Трехфазный преобразователь переменного тока в постоянный с повышенным коэффициентом мощности
Владельцы патента RU 2766558:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)» (RU)
Изобретение относится к области электротехники, включая импульсную силовую преобразовательную технику, и предназначено для использования в качестве вторичного источника с повышенным коэффициентом мощности для питания нагрузок постоянного тока при наличии первичных автономных или общесетевых источников трехфазного переменного тока. Техническим результатом использования данного изобретения является возможность улучшения коэффициента мощности устройства при одновременном повышении КПД, эксплуатационной надежности, технологичности изготовления. Трехфазный преобразователь переменного тока в постоянный с повышенным коэффициентом мощности содержит входные клеммы подключения к фазам переменного тока, к каждой из которых последовательно подключены датчики напряжения и тока, шесть силовых диодов разбиты на две группы, при этом у диодов первой группы объединены катоды, а у диодов второй группы аноды, первый и второй дроссели, первый и второй силовые транзисторы, первый и второй силовые диоды, последовательно соединенные верхний и нижний конденсаторы, входную нулевую клемму, соединенную с общей точкой конденсаторов, две выходные клеммы, при этом положительная клемма соединена с другим концом верхнего конденсатора, а отрицательная клемма с другим концом нижнего, блок управления. Информационные входы блока управления связаны с датчиками напряжения и тока в фазах, а управляющие выходы с управляющими входами силовых транзисторов. Аноды трех диодов первой группы и катоды трех диодов второй группы соединены с тремя выходами цепочек, состоящих из последовательно включенных датчиков напряжения и тока. Первый дроссель одним концом соединен с объединенными катодами диодов первой группы, а другим концом с анодом первого силового диода, катод которого соединен с положительной выходной клеммой. Второй дроссель одним концом соединен с объединенными анодами диодов второй группы, а другим концом с катодом второго силового диода, анод которого соединен с отрицательной выходной клеммой. Силовые транзисторы включены последовательно, причем их общая точка соединена с входной нулевой клеммой. Положительный электрод первого транзистора соединен с общей точкой первого дросселя и первого диода, а отрицательный электрод второго транзистора с общей точкой второго дросселя и второго диода. 1 ил.
Изобретение относится к области электротехники, включая импульсную силовую преобразовательную технику, и предназначено для использования в качестве вторичного источника с повышенным коэффициентом мощности для питания нагрузок постоянного тока при наличии первичных автономных или общесетевых источников трехфазного переменного тока.
Известны многофазный выпрямитель с коррекцией коэффициента мощности (патент RU 163741 U1. Бюл. №22 от 10.08.2016), а также трехфазный преобразователь переменного тока в постоянный с повышенным коэффициентом мощности (патент RU 192844 U1. Бюл. №28 от 03.10.2019), содержащие входные фазные клеммы, каждая из которых подключена к собственному датчику входного напряжения, датчики входного тока, входные дроссели, диоды выпрямителя, силовые транзисторы и диоды, фильтровые конденсаторы, блок управления, импульсно-модуляторные выходы которого подключены к цепям управления силовых транзисторов. Общим недостатком указанных известных устройств является большое количество входных дросселей, транзисторов и диодов, что снижает надежность и повышает стоимость устройства.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является принятый за прототип трехфазный преобразователь переменного тока в постоянный с повышенным коэффициентом мощности, содержащий три входные фазные клеммы, датчики входного напряжения и тока, входные дроссели, диоды выпрямителя, силовые транзисторы и диоды, фильтровые конденсаторы, блок управления (см. патент RU 192844 U1. Опубликовано: 03.10.2019, Бюл. №28).
Технические задачи, на решение которых направлено заявляемое изобретение, заключаются в повышении энергетических показателей, эксплуатационной надежности, технологичности изготовления, а также снижении стоимости устройства.
