СТАБИЛИЗИРУЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТРЁХФАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ

Полезная модель относится к устройствам для преобразования энергии переменного тока на входе в энергию постоянного тока на выходе с промежуточными преобразованиями в постоянный и переменный ток.
Известны стабилизирующие источники вторичного электропитания постоянного тока с первичным питанием от сети переменного тока, выполненные по бестрансформаторной схеме (без низкочастотного силового трансформатора) на основе регулируемого по сигналам обратной связи высокочастотного инвертора, а также входного и выходного выпрямителей (SU 505100 A, H02M 5/42, 28.02.1976; SU 982162 A, H02M 3/335, 15.12.1982).
Однако в известных устройствах отсутствует защита от перегрузок по току и перенапряжений. Кроме того, в них не решена проблема плавного пуска, что обуславливает значительные провалы в сетевом напряжении при подаче питания.
Наиболее близким к предложенному является стабилизирующий преобразователь переменного, в частном случае трехфазного, напряжения в постоянное, имеющий в своем составе последовательно включенные входной выпрямитель, емкостной фильтр, блок обеспечения плавного заряда конденсатора емкостного фильтра, блок токовой защиты, транзисторный высокочастотный инвертор, высокочастотный понижающий трансформатор, выходной выпрямитель и фильтр, а также блок управления, включенный в контур обратной связи по выходному напряжению и связанный с управляющими входами инвертора (SU 951594 A, H02M 3/335, 15.08.1982).
Недостатки указанного устройства определяются неудовлетворительной защищенностью в аномальных режимах, в частности при перенапряжениях по входу и выходу, невысоким динамическим коэффициентом стабилизации вследствие использования только контура обратной связи по выходному напряжению и низким КПД из-за рассеивания на транзисторах инвертора значительной мощности при их переключениях.
Следует заметить, что в последнее время в источниках вторичного электропитания получили распространение технические решения, предусматривающие существенное уменьшение динамических потерь мощности на силовых транзисторах за счет их открытия при нулевом напряжении между силовыми электродами (Zero Voltage Switch - ZVS). (JP 5316726 A, H02M 3/28, 26.11.1993; JP 4210775 A, H02M 3/28, 31.07.1992; JP 8168239 A, H02M 3/155, 25.06.1996; JP 11262253 A, H02M 3/28, 24.09.1999; US 2002/0064060 A1, H02M 3/335, 30.05.2002; US 2005/0185425 A1, H02M 3/335, 25.08.2005). Однако эти решения не сочетаются в комплексе с другими техническими мероприятиями по повышению технических показателей источников вторичного электропитания.
Задачей полезной модели является обеспечение надежной защиты стабилизирующего преобразователя, а также повышение качества стабилизации и экономичности устройства. Технический результат заключается в повышении надежности работы преобразователя и расширении области его практического использования.
Поставленная задача решается предложенным стабилизирующим преобразователем переменного трехфазного напряжения в постоянное, содержащим последовательно включенные радиочастотный фильтр, входной выпрямитель, блок измерения и защиты входной, емкостной фильтр, транзисторный высокочастотный инвертор, высокочастотный понижающий трансформатор, выходной выпрямитель, LC-фильтр и блок измерения и защиты выходной, ограничитель напряжения, подключенный между входом и выходом блока измерения и защиты входного, а также блок управления, входы которого соединены с потенциальным измерительным выходом блока измерения и защиты выходного и токовыми и потенциальными измерительными выходами блока измерения и защиты выходного, а выходы - с управляющими входами инвертора и коммутирующими входами блока измерения и защиты выходного, при этом:
радиочастотный фильтр включен входом к входному выпрямителю, а выходом ко входу преобразователя,
блок измерения и защиты входной выполнен с возможностью измерения входного напряжения преобразователя, коммутации цепи питания преобразователя, обеспечения плавного заряда конденсатора емкостного фильтра перед включением преобразователя и его быстрого разряда после выключения преобразователя, а также с возможностью выключения преобразователя при перенапряжениях и токовых перегрузках по входу,
блок измерения и защиты выходной выполнен с возможностью измерения токов до и после конденсатора LC-фильтра, выходных напряжений преобразователя на конденсаторе LC фильтра и на нагрузке, с возможностью подключения минимальной встроенной нагрузки на холостом ходу преобразователя, а также с возможностью отключения внешней нагрузки,
блок управления выполнен с возможностью приема потенциальных измерительных сигналов от блока защиты входного, токовых и потенциальных измерительных сигналов от блока измерения и защиты выходного, формирования сигналов фазового управления транзисторами инвертора с их открытием при нулевом напряжении между силовыми электродами и стабилизацией выходного напряжения по отклонениям входного и выходного напряжений, входному и выходному токам и скорости изменения входного тока, компенсацией падения напряжения в выходных цепях при больших токах нагрузки и ограничением входного тока при перегрузке, а также формирования коммутирующих сигналов для блока измерения и защиты выходного с обеспечением подключения минимальной встроенной нагрузки на холостом ходу преобразователя, отключения преобразователя при перенапряжении в сети и отключения внешней нагрузки при перегрузке по выходному току.
