МНОГОФАЗНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ С КОРРЕКЦИЕЙ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ

Полезная модель относится к электротехнике и к импульсной силовой электронике и может использоваться в автономных и общесетевых системах электропитания нагрузок постоянного тока со стабилизированным напряжением произвольной величины от сети переменного тока с нестабильным напряжением.
Известен многофазный выпрямитель с коррекцией коэффициента мощности (аналог), содержащий предвключенные фазные балластные дроссели, выходной фильтровый конденсатор и «m»-фазный мостовой выпрямитель, каждый из диодов анодной группы которого зашунтирован встречно включенным транзисторным ключом, управляемым от импульсно-модуляторных выходных выводов блока управления (С. Резников, В. Бочаров, И. Харченко, Ю. Ермилов, А. Лавринович. Импульсные вторичные источники питания с повышенным качеством входных и выходных токов. Силовая электроника, №2, 2013 г., с. 74-80, стр. 75, рис. 1б).
К недостаткам указанного известного устройства (аналога) относятся: невозможность общего заземления входного и выходного выводов (т.е. источника и нагрузки), а также узкие функциональные возможности, а именно - узкий диапазон регулирования выходного напряжения из-за невозможности получения его нижнего предельного уровня ниже, чем амплитуда линейного напряжения питающей сети.
Наиболее близким по технической сути к предлагаемому устройству является известный многофазный выпрямитель с коррекцией коэффициента мощности (прототип), содержащий входные и выходные выводы, включая по одному заземленному, входные фильтровые конденсаторы, предвключенные балластные дроссели, выходную двухконденсаторную фильтровую стойку с заземленным средним выводом и «m»-фазный управляемый мостовой выпрямитель, плечи которого состоят из однооперационных тиристорных вентилей, а входные выводы переменного тока заземлены через соответствующие «m» электронных ключей переменного тока (см. там же, стр. 79, рис. 7). В отличие от аналога он имеет возможность общего заземления входного (нейтрального) и выходного (среднепотенциального) выводов.
К недостатку указанного известного устройства (прототипа) относятся узкие функциональные возможности, а именно - узкий диапазон регулирования выходного напряжения из-за невозможности (при сохранении функции коррекции коэффициента мощности) получения его нижнего предельного уровня ниже, чем двойная амплитуда фазного напряжения питающей сети.
Техническим результатом предложения является расширение функциональных возможностей устройства за счет расширения диапазона регулирования выходного напряжения, а именно - снижения его нижнего предела.
Указанный технический результат обеспечивается благодаря тому, что в многофазный выпрямитель с коррекцией коэффициента мощности, содержащий «m» входных фазных выводов для подключения «m»-фазного источника переменного тока, два разнополярных выходных вывода для подключения нагрузки постоянного тока и заземленные нейтральный входной и среднепотенциальный выходной выводы, «т» входных фильтровых конденсаторов, соединенных между собой в «звезду», шунтирующую входные фазные выводы, «m» балластных дросселей, двухконденсаторную фильтровую стойку с заземленным средним выводом, шунтирующую выходные выводы, «m»-фазный управляемый мостовой выпрямитель с выходными выводами постоянного тока, зашунтированными крайними выводами фильтровой стойки, «m» электронных ключей переменного тока и блок управления с цепями обратных связей, имеющими датчики входных и выходных напряжений и датчики входных токов, и с «m»-фазной группой основных импульсно-модуляторных выходных выводов, подключенных к управляющим выводам ключей переменного тока, ВВЕДЕНЫ «2m» снабберных узлов, состоящих каждый из диодно-конденсаторной цепочки, диодно-ключевой стойки и дроссель, плечи мостового выпрямителя СОСТОЯТ из запираемых по управлению электронных ключей, а блок управления СНАБЖЕН двумя «2m»-фазными группами дополнительных импульсно-модуляторных выходных выводов, подключенных к управляющим выводам ключей снабберных узлов и ключей мостового выпрямителя, соответственно.
Экспериментальные исследования макетного образца устройства и его компьютерное моделирование подтвердили его работоспособность и целесообразность широкого промышленного использования.
