СТАТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
STATIC TRANSDUCER

Назначение
Изобретение относится к области электротехники и более конкретно к статическим преобразователям с двойным преобразованием энергии для бесперебойного питания потребителей трехфазного переменного тока.
Уровень техники
В настоящее время известно использование различных систем с двойным преобразованием энергии для бесперебойного питания ответственных потребителей переменного тока:
• в системах электроснабжения, когда генерирование электрической энергии осуществляется генератором, ротор которого приводится в движение от энергии ветра, для обеспечения питания потребителей электроэнергии и заряда вторичных источников питания - накопителей электрической энергии аккумуляторных батарей, предназначенных для питания потребителей электроэнергии при ограниченной скорости ветра или его отсутствии (см. патенты, РФ, №2346182, №40769);
• в системах электроснабжения, когда солнечная энергия, преобразуется в электрическую энергию фотоэлектрическими преобразователями (солнечными батареями) для обеспечения питания потребителей электроэнергии и заряда вторичных источников питания - накопителей электрической энергии аккумуляторных батарей (АБ), предназначенных для питания потребителей электроэнергии при ограниченной или полностью отсутствии солнечной энергии (см. патент, РФ, №2689401);
• на железнодорожном транспорте в виде генерирования электрической энергии подвагонным генератором подвижного состава с приводом вращения его ротора от оси колесной пары подвижного вагона для обеспечения питания потребителей электроэнергии и заряда вторичных источников питания - накопителей электрической энергии аккумуляторных батарей (см. патент, РФ, №2334348);
• в системах, использующих, например, парогенераторы, гидрогенераторы и т.д., то есть там, где генерирование электрической энергии осуществляется генератором, ротор которого приводится в движение от формирователя кинетической энергии вращения.
Таким образом, статический преобразователь в приведенных выше системах должен обеспечиваться электроэнергией как минимум от двух независимых источников - основного (переменного напряжения) и резервного, при этом, в качестве резервного источника является аккумуляторная батарея. Одним из выдвигаемых требований к статическим преобразователям при питании ответственных потребителей трехфазного переменного тока от двух независимых источников, в виде переменного источника напряжения и аккумуляторной батареи, является наличие гальванической развязки между силовыми цепями сетей переменного и постоянного тока.
Варианты схемотехнических решений силовых узлов современных трехфазных статических преобразователей средней и большой мощности, работающих по схеме источника бесперебойного питания, достаточно полно изложены в статье Климов В.П., Москалев А.Д. Трехфазные «ИБП: схемотехника и технические характеристики». Электронные компоненты, №6, 2005 г.
Согласно указанному обзору наиболее распространены источники бесперебойного питания с двойным преобразованием энергии, обеспечивающие переход с сетевого режима на автономный без перерыва питания, обеспечивая необходимую форму и симметрию трехфазного выходного напряжения. При этом обеспечиваются высокая точность стабилизации выходного напряжения в сетевом и автономном режимах, в том числе при переключениях с сетевого режима на автономный и наоборот. В современных импульсных преобразователях широкое применение нашли высоковольтные быстродействующие силовые биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), работающие в ключевом режиме, позволяющем обеспечить большие мощности и высокий КПД преобразователя, которые управляются широтно-импульсным сигналом (ШИМ) от микроконтроллера (см., например, "Транзисторы IGBT" на сайте: https://drives.ru/stati/modul-igbt/; патент, РФ: №2513547, №2481691).
Известен статический преобразователь (см. патент, №2481691), обеспечивающий бесперебойное питание ответственных потребителей трехфазного переменного тока, питающий от основной сети переменного тока и резервной сети постоянного тока. Недостатком данного статического преобразователя является то, что он не обеспечивает стабильное (без провалов) питание потребителей переменного тока при кратковременном пропадании или снижении напряжения от первичного источника переменного напряжения, а также при кратковременном пропадании напряжения при переключении первичных источников - источника переменного напряжения на аккумуляторную батарею и наоборот.
Известен статический преобразователь (см. патент, РФ, №2540966), который является наиболее близким к предлагаемому изобретению и взятый авторами за прототип.
