КОРРЕКТОР КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ
CORRECTOR OF POWER RATIO

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике и реализует энергетически эффективный импульсный способ регулирования мощности, передаваемой в нагрузку.
Большинство промышленных потребителей электрической энергии получают ее от трехфазной сети переменного тока. По отношению к потребителю источник энергии представляется в виде трех шин, которые обычно обозначают символами "A", "B", "C". Напряжения между этими шинами имеют синусоидальную форму с амплитудным значением 540 В (эффективное значение 380 B), причем синусоидальные функции сдвинуты между собой на угол 120 град.
В современных системах электропитания их силовая часть обычно выполняется в виде двух ступеней (каскадов).
Первая ступень - корректор коэффициента мощности (ККМ). В простейшем случае его входная цепь подключена к одной из пар шин (например, между шинами A и B). ККМ содержит выпрямитель и импульсный DC/DC-преобразователь, в котором входная и выходная цепи связаны непосредственно [1, стр.26, рис.1].
ККМ обеспечивает выполнение двух функций. Первая из них состоит в преобразовании переменного напряжения, значение которого имеет технологический разброс, в стабилизированное постоянное напряжение. Вторая функция - создание во входной цепи ККМ тока заданной формы. Обычно ставится задача, чтобы усредненные на коротких интервалах (длительностью 50-100 мкс) значения этого тока были бы пропорциональны усредненным на этих же интервалах значениям синусоидального питающего напряжения низкой частоты (обычно 50 Гц).
Постоянное напряжение, до которого заряжаются конденсаторы выходного фильтра ККМ, принципиально не может быть ниже амплитуды напряжения между шинами питания (A и B). С учетом технологического разброса питающего напряжения и с некоторым запасом постоянное напряжение, которое формируется на выходе ККМ, как минимум, должно быть более 600-700 B.
Вторая ступень системы электропитания преобразует постоянное напряжение, созданное с помощью ККМ, в совокупность напряжений, передаваемых потребителю. Вторая ступень представляется в виде одного или нескольких импульсных преобразователей с трансформаторной связью между источником энергии и потребителем. Помимо решения задачи гальванического разделения цепей нагрузки и источника энергии, вторая ступень обеспечивает поддержание с заданной точностью параметров качества электрической энергии в соответствии с требованиями ее потребителя.
Наиболее перспективно при построении импульсных преобразователей электрической энергии силовые управляемые ключи выполнять в виде полевых транзисторов. Отмеченный высокий уровень напряжения на выходе ККМ снижает надежность их работы (этот уровень близок к допустимому пределу для большинства типов этих приборов). Повышение надежности работы на основе уменьшения напряжения на силовых управляемых ключах является целью технического решения, предлагаемого в данной заявке.
Структурными признаками корректора коэффициента мощности, рассматриваемого в качестве прототипа [1, стр.26, рис.1], является то, что известное устройство содержит:
- выпрямитель переменного напряжения;
- импульсный DC/DC-преобразователь.
Импульсный DC/DC-преобразователь включает в себя:
- магнитный накопитель энергии;
- первый управляемый ключевой элемент;
- первый вентильный элемент;
- первый конденсатор выходного фильтра.
Известные признаки топологии предлагаемого устройства состоят в следующем:
- один вывод обмотки (первой) магнитного накопителя энергии соединен с первым выводом выходной цепи выпрямителя переменного сетевого напряжения;
- второй вывод обмотки (первой) магнитного накопителя энергии связан с выходной шиной устройства через выходную цепь первого ключевого элемента, и, кроме того, второй вывод обмотки связан с выходной шиной устройства через цепь, которая содержит первый вентильный элемент и первый конденсатор выходного фильтра, соединенные последовательно.
Присутствие в устройстве датчика выпрямленного тока принципиально необходимо для реализации функции формирования тока, потребляемого от сети переменного тока, подобного по форме сетевому напряжению. С этой целью сигнал с выхода датчика передают на один из входов контроллера. В соответствии с этим сигналом контроллер формирует управляющие импульсы.
Однако датчик тока, являясь необходимым элементом цепи управления, практически не сказывается на процессах в силовой цепи. Это обусловлено тем, что падение напряжения на датчике незначительно по отношению к остальным напряжениям в контуре, где датчик включен. По этой причине присутствие датчика в силовой цепи и его конкретное исполнение могут рассматриваться как несущественные признаки предлагаемого устройства. Такое же замечание относится к контроллеру, который формирует управляющие сигналы.
