ПОВЫШАЮЩИЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ
BOOSTING VOLTAGE RECTIFIER

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники, в частности, к статическим повышающим электрическим преобразователям переменного напряжения в постоянное напряжение, а так же может быть использовано в составе двухзвенного преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока.
Известен выпрямитель напряжения (патент №50, класс 21 с, 04.04.1923, заявленное свидетельство 76582, Устройство для выпрямления многофазного тока, А.Н. Ларионов), содержащий шесть диодов собранных по трехфазной мостовой схеме (схема Ларионова). Достоинством такого выпрямителя является простота конструкции, минимум полупроводниковых приборов с естественной коммутацией, а так же высокая степень надежности. Недостатком известного устройства является отсутствие возможности регулирования напряжения в звене постоянного тока средствами самого выпрямителя напряжения.
Известна схема трехфазного управляемого двухполупериодного выпрямителя напряжения (патент US 4797802, Multiple phase rectifier with active filter for removing noise in triggering signals and digital phase shift compensator for phase shifting signal passed through, класс H02M 1/084, дата выдачи 10.01.1989 г.), содержащего шесть полууправляемых полупроводниковых элементов - тиристоров включенных по схеме Ларионова. Достоинством известной конструкции является возможность регулирования напряжения в звене постоянного тока вниз относительно напряжения определяемого схемой неуправляемого выпрямителя напряжения. Недостатком известной конструкции является возможность регулирования напряжения звена постоянного тока только вниз относительно напряжения определяемого схемой неуправляемого выпрямителя напряжения, а также искажения формы напряжения питающей сети. К недостаткам известного выпрямителя также можно отнести генерацию выпрямителем в питающую сеть коммутационных помех вызванных работой тиристоров.
Известна схема активного выпрямителя напряжения (патент US 20120300519 (А1), класс Н02М 7/217, 29.11.2012, Multi-phase active rectifier, авторы James Н. Clemmons, Nicholas Wlaznik) содержащая дроссели включенные между источником переменного напряжения и входными выводами выпрямителя напряжения и конденсатор подключенный на выход выпрямителя напряжения. Причем выпрямитель напряжения выполнен на шести транзисторах каждому из которых антипаралельно подключен диод и собранных по схеме Ларионова. Достоинством известной схемы является возможность регулирования напряжения звена постоянного тока вверх относительно напряжения определяемого схемой неуправляемого выпрямителя напряжения. К достоинствам известной схемы также следует отнести возможность рекуперации энергии со стороны постоянного тока в питающую сеть, а также потребление из сети практически синусоидального тока и отсутствие искажении напряжения питающей сети. Недостатком же такого выпрямителя являются наличие габаритных дросселей установленных на входе выпрямителя, а также наличие большого количества полупроводниковых элементов и сложная система управления таким выпрямителем напряжения.
Известна схема активного выпрямителя напряжения (патент RU 2540110 (С2), класс Н02М 5/42, 23.04.2013, Обратимый преобразователь частоты, авторы Гельвер А.А., Гельвер Ф.А., Хомяк В.А., Калинин И.М., Лазаревский Н.А.), содержащая дроссели, включенные между источником переменного напряжения и входными выводами выпрямителя напряжения и двухуровневый инвертор напряжения и конденсатор подключенные на выход выпрямителя напряжения. Причем выпрямитель напряжения выполнен на шести одинаковых полупроводниковых цепочках собранных по схеме Ларионова. Каждая из полупроводниковых цепочек содержит транзистор и последовательно встречно включенный тиристор, причем параллельно каждому из этих элементов включен антипараллельный диод. Достоинством такой схемы является возможность регулирования напряжения звена постоянного тока как вверх, так и вниз относительно напряжения определяемого схемой неуправляемого выпрямителя напряжения. К недостаткам известной схемы относится наличие большого количества полупроводниковых элементов схемы, причем половина, из которых является управляемыми а, следовательно, более сложная аппаратная часть системы управления и более сложные алгоритмы управления таким выпрямителем напряжения (преобразователем частоты).
