ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ОТ МНОГОФАЗНОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С КОРРЕКЦИЕЙ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
POWER SUPPLY FROM MULTI-PHASE ALTERNATING CURRENT NETWORK WITH CORRECTION OF HARMONIC OSCILLATIONS

Решение относится к электротехнике и предназначено для питания различных электрических устройств, соединенных с многофазной электрической сетью переменного тока.
Источник питания является одной из важнейших составляющих, так как в значительной мере определяет эффективность и надежность приемников электрической энергии, например светодиодных осветителей. Одним из вариантов повышения эффективности и надежности источника питания является использования многофазной сети переменного тока в качестве питающего напряжения.
Наиболее простым, эффективным и, пожалуй, самым распространенным способом реализации входной части источника питания является возможность его соединения с использованием трехфазных выпрямителей переменного напряжения.
На фиг. 1 приведена стандартная схема трехфазного выпрямителя Ларионова на трех диодных полумостах (на 6 диодах), нагруженных на активную нагрузку R1.
На фиг. 1а приведен вариант использования трехфазной сети переменного тока для питания светодиодного осветителя.
На фиг. 2 изображены диаграммы входного фазового напряжения PhaseA, PhaseB, PhaseC, амплитуда фазового напряжения относительно нейтрали, принятой равной единице;
-PhaseA, PhaseB, PhaseC - входное переменное трехфазное напряжение.
+Uout - результирующее выпрямленное напряжение на нагрузке R1.
Несмотря на безусловные достоинства трехфазного выпрямителя, такие как высокий коэффициент мощности (PF), небольшие пульсации выходного напряжения (около 14%) и отсутствие необходимости применять электролитические конденсаторы в источнике питания, есть существенный недостаток в виде высоких значений гармонических составляющих потребляемого тока, особенно с 3-й по 7-мую гармоники. Связано это с разрывным потреблением тока по каждой фазе. График потребляемого тока приведен на фиг. 3.
Известны схемы сетевых источников питания, раскрывающие некоторые аспекты решения проблемы снижения гармонических искажений и описанных в заявке HAN, MAN HYOUNG № KR100457878 (А), МПК G08G 1/095, опубликована 18.11.2004, в заявке KIM YONG НО № KR101434508, МПК Н05В 37/02, опубликована 26.08.2014, и в публикации Никитин Алексей В. WO 2016161363 (А1), МПК Н02М 11/00, опубликованной 06.10.2016.
Техническим результатом заявленного решения является уменьшение гармонических составляющих, снижение пульсаций выходного напряжения и тока источника питания.
Три фазы электрической сети являются минимальным количеством фаз, для которых возможно эффективное использование заявленного решения.
В описании заявленного решения раскрыто несколько вариантов выполнения источника питания для многофазной сети с коррекцией гармонических колебаний на примере 3-фазной сети переменного тока.
Заявленное решение может быть охарактеризовано следующей совокупностью признаков.
Источник питания для многофазной сети переменного тока с коррекцией гармонических колебаний, содержащий основной многофазный выпрямитель сети переменного тока, дополнительный многофазный выпрямитель, контроллер и дополнительный источник напряжения или тока, при этом положительный выход основного многофазного выпрямителя выполнен с возможностью соединения с нагрузкой, а отрицательный вывод основного многофазного выпрямителя соединен с положительным выводом дополнительного источника напряжения или тока, отрицательный вывод которого выполнен с возможностью соединения с нагрузкой, выходные вывода дополнительного многофазного выпрямителя соединены с входными выводами дополнительного источника напряжения или тока, причем дополнительный многофазный выпрямитель снабжен электронными ключами, по одному в цепи каждого выпрямительного элемента, а каждый электронный ключ соединен с контроллером.
Электронные ключи дополнительного источника могут быть выполнены на биполярных транзисторах, на полевых транзисторах или на основе иных принципов.
Источник питания для многофазной сети переменного тока характеризуется тем, что к основному многофазному выпрямителю сети переменного тока и к дополнительному многофазному выпрямителю подключено равное количество фазовых проводов, соответствующих количеству фаз сети. Несомненно, что самым распространенным является вариант 3-фазной сети.
Предпочтительным является вариант, в котором дополнительный трехфазный выпрямитель снабжен шестью электронными ключами, по одному в цепи каждого выпрямительного диода, каждый из которых соединен с контроллером.
В случае наличия в дополнительном многофазном выпрямителе нейтрального провода он должен быть соединен с дополнительными диодами.
Дополнительный источник тока или напряжения используется как дополнительный источник мощности для источника постоянного тока нагрузки, например светодиодного осветителя, и позволяет устранить гармонические составляющие потребляемого тока, повысить эффективность источника тока за счет уменьшения амплитудного значения потребляемого тока.
