Трехфазный регулятор напряжения
Владельцы патента RU 2564990:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский государственный технический университет" (RU)
Изобретение относится к полупроводниковым регуляторам электрической энергии, предназначенным для преобразования переменного напряжения в регулируемое по величине переменное напряжение, и может быть использовано для регулирования и стабилизации переменного напряжения на нагрузке, в том числе в бортовых системах электроснабжения автономных объектов, а также в устройствах плавного пуска двигателей переменного напряжения. Трехфазный регулятор напряжения, состоящий из трех основных однофазных конверторов, содержащий ключи переменного тока и высокочастотные трансформаторы со средней точкой, ключи переменного тока подключены к концам первичной и вторичной обмоток высокочастотного трансформатора, в него дополнительно введены входные "Г-образные" LC-фильтры, дополнительные однофазные конверторы, выполненные идентично основным однофазным конверторам, включенные своими выходами последовательно в каждую фазу трехфазного регулятора между выходом основного однофазного конвертора и фазой нагрузки, входы основных однофазных конверторов включены между общей точкой соединения в звезду конденсаторов входных "Г-образных" LC-фильтров и выходом входного "Г-образного" LC-фильтра соответствующей фазы, а входы каждого дополнительного однофазного конвертора включены между выходами входных "Г-образных" LC-фильтров двух других фаз. Технический результат - трехфазный регулятор напряжения может обеспечить входной ток с любым фазовым соотношением по отношению к входному напряжению, а следовательно, и любое значение входного коэффициента мощности, в том числе и единичный, независимо от коэффициента мощности нагрузки, кроме того, обеспечивается более высокая эффективность использования трансформатора по типовой мощности и пониженное обратное напряжение на ключах. Кроме того, в рассмотренной системе регулирования напряжения имеется возможность повышения напряжения на его выходе по сравнению с напряжением на входе, что используется для регулирования и стабилизации напряжения на нагрузке на номинальном уровне при снижении входного напряжения ниже номинального. 4 ил.
Предлагаемое изобретение относится к полупроводниковым регуляторам электрической энергии, предназначенным для преобразования переменного напряжения в регулируемое по величине переменное напряжение, и может быть использовано для регулирования и стабилизации переменного напряжения на нагрузке, в том числе в бортовых системах электроснабжения автономных объектов, а также в устройствах плавного пуска двигателей переменного напряжения.
Известен трехфазный регулятор напряжения, состоящий из однофазных конверторов (регуляторов) переменного напряжения, построенных на базе мостовых схем с ключами переменного тока, в состав которого также входят высокочастотный трансформатор и нагрузка (Модуляционные источники питания РЭА / Кобзев А.В., Михальченко Г.Я., Музыченко Н.М. - Томск: Радио и связь, Томский отдел, 1990. 336 стр. 39).
Недостатком такого регулятора является большое количество ключей переменного тока на первичной и вторичной стороне трансформатора, что усложняет схему.
Известен трехфазный регулятор напряжения, состоящий из однофазных конверторов (регуляторов) переменного напряжения (Модуляционные источники питания РЭА / Кобзев А.В., Михальченко Г.Я., Музыченко Н.М. - Томск: Радио и связь, Томский отдел, 1990. - 336 стр. 61), являющийся прототипом. Рассмотрим структуру такого трехфазного регулятора переменного напряжения на примере одной фазы. Однофазный конвертор (регулятор) содержит ключи переменного тока, диоды и высокочастотные трансформаторы со средней точкой, ключи переменного тока подключены к концам первичной обмотки и вторичной обмотки высокочастотного трансформатора, также ко вторичной стороне высокочастотного трансформатора подключены встречно-параллельно диоды. Вторая и третья фазы выполнены идентично.
Недостатком такого регулятора является зависимость входного коэффициента мощности от коэффициента мощности нагрузки, а также низкая эффективность использования трансформатора по типовой мощности и высокое обратное напряжение на ключах.
Задачей предлагаемого изобретения является создание трехфазного регулятора переменного напряжения, способного поддерживать заданный входной коэффициент мощности, независимо от коэффициента мощности нагрузки, кроме того более высокая эффективность использования трансформатора по типовой мощности и снижение обратного напряжения на ключах.
Поставленная задача достигается тем, что в трехфазный регулятор напряжения, состоящий из трех основных однофазных конверторов, содержащий ключи переменного тока и высокочастотные трансформаторы со средней точкой, ключи переменного тока подключены к концам первичной и вторичной обмоток высокочастотного трансформатора, дополнительно введены входные "Г-образные" LC-фильтры, дополнительные однофазные конверторы, выполненные идентично основным однофазным конверторам, включенные своими выходами последовательно в каждую фазу трехфазного регулятора между выходом основного однофазного конвертора и фазой нагрузки, входы основных однофазных конверторов включены между общей точкой соединения в звезду конденсаторов входных "Г-образных" LC-фильтров и выходом входного "Г-образного" LC-фильтра соответствующей фазы, входы каждого дополнительного однофазного конвертора включены между выходами входных "Г-образных" LC-фильтров двух других фаз.
