RU156992U1 - Многофазный активный выпрямитель - Google Patents

Abstract

Многофазный активный выпрямитель, включающий последовательно соединенные m-фазный источник переменного напряжения с входным фильтром и датчиком линейных напряжений, датчики входных фазных токов, пусковые токоограничивающие резисторы с шунтирующим контактором, входные дроссели, мостовой выпрямитель на транзисторах, шунтированных обратными диодами, каждая пара которых образует m выпрямительных стоек, выходной конденсатор, нагрузку с датчиком выходного напряжения и m-фазную микропроцессорную систему управления, с драйверами транзисторов верхнего и нижнего плеча каждой выпрямительной стойки, выходы которых подключены к управляющим входам транзисторов, а информационные входы микропроцессорной системы управления связаны с выходами датчиков входных фазных токов, линейных входных напряжений и выходного напряжения, причем конденсаторы входного фильтра включены по схеме «звезда», отличающийся тем, что микропроцессорная система управления каждой фазы включает три устройства сравнения, один пропорционально-интегральный и два пропорциональных регулятора, два источника опорных напряжений, логический узел, вычислитель модуля вектора тока и вычислитель фазных напряжений, триггерное устройство, умножитель, генератор развертывающего напряжения и три цифровых компаратора, одни из входов первых двух цифровых компараторов объединены и связаны с выходом генератора развертывающего напряжения, а их другие входы подключены к выходам первого и второго устройств сравнения через пропорциональные регуляторы, при этом входы первого устройства сравнения связаны с выходами датчика фазного тока и умножителя, входы �

Description

Заявляемая полезная модель относится к электротехнике, в частности к устройствам преобразования входной энергии переменного тока в энергию постоянного тока.

Активные выпрямители широко используются в таких устройствах как: корректоры коэффициента мощности; активные выпрямители частотно-регулируемых электроприводов; компенсаторы реактивной мощности и мощности искажений; активные выпрямители электрохимических технологий; источники электропитания высоковольтных технологий; зарядные устройства аккумуляторных батарей и емкостных накопителей энергии; а так же в технологических источниках питания, нагрузка которых способна возвращать накопленную энергию в питающие сети.

Известен однофазный преобразователь [1], включающий силовой транзистор, входной выпрямитель с датчиком тока, положительный вывод выпрямителя связан с последовательно соединенными дросселем, отсекающим диодом и конденсатором выходного фильтра, параллельно которому подключен датчик выходного напряжения, сток силового транзистора подключен к общей точке дросселя и отсекающего диода, а его исток связан с отрицательным выводом выпрямителя и микропроцессорную схему управления. Такой преобразователь позволяет потреблять из однофазной сети синусоидальный ток высокого качества.

Однако такая система регулирования характеризуется однонаправленной передачей энергии от питающей сети в нагрузку.

Кроме того, при первоначальном включении из сети потребляется ток заряда выходного конденсатора значительной величины, что требует применения дополнительных токоограничивающих пусковых устройств.

Прототипом является m-фазный активный выпрямитель [2], включающий последовательно соединенные m-фазный источник переменного напряжения, входной фильтр, датчики входных фазных токов и линейных напряжений, пусковые токоограничивающие резисторы с шунтирующим контактором, входные дроссели, мостовой выпрямитель на транзисторах, шунтированных обратными диодами, выходной конденсатор с датчиком выходного напряжения и микропроцессорную систему управления с драйверами транзисторов верхнего и нижнего плеча выпрямительных стоек, а выход датчика выходного напряжения подключен к одному из входов устройства сравнения, другой вход которого связан с источником задающего напряжения.

Предварительный заряд выходного конденсатора в таком устройстве осуществляется через пусковые резисторы и обратные диоды транзисторов, а после их шунтирования контактором, дозаряд конденсатора до заданного напряжения осуществляется включением транзисторов верхнего и нижнего плеча выпрямительных стоек.

Многофазный активный выпрямитель такого рода в установившемся режиме работы характеризуется синусоидальным потребляемым током с коэффициентом мощности близком к единице и двухсторонним обменом энергии между питающей сетью и нагрузкой.

