КОРРЕКТОР КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ
CORRECTOR OF POWER RATIO

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, а именно к области полупроводниковой преобразовательной техники (силовой электроники), и может быть использовано в качестве высоковольтного двунаправленного понижающего AC-DC конвертора в системах электрооборудования постоянного тока, например, для электровозов переменно-постоянного тока 3 кВ при питании от контактной сети с переменным напряжением 25 (15) кВ.
Известен корректор коэффициента мощности (преобразователь переменного напряжения в постоянное напряжение), содержащий однофазную мостовую схему на транзисторах, входной LC-фильтр, выходной индуктивный фильтр (Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. Москва: Энергоатомиздат, 1992, рис.2.38 на стр.103).
Однако указанный корректор коэффициента мощности имеет плохое использование транзисторов по напряжению, определяемому величиной напряжения питающей сети, а также плохие массогабаритные показатели выходного индуктивного фильтра.
Кроме того, известен корректор коэффициента мощности - преобразователь переменного напряжения в постоянное напряжение (Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники. Новосибирск, НГТУ, изд.4, 2009, рис.13.4.1 на стр.596), взятый за прототип, содержащий силовую схему преобразователя переменного напряжения в постоянное, систему управления, состоящую из датчика выходного напряжения, схемы сравнения напряжений, задатчика напряжения выхода, регулятора напряжения, множительного устройства, схемы сравнения токов, блока регулятора тока, блока ШИМ (состоящего из генератора опорного напряжения, устройства сравнения и выходного каскада), датчика входного напряжения, датчика входного тока, причем выход датчика выходного напряжения подключен к первому входу схемы сравнения напряжений, ко второму входу которой подключен задатчик выходного напряжения, а выход схемы сравнения напряжений подключен к входу регулятора напряжения, выход которого подключен к первому входу множительного устройства, ко второму входу которого подключен выход датчика входного напряжения силовой схемы преобразователя, а выход множительного устройства подключен к первому входу схемы сравнения токов, ко второму входу схемы сравнения токов подключен выход датчика входного тока, выход схемы сравнения токов подключен к входу блока ШИМ, выход которого связан с управляемыми вентилями силовой схемы, а силовая схема образована каскадным соединением однофазной мостовой схемы выпрямления на диодах, фильтрового реактора и повышающего преобразователя постоянного напряжения в постоянное.
Однако этот корректор коэффициента мощности имеет ограниченные функциональные возможности, т.к. является однонаправленным по мощности и не может понижать выходное напряжение по отношению к входному. Также он имеет плохое использование диодов и транзистора по обратному напряжению, определяемому величиной напряжения питающей сети. Однонаправленность передачи мощности сужает функциональные возможности корректора и не позволяет получить режим рекуперации энергии из нагрузки, что снижает энергоэффективность использования корректора. Необходимость применения высоковольтных полупроводниковых приборов приводит к снижению надежности их работы.
Задачей предлагаемого изобретения является создание корректора коэффициента с расширенными функциональными возможностями. Также он имеет хорошее использование диодов и транзисторов по обратному напряжению, определяемому низкой (по отношению к величине переменного входного напряжения) величиной постоянного напряжения выходной цепи.
Это достигается за счет того, что корректор коэффициента мощности содержит модифицированную силовую схему преобразователя однофазного переменного напряжения в постоянное, содержащего на входе последовательно включенный фильтровой реактор. Силовая схема преобразователя выполнена по схеме обращенного однофазного многоуровневого инвертора напряжения. Система управления состоит из датчика выходного напряжения, схемы сравнения напряжений, задатчика напряжения выхода, регулятора напряжения, множительного устройства, схемы сравнения токов, блока регулятора тока, блока ШИМ, датчика входного напряжения, датчика входного тока, причем выход датчика выходного напряжения подключен к первому входу схемы сравнения напряжений, ко второму входу которой подключен задатчик выходного напряжения, а выход схемы сравнения напряжений подключен к входу регулятора напряжения, выход которого подключен к первому входу множительного устройства, ко второму входу которого подключен выход датчика входного напряжения силовой схемы преобразователя, а выход множительного устройства подключен к первому входу схемы сравнения токов, ко второму входу схемы сравнения токов подключен выход датчика входного тока, выход схемы сравнения токов подключен к входу блока регулятора тока, его выход подключен к входу блока ШИМ, выход которого связан с управляемыми вентилями силовой схемы, а датчики входного напряжения и тока включены на входе силовой схемы преобразователя, между выходом датчика входного тока и входом схемы сравнения токов включен фиксатор нулевого порядка.
На фиг.1 представлена схема предлагаемого корректора коэффициента мощности, на фиг.2 показана силовая схема многоуровневого обращенного инвертора напряжения, используемая в качестве силовой схемы корректора коэффициента мощности, на фиг.3 - временные диаграммы напряжений и токов на входе и выходе корректора коэффициента мощности в режиме потребления (а) и в режиме рекуперации (б), на фиг.4 - векторная диаграмма напряжений и тока на входе силовой схемы корректора коэффициента мощности в режиме потребления (а) и в режиме рекуперации (б).
