Рекуперативний трифазний випрямляч

Реферат: Рекуперативний трифазний випрямляч належить до електротехніки і може бути використаний як джерело постійної напруги, яке живиться від трифазної мережі і має змогу забезпечувати рекуперацію енергії постійного струму до мережі. Таке джерело може бути використано для живлення, наприклад, перетворювача частоти, при цьому в гальмівних режимах приводу буде забезпечено повертання енергії до мережі. Пристрій містить тиристорний міст з шістьма тиристорами, два дроселі, чотири діоди, чотири транзистори, вихідний ємнісний накопичувач енергії та схему керування, три додаткових двонаправлених ключі та третій дросель, а два транзистори виконані зі зворотними діодами. Позитивний вивід тиристорного моста підключено до позитивного виводу ємнісного накопичувача через послідовно з'єднані перший дросель та перший діод, катод якого підключено до позитивного виводу ємнісного накопичувача. Негативний вивід тиристорного моста підключено до негативного виводу ємнісного накопичувача через послідовно з'єднані другий дросель та другий діод, анод якого підключено до негативного виводу ємнісного накопичувача. Колектор першого транзистора підключено до загальної точки з'єднання першого дроселя та анода першого діода, а його емітер підключено до негативного виводу ємнісного накопичувача. Колектор другого транзистора підключено до позитивного виводу ємнісного накопичувача, емітер підключено до загальної точки з'єднання UA 106000 C2 (12) UA 106000 C2 другого дроселя та другого діода. Третій та четвертий транзистори зі зворотними діодами з'єднані згідно-послідовно і підключені до ємнісного накопичувача. Перші виводи трьох двонаправлених ключів підключені до входів змінної напруги тиристорного мосту, другі виводи цих ключів з'єднані між собою та підключені через третій дросель до загальної точки з'єднання третього та четвертого транзисторів. Катод третього діода підключено до позитивного виводу ємнісного накопичувача. Анод четвертого діода підключено до негативного виводу ємнісного накопичувача. Анод третього та катод четвертого діода з'єднані між собою та підключені до загальної точки з'єднання трьох двонаправлених ключів. Технічним результатом є зниження споживчої реактивної потужності, зниження втрати енергії в мережі за рахунок зниження струму споживання і підвищення коефіцієнта потужності, а також покращення масогабаритних показників перетворювачів, виконаних за запропонованою схемою. UA 106000 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до електротехніки і може бути використаний як джерело постійної напруги, яке живиться від трифазної мережі і має змогу забезпечувати рекуперацію енергії постійного струму до мережі. Таке джерело може бути використано для живлення, наприклад, перетворювача частоти, при цьому в гальмівних режимах приводу буде забезпечено повертання енергії до мережі. Відомий рекуперативний трифазний випрямляч, який складається з двох зустрічнопаралельно включених 6-пульсних мостів (P. Pejović, J.W. Kolar, Y. Nishida, Bidirectional AC-DC Converter for regenerative Braking, Proceedings of the 16th International Symposium on Power Electronics (ЕЕ 2011), Novi Sad, Republic of Serbia, October 26-28, 2011.). Недоліками такої системи є низький вхідний коефіцієнт потужності (КП) у випрямному і рекуперативному режимах, великі спотворення форми кривої струму споживання, неможливість стабілізації вихідної напруги. Відомий рекуперативний трифазний випрямляч (Clare, J.C., Mayers, P.R., and Ray, W.F.: rd Bidirectional Power Converter for Voltage Fed Inverter Machine Drives. Proceedings of the 23 Power Electronics Specialists Conference, Toledo, Spain, June 29-July 3, Vol. 1, pp. 189-194 (1992)), що містить тиристорний міст з 6 тиристорами, до виходу якого підключено інвертор, схему переключення полярності, вихідний накопичувач енергії та схему керування. Схема дозволяє стабілізувати