На чертеже (Фиг. 1) представлены принципиальная силовая схема и каналы управления предлагаемого многофазного выпрямителя с коррекцией коэффициента мощности.
Предлагаемое устройство содержит: «m» входных фазных выводов 1, 2, 3 для подключения «m»-фазного источника переменного тока, два разнополярных выходных вывода 4, 5 для подключения нагрузки постоянного тока и заземленные нейтральный входной и среднепотенциальный выходной выводы 6, 7, «m» входных фильтровых конденсаторов 8, 9, 10, соединенных между собой в «звезду», шунтирующую входные фазные выводы, «m» балластных дросселей 11, 12, 13, двухконденсаторную фильтровую стойку 14-15 с заземленным средним выводом, шунтирующую выходные выводы, «m»-фазный управляемый мостовой выпрямитель 16 с выходными выводами постоянного тока, зашунтированными крайними выводами фильтровой стойки, «m» электронных ключей переменного тока 17, 18, 19 и блок управления 20 с цепями обратных связей 21, 22, 23, имеющими датчики 24, 25, 26 и 27, 28 входных и выходных напряжений и датчики 29, 30, 31 входных токов, и с «m»-фазной группой основных импульсно-модуляторных выходных выводов 32, подключенных к управляющим выводам электронных ключей переменного тока. Устройство содержит также «2m» снабберных узлов, состоящих каждый из диодно-конденсаторной цепочки 33-34, шунтирующей соответствующее плечо мостового выпрямителя, разнонаправленной диодно-ключевой стойки 35-36, заземляющей средний вывод указанной цепочки, и дроссель 37, шунтирующий цепочку, образованную ключом и конденсатором снабберного узла. Плечи мостового выпрямителя состоят из запираемых по управлению электронных ключей 38-39, 40-41, 42-43. Блок управления снабжен также двумя «2m»-фазными группами дополнительных импульсно-модуляторных выходных выводов 44 и 45, подключенных к управляющим выводам ключей снабберных узлов и ключей мостового выпрямителя, соответственно.
Каждый из электронных ключей переменного тока 17, 18, 19 своими силовыми выводами включен между заземленным выходным выводом 7 устройства и соответствующим фазным выводом переменного тока выпрямительного моста 16, подключенным через соответствующий балластный дроссель 11, 12, 13 к соответствующему входному фазному выводу 1, 2, 3 устройства. Дроссель 37 каждого снабберного узла включен между средним выводом диодно-ключевой стойки 35-36 и соответствующим выводом постоянного тока мостового выпрямителя 16, соединенным с соответствующим выходным выводом 4, 5 устройства.
В качестве электронных ключей переменного тока 17, 18, 19 можно использовать встречно-транзисторные стойки, зашунтированные внешними или внутренними (как в транзисторах МОСФЕТ) диодами, а также однофазные диодные мосты, зашунтированные по выходу транзисторами (как в прототипе).
В качестве запираемых по управлению электронных ключей 38, 39, 40, 41, 42, 43 мостового выпрямителя 16 можно использовать IGBT-транзисторы со встроенными последовательными обратно-блокирующими диодами (RB-IGBT), а также однонаправленные диодно-транзисторные стойки или двухоперационные (запираемые по управлению) тиристоры. В качестве ключей 36 снабберных узлов можно использовать любые транзисторы.
Многофазный выпрямитель с коррекцией коэффициента мощности (Фиг.) работает следующим образом.
В зависимости от соотношения между мгновенными значениями каждого из входных фазных напряжений, фиксируемых датчиками 24, 25, 26, и мгновенными значениями выходных выпрямленных напряжений, фиксируемых датчиками 27, 28, каждая двухплечевая стойка из пар ключей 38-39, 40-41, 42-43 и соответствующий электронный ключ переменного тока 17, 18, 19 в совокупности с соответствующим балластным дросселем 11, 12, 13 и входным фильтровым конденсатором 8, 9, 10 работают в качестве либо повышающего, либо понижающего широтно-импульсного модулятора.
В режиме повышения напряжения (бустерном режиме) ключи соответствующей двухплечевой стойки, например 38-39, с помощью блока управления постоянно включены, а ключи переменного тока 17, 18, 19 широтно-импульсно модулируются таким же образом, как в схеме классического Виенна-выпрямителя или как в прототипе.
