Гібридний підвищуючий трифазний випрямляч

Реферат: Винахід належить до електротехніки і може бути використаний для створення джерел живлення з трифазним входом і вихідною постійною напругою. Гібридний підвищуючий трифазний випрямляч містить: трифазний діодний міст, діод, ключ, дросель, які утворюють підвищуючий перетворювач, вихід якого підключений до ємнісного накопичувача енергії, три ключі, підключені до входів дiодного моста, дросель і два ключі, які утворюють напівмостовий перетворювач, підключений між зазначеними трьома ключами i ємнісним накопичувачем. Технічним результатом, що досягається, є удосконалення гібридного підвищуючого трифазного випрямляча , що дозволяє значно зменшити коефіцієнт гармонік його вхідних струмів, підвищення коефіцієнта потужності, зниження струму споживання і зниження втрат енергії в мережі. UA 105081 C2 (12) UA 105081 C2 UA 105081 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до електротехніки і може бути використаний для створення джерел живлення з трифазним входом. При проектуванні електронної апаратури, зокрема перетворювачів частоти для частотнорегульованого електропривода, часто постає задача перетворення трифазної напруги мережі живлення в постійну, яка зазвичай вирішується за допомогою трифазного випрямляча. При цьому випрямляч має задовольняти жорстким умовам щодо спектрального складу струму споживання, якості стабілізації вихідної напруги. Сучасні стандарти якості електроенергії встановлюють обмеження рівнів гармонічних складових вхідного струму і для забезпечення цих вимог випрямляч повинен мати близький до одиниці коефіцієнт потужності (КП), тобто мати корекцію КП. Відомий гібридний підвищуючий трифазний випрямляч з корекцією коефіцієнта потужності шляхом пасивної інжекції третьої гармоніки у вхідні струми, що містить трифазний діодний міст, навантажений на два послідовно з'єднаних підвищуючих перетворювачі, загальна точка з'єднання яких підключена до нейтралі трансформатора інжекції третьої гармоніки, фазні виводи цього трансформатора підключені до мережі (Naik, R., Rastogi, M. and Mohan, N., "ThirdHarmonic Modulated Power Electronics Interface with Three-Phase Utility to Provide a Regulated DC th Output and to Minimize Line Current Harmonics", Record of the 27 IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, Houston, TX, Oct. 4-9, Pt. I, pp. 689-694 (1992)). Схема дозволяє стабілізувати вихідну напругу і забезпечити високу якість спектрального складу вхідних струмів при КП, близькому до одиниці. До недоліків такого технічного рішення слід віднести великі габарити і масу трансформатора інжекції третьої гармоніки. Відомий гібридний підвищуючий трифазний випрямляч (R.L. Alves and I. Barbi, "Analysis and Implementation of a Hybrid High-Power-Factor Three-Phase Unidirectional Rectifier", IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 24, No. 3, March 2009, pp.632-640), який складається з двох паралельно з'єднаних перетворювачів: один складається з низькочастотного 6-пульсного діодного мосту, навантаженого на високочастотний підвищуючий перетворювач, другий являє собою трифазний підвищуючий активний випрямляч (VIENNA rectifier). Обидва перетворювачі працюють на загальний вихідний ємнісний накопичувач енергії. Схема дозволяє забезпечити вхідний КП, близький до одиниці при низькому коефіцієнті нелінійних спотворень вхідних струмів і стабілізувати вихідну напругу. Недоліком схеми є: велика кількість високочастотних дроселів, швидкодіючих силових напівпровідникових елементів, складність системи керування. Відомий гібридний підвищуючий трифазний випрямляч, який містить трифазний діодний міст, діод, ключ, дросель, ємнісний накопичувач енергії, позитивний вихід діодного моста підключено до позитивного виводу вихідного ємнісного накопичувача енергії через послідовно з'єднані дросель і діод, причому до накопичувача підключено катод цього діода, негативний вихід діодного моста підключено до негативного виводу вихідного ємнісного накопичувача енергії і першого вивода ключа, другий вивід ключа з'єднаний з анодом діода (Kolar, J.W., Ertl, H., and Zach, F.C., "Realization Considerations for Unidirectional Three-Phase PWM Rectifier th Systems with