Сформулированная выше цель решается предлагаемым устройством, благодаря сочетанию в нем известных и отличительных признаков.
Отличительные структурные признаки предлагаемого устройства состоят в том, что в него дополнительно введены:
- первый и второй конденсаторы входного фильтра;
- второй управляемый ключевой элемент;
- второй вентильный элемент;
- второй конденсатор выходного фильтра;
- магнитный накопитель энергии дополнен второй обмоткой.
Отличительные признаки топологии предлагаемого устройства состоят в следующем:
- цепь в виде первого и второго конденсаторов входного фильтра, которые соединены последовательно, включена между выводами выходной цепи выпрямителя переменного сетевого напряжения, и общая точка первого и второго конденсаторов входного фильтра соединена с выходной шиной устройства;
- один вывод второй обмотки магнитного накопителя энергии соединен со вторым выводом выходной цепи выпрямителя переменного сетевого напряжения;
- другой вывод второй обмотки магнитного накопителя энергии связан с выходной шиной устройства через выходную цепь второго силового управляемого ключа, и, кроме того, этот вывод обмотки связан с выходной шиной устройства через цепь, которая содержит второй вентильный элемент и второй конденсатор выходного фильтра, соединенные последовательно;
- в цепи, которая содержит соединенные последовательно первую обмотку магнитного накопителя энергии, первый вентильный элемент, первый конденсатор выходного фильтра, второй конденсатор выходного фильтра, второй вентильный элемент и вторую обмотку магнитного накопителя энергии, указанные первая и вторая обмотки имеют одинаковые числа витков и включены согласно, и, кроме того, направления прямой проводимости первого и второго вентильных элементов выполнены одинаковыми.
Вариант предлагаемого устройства по п.2 представляет собой устройство по п.1, в котором к первому и второму конденсаторам выходного фильтра подключены входные цепи дополнительных DC/DC-преобразователей, имеющих трансформаторную связь между входными и выходными цепями, и выходные цепи дополнительных DC/DC-преобразователей объединены (соединены параллельно или последовательно).
Вариант предлагаемого устройства по п.3 представляет собой устройство по любому из пп.1 и 2, где:
- выпрямитель переменного сетевого напряжения выполнен по однофазной мостовой схеме;
- введены первый и второй конденсаторы дополнительного входного фильтра, соединенные последовательно друг с другом;
- цепь, образованная первым и вторым конденсаторами дополнительного входного фильтра, включена между выводами входной цепи выпрямителя переменного сетевого напряжения, причем средняя точка этой цепи, т.е. общая точка конденсаторов дополнительного входного фильтра, соединена с выходной шиной устройства.
Вариант предлагаемого устройства по п.4 представляет собой устройство по любому из пп.1 и 2, где выпрямитель выполнен в виде многофазной мостовой схемы, и входные цепи этого выпрямителя подключены к выводам всех фаз многофазного источника переменного напряжения, число которых равно "m", причем m≥3.
Вариант схемы корректора коэффициента мощности, который соответствует п.1 формулы изобретения, представлен на фиг.1.
В схеме на фиг.1 сеть переменного тока рассматривается как трехфазная (фазы А, В и С), и она представлена шинами питания 1, 2 и 3 соответственно.
Корректор коэффициента мощности содержит однофазный мостовой выпрямитель 4 и импульсный DC/DC-преобразователь 5.
Входная цепь однофазного мостового выпрямителя 4 подключена к шинам питания 1 и 2. Наименование шин питания, к которым подключена входная цепь выпрямителя, не является существенным для работы предлагаемого устройства, т.е. возможно подключение входной цепи к шинам питания 1 и 3 или 2 и 3.
Положительный вывод выходной цепи выпрямителя 4 соединен с шиной 6 (положительной), а отрицательный вывод выходной цепи выпрямителя 4 соединен с шиной 7 (отрицательной).
Между положительной и отрицательной шинами 6 и 7 включена цепь, образованная конденсаторами 8 и 9 входного фильтра DC/DC-преобразователя 5, соединенными последовательно. Средняя точка этой цепи, т.е. общая точка конденсаторов 6 и 7, непосредственно соединена с выходной шиной 10 устройства.