вихідну напругу, забезпечити коефіцієнт потужності близко 0,95 у випрямному i (-0,82…-0,92) у рекуперативному режимах. Недоліками технічного рішення є споживання реактивної потужності у рекуперативному режимі та значні спотворення форми кривої струму споживання (коефіцієнт гармонік становить близько 30 %), що значно ускладнює виконання вимог стандартів якості електроенергії. Відомий рекуперативний трифазний випрямляч, в якому застосовано метод активної інжекції третьої гармоніки у вхідні струми - прототип (U. Drofenik, G. Gong, J.W. Kolar, A Novel BiDirectional Three-Phase Active Third-Harmonic Injection High Input Current Quality AC-DC Converter., Proceedings of the 9th European Power Quality Conference (PCIM), Nuremberg, Germany, May 20-22, pp. 243-254 (2003)), що містить тиристорний міст з шістьма тиристорами, два дроселі, чотири діоди, чотири транзистори, вихідний ємнісний накопичувач енергії та схему керування. Схема дозволяє стабілізувати вихідну напругу і забезпечити високу якість спектрального складу вхідних струмів у випрямному і рекуперативному режимах завдяки застосуванню імпульсних перетворювачів і спеціальної схеми інжекції третьої гармоніки з низькочастотним трансформатором. До недоліків такого технічного рішення слід віднести споживання реактивної потужності у рекуперативному режимі з-за неможливості встановлення кута керування тиристорами рівним 180° та великі габарити і масу трансформатора схеми інжекції третьої гармоніки. В основу винаходу поставлена задача удосконалити рекуперативний трифазний випрямляч шляхом введення нових елементів та зміни схеми, що дозволить забезпечити близьку до нуля реактивну потужність випрямляча і покращені масогабаритні показники за рахунок заміни трансформатора схеми інжекції активними елементами, тим самим знизити втрати електроенергії в мережі живлення і підвищити споживчі якості пристрою. Для рішення поставленої задачі в рекуперативному трифазному випрямлячі, що містить тиристорний міст з шістьма тиристорами, два дроселі, чотири діоди, чотири транзистори, вихідний ємнісний накопичувач енергії та схему керування, відповідно до винаходу, пристрій додатково містить три двонаправлених ключі та третій дросель, а два транзистори виконані зі зворотними діодами, причому позитивний вивід тиристорного моста підключено до позитивного виводу ємнісного накопичувача через послідовно з'єднані перший дросель та перший діод, катод якого підключено до позитивного виводу ємнісного накопичувача, негативний вивід тиристорного моста підключено до негативного виводу ємнісного накопичувача через послідовно з'єднані другий дросель та другий діод, анод якого підключено до негативного виводу ємнісного накопичувача, колектор першого транзистора підключено до загальної точки з'єднання першого дроселя та анода першого діода, а його емітер підключено до негативного виводу ємнісного накопичувача, колектор другого транзистора підключено до позитивного виводу ємнісного накопичувача, емітер підключено до загальної точки з'єднання другого дроселя та другого діода, третій та четвертий транзистори зі зворотними діодами з'єднані згідно-послідовно і підключені до ємнісного накопичувача, перші виводи трьох двонаправлених ключів підключені до входів змінної напруги тиристорного мосту, другі виводи цих ключів з'єднані між собою та підключені через третій дросель до загальної точки з'єднання третього та четвертого транзисторів, крім того, катод третього діода підключено до позитивного виводу ємнісного накопичувача, анод четвертого діода підключено до негативного виводу ємнісного 1 UA 106000 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 накопичувача, анод третього та катод четвертого діода з'єднані між собою та підключені до загальної точки з'єднання трьох двонаправлених ключів. Суть винаходу пояснюється кресленнями, на яких показані: фіг. 1 - блок-схема рекуперативного трифазного