы включен антипараллельно транзистор. Диоды соединены в однофазный двухполупериодный полностью управляемый выпрямитель на выход, которого подключен конденсатор фильтра и нагрузка. Достоинством известной схемы является возможность регулирования напряжения на выходе выпрямителя напряжения вверх относительно напряжения определяемого схемой неуправляемого выпрямителя напряжения. К достоинствам известного выпрямителя напряжения следует отнести потребление практически синусоидального тока от источника переменного напряжения, а также высокие регулировочные способности. Недостатком известного устройства является невозможность регулирования напряжения вниз относительно уровня напряжения определяемого неуправляемым однофазным двухполупериодным выпрямителем. К недостаткам также следует отнести наличие габаритного и массивного дросселя установленного на входе и являющегося неотъемлемой частью активного однофазного выпрямителя напряжения.
Наиболее близким по технической сущности является схема однофазного управляемого двухполупериодного выпрямителя напряжения (патент US 20120230075 A1, POWER CONVERSION APPARATUS AND POWER CONVERSION METHOD THEREOF, автор JAE HO LEE, класс H02M 7/155, дата приоритета 06.03.2012, дата выдачи 13.09.2012 г.) содержащая датчик сетевого напряжения, конденсатор фильтра, установленный на стороне переменного тока, два тиристора катодной группы и два диода анодной группы соединенных в однофазный двухполупериодный полууправляемый выпрямитель. На выходе выпрямителя установлены дроссель, транзистор, диод и конденсатор, образующие повышающий выпрямитель постоянного напряжения в постоянное. Достоинством такого однофазного управляемого двухполупериодного выпрямителя напряжения является возможность регулирования выходного напряжения как вверх, так и вниз относительно напряжения определяемого схемой неуправляемого выпрямителя напряжения. К недостаткам известного устройства следует отнести большое количество элементов схемы, большие потери, вызванные тем что в каждый момент времени ток потребляемый от источника переменного напряжения протекает по трем полупроводниковым элементам. К недостаткам известного устройства также следует отнести генерацию в питающую сеть коммутационных помех вызванных работой тиристоров, а также то, что диод повышающего выпрямителя постоянного напряжения в постоянное должен быть рассчитан на коммутацию полного тока нагрузки.
Задачей предлагаемого изобретения является возможность реализации однофазного выпрямителя напряжения позволяющего как повышать, так и уменьшать напряжение на своем выходе относительно напряжения определяемого неуправляемым выпрямителем напряжения. При этом используется значительно меньшее количество полупроводниковых элементов. Повышается К.П.Д. такого выпрямителя за счет сокращения числа полупроводниковых элементов обтекаемых током в каждый момент времени. За счет использования дросселя расположенного на стороне переменного тока улучшается электромагнитная совместимость однофазного выпрямителя напряжения с питающей сетью. Таким образом, отличительной особенностью предложения является простота схемной реализации и высокая надежность при значительном улучшении функциональных возможностей.
Решение поставленной задачи позволит сократить до минимума количество полупроводниковых элементов схемы, повысить КПД однофазного выпрямителя напряжения. Предложенная схема однофазного выпрямителя напряжения позволит сократить тепловыделения в силовых элементах схемы. Предложенная схема выпрямителя напряжения также позволяет повысить надежность, эффективность и улучшить эксплуатационные характеристики.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в однофазном выпрямителе напряжения, состоящим из источника однофазного переменного напряжения, системы управления, датчика сетевого напряжения, дросселя, двух тиристоров и двух диодов, транзистора и конденсатора, причем диоды соединены между собой анодами и образуют минусовой вывод выпрямителя напряжения, к которому подключен минусовой вывод конденсатора, а тиристоры соединены между катодами и образуют плюсовой вывод выпрямителя напряжения, причем анод каждого тиристора соединен с катодом своего диода и образуют выводы переменного тока выпрямителя напряжения, вход датчика сетевого напряжения подключен к выводам источника однофазного напряжения, выход датчика сетевого напряжения и управляющие электроды тиристоров подключены к системе управления предусмотрены следующие отличия: однофазный выпрямитель напряжения содержит дополнительный транзистор, датчик напряжения звена постоянного тока и датчик тока, причем первый вывод источника однофазного переменного напряжения подключен через дроссель к первому выводу переменного тока выпрямителя напряжения, второй вывод источника однофазного переменного напряжения через датчик тока подключен на второй вывод переменного тока выпрямителя напряжения, плюсовой вывод выпрямителя напряжения соединен с плюсовым выводом конденсатора и плюсовым входным выводом датчика напряжения звена постоянного тока минусовой входной вывод которого соединен с минусовым выводом выпрямителя напряжения, каждый из двух транзисторов включен антипараллельно каждому из диодов, а выходы датчика тока и датчика напряжения звена постоянного тока подключены к системе управления.