РЕГУЛИРУЕМЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ
ADJUSTABLE VOLTAGE RECTIFIER

Предложение относится к области электротехники и силовой электроники, в частности, к регулируемым статическим электрическим преобразователям переменного напряжения в постоянное напряжение. Кроме того, предложенный выпрямитель напряжения может быть использован в составе двухзвенного статического преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока. Отличительной особенностью предложения является функциональная возможность выпрямителя напряжения, позволяющего как повышать, так и уменьшать напряжение на выходе регулируемого выпрямителя напряжения относительно уровня напряжения, определяемого схемой неуправляемого выпрямителя напряжения.
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 также высокая степень надежности. Недостатком известного устройства является отсутствие возможности регулирования напряжения на выходе выпрямителя 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 H02M1/084, 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 невозможность регулирования напряжения звена постоянного тока вверх относительно напряжения определяемого схемой неуправляемого выпрямителя напряжения. К недостаткам известного выпрямителя является искажение формы напряжения питающей сети при его работе, а также генерацию выпрямителем в питающую сеть коммутационных помех вызванных работой тиристоров.
Известна схема активного выпрямителя напряжения (патент US 20120300519 (А1), класс Н02М7/217, 29.11.2012, Multi-phase active rectifier, авторы James H. 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 полностью управляемых полупроводниковых элементов и сложная система управления таким выпрямителем напряжения.
Наиболее близкой по технической сущности является схема повышающего выпрямителя напряжения (Семенов Б.Ю. Силовая электроника: профессиональные решения. - Эл. изд. - Саратов: Профобразование, 2017.-415 с. ил. стр. 17-18) содержащая источник трехфазного напряжения с нулевым выводом, фазы которого подключены на вход полупроводникового выпрямителя выполненного на диодах. Между выходными выводами полупроводникового выпрямителя и нулевого вывода источника напряжения, которого включены две схемы повышающих выпрямителей постоянного напряжения. Каждый из повышающих выпрямителей постоянного напряжения состоит из дросселя, транзистора, диода и конденсатора. Достоинством такого повышающего выпрямителя напряжения является возможность получения двух независимых и одного зависимого (сумма первых) уровней напряжения звена постоянного тока. К достоинствам такого повышающего выпрямителя напряжения следует отнести и наличие всего двух полностью управляемых силовых ключей - транзисторов и как следствие более простая система управления. Недостатком прототипа является возможность только повышать напряжение на выходе выпрямителя напряжения относительно уровня напряжения определяемого схемой неуправляемого выпрямителя.
Задачей предлагаемого изобретения является возможность реализации регулируемого выпрямителя напряжения позволяющего как повышать, так и снижать напряжение на своем выходе относительно напряжения определяемого схемой неуправляемого выпрямителя напряжения. При этом незначительно усложняется полупроводниковый выпрямитель и система управления. Однако благодаря предложенной схеме уменьшается до минимума (до одного) количество промежуточных накопителей энергии - дросселей. Отличительной особенностью предложения является простота схемной реализации и высокая надежность при значительном расширении функциональных возможностей. Кроме того, достоинством предложенного выпрямителя напряжения является возможность плавного заряда накопительных конденсаторов установленных на выходе регулируемого выпрямителя напряжения с использованием импульсно-фазового способа управления тиристорами управляемого выпрямителя напряжения. Предложенная схема регулируемого выпрямителя напряжения может быть использована в составе двухзвенного преобразователя частоты для питания трехуровнего инвертора напряжения.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в регулируемом выпрямителе напряжения, состоящем из источника многофазного переменного напряжения содержащего нулевой вывод, систему управления, дроссель, полупроводниковый выпрямитель собран по схеме трехфазного двухполупериодного выпрямителя, двух транзисторов, двух диодов и двух конденсаторов, причем два конденсатора включены согласованно последовательно, при этом плюсовой вывод конденсаторов подключен к плюсовому выводу регулируемого выпрямителя напряжения и катоду первого диода, анод которого подключен к коллектору первого транзистора, эмиттер которого соединен с общей точкой конденсаторов и коллектором второго транзистора, эмиттер которого соединен с катодом второго диода, анод которого соединен с минусовым выводом конденсаторов и минусовым выводом регулируемого выпрямителя напряжения предусмотрены следующие отличия: полупроводниковый выпрямитель собран на тиристорах, а регулируемый выпрямитель напряжения содержит датчики напряжения, и два датчика тока, общая точка конденсаторов подключена к выходной нулевой точки регулируемого выпрямителя напряжения и через дроссель к нулевому выводу источника многофазного переменного напряжения, плюсовой выход полупроводникового выпрямителя через первый датчик тока соединен с анодом первого диода, минусовой выход полупроводникового выпрямителя через второй датчик тока соединен с катодом второго диода, датчики напряжения, количество которых равно числу фаз источника многофазного переменного напряжения, своими входными цепями подключены между каждой из фаз источника многофазного переменного напряжения и нулевым выводом источника многофазного переменного напряжения, информационные выходы датчиков напряжения, датчиков тока и управляющие электроды тиристоров полупроводникового выпрямителя подключены к системе управления. Сущность изобретения поясняется чертежами.
