Трифазний випрямляч з корекцією коефіцієнта потужності

Реферат: Трифазний випрямляч належить до електротехніки і може бути використаний для створення джерел живлення з трифазним входом. Трифазний випрямляч з корекцією коефіцієнта потужності містить: трифазний діодний міст; два діоди, два дроселі i два ключі, які утворюють два підвищуючих перетворювачі, виходи яких підключені до ємнісного накопичувача енергії; три ключі, підключені до входів діодного моста; додаткові два діоди, ключ і дросель, які утворюють підвищуючий перетворювач, підключений між трьома ключами, з'єднаними з діодним мостом, і накопичувачем. Застосування запропонованого трифазного випрямляча з корекцією коефіцієнта потужності 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. UA 102648 C2 (12) UA 102648 C2 UA 102648 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 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, Ν.: Third-Harmonic Modulated Power Electronics Interface with Three-Phase Utility to Provide a Regulated DC Output and to Minimize Line th 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. До недоліків такого технічного рішення слід віднести великі габарити і масу трансформатора інжекції третьої гармоніки. Відомий трифазний випрямляч з корекцією коефіцієнта потужності (Kolar, J.W. and Zach, F.C.: A Novel Three-Phase Three-Switch Three-Level PWM Rectifier. Proceedings of the 28th Power Conversion Conference, Nurnberg, Germany, June 28-30, pp. 125-138 (1994)), який містить вхідний фільтр, до виходу якого підключено діодний міст, навантажений на два послідовно з'єднані конденсатори, і силові двонаправлені ключі, включені між виходом фільтра і середньою точкою з'єднання конденсаторів, та схему керування. Схема має високу ефективність перетворення, низькі спотворення вхідних струмів, можливість стабілізації вихідної напруги. Недоліком є велика кількість високочастотних двонаправлених ключів, кожний з яких зазвичай складається з двох силових транзисторів. Це веде до ускладнення схеми керування випрямлячем і погіршує його споживчі якості. Відомий трифазний випрямляч з корекцією коефіцієнта потужності (Kolar, J.W., Friedli, Т. 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 - прототип. 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. В основу винаходу поставлена задача удосконалити трифазний випрямляч з корекцією коефіцієнта потужності, що дозволить забезпечити роботу при вихідній напрузі на рівні подвоєної амплітуди вхідної фазної напруги, тим самим спростити подальше перетворення енергії, втричі зменшити вимоги до робочих напруг силових компонентів випрямляча, тим самим зменшити втрати енергії в ньому. Для рішення поставленої задачі в трифазному випрямлячі з корекцією коефіцієнта потужності, 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 1 UA 102648 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 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, відповідно до винаходу, в пристрій додатково введені третій дросель, третій і четвертий діоди і шостий ключ, причому катод третього діода з'єднаний з позитивним виводом ємнісного накопичувача з двох послідовно включених конденсаторів, анод четвертого діода з'єднаний з негативним виводом ємнісного накопичувача, анод третього і катод четвертого діодів з'єднані між собою і підключені через третій дросель до загальної точки з'єднання третього, четвертого і п'ятого ключів, перший вивід шостого ключа підключено до точки з'єднання третього і четвертого діодів, другий вивід шостого ключа з'єднаний з другими виводами першого і другого ключів і підключений до середньої точки конденсаторів ємнісного накопичувача. Запропоноване технічне рішення пояснюється кресленнями, на яких показані: Фіг. 1 - блок-схема трифазного випрямляча з корекцією коефіцієнта потужності; Фіг. 2 - електрична схема силової частини; Фіг. 3 - схема заміщення трифазного випрямляча з корекцією коефіцієнта потужності для локальних середніх; Фіг. 4 - електрична схема силової частини практичної реалізації трифазного випрямляча з корекцією коефіцієнта потужності. Як приклад виконання трифазного випрямляча з корекцією коефіцієнта потужності приведений пристрій, який містить трифазний діодний міст 1 (BR1, Фіг. 2), два діоди (VD1, VD2, Фіг. 2), два дроселі (L1, L2, Фіг. 2) і два ключі (S1, S2, Фіг. 2), які утворюють два підвищуючих перетворювачі 2 та 3, виходи яких підключені до ємнісного накопичувача енергії 4 (С1, С2, Фіг. 2), три ключі 5 (S3, S4, S5, Фіг. 2), підключені до входів діодного моста, додаткові два діоди (VD3, VD4, Фіг. 2), ключ (S6, Фіг. 2) і дросель (L3, Фіг. 2), які утворюють підвищуючий перетворювач 6, підключений між ключами 5 і накопичувачем 4. 