Активний трифазний випрямляч

Реферат: Активний трифазний випрямляч належить до електротехніки і може бути використаний для створення джерел живлення з трифазним входом. Випрямляч містить керовані напівпровідникові ключі, що утворюють чотири півмости, вхідний фільтр з дроселями, вихідний накопичуючий конденсатор. Також в схему в кожній фазі додатково введені трансформатор з коефіцієнтом трансформації 1:1 і діодний міст. Виводи постійного струму всіх чотирьох півмостів підключені до вихідного накопичуючого конденсатора, перші виводи первинних обмоток трансформаторів підключені до виходів трьох півмостів, другі виводи первинних обмоток трансформаторів з'єднані між собою і підключені до виходу четвертого півмоста, вторинні обмотки трансформаторів виконані з відводом від середини, крайні виводи підключені до входів діодних мостів, середні виводи підключені до мережі живлення через вхідний фільтр з дроселями, виходи діодних мостів підключені до вихідного накопичуючого конденсатора. За допомогою запропонованого активного трифазного випрямляча досягається покращення масогабаритних характеристик і підвищення питомої потужності джерел живлення, виконаних за запропонованою схемою. підвищення коефіцієнта потужності, зниження струму споживання і зниження втрат енергії в мережі. UA 111290 C2 (12) UA 111290 C2 UA 111290 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 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 активний трифазний випрямляч, 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.: Third-Harmonic Modulated Power Electronics Interface with Three-Phase Utility to Provide a Regulated DC Output th 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 1. Корекція коефіцієнта потужності реалізується шляхом пасивної інжекції третьої гармоніки у вхідні струми. До недоліків такого технічного рішення слід віднести великі габарити і масу трансформатора інжекції третьої гармоніки, а також те, що підвищуючи перетворювачі працюють зі струмом, більшим за вхідний. Відомий активний трифазний випрямляч (Kolar, J.W., Friedli, T. The essence of three-phase PFC rectifier systems, in proc. of IEEE 33rd International Telecommunications Energy Conference (INTELEC), Oct. 9-13, 2011, p. 10), що містить трифазний діодний міст, два діоди, п'ять ключів, два дроселі, ємнісний накопичувач енергії, позитивний вихід діодного моста підключено до позитивного виводу вихідного ємнісного накопичувача енергії через послідовно з'єднані перший дросель і перший діод, причому до накопичувача підключено катод цього діода, негативний вихід діодного моста підключено до негативного виводу вихідного ємнісного накопичувача енергії через послідовно з'єднані другий дросель і другий діод, причому до накопичувача підключено анод другого діода, перший вивід першого ключа з'єднаний з анодом першого діода, перший вивід другого ключа з'єднаний з катодом другого діода, перші виводи третього, четвертого і п'ятого ключів підключені до входів діодного моста, другі виводи ключів з'єднані між собою. Схема дозволяє забезпечити вхідний КП, близький до 1 при низькому коефіцієнті нелінійних спотворень вхідних струмів і стабілізувати вихідну напругу. Недоліком схеми є необхідність встановлення вихідної напруги на рівні не нижче потроєної амплітуди фазної напруги на вході, що призводить до підвищення вимог до силових елементів випрямляча, підвищення втрат енергії в ньому та ускладнює подальше перетворення електричної енергії. Відомий активний трифазний випрямляч (Ertl, H., Kolar, J.W., and Zach, F.C., "Analysis of th Different Current Control Concepts for Forced Commutated Rectifier (FCR)", Proceedings of the 11 International conference on Power Conversion, Munchen, Germany, June 17-19, 1986, pp. 195-217), що містить керовані