На Фиг. 1 - представлена схема многофазного регулируемого выпрямителя напряжения, на Фиг. 2 - представлена схема трехуровнего преобразователя частоты построенного на основе многофазного регулируемого выпрямителя напряжения с трехуровневым инвертором напряжения с отсекающими диодами, на Фиг. 3 - представлена схема трехуровнего преобразователя частоты построенного на основе многофазного регулируемого выпрямителя напряжения с мостовым Т-образным трехуровневым инвертором напряжения.
Регулируемый выпрямитель напряжения, схема которого представлена на Фиг. 1, состоит из источника многофазного переменного напряжения 1 содержащего нулевой вывод, системы управления 2, дросселя 3, полупроводникового выпрямителя 4 собранного по схеме трехфазного двухполупериодного выпрямителя, двух транзисторов 5 и 6, двух диодов 7 и 8 и двух конденсаторов 9 и 10. Два конденсатора 9 и 10 включены согласованно последовательно, при этом плюсовой вывод конденсаторов 9 и 10 подключен к плюсовому выводу 11 регулируемого выпрямителя напряжения и катоду первого диода 7. Анод первого диода 7 подключен к коллектору первого транзистора 5, эмиттер которого соединен с общей точкой конденсаторов 9 и 10 и коллектором второго транзистора 6, эмиттер которого соединен с катодом второго диода 8. Анод второго диода 8 соединен с минусовым выводом конденсаторов 9 и 10 и минусовым выводом 12 регулируемого выпрямителя напряжения. Полупроводниковый выпрямитель 4 собран на тиристорах 13-1÷13-(2⋅n). Регулируемый выпрямитель напряжения содержит датчики напряжения 14-1÷4-n, и два датчика тока 15 и 16. Общая точка конденсаторов 9 и 10 подключена к выходной нулевой точке 17 регулируемого выпрямителя напряжения и через дроссель 3 к нулевому выводу источника многофазного переменного напряжения 1. Плюсовой выход полупроводникового выпрямителя 4 через первый датчик тока 15 соединен с анодом первого диода 7, минусовой выход полупроводникового выпрямителя 4 через второй датчик тока 16 соединен с катодом второго диода 8. Датчики напряжения 14-1÷14-n, количество которых равно числу фаз источника многофазного переменного напряжения 1, своими входными цепями подключены между каждой из фаз источника многофазного переменного напряжения 1 и нулевым выводом источника многофазного переменного напряжения 1. Информационные выходы датчиков напряжения 14-1÷14-n, датчиков тока 15, 16 и управляющие электроды тиристоров 13-1÷13-(2⋅n) полупроводникового выпрямителя 4 подключены к системе управления 2.
Работа регулируемого выпрямителя напряжения происходит следующим образом.