Решению поставленной задачи способствуют частные существенные признаки полезной модели.
Входной выпрямитель выполнен по схеме Ларионова, обеспечивающей максимальную постоянную составляющую выпрямленного 3-х фазного напряжения и минимальную чувствительность к перекосу фаз.
Блок измерения и защиты входной содержит электронный автоматический выключатель, цепь заряда емкостного фильтра, делитель перепада напряжения, датчик тока, делитель напряжения, микроконтроллер с аналого-цифровым преобразователем и разрядник емкостного фильтра, при этом электронный автоматический выключатель и датчик тока включены последовательно в цепь между потенциальными выводами входного выпрямителя и емкостного фильтра преобразователя, цепь заряда емкостного фильтра и делитель перепада напряжения включены параллельно электронному автоматическому выключателю, делитель напряжения и разрядник емкостного фильтра включены на выходе данного блока, входы микроконтроллера соединены с выходами датчика тока, делителя напряжения и делителя перепада напряжения, а выходы - с управляющим входом цепи заряда емкостного фильтра и коммутирующим входом электронного автоматического выключателя, один из выходов микроконтроллера является потенциальным измерительным выходом блока измерения и защиты входного.
Емкостной фильтр выполнен с конденсатором, емкость которого определена как минимально необходимая для обеспечения заданного коэффициента мощности преобразователя.
Транзисторный высокочастотный инвертор выполнен по 4-х плечевой мостовой схеме, в диагональ которой включена первичная обмотка высокочастотного понижающего трансформатора.
Высокочастотный понижающий трансформатор может быть выполнен со вторичной обмоткой, имеющей среднюю точку, а выходной выпрямитель - по схеме 2-х полупериодного выпрямителя со средней точкой и рециркуляционным диодом.
Высокочастотный понижающий трансформатор может быть выполнен со вторичной обмоткой, не имеющей средней точки, а выходной выпрямитель - по схеме Греца.
Емкость и индуктивность LC-фильтра определены из условий заданной максимальной амплитуды пульсаций выходного напряжения, заданного максимального провала выходного напряжения при мгновенном подключении нагрузки и заданного максимального подброса выходного напряжения при мгновенном отключении нагрузки.
Блок измерения и защиты выходной содержит два датчика тока, два делителя напряжения, минимальную встроенную нагрузку и электронный автоматический выключатель, при этом датчики тока и электронный автоматический выключатель включены последовательно между дроссельным выводом LC-фильтра и внешней нагрузкой, общий вывод датчиков тока соединен с потенциальным выводом конденсатора LC-фильтра, один из делителей напряжения включен на выходе данного блока, а другой делитель напряжения и минимальная встроенная нагрузка - перед электронным автоматическим выключателем, выходы датчиков тока и делителей напряжения являются соответствующими токовыми и потенциальными выходами блока измерения и зашиты выходного, а коммутирующие входы минимальной встроенной нагрузки и электронного автоматического выключателя - его соответствующими коммутирующими входами.