напівпровідникові ключі, вхідний фільтр з дроселями, вихідний накопичуючий конденсатор-прототип. Схема дозволяє стабілізувати вихідну напругу, забезпечити високий КП. До недоліків прототипу слід віднести те, що робочий струм напівпровідникових ключів дорівнює вхідному, що призводить до підвищеної вартості пристрою, та складність забезпечення безперервного живлення навантаження випрямляча при відмові ключів. В основу винаходу поставлена задача удосконалити активний трифазний випрямляч, що дозволить знизити робочий струм напівпровідникових ключів, тим самим покращити економічні показники, і підвищити надійність випрямляча, забезпечивши обмежену працездатність при відмові напівпровідникових ключів. Для рішення поставленої задачі в активному трифазному випрямлячі, що містить керовані напівпровідникові ключі, вхідний фільтр з дроселями, вихідний накопичуючий конденсатор, відповідно до винаходу, в схему в кожній фазі додатково введені трансформатор з коефіцієнтом трансформації 1:1 і діодний міст, керовані напівпровідникові ключі утворюють чотири півмости, виводи постійного струму яких підключені до вихідного накопичуючого конденсатора, перші виводи первинних обмоток трансформаторів підключені до виходів трьох півмостів, другі виводи первинних обмоток трансформаторів з'єднані між собою і підключені до виходу четвертого 1 UA 111290 C2 5 10 15 20 25 30 35 півмоста, вторинні обмотки трансформаторів виконані з відводом від середини, крайні виводи підключені до входів діодних мостів, середні виводи підключені до мережі живлення через вхідний фільтр з дроселями, виходи діодних мостів підключені до вихідного накопичуючого конденсатора. Запропоноване технічне рішення пояснюється кресленнями, на яких показані: фіг. 1 - блок-схема активного трифазного випрямляча; фіг. 2 - електрична схема силової частини; фіг. 3 - схема заміщення. Як приклад виконання трифазного випрямляча з корекцією коефіцієнта потужності приведений пристрій, який містить вхідний фільтр з дроселями 1 (L1-L3, фіг. 2), керовані напівпровідникові ключі 2 (VT1-VT8, фіг. 2), вихідний накопичуючий конденсатор 3 (С1, фіг. 2), трансформатори з коефіцієнтом трансформації 1:14 (Т1-Т3, фіг. 2), діодні мости 5 (VD1-VD12, фіг. 2), виводи постійного струму яких підключені до вихідного накопичуючого конденсатора 3. Перші виводи первинних обмоток трансформаторів підключені до виходів трьох півмостів (поз. 2 фіг. 1, VT3-VT8, фіг. 2), другі виводи первинних обмоток трансформаторів 4 з'єднані між собою і підключені до виходу четвертого півмоста (поз. 2 фіг. 1, VT1-VT2, фіг. 2), вторинні обмотки трансформаторів 4 виконані з відводом від середини, крайні виводи підключені до входів діодних мостів 5, середні виводи підключені до мережі живлення через вхідний фільтр 1 з дроселями (L1-L3, фіг. 2), виходи діодних мостів підключені до вихідного накопичуючого конденсатора 3 (С1, фіг. 2). Відмінною рисою запропонованої схеми є те, що струм силових ключів удвічі менший за вхідний. Це дозволяє знизити собівартість запропонованого активного трифазного випрямляча. Крім того, навіть при відмові силових ключів схема зберігає обмежену працездатність, перетворюючись на звичайний трифазний діодний міст із паралельно включеними діодами. Пристрій працює в такий спосіб. Оскільки схема є симетричною, розглянемо процеси, які протікають у фазі А. В інших фазах все аналогічно. Первинна обмотка трансформатора підключена до мостового інвертора, який утворений двома півмостами (для фази А це VT1, VT2, VT7, VT8). Спосіб керування - широтно-імпульсна модуляція із фазовим зсувом (півміст VT1, VT2 ведучий, VT7, VT8 - відомий). Під час активного стану (напруга на первинній обмотці трансформатора дорівнює напрузі на вихідному накопичуючому конденсаторі Udc) схема заміщення приймає