Указанные задачи решаются за счет того, что трехфазный преобразователь переменного тока в постоянный с повышенным коэффициентом мощности, содержащий входные клеммы подключения к фазам переменного тока, к каждой из которых последовательно включены датчик фазного входного напряжения и датчик фазного тока, силовые диоды, шесть из которых разбиты на две группы, при этом у диодов первой группы объединены катоды, а у диодов второй группы объединены аноды, входные дроссели, силовые транзисторы, последовательно соединенные фильтровые верхний и нижний конденсаторы, входную нулевую клемму, соединенную с общей точкой фильтровых конденсаторов, две выходные клеммы, при этом положительная клемма соединена с другим концом верхнего конденсатора, а отрицательная клемма соединена с другим концом нижнего конденсатора, блок управления с микропроцессором и компонентами согласования, информационные входы которого связаны с датчиками напряжения и тока в фазах, а управляющие выходы с управляющими входами силовых транзисторов, содержит только первый и второй дроссели, первый и второй силовые диоды, первый и второй силовые транзисторы, аноды трех диодов первой группы и катоды трех диодов второй группы соединены с тремя выходами цепочек, состоящих из последовательно включенных датчиков фазного входного напряжения и датчиков фазного тока, первый дроссель одним концом соединен с объединенными катодами диодов первой группы, а другим концом с анодом первого силового диода, катод которого соединен с положительной выходной клеммой, второй дроссель одним концом соединен с объединенными анодами диодов второй группы, а другим концом с катодом второго силового диода, анод которого соединен с отрицательной выходной клеммой, два силовых транзистора включены последовательно, причем их общая точка соединена с входной нулевой клеммой, положительный электрод первого транзистора соединен с общей точкой первого дросселя и первого диода, а отрицательный электрод второго транзистора соединен с общей точкой второго дросселя и второго диода.
Техническим результатом использования данного изобретения в случае появления несинусоидальных входных токов при значительных индуктивностях нагрузки является возможность улучшения коэффициента мощности устройства при одновременном повышении КПД, эксплуатационной надежности, технологичности изготовления и снижении его стоимости.
Технический результат обеспечивается тем, что, входной фазный ток iвх1 принимает форму кривой, близкую к форме кривой входного синусоидального напряжения, что обеспечивает повышенный коэффициент мощности предлагаемого устройства. При этом в отличие от прототипа в предлагаемом изобретении за счет нового схемотехнического решения, появилась возможность в три раза снизить количество входных дросселей, транзисторов и диодов. Количество элементов схемы относится к конструктивным (схемным) факторам, влияющим на её надежность. Вероятность безотказной работы системы P(t), состоящей из N элементов, равна произведению вероятностей безотказной работы каждого i-го элемента 
:
Так как вероятность безотказной работы оценивается величиной, меньшей единицы, очевидно, что снижение числа элементов схемы ведет к её повышению, а следовательно, и повышению эксплуатационной надежности устройства (см. Острейковский В.А. Теория надежности: Учеб. Для вузов. – М.: Высшая школа, 2003. -463с.). Рациональное снижение числа элементов схемы безусловно повышает также и энергетические показатели устройства вследствие снижения величины общих потерь. Позитивно влияет снижение числа элементов схемы и на ее стоимость, которая естественно снижается и на технологический процесс изготовления, который существенно упрощается. Существенную роль в реализации поставленных задач играет блок управления 24, который представляет собой плату с микропроцессором и компонентами согласования, которая позволяет обрабатывать не менее шести аналоговых сигналов с датчиков напряжения и тока, преобразовывать аналоговые сигналы в цифровую информацию, производить обработку цифровой информации по заданному алгоритму посредством установленной программы и формировать требуемые импульсно-модуляторные выходные сигналы по заданному алгоритму для управления не менее двумя силовыми транзисторами.