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в однофазном выпрямителе напряжения, состоящим из источника однофазного переменного напряжения, системы управления, датчика сетевого напряжения, дросселя, тиристора и трех диодов, транзистора и конденсатора, причем два диода соединены между собой анодами и образуют минусовой вывод выпрямителя напряжения, к которому подключен минусовой вывод конденсатора, а третий диод и тиристор соединены между катодами и образуют плюсовой вывод выпрямителя напряжения, причем анод третьего диода соединен с катодом первого диода и образуют первый вывод переменного тока выпрямителя напряжения, а анод тиристора соединен с катодом второго диода и образуют второй вывод переменного тока выпрямителя напряжения, вход датчика сетевого напряжения подключен к выводам источника однофазного напряжения, выход датчика сетевого напряжения и управляющий электрод тиристора подключены к системе управления предусмотрены следующие отличия: однофазный выпрямитель напряжения содержит дополнительный транзистор, датчик напряжения звена постоянного тока и датчик тока, причем первый вывод источника однофазного переменного напряжения подключен через дроссель к первому выводу переменного тока выпрямителя напряжения, второй вывод источника однофазного переменного напряжения через датчик тока подключен на второй вывод переменного тока выпрямителя напряжения, плюсовой вывод выпрямителя напряжения соединен с плюсовым выводом конденсатора и плюсовым входным выводом датчика напряжения звена постоянного тока, минусовой входной вывод которого соединен с минусовым выводом выпрямителя напряжения, каждый из двух транзисторов включен антипараллельно первому и второму диодам, а выходы датчика тока и датчика напряжения звена постоянного тока подключены к системе управления.
Сущность изобретения поясняется чертежом.
На Фиг. 1 - представлена схема однофазного выпрямителя напряжения с диапазоном регулирования выходного напряжения от нуля, на Фиг. 2 - представлена схема однофазного выпрямителя напряжения с диапазоном регулирования выходного напряжения от минимального уровня определяемого напряжением неуправляемого однофазного однополупериодного выпрямителя, на Фиг. 3 - представлены модификации схемы однофазного выпрямителя напряжения с диапазоном регулирования выходного напряжения от нуля, на Фиг. 4 - представлены модификации схемы однофазного выпрямителя напряжения с диапазоном регулирования выходного напряжения от минимального уровня, определяемого уровнем напряжения неуправляемого однофазного однополупериодного выпрямителя.
Однофазный выпрямитель напряжения, схема которого представлена на Фиг. 1, содержит источник однофазного переменного напряжения 1, систему управления 2, датчик сетевого напряжения 3, дроссель 4, два тиристора 5, 6, два диода 7, 8, транзистор 9 и конденсатор 10. Диоды 7, 8 соединены между собой анодами и образуют минусовой вывод 11 выпрямителя напряжения, к которому подключен минусовой вывод конденсатора 10. Тиристоры 5, 6 соединены между катодами и образуют плюсовой вывод 12 выпрямителя напряжения. Анод каждого тиристора 5 (6) соединен с катодом своего диода 7 (8) и образуют выводы переменного тока 13, 14 выпрямителя напряжения. Вход датчика сетевого напряжения 3 подключен к выводам 15, 16 источника однофазного напряжения 1. Выход датчика сетевого напряжения 3 и управляющие электроды тиристоров 5, 6 подключены к системе управления 2. Однофазный выпрямитель напряжения содержит дополнительный транзистор 17, датчик напряжения звена постоянного тока 18 и датчик тока 19. Первый вывод 15 источника однофазного переменного напряжения 1 подключен через дроссель 4 к первому выводу переменного тока 13 выпрямителя напряжения. Второй вывод 16 источника однофазного переменного напряжения 1 через датчик тока 19 подключен на второй вывод переменного тока 14 выпрямителя напряжения. Плюсовой вывод 12 выпрямителя напряжения соединен с плюсовым выводом конденсатора 10 и плюсовым входным выводом датчика напряжения звена постоянного тока 18, минусовой входной вывод которого соединен с минусовым выводом 11 выпрямителя напряжения. Каждый из двух транзисторов 9, 17 включен антипараллельно каждому из диодов 7, 8. Выходы датчика тока 19 и датчика напряжения звена постоянного тока 18 подключены к системе управления 2.
