Багатофазне джерело живлення

Реферат: Багатофазне джерело живлення належить до електротехніки і може бути використаний як джерело постійного струму, що живиться від багатофазної мережі і має малі спотворення форми вхідного струму. Джерело живлення забезпечує пряме перетворення багатофазної напруги в постійну з гальванічною розв'язкою виходу із використанням двотактних високочастотних трансформаторів. В кожній фазі джерела живлення встановлено високочастотний трансформатор, первинні обмотки якого включені таким чином, що струм намагнічення має різну полярність, залежно від включеного ключа. Два конденсатори призначені для обмеження перенапруг під час переключення ключів. Вихідна обмотка трансформатора підключена до двонапівперіодного випрямляча. Виходи випрямлячів всіх фаз з'єднані узгоджено-послідовно і підключені до виходу джерела через дросель, що згладжує. Технічним результатом є підвищення якості напруги мережі живлення за рахунок підвищення коефіцієнта потужності, зменшення втрати енергії в мережі за рахунок зниження споживаного струму, покращення масогабаритних характеристик і підвищення питомої потужності джерел живлення. UA 102042 C2 (12) UA 102042 C2 UA 102042 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до електротехніки і може бути використаний як джерело постійного струму, що живиться від багатофазної мережі і має малі спотворення форми вхідного струму. При вирішенні задач проектування систем живлення телекомунікаційної апаратури постає необхідність в створенні ефективних перетворювачів багатофазної (наприклад, трифазної) змінної напруги в постійну. При цьому перетворювач має задовільняти жорстким умовам щодо якості споживаного струму, вихідної напруги (струму), масогабаритних характеристик. Крім того, часто з міркувань безпеки є необхідність забезпечити гальванічну розв'язку виходу джерела живлення від мережі. Такі ж вимоги пред'являються і до сучасних зварювальних джерел живлення. Відоме джерело живлення [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 відсутність гальванічної розв'язки виходу і мережі, що потребує встановлення додаткового перетворювача. Це веде до підвищення втрат енергії в системі, ускладнення керування нею і погіршує споживчі якості випрямляча. Відоме джерело живлення [F. Stogerer, J. Minibock and J.W. Kolar, "Design and experimental verification of a novel 1.2 kW 480 Vac/24 Vdc two-switch three-phase DCM flyback-type unity power factor rectifier", in Proc. IEEE PESC'01, 2001, pp. 914-919], що містить вхідний RLC-фільтр, силові ключі зі схемою керування, яка підключена до їх керуючих електродів, фазні трансформатори, в яких первинна обмотка виконана з відводом від середини і до виходу кожної фази вхідного RLCфільтра підключена середня точка первинної обмотки фазного трансформатора. В пристрої забезпечено пряме перетворення багатофазної напруги в постійну з трансформаторною розв'язкою. Недоліком схеми є застосування зворотноходового принципу перетворення, що ускладнює розробку джерел живлення підвищеної потужності з-за різкого росту габаритів і маси імпульсних трансформаторів. Відоме джерело живлення - прототип [Перспективные источники сварочного тока / С.Д. Рудык, В.Е. Турчанинов, С.Н. Флоренцев. - Электротехника, № 7 / 98. - С. 8-13], яке містить в кожній фазі два транзистори, два діоди, два конденсатори, високочастотний трансформатор з трьома обмотками, випрямляч з двома діодами, схему керування, дросель, що згладжує, причому кінці першої і другої обмотки трансформатора з'єднані через перший конденсатор, виводи якого є входом фази, початки першої і другої обмотки трансформатора з'єднані через другий конденсатор, колектор першого транзистора з'єднаний з початком першої обмотки трансформатора, емітер першого транзистора з'єднаний з анодом першого діода, його катод з'єднаний з кінцем другої обмотки трансформатора, колектор другого транзистора з'єднаний з кінцем першої обмотки трансформатора, емітер другого транзистора з'єднаний з анодом другого діода, його катод з'єднаний з початком другої обмотки трансформатора, до крайніх виводів третьої обмотки трансформатора підключені аноди двох діодів випрямляча, катоди яких з'єднані між собою. Схема відрізняється невеликою кількістю силових елементів, має високий вхідний коефіцієнт потужності і гальванічну розв'язку виходу. Недоліком схеми є використання прямоходового однотактного режиму роботи високочастотного трансформатора, що призводить до необхідності збільшення його габаритів і маси, на відміну від схем з використанням двотактного режиму