Кроме того, такой преобразователь ограничивает пусковые токи предварительного заряда выходного конденсатора, протекающие через обратные диоды транзисторов, пусковыми резисторами и, а после их шунтирования контактором, дозаряжать выходной конденсатор ограниченным током.

Однако, величина пускового тока на интервале дозаряда выходного конденсатора определяется только параметрами входных дросселей и величиной емкости конденсатора, поскольку в таком устройстве не предусматривается стабилизация тока дозаряда конденсатора.

Это определяется тем, что если на транзисторы, например, верхнего плеча подаются импульсные последовательности управления транзисторами нулевой длительности (глубина модуляции µ=µ_ТЕК/µ_МАКС=+0,9), то противотактная ей импульсная последовательность нижнего плеча обеспечивает закорачивание всех дросселей транзисторами нижней стойки (глубина модуляции µ=-0,9) и наоборот, с неконтролируемым накоплением энергии в них на тактовом интервале. Это накладывает дополнительные условия расчета параметров фильтра, которые вступают в противоречие с условиями, обеспечивающими необходимые запасы устойчивости замкнутой системы регулирования.

Основной задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание многофазного активного выпрямителя обеспечивающего «плавное» включение со стабилизацией величины пускового тока m-фазного активного выпрямителя.

Техническим результатом является повышение надежности активного выпрямителя и увеличение его срока службы.

На фиг. 1 приведена схема устройства, на примере трехфазного активного выпрямителя, а на фиг. 2, 3 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип работы активного выпрямителя.

Многофазный активный выпрямитель, включающий последовательно соединенные m-фазный источник переменного напряжения 1, 2, 3 с входным фильтром 4, 5, 6, датчики входных фазных токов 7, 8, 9, датчик линейных напряжений 10, пусковые токоограничивающие резисторы 11, 12, 13 с шунтирующим контактором 14, входные дроссели 15, 16, 17, мостовой выпрямитель на транзисторах 18, 19, 20, 21, 22, 23, шунтированных обратными диодами, каждая пара которых образует m выпрямительных стоек, выходной конденсатор 24, 25, нагрузку 25 с датчиком выходного напряжения 27, и m-фазную микропроцессорную систему управления 28, 29, 30, с драйверами 31, 32, 33 транзисторов верхнего и нижнего плеча каждой выпрямительной стойки, выходы которых подключены к управляющим входам А1-А2, В1-В2, С1-С2 транзисторов, а информационные входы микропроцессорной системы управления связаны с выходами датчиков входных фазных токов 7, 8, 9, линейных входных напряжений UAG, UBG, UCG и выходного напряжения UOC, причем конденсаторы входного фильтра 4, 5, 6 включены по схеме «звезда», а микропроцессорная система управления каждой фазы включает три устройства сравнения 34, 35, 36, один пропорционально-интегральный 37 и два пропорциональных 38, 39 регулятора, два источника опорных напряжений 40, 41, логический узел 42, вычислитель модуля вектора тока 43 и вычислитель фазных напряжений 44, триггерное устройство 45, умножитель 46, генератор развертывающего напряжения 47 и три цифровых компаратора 48, 49, 50, одни из входов первых двух цифровых компараторов 48, 49 объединены и связаны с выходом генератора развертывающего напряжения 47, а их другие входы подключены к выходам первого и второго устройств сравнения 34, 35 через пропорциональные регуляторы 38, 39, при этом входы первого устройства сравнения 34 связаны с выходами датчика фазного тока 7 и умножителя 46, входы которого подключены к выходам вычислителя фазного напряжения 44 и пропорционально-интегрального регулятора 37, вход которого связан с выходом третьего устройства сравнения 36, входы которого подключены к входам третьего цифрового компаратора 50 и также подключены к выходам первого источника опорного напряжения 40 и датчика выходного напряжения 27 соответственно, а выход третьего цифрового компаратора 50 через триггерное устройство 45 связан с управляющим входом логического устройства 42, информационные входы которого соединены с выходами первого и второго цифровых компараторов 48, 49, причем входы второго устройства сравнения 35 связаны с выходами второго источника опорного напряжения 41 и вычислителя модуля вектора тока 43.

