ТРЕХФАЗНОЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
THREE-PHASE RECTIFYING DEVICE

Изобретение относится к электротехнике, а именно к трехфазным выпрямительным устройствам (ВУ) с бестрансформаторным входом (БТВ) на основе импульсных стабилизированных преобразователей высокой частоты (конверторов).
Изобретение может быть использовано в системах электроснабжения подвижных объектов связи, где требуются малогабаритные и надежные ВУ мощностью несколько единиц кВт с синусоидальной формой входного тока, работающие от электроагрегатов соизмеримой мощности с трехфазным линейным напряжением 380 В.
Известны трехфазные выпрямители с БТВ, удовлетворяющие большинству требований, состоящие из диодного моста, корректора коэффициента мощности (ККМ) и конвертора [1].
Современные выпрямительные устройства в основном базируются на мостовом конверторе, работающем на частоте 100 кГц и выше с фазовой модуляцией [1, 2]. В преобразователе коммутация ключей происходит при нулевом напряжении. На затвор МДП-транзисторов подается сигнал на отпирание, только когда напряжение сток-исток равно нулю. В таком конверторе статические и динамические потери минимизированы, что позволяет получить высокий КПД порядка 92…94%. Кроме того, высокое быстродействие МДП-транзисторов позволяет работать на высокой частоте, что обеспечивает уменьшение габаритов мощных ККМ и конверторов. В настоящее время портативные, высокоэффективные ВУ проектируются исключительно на таких транзисторах. Но из-за сложности схемотехнических решений и большого количества мощных дискретных элементов, не поддающихся интеграции, их надежность оказалась недостаточной для применения в современной аппаратуре связи (АС).
о
о
о
о
Анализ ВУ, имеющих одинаковую структуру и выполненных на элементной базе примерно одной степени интеграции, показывает, что по мере увеличения мощности время наработки на отказ Т уменьшается. При мощности 1 кВт значение Т не превышает 50 тыс. часов [2], тогда как в современной АС на микросхемах требуемое значение Т составляет сотни тыс. часов. Чтобы сохранить установившееся процентное соотношение (20%) для отказов блоков питания в АС, ВУ должны иметь значение Т, как минимум, 500 тыс. часов.
н
н
о
Одним из перспективных путей создания мощного ВУ, удовлетворяющего требованиям по надежности АС, является их модульное построение. Для получения необходимой надежности ВУ, рассчитанное на мощность Р, строится из n параллельно включенных основных модулей питания (далее - модулей) мощностью Р/n и в него вводятся к резервных. Уже при одном дополнительном модуле значение Т возрастает на несколько порядков, поэтому ВУ строятся по принципу «n+1» [2, 3, 4].
Необходимым условием получения такой высокой надежности является полный, достоверный контроль каждого модуля и замена модуля при включенном трехфазном выпрямительном устройстве [2]. Также для обеспечения параллельной работы в модуль необходимо встраивать устройство, обеспечивающее равномерное распределение тока [3]. Сигнал для регулирования выходного тока подается в модуль по дополнительному входу.
Известен выпрямитель [4], принятый за прототип, построенный на модулях с резервированием «n+1», причем каждый модуль содержит диодный мост, ККМ, построенный на базе импульсного регулятора повышающего типа [1, 4], и конвертор, выполненные на МДП-транзисторах. Но такой выпрямитель работает только от трехфазных сетей с напряжением 220 В.
Для большинства аппаратных связей необходимы ВУ, работающие от трехфазного напряжения 380 В. При таком напряжении элементы ВУ работают при максимальном напряжении на входе
вх.м
1
2
U=380×k×k,
1
1
где k - установившееся отклонение, k=1,15;
2
2
k - переходное отклонение, k=1,2.
Таким образом, напряжение на входе трехфазного моста
вх.м
U=380×1,15×1,2=524 В,
а напряжение на выходе трехфазного моста
вх.м
вх.м
3
U=U/k=524/0,74=742 В,
3
3
где k - коэффициент линейной ЭДС, k=0,74.
Напряжение на накопительном конденсаторе ККМ также нельзя устанавливать менее 742 В [1]. Такое же напряжение прикладывается к МДП-транзисторам ККМ и конверторов.
4
д
4
вх.м
С учетом минимального запаса по напряжению k=1,2 для обеспечения надежности необходим транзистор с допустимым напряжением U=k×U, т.е.
д
4
вх.м
U=k × U=1,2×742=890 В.
В настоящее время МДП-транзисторов с таким напряжением нет.
В будущем, возможно, будут разработаны МДП-транзисторы с напряжением стока более 900 В, но заведомо с более низкими динамическими характеристиками и большим сопротивлением канала, чем низковольтные.