Наиболее близким по технической сущности является схема повышающего выпрямителя напряжения (патент FR 2921211 (А1), класс Н02М 7/217, 20.03.2009, Systeme de redressement actif ameliore a correction du facteur de puissance, автор Baker Donal) содержащая входной фильтр из трех конденсаторов соединенных звездой и подключенных к сетевым выводам питающей сети содержащей нулевой провод и трех дросселей установленных последовательно между фазными выводами питающей сети и входами выпрямителя напряжения. Выпрямитель напряжения собран на восемнадцати диодах, трех транзисторах и двух конденсаторах звена постоянного тока соединенных последовательно общая точка, которых подключена к нулевому выводу питающей сети. Достоинством такого повышающего выпрямителя напряжения является получение двух уровней напряжения звена постоянного тока и наличие всего трех полностью управляемых силовых ключей - транзисторов и как следствие более простая система управления. Недостатком прототипа является необходимость наличия нулевого вывода питающей сети, большое число диодов, большие потери энергии вследствие большого числа одновременно работающих полупроводниковых ключей (диодов и транзисторов).
Задачей предлагаемого изобретения является реализация повышающего выпрямителя напряжения с использованием меньшего количества полупроводниковых элементов, а также повышение К.П.Д. такого выпрямителя за счет сокращения числа полупроводниковых элементов обтекаемых током в каждый момент времени. К достоинствам предложенного повышающего выпрямителя напряжения является использование всего одного полностью управляемого полупроводникового элемента - транзистора и как следствие упрощается как аппаратная, так и программная часть системы управления. Отличительной особенностью предложения является простота схемной реализации при сохранении тех же функциональных возможностей присущих множеству существующих схем повышающих выпрямителей напряжения.
Решение поставленной задачи позволит сократить до минимума количество полностью управляемых полупроводниковых элементов схемы - транзисторов, повысить К.П.Д. выпрямителя напряжения, уменьшить количество драйверов и значительно упростить систему управления. Предложенная схема выпрямителя напряжения позволит сократить тепловыделения в силовых элементах предложенного выпрямителя напряжения, за счет сокращения числа одновременно работающих диодов и всего одного транзистора. Повышающий выпрямитель напряжения также позволяет повысить надежность, эффективность и улучшить эксплуатационные характеристики. При необходимости получения трех уровней напряжения в звене постоянного тока повышающий выпрямитель напряжения может быть дополнительно снабжен транзистором, диодом и конденсатором, а так же необходимо предусмотреть его питание от питающей сети, содержащей рабочий нулевой провод.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в повышающем выпрямителе напряжения, состоящим из источника многофазного переменного напряжения, системы управления, дросселей, число которых равно числу фаз источника многофазного переменного напряжения, неуправляемого выпрямителя напряжения собранного на диодах, транзистора и конденсатора, дроссели включены между выводами источника многофазного переменного напряжения и входом неуправляемого выпрямителя напряжения, причем часть диодов неуправляемого выпрямителя напряжения, количество которых равно числу фаз источника многофазного переменного напряжения соединены между собой катодами, а другая часть диодов, количество которых также равно числу фаз источника многофазного переменного напряжения соединены между собой анодами и подключены к минусовому выводу повышающего выпрямителя напряжения, а плюсовой вывод повышающего выпрямителя напряжения подключен к положительной обкладке конденсатора, предусмотрены следующие отличия: повышающий выпрямитель напряжения содержит дополнительный диод, анод которого подключен к коллектору транзистора и к катодам группы диодов неуправляемого выпрямителя напряжения соединенных между собой катодами, катод дополнительного диода соединен с плюсовым выводом повышающего выпрямителя напряжения, эмиттер транзистора соединен с минусовым выводом повышающего выпрямителя напряжения и отрицательной обкладкой конденсатора, анод каждого диода из группы диодов, катоды которых соединены между собой соединен с катодом своего диода из группы диодов, аноды которых соединены между собой и соединен каждый со своим входом выпрямителя напряжения.