Регулируемый выпрямитель напряжения, изображенный на Фиг. 1 позволяет получать два независимых и один зависимый (как сумма двух независимых) уровня напряжения на своем выходе. Первое независимое напряжение - между минусовым выводом 12 и выводом нулевой точки 17 получается посредствам управления тиристорами 13-(n+1)÷13-(2⋅n) или транзистором 6; второе - между выводом нулевой точки 17 и плюсовым выводом 11 посредствам управления тиристорами 13-1÷13-n или транзистором 5. Третий уровень напряжения - между минусовым выводом 12 и плюсовым выводом 11 определяется как сумма двух независимо регулируемых уровней. Регулируемый выпрямитель напряжения состоит из двух управляемых понижающих многофазных однополупериодных выпрямителей образованных анодной группой тиристоров 13-(n+1)÷13-(2⋅n) и катодной группой тиристоров (13-1÷13-n). А дополнительные цепи с транзисторами 6 и 5, диодами 7 и 8, конденсаторами 9 и 10, а так же дросселем 3 установленным между выводом нулевой точки 17 и нулевым выводом источника многофазного переменного напряжения 1 образуют повышающие преобразователи постоянного напряжения.
При этом два независимых уровня напряжения регулируемого выпрямителя напряжения могут независимо друг от друга быть как выше, так и ниже относительно уровня напряжения определяемого схемой неуправляемого выпрямителя. Таким образом, каждая из двух частей регулируемого выпрямителя напряжения может работать в следующих режимах: в режиме понижающего выпрямителя напряжения или в режиме повышающего выпрямителя напряжения. Рассмотрим работу каждой из частей регулируемого выпрямителя напряжения в каждом из двух режимов.
Датчики напряжения 14-1÷14-n контролируют фазные напряжения на входе полупроводникового выпрямителя 4 и участвуют в процессе управления тиристорами 13-1÷13-(2⋅n). Датчики тока 15 и 16 совместно с системой управления 2 выполняют функцию защиты регулируемого выпрямителя напряжения от токов короткого замыкания и токов перегрузки, а так же участвуют в процессе регулирования скважности при управлении транзисторами 5 и 6 для повышения уровня напряжения выше напряжения определяемого схемой неуправляемого выпрямителя. Отличительной особенностью предложенной схемы регулируемого выпрямителя напряжения изображенного на Фиг. 1 является то, что можно осуществлять независимое регулирование напряжении первого и второго уровня как выше, так и ниже уровня напряжения определяемого схемой неуправляемого выпрямителя напряжения. При этом для регулирования первого (второго) уровня напряжения ниже уровня напряжения определяемого схемой неуправляемого выпрямителя используются только тиристоры 13-(n+1)÷13-(2⋅n) (13-1÷13-n) а для регулирования уровня напряжения выше уровня напряжения определяемого схемой неуправляемого выпрямителя используются тиристоры 13-(n+1)÷13-(2⋅n) (13-1÷13-n) которые полностью открыты и транзистор 6 (5).