Известные трехфазные ККМ по схеме Виетта-выпрямитель позволяют использовать транзисторы с два раза меньшим напряжением, однако такие ККМ содержат много ключей и реактивных элементов, в связи с чем имеют большие массогабаритные показатели. Применяются в промышленности при мощности десятки кВт и не пригодны для малогабаритного модульного исполнения с резервированием «n+1».
Целью изобретения является обеспечение возможности работы выпрямительного устройства от трехфазных сетей с линейным напряжением 380 В.
Поставленная цель достигается тем, что выпрямительное устройство строится из трех однофазных, каждое из которых выполнено на модулях питания с резервированием «n+1», при этом модуль первого однофазного выпрямителя одним входом подключен к фазе А, второго - к фазе В, третьего - к фазе С, другим входом все модули подключены к нейтрали.
Сопоставимый анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличатся новым схемотехническим решением. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения «новизна».
Сравнение заявляемого устройства с прототипом показывает, что благодаря новому схемотехническому решению появляется новое свойство заявляемого устройства, заключающееся в обеспечении его работы от входного напряжения 380 В. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «существенные отличия».
На рисунке изображена структурная схема трехфазного выпрямительного устройства, в состав которой входят:
1 - первый однофазный выпрямитель;
2 - второй однофазный выпрямитель;
3 - третий однофазный выпрямитель;
4 - модули питания;
5 - разъемы модулей питания.
Как показано на рисунке, трехфазное выпрямительное устройство содержит три одинаковых однофазных выпрямителя, каждый из которых состоит из (п+1) модулей питания 4, соединенных параллельно.
При этом модули питания 4 первого однофазного выпрямителя 1 одним входом через контакт «а» разъема модулей питания 5 соединены с фазой А, модули питания 4 второго однофазного выпрямителя 2 одним входом через контакт «а» разъема модулей питания 5 соединены с фазой В, модули питания 4 третьего 3 однофазного выпрямителя одним входом через контакт «а» разъема модулей питания 5 соединены с фазой С, вторые входы всех модулей питания 4 всех однофазных выпрямителей 1,2,3 соединены с нейтралью, выходы всех модулей питания 4 через контакты «в» и «г» разъема модулей питания 5 подключены к выходу трехфазного выпрямителя, а дополнительные выводы модулей питания, предназначенные для подачи сигнала регулирования выходного тока при параллельной работе, которые на рисунке сокращенно обозначены как «ПАР», выведены через контакт «е» и в каждом однофазном выпрямителе соединены между собой.
Трехфазное выпрямительное устройство работает следующим образом.
На вход каждого модуля питания 4 поступает однофазное напряжение. ККМ модулей, выполненные на базе импульсных регуляторов повышающего типа, обеспечивают получение синосоидальной формы потребляемого тока и стабилизацию напряжения на уровне амплитуды сетевого напряжения. Конвертор понижает это напряжение до необходимого уровня 28,5 В.
н
н
В рабочем режиме каждый однофазный выпрямитель отдает в нагрузку мощность Р/3, а каждый модуль Р/3(п+1).
н
При отказе одного из модулей в однофазном выпрямителе выходная мощность восполняется оставшимися работоспособными, при этом каждый модуль отдает в нагрузку мощность Р/3п. Замена отказавшего модуля производится при работающем выпрямителе.
Техническим результатом заявляемого технического устройства является возможность работы выпрямительного устройства от трехфазных сетей с линейным напряжением 380 В.
Следовательно, можно сделать вывод, что цель, поставленная перед данным изобретением - обеспечение возможности работы выпрямительного устройства от трехфазных сетей с линейным напряжением 380 В - достигнута.
К достоинствам предложенного трехфазного выпрямительного устройств относятся простота его реализации, основанная на использовании широко известных и применяемых электронных элементов и составных частей.
Предложенное трехфазное выпрямительное устройство может найти применение при создании высоконадежных устройств электропитания постоянным током различного назначения.
Технико-экономический эффект, обусловленный применением предложенного трехфазного выпрямительного устройства, заключается в существенном повышении надежности функционирования и увеличении срока эксплуатации построенных на его основе устройств электропитания постоянным током.
Количественная величина ожидаемого технико-экономического эффекта от использования предложенного трехфазного выпрямительного устройства зависит в первую очередь от области его применения и конкретных вариантов исполнения, - ее определение возможно только после его практической реализации.
Источники информации
1. Коротков С.М., Лукин А.В. Мощные AC-DC преобразователи для систем бесперебойного питания. /Электропитание. №2, 2015 г., стр. 22-25.
2. Плоткин И.Р., Нагайцев А.Н., Твердое И.В. Мощные модульные выпрямители с процентным резервированием. /Компоненты и технологии. №4, 2006 г., стр. 164-167.
3. Твердое И.В. и др. Параллельное включение модулей питания. / Электронные компоненты, №9, 2005 г., стр. 129-131.
4. HFE 1600 W1U-datasheet.