На фиг. 1 приведена схема предлагаемого регулятора, на фиг. 2 представлены диаграммы переменного напряжения ea и тока ia на входе одной из фаз регулятора с входным "Г-образным" LC-фильтром. На фиг. 3 представлены диаграммы переменного напряжения на нагрузке uн и тока iн одной из фаз регулятора. На фиг. 4 представлена векторная диаграмма, поясняющая принцип работы изобретения.
Трехфазный регулятор напряжения (фиг. 1) содержит входные "Г-образные" LC-фильтры 1, 2, 3. В фазе А блок однофазных конверторов БОК 4 включает в себя основной однофазный конвертор ООК 5, который содержит высокочастотный трансформатор 6, имеющий первичную и вторичную обмотки со средними точками, к выводам первичных и вторичных обмоток трансформаторов подключены ключи переменного тока 7-10. Входы основного однофазного конвертора включены между общей точкой соединения в звезду конденсаторов входных "Г-образных" LC-фильтров и выходом входного "Г-образного" LC-фильтра соответствующей фазы источника питания; последовательно с основным однофазным конвертором, к средней точке вторичной обмотки трансформатора, подключен дополнительный однофазный конвертор ДОК 11, выполненный идентично основному однофазному конвертору, с высокочастотным трансформатором 12, и ключами переменного тока 13-16. Входы каждого дополнительного однофазного конвертора включены между выходами входных "Г-образных" LC-фильтров двух других фаз. К выходу каждого дополнительного однофазного конвертора включен трехфазный LC-фильтр 17, содержащий индуктивности 18-20, и емкости 21-23. Активно-индуктивная нагрузка 24 представлена последовательным соединением активного и индуктивного сопротивления в каждой фазе 25-27. Блоки двух других фаз БОК 28 и БОК 29 имеют идентичное строение, как блок БОК 4.
Трехфазный регулятор напряжения работает следующим образом. В случае, когда входное напряжение ea принимает номинальное значение, то оно полностью повторится и в нагрузке, и напряжение ШИР вольтодобавки равняется нулю (фиг. 2). Рассмотрим случай, когда входное напряжение ea меньше требуемого напряжения (фиг. 3). В этом случае, на ключи переменного тока подаются управляющие прямоугольные импульсы широтно-импульсного регулирования, и напряжение на выходе uн будет являться суммой двух векторов - входного напряжения и напряжения вольтодобавки. Для протекания тока во вторичной обмотке трансформатора на ключи переменного тока 13-14, 19-20 подаются управляющие импульсы так, что для создания нулевой паузы в напряжении в каждой фазе управляющие импульсы перекрывают друг на друга на требуемое время, тем самым создавая эффект нулевого вентиля, в результате чего входной ток ia убудет иметь импульсный характер. Для улучшения качества входного тока, очевидно, требуется наличие соответствующего входного "Г-образного" L-C фильтра на входе каждой фазы трехфазного регулятора напряжения. С целью регулирования входного коэффициента мощности, в каждую фазу введен дополнительный однофазный конвертор, который запитан напряжением, сдвинутым на 90 градусов относительно напряжения питания основного однофазного конвертора каждой фазы. В качестве такого напряжения, сдвинутого на 90 градусов, берется линейное напряжение между двумя другими входными фазами. Как видно из векторных диаграмм (фиг. 4), при правильном подборе величины выходного напряжения дополнительного однофазного конвертора входной ток и входное напряжение совпадают по фазе, как показано на фиг. 4, или фазовый сдвиг между ними может иметь любое заданное значение.
Таким образом, за счет дополнительного однофазного конвертора можно обеспечить входной ток с любым фазовым соотношением по отношению к входному напряжению, а, следовательно, и любое значение входного коэффициента мощности, в том числе и единичный, независимо от коэффициента мощности нагрузки, кроме того более высокая эффективность использования трансформатора по типовой мощности и сниженное обратное напряжение на ключах.
Кроме того, в предложенной системе регулирования напряжения обеспечивается возможность повышения напряжения на его выходе по сравнению с напряжением на входе, что используется для регулирования и стабилизации напряжения на нагрузке на номинальном уровне при снижении входного напряжения ниже номинального.
Трехфазный регулятор напряжения, состоящий из трех основных однофазных конверторов, содержащий ключи переменного тока и высокочастотные трансформаторы со средней точкой, ключи переменного тока подключены к концам первичной и вторичной обмоток высокочастотного трансформатора, отличающийся тем, что в него дополнительно введены входные "Г-образные" LC-фильтры, дополнительные однофазные конверторы, выполненные идентично основным однофазным конверторам, включенные своими выходами последовательно в каждую фазу трехфазного регулятора между выходом основного однофазного конвертора и фазой нагрузки, входы основных однофазных конверторов включены между общей точкой соединения в звезду конденсаторов входных "Г-образных" LC-фильтров и выходом входного "Г-образного" LC-фильтра соответствующей фазы, а входы каждого дополнительного однофазного конвертора включены между выходами входных "Г-образных" LC-фильтров двух других фаз.