Работа регулируемого выпрямителя напряжения (Фиг. 1) в режиме понижающего регулируемого выпрямителя напряжения осуществляющего регулирование или стабилизацию выходного напряжения на уровне напряжения в диапазоне от нуля до уровня напряжения определяемого уровнем напряжения неуправляемого выпрямителя напряжения происходит следующим образом. При наличии напряжения на фазах источника многофазного переменного напряжения 1 выпрямителя напряжения изображенного на Фиг. 1 с использованием информации от датчиков напряжения 14-1÷44-n с помощью системы управления 2 осуществляется управление тиристорами анодной группы 13-(n+1)÷13-(2⋅n) для получения напряжения первого уровня (между выводами 12 и 17) и (или) управление тиристорами катодной группы (13-1÷13-n) для получения напряжения второго уровня (между выводами 17 и 11) по алгоритму импульсно-фазового управления. Напряжения первого и второго уровня могут регулироваться независимо при этом конденсатор 10 является фильтром для многофазного однополупериодного выпрямителя напряжения организованного анодной группой тиристоров 13-(n+1)÷13-(2⋅n) и общего нулевого вывода источника многофазного переменного напряжения 1. Конденсатор 9 является фильтром для многофазного однополупериодного выпрямителя напряжения организованного катодной группой тиристоров 13-1÷13-n и общего нулевого вывода источника многофазного переменного напряжения 1. Более подробно рассмотрим работу анодной (катодной) групп тиристоров 13-(n+1)÷13-(2⋅n) (13-1÷13-n) полупроводникового выпрямителя 4. Осуществляя регулирование угла фазового управления тиристорами 13-(n+1)÷13-(2⋅n) (13-1÷13-n) полупроводникового выпрямителя 4 возможно осуществлять регулирование среднего значения напряжения между минусовым выводом 12 и выходной нулевой точки 17 (между выводом нулевой точки 17 и плюсовым выводом 11). При этом в регулируемом выпрямителе напряжения на конденсаторе 10 (9) может быть обеспечено плавное нарастание выходного напряжения на заданный уровень. Система управления 2 с использованием информации от датчиков сетевого напряжения 14-1÷14-n осуществляет плавное открытие тиристоров 13-(n+1)÷13-(2⋅n) (13-1÷13-n) изменяя угол фазового управления от максимального значения  электрических градусов до значения которое определяет требуемый уровень выходного напряжения регулируемого выпрямителя напряжения. При этом происходит плавный заряд конденсатора 10 (9) через диод 8 (7). Тем самым происходит ограничение тока заряда конденсатора 10 (9). В этом режиме работы регулируемого выпрямителя напряжения транзистор 6 (5) находится в закрытом состоянии, а дроссель 3 осуществляет сглаживание выпрямленного тока. Конденсатор 10 (9) осуществляет сглаживание пульсации выпрямленного напряжения, выполняя роль фильтра. Датчик тока 16 (15) с системой управления 2 контролируют значение выпрямленного тока рассматриваемой части полупроводникового выпрямителя 4 и в случае превышения током допустимого значения система управления 2 будет либо призакрывать тиристоры 13-(n+1)÷13-(2⋅n) (13-1÷13-n) изменением угла фазового управления и ограничивая значение выпрямленного тока либо закроет их полностью.
L
Работа регулируемого выпрямителя напряжения (Фиг. 1) в режиме повышающего выпрямителя напряжения осуществляющего регулирование или стабилизацию выходного напряжения на уровне напряжения выше уровня напряжения определяемого уровнем напряжения схемы неуправляемого выпрямителя напряжения происходит следующим образом. При наличии напряжения на фазах источника многофазного переменного напряжения 1 регулируемого выпрямителя напряжения изображенного на Фиг. 1 система управления 2 с использованием информации от датчиков сетевого напряжения 10-1÷10-n осуществляет плавное открытие тиристоров 13-(n+1)÷13-(2⋅n) (13-1÷13-n) изменяя угол фазового управления от максимального значения  электрических градусов до нуля. При этом происходит заряд конденсатора 10 (9) через диод 8 (7), тем самым происходит ограничение тока заряда конденсатора 10 (9). При угле фазового управления тиристорами 13-(n+1)÷13-(2⋅n) (13-1÷13-n) полупроводникового выпрямителя 4 равным нулю, между минусовым выводом 12 и выходной нулевой точки 17 (между выводом нулевой точки 17 и плюсовым выводом 11) регулируемого выпрямителя напряжения образуется напряжение определяемое уровнем напряжения схемы неуправляемого выпрямителя за минусом падения напряжения на дросселе 3 и диоде 8 (7). Тиристоры 13-(n+1)÷13-(2⋅n) (13-1÷13-n) остаются