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в повышающем выпрямителе напряжения, состоящим из источника многофазного переменного напряжения который содержит рабочий нулевой вывод, системы управления, дросселей, число которых равно числу фаз источника многофазного переменного напряжения, неуправляемого выпрямителя напряжения, собранного на диодах, транзисторы и два конденсатора, причем дроссели включены между фазными выводами источника многофазного переменного напряжения и входом неуправляемого выпрямителя напряжения, два конденсатора включены согласованно последовательно, а общая точка конденсаторов подключена к нулевому выводу источника многофазного переменного напряжения и выходному нулевому выводу повышающего выпрямителя напряжения, при этом плюсовой вывод конденсаторов подключен к плюсовому выводу повышающего выпрямителя напряжения, минусовой вывод конденсаторов подключен к минусовому выводу повышающего выпрямителя напряжения, часть диодов неуправляемого выпрямителя напряжения количество которых равно числу фаз источника многофазного переменного напряжения соединены между собой катодами, другая часть диодов количество которых также равно числу фаз источника многофазного переменного напряжения соединены между собой анодами, предусмотрены следующие отличия: повышающий выпрямитель напряжения содержит два дополнительных диода, причем анод первого дополнительного диода подключен к коллектору первого транзистора и к катодам группы диодов неуправляемого выпрямителя напряжения соединенных между собой катодами, катод первого дополнительного диода соединен с плюсовым выводом повышающего выпрямителя напряжения, эмиттер первого транзистора соединен с коллектором второго транзистора и с общей точкой конденсаторов, эмиттер второго транзистора соединен с катодом второго дополнительного диода и анодами группы диодов неуправляемого выпрямителя напряжения соединенных между собой анодами, анод второго дополнительного диода соединен с минусовым выводом повышающего выпрямителя напряжения, анод каждого диода неуправляемого выпрямителя напряжения из группы диодов, катоды которых соединены между собой соединен с катодом своего диода неуправляемого выпрямителя напряжения из группы диодов, аноды которых соединены между собой и соединен каждый со своим входом неуправляемого выпрямителя напряжения.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На Фиг. 1 - представлена схема многофазного двухуровневого повышающего выпрямителя напряжения, на Фиг. 2 представлена схема многофазного трехуровневого повышающего выпрямителя напряжения, на Фиг. 3 - схема двухзвенного двухуровневого преобразователя частоты построенного на основе многофазного повышающего выпрямителя напряжения, на Фиг. 4 - схема трехуровневого преобразователя частоты построенного на основе многофазного повышающего выпрямителя напряжения с трехуровневым инвертором напряжения с отсекающими диодами, на Фиг. 5 - схема трехуровневого преобразователя частоты построенного на основе многофазного повышающего выпрямителя напряжения с мостовым Т-образным трехуровневым инвертором напряжения.
Повышающий выпрямитель напряжения, схема которого представлена на Фиг. 1, содержит источник многофазного переменного напряжения 1, систему управления 2, дроссели 3-1÷3-n, число которых равно числу фаз источника многофазного переменного напряжения 1, неуправляемый выпрямитель напряжения 4 собранный на диодах 5-1÷5-(2⋅n), транзистор 6 и конденсатор 7. Дроссели 3-1÷3-n включены между выводами источника многофазного переменного напряжения 1 и входом неуправляемого выпрямителя напряжения 4. Часть диодов 5-1÷5-n неуправляемого выпрямителя напряжения 4, количество которых равно числу фаз источника многофазного переменного напряжения 1 соединены между собой катодами. Другая часть диодов 5-(n+1)÷5-(2⋅n) количество которых также равно числу фаз источника многофазного переменного напряжения 1 соединены между собой анодами и подключены к минусовому выводу 8 повышающего выпрямителя напряжения. Плюсовой вывод 9 повышающего выпрямителя напряжения подключен к положительной обкладке конденсатора 7. Повышающий выпрямитель напряжения содержит дополнительный диод 10, анод которого подключен к коллектору транзистора 6 и к катодам группы диодов 5-1÷5-n неуправляемого выпрямителя напряжения 4 соединенных между собой катодами. Катод дополнительного диода 10 соединен с плюсовым выводом 9 повышающего выпрямителя напряжения. Эмиттер транзистора 6 соединен с минусовым выводом 8 повышающего выпрямителя напряжения и отрицательной обкладкой конденсатора 7. Анод каждого диода 5-1 (5-2÷5-n) из группы диодов 5-1÷5-n, катоды которых соединены между собой соединен с катодом своего диода 5-(n+1)(5-(n+2)÷5-(2⋅n)) из группы диодов 5-(n+1)÷5-(2⋅n), аноды которых соединены между собой и соединен каждый со своим входом неуправляемого выпрямителя напряжения 4.