Данный статический преобразователь прототипа для питания ответственных потребителей трехфазного переменного тока, включает в себя клеммы входного трехфазного переменного тока и клеммы входного постоянного тока (положительную и отрицательную), а также контакторы, основной выпрямитель, подключенный по входу (через фазные дроссели и один из контакторов) к клеммам входного трехфазного переменного тока, фильтрующий конденсатор и инвертор, подключенные параллельно выходу выпрямителя, при этом положительная клемма входного постоянного тока через другой контактор и разделительные диоды подключена к точкам соединения каждого фазного дросселя с первым контактором, а отрицательная клемма постоянного тока через второй контактор подключена к общей минусовой точке выпрямителя, содержащего транзисторные чопперы, обеспечивающие регулирование величины напряжения, причем цепь, соединяющая клеммы постоянного тока и выпрямитель, включает также группу гальванической развязки, состоящую из высокочастотного инвертора, трансформатора и дополнительного выпрямителя, при этом, группа гальванической развязки подключена непосредственно к источнику постоянного тока, а по выходу - к выходным клеммам основного выпрямителя и включается только на короткое время, определяемое временем переключения силовых контакторов питающих цепей.
Существенные неточности в электрической схеме, представленной на чертеже прототипа:
• выходом статического преобразователя для подключения потребителей переменного тока является выход основного выпрямителя с постоянным напряжением, подключенным к входу основного инвертора (потребители переменного тока следует подключать к выходу основного инвертора, т.к. по определению инвертор должен иметь вход с постоянным напряжением, а выход - с переменным);
• нерегулируемый выпрямитель с выходным постоянным напряжением напрямую подключен к выходу основного выпрямителя с постоянным напряжением, т.е. два источника постоянного напряжения соединяются параллельно, что недопустимо в связи с тем, что происходит выравнивание напряжений данных двух источников с формированием тока, ограничиваемого лишь внутренним сопротивлением источника напряжения.
Недостатком прототипа является то, что в бустерной схеме присутствуют три дросселя, что снижает эффективность использования прототипа в широком диапазоне формируемых мощностей статического преобразователя, т.к. величина максимальной мощности статических преобразователей с высокой мощностью ограничивается максимальными токами трех дросселей бустерной схемы, а для преобразователей невысокой мощности, в которых достаточно, например, одного или двух дросселей, устройство бустерной схемы является избыточным, приводящей к увеличению массы и габаритов и снижению надежности статического преобразователя. Поясним это.
Согласно теории электрических цепей (см., например, Матвиенко В.А. Основы теории цепей. Учебное пособие. Екатеринбург, 2016. С. 32, 35):
L
L
• соотношение между изменением тока (I) в дросселе и напряжением (U) на нем в течение времени t определяется следующим выражением:
где L - индуктивность дросселя;
c
с
• соотношение между изменением напряжения (U) на конденсаторе и током (I) заряда (разряда) в течение времени t определяется следующим выражением:
где С - емкость конденсатора.
б
Из выражений (1, 2) видно, что дроссель является "источником тока" при заряде конденсатора, являющегося "источником напряжения" для нагрузки бустерной схемы с мощностью Р:
н
где I - ток нагрузки бустерной схемы.
Цикл работы бустерной схемы состоит из двух фаз: фазы заряда дросселя и фазы его разряда на нагрузку (заряд конденсатора).
н
Ток в фазе заряда дросселя, зависящий от величины индуктивности L дросселя, нарастает по линейному закону и обеспечивает за счет накопленной энергии в индуктивности L требуемый ток нагрузки I. При этом, максимальное значение индуктивности дросселя ограничивается обеспечением в нагрузке требуемой мощности, минимальное - отсутствием насыщения сердечника дросселя (см., например, "Определение параметров бустерной схемы". На сайте: https://studbooks.net/805845/tehnika/opredelenie_parametrov_busternoy_shemy).