На фиг. 1 представлена электрическая схема заявляемого трехфазного преобразователя переменного тока в постоянный с повышенным коэффициентом мощности. Схема на фиг.1 содержит входные клеммы 1, 2, 3 подключения к фазам переменного тока, к каждой из которых последовательно включены датчики фазного входного напряжения 4, 5, 6 и датчики фазного тока 25, 26, 27, первый 11 и второй 12 силовые диоды, выпрямительные диоды 18…23 разбиты на две группы, при этом у диодов 18, 19, 20 первой группы объединены катоды, а у диодов 21, 22, 23 второой группы объединены аноды, первый 7 и второй 8 дроссели, первый 9 и второй 10 силовые транзисторы, последовательно соединенные фильтровые верхний 14 и нижний 15 конденсаторы, входную нулевую клемму 13, соединенную с общей точкой фильтровых конденсаторов, две выходные клеммы 16 и 17, при этом положительная клемма 16 соединена с другим концом верхнего конденсатора 14, а отрицательная клемма 17 соединена с другим концом нижнего конденсатора 15, блок управления 24 с микропроцессором и компонентами согласования, информационные входы которого 4, 5, 6 и 25, 26, 27 связаны с датчиками напряжения 4, 5, 6 и тока 25, 26, 27 в фазах, а управляющие выходы 9, 10 с управляющими входами силовых транзисторов 9, 10, при этом аноды трех диодов 18, 19, 20 первой группы и катоды трех диодов 21, 22, 23 второй группы соединены с тремя выходами цепочек, состоящих из последовательно включенных датчиков фазного входного напряжения 4, 5, 6 и датчиков фазного тока 25, 26, 27, первый дроссель 7 одним концом соединен с объединенными катодами диодов 18, 19, 20 первой группы, а другим концом с анодом первого силового диода 11, катод которого соединен с положительной выходной клеммой 16, второй дроссель 8 одним концом соединен с объединенными анодами диодов 21, 22, 23 второй группы, а другим концом с катодом второго силового диода 12, анод которого соединен с отрицательной выходной клеммой 17, два силовых транзистора 9, 10 включены последовательно, причем их общая точка соединена с входной нулевой клеммой 13, положительный электрод первого транзистора 9 соединен с общей точкой первого дросселя 7 и первого диода 11, а отрицательный электрод второго транзистора 10 соединен с общей точкой второго дросселя 8 и второго диода 12.
Схема трехфазного преобразователя переменного тока в постоянный с повышенным коэффициентом мощности работает следующим образом. При работе преобразователя микропроцессором блока управления 24 реализуется релейный (гистерезисный) способ управления, при котором задается максимальная и минимальная граница для управляемой переменной (в рассматриваемом случае входной ток).
Пусть наибольшие положительные значения имеет фазное напряжение клеммы 1. В этом случае микропроцессор блока управления 24 преобразует аналоговый сигнал обратной связи датчика 4 в цифровой, затем программыми средствами синтезирует в цифровом виде с заданными коэффициентами кривые максимального imax и минимального imin граничного значения тока.
Одновременно датчик 25 передает текущее значение входного фазного тока iвх1 на блок управления 24. Микропроцессор блока управления 24 преобразует аналоговый сигнал обратной связи датчика 25 в цифровой и программными средствами сравнивает его с кривой imax. В результате чего формирует положительный выходной сигнал управления uупр9, под действием которого транзистор 9 переходит в открытое (замкнутое) состояние. При этом силовой ток протекает по цепи:
- входная фазная клемма 1 – датчик входного тока 25 – выпрямительный диод 18 - входной дроссель 7 – транзистор 9 – входная нулевая клемма 13.
В результате происходит рост входного фазного тока iвх1. Когда входной фазный ток iвх1 начинает превышать значения кривой imax, блок управления 24 снимает положительный сигнал управления uупр9, под действием чего транзистор 9 переходит в закрытое (разомкнутое) состояние и силовой ток протекает по цепи:
- входная фазная клемма 1 – датчик входного тока 25 – выпрямительный диод 18 - входной дроссель 7 – диод 11 – конденсатор 14 – входная нулевая клемма 13.
В результате происходит заряд выходного конденсатора 14 и спад входного тока iвх1. Когда входной фазный ток iвх1 становиться ниже значения кривой imin, блок управления 24 вновь формирует положительный сигнал управления uупр9, под действием которого транзистор 9 вновь переходит в открытое (замкнутое) состояние. При этом силовой ток вновь протекает по цепи:
- входная фазная клемма 1 – датчик входного тока 25 – выпрямительный диод 18 - входной дроссель 7 – транзистор 9 – входная нулевая клемма 13.
В результате происходит рост входного фазного тока iвх1 и далее электрические процессы в устройстве повторяются аналогичным образом, как с рассматриваемым фазным напряжением, так и в случае, когда наибольшие положительные значения имеют фазные напряжения других входных клемм 2 и 3.
Если наименьшие отрицательные значения имеет фазное напряжение клеммы 1, микропроцессор блока управления 24 преобразует аналоговый сигнал обратной связи датчика 4 в цифровой, затем программыми средствами синтезирует в цифровом виде с заданными коэффициентами кривые максимального «-imax» и минимального «-imin» граничного значения тока.