Повышающий выпрямитель напряжения, схема которого представлена на Фиг. 2, содержит источник многофазного переменного напряжения 1 который содержит рабочий нулевой вывод, систему управления 2, дроссели 3-1÷3-n число которых равно числу фаз источника многофазного переменного напряжения 1, неуправляемый выпрямитель напряжения 4 собранный на диодах 5-1÷5-(2⋅n), транзисторы 6, 11 и два конденсатора 7, 12. Дроссели 3-1÷3-n включены между фазными выводами источника многофазного переменного напряжения 1 и входом неуправляемого выпрямителя напряжения 4. Два конденсатора 7, 12 включены согласованно последовательно, а общая точка конденсаторов 7, 12 подключена к нулевому выводу источника многофазного переменного напряжения 1 и выходному нулевому выводу 13 повышающего выпрямителя напряжения. Плюсовой вывод конденсаторов 7, 12 подключен к плюсовому выводу 9 повышающего выпрямителя напряжения. Минусовой вывод конденсаторов 7, 12 подключен к минусовому выводу 8 повышающего выпрямителя напряжения. Часть диодов 5-1÷5-n неуправляемого выпрямителя напряжения 4 количество которых равно числу фаз источника многофазного переменного напряжения 1 соединены между собой катодами. Другая часть диодов 5-(n+1)÷5-(2⋅n) количество которых также равно числу фаз источника многофазного переменного напряжения 1 соединены между собой анодами. Повышающий выпрямитель напряжения, содержит два дополнительных диода 10, 14. Анод первого дополнительного диода 10 подключен к коллектору первого транзистора 6 и к катодам группы диодов 5-1÷5-n неуправляемого выпрямителя напряжения 4 соединенных между собой катодами. Катод первого дополнительного диода 10 соединен с плюсовым выводом 9 повышающего выпрямителя напряжения. Эмиттер первого транзистора 6 соединен с коллектором второго транзистора 11 и с общей точкой конденсаторов 7, 12. Эмиттер второго транзистора 11 соединен с катодом второго дополнительного диода 14 и анодами группы диодов 5-(n+1)÷5-(2⋅n) неуправляемого выпрямителя напряжения 4 соединенных между собой анодами. Анод второго дополнительного диода 14 соединен с минусовым выводом 8 повышающего выпрямителя напряжения. Анод каждого диода 5-1 (5-2÷5-n) неуправляемого выпрямителя напряжения 4 из группы диодов 5-1÷5-n, катоды которых соединены между собой соединен с катодом своего диода 5-(n+1)(5-(n+2)÷5-(2⋅n)) неуправляемого выпрямителя напряжения 4 из группы диодов 5-(n+1)÷5-(2⋅n), аноды которых соединены между собой и соединен каждый со своим входом неуправляемого выпрямителя напряжения 4.