Кроме того, прототип имеет следующие существенные недостатки функционирования:
• на вход основного выпрямитель подается постоянное напряжение непосредственно клемм аккумуляторной батареи, которое изменяется в широких пределах (от 320 В до 175 В), в том числе, изменяемого относительно входного переменного 380 В. Это снижает эффективность работы основного преобразователя, так как, если для формирования выходного напряжения на конденсаторе при входном переменном напряжении основного выпрямителя используются в нем выпрямительные диоды, практически не влияющие на амплитуду выходного напряжения, то при постоянном напряжении на входе основного преобразователя используется бустерная схема для увеличения входного напряжения на выходе (следует отметить существенную неточность в прототипе, в котором указывается как чопперная схема, поскольку у чопперов выходное напряжение на выходе всегда ниже входного) путем управления IGBT-транзисторов ШИМ сигналом от микроконтроллера (см., например, "Импульсные и бестрансформаторные сетевые источники питания." На сайте: https://ozlib.com/1038388/).
При широком диапазоне изменения входного постоянного напряжения снижается эффективность работы бустерной схемы (основного преобразователя) из-за повышения пульсаций и ухудшения стабилизации выходного напряжения, а также отрицательно сказывается на массогабаритные показатели при выборе фазных дросселей и конденсатора бустерной схемы:
• не обеспечивает достаточную стабилизацию выходного напряжения при сбоях в работе источника переменного напряжения, например, при наличии определенных провалов выходных напряжений;
• подача постоянного напряжения с выхода дополнительного выпрямителя непосредственно на выход основного выпрямителя отрицательно сказывается на процесс формирования выходного сигнала основного выпрямителя;
Данные недостатки приводят к ограничению функциональных возможностей статического преобразователя при невысокой эффективности его работы.
Целью предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей статического преобразователя при достижении высокой эффективности его работы.
Раскрытие изобретения
Сущность предлагаемого статического преобразователя заключается:
- в использовании n дросселей (n≥1), позволяющих исключить избыточность дросселей для статических преобразователей невысокой мощности и обеспечить формирование на выходе бустерной схемы постоянного напряжения в широком диапазоне мощностей;
- в повышении эффективности работы путем подключения через диод постоянного опорного напряжения на выход бустерной схемы, которое всегда присутствует и не влияет на ее работу, но позволяет обеспечить на выходе стабильное напряжение в заданных пределах при сбоях в работе источника переменного напряжения и появления на его выходах "провалов" в значениях напряжений, а также обеспечить на выходе бустерной схемы стабильное напряжение в заданных пределах при переключении контактов на замыкание и размыкание в контакторах гальванической развязки между силовыми цепями источника переменного напряжения и силовыми цепями источника постоянного тока в виде аккумуляторной батареи.
Кроме того, преобразованием и стабилизацией напряжения с выхода аккумуляторной батареи, в соответствующих величинах относительно значения выпрямленного выходного напряжения источника переменного напряжения, позволяет обеспечить оптимальные условия для работы бустерной схемы и получить на ее выходе постоянное напряжение с высокой стабильностью (соответственно для потребителей переменного тока).
Статический преобразователь включает в себя источник питания трехфазного переменного напряжения и аккумуляторную батарею, первый и второй контакторы, блок дросселей, блок диодов, трехфазный выпрямитель, бустерную схему с конденсатором на выходе, подключенным к входу трехфазного инвертора, потребители переменного тока, а также последовательно соединенные с аккумуляторной батареей преобразователь постоянного напряжения, содержащий последовательно соединенные однофазный инвертор, являющийся входом преобразователя постоянного напряжения, трансформатор и выпрямитель, являющийся выходом преобразователя постоянного напряжения.
Введение в преобразователь постоянного напряжения m параллельно соединенных дискретных преобразователей постоянного напряжения, в блок дросселей n (n≥1) дросселей и в блок диодов п диодов, а также дополнительно датчика напряжения, диода опорного напряжения и системы управления для переключения первого и второго контакторов, а также соответствующим образом сопряжения источника переменного напряжения с аккумуляторной батарей в бустерной схеме и формирования управляющих ШИМ сигналов для бустерной схемы, однофазного и трехфазного инверторов, позволяет расширить функциональные возможности статического преобразователя при достижении высокой эффективности его работы.
Введением в блок дросселей n дросселей и в блок диодов n диодов (n≥1) исключается избыточность дросселей для статических преобразователей невысокой мощности и обеспечивается формирование на выходе бустерной схемы постоянного напряжения в широком диапазоне мощностей, что обеспечивает получение широкого диапазона мощностей переменного трехфазного напряжения для потребителей переменного тока.
