Джерело електроживлення для трифазного навантаження, обладнаного нейтральним виводом

1. Джерело електроживлення для трифазного навантаження, обладнаного нейтральним виводом, що містить трифазний випрямляч, виконаний по мостовій схемі, реактор і трифазну живильну мережу змінної напруги, зв'язану своїми трьома фазними клемами відповідно із трьома фазними виводами зазначеного трифазного навантаження, яке відрізняється тим, що в нього уведені датчик струму, блок компараторів, два повністю керованих напівпровідникових силових ключі, два формувачі імпульсів, конденсатор, другий реактор, виконаний трифазним, і два діоди, зустрічно паралельно кожному з яких підключені по одному зі згаданих силових ключів, зв'язаних своїми керуючими входами через перший і другий формувачі імпульсів з першим і другим виходами блока компараторів, при цьому трифазна мережа живлення змінної напруги виконана з нейтральним проводом, обладнаним нейтральною клемою, випрямляч своїм трифазним входом зв'язаний через другий реактор із трьома фазними клемами мережі U 2 (19) 1 3 тивно-реактивним трифазним навантаженням, а також рівномірне струмове завантаження (симетрування фазних струмів мережі) трифазної трипровідної мережі живлення при живленні від її несиметричного трифазного навантаження. До недоліку відомого пристрою належить його застосування тільки для трифазної трипровідної змінної напруги мережі, що живить трифазне навантаження без нейтрального виводу. Зокрема, при живленні від трифазної чотирипровідної мережі живлення несиметричного трифазного навантаження, обладнаного нейтральним виводом, у відомому пристрої в значній мірі погіршується ефективність компенсації активним фільтром потужності спотворення і реактивної потужності такого навантаження, а також - фактично не відбувається симетрування фазних струмів мережі. Як наслідок, це призводить до додаткових електричних втрат у трифазній чотирипровідній мережі живлення (силовому трансформаторі, кабельній лінії) через появу несиметрії в мережних фазних струмах і впливу ненульового струму, що протікає в нейтральному проводі, а також - від згаданого збільшення споживання з мережі живлення потужності спотворювання і реактивної потужності (які призводять, у свою чергу, до додаткового струмового завантаження трифазної чотирипровідної мережі). Найбільш близьким по технічній сутності (по призначенню й сукупності загальних технічних ознак) до запропонованого пристрою є джерело електроживлення з [2], що містить трансформатор, до виводів кінців вторинних обмоток якого підключене навантаження, а початки обмоток підключені до діодного моста, до полюсів якого приєднаний реактор, причому, реактор обладнаний середнім виводом, до якого приєднана нейтраль навантаження. Відоме джерело електроживлення являє собою пристрій, що реалізує із трифазної трипровідної мережі (за допомогою трифазного силового трансформатора, трифазного випрямляча, виконаного у вигляді діодного моста, й реактора, обладнаного середнім виводом) трифазну чотирипровідну мережу живлення змінної напруги, від якої одержує живлення трифазне навантаження, обладнане нейтральним виводом. Перевагою даного пристрою є згладжування (демпфірування) пульсацій фазних струмів навантаження, що відбувається в ньому, при стрибкоподібній зміні опорів навантаження або фазних напруг мережі трифазної трипровідної мережі живлення. До недоліків відомого пристрою (що проявляється при живленні від нього несиметричних, нелінійних і активно-реактивних навантажень, обладнаних нейтральним виводом) відноситься значна асиметрія фазних струмів мережі (практично повторює асиметрію струмів трифазного навантаження) і збільшене споживання з мережі живлення потужності спотворення і реактивної потужності. Це, у свою чергу, приводить до додаткових електричних втрат у трифазній трипровідній живильній мережі й трансформаторі. Інший недолік властивий відомому пристрою при живленні від нього трифазного нелінійного навантаження (наприклад, виконаної у вигляді трифазної нульової діодної 40772 4 або тиристорної схеми випрямляча, зв'язаної своїм виходом через навантаження постійного струму з нейтральним виводом), що характеризується протіканням через її фазні й нейтральний виводи постійних складових струму. Цей недолік полягає в необхідності збільшення розміру (осердя) магнітопроводу силового трансформатору (щоб уникнути його насичення від впливу зазначених постійних складових струму навантаження, що протікають по вторинних обмотках силового трансформатора), що, у свою чергу, призводить до збільшення загальних габаритів і вартості силового трансформатора, а також - усього відомого джерела електроживлення в цілому. В основі корисної моделі поставлене завдання симетрування фазних струмів мережі трифазної чотирипровідної мережі змінної напруги при живленні від її несиметричного трифазного навантаження, обладнаного нейтральним виводом, а також зменшення до нуля постійних складових у фазних струмах мережі й струму, що протікає в нейтральному