в полностью открытом состоянии до выполнения определенных условии. При этом конденсатор 10 (9) осуществляет сглаживание пульсации выпрямленного напряжения, выполняя роль фильтра. При необходимости повышения напряжения на выходе регулируемого выпрямителя напряжения система управления 2 выполняет управление транзистором 6 (5) по закону широтно-импульсной модуляции (ШИМ). При этом транзистор 6 (5) работает исключительно в ключевом режиме работы. При включении транзистора 6 (5) происходит нарастание тока протекающего через дроссель 3 при этом дроссель 3 накапливает энергию. Ток протекающий через транзистор 6 (5) контролируется датчиком тока 16 (15) и системой управления 2 которая осуществляет управление транзистором 6 (5). Напряжение на дросселе 3 определяется согласно зависимости  где L - индуктивность дросселя, i - ток протекающий через дроссель. При выключении транзистора 6 (5) энергия, накопленная в дросселе 3 передается на заряд конденсатора 10 (9) и на нагрузку, подключенную между минусовым выводом 12 и выходной нулевой точки 17 (между выводом нулевой точки 17 и плюсовым выводом 11) регулируемого выпрямителя напряжения. При этом напряжение на выходе регулируемого выпрямителя напряжения определяется уровнем напряжения источника многофазного переменного напряжения 1 и падением напряжения на дросселе 3,  а так же коэффициентом схемы полупроводникового выпрямителя 4. Диод 8 (7) выполняет роль отсекающего, исключая закорачивание конденсатора 10 (9) при включении транзистора 6 (5). Изменяя величину скважности (отношения времени включенного состояния транзистора к периоду модуляции) работы транзистора 6 (5) при фиксированной частоте ШИМ можно осуществлять регулирование напряжения на дросселе 3, а соответственно осуществлять регулирование напряжения между минусовым выводом 12 и выходной нулевой точки 17 (между выводом нулевой точки 17 и плюсовым выводом 11) регулируемого выпрямителя напряжения. Для того чтобы энергия накопленная в дросселе 3 не шла на заряд конденсатора 9 (10) другого уровня, система управления 2 может отключить тиристоры 13-1÷13-n (13-(n+1)÷13-(2⋅n)) и не допустит заряд конденсатора 9 (10) другого уровня.
На Фиг. 2 представлен вариант схемы двухзвенного трехуровнего преобразователя частоты построенного на основе многофазного регулируемого выпрямителя напряжения на выход, которого подключен трехфазный трехуровневый инвертор напряжения 18 выполненный по схеме трехуровнего инвертора напряжения с отсекающими диодами. На Фиг. 3 представлен вариант схемы двухзвенного трехуровнего преобразователя частоты построенного на основе многофазного регулируемого выпрямителя напряжения на выход, которого подключен трехфазный трехуровневый инвертор напряжения 19 выполненный по мостовой схеме с Т-образным трехуровневым инвертором напряжения. Следует отметить, что инверторы напряжения 18 и 19 могут быть выполнены с любым количеством выходных фаз. Такое схемное решение позволяет регулировать напряжение питания инверторов напряжения 18 и 19 для получения требуемого уровня напряжения на выходе двухзвенного преобразователя частоты. Предложенная схема (Фиг. 1 - Фиг. 3) отличается простой структурой силовой части и содержит всего два полностью управляемых полупроводниковых элемента - транзистора 5 и 6 и полупроводниковый выпрямитель 4 собранный на простых полууправляемых полупроводниковых элементах - тиристорах 13-1÷13-(2⋅n). При этом предложенная схема позволяет получать три различных уровня напряжения (два независимых и один зависимый) на выходе регулируемого выпрямителя напряжения. Достоинством схемы является значительное расширение функциональных возможностей регулируемого выпрямителя напряжения, универсальность, простота, а также высокая степень надежности. Кроме того, предложенный вариант схемы регулируемого выпрямителя напряжения позволяет осуществлять ограничение пускового тока и плавный заряд конденсаторов 9 и 10.
Таким образом, предлагаемый регулируемый выпрямитель напряжения позволяет осуществлять стабилизацию и регулирование напряжения на своих выходах, причем независимо как ниже, так и выше уровня напряжения определяемого схемой неуправляемого выпрямителя напряжения. Регулируемый выпрямитель напряжения позволяет уменьшить число дросселей, улучшить функциональные возможности, повысить надежность и может быть использован в составе двухзвенных преобразователей частоты для питания трехуровневых инверторов напряжения.