Введением преобразователя постоянного напряжения, содержащего m параллельно соединенных дискретных преобразователей постоянного напряжения (m≥1) позволяет обеспечить требуемую мощность в расширенном диапазоне формируемых мощностей.
Подключением к входу трехфазного инвертора через диод в обратном направлении преобразователя постоянного напряжения, на выходе которого присутствует опорное постоянное напряжение, обеспечивается исключение на выходе статического преобразователя “провалов” при наличии провалов на выходе источника переменного напряжения, а также при запаздывании появления напряжения на входе бустерной схемы с учетом времени срабатывания системы управления, контакторов на размыкание/замыкание контактов и времени формирования бустерной схемой выходных напряжений.
Напряжение с выхода аккумуляторной батареи преобразуется и стабилизируется преобразователем постоянного напряжения в соответствующее значение относительно выпрямленного значения выходного напряжения источника переменного напряжения, которое поступая на вход бустерной схемы, обеспечивает на ее выходе повышение стабильности формируемого постоянного напряжения.
Графические иллюстрации
На фигуре 1 приведена структурная схема статического преобразователя, содержащая составляющие с обозначенными цифрами позициями:
1 - ИПН (источник переменного напряжения);
2 - первый контактор;
3 - трехфазный выпрямитель;
4 - блок дросселей;
4-1, 4-2, …4-n - дроссели, соответственно первый, второй и n-й;
5 - блок диодов;
5-1, 5-2, …5-n - диоды, соответственно первый, второй и n-й;
6 - диод бустерной схемы;
7 - транзистор;
8 - конденсатор;
9 - бустерная схема;
1
10 - И (трехфазный инвертор);
11 - потребители переменного тока;
12 - АБ (аккумуляторная батарея);
2
13 - И (однофазный инвертор);
14 - трансформатор;
15 - выпрямитель;
16 - второй контактор;
17 - диод опорного напряжения;
18 - система управления (СУ);
19 - ДН (датчик напряжения);
20 - преобразователь постоянного напряжения;
20-1, 20-2, …20-m - дискретные преобразователи постоянного напряжения, соответственно первый, второй и m-й.
Статический преобразователь включает в себя источник питания трехфазного переменного напряжения 1 и аккумуляторную батарею 12, первый 2 и второй 16 контакторы, блок дросселей 4, блок диодов 5, трехфазный выпрямитель 3, бустерную схему 9 с конденсатором 8 на выходе, подключенным к входу трехфазного инвертора 10, а также последовательно соединенные с аккумуляторной батареей 12 преобразователь постоянного напряжения 20, содержащий последовательно соединенные однофазный инвертор 13, являющийся входом преобразователя постоянного напряжения 20, трансформатор 14 и выпрямитель 15, являющийся выходом преобразователя постоянного напряжения 20.
Выходы источника питания трехфазного переменного напряжения 1 соединены с первыми выводами первого контактора 2, катоды диодов блока диодов 5 соединены с входными выводами дросселей блока дросселей 4.
В устройство дополнительно введены датчик напряжения 19, диод опорного напряжения 17 и система управления 18. При этом преобразователь постоянного напряжения 20 состоит из m параллельно соединенных дискретных преобразователей постоянного напряжения 20-1, 20-2, …20-m (m≥1), блок дросселей 4 состоит из n дросселей 4-1, 4-2, …4-n и блок диодов 5 состоит из n диодов 5-1, 5-2, …5-n (n≥1); катоды n диодов 5-1, 5-2, …5-n блока диодов 5 соединены соответственно с n входами дросселей 4-1, 4-2, …4-n блока дросселей 4, n выходов которых соединены с одним выводом ключа на транзисторе 7 и через диод бустерной схемы 6 - с входом трехфазного инвертора 10; вход датчика напряжения 19 соединен с источником переменного напряжения, а выход - с системой управления 18, вторые выводы первого контактора 2 соединены с входами трехфазного выпрямителя 3, выходная положительная шина которого соединена с входом первого дросселя 4-1, а отрицательная - с отрицательной шиной бустерной схемы 9, вторым выводом ключа на транзисторе 7 и с выходной отрицательной шиной преобразователя постоянного напряжения 20, положительная выходная шина которого через контакты второго контактора 16 соединена с анодами n диодов 5-1, 5-2, …5-n блока диодов 5 и анодом диода опорного напряжения 17, катод которого соединен с входом трехфазного инвертора 10, выходами соединенного с потребителями переменного тока 11; система управления 18 соединена с цепями управления первого 2 и второго 16 контакторов, а также управляющими входами для ШИМ сигналов бустерной схемы 9, однофазного 13 и трехфазного инверторов 10.