К положительной шине 6 подключен один вывод первой обмотки 11 магнитного накопителя энергии 12. Другой вывод обмотки 11 связан с выходной шиной 10 через выходную цепь первого силового управляемого ключа 13. Кроме того, другой вывод обмотки 11 связан с выходной шиной 10 через цепь, которая содержит первый вентильный элемент 14 и первый конденсатор 15 выходного фильтра, соединенные последовательно.
К отрицательной шине 7 подключен один вывод второй обмотки 16 магнитного накопителя энергии 12. Другой вывод второй обмотки 16 связан с выходной шиной 10 через выходную цепь второго силового управляемого ключа 17. Кроме того, другой вывод второй обмотки 16 связан с выходной шиной 8 через цепь, которая содержит второй вентильный элемент 18 и второй конденсатор 19 выходного фильтра, соединенные последовательно.
Контроллер 20, формирующий сигналы управления импульсным DC/DC-преобразователем 5, связан с входными цепями первого и второго силовых управляемых ключей 13 и 17, через первую и вторую цепи связи 21 и 22 соответственно.
Параллельно первому и второму конденсаторам 15 и 19 выходного фильтра DC/DC-преобразователя 5 включены нагрузки 23 и 24 соответственно.
Вариант схемы корректора коэффициента мощности, соответствующий п.2 формулы изобретения, представлен на фиг.2.
Вариант предлагаемого устройства по п.2, представленный на фиг.1, имеет все признаки устройства, изображенного на фиг.1. Устройство на фиг.2 отличается от устройства на фиг.1 тем, что нагрузки 23 и 24, подключенные параллельно первому и второму конденсаторам 15 и 19 выходного фильтра DC/DC-преобразователя 5, являются входными цепями дополнительных DC/DC-преобразователей. с трансформаторной связью между входом и выходом. При этом выходные цепи дополнительных DC/DC-преобразователей объединены (соединены параллельно, как на фиг.2, или последовательно).
Вариант предлагаемого устройства по п.3, имея все признаки устройства, изображенного на фиг.1 или на фиг.3, отличается от них тем, что введены первый и второй конденсаторы 25 и 26 дополнительного входного фильтра. Конденсаторы 25 и 26 соединены последовательно друг с другом. Цепь, образованная ими, включена между выводами входной цепи однофазного мостового выпрямителя переменного напряжения, причем средняя точка этой цепи, т.е. общая точка конденсаторов 25 и 26, соединена с выходной шиной 10 устройства.
Вариант предлагаемого устройства по п.4, представленный на фиг.4, имея все признаки устройства, изображенного на фиг.1 или на фиг.2, отличается от них тем, что выпрямитель 4 выполнен по "m"-фазной мостовой схеме (в данном случае m=3) и входы выпрямителя подключены ко всем шинам многофазной сети переменного тока (в данном случае - к трем шинам A, B и C).
Принцип действия предлагаемого устройства, схема которого представлена на фиг.1, обеспечивающий достижение поставленной цели, состоит в следующем.
Импульсами управления, формируемыми контроллером 20, силовые управляемые ключи 13 и 17 (далее термин "силовой управляемый ключ" заменяется термином "силовой транзистор" для сокращения текста) синхронно переводятся в состояние высокой или низкой проводимости. При этом частота коммутации силовых транзисторов 13 и 17 многократно выше, чем частота переменного напряжения питающей сети. Из-за этого без существенной погрешности можно считать, что на протяжении одного цикла работы импульсного DC/DC-преобразователя 5 напряжение, приложенное к входной цепи выпрямителя 4, практически неизменно. Оно равно мгновенному значению сетевого напряжения в момент начала данного цикла работы импульсного DC/DC-преобразователя 5.
Пусть, например, в момент отпирания силовых транзисторов 13 и 17 потенциал шины питания 1 (фаза A) выше, чем потенциал шины питания 2 (фаза B).
Отпирание силовых транзисторов 13 и 17 вызывает образование последовательной цепи. В ней находятся:
- шина питания 1;
- диод выпрямителя 4, подключенный анодом к шине питания 1;
- положительная шина 6;
- первая обмотка 11 магнитного накопителя энергии 12;
- выходная цепь силового транзистора 13;
- общая выходная шина 10 устройства;
- выходная цепь силового транзистора 17;
- вторая обмотка 16 магнитного накопителя энергии 12;
- отрицательная шина 7;
- диод выпрямителя 4, подключенный катодом к шине питания 2;
- шина питания 2.