роботи високочастотного трансформатора. В основу винаходу поставлено задачу удосконалити багатофазне джерело живлення, в якому за рахунок внесення нових елементів і зміни схеми забезпечується пряме перетворення багатофазної напруги в постійну з гальванічною розв'язкою виходу із використанням двотактних високочастотних трансформаторів, що дає можливість підвищити питому потужність багатофазного джерела живлення, зменшити його габарити та масу і покращити його споживчі якості. Для рішення поставленої задачі в пристрої, що містить в кожній фазі два транзистори, два діоди, два конденсатори, високочастотний трансформатор з трьома обмотками, випрямляч з двома діодами, схему керування, дросель, що згладжує, причому кінці першої і другої обмотки трансформатора з'єднані через перший конденсатор, виводи якого є входом фази, початки 1 UA 102042 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 першої і другої обмотки трансформатора з'єднані через другий конденсатор, колектор першого транзистора з'єднаний з початком першої обмотки трансформатора, емітер першого транзистора з'єднаний з анодом першого діода, його катод з'єднаний з кінцем другої обмотки трансформатора, колектор другого транзистора з'єднаний з кінцем першої обмотки трансформатора, емітер другого транзистора з'єднаний з анодом другого діода, його катод з'єднаний з початком другої обмотки трансформатора, до крайніх виводів третьої обмотки трансформатора підключені аноди двох діодів випрямляча, катоди яких з'єднані між собою, відповідно до винаходу, в схему додатково введені третій і четвертий транзистори та третій і четвертий діоди, причому третій транзистор зустрічно-паралельно з'єднаний з першим діодом, четвертий транзистор зустрічно-паралельно з'єднаний з другим діодом, третій діод зустрічнопаралельно з'єднаний з першим транзистором, четвертий діод зустрічно-паралельно з'єднаний з другим транзистором, третя обмотка трансформатора виконана з відводом від середньої точки, загальна точка з'єднання катодів діодів випрямляча разом із середньою точкою третьої обмотки трансформатора утворюють вихід фази, входи фаз з'єднані зіркою або трикутником, а виходи фаз з'єднані згідно-послідовно і підключені до виходу багатофазного джерела живлення через дросель, що згладжує. Суть винаходу пояснюється кресленнями, на яких представлено: фіг. 1 - блок-схема багатофазного джерела живлення; фіг. 2 - електрична схема джерела для випадку трифазної мережі; фіг. 3 - електрична схема джерела за фіг. 2 з умовним позначенням ключів; фіг. 4 - схема заміщення джерела для локальних середніх. Як приклад виконання багатофазного джерела живлення з вихідною напругою 55 В, максимальним струмом навантаження 50 А і частотою комутації 20 кГц приведений пристрій з трифазним живленням, який містить в кожній фазі (1-3) силові ключі (VT1-VT4, фіг. 2), два конденсатори (С1, С2, фіг. 2), високочастотний трансформатор з трьома обмотками (Т1, фіг. 2), до трансформаторів підключені випрямлячі 4-6 (VD1, VD2, фіг. 2), виходи який з'єднані послідовно і підключені до виходу джерела через дросель, що згладжує, 7 (L1, фіг. 2). Керування силовими ключами здійснюється від схеми керування 8. Пристрій працює в такий спосіб. Аналіз роботи джерела зручно проводити, користуючись схемою, наведеною на фіг. 3, де транзистори VT1, VT2 позначено як двонаправлений ключ S1, транзистори VT3, VT4 відповідно - як ключ S2. В кожній фазі джерела живлення встановлено високочастотний трансформатор, первинні обмотки якого включені таким чином, що струм намагнічення має різну полярність, залежно від включеного ключа (трансформатор Т1 і ключі S1, S2 (фаза А), Т2, S3, S4 (фаза В), Т3, S5, S6 (фаза С), фіг. 3). Два конденсатори (С1, С2 (фаза А), С3, С4 (фаза В), С5, С6 (фаза С), фіг. 3) призначені для обмеження перенапруг під час переключення ключів. Вихідна обмотка трансформатора підключена до двонапівперіодного випрямляча (діоди VD1, VD2 (фаза A), VD3, VD4 (фаза В), VD5, VD6 (фаза С), фіг. 3). Виходи випрямлячів всіх фаз з'єднані згіднопослідовно і підключені до виходу джерела через дросель, що згладжує (L1, фіг. 3). Розглянемо процеси, які протікають в елементах, з'єднаних з фазою А. В інших фазах процеси аналогічні. Для спрощення аналізу зробимо ряд припущень: струм намагнічення трансформаторів і їх індуктивності розсіювання дорівнюють нулю; падіння напруги на відкритих діодах і транзисторах дорівнює нулю; струм навантаження постійний; вхідні напруги утворюють симетричну трифазну систему. При замиканні ключа S1 перша обмотка трансформатора під'єднується