Однофазный выпрямитель напряжения, схема которого представлена на Фиг. 2, содержит источник однофазного переменного напряжения 1, систему управления 2, датчик сетевого напряжения 3, дроссель 4, тиристор 6, три диода 7, 8, 20, транзистор 9 и конденсатор 10. Два диода 7, 8 соединены между собой анодами и образуют минусовой вывод 11 выпрямителя напряжения, к которому подключен минусовой вывод конденсатора 10. Третий диод 20 и тиристор 6 соединены между катодами и образуют плюсовой вывод 12 выпрямителя напряжения. Анод третьего диода 20 соединен с катодом первого диода 7 и образуют первый вывод переменного тока 13 выпрямителя напряжения. Анод тиристора 6 соединен с катодом второго диода 8 и образуют второй вывод переменного тока 14 выпрямителя напряжения. Вход датчика сетевого напряжения 3 подключен к выводам источника однофазного напряжения 1. Выход датчика сетевого напряжения 3 и управляющий электрод тиристора 6 подключены к системе управления 2. Однофазный выпрямитель напряжения содержит дополнительный транзистор 17, датчик напряжения звена постоянного тока 18 и датчик тока 19. Первый вывод 15 источника однофазного переменного напряжения 1 подключен через дроссель 4 к первому выводу переменного тока 13 выпрямителя напряжения. Второй вывод 16 источника однофазного переменного напряжения 1 через датчик тока 19 подключен на второй вывод переменного тока 14 выпрямителя напряжения. Плюсовой вывод 12 выпрямителя напряжения соединен с плюсовым выводом конденсатора 10 и плюсовым входным выводом датчика напряжения звена постоянного тока 18 минусовой входной вывод, которого соединен с минусовым выводом 11 выпрямителя напряжения. Каждый из двух транзисторов 9, 17 включен антипараллельно первому 7 и второму 8 диодов. Выходы датчика тока 19 и датчика напряжения звена постоянного тока 18 подключены к системе управления 2.
Работа однофазного выпрямителя напряжения происходит следующим образом.
При наличии напряжения на выводах 15, 16 источника однофазного переменного напряжения 1 однофазного выпрямителя напряжения изображенного на Фиг. 1 при полностью закрытых транзисторах 9, 17 и тиристорах 5, 6 между плюсовым 12 и минусовым 11 выводами выпрямителя напряжения напряжение равно нулю.
Для обеспечения требуемого уровня напряжения на выходе однофазного выпрямителя напряжения находящегося в диапазоне от нуля до уровня напряжения однофазного двухполупериодного неуправляемого выпрямителя должны работать тиристоры 5, 6 и диоды 7, 8. При этом транзисторы 9, 17 полностью закрыты. В таком режиме управление уровнем напряжения в звене постоянного тока будет происходить посредствам управления углом фазового управления тиристорами 5, 6. Информация о переходе напряжения источника однофазного переменного напряжения 1 через ноль поступает с датчика сетевого напряжения 3 подключенного к выводам источника однофазного напряжения 1. При этом однофазны выпрямитель напряжения, изображенный на Фиг. 1 будет работать в режиме полууправляемого тиристорного однофазного выпрямителя напряжения. Сглаживание тока потребляемого от источника однофазного напряжения 1 осуществляется дросселем 4. Конденсатор 10 осуществляет сглаживание пульсации выпрямленного напряжения, выполняя роль фильтра. Датчик напряжения звена постоянного тока 18 передает в систему управления 2 информацию о текущем уровне напряжения на конденсаторе 10 для выполнения регулирования либо стабилизации напряжения в звене постоянного тока по средствам управления тиристорами 5 и 6. Датчик тока 19 осуществляет контроль тока нагрузки и отключит тиристоры 5, 6 в случае возникновения короткого замыкания на выводах 11, 12 однофазного выпрямителя напряжения. В таком режиме работы осуществляется управление всего двумя тиристорами 5, 6 с использованием простого фазового закона управления. Следует отметить еще одно достоинство предложенной схемы нет необходимости обеспечивать плавный заряд конденсатора 10 так как это будет обеспечено автоматически системой управления 2 которая контролируя ток с помощью датчика тока 19 может осуществлять контроль и ограничение зарядного тока конденсатора 10 ограничивая величину угла фазового управления тиристорами 5, 6.