L
Работа повышающего выпрямителя напряжения происходит следующим образом. При наличии напряжения на фазах источника многофазного переменного напряжения 1 повышающего выпрямителя напряжения изображенного на Фиг. 1 между плюсовым 9 и минусовым 8 выводам повышающего выпрямителя напряжения образуется напряжение определяемое уровнем напряжения неуправляемого выпрямителя напряжения 4 за минусом падения напряжения на дросселях 3-1÷3-n и дополнительном диоде 10. При этом конденсатор 7 осуществляет сглаживание пульсации выпрямленного напряжения, выполняя роль фильтра. При необходимости повышения напряжения на выходе повышающего выпрямителя напряжения система управления 2 выполняет управление транзистором 6 по закону широтно-импульсной модуляции (ШИМ). При этом транзистор 6 работает исключительно в ключевом режиме работы. При включении транзистора 6 происходит нарастание тока протекающего через дроссели 3-1÷3-n при этом они накапливают энергию, а напряжение на дросселях определяется согласно  где L - индуктивность дросселя, i - ток протекающий через дроссель. При отключении транзистора 6 энергия, накопленная в дросселях 3-1÷3-n передается через неуправляемый выпрямитель напряжения 4 и дополнительный диод 10 на заряд конденсатора 7 и на нагрузку, подключенную к плюсовому 9 и минусовому 8 выводам повышающего выпрямителя напряжения. При этом напряжение на выходе повышающего выпрямителя напряжения определяется уровнем напряжения источника многофазного переменного напряжения 1 и падением напряжения на дросселях,  а так же коэффициентом схемы неуправляемого выпрямителя напряжения 4. Дополнительный диод 10 выполняет роль отсекающего, исключая закорачивание конденсатора 7 при включении транзистора 6. Изменяя величину скважности (отношения времени включенного состояния транзистора к периоду модуляции) работы транзистора при фиксированной частоте ШИМ можно осуществлять регулирование напряжения на дросселях, а соответственно осуществлять регулирование напряжения между плюсовым 9 и минусовым 8 выводами повышающего выпрямителя напряжения. Дроссели 3-1÷3-n кроме функции накопителя энергии осуществляют сглаживание тока потребляемого повышающим выпрямителем напряжения из сети.
На Фиг. 3 представлен вариант схемы двухзвенного двухуровневого преобразователя частоты построенного на основе многофазного повышающего выпрямителя напряжения на выход, которого подключен трехфазный двухуровневый инвертор напряжения 15. Следует отметить, что инвертор напряжения 15 может быть выполнен с любым количеством выходных фаз. Такое схемное решение позволяет регулировать напряжение питания инвертора напряжения 15 для получения требуемого уровня напряжения на выходе двухзвенного преобразователя частоты.
Предложенная схема (Фиг. 1, Фиг. 3) отличается простой структурой силовой части и содержит всего лишь один полностью управляемый полупроводниковый элемент - транзистор 6. Достоинством схемы является высокая надежность и высокий К.П.Д. за счет снижения количества полупроводниковых элементов работающих в каждый момент времени, а так же значительно упрощается система управления.
На Фиг. 2 изображен вариант схемы повышающего выпрямителя постоянного напряжения позволяющего получать три уровня напряжения на своем выходе. Следует отметить что схема повышающего выпрямителя напряжения изображенная на Фиг. 2 позволяет изменять уровни двух из трех напряжении независимо а третий уровень напряжения получается как сумма двух независимых уровней напряжения.
Работа повышающего выпрямителя напряжения изображенного на Фиг. 2 происходит следующим образом. При наличии напряжения на фазах источника многофазного переменного напряжения 1 повышающего выпрямителя напряжения изображенного на Фиг. 2 между плюсовым 9 и нулевым 13 выходными выводами, а так же между минусовым 8 и нулевым 13 выходными выводами повышающего выпрямителя напряжения образуются напряжения определяемые уровнями напряжении однополупериодных многофазных выпрямителей собранных на диодах 5-1÷5-n и 5-(n+1)÷5-(2⋅n) неуправляемого выпрямителя напряжения 4 соответственно. При этом выпрямитель, собранный на диодах 5-1÷5-n образует катодную группу выпрямления, а выпрямитель, собранный на диодах 5-(n+1)÷5-(2⋅n) образует анодную группу выпрямления выходных напряжении между выводами плюсовым 9 и нулевым 13 и между минусовым 8 и нулевым 13 выводами повышающего выпрямителя напряжения соответственно. При этом конденсаторы 7, 12 осуществляют сглаживание пульсации выпрямленного напряжения, выполняя роль фильтров. При неработающих транзисторах 6 и 11 средние напряжения между выводами плюсовым 9 и нулевым 13 и между минусовым 8 и нулевым 13 выводами одинаковые.