Одновременно датчик 25 передает текущее значение входного фазного тока iвх1 на блок управления 24. Микропроцессор блока управления 24 преобразует аналоговый сигнал обратной связи датчика 25 в цифровой и программыми средствами сравнивает его с кривой «-imax». В результате чего формирует положительный выходной сигнал управления uупр10, под действием которого транзистор 10 переходит в открытое (замкнутое) состояние. При этом силовой ток протекает по цепи:
- входная нулевая клемма 13 - транзистор 10 - входной дроссель 8 – выпрямительный диод 23 – датчик входного тока 25 - входная фазная клемма 1.
В результате происходит рост входного фазного тока iвх1. Когда входной фазный ток iвх1 начинает превышать значения кривой «-imax», блок управления 24 снимает положительный сигнал управления uупр10, под действием чего транзистор 10 переходит в закрытое (разомкнутое) состояние и силовой ток протекает по цепи:
- входная нулевая клемма 13 – конденсатор 15 – диод 12 - входной дроссель 8 – выпрямительный диод 23 – датчик входного тока 25 - входная фазная клемма 1.
В результате происходит заряд выходного конденсатора 15 и спад входного тока iвх1. Когда входной фазный ток iвх1 спадает ниже «-imax», блок управления 24 вновь формирует положительный сигнал управления uупр10, под действием которого транзистор 10 вновь переходит в открытое (замкнутое) состояние. При этом силовой ток протекает по цепи:
- входная нулевая клемма 13 - транзистор 10 - входной дроссель 8 – выпрямительный диод 23 – датчик входного тока 25 - входная фазная клемма 1.
В результате происходит рост входного фазного тока iвх1 и далее электрические процессы в устройстве повторяются аналогичным образом как с рассматриваемым фазным напряжением, так и в случае, когда наименьшие отрицательные значения имеют фазные напряжения других входных клемм 2 и 3.
Таким образом, входной фазный ток iвх1 принимает форму кривой, близкую к форме кривой входного напряжения, что и обеспечивает повышение коэффициента мощности предлагаемого устройства.
Были проведены экспериментальные исследования лабораторного макета устройства и компьютерное моделирование, которые подтвердили работоспособность и целесообразность широкого промышленного использования данного устройства. При этом был изготовлен и успешно испытан опытный макетный образец предлагаемого устройства, выполненный в виде законченного узла.
По мнению авторов, предлагаемый трехфазный преобразователь переменного тока в постоянный может быть использован в трехфазных корректорах мощности, в источниках бесперебойного питания и в других устройствах, в которых предъявляют повышенные требования к коэффициенту мощности, КПД, надежности и стоимости изделия, а совокупность его существенных признаков необходима и достаточна для достижения заявляемого технического результата.
Трехфазный преобразователь переменного тока в постоянный с повышенным коэффициентом мощности, содержащий входные клеммы подключения к фазам переменного тока, к каждой из которых последовательно включены датчик фазного входного напряжения и датчик фазного тока, силовые диоды, шесть из которых разбиты на две группы, при этом у диодов первой группы объединены катоды, а у диодов второй группы объединены аноды, входные дроссели, силовые транзисторы, последовательно соединенные фильтровые верхний и нижний конденсаторы, входную нулевую клемму, соединенную с общей точкой фильтровых конденсаторов, две выходные клеммы, при этом положительная клемма соединена с другим концом верхнего конденсатора, а отрицательная клемма соединена с другим концом нижнего конденсатора, блок управления с микропроцессором и компонентами согласования, информационные входы которого связаны с датчиками напряжения и тока в фазах, а управляющие выходы с управляющими входами силовых транзисторов, отличающийся тем, что содержит только первый и второй дроссели, первый и второй силовые диоды, первый и второй силовые транзисторы, аноды трех диодов первой группы и катоды трех диодов второй группы соединены с тремя выходами цепочек, состоящих из последовательно включенных датчиков фазного входного напряжения и датчиков фазного тока, первый дроссель одним концом соединен с объединенными катодами диодов первой группы, а другим концом с анодом первого силового диода, катод которого соединен с положительной выходной клеммой, второй дроссель одним концом соединен с объединенными анодами диодов второй группы, а другим концом с катодом второго силового диода, анод которого соединен с отрицательной выходной клеммой, два силовых транзистора включены последовательно, причем их общая точка соединена с входной нулевой клеммой, положительный электрод первого транзистора соединен с общей точкой первого дросселя и первого диода, а отрицательный электрод второго транзистора соединен с общей точкой второго дросселя и второго диода.