проводі мережі живлення. За рахунок цього забезпечується відповідно зменшення електричних втрат у трифазній чотирипровідній мережі живлення (силовому трансформаторі, кабелях) і зменшуються габарити силового трансформатора. Рішення даного завдання досягається тим, що джерело електроживлення для трифазного навантаження, обладнаного нейтральним виводом, що містить трифазний випрямляч, виконаний по мостовій схемі, реактор і трифазну мережу живлення змінної напруги, зв'язану своїми трьома фазними клемами відповідно із трьома фазними виводами зазначеного трифазного навантаження, додатково уведений датчик струму, блок компараторів, два повністю керованих напівпровідникових силових ключі, два формувачі імпульсів, конденсатор, другий реактор, виконаний трифазним, і два діоди, зустрічно паралельно кожному з яких підключені по одному зі згаданих силових ключів, зв'язаних своїми керуючими входами через перший і другий формувачі імпульсів з першим і другим виходами блоку компараторів, при цьому трифазна мережа змінної напруги обладнана нейтральним проводом, з'єднаним з клемою, випрямляч своїм трифазним входом зв'язаний через другий реактор із трьома фазними клемами живильної мережі, своїм вихідним позитивним полюсом випрямляч підключений до одного з виводів конденсатора й до катода першого діода, а своїм вихідним негативним полюсом випрямляч приєднаний до іншого виводу конденсатора й до анода другого діода, анод першого діода й катод другого діода з'єднані разом і зв'язані через перший реактор з нейтральним виводом навантаження й першим входом датчика струму, у якого другий вхід підключений до нейтральної клеми мережі живлення, а вихід - до входу блоку компараторів. Для зменшення потужності спотворення і реактивної потужності, споживаних трифазним навантаженням з живильної мережі, у джерелі електроживлення по п. 1 трифазний випрямляч виконаний у вигляді активного випрямляча, обладнаного бло 5 ком керування, виходи якого пов'язані з керуючими входами активного випрямляча. Для згладжування пульсацій фазних струмів чотирипровідної мережі живлення в джерело електроживлення по п. 1 додатково уведені третій реактор, виконаний трифазним, і другий, третій і четвертий конденсатори, під'єднані одними зі своїх виводів до нейтральної клеми мережі живлення, при цьому кожна із трьох фазних клем мережі живлення зв'язана через третій реактор з одним з фазних виводів другого реактора й одним з фазних виводів трифазного навантаження, а кожний з інших виводів другого, третього й четвертого конденсаторів підключені до одного з фазних виводів трифазного навантаження. Введення в запропонований пристрій наступних нових елементів: датчика струму, блоку компараторів, двох повністю керованих силових ключів, двох формувачів імпульсів, конденсатора, другого реактора й двох діодів, - дозволило за рахунок функціонування цих елементів (у взаємодії між собою й іншими елементами пристрою), поперше, виключити протікання струму в нейтральному проводі мережі живлення й, по-друге, симетрувати струми (здійснити приблизно рівномірне струмове завантаження) для фазних проводів чотирипровідної мережі змінної напруги, що живить несиметричне трифазне навантаження, обладнане нейтральним виводом. Це, у свою чергу, призводить до зменшення габаритів силового трансформатора (через виключення постійної складової в фазних струмах мережі) і зниження електричних втрат у трифазній чотирипровідній мережі живлення (зокрема, її силовому трансформаторі й кабелях). Таким чином, нові ознаки при взаємодії з відомими ознаками забезпечують появу нових технічних властивостей. Зокрема, шляхом введення нових елементів і їх зв'язків розроблене джерело електроживлення для трифазного навантаження, обладнаного нейтральним виводом, якому властиві згадані вище нові технічні якості. Це забезпечує всій заявленій сукупності ознак пристрою відповідність критерію «новизна». Відомий аналог (зокрема, реверсивний широтно-імпульсний перетворювач постійної напруги) з [3], що також містить (у своєму складі) наступні ознаки запропонованого пристрою, що відрізняються від прототипу: «два повністю керованих напівпровідникових силових ключі, реактор і два діоди, зустрічно паралельно кожному з яких підключені по одному зі згаданих силових ключів, ... своїм вихідним позитивним полюсом випрямляч підключений ... до катода першого діода, а своїм вихідним негативним полюсом випрямляч приєднаний ... до аноду другого діода, анод першого діода, і катод другого діода з'єднані разом і зв'язані через ... реактор ...». Однак, у зазначеному аналогу перераховані технічні ознаки виконують зовсім іншу функцію (ніж у запропонованому пристрої), і, зокрема, - регулювання двополярної напруги на навантаженні постійного струму. Інших аналогів, які містять ознаки, що відрізняються від прототипу, не знайдено; запропоноване рішення явно не випливає з рівня техніки. Ви 40772 6 ходячи з вище викладеного, можна зробити висновок, що запропоноване технічне рішення задовольняє