ЦЕПЬ И СПОСОБ ВЫПРЯМЛЕНИЯ ДЛЯ НЕСБАЛАНСИРОВАННОЙ ДВУХФАЗНОЙ СЕТИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
CIRCUIT AND RECTIFICATION METHOD FOR UNBALANCED TWO-PHASE DC NETWORK

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к цепи и способу выпрямления для обеспечения интерфейса между сетью питания переменного тока (АС) и сетью постоянного тока (DC), такой как микросеть постоянного тока для освещения, например.
Уровень техники изобретения
Происходит схождение технологий, которые изменят то, как питаются здания. Эти технологии включают продолжающийся быстрый рост источников распределенной генерации (фотогальванических панелей, ветровых турбин, топливных элементов, микротурбин и т.д.), появление высокоэффективных технологий освещения (особенно твердотельного LED освещения), беспроводные системы автоматизации зданий, регулирование на стороне нагрузки за счет изменения потребления энергии в зданиях электроэнергетическими компаниями и т.д.
Расцвет твердотельного освещения, наряду с другими системами, основанными на постоянном токе, включая солнечные энергетические панели и энергию ветра, убедил многих заняться энергетическими сетями на основе постоянного тока, которые устраняют неэффективные преобразования энергии постоянного тока в переменный ток и переменного тока в постоянный ток, которые приводят к потерям энергии. С новыми ветровыми и солнечными установками и выводом электрических транспортных средств на рынок, гибридная объединенная энергетическая сеть переменного и постоянного тока может потреблять до 30% меньше энергии, требовать на 15% меньше капиталовложений и быть на 200% более надежной по сравнению с существующими системами. Применение микросетей постоянного тока исключает преобразования переменного тока в постоянный ток на уровне оборудования, упрощает конструкции и конфигурации оборудования, обеспечивает улучшенным взаимодействием с источниками возобновляемой энергии и экономит энергию. Здания могут быть сделаны более устойчивыми путем внедрения гибридных архитектур на основе переменного и постоянного тока и микросетей постоянного тока в зонах скопления народа, центрах сбора данных, службах зданий и наружных областях применения.
Магистральные сети на основе постоянного тока обычно включают двухфазную сеть постоянного тока с положительным напряжением и отрицательным напряжением, где нейтральный проводник заземлен. Положительное и отрицательное напряжение, предпочтительно, имеют одинаковые абсолютные значения. Нагрузки соединены либо только с положительным напряжением, либо только с отрицательным напряжением, либо как с положительным, так и с отрицательным напряжением.
Проблемой является то, что интерфейс между сетью питания переменного тока и двухфазной магистралью постоянного тока микросети постоянного тока должен выполнять несколько различных функций одновременно. Он должен выпрямлять напряжение, создавать синусоидальный ток в сети переменного тока, обеспечивать нейтральный проводник переменного тока в качестве заземлителя на стороне постоянного тока и обслуживать ассиметричную нагрузку на стороне двухфазной сети постоянного тока, не создавая какой-либо асимметрии на стороне переменного тока. Существующие решения для этих запросов требуют больших усилий, например, многошагового преобразователя.
Первым очевидным решением будет предоставить полный мостовой выпрямитель для симметричной нагрузки на положительном и отрицательном полупериодах, с добавлением повышающего преобразователя, работающего в качестве преобразователя для компенсации коэффициента мощности (ККМ) для создания синусоидального тока, с добавлением преобразователя энергии с двумя изолированными выводами для положительной и отрицательной фаз постоянного тока, чтобы можно было обслуживать несимметричную нагрузку и для соединения земли постоянного тока с нейтралью переменного тока. Это решение требует большого количества компонентов. Следовательно, такая цепь не является преимущественной.
Следующим решением будет применение двух ККМ цепей: первая ККМ для положительного полупериода служит для положительного напряжения постоянного тока, а вторая ККМ для отрицательного полупериода служит для отрицательного напряжения постоянного тока. Эта цепь требует меньшего количества компонентов, обеспечивает синусоидальный переменный ток и сразу соединение нейтрали переменного тока с землей постоянного тока. Тем не менее, асимметричная нагрузка на фазах постоянного тока приводит к асимметрии амплитуды переменного тока на положительном и отрицательном полупериодах. Таким образом, эта цепь не является преимущественной.