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 моста - 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 лівий по схемі вивід дроселя L2 - до фази з найнижчим потенціалом. Струми дроселів L1, L2 можуть бути контрольовані шляхом зміни шпаруватості відкриття ключів S1, S2 відповідно, адже елементи L1, S1, VD1, С1 і L2, S2, VD2, С2 утворюють два підвищуючих (boost) перетворювачі. Завдяки наявності діодного моста на вході перший перетворювач завжди працює з позитивною вхідною напругою, а другий завжди з негативною. Це дозволяє зменшити число силових транзисторів у їх складі, спростити керування ними і зменшити втрати потужності. Для забезпечення близького до одиниці вхідного КП схеми необхідно забезпечити керування всіма трьома вхідними струмами. Для виконання цієї умови призначений третій підвищуючий перетворювач на елементах L3, S6, VD3, VD4, вхід якого за допомогою ключів S3, S4, S5 підключається до фази з мінімальним за абсолютною величиною потенціалом, а вихід підключено до накопичуючих конденсаторів С1, С2. Ключ S6 повинен бути двонаправленим, адже знаки струму і напруги на ньому змінюються. Якщо для всіх трьох перетворювачів застосувати один з методів керування, що застосовуються в однофазних коректорах коефіцієнта потужності, то "поведінка" схеми відносно до мережі може бути проілюстрована так, як показано на Фіг. 3. Кожний перетворювач імітує активний опір R, причому ці опори з'єднані зіркою, два виводи якої підключені до мережі через пару відкритих діодів вхідного моста, а третій - через один з ключів S3, S4, S5. Переключення діодів моста і ключів S3, S4, S5 відбувається шість разів за період частоти вхідної напруги, що дає змогу виконати ключі S3, S4, S5 з використанням низькочастотних IGBT транзисторів з малими втратами провідного стану. Як видно з Фіг. 3 (жирними лініями виділений шлях проходження струмів для випадку uA>uС>uB), у кожний момент часу схема відносно до мережі веде себе як симетричне активне навантаження, що визначає близький до одиниці вхідний КП. Завдяки можливості роздільного керування вхідними струмами високий КП може бути збережений також і за умов несиметричної напруги живлення або за наявності в ній вищих гармонік. Запропонована схема вигідно відрізняється від прототипу тим, що робочі напруги ключів S1, S2, S6 не перевищують половини від вихідної постійної напруги, яка має встановлюватися на 2 UA 102648 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 рівні не менше подвоєної амплітуди вхідної фазної напруги. У прототипі робоча напруга ключів досягає вихідної постійної напруги, а остання повинна встановлюватись на рівні не менше потроєної амплітуди вхідної фазної напруги. При живленні від симетричної трифазної мережі потужність основних перетворювачів (з ключами S1, S2) становить по 47 % від вихідної потужності, а потужність допоміжного перетворювача (з ключем S6) - лише 6 % від вихідної. В прикладі практичної реалізації трифазного випрямляча з корекцією коефіцієнта потужності двонаправлений ключ S6 виконано з двох діодів і двох транзисторів (VD5, VD6, VT3, VT4, Фіг. 4). Типи і номінали силових компонентів: BR1:6 шт. 1N5407; VD1-VD4: MUR860G; VD5, VD6: UF5407; VT1, VT2: STGP10NC60HD; VT3, VT4: STP20NM60FP; S3, S4, S5: по два зустрічно-послідовно з'єднаних STGF3NC120HD; С1, С2: по 330 мкФ 400 В; L1-LЗ: 250 мкГн 7 А. Формування керуючих імпульсів для транзисторів VT1-VT4 здійснюється за допомогою трьох спеціалізованих мікросхем коректорів коефіцієнта потужності МС33262. Керування транзисторами ключів S3, S4, S5 здійснюється від мікроконтролера ATmega48-20PA i трьох спеціалізованих оптопар FOD3120. Вихідна напруга стабілізована на рівні ±375 В, максимальний вихідний струм 1,8 А. Якщо з'єднання середньої точки випрямляча з нейтраллю мережі не є обов'язковим, доцільно штучно створити у середній точці випрямляча напругу з частотою третьої гармоніки мережі і рівнем близько 16 % від амплітуди фазної напруги. Це дасть змогу зменшити мінімальний рівень вихідної напруги до амплітуди лінійної вхідної напруги. При цьому потужності основних перетворювачів дорівнюватимуть по 46 %, а допоміжного перетворювача 8 % вихідної потужності випрямляча. Застосування запропонованого трифазного випрямляча з корекцією коефіцієнта потужності 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 Трифазний випрямляч з корекцією коефіцієнта потужності, 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, який відрізняється тим, що в пристрій додатково введені третій дросель, третій i четвертий діоди i шостий ключ, причому катод третього діода з'єднаний з позитивним виводом ємнісного накопичувача з двох послідовно включених конденсаторів, анод четвертого діода з'єднаний з негативним виводом ємнісного накопичувача, анод третього і катод четвертого діодів з'єднані між собою і підключені через третій дросель до загальної точки з'єднання третього, четвертого і п'ятого ключів, перший вивід шостого ключа підключено до точки з'єднання третього і четвертого діодів, другий вивід шостого ключа з'єднаний з другими виводами першого і другого ключів і підключений до середньої точки конденсаторів ємнісного накопичувача. 3 UA 102648 C2 4 UA 102648 C2 Комп’ютерна верстка М. Ломалова 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 5