критерію «винахідницький рівень». Ідея винаходу пояснюється кресленнями: на Фіг.1 - функціональна схема джерела електроживлення для трифазного навантаження, обладнаного нейтральним виводом; на Фіг.2 - функціональна схема джерела електроживлення зі зменшеними потужністю спотворення й реактивною потужністю, що споживається з мережі живлення; на Фіг.3 - функціональна схема джерела електроживлення зі згладженими фазними струмами мережі. Функціональна схема джерела електроживлення на Фіг.1 містить: трифазне навантаження 1, обладнане нейтральним виводом 2, трифазний випрямляч 3, перший реактор 4 і трифазну чотирипровідну мережу живлення змінної напруги 5, зв'язану своїми трьома фазними клемами 6, 7 і 8 відповідно із трьома фазними виводами 9, 10 і 11 зазначеного трифазного навантаження 1. Також дана схема джерела електроживлення на Фіг.1 містить: датчик струму 12, блок компараторів 13, два повністю керованих напівпровідникових силових ключі 14 і 15 (наприклад, типу IGBT, MOSFET, GTO або IGCT), два формувачі імпульсів 16 і 17, конденсатор 18, другий реактор 19, виконаний трифазним, та два діоди 20 і 21, зустрічно паралельно кожному з яких підключені по одному зі згаданих силових ключів 14 і 15, зв'язаних своїми керуючими входами через перший 16 і другий 17 формувачі імпульсів з першим і другим виходами блоку компараторів 13. При цьому трифазна мережа змінної напруги 5 обладнана нейтральним проводом, з'єднаним з клемою 22, випрямляч 3 своїм трифазним входом зв'язаний через другий реактор 19 із трьома фазними клемами 6, 7 і 8 мережі живлення 5, своїм вихідним позитивним полюсом випрямляч 3 підключений до одного з виводів конденсатора 18 і до катода першого діода 20, а своїм вихідним негативним полюсом випрямляч 3 приєднаний до іншого виводу конденсатора 18 і до анода другого діода 21. Анод першого діода 20 і катод другого діода 21 з'єднані разом і зв'язані через перший реактор 4 з нейтральним виводом 2 навантаження 1 і першим входом датчика струму 12, у якого другий вхід підключений до нейтральної клеми 22 мережі живлення 5, а вихід до входу блоку компараторів 13. У якості одного з можливих варіантів своєї реалізації трифазний випрямляч 3 у схемі на Фіг.3 показаний виконаним як трифазна мостова діодна схема (яка складається з діодів 23-28). Функціональна схема джерела електроживлення на Фіг.2, що забезпечує зменшення споживання навантаженням з мережі живлення потужності спотворення і реактивної потужності, містить всі ті ж елементи, показані раніше на Фіг.1, але в ній трифазний випрямляч 3 виконаний (у якості іншого можливого свого варіанта) у вигляді трифазної мостової схеми активного випрямляча 29. Останній обладнаний блоком керування 30, виходи якого пов'язані з керуючими входами зазначеного активного випрямляча 29. При цьому зазна 7 чений активний випрямляч 29 реалізований на діодах 23-28, з'єднаних між собою по трифазній мостовій схемі, а зустрічно паралельно кожному зі згаданих діодів підключені повністю керовані напівпровідникові силові ключі 31-36 (наприклад, типу IGBT, MOSFET, GTO або IGCT). Керуючі входи зазначених силових ключів 31-36 є керуючими входами активного випрямляча 29. Функціональна схема джерела живлення на Фіг.3, що забезпечує згладжування фазних струмів мережі, містить (крім елементів, показаних раніше на Фіг.1) додатково третій реактор 37, виконаний трифазним, і другий 38, третій 39 і четвертий 40 конденсатори, під'єднані одними зі своїх виводів до нейтральної клеми 22 живильної мережі. При цьому кожна із трифазних клем 6, 7 і 8 мережі живлення зв'язана через третій реактор 37 з одним з фазних виводів другого реактора 19 і одним з фазних виводів 9, 10 і 11 трифазного навантаження 1, а кожний з інших виводів другого 38, третього 39 і четвертого 40 конденсаторів підключений до одного з фазних виводів трифазного навантаження 1. Трифазна чотирипровідна мережа живлення змінної напруги 5 містить у своєму складі трифазний силовий трансформатор 41, у якого одні з фазних виводів вторинних обмоток з'єднані між собою в «зірку» і зв'язані загальною точкою свого з'єднання з нейтральною клемою 22 мережі живлення 5, а інші фазні виводи вторинних обмоток цього трансформатора 41 зв'язані відповідно із клемами 6, 7 і 8 трифазної чотирипровідної мережі живлення 5. Показане на функціональній схемі на Фіг.1 джерело електроживлення функціонує таким чином. При живленні симетричного трифазного навантаження 1 від симетричних мережних фазних напруг (що надходять на навантаження 1 із клем 6, 7 і 8 трифазної чотирипровідної мережі змінної напруги 5) струм INH у нейтральному виводі 2 навантаження 1 дорівнює нулю: ІNH=0. Також, очевидно, що при цьому дорівнює нулю струм IN, що протікає в нейтралі (клема 22) мережі живлення: IN=0, що контролюється датчиком струму 12. При порівнянні зазначеного нульового вихідного сигналу датчика струму 12 (що надходить на вхід блоку компараторів 13) зі значеннями уставок: +DІ* і -DІ* цього блоку виконується наступне співвідношення: -DІ*