US 2010/0201285 A1 описывает компоновку цепи для преобразования входного напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока. Компоновка цепи может включать ввод, в который подводится входное напряжение переменного тока; вывод, к которому может быть присоединена нагрузка; и первую накопительную цепь и вторую накопительную цепь, причем каждая из цепей содержит по меньшей мере одну катушку индуктивности, и каждая из цепей включает по меньшей мере один конденсатор, и диодную сеть. Накопительные цепи из варианта осуществления с Фиг. 7 содержат соответствующие трансформаторы.
Сущность изобретения
Задачей изобретения является предоставление цепи и способа выпрямления для сети постоянного тока, которые требуют малого числа компонентов и предотвращают асимметрию переменных токов.
Эта задача решается с помощью цепи по п. 1 и способа по п. 9 формулы изобретения.
Соответственно, предложенное решение основано на простой цепи, включающей двойной обратноходовой преобразователь с магнитной связью, который может быть реализован с помощью всего нескольких компонентов. Например, только с помощью трансформатора, состоящего из четырех хорошо сцепленных обмоток, двух выключателей, двух диодов меньшей частоты для первичной стороны трансформатора, двух диодов большей частоты и двух конденсаторов для вторичной стороны трансформатора. В соответствии с предложенным решением энергия, по сути, распределяется в соответствии с нагрузкой на двух выводах постоянного тока или фазах. Более того, асимметричная нагрузка на стороне вывода постоянного тока не приводит к асимметрии сетевого тока, получаемого от сети питания переменного тока. Синусоидальный ток сети переменного тока может быть получен без сложного управления.
В соответствии с первым аспектом, первая и вторая первичные обмотки обе соединены с одного конца с нейтралью сети переменного тока, а первая и вторая вторичные обмотки обе соединены с одного конца с заземлением сети постоянного тока. Таким образом, разрядный ток, генерируемый магнитным полем, накапливаемым в сердечнике трансформатора, по сути, распределяется межу выводами постоянного тока на основании их нагрузки.
В соответствии со вторым аспектом, который может быть совмещен с первым аспектом, нейтраль сети переменного тока может быть непосредственно соединена с заземлением сети постоянного тока.
В соответствии с третьим аспектом, который может быть совмещен с первым или вторым аспектами, первая и вторая цепи выпрямителя могут каждая включать только один диод и один конденсатор, так что сложность цепи может поддерживаться низкой.
В соответствии с четвертым аспектом, который может быть совмещен с любым из аспектов с первого по третий, первый и второй однополупериодные выпрямители могут каждый включать только один диод, что также служит поддержанию низкой сложности цепи.
В соответствии с пятым аспектом, который может быть совмещен с любым из аспектов с первого по четвертый, цепь может также включать первый фильтрующий конденсатор, соединенный параллельно с выводом первого однополупериодного выпрямителя, и второй фильтрующий конденсатор, соединенный параллельно с выводом второго однополупериодного выпрямителя. Таким образом, входной фильтр может быть включен в цепь выпрямления.
В соответствии с шестым аспектом, который может быть совмещен с любым из аспектов с первого по пятый, цепь может быть выполнена с возможностью генерации первого и второго напряжений постоянного тока с одинаковыми абсолютными значениями. Таким образом, может быть обеспечена двухфазная сеть постоянного тока с положительным и отрицательным напряжением с одинаковыми абсолютными значениями.
В соответствии с седьмым аспектом, который может быть совмещен с любым из аспектов с первого по шестой, частота переключений первого и второго управляемых выключателей может быть выбрана в интервале от 10 до 100 кГц. Таким образом, можно получить 1000 или даже 10000 циклов переключений за полупериод входного сигнала переменного тока.
Дополнительные преимущественные варианты осуществления определены ниже.
