Управляемый выпрямитель

Изобретение относится к силовой электронике, а конкретно к выпрямителям трехфазной системы напряжений, и может быть использовано в качестве вторичного источника питания электроприводов, устройств информационной и силовой электроники. Технический результат, на достижение которого направлено заявленное изобретение, заключается в создании выпрямителя с улучшенными свойствами: синусоидальные входные токи с единичным коэффициентом мощности, регулируемое стабилизированное выходное напряжение и малые массогабаритные показатели. Выпрямитель имеет силовые вентили из параллельно включенных транзисторов (1-6) и диодов (7-12), включенные в трехфазную мостовую схему, генератор пилообразного напряжения (27) и блоки системы управления (28-30), катоды диодов (7, 9, 11) подключены к первому зажиму конденсатора (13) и к плюсовому зажиму, а аноды диодов (8, 10, 12) подключены к первому зажиму конденсатора (14) и к минусовому зажиму, вторые зажимы конденсаторов (13, 14) подключены к общему проводу. Входы А, В, С подключены через дроссели (15-17) к средним точкам плеч. Новым является то, что в выпрямитель введены датчики напряжения (19-22), датчики тока (23-25), включенные последовательно с дросселями (15-17), и датчик тока (26), подключенный последовательно с нагрузкой выпрямителя. Блоки системы управления реализованы согласно принципам комбинированного управления. Таким образом, получен выпрямитель, имеющий практически синусоидальные входные токи, совпадающие по фазе с напряжениями, малые пульсации постоянного выходного напряжения с возможностью его регулирования и стабилизации, имеющий малые массогабаритные показатели. 2 ил.

 

Изобретение относится к силовой электронике, а конкретно к выпрямителям трехфазной системы напряжений, и может быть использовано в качестве вторичного источника питания электроприводов, устройств информационной и силовой электроники.

Известен диодный выпрямитель, содержащий трехфазный диодный мост, к полюсам которого присоединены два последовательно включенных конденсатора, замыкающие контакты, включенные в две фазы моста, ограничитель тока, размыкающий контакт, механически связанный с контактами в фазах, и третий независимый замыкающий контакт, включенный в третью фазу моста, а ограничитель тока и размыкающие контакты включены последовательно и присоединены к средней точке конденсаторов (Джус И.Н. Диодный выпрямитель. Патент РФ №2246169, МПК H02M 7/10, опубл. 2005.02.10, Бюл. №4 - [1]).

Данный выпрямитель имеет массивные конденсаторы, высокий уровень пульсаций выпрямленного напряжения, отсутствие возможности регулирования и стабилизации напряжения, высокие потери мощности, обусловленные содержанием высших гармоник токов, потребляемых от питающей сети.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является трехфазный управляемый выпрямитель, состоящий из блока силовых вентилей, собранных по трехфазной мостовой схеме, входного и выходного фильтров, датчика выпрямленного напряжения и системы управления, содержащей устройство согласования, в блоке силовых вентилей в качестве ключей используются полностью управляемые вентили (транзисторы), а в систему управления входят генератор пилообразного напряжения, формирователь импульсов управления, циклический регистр сдвига, устройство сравнения фазных напряжений и схема выбора включаемых вентилей (Атрощенко В.А., Крылов А.Л., Суртаев Н.А. Трехфазный управляемый выпрямитель. Патент РФ №2279178, МПК Н02М 7/162, опубл. 2006.06.27, Бюл. №18 - [2]).

Данный выпрямитель имеет сложную структуру, низкую надежность системы управления ключами выпрямителя, низкое быстродействие системы управления. Наличие входного и выходного фильтров увеличивает массу и габариты.

В современных выпрямителях существуют проблемы обеспечения стабильного выпрямленного напряжения, формы потребляемых из сети токов, близкой к синусоидальной, единичного коэффициента мощности и малой массы и габаритов.

Технический результат, на достижение которого направлено заявленное изобретение, заключается в создании выпрямителя с улучшенными свойствами: синусоидальные входные токи с единичным коэффициентом мощности, регулируемое стабилизированное выходное напряжение и малые массогабаритные показатели.

Технический результат достигается тем, что в выпрямитель, состоящий из блока силовых вентилей, собранных по трехфазной мостовой схеме, на полностью управляемых вентилях-транзисторах, датчика напряжения, трех дросселей входного фильтра, двух конденсаторов выходного фильтра и системы управления, введены второй - пятый датчики напряжения и первый - четвертый датчики тока, первый - третий входные зажимы соединены со средними точками первого - третьего плеч через последовательно соединенные первый - третий дроссели и первый - третий датчики тока соответственно, первый зажим первого конденсатора соединен с плюсовой шиной мостовой схемы и с плюсовым выходным зажимом через четвертый датчик тока, первый зажим второго конденсатора соединен с минусовой шиной мостовой схемы и с минусовым выходным зажимом, вторые зажимы конденсаторов подключены к общему проводу, третий - пятый датчики напряжения подключены между первым - третьим зажимами соответственно и общим проводом, первый - второй датчики напряжения подключены между первым и вторым зажимами первого и второго конденсаторов соответственно, выходы первого - пятого датчиков напряжения и первого - четвертого датчиков тока соединены с входами первого - третьего блоков системы управления, а их выходы соединены с управляющими входами первого - шестого транзисторов, причем блоки системы управления выполнены с возможностью реализации законов формирования относительной длительности импульсов для фаз А, В, С:

где индекс D=А, В, С; u₀ - суммарное выходное напряжение; u_D, i_D - напряжение и ток фазы; u_S - падение напряжения на открытом полупроводниковом ключе, u₂ - напряжение второго конденсатора; L - индуктивность дросселя; k_P - постоянный коэффициент; - требуемое значение тока фазы.