вигляд, показаний на фіг. 3, фази А та С. Миттєва напруга uа0 при цьому дорівнює Udc/2. Під час пасивного стану (напруга на первинній обмотці трансформатора дорівнює нулю, це показано на фіг. 2, фаза В) миттєва напруга uа0 дорівнює 0 або Udc, залежно від знака мережевого струму фази А iа. Виходячи з цього, середня за період ШІМ напруга на середньому відводі вторинної обмотки трансформатора ua0 може бути визначена як ˆ ˆ ua0  Da  Udc  (1  2Da )  Udc  40 sin g(ia )  1 , 2 Скважність D a для півмоста фази A (VT7, VT8) знаходиться в межах D a  [0;0,5). Якщо запропонований активний трифазний випрямляч відносно до мережі являє собою чисто активне навантаження з одиничним КП, то можна представити його еквівалентною фазною провідністю Ge, а вхідний струм записати як іа=uAN·Ge. Нехтуючи падінням напруги на дроселях вхідного фільтра (L1-L3), отримуємо: ˆ u AN  uN0  ua0  Da  Udc  (1  2Da )  Udc  45 sin g(u AN  Ge )  1 , 2 де uN0 - напруга між нейтраллю мережі та негативною вихідною шиною випрямляча. Останній вираз можна записати у вигляді: u AN  uN0  Udc  (1  Da ), if u AN  0; uAN  uN0  Udc  Da ,if u AN  0 . 50 Останні вирази однозначно визначають скважність D a , потрібну для реалізації одиничного вхідного КП:  u AN  uN0 ,if u AN  0 1  Udc  . Da    u AN  uN0 ,if u AN  0 Udc   2 UA 111290 C2 Напруги Udc та uN0 треба вибирати з умов можливості фізичної реалізації, тобто D a  5 10 15 20 [0;0,5). В найпростішому варіанті можна вибрати Udc  2  Um, uN0  Udc / 2, де Um - амплітуда фазної напруги мережі. Таким чином, схема дозволяє забезпечити керування вхідним струмом і роботу з КП, близьким до одиниці. В прикладі практичної реалізації активного трифазного випрямляча застосовані компоненти: VD1-VD12:MUR86OG; VT1-VT8: STGP10NC60HD; С1: два конденсатори 470 мкФ 400 В, з'єднаних послідовно; L1-L3:250мкГн7А. Формування керуючих імпульсів для транзисторів VT1-VT12 здійснюється за допомогою системи керування (на фіг. 1, 2 умовно не показана). У склад системи керування входить мікроконтролер STM32F100C6T6B, спеціалізовані мікросхеми-драйвери затворів типу IRS2109. Вихідна напруга стабілізована на рівні 450 В, максимальний вихідний струм 2 А. Лінійна напруга мережі живлення становить 160-240 В. Вимірювання вхідних струмів виконано за допомогою мікросхем-датчиків струму ACS712ELCTR-05B. Застосування запропонованого активного трифазного випрямляча дозволяє покращити масогабаритні характеристики і підвищити питому потужність джерел живлення, виконаних за запропонованою схемою, підвищити якість (покращити спектральний склад) напруги мережі живлення за рахунок зниження емісії вищих гармонік струму, підвищення коефіцієнта потужності, зниження струму споживання і зниження втрат енергії в мережі. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 Активний трифазний випрямляч, що містить керовані напівпровідникові ключі, вхідний фільтр з дроселями, вихідний накопичуючий конденсатор, який відрізняється тим, що в схему в кожній фазі додатково введені трансформатор з коефіцієнтом трансформації 1:1 і діодний міст, керовані напівпровідникові ключі утворюють чотири півмости, виводи постійного струму яких підключені до вихідного накопичуючого конденсатора, перші виводи первинних обмоток трансформаторів підключені до виходів трьох півмостів, другі виводи первинних обмоток трансформаторів з'єднані між собою і підключені до виходу четвертого півмоста, вторинні обмотки трансформаторів виконані з відводом від середини, крайні виводи підключені до входів діодних мостів, середні виводи підключені до мережі живлення через вхідний фільтр з дроселями, виходи діодних мостів підключені до вихідного накопичуючого конденсатора. 3 UA 111290 C2 Комп’ютерна верстка О. Гергіль Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4