Блок управления содержит микроконтроллер с АЦП, усилители сигналов с датчиков тока и делителей напряжений, генератор сигналов управления ZVS-инвертором, который может быть встроен в микроконтроллер, причем выходы усилителей соединены с соответствующими входами микроконтроллера, а вход генератора - с его выходом, входы усилителей предназначены для соединения с токовыми и потенциальными измерительными выходами блоков измерения и защиты входного и выходного, а выходы генератора - для соединения с управляющими входами транзисторного высокочастотного инвертора, дискретные выходы микроконтроллера предназначены для соединения с коммутирующими входами блока измерения и защиты выходного.
Блок управления может также содержать органы задания уставки выходного напряжения, органы индикации выходного напряжения и выходного тока, интерфейс внешнего управляющего компьютера и измерительный усилитель выходного напряжения на конце длинного кабеля, соединенные с дополнительными входами микроконтроллера.
На фиг. 1 представлена общая функциональная схема предложенного стабилизирующего преобразователя переменного трехфазного напряжения в постоянное, на фиг. 2 и 3 - функциональные схемы соответственно блока измерения и защиты входного и блока измерения и защиты выходного, а на фиг. 4 - функциональная схема блока управления.
Стабилизирующий преобразователь содержит последовательно включенные радиочастотный фильтр 1 (фиг. 1), входной выпрямитель 2, блок 3 измерения и защиты входной, емкостной фильтр 4, транзисторный высокочастотный инвертор (ZVS-инвертор) 5, высокочастотный понижающий трансформатор 6, выходной выпрямитель 7, LC-фильтр 8, блок 9 измерения и защиты выходной, ограничитель напряжения 10, включенный между входом и выходом блока 3 измерения и защиты входного, а также блок 11 управления. (Внешняя нагрузка преобразователя на схеме не показана).
Входы блока 11 управления соединены с потенциальным выходом блока 3 измерения и зашиты входного и токовыми и потенциальными выходами блока 9 измерения и защиты выходного, а выходы - с управляющими входами инвертора 5 и коммутирующими входами блока 9 измерения и защиты выходного.
Блок 3 измерения и защиты входной выполнен с возможностью измерения входного напряжения преобразователя, коммутации цепи питания преобразователя, обеспечения плавного заряда конденсатора емкостного фильтра 4 перед включением преобразователя и его быстрого разряда после выключения преобразователя, а также с возможностью выключения преобразователя при перенапряжениях и токовых перегрузках по входу.
Блок 9 измерения и защиты выходной выполнен с возможностью измерения токов до и после конденсатора LC-фильтра 8, выходных напряжений преобразователя на холостом ходу и под нагрузкой, с возможностью подключения минимальной встроенной нагрузки на холостом ходу преобразователя, а также с возможностью отключения внешней нагрузки.
Ограничитель напряжения 10 выбирается с напряжением ограничения большим, чем максимальное допустимое линейное амплитудное напряжение 3-х-фазной сети, но меньшим, чем максимальное допустимое напряжение между входом и выходом блока измерения и защиты входного.
Блок 11 управления выполнен с возможностью приема потенциальных измерительных сигналов от блока 3 защиты входного, токовых и потенциальных измерительных сигналов от блока 9 измерения и защиты выходного, формирования сигналов фазового управления транзисторами инвертора 5 с их открытием при нулевом напряжении между силовыми электродами и стабилизацией выходного напряжения по отклонениям входного и выходного напряжений, входному и выходному токам и скорости изменения входного тока, компенсацией падения напряжения в выходных цепях при больших токах нагрузки и ограничением входного тока при перегрузке, а также формирования коммутирующих сигналов для блока 9 измерения и защиты выходного с обеспечением подключения минимальной встроенной нагрузки на холостом ходу преобразователя, отключения инвертора при перенапряжении в сети и отключения внешней нагрузки при перегрузке по выходному току.
Входной выпрямитель 2 выполнен по схеме Ларионова, обеспечивающей максимальную постоянную составляющую выпрямленного 3-х фазного напряжения и минимальную чувствительность к перекосу фаз.