випрямляча; фіг. 2 - принципова електрична схема силової частини рекуперативного трифазного випрямлювача; фіг. 3 - схема заміщення рекуперативного трифазного випрямляча; фіг. 4, 5 - діаграми напруг у випрямному режимі; фіг. 6-9 - діаграми напруг у рекуперативному режимі; фіг. 10 - діаграма вхідної фазної напруги і фазного струму у рекуперативному режимі. В якості прикладу виконання рекуперативного трифазного випрямляча з вихідною напругою 650 В, максимальним струмом навантаження ±5 А приведено пристрій, що містить тиристорний міст з 6 тиристорами 1 (VS1-VS6, фіг. 2), до виходу якого підключено входи двох підвищуючих DC-DC перетворювачів 2 (L1, VD1, VT1, L2, VD2, VT2, фіг. 2), виходи яких підключені до ємнісного накопичувача енергії 3 (С1, фіг. 2), до цього ж накопичувача підключений напівмостовий інвертор 4 (VT3, VT4, L3, VD3, VD4, фіг. 2), вихід якого підключений до мережі через схему інжекції 5 (S1, S2, S3, фіг. 2), та схему керування 6 (на фіг. 2 показана умовно), яка на підставі аналізу напруг мережі та ємнісного накопичувача забезпечує формування керуючих сигналів ключових елементів блоків 1, 2, 4, 5. Пристрій працює в такий спосіб. У випрямному режимі ключ VT2 знаходиться в закритому стані, а кут керування тиристорним мостом дорівнює нулю. При живленні схеми від трифазної мережі у будь-який момент часу у провідному стані знаходяться два з шести тиристорів 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 VT1, адже елементи L1, VT1, VD1, С1 утворюють підвищуючий (boost) перетворювач. Завдяки наявності моста на вході цей перетворювач завжди працює з позитивною вхідною напругою. Це дозволяє застосувати однонаправлений ключ (VT1), 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, в якій обидва тиристори вхідного мосту закриті (для випрямного режиму це фаза з мінімальним за абсолютною величиною потенціалом), призначений напівмостовий перетворювач на елементах L3, VT3, VT4, вхід якого за допомогою ключів S1, S2, S3 підключається до фази, в якій обидва тиристори вхідного мосту закриті, а вихід підключено до накопичуючого конденсатора С1. Переключення ключів S1, S2, S3 здійснюється з безструмовою паузою, при цьому для обмеження ЕРС самоіндукції дроселя L3 встановлені діоди VD3, VD4. Струм (іn, фіг. 2) фази з найнижчим потенціалом визначається з першого закона Кірхгоффа: іn=-ір-іm. На фіг. 3 приведено схему заміщення запропонованого випрямлювача для локальних середніх для випадку uAN>uCN>uBN. Жирними лініями виділено шлях проходження струмів. На фіг. 4, 5 приведені діаграми напруг в випрямному режимі, амплітуда фазної напруги мережі прийнята за 1. Якщо струм ір встановити пропорційним напрузі upN (ip=GupN), a струм іm встановити пропорційним напрузі umN (im=GumN), to схема відносно до мережі буде являти симетричне активне навантаження з фазною провідністю, що дорівнює G. Переключення тиристорів вхідного мосту і ключів S1, S2, S3 відбувається шість разів за період частоти вхідної напруги, що дає змогу виконати ключі S1, S2, S3 з використанням низькочастотних IGBT транзисторів з малими втратами провідного стану. Завдяки можливості прямого керування вхідними струмами високий КП може бути збережений також і за умов несиметричної напруги живлення або за наявності в ній вищих гармонік. 2 UA 106000 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 При живленні від симетричної трифазної мережі 91 % вихідної потужності забезпечується основним перетворювачем (з ключем VT1), а останні 9 % забезпечуються напівмостовим перетворювачем (з ключами VT3, VT4). В рекуперативному режимі тиристорний міст переводиться в інверторний режим з кутом керування 165 ел. градусів. Система керування в реальному часі відстежує напруги upN, unN, umN та переводить перетворювач, підключений до найнижчої напруги, в режим з нульовою (відносно негативного виводу ємнісного накопичувана С1) напругою. Можливі три варіанти: якщо upN