На фиг. 2, 3 приняты следующие обозначения: 51, 52, 53 - диаграммы напряжения m-фазного источника переменного напряжения 1, 2, 3; 54, 55, 56 - диаграммы токов дросселей 15, 16, 17 активного выпрямителя в процессе «плавного» пуска; 57 - диаграмма напряжения на выходных конденсаторах; 58 - диаграмма напряжения на выходе логического узла; 59, 60 - диаграммы основных противотактных импульсных последовательностей управления транзисторами одной стойки выпрямителя; 61 - диаграммы дополнительных импульсных последовательностей.

Многофазный активный выпрямитель работает следующим образом. При подключении активного выпрямителя к источнику переменного напряжения 1, 2, 3, (фиг. 1) с напряжением 51, 52, 53, (фиг. 2) одновременно запитываются m-фазная микропроцессорная система управления, датчики токов и напряжений. Начинается процесс формирования цифровыми компараторами 49, 48 основных противотактных 59, 60 и дополнительной 61 импульсных последовательностей (фиг. 3) m микроконтроллерами. Также начинается процесс предварительного заряда выходного конденсатора 24, 25 через токоограничивающие резисторы 11, 12, 13 и обратные диоды транзисторов 18-23. Величина токов заряда представлена на фиг. 2 в интервале времени t1-t2 и определяется токоограничивающими резисторами. В момент времени t2 включается контактор 14 и, своими контактами, шунтирует резисторы 11, 12, 13. В интервале времени t2-t3 выходное напряжение 57 достигает величины U_ВЫХ=2,34U_Ф, а токи 54, 55, 56 вновь стремятся к нулю, поэтому на выходе вычислителя 35 модуля вектора тока выходной сигнал также равен нулю.

В тоже время, основные противотактные импульсные последовательности управления транзисторами верхнего 18, 20, 22 и нижнего 19, 21, 23 плеча каждой выпрямительной стойки формируются путем сравнения сравнивающим устройством 36 выходного выпрямленного напряжения 57, считываемого с датчика выходного напряжения 27, с задающим напряжением первого источника опорного напряжения 40. Полученный сигнал ошибки по напряжению поступает на вход пропорционально-интегрального регулятора 41, а его выходное напряжение перемножается умножителем 43 с вычисленными мгновенными значениями фазных напряжений, вычислителем фазного напряжения 44 по сигналам с датчиков входных линейных напряжений 10. Полученная m-фазная система гармонических напряжений сравнивается с текущим значением датчиков фазных токов 7, 8, 9 сравнивающим устройством 34 и поступает на вход пропорционального регулятора сигнала ошибки регулирования токов фаз. Цифровой компаратор 49 преобразует их в противофазные импульсные последовательности 59, 60 микропроцессорной системы управления 28, 29, 30. Эти основные импульсные последовательности действуют на входах логического узла 48.