Блок 3 измерения и защиты входной содержит электронный автоматический выключатель 12 (фиг. 2), цепь 13 заряда емкостного фильтра, делитель 14 перепада напряжения, датчик 15 тока, делитель 16 напряжения, микроконтроллер 17 с АЦП и разрядник 18 емкостного фильтра. Электронный автоматический выключатель 12 и датчик 15 тока включены последовательно в цепь между потенциальными выводами входного выпрямителя 2 и емкостного фильтра 4 преобразователя. Цепь 13 заряда емкостного фильтра и делитель 14 перепада напряжения включены параллельно электронному автоматическому выключателю 12. Делитель 16 напряжения и разрядник 18 емкостного фильтра включены на выходе данного блока. Входы микроконтроллера 17 соединены с выходами датчика 15 тока, делителя 16 напряжения и делителя 14 перепада напряжения, а выходы - с управляющим входом цепи 13 заряда емкостного фильтра и коммутирующим входом электронного автоматического выключателя 12. Один из выходов микроконтроллера 17 соединен с потенциальным измерительным выходом блока 3 измерения и защиты входного.
Емкостной фильтр 4 выполнен с конденсатором, емкость которого определена как минимально необходимая для обеспечения заданного коэффициента мощности преобразователя.
Транзисторный высокочастотный инвертор 5 выполнен по 4-х плечевой мостовой схеме, в диагональ которой включена первичная обмотка высокочастотного понижающего трансформатора 6.
Высокочастотный понижающий трансформатор 6 может быть выполнен со вторичной обмоткой, имеющей среднюю точку, а выходной выпрямитель 7 - по схеме 2-х полупериодного выпрямителя со средней точкой и рециркуляционным диодом. Высокочастотный понижающий трансформатор 6 может быть также выполнен со вторичной обмоткой, не имеющей средней точки, а выходной выпрямитель 7 - по схеме Греца.
Коэффициент трансформации определяется как максимальное целое число, меньшее отношения минимального мгновенного значения выпрямленного сетевого напряжения к максимальному задаваемому значению выходного напряжения с учетом падения напряжения на диодах выходного выпрямителя.
Емкость и индуктивность LC-фильтра 8 определены из условий заданной максимальной амплитуды пульсаций выходного напряжения, заданного максимального провала выходного напряжения при мгновенном подключении нагрузки и заданного максимального подброса выходного напряжения при мгновенном отключении нагрузки.
Блок 9 измерения и защиты выходной содержит датчики 19 и 20 (фиг. 3) тока, делители 21 и 22 напряжения, минимальную встроенную нагрузку 23 и электронный автоматический выключатель 24. Датчики 19 и 20 тока и электронный автоматический выключатель 24 включены последовательно между дроссельным выводом LC-фильтра 8 и внешней нагрузкой (не показана). Общий вывод датчиков 19 и 20 тока соединен с потенциальным выводом конденсатора LC-фильтра 8. Делитель 22 напряжения включен на выходе данного блока, а делитель 21 напряжения и минимальная встроенная нагрузка 23 - перед электронным автоматическим выключателем 24. Выходы датчиков тока 19 и 20 и делителей 21 и 22 напряжения являются соответствующими токовыми и потенциальными выходами блока 9 измерения и защиты выходного, а коммутирующие входы минимальной встроенной нагрузки 23 и электронного автоматического выключателя 24 - его соответствующими коммутирующими входами.
Блок 11 управления содержит микроконтроллер 25 (фиг. 4) с АЦП, усилители 26-29 сигналов с датчиков тока и делителей напряжений, генератор 30 сигналов управления ZVS-инвертором, который может быть встроен в микроконтроллер 25. Выходы усилителей 26-29 соединены с соответствующими входами микроконтроллера 25, а вход генератора 30 - с его выходом. Входы усилителей 26-29 предназначены для соединения с токовыми и потенциальными измерительными выходами блоков 3 и 9 измерения и защиты входного и выходного, а выходы генератора 30 - для соединения с управляющими входами транзисторного высокочастотного инвертора 5. Дискретные выходы микроконтроллера 25 предназначены для соединения с коммутирующими входами блока 9 измерения и защиты выходного. Блок 11 управления может содержать органы задания уставки выходного напряжения, органы индикации выходного напряжения и выходного тока, интерфейс внешнего управляющего компьютера и измерительный усилитель выходного напряжения на конце длинного кабеля, соединенные с дополнительными входами микроконтроллера 25.
Работает стабилизирующий преобразователь переменного трехфазного напряжения в постоянное следующим образом.