Описание работы статического преобразователя
Предлагаемый статический преобразователь обеспечивает бесперебойное питание потребителей переменного тока 11 от двух первичных источников электропитания:
• от источника переменного напряжения ИПН 1 (основной источник);
• от аккумуляторной батареи АБ 12 - источника постоянного напряжения (используется при отсутствии напряжения на выходе ИПН 1).
При описании предлагаемого устройства, в качестве примера, будем рассматривать значения напряжений первичных источников, например, как в прототипе:
• источник переменного напряжения ИПН 1 - трехфазный с переменным напряжением 380 В;
• изменение постоянного напряжения аккумуляторной батареи АБ 12 от разряженного до заряженного состояния находится в пределах от 175 до 320 В.
1
2
В основном режиме работы питание потребителей переменного тока 11 осуществляется от источника переменного напряжения ИПН 1. Кроме того, в данном режиме обеспечивается заряд аккумуляторной батареи АБ 12 (зарядное устройство на фиг. 1 не показано). При этом по сигналу с датчика напряжения ДН 19 (напряжение присутствует), который является индикатором присутствия или отсутствия напряжения на выходе ИПН 1, система управления СУ 18 подает в цепь управления первого 2 и второго 16 контакторов (см., например, "Электромагнитные контакторы". На сайте: http://electricalschool.info/spravochnik/apparaty/9-jelektromagnitnye-kontaktory.html) сигналы, по которым контакты К первого контактора 2 замыкаются, а контакты К второго контактора 16 размыкаются, поэтому постоянное напряжение с выхода аккумуляторной батареи АБ 12 на дроссели 4-1, 4-2, …4-n блока дросселей 4 не поступает. В качестве датчика напряжения ДН 19 можно использовать, например, автономные модули, промышленно выпускаемые заявителем данного изобретения - АО "НИИЭМ", которые в процессе измерений обеспечивают гальваническую развязку входных и выходных цепей (см. "Преобразователи измерительные напряжения (датчики напряжения)". На сайте: http://niiem.ru:8080/deyat/detectors).
1
Первый 2 и второй 16 контакторы используются для гальванической развязки между силовыми цепями источника переменного напряжения ИПН 1 и силовыми цепями источника постоянного тока в виде аккумуляторной батареи АБ 12. Переменное трехфазное напряжение с выхода источника напряжения ИПН 1 через замкнутые контакты первого контактора 2 подается на вход трехфазного выпрямителя 3, на выходе которого формируется выпрямленное напряжение, которое сглаживается LC фильтром в виде первого дросселя 4-1 и конденсатора 8 (при этом, транзистор 7 закрыт по сигналу системы управления 18, а диод бустерной схемы 6 находится в открытом состоянии) и в виде постоянного напряжения поступает на вход трехфазного инвертора И 10, который формирует выходное переменное трехфазное переменное напряжение, которое поступает к потребителям переменного тока 11.
В качестве трехфазного выпрямителя 3 можно использовать, например, "Трехфазный мостовой выпрямитель", приведенный на сайте: https://studref.com/601497/tehnika/trehfaznyy_mostovoy_vypryamitel).
1
В качестве трехфазного инвертора И 10 можно использовать, например, "Трехфазные инверторы напряжения", приведенные на сайте: https://ozlib.com/849786/tehnika/trehfaznye_invertory_napryazheniya).
1
bx.инв.
Величина постоянного напряжения на входе трехфазного инвертора И 10 (U), соответствующее напряжению на выходе трехфазного выпрямителя 3 (малым падением напряжения на диоде бустерной схемы 6 пренебрегаем), определяется выражением (см., например, "Трехфазный мостовой выпрямитель". На сайте: https://studref.com/601497/tehnika/trehfaznyy_mostovoy_vypryamitel):
л
При напряжении И=380 В получаем:
вх.инв.