до вхідної напруги. Напруга, що з'являється на вихідній обмотці, відкриває один з вихідних діодів (VD1 або VD2, фіг. 3) і закриває інший, залежно від знака вхідної напруги. Струм першої обмотки трансформатора (і ключа S1) при цьому дорівнює приведеному струму навантаження. Напруги на конденсаторах (С1, С2, фіг. 3) рівні між собою і дорівнюють вхідній напрузі. Після закриття S1 напруга на вихідній обмотці зникає, струм навантаження рівномірно розподіляється між вихідними діодами. При відкритті S2 процеси ідуть аналогічно з тією різницею, що похідна від потокозчеплення трансформатора має протилежний знак. Це дозволяє уникнути насичення магнітопроводу і забезпечити двотактний режим роботи. Якщо силові ключі фази А переключаються зі скважністю Da(t), можна обчислити локальні середні значення вхідного струму і вихідної напруги за період перемикання. При цьому максимальна скважність становить Dmax = 0,5 (при більших скважностях обидва ключі будуть включені одночасно, що призведе до короткого замикання входу). Локальний середній вхідний струм буде дорівнювати: 60 2 UA 102042 C2 ˆ ( t )  2I  signu ( t )  D ( t ) , ia L a a 5 Коефіцієнт 2 з'являється з тих міркувань, що струм споживається два рази за період переключення (один раз при включеному S1, другий - при включеному S2). Знак вхідного струму завжди співпадає зі знаком напруги завдяки дії вихідного випрямляча. Вихідна напруга відповідно: ˆ ea (t)  2 10 (1) ua ( t ) KT  Da ( t ), (2) Напруга береться по модулю також з-за наявності вихідного випрямляча. Для забезпечення близького до одиниці вхідного коефіцієнта потужності необхідно, щоб вхідні струми були пропорційними відповідним фазним напругам. З вираження для вхідного току очевидно, що для виконання цієї умови скважність повинна бути встановлена пропорційно модулю миттєвої напруги: Da ( t )    ua ( t ) , , де ν - коефіцієнт пропорційності. Визначимо суму вихідних напруг трьох фаз джерела живлення при живленні від трифазної симетричної мережі: 15 ˆ ˆ ˆ e a ( t )  eb ( t )  e c ( t )  2  ua ( t ) KT    ua ( t )  2  ub ( t ) KT    ub ( t )  2 uc ( t ) KT    uc ( t )   2  2 2 2 2 u a ( t )  ub ( t )  u c ( t )  3 Um . KT KT 20 , (3) З отриманого виразу видно, що в вихідній напрузі відсутні компоненти з частотою мережі або її гармонік. Це спрощує вимоги до її фільтрації і дає змогу зменшити індуктивність вихідного дроселя (L1). Нейтралізація гармонік частоти мережі справедлива для будь-якого числа фаз вхідних напруг за умови їх симетрії. Керувати вихідною напругою можна, змінюючи параметр ν, дотримуючись при цьому умови не перевищення максимальної скважності, тобто Da(t)Dmax. Підставивши відповідні вирази, отримуємо:   ua ( t )  Dmax , (4) 25  1 , 2Um (5) Звідси максимальна вихідна напруга випрямляча визначиться як: ˆ ˆ ˆ ea (t)  eb (t)  ec (t)max  3 Um , 2 KT 30 35 (6) В практичній реалізації багатофазного джерела живлення максимальна вихідна напруга становить близько 70 В при Um = 350 В. Кількість витків обмоток трансформаторів визначається з умови максимальної індукції Вm в магнітопроводі. Визначимо кількість витків первинної обмотки W I через рівняння її максимального потокозчеплення, яке має місце при переході фазної напруги через максимум при встановленій максимальній вихідній напрузі. З урахуванням двотактного режиму роботи трансформатора (перемагнічення від - Вm до Вm) можна записати: Um  Dmax  2Bm SWI , f (7) Um  Dmax , 2BmS  f (8) WI  3 UA 102042 C2 2 5 10 15 де S - переріз магнітопроводу, м . В практичній реалізації випрямляча для фазних трансформаторів застосовані сердечники 2 Е42/21/20 (EPCOS) з матеріалу N87. Переріз такого магнітопроводу становить S = 234 мм ; максимальну індукцію прийнято рівною Вm = 0,25 Тл. Частота переключення f = 20 кГц, Um = 350 В. За цими даними отримуємо W I = 75 витків. Силові транзистори типу STGW30N120KD. Діоди вихідних випрямлячів - збірки типу 80CTQ150. Коефіцієнт трансформації високочастотних трансформаторів дорівнює 7,5 (вихідна обмотка має 2 секції по 10 витків). Конденсатори мають ємність 4,7 мкФ і робочу напругу 400 В. Вихідний дросель L1 має індуктивність 45 мкГн при струмі 60 А (43 витка на тороїдальному осерді Т184-52). Схема керування виконана на трьох однокристальних мікроконтролерах ATMega48-PA (ATMEL), тактованих з частотою 20 МГц (по одному на фазу). Контролер кожної фази формує два широтно-імпульсних сигнали Ф1 і Ф2 (для ключів S1 і S2, фіг. 3). Ці сигнали розподіляються між транзисторами залежно від знака фазної напруги. У таблиці наведено цей розподіл для фази А. Таблиця uAN>0 uAN