В указанной последовательной цепи протекает ток. Его направление соответствует порядку перечисленных выше элементов этой цепи. Протекание тока по упомянутым диодам выпрямителя 4 означает, что между шинами 6 и 7 устанавливается разность потенциалов (плюс - на шине 6, минус - на шине 7), которая практически совпадает с разностью потенциалов между шинами питания 1 и 2 (с точностью до падения напряжений на диодах выпрямителя 4).
Поскольку силовые транзисторы 13 и 17 сигналами управления переведены в проводящее состояние, падения напряжения на их выходных цепях пренебрежимо малы в сравнении с разностью потенциалов между шинами 6 и 7. Поэтому эта разность потенциалов оказывается практически полностью приложенной к обмоткам 11 и 16 магнитного накопителя энергии 12, которые соединены последовательно и согласно.
Действие напряжения, приложенного к обмоткам 11 и 16, вызывает увеличение тока этих обмоток. Это означает, что на интервале проводимости силовых транзисторов 13 и 17 магнитный накопитель энергии 12 запасает энергию, которая поступает в него от питающей сети переменного тока через выпрямитель 4.
Из-за равенства чисел витков обмоток 11 и 16 магнитного накопителя энергии 12 напряжение, приложенное к этим обмоткам, делится между ними поровну. Поэтому потенциал общей выходной шины 10 равен половине разности потенциалов между шинами питания 1 и 2. Соответственно конденсаторы 8 и 9 входного фильтра импульсного DC/DC-преобразователя 5 в предлагаемом устройстве оказываются заряженными до одинакового напряжения.
Таким образом, в любом цикле работы импульсного DC/DC-преобразователя 5 мгновенные значения напряжения на конденсаторах 8 и 9 входного фильтра DC/DC-преобразователя 5 одинаковы и равны половине мгновенного значения разности потенциалов между шинами питания 1 и 2.
При одновременном переводе силовых транзисторов 13 и 17 в состояние низкой проводимости, что обеспечивается контроллером 20, ток по обмоткам 11 и 16 продолжает протекать в прежнем направлении, благодаря энергии, которая была ранее запасена в магнитном накопителе 12.
Цепь, по которой протекает ток обмоток 11 и 16 после запирания силовых транзисторов 13 и 17, изменяется по отношению к цепи, которая была на интервале проводящего состояния транзисторов. В цепи, по которой ток обмоток 11 и 16 протекает после запирания силовых транзисторов 13 и 17, находятся:
- шина питания 1;
- диод выпрямителя 4, подключенный анодом к шине питания 1;
- положительная шина 6;
- первая обмотка 11 магнитного накопителя энергии 12;
- первый вентильный элемент 14;
- первый конденсатор выходного фильтра 15;
- общая выходная шина 10;
- второй конденсатор выходного фильтра 19;
- второй вентильный элемент 18;
- вторая обмотка 16 магнитного накопителя энергии 12;
- отрицательная шина 7;
- диод выпрямителя 4, подключенный катодом к шине питания 2;
- шина питания 2.
Направление тока в цепи, которая образовалась после запирания силовых транзисторов 13 и 17, соответствует порядку перечисленных выше элементов этой цепи.
После запирания силовых транзисторов 13 и 17 оказывается, что одинаковы по модулю, но различны по знаку потенциалы шин 6 и 7 по отношению к общей выходной шине 10. Это обусловлено протеканием тока по упомянутым диодам выпрямителя 4, а также тем, что конденсаторы 8 и 9 на интервале проводимости силовых транзисторов 13 и 17 зарядились до одинакового напряжения.
Первая и вторая обмотки 11 и 16 магнитного накопителя энергии 12 связаны магнитно и имеют одинаковые числа витков. Поэтому положительная по знаку разность потенциалов между первым выводом конденсатора 15, подключенным через вентильный элемент 14 к обмотке 11, и положительной шиной 6 одинакова по модулю с отрицательной по знаку разностью потенциалов между первым выводом конденсатора 19, подключенным через вентильный элемент 18 к обмотке 16, и отрицательной шиной 7. Это означает, что по отношению к общей выходной шине 10 одинаковы по модулю и противоположны по знаку потенциалы первых выводов конденсаторов 15 и 19 выходного фильтра, с учетом того, что по отношению к общей выходной шине 10 потенциалы шин 6 и 7 устанавливаются одинаковыми по модулю, но различающимися по знаку.
