ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Полезная модель относится к области силовой преобразовательной техники и предназначена для передачи в однофазную сеть электрической энергии альтернативного источника. В частности, предлагаемую полезную модель можно использовать при разработке и внедрении системы электроснабжения с применением фотоэлектрических преобразователей энергии или ветроэнергетических установок.
Известен преобразователь электроэнергии, содержащий последовательно включенные буферные реакторы, активный выпрямитель напряжения, фильтр и автономный инвертор напряжения. (Патент РФ на полезную модель № 120823, МПК Н02Р 1/00, опубл. 20.11.2012)
Устройство имеет большое число силовых элементов и отличный от единицы коэффициент мощности.
Наиболее близким к предложенному является преобразователь электрической энергии для преобразователей частоты со звеном постоянного тока, содержащий однофазный транзисторный мост, состоящий из четырех транзисторов, параллельно которым соединены четыре диода; конденсатор, первый шунт и последовательно соединенный с ним сглаживающий дроссель, звено постоянного тока, датчик напряжения звена постоянного тока, датчик напряжения сети, блок управления, выходы которого соединены с однофазным транзисторным мостом, реле и пятым транзистором, включенным в разрыв положительной линии звена постоянного тока, входы блока управления соединены с датчиками напряжения сети и напряжения в звене постоянного тока и четырьмя шунтами; второй шунт установлен последовательно со звеном постоянного тока, а третий и четвертый шунты установлены в разрыв цепей истоков третьего и четвертого транзисторов. В этом устройстве шунты выполняют функции датчиков тока. (Патент РФ № 2549198, МПК Н02М 7/217, опубл. 20.04.2015).
Недостатками указанного устройства являются относительно высокие потери из-за одновременного протекания тока по двум полупроводниковым приборам в момент формирования нулевой паузы и низкий коэффициент мощности, вызванный отсутствием учета высокочастотной составляющей напряжения однофазной сети.
Технической задачей, на решение которой направлено данное предложение, является упрощение, снижение потерь и повышение коэффициента мощности устройства.
Для решения этой технической задачи предлагается преобразователь электрической энергии, содержащий источник постоянного тока, к одному и другому полюсам которого подключены входы датчика напряжения, выход которого подключен к первому входу блока управления, первый датчик тока, одна клемма которого подключена к одному полюсу источника постоянного тока, а другая - к одной клемме одного конденсатора, выход первого датчика тока подключен ко второму входу блока управления, два последовательно включенных по силовой цепи транзистора, параллельно которым подключены диоды, управляющие входы транзисторов подключены соответственно к первому и второму выходам блока управления, точка соединения транзисторов через последовательно соединенные второй датчик тока, дроссель и один замыкающий контакт реле подключена к одной шине переменного тока, управляющий вход реле подключен к третьему выходу блока управления, датчик напряжения однофазной сети, входы которого подключены к шинам переменного тока, транзисторный ключ, другой конденсатор, фазовый детектор, первый и второй модули квадратурных сигналов, один вход первого модуля квадратурных сигналов соединен с выходом датчика напряжения однофазной сети, выход первого модуля квадратурных сигналов соединен с входом фазового детектора, выход которого соединен с вторым входом первого модуля квадратурных сигналов и одним входом второго модуля квадратурных сигналов, другой вход которого соединен с выходом второго датчика тока, выход второго модуля квадратурных сигналов подключен к третьему входу блока управления, концы силовой цепи транзисторов подключены соответственно к другой клемме первого датчика тока и к другому полюсу источника постоянного тока, который через другой конденсатор соединен с другой клеммой одного конденсатора, которая через другой замыкающий контакт реле соединена с другой шиной переменного тока, а через транзисторный ключ подключена к точке соединения транзисторов, управляющий вход транзисторного ключа подключен к четвертому управляющему выходу блока управления.