U=537,3 В.
оп
1
вх.инв.
При этом, диод опорного напряжения 17 находится в закрытом состоянии, т.к. на выходе преобразователя постоянного напряжения 20 постоянно присутствует опорное напряжение U, которое выбирается в допустимом рабочем диапазоне входного постоянного напряжения И 10 (U), но по величине ниже заданного напряжения в допустимом рабочем диапазоне, т.е. выполняется условие:
1
Благодаря закрытому состоянию диода опорного напряжения 17 опорное напряжение с выхода преобразователя постоянного напряжения 20 не влияет на формирование напряжения на конденсаторе 8 (на входе трехфазного инвертора И 10). Однако при сбоях в работе ИПН 1, например, наличии определенных провалов выходных напряжений (недостаточных для срабатывания первого контактора 2 на размыкания контактов, который срабатывает при отсутствии напряжения на выходе ИПН 1), напряжение на конденсаторе 8 снижается и при достижении значений в заданном рабочем диапазоне ниже опорного напряжения на выходе преобразователя постоянного напряжения 20 открывается диод опорного напряжения 17 и опорное напряжение с выхода преобразователя постоянного напряжения 20 через диод опорного напряжения 17 поступает на вход трехфазного инвертора 10, обеспечивая, тем самым, требуемую стабилизацию напряжения на его выходе, без каких либо существенных провалов. При этом, диод бустерной схемы 6 находится в закрытом состоянии и "отсекает" влияние, находящихся до него цепей.
2
Формирование напряжения на выходе преобразователя постоянного напряжения 20 осуществляется путем параллельного включения m (m≥1) идентичных дискретных преобразователей постоянного напряжения 20-1, 20-2, …20-m, позволяющих обеспечить на выходе преобразователя постоянного напряжения 20 напряжение, равное дискретному преобразователю постоянного напряжения 20-i, но обеспечить ток, равный суммарному току всех дискретных преобразователей постоянного напряжения 20-1, 20-2, …20-m. То есть, на выходе преобразователя постоянного напряжения 20 обеспечивается мощность, равная суммарной мощности всех дискретных преобразователей постоянного напряжения 20-1, 20-2, …20-m. Идентичность дискретных преобразователей постоянного напряжения 20-i позволяет исключить токи короткого замыкания, в данных преобразователях. Формирование напряжения на выходе дискретного преобразователя постоянного напряжения 20-1 (20-i) осуществляется следующим образом. Постоянное напряжение с аккумуляторной батареи АБ 12, изменяемое в широком диапазоне при разряде аккумуляторной батареи АБ 12 (от 320 до 175 В), поступает на вход инвертора И 13, который может быть выполнен, например, по мостовой схеме (см., например, 1. Патент, РФ, №2689401. 2. "Мостовой преобразователь с ШИМ". На сайте: https://power-electronics.info/full-bridge.html).
2
Сформированное инвертором И 13 переменное напряжение на его выходе преобразуется трансформатором 14 и затем выпрямляется выпрямителем 15 с фильтром на выходе в заданное значение постоянного напряжения относительно выпрямленного выходного напряжения ИПН 1, создавая, тем самым, рациональные условия для работы бустерной схемы 9, заключающиеся в повышении стабилизации его выходного напряжения (напряжения на конденсаторе 8), а также в обеспечении оптимального выбора блока дросселей 4.
оп
Кроме того, формируемое постоянное напряжение на выходе преобразователя постоянного напряжения 20 является опорным напряжением U, и должно соответствовать значению, указанному в выражении (5).
Выпрямитель 15 может быть выполнен в виде диодного моста с фильтром на выходе (см., например, "Диодный мост". На сайте: https://www.ruselectronic.com/diodnyj-most/).
