ВЫПРЯМИТЕЛЬ
RECTIFIER UNIT

Изобретение относится к силовой электронике, а конкретно к выпрямителям трехфазной системы напряжений, и может быть использовано в качестве вторичного источника питания электроприводов, устройств информационной и силовой электроники.
Известен выпрямитель, состоящий из блока силовых вентилей, собранных по трехфазной мостовой схеме, входного и выходного фильтров, датчика выпрямленного напряжения и системы управления, содержащей устройство согласования, в блоке силовых вентилей в качестве ключей используются полностью управляемые вентили (транзисторы), а в систему управления входят генератор пилообразного напряжения, формирователь импульсов управления, циклический регистр сдвига, устройство сравнения фазных напряжений и схема выбора включаемых вентилей (Атрощенко В.А., Крылов А.Л., Суртаев Н.А. Трехфазный управляемый выпрямитель. Патент РФ №2279178, МПК Н02М 7/162, опубл. 2006.06.27, Бюл. №18 - [1]).
Недостатком данного выпрямителя является сложная структура и относительно ненадежная система управления ключами выпрямителя, низкое быстродействие системы управления. Наличие входного и выходного фильтров увеличивает массу и габариты.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является диодный выпрямитель, содержащий трехфазный диодный мост, к полюсам которого присоединены два последовательно включенных конденсатора, замыкающие контакты, включенные в две фазы моста, ограничитель тока, размыкающий контакт, механически связанный с контактами в фазах, и третий независимый замыкающий контакт, включенный в третью фазу моста, а ограничитель тока и размыкающий контакт включены последовательно и присоединены к средней точке конденсаторов. (Джус И.Н. Диодный выпрямитель. Патент РФ №2246169, МПК Н02М 7/10, опубл. 2005.02.10, Бюл. №4 - [2].)
Недостатками такого выпрямителя являются массивные конденсаторы, низкое качество выпрямленного напряжения (высокий уровень пульсаций), отсутствие возможности его регулирования и стабилизации, а также малое значение коэффициента мощности, обусловленное высоким содержанием высших гармоник в спектре токов, потребляемых из питающей сети.
Технический результат, на достижение которого направлено заявленное изобретение, заключается в создании выпрямителя, имеющего синусоидальные входные токи с единичным коэффициентом мощности, регулируемое стабилизированное выходное напряжение при высоких массогабаритных показателях.
Технический результат достигается тем, что в выпрямитель, имеющий шесть диодов и два конденсатора, катоды первого-третьего диодов подключены к первому зажиму первого конденсатора, а аноды четвертого-шестого диодов подключены к первому зажиму второго конденсатора и к минусовому зажиму, вторые зажимы конденсаторов соединены между собой, аноды первого-третьего диодов и катоды четвертого-шестого диодов образуют средние точки первого-третьего плеч соответственно, согласно изобретению введены первый-третий дроссели, первый-третий реверсивные ключи, управляющее устройство, первый-четвертый датчики напряжения и первый-четвертый датчики тока, первый-третий входные зажимы соединены со средними точками первого-третьего плеч через первый-третий дроссели и через первый-третий датчики тока соответственно, первый зажим первого конденсатора соединен с плюсовым зажимом через четвертый датчик тока, вторые зажимы конденсаторов подключены к общему проводу, первый-третий реверсивные ключи подключены между средними точками первого-третьего плеч соответственно и общим проводом, первый-третий датчики напряжения подключены между первым-третьим зажимами соответственно и общим проводом, четвертый датчик напряжения подключен к первым зажимам конденсаторов, выходы датчиков напряжения и датчиков тока соединены с первым-восьмым входами управляющего устройства, девятый вход которого является управляющим входом выпрямителя, а первый-третий выходы соединены с управляющими входами первого-третьего ключей.
Сущность заявленного изобретения поясняется на Фиг. 1-4, где
Фиг. 1 - схема выпрямителя;
Фиг. 2 - входные напряжения и токи;
Фиг. 3 - фазные мощности и мощности, поступающие на первый-второй конденсаторы;
Фиг. 4 - напряжения на конденсаторах и выходное напряжение выпрямителя.
На Фиг. 1 выпрямитель содержит диоды 1-6, конденсаторы 7, 8, дроссели 9-11, реверсивные ключи 12-14, управляющее устройство 15, датчики напряжения 16-19, датчики тока 20-23, входные зажимы А, В, С.
Диоды 1-6 соединены в мостовую схему Ларионова. Катоды диодов 1-3 подключены к первому зажиму конденсатора 7 и к плюсовому зажиму через датчик тока 23, а аноды диодов 4-6 подключены к первому зажиму конденсатора 8 и к минусовому зажиму. Вторые зажимы конденсаторов 7, 8 подключены к общему проводу. Аноды диодов 1-3 и катоды диодов 4-6 образуют средние точки первого-третьего плеч соответственно.