и
и
шим
и
шим
шим
шим
и
и
шии
При включении ключа переменного тока, например - 17, соответствующий фазный ток нарастает, протекая по закорачивающему эту фазу дросселю 11 (благодаря приложенному к нему фазному напряжению) по цепи: 8-11-17-8 (или обратной в зависимости от полярности фазного напряжения), в течение длительности включающего управляющего импульса: t=γ·T, где γ - регулируемый коэффициент заполнения (относительная длительность) импульса, Т - постоянный период высокочастотной широтно-импульсной модуляции. После выключения ключа 17 указанный ток частично спадает, заряжая один из фильтровых конденсаторов 14, 15 по цепи: 11-38-14-8-11, либо по цепи: 11-8-15-39-11 в течение длительности, оставшейся от периода Т : Т - t=(1-γ)·Т.
8
14
В этом режиме условием равновесного среднециклического тока дросселя при его непрерывности является известное соотношение между входным и выходным напряжениями (регулировочная характеристика): , где U и U - среднециклические значения напряжений на входном и выходном конденсаторах 8 и 14 . Далее указанные процессы высокочастотно-периодически качественно повторяются, осуществляя питание нагрузки.
В режиме понижения напряжения (когда ) ключ переменного тока 17 постоянно выключен, а снабберный узел (33-34, 35-36, 37) выполняет роль емкостного дозатора электроэнергии, предохраняющего от коммутационных перенапряжений соответствующие ключи 36 и 38 мостового выпрямителя 16, работающего в режиме понижающего широтно-импульсного модулятора, и обеспечивающего непрерывность фазного входного тока в балластном дросселе 11 (и желательно - в дросселе 37). При этом ключи 17, 18, 19 включены.
шим
14
и
и
шим
шим
и
и
шим
Пусть к началу очередного периода Т конденсатор 34 снабберного узла заряжен током по цепи: 8-11-33-34-14-8 до напряжения, превышающего величину U (колебательная зарядка). Тогда при синхронном включении ключей 38 и 36 помимо нарастающего тока в цепи нагрузки: 8-11-38-14-8 произойдет разрядка конденсатора 34 в цепь дросселя 37 через ключ 36: 34-36-37-34, а затем и его перезарядка по этой же цепи параллельно с колебательно спадающим током в цепи: 37-14-35-37, а также накопление в дросселе 37 дозы электромагнитной энергии, переданной ему от конденсатора 34. Этот процесс продолжается в течение длительности включающего управляющего импульса: t=γ·Т. Затем оба ключа 38 и 36 синхронно выключаются, а токи балластного дросселя 11 и дросселя 37 снабберного узла частично спадают по цепям: 8-11-33-34-14-8 и 37-14-35-37, продолжая заряжать выходной фильтровый конденсатор 14, питая нагрузку, в течение оставшейся длительности: Т-t=(1-γ)·Т.
Далее процессы высокочастотно-периодически качественно повторяются, осуществляя режим питания нагрузки пониженным напряжением .
8
шим
сети
сети
и
Так как напряжение питания (U) синусоидально изменяется с относительно большим (по сравнению с T) периодом: T, а напряжение нагрузки приблизительно сохраняется, то в течение каждого полупериода 0,5·Т, то блок управления 20 периодически переводит схему из режима повышения напряжения в режим понижения напряжения, а затем обратно - в режим повышения напряжения. Кроме того, низкочастотно чередуются группы участвующих в процессах ключей выпрямителя и снабберных узлов (верхние и нижние). При этом с помощью регулирования коэффициента заполнения управляющих импульсов γ блоком управления 20 с участием цепей обратных связей обеспечиваются не только синусоидальная форма входных фазных токов, но и их синхронизация с фазными напряжениями для приближения коэффициента мощности к единице, причем - в широких пределах регулирования (стабилизации) выходного напряжения (практически от нулевого значения до значения, допустимого для электронных ключей).
Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемая полезная модель обеспечивает технический результат: расширение функциональных возможностей устройства за счет расширения диапазона регулирования выходного напряжения, а именно - снижения его нижнего предела (практически - до нулевого).