Трехфазное сетевое напряжение, например 380/220 В с частотой 50 Гц, поступает через входной радиочастотный фильтр 1 на входной выпрямитель 2 и выпрямляется в нем. Входной радиочастотный фильтр 1 обеспечивает защиту сети от импульсных радиочастотных помех, генерируемых высокочастотным инвертором 5 и снижает уровень утечек сетевого напряжения на корпус преобразователя через высокочастотный инвертор 5 и паразитную емкость высокочастотного трансформатора 6. Демпфирование импульсных сетевых помех и фильтрация выпрямленного напряжения производится емкостным фильтром 4. Для исключения пусковых бросков зарядного тока и обеспечения плавного заряда конденсатора фильтра 4 микроконтроллер 17 после подачи питания включает цепь 13 заряда конденсатора фильтра, а затем, отслеживая сигналы от делителя 14 перепада напряжения и делителя 16 напряжения, производит включение автоматического выключателя 12 в момент нулевого перепада напряжения на нем.
Ограничитель напряжения 10 защищает автоматический выключатель 12 и цепь заряда 13 блока 3 измерения и защиты входного от импульсных перенапряжений 3-х-фазной сети и броска напряжения на выходе индуктивно-емкостного радиочастотного фильтра при включении преобразователя.
Генератор 30 сигналов управления ZVS-инвертором 5 включает и выключает транзисторы инвертора 5 так, что его цикл работы состоит из 4 интервалов, разделенных короткими паузами: открыты транзисторы одной диагонали, открыты два верхних транзистора, открыты транзисторы другой диагонали, открыты два нижних транзистора. При открытии диагонально-расположенных транзисторов на первичной обмотке высокочастотного понижающего трансформатора 6 формируются биполярные импульсы, а на выходе выпрямителя 7 и входе LC-фильтра 8 - положительные импульсы, коэффициент заполнения которых регулируется микроконтроллером 25 блока управления 11. При открытии одноименных транзисторов образуются короткозамкнутые контура для тока индуктивности рассеяния первичной обмотки трансформатора 6, что способствует сохранению накопленной в ней энергии до следующего открытия одной из диагоналей. В паузах, длительность которых задается микроконтроллером 25 в соответствии с током во время импульсов, паразитные емкости плеч инвертора 5 полностью перезаряжаются током в индуктивности рассеяния первичной обмотки трансформатора 6 и последующее включение транзисторов происходит при нулевом напряжении на их силовых электродах. Таким образом, реализуется ZVS-режим работы инвертора 5 и его динамические потери сводятся к минимуму.
Посредством высокочастотного трансформатора 6, первичная обмотка которого включена в выходную диагональ мостового инвертора 5, производится понижение сформированного переменного напряжения до требуемого уровня. Далее полученное переменное напряжение выпрямляется, например, 2-х полупериодным выходным выпрямителем 7 и сглаживается LC-фильтром 8. Рециркуляционный диод выпрямителя 7 обеспечивает протекание тока через дроссель LC-фильтра в промежутках между импульсами напряжения на выходе трансформатора. Емкость и индуктивность LC-фильтра 8 определены, как уже указывалось, из условий заданной максимальной амплитуды пульсаций выходного напряжения, заданного максимального провала выходного напряжения при мгновенном подключении нагрузки и заданного максимального подброса выходного напряжения при мгновенном отключении нагрузки. При этом использованы следующие аналитические соотношения:
;
2
2
3
3
ν≡max (k/Δ, k/Δ)
1
1
0
k≡k (u, m, u, f)
2
2
0
k≡k (u, m, u, i)
3
3
k≡k (i)
1
где A - заданная амплитуда пульсаций выходного напряжения, B;
2
Δ - заданный максимальный провал выходного напряжения при мгновенном подключении нагрузки, B;
3
Δ - заданный максимальный подброс выходного напряжения при мгновенном отключении нагрузки, B;
0
u - действующее значение входного 3-х фазного переменного напряжения, B;
u - выходное напряжение, B;
m - коэффициент трансформации высокочастотного понижающего трансформатора;
f - частота переключения инвертора, Гц;
i - максимальный ток нагрузки, A.
Выпрямленное выпрямителем 7 и сглаженное LC-фильтром 8 напряжение поступает через блок 9 измерения и защиты выходной на внешнюю нагрузку преобразователя.