Наиболее эффективная схема устройства показана на фиг. 4, 5, на которой дополнительный источник используется как источник тока (фиг. 4) или источник напряжения (фиг. 5) для нагрузки, например для светодиодов осветительного устройства.
Достоинством данной схемы является исключительно высокая эффективность вследствие того, что необходимая мощность дополнительного источника существенно меньше, чем мощность, потребляемая непосредственно от основного трехфазного выпрямителя сети переменного тока. К условным недостаткам можно отнести отсутствие гальванической развязки между светодиодами и сетевым напряжением.
Вариант заявленного решения, иллюстрирующий использование трехфазной сети с нейтральным проводом представлен на фиг. 6, на которой приведена схема дополнительного трехфазного выпрямителя, нейтральный провод которого соединен с дополнительными диодами. Ключи К1-К6 подключают диоды VD1-VD6 в необходимой последовательности, с целью использования напряжения между фазами А, В, С и нейтралью для получения выпрямленного напряжения для питания дополнительного источника напряжения или тока.
Диоды VD7, VD8 используются, если используется подключение нейтрали. Алгоритм работы ключей показан на фиг. 7. Заштрихованная область на фиг. 7 отображает результирующее входное напряжение дополнительного источника питания светодиодов, выполненного в виде источника тока (фиг. 4) или источника напряжения (фиг. 5).
Ключи К1, К2, К3 находятся в замкнутом состоянии пока напряжение соответствующей фазы находится в диапазоне от нуля до половины амплитудного значения (0…1/2UBX). Ключи К4, К5, К6 находятся в замкнутом состоянии пока напряжение соответствующей фазы находится в диапазоне от нуля до половины амплитудного значения (0…1/2UBX). График фазового тока, потребляемого дополнительным источником питания светодиодов, приведен на фиг. 8.
Позициями на фигурах, иллюстрирующих частный случай использования заявленного устройства применительно к питанию светодиодного осветителя от 3-фазной сети переменного тока, показаны следующие элементы устройства:
1 - основной трехфазный выпрямитель,
2 - дополнительный трехфазный выпрямитель,
3 - источник тока светодиодов,
4 - контроллер (схема управления электронными ключами),
5 - дополнительный источник напряжения,
6 - дополнительный источник тока,
7 - электронные ключи К1, К2, К3, К4, К5, К6, по одному в цепи каждого выпрямительного диода VD1, VD2, VD3, VD4, VD5 и VD6,
8 - нагрузка (светодиоды осветительного устройства).
Результирующий суммарный фазовый ток, потребляемый основным и дополнительным трехфазными выпрямителями, показан на фиг. 9, из которого видно, что результирующий фазовый ток стал непрерывным и синусоидальным, соответственно имеющим минимальные гармонические искажения.
Результирующий ток, потребляемый по нейтрали (N) показан на фиг. 10. Основным недостатком является использование нейтрали в качестве токоведущего провода и относительно высокий коэффициент гармонических составляющих потребляемого по нейтрали тока, который может превышать требования стандарта на уровень гармонических составляющих тока.
Использование дополнительного источника тока 6 или источника напряжения 5, включенных через дополнительный трехфазный выпрямитель (фиг. 6) без использования нейтрали, имеет несколько алгоритмов управления ключами дополнительного выпрямителя 2.
На фиг. 11 представлена последовательность включения ключей К1-К6 для формирования напряжения дополнительного источника питания светодиодов.
На фиг. 12 заштрихованная область соответствует результирующему напряжению дополнительного источника питания светодиодов. Основой алгоритма включения и выключения ключей К1-К6 является использование для питания дополнительного источника напряжения(фиг. 5) той фазы, ток через основной трехфазный выпрямитель 1 которой равен нулю, диоды VD7, VD8 при этом не используются.
Достоинство данной схемы управления выпрямителем заключается в возможности практически полной компенсации гармонических составляющих потребляемого источником питания тока и полной компенсации пульсаций напряжения для схемы включения, показанной на фиг. 5.
На фиг. 14 приведен другой алгоритм управления ключами. Алгоритм работы ключей дополнительного трехфазного выпрямителя основан на использовании для получения выпрямленного напряжения двух фаз с наименьшим текущим напряжением относительно нейтрали или виртуального нуля (суммарного напряжения трех фаз с учетом знака).
На фиг. 15 заштрихованная область соответствует входному напряжению дополнительного источника питания светодиодов.
На фиг. 16 показано напряжение на выходе дополнительного трехфазного выпрямителя, которое является напряжением дополнительного источника питания. Достоинство данной схемы управления выпрямителем заключается в меньшем по амплитуде значении выпрямленного напряжения, что уменьшает требования к дополнительному источнику питания. К недостаткам следует отнести невозможность полной компенсации гармонических составляющих потребляемого источником питания тока.