Предлагаемый корректор коэффициента мощности (фиг.1) содержит модифицированную силовую схему СС преобразователя переменного напряжения в постоянное 1, входной фильтрующий реактор ФР 2 и систему управления СУ 3. Силовая схема преобразователя выполнена по схеме обращенного многоуровневого инвертора напряжения (Зиновьев Г.С., Лопаткин Н.Н., Многоуровневый автономный инвертор напряжения. Патент РФ на изобретение №2393619, БИ №18, 2010). Система управления СУ 3 состоит из датчика выходного напряжения ДВН 4, схемы сравнения напряжений ССН 5, задатчика напряжения выхода ЗПН 6, регулятора напряжения РН 7, множительного устройства МУ 8, схемы сравнения токов ССТ 9, регулятора тока РТ 10, блока ШИМ 11, датчика входного напряжения ДВ×Н 12, датчика входного тока ДВТ 13, причем выход датчика выходного напряжения ДВН 4 подключен к первому входу схемы сравнения напряжений ССН 5, ко второму входу которой подключен задатчик напряжения выхода ЗПН 6, а выход схемы сравнения напряжений ССН 5 подключен к входу регулятора напряжения РН 7, выход которого подключен к первому входу множительного устройства МУ 8, ко второму входу которого подключен выход датчика входного напряжения ДВхН 12 силовой схемы СС преобразователя, а выход множительного устройства МУ 8 подключен к первому входу схемы сравнения токов ССТ 9, ко второму входу схемы сравнения токов подключен выход датчика входного тока ДВТ 13 корректора, выход схемы сравнения токов ССТ 9 подключен к входу регулятора тока РТ 10, выход которого подключен к входу блока ШИМ 11, выход блока ШИМ 11 связан с управляемыми вентилями обращенного многоуровневого инвертора напряжения силовой схемы СС 1, а датчики входного напряжения ДВ×Н 12 и входного тока ДВТ 13 включены на входе силовой схемы преобразователя, между выходом датчика входного тока 13 и входом схемы сравнения токов 9 включен фиксатор нулевого порядка ФНП 14.
Предлагаемый корректор коэффициента мощности для случая N, равного 3, где N - коэффициент преобразования силовой схемы по напряжению, равный отношению амплитуды N-ступенчатой кривой переменного напряжения обращенного многоуровневого инвертора напряжения к среднему значению постоянного напряжения на выходе корректора коэффициента мощности, в свою очередь, равный уменьшенному на единицу числу ячеек, работает следующим образом. Из разности сигналов задания постоянного выходного напряжения блока задания ЗПН 6 и напряжения с датчика выходного напряжения ДВН 4 образуется на схеме сравнения напряжений ССН 5 сигнал ошибки по напряжению, который проходит через регулятор напряжения РН 7 (в простом случае усилитель) на первый вход множительного устройства МУ 8. На второй вход умножителя подается синусоидальный сигнал с датчика входного напряжения ДВ×Н 12 корректора коэффициента мощности. Выходная синусоида множительного устройства МУ 8 используется как сигнал задания (на входной ток корректора коэффициента мощности) контура тока и подается на первый вход схемы сравнения токов ССТ 9. На второй вход схемы ССТ 9 поступает сигнал от датчика входного тока ДВТ 13 корректора, который прежде проходит через фиксатор нулевого порядка ФНП 14. Фиксатор ослабляет высокочасчотные пульсации сигнала с датчика входного тока, чем устраняет в дальнейшем многократный "дребезг" сигнала блока ШИМ в моменты переключения, что улучшает качество входного тока корректора, т.е. повышает энергоэффективность корректора. На схеме сравнения токов ССТ 9 получается сигнал ошибки по току контура тока. Этот сигнал ошибки проходит через регулятор тока РТ 10 (в простом случае усилитель) на вход блока ШИМ 11, с выхода которого импульсы управления подаются на транзисторы силовой схемы СС 1 обращенного многоуровневого инвертора напряжения. Длительность импульсов управления модулирована по синусоидальному закону сигнала ошибки контура тока, поэтому многоуровневое переменное напряжение обращенного многоуровневого инвертора приближено к синусоидальной форме, как показано на первой диаграмме фиг.3а. Если величина и фаза ψ этого напряжения соответствуют векторной диаграмме фиг.4а, то вектор входного тока будет совпадать по фазе с вектором входного напряжения. Это режим потребления активной мощности цепью постоянного тока из цепи переменного тока. Постоянные напряжение и ток имеют одинаковую полярность, как это видно из второй диаграммы на фиг.3а.
Корректор коэффициента мощности позволяет обратить направление потока активной мощности в нем за счет изменения направления тока в звене постоянного тока, как показано на второй диаграмме фиг.3б, когда противоэдс нагрузки станет больше выходного напряжения корректора. Ток в звене переменного напряжения стал противофазным напряжению, как это показано на первой диаграмме на фиг.3б. Векторная диаграмма цепи переменного тока корректора для этого случая показана на фиг.4б. Кроме того, обратные напряжения на всех полупроводниковых приборах этой схемы не превышают величины постоянного напряжения на выходе корректора.
Таким образом, входной коэффициент мощности корректора будет практически равен единице. Выходное напряжение бестрансформаторного корректора коэффициента мощности может быть в N-раз меньше амплитуды входного переменного напряжения. Это обеспечивает хорошее использование всех элементов схемы по напряжению, значение которого не превосходит выходного напряжения, что повышает надежность работы полупроводниковых приборов. Расширение функциональных возможностей корректора обеспечено возможностью режима рекуперации энергии из нагрузки за счет придания ему свойства двунаправленности, что позволяет использовать его как для режима потребления цепью постоянного напряжения активной мощности из сети, так и для режима рекуперации энергии в сеть при переходе нагрузки в генераторный режим. Также расширяет функциональные возможности корректора его способность понижать выходное напряжение по сравнению с входным напряжением.