Low Effect on the Mains", Proc. of the 6 International Conference on Power Electronics and Motion Control, Budapest, Oct. 1-3, Vol. 2, pp.560-565 (1990)) - прототип. Перевагами схеми є невелика кількість силових ключів, можливість стабілізації вихідної напруги, невеликі втрати потужності. До недоліків слід віднести високий коефіцієнт гармонік вхідного струму (більше 30 %), обумовлений близькою до прямокутної формою вхідних струмів випрямляча. З-за цього, незважаючи на доволі високий коефіцієнт потужності (близько 0,955), зазначений випрямляч не відповідає сучасним нормам спектрального складу струму навантажень, який регламентовано стандартами IЕС 61000-3-2, ГОСТ Р 51317-2006. Це веде до обмеження області використання випрямляча і погіршує його споживчі якості. В основу винаходу поставлена задача удосконалити гібридний підвищуючий трифазний випрямляч, що дозволить значно зменшити коефіцієнт гармонік його вхідних струмів, забезпечити близький до одиниці коефіцієнт потужності і задовольнити вимоги сучасних стандартів до спектрального складу вхідних струмів. Для рішення поставленої задачі в гібридному підвищуючому трифазному випрямлячі, що містить трифазний діодний міст, діод, ключ, дросель, ємнісний накопичувач енергії, позитивний вихід діодного моста підключено до позитивного виводу вихідного ємнісного накопичувача енергії через послідовно з'єднані дросель і діод, причому до накопичувача підключено катод цього діода, негативний вихід діодного моста підключено до негативного виводу вихідного ємнісного накопичувача енергії і першого вивода ключа, другий вивід ключа з'єднаний з анодом 1 UA 105081 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 діода, відповідно до винаходу, в пристрій додатково введені другий дросель і п'ять ключів, причому перші виводи другого, третього і четвертого ключів з'єднані з вхідними виводами мосту, другі їх виводи з'єднані між собою і підключені до першого виводу другого дроселя, п'ятий і шостий ключі з'єднані послідовно, їх загальна точка підключена до другого виводу другого дроселя, а крайні виводи п'ятого і шостого ключів підключені до виводів ємнісного накопичувача. Запропоноване технічне рішення пояснюється кресленнями, на яких показані: фіг. 1 - блок-схема гібридного підвищуючого трифазного випрямляча; фіг. 2 - електрична схема силової частини; фіг. 3 - схема заміщення гібридного підвищуючого трифазного випрямляча для локальних середніх; фіг. 4 - електрична схема силової частини практичної реалізації гібридного підвищуючого трифазного випрямляча. В якості прикладу виконання гібридного підвищуючого трифазного випрямляча приведений пристрій, який містить трифазний діодний міст 1 (BR1, фіг. 2), діод (VD1, фіг. 2), ключ (S1, фіг. 2), дросель (L1, фіг. 2), які утворюють підвищуючий перетворювач 2, вихід якого підключений до ємнісного накопичувача енергії 3 (С1, фіг. 2), три ключі 4 (S2, S3, S4, фіг. 2), підключені до входів діодного моста, дросель (L2, фіг. 2) і два ключі (S5, S6, фіг. 2), які утворюють напівмостовий перетворювач 5, підключений між ключами 4 і ємнісним накопичувачем 3. Пристрій працює в такий спосіб. При живленні схеми від трифазної мережі у будь-який момент часу у провідному стані знаходяться два з шести діодів вхідного мосту - один з позитивної (катодної) групи, один з негативної (анодної) групи. При цьому лівий по схемі вивід дроселя L1 підключено до фази з найвищим потенціалом, а негативний вивід ємнісного накопичувача - до фази з найнижчим потенціалом. Струм (ір, фіг. 2) дроселя L1 (тобто вхідний струм фази з найвищим потенціалом) може бути контрольований шляхом зміни скважності відкриття ключа S1, адже елементи L1, S1, VD1, С1 утворюють підвищуючий (boost) перетворювач. Завдяки наявності діодного моста на вході цей перетворювач завжди працює з позитивною вхідною напругою. Це дозволяє застосувати однонаправлений ключ S1, спростити керування ним та зменшити втрати потужності у системі. Для забезпечення близького до одиниці вхідного КП схеми необхідно забезпечити пряме керування всіма трьома вхідними струмами. Але оскільки з'єднання з нейтраллю відсутнє, достатньо забезпечити керування двома вхідними струмами, третій встановиться автоматично