Предлагаемый преобразователь электрической энергии может быть изготовлен из известных материалов с применением известных компонентов и использованием известных алгоритмов функционирования на существующем оборудовании. Других технических решений аналогичного назначения с подобными существенными признаками при проведении поиска по научно-технической литературе и патентной документации заявителем не обнаружено. Предложение не следует явным образом из изученного уровня техники, имеет существенные отличия от рассмотренных аналогов. Поэтому заявитель считает, что предложение по данной заявке соответствует критериям охраноспособности полезной модели «новизна» и «промышленная применимость».
Сущность полезной модели поясняется чертежом. Показан пример выполнения функциональной схемы предлагаемого преобразователя электрической энергии.
Данный пример не охватывает все возможные варианты реализации технического решения в соответствии с концепцией предложения.
На схеме обозначены:
источник 1 постоянного тока с одним 2 и другим 3 полюсами, датчик 4 напряжения, датчик 5 напряжения однофазной сети, блок 6 управления, первый 7, второй 8 и третий 9 входы блока 6 управления, первый 10, второй 11, третий 12 и четвертый 13 выходы блока 6 управления, первый 14 и второй 15 датчики тока, один 16 и другой 17 конденсаторы, последовательно включенные по силовой цепи транзисторы 18 и 19, параллельно которым подключены диоды 20 и 21, дроссель 22, реле 23 с одним 24 и другим 25 замыкающими контактами, одна 26 и другая 27 шины переменного тока, фазовый детектор 28, первый 29 и второй 30 модули квадратурных сигналов, транзисторный ключ 31.
Предлагаемое устройство функционирует следующим образом.
Первый модуль квадратурных сигналов 29 синтезирует из сигнала, поступающего от датчика 5 напряжения однофазной сети, квадратурные сигналы без задержек, возникающих из-за искажений входного напряжения:
где V - амплитуда управляющего воздействия;
z - искомый сдвиг фаза;
z′ - определяемый сдвиг фазы.
При этом первый модуль 29 квадратурных сигналов осуществляет преобразование Парка-Горева путем определения проекций обобщенного вектора на ортогональные оси подвижной системы координат dq, вращающейся относительно неподвижной системы координат αβ:
.
Затем фазовый детектор 28 при синхронизации выходного напряжения преобразователя, а с однофазным напряжением сети по частоте формирует выходной сигнал:
.
В векторной интерпретации означает, что подвижная система координат dq имеет угол z′ относительно системы αβ, образуя виртуальный вектор  dq с проекциями vd и vq на ортогональные оси dq. В физическом смысле, проекция вектора на ось d определяет активную составляющую (vd), на ось q - реактивную составляющую (vq). При этом посредством изменения угла проекции снижают реактивную составляющую до значений близких нулю, что обеспечивает повышение коэффициента мощности устройства.
Одновременно второй модуль 30 квадратурных сигналов осуществляет обработку сигнала от фазового детектора 28 относительно выходного тока устройства, сигнал которого формирует второй датчик 15 тока.
В результате блок 6 управления подает широтно-импульсные сигналы управления на транзисторы 18 и 19 и транзисторный ключ 31, которые формируют однофазное выходное напряжение, синхронное с однофазным напряжением сети. При этом к одной шине 26 переменного тока приложен полюс 3 (положительный) источника 1 постоянного тока, когда открыт первый транзистор 18, и полюс 2 (отрицательный) источника 1 постоянного тока, когда открыт второй транзистор 19, и нулевое напряжение, когда открыт транзисторный ключ 31.
Один 24 и другой 25 замыкающие контакты реле 23 в штатных режимах работы всегда замкнуты. Основной функцией реле 23 является отключение преобразователя от однофазной сети в случае аварийного режима работы.
Предлагаемый преобразователь обеспечивает высокий коэффициент мощности устройства за счет учета высокочастотных составляющих напряжения однофазной сети и низкие потери мощности в связи с формированием нулевой паузы посредством одного полупроводникового прибора.
Заявителем изготовлены и успешно испытаны опытные образцы предлагаемого устройства для электропитания, выполненного в виде законченного функционального узла.
Использование предлагаемого технического решения обеспечивает повышение эффективности работы устройства при ограниченной емкости накопительного конденсатора и снижение установленной мощности источника питания переменного тока.