Сущность заявленного изобретения поясняется на Фиг. 1 - Фиг. 2, где

Фиг. 1 - схема управляемого выпрямителя.

Фиг. 2 - входные напряжения и токи.

На Фиг. 1 выпрямитель содержит IGBT-транзисторы 1-6 и диоды 7-12, образующие шесть силовых ключей, конденсаторы 13, 14, дроссели 15-17, датчики напряжения 18-22, датчики тока 23-26, входные зажимы А, В, С, генератор пилообразного напряжения 27, блоки системы управления 28-30.

IGBT-транзисторы 1-6 вместе с обратными диодами 7-12 соединены в мостовую схему. Входные зажимы А, В, С соединены со средними точками трех плеч через дроссели 15-17 и датчики тока 23-25. Датчики напряжения 20-22 подключены между зажимами А, В, С соответственно и общим проводом. Конденсаторы 13, 14 и датчики напряжения 18, 19 подключены между плюсовым и минусовым выходными зажимами соответственно и общей точкой. Датчик тока 26 подключен между первым зажимом конденсатора 13 и плюсовым выходным зажимом. Выходы датчиков напряжения 18-22 и датчиков тока 23-26 соединены с входами блоков системы управления 28-30.

Выпрямитель работает следующим образом. На входные зажимы А, В, С подается трехфазная система напряжений. Датчики напряжения 20-22 вырабатывают соответствующие этим напряжениям сигналы. Датчики напряжения 18, 19 вырабатывают сигналы, соответствующие напряжениям на конденсаторах 13, 14. Эти сигналы поступают на блоки управления, где сравниваются с требуемыми значениями. Блоки управления формируют внутренние сигналы управления u_c1, u_c2. В зависимости от полярности напряжений u_A(t), u_B(t), u_C(t) формируются мгновенные значения токов:

Эти значения токов сравниваются с истинными значениями фазных токов i_A(t), i_B(t), i_C(t), которые поступают от датчиков тока 23-25, и вырабатываются широтно-модулированные импульсы, поступающие на управляющие входы IGBT-транзисторов.

В результате токи i_A(t), i_B(t), i_C(t) изменяются по законам, близким к синусоидальным и совпадающим по фазе с соответствующими напряжениями. Вследствие этого снижаются несинусоидальные искажения напряжений и потери энергии в линии.

Длительности импульсов регулируются блоками управления. В результате на конденсаторах 13, 14 поддерживается требуемое напряжение, а токи фаз А-С изменяются по законам, близким к синусоидальным. Выпрямитель выполняет дополнительную функцию активного фильтра низкой частоты для сглаживания выпрямленного напряжения, а также функцию стабилизатора напряжения. При этом исключаются искажения напряжения сети из-за высших гармоник тока и снижается мощность потерь в сети, а также масса благодаря меньшей емкости конденсаторов и индуктивности дросселей, отсутствию фильтра низкой частоты и стабилизатора напряжения.

Сигналы u_c1, u_c2, входящие в выражения (1)-(3), могут быть сформированы согласно принципу комбинированного управления:

Таким образом, путем введения четырех датчиков напряжения и четырех датчиков тока, а также реализации блоков системы управления согласно принципам комбинированного управления, получен выпрямитель, имеющий практически синусоидальные входные токи, совпадающие по фазе с напряжениями, малые пульсации постоянного выходного напряжения с возможностью его регулирования и стабилизации, имеющий малые массогабаритные показатели.

Выпрямитель, состоящий из блока силовых вентилей, собранных по трехфазной мостовой схеме, на полностью управляемых вентилях-транзисторах, датчика напряжения, трех дросселей входного фильтра, двух конденсаторов выходного фильтра и системы управления, отличающийся тем, что введены второй - пятый датчики напряжения и первый - четвертый датчики тока, первый - третий входные зажимы соединены со средними точками первого - третьего плеч через последовательно соединенные первый - третий дроссели и первый - третий датчики тока соответственно, первый зажим первого конденсатора соединен с плюсовой шиной мостовой схемы и с плюсовым выходным зажимом через четвертый датчик тока, первый зажим второго конденсатора соединен с минусовой шиной мостовой схемы и с минусовым выходным зажимом, вторые зажимы конденсаторов подключены к общему проводу, третий - пятый датчики напряжения подключены между первым - третьим зажимами соответственно и общим проводом, первый - второй датчики напряжения подключены между первым и вторым зажимами первого и второго конденсаторов соответственно, выходы первого - пятого датчиков напряжения и первого - четвертого датчиков тока соединены с входами первого - третьего блоков системы управления, а их выходы соединены с управляющими входами первого - шестого транзисторов, причем блоки системы управления выполнены с возможностью реализации законов формирования относительной длительности импульсов для фаз А, В, С:

где индекс D=А, В, С; u₀ - суммарное выходное напряжение; u_D, i_D - напряжение и ток фазы; u_S - падение напряжения на открытом полупроводниковом ключе, u₂ - напряжение второго конденсатора; L - индуктивность дросселя; k_P - постоянный коэффициент; - требуемое значение тока фазы.