Краткое описание чертежей
Этот и другие аспекты изобретения будут ясны из и пояснены со ссылкой на варианты осуществления, описанные здесь и далее. На чертежах:
Фиг. 1 изображает схематическую функциональную блок-схему цепи выпрямителя в соответствии с первым вариантом осуществления;
Фиг. 2 изображает схему цепи выпрямителя в соответствии со вторым вариантом осуществления;
Фиг. 3 изображает более подробную схему цепи выпрямителя в соответствии с третьим вариантом осуществления;
Фиг. 4 изображает временную диаграмму с формами волн токов и напряжений в цепи выпрямления третьего варианта осуществления с симметричной нагрузкой на выводах постоянного тока; и
Фиг. 5 изображает временную диаграмму с формами волн токов и напряжений в цепи выпрямления третьего варианта осуществления с асимметричной нагрузкой на выводах постоянного тока.
Подробное описание вариантов осуществления
Сейчас будут описаны варианты осуществления на основе двойного обратноходового преобразователя или выпрямителя с магнитной связью для соединения двухфазной магистрали постоянного тока микросети постоянного тока с сетью питания переменного тока. Тем не менее, следует отметить, что данное изобретение может быть применено к любому типу интерфейса между сетью питания переменного тока и сетью постоянного тока.
Фиг. 1 изображает схематическую функциональную блок-схему двойного обратноходового выпрямителя в соответствии с первым вариантом осуществления. Напряжение переменного тока от сети питания переменного тока (изображенной на Фиг. 1 в виде источника напряжения переменного тока) подается на первую и вторую функциональные части или цепи 10, 12 однополупериодного выпрямителя, где верхняя функциональная часть или цепь 10 выпрямителя выполнена с возможностью выдавать только положительные полуволны, которые направляются через первую функциональную часть управляемого переключения или выключатель 20 к первой первичной обмотке или части обмотки трансформатора 30. Нижняя функциональная часть или цепь 12 выпрямителя выполнена с возможностью выдавать только отрицательные полуволны, которые направляются через вторую функциональную часть управляемого переключения или выключатель 22 ко второй первичной обмотке или части обмотки трансформатора 30. С одного из их концов обе первичные обмотки или части обмотки соединены друг с другом и с заземлением сети переменного тока, например, через нейтраль трехфазной системы. Первая и вторая функциональные части управляемого переключения или выключатели 20, 22 выполнены с возможностью непрерывно (например, периодически) включать и выключать подачу соответствующих полуволн на соответствующую первичную обмотку или часть обмотки и оставаться разомкнутыми в процессе подачи соответствующей противоположной полуволны. Время срабатывания переключений (например, частота переключений в случае периодических переключений) может быть выбрано таким образом, чтобы обеспечить несколько циклов включения/выключения за один полупериод, так что полуволновой ток, проходящий через первичные обмотки или части обмоток трансформатора 30 будет прерывистым. В связи с тем, что первичные цепи периодически размыкаются первой и второй функциональными частями переключения или выключателями 20, 22 при подаче полупериодного тока, магнитное поле, генерируемое и накапливаемое в магнитном сердечнике трансформатора 30 может быть выпущено в эти периоды, когда цепи разомкнуты, посредством разрядного тока во вторичных обмотках трансформатора 30. Первая вторичная обмотка или часть обмотки соединена посредством первой функциональной части или цепи 4 0 выпрямителя с первым (например, положительным) выводом постоянного тока, а вторая вторичная обмотка или часть обмотки соединена посредством второй функциональной части или цепи 42 выпрямителя со вторым (например, отрицательным) выводом постоянного тока. Обе вторичные обмотки или части обмотки соединены с одного из их концов друг с другом и с заземлением выводов постоянного тока. Таким образом, разрядный ток, генерируемый во вторичных обмотках в разомкнутых или выключенных режимах функциональных частей переключения или выключателей 20, 22, проходит через первую и вторую функциональные части или цепи 40, 42 выпрямителя, таким образом, что напряжение постоянного тока генерируется на выводах постоянного тока.