1
2
При отсутствии напряжения на выходе источника переменного напряжения ИПН 1 по сигналу датчика напряжения ДН 19 (напряжение отсутствует) система управления СУ 18 вырабатывает в цепь управления первого 2 и второго 16 контакторов сигналы, по которым контакты К первого контактора 2 размыкаются, а контакты К второго контактора 16 замыкаются. Системой управления СУ 18 транзистор 7 переводится в режим управления ШИМ сигналом, и бустерная схема 9 переводится в режиме преобразования входного постоянного напряжения в стабилизированное выходное постоянное напряжение (см. например, "Бустерная схема и основы ее проектирования". На сайте: https://studbooks.net/805844/tehnika/teoreticheskaya_chast).
2
В фазе заряда имеются n цепей для накопления энергии дросселей путем протекания тока с выхода преобразователя постоянного напряжения 20 через замкнутые контакты Квторого контактора 16 и замкнутый ключ открытого транзистора 7:
• диод 5-1, дроссель 4-1;
• диод 5-2, дроссель 4-2; …
• диод 5-n, дроссель 4-n.
Число диодов в блоке диодов 5 равно числу дросселей в блоке дросселей 4 и равно n, где
Для исключения ассиметричных процессов при накоплении энергии (для выравнивания запасенной энергии n дросселей) и отдаче ее в нагрузку дроссели 4-i в блоке дросселей 4 следует выбирать идентичными.
В соответствии с выражением (1) каждый дроссель 4-i блока дросселей 4 является "источником тока" при заряде конденсатора 8, поэтому n дросселей (при n>1) могут подключаться к нему непосредственно без согласования.
Протекающий ток через n цепей запасает энергию в n дросселях блока дросселей 4. Диод бустерной схемы 6, при этом, отсекает (блокирует) конденсатор 8 и не позволяет ему разряжаться через замкнутый ключ транзистора 7. Ток в нагрузку (на вход трехфазного инвертора 10) в этот промежуток времени поступает от конденсатора 8. Далее, в фазе разряда, когда ключ при закрытом транзисторе 7 размыкается, одинаковая электродвижущая сила самоиндукции на n дросселях в блоке дросселей 4 суммируется с выходным напряжением на конденсаторе 8 и суммарная энергия тока каждого из дросселей 4-i блока дросселей 4 отдается в нагрузку, формируя, тем самым, пропорционально числу n выходную мощность бустерной схемы 9 в соответствии с выражением (3).
При этом выходное напряжение бустерной схемы 9 оказывается больше его входного на величину, определяемую индуктивностью дросселя 4-i в блоке дросселей 4 и скважностью работы ключевого транзистора 7.
L
i
i
i
н
max
min
Таким образом, цикл работы бустерной схемы состоит из двух фаз: фазы заряда дросселей 4-i в блоке дросселей 4 и фазы их разряда на нагрузку (заряд конденсатора 8). Ток I в фазе заряда каждого дросселя 4-i с индуктивностью L в блоке дросселей 4, зависящий от величины индуктивности L дросселя, нарастает по линейному закону и обеспечивает за счет накопленной энергии в индуктивностях L дросселей требуемый ток нагрузки I. При этом, максимальное значение индуктивности L дросселя выбирается исходя из обеспечения в нагрузке требуемой мощности, минимальное L - отсутствием насыщения сердечника дросселя.
L
На фиг. 2 представлены графики зависимости тока заряда дросселя I от времени t при различных значениях индуктивности дросселя L.
2
3
1
Из представленных на фиг. 2 графиков видно, что индуктивность L является минимально допустимой, L безопасна для бустерной схемы, a L недопустима, прежде всего, из-за возможного вывода из строя транзистора 7 большими токами.
max
min
При выборе максимального L и минимального L значений индуктивностей каждого дросселя 4-i можно использовать следующие выражения (см., например, "Определение параметров бустерной схемы". На сайте: https://megaobuchalka.ru/17/3466.html):
вх.б.
где: U - напряжение на входе бустерной схемы;
нi
P - мощность нагрузки, создаваемая одним дросселем 4-i.
где
В качестве материала для сердечников дросселей 4-i в блоке дросселей 4 можно использовать феррит марок НН, НМ НМС.
Для практической реализации ключа на транзисторе 7 и диода бустерной схемы 6 может быть использован IGBT модуль в виде полумоста SEMIX453GD12E4C, а в качестве формирователя ШИМ сигналов в СУ 18 можно использовать микроконтроллер ST10F276Z5T3.