Для обеспечения требуемого уровня напряжения на выходе однофазного выпрямителя напряжения находящегося в диапазоне выше уровня напряжения однофазного двухполупериодного неуправляемого выпрямителя должны быть постоянно включены тиристоры 5, 6 а также должны включаться определенным образом транзисторы 9, 17 и диоды 7, 8. В таком режиме управление уровнем напряжения в звене постоянного тока будет происходить посредствам управления по закону широтно-импульсной модуляции (ШИМ) изменяя скважность работы транзисторов 9, 17. При этом транзисторы 9, 17 работают исключительно в ключевом режиме работы.
L
Более подробно рассмотрим работу однофазного выпрямителя напряжения в этом режиме. Пусть потенциал вывод 15 источника переменного однофазного напряжения 1 более положителен чем потенциал вывода 16 источника переменного однофазного напряжения 1 тогда должен включаться транзистор 9. При этом образуется цепь: вывода 15 источника переменного однофазного напряжения 1, дроссель 4, транзистор 9, диод 8 и вывод 16 источника переменного однофазного напряжения 1. Ток протекающий через дроссель 4 начинает расти. При этом дроссель 4 накапливают энергию , а напряжение на дросселе определяется согласно , где L - индуктивность дросселя, i – ток, протекающий через дроссель. При выключении транзистора 9 энергия, накопленная в дросселе 4 передается через включенный тиристор 5 на заряд конденсатора 10 и на нагрузку, подключенную к плюсовому 12 и минусовому 11 выводам однофазного выпрямителя напряжения и по цепи диод 8 второй вывод 16 источника переменного однофазного напряжения 1 и источник переменного однофазного напряжения 1 и снова на дроссель 4. При этом напряжение на выходе однофазного выпрямителя напряжения определяется уровнем напряжения источника однофазного переменного напряжения 1 и падением напряжения на дросселе 4, , а также коэффициентом схемы самого однофазного выпрямителя напряжения. Изменяя величину скважности (отношения времени включенного состояния транзистора к периоду модуляции) работы транзистора 9 при фиксированной частоте ШИМ можно осуществлять регулирование напряжения на дросселе , а соответственно осуществлять регулирование напряжения между плюсовым 12 и минусовым 11 выводами однофазного выпрямителя напряжения. Дроссель 4 кроме функции накопителя энергии осуществляет сглаживание тока потребляемого однофазным выпрямителем напряжения из сети.
L
Аналогичным образом происходит работа схемы однофазного выпрямителя напряжения когда потенциал вывода 16 источника переменного однофазного напряжения 1 более положителен чем потенциал вывода 15 источника переменного однофазного напряжения 1 только тогда должен включаться транзистор 17. При этом образуется цепь: вывод 16 источника переменного однофазного напряжения 1, транзистор 17, диод 7, дроссель 4 и вывод 15 источника переменного однофазного напряжения 1. Ток протекающий через дроссель 4 начинает расти уже в другом направлении. При этом дроссель 4 накапливают энергию , а напряжение на дросселе определяется согласно , где L - индуктивность дросселя, i – ток, протекающий через дроссель. При выключении транзистора 17 энергия, накопленная в дросселе 4 передается по цепи через вывод 15, источник переменного однофазного напряжения 1, вывод 16, тиристор 6 и на нагрузку, подключенную к плюсовому 12 и минусовому 11 выводам однофазного выпрямителя напряжения и на заряд конденсатора 10 и далее по цепи диод 7 и снова на дроссель 4. При этом напряжение на выходе однофазного выпрямителя напряжения определяется уровнем напряжения источника однофазного переменного напряжения 1 и падением напряжения на дросселе, , а также коэффициентом схемы самого однофазного выпрямителя напряжения. Изменяя величину скважности (отношения времени включенного состояния транзистора к периоду модуляции) работы транзистора 9 при фиксированной частоте ШИМ можно осуществлять регулирование напряжения на дросселе 4 а соответственно осуществлять регулирование напряжения между плюсовым 12 и минусовым 11 выводами однофазного выпрямителя напряжения. Конденсатор 10 осуществляет сглаживание пульсации выпрямленного напряжения, выполняя роль фильтра.