Первая и вторая функциональные части полуволнового выпрямления или цепи 10, 12, первая и вторая функциональные части переключения или выключатели 20, 22, и первая и вторая цепи 40, 42 выпрямителя могут быть реализованы посредством любых цепей, которые выполняют описанные функции, и которые могут быть применены в предполагаемом интервале мощности.
11
12
21
22
1
2
1
2
3
4
3
4
1
2
1
2
Фиг. 2 изображает более подробную реализацию цепи двойного обратноходового выпрямителя в соответствии со вторым вариантом осуществления. Здесь требуется всего несколько компонентов цепи. Основная цепь состоит только из одного трансформатора, имеющего четыре хорошо связанные обмотки L, L, L, L, два выключателя S, и S, два диода D и D меньшей частоты, два диода D и Dбольшей частоты и два конденсатора С и С. Как вариант, еще два конденсатора C и С могут быть добавлены для обеспечения дополнительного входного фильтра. В примере с Фиг. 2 генерируются выходные напряжения постоянного тока +380В и -380В, таким образом, генерируются одинаковые абсолютные значения. Конечно же, цепь может быть выполнена с возможностью генерировать выходные напряжения постоянного тока с различными абсолютными значениями путем соответствующей модификации обмоток или других компонентов цепи. Выключатели S и S могут быть реализованы посредством управляемых полупроводниковых выключателей, таких как транзисторы (большой мощности), тиристоры или им подобные. Функциональные части диодов могут быть реализованы посредством полевых транзистором (ПТ) или других транзисторов, таким образом, чтобы получить активные выпрямители.
Для того чтобы оценить и продемонстрировать функции цепи, была проведена симуляция цепи с использованием LT-Spice. Фиг. 3 изображает схему цепи, использованную для симуляции в соответствии с третьим вариантом осуществления. Обозначения компонентов соответствует принципиальной схеме сети с Фиг. 2. Следует отметить, что в симуляции катушки индуктивности L11, L22, L21 и L22 хорошо связаны с коэффициентом связи к=1. Кроме того, добавлена простая управляющая цепь, состоящая из U_swl, S3, R3 и Usw_2, S4, R4. Кроме того, обеспечен входной фильтр, состоящий из L1 и С5. Нагрузка на положительную фазу постоянного тока представлена посредством R1, а нагрузка на отрицательную фазу постоянного тока посредством R2. S1 и S2 представляют собой полупроводниковые выключатели, например, полевые транзисторы (ПТ).
Фиг. 4 изображает временную диаграмму с зависимостью от времени выбранных токов и напряжений в цепи выпрямления с Фиг. 3, когда нагрузка фаз постоянного тока на выводах постоянного тока DC_pos и DC_neg сбалансирована. В данном примере нагрузки R1 и R2 имеют сопротивление 100 Ом каждая.
Фиг. 5 изображает аналогичную временную диаграмму для несбалансированного случая с, например, R1=55 Ом и R2=500 Ом. В целях иллюстрации цепь для симуляции настроена работать только с 10 циклами на полупериод напряжения постоянного тока. В реальном варианте осуществления будет выбрана намного большая частота переключений в интервале 10 или 100 кГц, таким образом, что 1000 или даже 10000 циклов переключений будут осуществляться за один полупериод или цикл. Фиг. 4 и 5 изображают установившийся режим после нескольких циклов в сети.
Далее разъяснена работа цепи с Фиг. 3 на основании форм волн сигналов, изображенных на Фиг. 4 и 5.
Работа отличается для положительного и отрицательного полупериода напряжения сети переменного тока. Это можно определить по формам волн сигналов V(rect_pos) и V(rect_neg) выпрямленных напряжений на С1 и С2 на Фиг. 4 и 5.