відповідно до першого закона Кірхгоффа. Для забезпечення управління струмом (іm, фіг. 2) фази з мінімальним за абсолютною величиною потенціалом призначений напівмостовий перетворювач на елементах L2, S5, S6, вхід якого за допомогою ключів S2, S3, S4 підключається до фази з мінімальним за абсолютною величиною потенціалом, а вихід підключено до накопичуючого конденсатора С1. Струм (іп, фіг. 2) фази з найнижчим потенціалом визначається з першого закона Кірхгоффа: іn = -ір-іm. На фіг. 3 приведено схему заміщення запропонованого випрямляча для локальних середніх для випадку uAN > uCN > uBN. Жирними лініями виділено шлях проходження струмів. Якщо струм ір встановити пропорційним напрузі uPN (ір = G·uPN), a струм іm встановити пропорційним напрузі uMN (im=G·uMN), то схема відносно до мережі буде являти симетричне активне навантаження з фазною провідністю, що дорівнює G. Переключення діодів мосту BR1 і ключів S2, S3, S4 відбувається шість разів за період частоти вхідної напруги, що дає змогу виконати ключі S2, S3, S4 з використанням низькочастотних IGBT транзисторів з малими втратами провідного стану. Завдяки можливості прямого керування вхідними струмами високий КП може бути збережений також i за умов несиметричної напруги живлення або за наявності в ній вищих гармонік. При живленні від симетричної трифазної мережі 91 % вихідної потужності забезпечується основним перетворювачем (з ключом S1), a останні 9 % забезпечуються напівмостовим перетворювачем (з ключами S5, S6). В прикладі практичної реалізації гібридного підвищуючого трифазного випрямляча (фіг. 4) ключі S2-S4 виконано з двох зустрічно-послідовно з'єднаних транзисторів із зворотними діодами. Типи і номінали силових компонентів: BR1: зібраний з двох однофазних мостів КВРС2510; VD1:HFA30PB120; VT1-VT3: FGA25N120ANTD; 2 UA 105081 C2 5 10 15 20 25 30 S3, S4, S5: по два зустрічно-послідовно з'єднаних IRG4PH30KD; С1: два послідовно з'єднаних конденсатора по 330 мкФ 400 В; L1, L2: 2 мГн 7 А. Формування керуючих імпульсів для транзистора VT1 здійснюється за допомогою спеціалізованої мікросхеми коректора коефіцієнта потужності МС33262. Керування транзисторами ключів S2, S3, S4 здійснюється від мікроконтролера ATmega48-20PA i трьох спеціалізованих оптопар FOD3120. Переключення ключів S2, S3, S4 здійснюється з безструмовою паузою, при цьому для обмеження ЕРС самоіндукції дроселя L2 можуть бути додатково встановлені діоди VD2, VD3 (фіг. 4). Керування напівмостовим перетворювачем VT2, VT3 здійснюється із застосуванням драйвера IR2213, реалізовано гістерезисне управління струмом іпі, причому завдання цього струму здійснюється від зазначеного мікроконтролера. Вихідна напруга стабілізована на рівні 560 В, максимальний вихідний струм навантаження 5 А. Застосування запропонованого гібридного підвищуючого трифазного випрямляча дозволяє підвищити якість (покращити спектральний склад) напруги мережі живлення за рахунок зниження емісії вищих гармонік струму джерел живлення, виконаних за запропонованою схемою, підвищення коефіцієнта потужності, зниження струму споживання і зниження втрат енергії в мережі. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Гібридний підвищуючий трифазний випрямляч, що містить трифазний діодний міст, діод, ключ, дросель, ємнісний накопичувач енергії, позитивний вихід діодного моста підключено до позитивного виводу вихідного ємнісного накопичувача енергії через послідовно з'єднані дросель i діод, причому до накопичувача підключено катод цього діода, негативний вихід діодного моста підключено до негативного виводу вихідного ємнісного накопичувача енергії і першого вивода ключа, другий вивід ключа з'єднаний з анодом діода, який відрізняється тим, що в пристрій додатково введені другий дросель і п'ять ключів, причому перші виводи другого, третього і четвертого ключів з'єднані з вхідними виводами мосту, другі їх виводи з'єднані між собою і підключені до першого виводу другого дроселя, п'ятий і шостий ключі з'єднані послідовно, їх загальна точка підключена до другого виводу другого дроселя, а крайні виводи п'ятого і шостого ключів підключені до виводів ємнісного накопичувача. 3 UA 105081 C2 Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4