Датчики тока 19 и напряжения звена постоянного тока 18 передают информацию в систему управления 2 которая синтезирует функции управления полностью управляемыми транзисторами 9, 17 и полууправляемыми тиристорами 5, 6 для регулирования либо стабилизации уровня напряжения на выводах 11, 12, однофазного выпрямителя напряжения, подключенных к нагрузке.
Предложенная схема Фиг. 1 позволяет осуществлять регулирование и стабилизацию требуемого уровня напряжения на выходе однофазного выпрямителя напряжения (выводы 11, 12) в диапазоне от нуля и до напряжения выше уровня напряжения неуправляемого двухполупериодного выпрямителя напряжения. Таким образом, предложенная схема отличается простотой, высокими показателями энергетической эффективности и К.П.Д., а так же обладает универсальностью и большими функциональными возможностями.
На Фиг. 2 представлен вариант схемы однофазного выпрямителя напряжения с одним тиристором 6. Такое схемное решение позволит упростить систему управления 2 и уменьшить количество ее каналов управления управляемыми полупроводниковыми ключами, однако позволит осуществлять регулирование напряжения на выводах 11, 12 от уровня напряжения определяемого уровнем однофазного однополупериодного выпрямителя до уровня напряжения выше уровня определяемого неуправляемым однофазным двухполупериодным выпрямителем напряжения. Схема представленная на Фиг. 2 работает аналогично схеме изображенной на Фиг. 1 и не требует дополнительных пояснений.
Предложенные модификации схем (Фиг. 1, Фиг. 2) позволяют регулировать уровень напряжения на нагрузке в широком диапазоне напряжении. Функциональное отличие схем изображенных на Фиг. 1 и Фиг. 2 заключается в глубине регулирования напряжения на нагрузке. Схема изображенная на Фиг. 1, позволяет осуществлять регулирование напряжения от нуля до уровня напряжения выше уровня напряжения определяемого неуправляемым однофазным двухполупериодным выпрямителем. Схема изображенная на Фиг. 2 позволяет осуществлять регулирование напряжения от уровня напряжения определяемого уровнем напряжения неуправляемого однофазного однополупериодного выпрямителя напряжения и выше уровня напряжения неуправляемого однофазного двухполупериодного выпрямителя.
На Фиг. 3 изображены модификации схемы однофазного выпрямителя напряжения позволяющего осуществлять регулирование напряжения от нуля до уровня выше неуправляемого однофазного двухполупериодного выпрямителя. Отличие в схемах однофазных выпрямителей напряжения А, В, С изображенных на Фиг. 3 заключается в различных расположениях транзисторов 9, 17 с диодами 7, 8 соответственно и тиристоров 5, 6 в схеме выпрямительного однофазного двухполупериодного моста.
На Фиг. 4 изображены модификации схемы однофазного выпрямителя напряжения позволяющего осуществлять регулирование напряжения от уровня напряжения, определяемого уровнем напряжения неуправляемого однофазного однополупериодного выпрямителя напряжения и выше уровня напряжения неуправляемого однофазного двухполупериодного выпрямителя. Отличие в схемах однофазных выпрямителей напряжения А, В, С изображенных на Фиг. 4 заключается в различных расположениях транзисторов 9, 17 с диодами 7, 8 соответственно, диода 20 и тиристора 6 в схеме выпрямительного однофазного двухполупериодного моста.
Предложенные варианты схем однофазного выпрямителя напряжения отличаются простой структурой силовой части и содержат минимальное число управляемых полупроводниковых элементов. Достоинством схемы является высокая надежность и высокий КПД за счет снижения количества полупроводниковых элементов работающих в каждый момент времени, а также значительно упрощается системауправления и расширяются функциональные возможности однофазного выпрямителя напряжения. Кроме того, предложенный однофазный выпрямитель напряжения может быть использован в составе двухзвенных преобразователей частоты для питания инверторов напряжения.