В течение положительного полупериода входного напряжения выключатель S1 переключается с частотой переключения и в определенном рабочем цикле. Соответствующий сигнал V(sw1) отображает управляющий сигнал переключателя S1. Если он положительный, выключатель S1 замыкается, если он нулевой, выключатель S1 размыкается. В течение положительного полупериода другой выключатель S2 остается разомкнутым. Если S1 замыкается, увеличивающийся ток проходит через первичную катушку индуктивности или обмотку L11, что отображено соответствующей формой волны I(L11), который заряжает обмотку L11. Если выключатель S1 размыкается, магнитное устройство (т.е. трансформатор) может разрядиться только через вторичные катушки индуктивности или обмотки L21 и L22 через диоды D3 и D4 на вторичной стороне. Формы волн I(L21) и -I(L22) разрядных токов изображены на Фиг. 4 и 5.
В течение отрицательного полупериода входного напряжения выключатель S1 остается разомкнутым. Вместо этого выключатель S2 переключается с частотой переключения и в определенном рабочем цикле. Форма волны V(sw2) управляющего сигнала выключателя S2 изображена на Фиг. 4 и 5. Если он отрицательный, переключатель S2 замыкается, если он нулевой, выключатель S2 размыкается. Выполняемая функция часть аналогична циклу положительного полупериода: если выключатель S2 замыкается, увеличивающийся ток проходит через соответствующую катушку индуктивности или обмотку L11, что отображено соответствующей формой волны -I(L12) на временной диаграмме, который заряжает катушку индуктивности. Если выключатель S2 размыкается, магнитное устройство (т.е. трансформатор) может разрядиться только через вторичные обмотки L21 и L22 через диоды D3 и D4 на вторичной стороне.
Если две фазы постоянного тока нагружены симметрично, разрядный ток равномерно распределен между L21 и L22 (как изображено на Фиг. 4). Если фазы постоянного тока нагружены асимметрично, фаза, которая имеет меньшую потребность в мощности, получает меньшее значение разрядного тока (как изображено на Фиг. 5). Ток, по сути, распределяется таким образом, что выходное напряжение остается постоянным. Временные диаграммы с Фиг 4 и 5 изображают формы волн напряжения положительного вывода постоянного тока V(dc_pos) и напряжение отрицательного вывода постоянного тока V(dc_neg). Обе имеют небольшие колебания в связи с малой частотой переключения. Можно легко увидеть, что выходные напряжения постоянного тока остаются постоянными даже в случае асимметричной нагрузки.
Кроме того, разрядные токи равны для циклов положительного и отрицательного полупериодов напряжения сети переменного тока. Это означает, что энергия, получаемая от сети переменного тока одинакова для циклов положительного и отрицательного полупериодов, даже если нагрузка на стороне постоянного тока асимметрично распределена между двух фаз. Временные диаграммы с Фиг. 4 и 5 изображают входной ток - I(grid), получаемый от сети переменного тока. Можно увидеть, что он симметричен, даже для несбалансированной нагрузки (Фиг. 5). Кроме того, можно увидеть, входной ток, получаемый от сети переменного тока, имеет хорошую синусоидальную форму с постоянным рабочим циклом переключения. Это упрощает управление.
Суммируя, способ выпрямления и цепь, использующие двойной обратноходовой преобразователь с магнитной связью, были описаны. Основная цепь состоит только из одного трансформатора, двух выключателей, двух диодов малой частоты, двух диодов большой частоты и двух конденсаторов, таким образом, что мощность, по сути, распределяется в соответствии с нагрузкой двух фаз постоянного тока, и синусоидальный ток сети может быть получен без сложного управления.
При том, что изобретение было проиллюстрировано и подробно описано на чертежах и в приведенном выше описании, такие иллюстрации и описание следует воспринимать как иллюстрирующие или примерные, а не ограничивающие; изобретение не ограничено раскрытым вариантами осуществления. Другие вариации раскрытого варианта осуществления может быть осознано и реализовано специалистами в данной области техники при использовании заявленного изобретения, из изучения чертежей, раскрытия и приложенной формулы изобретения. В формуле изобретения слово «содержит» не исключает других элементов или этапов, а использование единственного числа не исключает множественности. Сам факт того, что определенные средства указываются во взаимно независимых пунктах формулы изобретения, еще не указывает на то, что сочетание этих средств не может быть применено для получения преимущества. Любые ссылочные знаки в формуле изобретения не должны трактоваться как ограничивающие объем.