В процессе работы преобразователя блоком 3 измерения и защиты входного по сигналам от датчика 15 тока осуществляется входная токовая защита преобразователя с отключением электронного автоматического выключателя 12. С помощью разрядника 18 производится быстрый разряд емкостного фильтра 4 при отключении сетевого напряжения с целью безопасного ремонта и обслуживания преобразователя. При перенапряжении на входе преобразователя сигнал на потенциальном выходе блока 3, воздействуя на соответствующий вход блока 11 управления, приводит к остановке инвертора 5, который, в этом случае, выдерживает без повреждений двойное максимальное рабочее напряжение.
Коэффициент k заполнения импульсов на управляющих входах инвертора 5 - отношение длительности одновременного открытия диагонально-расположенных транзисторов инвертора к длительности цикла его работы - периодически рассчитывается микроконтроллером 25 в зависимости от сигналов на потенциальных и токовых входах блока управления 11, например, по следующему алгоритму:
0
2
S=max(min(сумма(u-u), Sm), -Sm); di=i1-_i1; _i1=i1;
du=min(c1∗(u0-u2)+c2∗S+c3∗i2, c3∗i_m)-c3∗i1-c4∗di;
Если i2>i_mm то k=0
0
Иначе k=m∗(min(u+u2-u_L, u_m)+du)/u1,
где S - интегральная обратная связь по выходному напряжению;
u0 - заданное выходное напряжение;
u2 - напряжение на конденсаторе LC-фильтра, определенное АЦП по сигналу с делителя 21;
Sm - ограничение интегральной обратной связи;
di - дифференциальная обратная связь (по скорости изменения входного тока);
i1 - приведенный ко вторичной обмотке трансформатора 6 входной ток, определенный АЦП по сигналу с датчика тока 19;
i2 - выходной ток, определенный АЦП по сигналу с датчика тока 20;
i_m - максимальный рабочий входной ток преобразователя;
i_mm - ток начала насыщения сердечника дросселя LC-фильтра;
u_L - напряжение на нагрузке (на выходе блока 9), определенное АЦП по сигналу с делителя 22;
u_m - максимально-допустимое выходное напряжение преобразователя;
m - коэффициент трансформации высокочастотного трансформатора 6;
ul - входное напряжение, определенное микроконтроллером 25 по сигналу с потенциального выхода блока 3.
Константы c1, c2 и с3 определяются методами Теории автоматического регулирования исходя из устойчивости системы регулирования и минимальных провалов и бросков выходного напряжения при мгновенном подключении и отключении нагрузки. При этом, токовые обратные связи и ограничения i_m и i_mm защищают схему преобразователя от возможного насыщения сердечника дросселя LC-фильтра током больше допустимого или токовой перегрузки инвертора, трансформатора и выпрямителя; обратная связь по напряжению на выходе блока 9, обеспечивает компенсацию падения напряжения в выходных цепях при больших выходных токах.
Если ток через блок 9 превышает максимально допустимый (больший тока i_mm) или нагрузка коротко замкнута, срабатывает электронный автоматический выключатель 24. При этом микроконтроллер 25, обнаружив одновременное наличие сигнала с делителя 21 и его отсутствие с делителя 22, не включает нагрузку повторно.
Если напряжение на конденсаторе LC-фильтра, определяемое по сигналу с делителя 21 больше заданного микроконтроллер включает встроенную нагрузку 23, иначе он ее выключает. При одновременном выполнении условий: выходной ток, входное и выходное напряжение соответствуют режиму разрывного тока дросселя LC-фильтра, а выходное напряжение больше заданного, - микроконтроллер 25 устанавливает минимальный коэффициент заполнения. В результате обеспечивается стабилизация выходного напряжения при сколь угодно малой внешней нагрузке или даже ее отсутствии (на холостом ходу).
Предложенный стабилизирующий преобразователь переменного трехфазного напряжения в постоянное характеризуется усовершенствованной надежной защитой, повышенным качеством стабилизации и экономичностью. Испытания опытного образца преобразователя 380 В 50 Гц/27 В 10 кВт подтвердили реализуемость и эффективность заявленного комплекса технических решений. Подтвержденный КПД = 92,3% - лучший в классе.