Таким образом, в предлагаемом устройстве конденсаторы 15 и 19 выходного фильтра заряжены до одинаковой разности потенциалов. Поэтому выходное напряжение импульсного DC/DC-преобразователя 5, которое, как отмечалось, составляет величину порядка 700-800 В, распределяется поровну между конденсаторами 15 и 19 выходного фильтра, т.е. каждый из них заряжен до напряжения 350-400 B.
Как следует из описания импульсных процессов в схеме, приведенного выше, равенство напряжений на конденсаторах 8 и 9 входного фильтра DC/DC-преобразователя 5, а также равенство напряжений на конденсаторах 15 и 19 выходного фильтра обусловлено магнитной связью между первой и второй обмотками 11 и 16 магнитного накопителя энергии 12, которые имеют равные числа витков. Благодаря этому равны напряжения на обмотках 11 и 16 на обоих интервалах импульсного процесса в схеме, и равенство напряжений на конденсаторах 15 и 19 выходного фильтра принудительно устанавливается, даже если несимметричны нагрузки 23 и 24, подключенные параллельно конденсаторам 15 и 19 соответственно.
На интервале, когда силовой транзистор 13 находится в состоянии низкой проводимости, напряжение, которое приложено к его выходной цепи, выше напряжения, до которого заряжен конденсатор 15, на величину прямого падения напряжения на вентильном элементе 14. Таким образом, напряжение, приложенное к выходной цепи силового транзистора 13 в его запертом состоянии, практически равно 350-400 B.
Аналогично на интервале, когда силовой транзистор 17 находится в состоянии низкой проводимости, напряжение, которое приложено к его выходной цепи, выше напряжения, до которого заряжен конденсатор 19, на величину прямого падения напряжения на вентильном элементе 18. Таким образом, напряжение, приложенное к выходной цепи силового транзистора 17 в его запертом состоянии, также составляет величину порядка 350-400 B.
Если нагрузками 23 и 24 являются входные цепи дополнительных DC/DC-преобразователей, которые выполнены с трансформаторной связью между входом и выходом (см. устройство по п.2), то к их входным цепям приложено напряжение величиной порядка 350-400 B. Поэтому в дополнительных DC/DC-преобразователях можно использовать в качестве силовых ключей современные полевые транзисторы, имея при этом значительный запас по их допустимому напряжению.
Конденсаторы 8 и 9 входного фильтра DC/DC-преобразователя 5 снижают уровень высокочастотных импульсных помех, которые возникают при работе преобразователя и передаются в сеть переменного напряжения низкой частоты. Сигналы импульсных помех обусловлены, в частности, передачей импульсов тока во входные шины 6 и 7 DC/DC-преобразователя 5 через паразитные емкости обмоток 11 и 16. Импульсы тока возникают в моменты коммутации силовых транзисторов, когда напряжения между выводами их выходных цепей изменяются скачкообразно.
Подавление помех тем более существенно, чем выше емкость конденсаторов 6 и 7. Однако увеличение этой емкости вызывает удлинение интервалов, во время которых диоды выпрямителя 4 находятся в непроводящем состоянии. На этих интервалах DC/DC-преобразователь 5 фактически отключается от питающей сети переменного тока, из-за чего он не способен обеспечивать коррекцию формы тока, потребляемого от питающей сети.
Снижение уровня импульсных помех, передаваемых в питающую сеть, без увеличения при этом продолжительности интервалов, во время которых DC/DC-преобразователь 5 перестает выполнять функцию коррекции, достигается путем введения дополнительных фильтрующих конденсаторов 25 и 26, как показано на фиг.3.
Схема на фиг.4 путем соответствующего управления силовыми транзисторами 13 и 17 позволяет обеспечить постоянство тока, потребляемого от многофазной сети переменного тока на интервалах проводимости диодов мостового выпрямителя 4. При таком режиме работы практически отсутствует низкочастотная пульсация (на частоте, кратной частоте переменного напряжения питающей сети) тока, который передается в конденсаторы выходного фильтра. Тем самым можно существенно снизить емкость конденсаторов выходного фильтра.
Источник информации
1. Мелешин В.И., Овчинников Д.А. Управление транзисторными преобразователями электроэнергии. - Москва: Техносфера, 2011. - 516 с. ISBN 978-5-94836-260-1.