Входные зажимы А, В, С соединены со средними точками первого-третьего плеч через дроссели 9-11 и датчики тока 20-22 соответственно. Датчики напряжения 16-18 подключены между зажимами А, В, С соответственно и общим проводом. Датчик напряжения 19 подключен к первым зажимам конденсаторов 7, 8. Реверсивные ключи 12-14 подключены между средними точками первого-третьего плеч соответственно и общим проводом.
Выходы датчиков напряжения 16-19 и датчиков тока 20-23 соединены с первым-восьмым входами управляющего устройства 15 (эти соединения на фиг. 1 не показаны), девятый вход которого является управляющим входом выпрямителя, а первый-третий выходы соединены с управляющими входами ключей 12-14 соответственно.
Выпрямитель работает следующим образом. На входные зажимы А, В, С подается трехфазная система напряжений
;
;
.
A
B
C
Датчики напряжения 16-18 вырабатывают соответствующие сигналы. Датчики тока 20-22 вырабатывают сигналы, пропорциональные токам i, i, i, потребляемым от сети. Датчик напряжения 19 и датчик тока 23 вырабатывают сигналы, пропорциональные напряжению и току на выходе выпрямителя.
0
Эти сигналы поступают на управляющее устройство 15. Оно сравнивает задающее воздействие U с действительным напряжением на выходе выпрямителя и вырабатывает внутренний сигнал , который умножается на текущие значения напряжений , , . Формируются требуемые мгновенные значения токов:
; ; .
A
B
C
Далее эти значения сравниваются с истинными значениями фазных токов i(t), i(t), i(t), которые поступают от датчиков тока 20-22, и вырабатываются широтно-модулированные импульсы, поступающие на управляющие входы ключей 12-14 соответственно.
A
B
C
В результате токи i(t), i(t), i(t) изменяются по законам, близким к
синусоидальным и совпадающим по фазе с соответствующими напряжениями. Снижается мощность потерь в сети переменного тока и улучшается качество электроэнергии, т.е. снижаются несинусоидальные искажения напряжений.
Малые пульсации токов обеспечиваются сравнительно высокой частотой ШИМ и наличием дросселей 9-11.
Отметим, что предлагаемый выпрямитель выполняет сразу четыре функции: выпрямителя, активного фильтра низкой частоты для входных токов, стабилизатора и регулятора выходного напряжения. Реверсивный ключ может быть реализован с помощью двух IGBT-транзисторов, включенных параллельно и встречно, с добавлением двух диодов.
Сигнал  вырабатывается из условия поддержания выходного
0
напряжения, равного задающему воздействию U, например, по закону пропорционально-интегрального регулятора:
.
Здесь  - погрешность регулирования напряжения.
Требуемая амплитуда входных токов при отсутствии погрешности по напряжению может быть получена из условия баланса мощностей:
,
в
где η - коэффициент полезного действия выпрямителя; I - постоянный ток, потребляемый от выпрямителя. Отсюда следует:
.
Эта величина может быть использована для комбинированного управления - по отклонению и по возмущению.
На фиг. 2 показаны графики фазных напряжений и токов. Токи синусоидальны и совпадают по фазе с напряжениями, т.е. коэффициент мощности равен единице.
A
B
C
A
B
C
1
2
На фиг. 3 показаны графики мощностей, поступающих из сети по фазам А-С. Эти мощности в любой момент времени положительные. Однако при положительном напряжении фазы соответствующая мощность поступает на конденсатор 7, а при отрицательном напряжении - на конденсатор 8. Поэтому на фиг. 3 показаны графики мощностей p, p, p и -p, -p, -p в зависимости от знаков напряжений , , , а также суммы p(t), p(t) положительных и отрицательных мощностей.
1
2
Напряжения ,  на конденсаторах 7, 8 получаются делением суммарных мощностей p(t), p(t) на постоянный ток нагрузки I. Графики этих напряжений и их разность показаны на фиг. 4. Видно, что напряжения ,  содержат большие синусоидальные пульсации, имеющие тройную частоту и совпадающие по фазе, а их разность постоянна. Поэтому емкости конденсаторов 7, 8 могут быть малыми, связанными с частотой ПШМ (десятки кГц).
Таким образом, путем введения трех дросселей, трех реверсивных ключей, управляющего устройства, четырех датчиков напряжения и четырех датчиков тока получен выпрямитель, имеющий практически синусоидальные входные токи, совпадающие по фазе с напряжениями, малые пульсации постоянного выходного напряжения с возможностью его регулирования и стабилизации, имеющий высокие массогабаритные показатели.