L
При необходимости повышения напряжения на выходах повышающего выпрямителя напряжения система управления 2 выполняет управление транзисторами 6 и 11 по закону широтно-импульсной модуляции (ШИМ). При этом транзисторы 6 и 11 работают исключительно в ключевом режиме работы. При включении транзисторов 6 и (или) 11 происходит нарастание тока протекающего через дроссели 3-1÷3-n при этом дроссели 3-1÷3-n накапливают энергию, а напряжение на дросселях определяется согласно  где L - индуктивность дросселя, i - ток протекающий через дроссель. При отключении транзисторов 6 и (или) 11 энергия, накопленная в дросселях 3-1÷3-n передается через неуправляемый выпрямитель напряжения 4 и дополнительные диоды 10, 14 на заряд конденсаторов 7, 12 и на нагрузку, подключенную к плюсовому 9, нулевому 13 и минусовому 8 выводам повышающего выпрямителя напряжения. При этом напряжение на выходе повышающего выпрямителя напряжения определяется уровнем напряжения источника многофазного переменного напряжения 1 и падением напряжения на дросселях,  а так же коэффициентом схемы неуправляемого выпрямителя напряжения 4. Дополнительные диоды 10, 14 выполняют роль отсекающих, исключая закорачивание конденсаторов 7, 12 при включении транзисторов 6, 11. Изменяя величину скважности (отношения времени включенного состояния транзистора к периоду модуляции) работы транзисторов 6 и 11 при фиксированной частоте ШИМ можно осуществлять регулирование напряжения на дросселях 3-1÷3-n, а соответственно осуществлять регулирование напряжения между плюсовым 9 и нулевым 13 выводами, а также напряжения между минусовым 8 и нулевым 13 выводами повышающего выпрямителя напряжения.
На Фиг. 4 представлен вариант схемы двухзвенного трехуровневого преобразователя частоты построенного на основе многофазного повышающего выпрямителя напряжения на выход, которого подключен трехфазный трехуровневый инвертор напряжения 16 выполненный по схеме трехуровневого инвертора напряжения с отсекающими диодами. На Фиг. 5 представлен вариант схемы двухзвенного трехуровневого преобразователя частоты построенного на основе многофазного повышающего выпрямителя напряжения на выход, которого подключен трехфазный трехуровневый инвертор напряжения 17 выполненный по мостовой схеме с Т-образным трехуровневым инвертором напряжения. Следует отметить, что инверторы напряжения 16 и 17 могут быть выполнены с любым количеством выходных фаз. Такое схемное решение позволяет регулировать напряжение питания инверторов напряжения 16 и 17 для получения требуемого уровня напряжения на выходе двухзвенного преобразователя частоты. Предложенная схема (Фиг. 2, Фиг. 4, Фиг. 5) отличается простой структурой силовой части и содержит два полностью управляемых полупроводниковых элемента - транзистора 6 и 11. При этом предложенная схема позволяет получать три различных уровня напряжения на выходе повышающего выпрямителя напряжения. Достоинством схемы является высокая надежность и высокий К.П.Д. за счет снижения количества полупроводниковых элементов работающих в каждый момент времени, а так же значительно упрощается система управления.
Таким образом, предлагаемый повышающий выпрямитель напряжения позволяет уменьшить число полупроводниковых элементов силовой схемы, повысить К.П.Д., улучшить функциональные возможности, упростить систему управления, повысить надежность при его работе, снизить вес, габарит и стоимость повышающего выпрямителя напряжения. Кроме того предложенный повышающий выпрямитель напряжения с двумя транзисторами позволяет создать схему повышающего трехуровневого выпрямителя напряжения без использования согласующего трансформатора и может быть использована в составе многоуровневых двухзвенных преобразователей частоты для питания инверторов напряжения.