В отличии от прототипа, у которого присутствуют три дросселя в бустерной схеме, в предлагаемом устройстве может быть использован один или два дросселя 4-i в блоке дросселей 4 для формирования соответствующей мощности, исключая, тем самым, избыточность в бустерной схеме 9. В то же время для получения больших мощностей бустерной схемы 9 можно использовать не только три, но и большее количество дросселей 4-i в блоке дросселей 4.
1
2
1
1
С учетом времени срабатывания системы управления 18, первого 2 и второго 16 контакторов на размыкание и замыкание контактов К и К и наоборот, наблюдается запаздывание появления напряжения на входе бустерной схемы 9, поэтому с учетом времени формирования им выходных напряжений наблюдается отсутствие напряжения (наличие "провалов") на его выходе (на входе трехфазного инвертора И 10. Для исключения данного недостатка, т.е. при отсутствии напряжения на выходе бустерной схемы 9, в соответствии с выражением (5), открывается диод опорного напряжения 17, при этом, диод бустерной схемы 6 находится в закрытом состоянии и "отсекает", находящие до него цепи. Опорное напряжение с выхода преобразователя постоянного напряжения 20 через диод опорного напряжения 17 поступает на вход трехфазного инвертора И 10, обеспечивая, тем самым, требуемую стабилизацию напряжения на его выходе, без каких либо провалов.
1
2
При появлении напряжения на выходе источника переменного напряжения ИПН 1 по сигналу датчика напряжения ДН 19 (напряжение присутствует) система управления СУ 18 вырабатывает в цепь управления первого 2 и второго 16 контакторов сигналы, по которым контакты К первого контактора 2 замыкаются, а контакты К второго контактора 16 размыкаются и процессы повторяются в соответствии с описанием выше.
1
2
Следует отметить, что в приведенных примерах исполнения система управления 18 формирует ШИМ сигналы для управления трехфазным инвертором И 10, однофазным инвертором И 13, а также для управления транзистором 7 в бустерной схеме.
п
Преобразователь постоянного напряжения 20 формирует опорное напряжение в соответствии с выражением (5), которое является входным напряжением для бустерной схемы 9 (малым падением напряжения на диодах блока диодов 5 можно пренебречь), поэтому коэффициент повышения бустерной схемы К определяется следующим выражением:
п
Данное выражение (10) следует учитывать при сопряжении напряжений трехфазного выпрямителя 3 с преобразователем постоянного напряжения 20 и выборе коэффициента повышения К бустерной схемы 9.
п
Известно (см., например, (см., например, "Определение параметров бустерной схемы". На сайте: https://megaobuchalka.ru/17/3466.html), что в бустерных схемах на практике коэффициент заполнения ШИМ сигнала (отношение длительности импульса к периоду их следования) выбирается не более 0,8…0,9, а коэффициент повышения напряжения К для самых высоковольтных вариантов - не более 5. Приведенные данные позволяют обеспечить с учетом выражения (10) практически оптимальные условия работы бустерной схемы 9 в предлагаемом изобретении.
Выходная мощность преобразователя постоянного напряжения 20 должна превышать мощность потребителей переменного тока 11 с учетом коэффициентов полезного действия бусперной схемы 9 и трехфазного инвертора 10. Для больших мощностей это достигается равномерным распределением выходной мощности преобразователя постоянного напряжения 20 между m параллельно соединенных идентичных дискретных преобразователей постоянного напряжения 20-1, 20-2, …20-m, в том числе, между присутствующими в них трансформаторов 14. В качестве трансформатора 14, при этом, можно использовать, например, планарные трансформаторы Payton (см., например, "Планарные трансформаторы Payton Planar Magnetics для малогабаритных высоконадежных применений". На сайте: https://power-e.ru/components/payton/).
1
Таким образом, формирование бустерной схемой 9 постоянного напряжения в широком диапазоне мощностей, обеспечивает формирование в широком диапазоне мощностей переменного трехфазного напряжения для потребителей переменного тока 11, так как трехфазные инвертор И 10 обладает большой мощностью и к тому же имеет возможность ее наращивания (см., например, "Параллельное включение модулей ЕсопоРАСК+". На сайте: https://www.compel.ru/lib/95858).