В момент времени t3, на выходе второго источника опорного напряжения 41 начинает разворачиваться с нулевого значения сигнал задания на ток дозаряда выходного конденсатора, поэтому сигнал ошибки сравнивающего устройства 35 и пропорционального регулятора 38 возрастает и на выходе цифрового компаратора 48 формируется дополнительная импульсная последовательность 61, длительность импульсов которой пропорциональна возрастающему сигналу 58. Поскольку напряжение на выходе датчика выходного напряжения ниже напряжения источника опорного напряжения 40 на выходах цифрового компаратора 50 и триггерного устройства 51 состояние соответствует блокированию сформированных противотактных импульсных последовательностей 59, 60 цифровым компаратором 49 и прохождению на выход логического узла 42 только дополнительной импульсной последовательности. В интервале времени t3-t4 дозаряд выходного конденсатора осуществляется замыканием транзисторов 19, 21, 23 только нижнего плеча выпрямительных стоек, то есть каждая стойка активного выпрямителя переводится в режим однополупериодного выпрямления переменного напряжения. При включенном транзисторе 19 энергия накапливается дросселем 15, а при его выключении проводит обратный диод транзистора 18 верхнего плеча при положительной полуволне напряжения своей фазы, а при отрицательной полуволне напряжения проводят только обратные диоды транзисторов нижнего плеча выпрямительных стоек в переходном режиме. В режиме стабилизации модуля вектора тока, при t≈t4, обратные диоды транзисторов нижнего плеча не проводят. При этом фазные токи 54, 55, 56 нарастают и стабилизируются к моменту времени t4, а выходное напряжение 57 достигает заданного уровня. При этом цифровой компаратор 50 переходит в противоположное состояние, триггерное устройство 45 защелкивается, а логический узел блокирует прохождение дополнительной импульсной последовательности и разрешает подачу основных противотактных импульсных последовательностей (гармонический сигнал 58 в интервале времени t4-t5) на управляющие цепи всех транзисторов 18, 19, 20, 21, 22, 23 силовой цепи выпрямителя. В этом интервале времени выпрямитель работает на холостом ходу в режиме двухтактного выпрямления переменного напряжения, а в момент времени t5 подключается сопротивление нагрузки 26, по которому протекает постоянный ток, а из источников переменного тока 1, 2, 3 потребляются стабилизированные синусоидальные токи 54, 55, 56. Если выходное напряжение становится выше заданного, потребляемый из источников переменного напряжения ток изменяет свою фазу на 180 электрических градусов и энергия из нагрузки отдается в питающую сеть.

[1]. Патент РФ на полезную модель №92 261. МПК H02M 9/06. Преобразователь однофазного переменного напряжения в постоянное с корректором коэффициента мощности / К.В. Бородин, С.Г. Михальченко (Государственное образовательное учреждение ТУСУР). Опубл.: 10.03.2010. Бюл. №7.

[2]. Misha Kumar, Laszlo Huber, Milan M. Jovanovic. Start-up Procedure for Three-Phase Six-Switch Boost PFC Rectifier. Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2014 Twenty-Ninth Annual IEEE. p.1852-1859.

Claims (1)

1. Многофазный активный выпрямитель, включающий последовательно соединенные m-фазный источник переменного напряжения с входным фильтром и датчиком линейных напряжений, датчики входных фазных токов, пусковые токоограничивающие резисторы с шунтирующим контактором, входные дроссели, мостовой выпрямитель на транзисторах, шунтированных обратными диодами, каждая пара которых образует m выпрямительных стоек, выходной конденсатор, нагрузку с датчиком выходного напряжения и m-фазную микропроцессорную систему управления, с драйверами транзисторов верхнего и нижнего плеча каждой выпрямительной стойки, выходы которых подключены к управляющим входам транзисторов, а информационные входы микропроцессорной системы управления связаны с выходами датчиков входных фазных токов, линейных входных напряжений и выходного напряжения, причем конденсаторы входного фильтра включены по схеме «звезда», отличающийся тем, что микропроцессорная система управления каждой фазы включает три устройства сравнения, один пропорционально-интегральный и два пропорциональных регулятора, два источника опорных напряжений, логический узел, вычислитель модуля вектора тока и вычислитель фазных напряжений, триггерное устройство, умножитель, генератор развертывающего напряжения и три цифровых компаратора, одни из входов первых двух цифровых компараторов объединены и связаны с выходом генератора развертывающего напряжения, а их другие входы подключены к выходам первого и второго устройств сравнения через пропорциональные регуляторы, при этом входы первого устройства сравнения связаны с выходами датчика фазного тока и умножителя, входы которого подключены к выходам вычислителя фазного напряжения и пропорционально-интегрального регулятора, вход которого связан с выходом первого устройства сравнения, входы которого объединены с входами третьего цифрового компаратора и подключены к выходам первого источника опорного напряжения и датчика выходного напряжения соответственно, а выход третьего цифрового компаратора через триггерное устройство связан с управляющим входом логического устройства, информационные входы которого соединены с выходами первого и второго цифровых компараторов, причем входы третьего устройства сравнения связаны с выходами второго источника опорного напряжения и вычислителя модуля вектора тока.

   

Images