RU2813799C1 - Трехфазный выпрямитель напряжения с корректором коэффициента мощности - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области преобразовательной электротехники, в частности к импульсным силовым преобразователям, корректирующим входной коэффициент мощности

Технический результат - повышение точности коррекции коэффициента мощности и надежности управления трехфазным выпрямителем напряжения при увеличении передаваемой трехфазным выпрямителем мощности достигается тем, что в трехфазном выпрямителе напряжения с корректором коэффициента мощности, содержащем нагрузку, транзисторы, каждая фаза выпрямителя выполнена в виде соединенных параллельно по входу и выходам модулей из двух транзисторов, формирующих полумост, при этом средняя точка каждого полумоста соединена с соответствующим фазным проводом трехфазной сети, а внешние точки каждого полумоста электрически соединены с соответствующими полюсами трехфазного выпрямителя и посредством шины постоянного тока - с нагрузкой, в систему управления дополнительно введены два блока задержки; два драйвера; два резистора и два диода; датчики тока; первый усилитель ошибки по напряжению; делитель напряжения, электрически соединенный со входом первого усилителя ошибки по напряжению, выход которого электрически соединен со входами, генерирующими импульсы пилообразного напряжения, и электрически соединены с первыми входами соответствующих компараторов, формирующих сигнал широтно-импульсной модуляции каждый, при этом выходы компараторов электрически соединены со входами соответствующих блоков задержки, и второй усилитель, электрически соединенный со вторыми входами соответствующих компараторов. Выходы соответствующих блоков задержки посредством драйверов, формирующих два сигнала возбуждения на транзисторы, электрически соединены через параллельно установленные резистор и диод с затворами соответствующего транзистора в соответствующих модулях транзисторов. Конденсатор выполнен в виде четырех шунтирующих и четырех сглаживающих конденсаторов, установленных параллельно соответствующему модулю транзисторов соответствующей фазы выпрямителя, причем каждый шунтирующий конденсатор соединен с внешними точками каждого полумоста, а сглаживающие конденсаторы размещены попарно относительно соответствующего транзистора в соответствующем модуле транзисторов и соединены с последним из параллельно установленных относительно соответствующего модуля транзисторов шунтирующим конденсатором своими входами. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

Description

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники, энергетики и силовой электроники, а именно: к области преобразовательной электротехники, энергетики и силовой электроники, в частности к импульсным силовым преобразователям, корректирующими входной коэффициент мощности во многих областях техники, и может найти применение при построении систем преобразования и передачи электрической энергии, например, для перспективных летательных аппаратов со снижением загрязнений, создаваемых двигателями, повышенным уровнем безопасности полета и упрощенным техническим обслуживанием.

В настоящее время в авиации достаточно остро стоят проблемы снижения загрязнения, создаваемого двигателями, повышения безопасности полета и упрощения технического обслуживания. Ответом на этот вызов стала разработка по всему миру как крупными авиапроизводителями, так и малыми научными группами, концепций и прототипов гибридных и полностью электрических силовых установок для летательных аппаратов [1-3]. Среди достоинств применения электрической тяги в авиации следует отметить большую эффективность преобразования энергии энергоносителя в механическую энергию, больший период между регламентными работами по техническому обслуживанию, экологичность и меньший уровень создаваемого летательным аппаратом шума [2]. Одним из важнейших компонентов подобного летательного аппарата является силовой конвертор, преобразующий трехфазный переменный ток, вырабатываемый генератором, в постоянный ток для бортовой аппаратуры и накопителей электрической энергии. Показателем, характеризующим качество передачи электроэнергии потребителю, является коэффициент мощности χ - безразмерная величина, определяемая по уравнению [4]:

где Р - активная электрическая мощность; S - полная электрическая мощность, t(t), u(t) - формы входного тока и входного напряжения, соответственно; Т - период сигналов.

Согласно математической теории функций значения коэффициента мощности находятся в области от 0 до 1, причем единичное значение достигается лишь при совпадении формы входного тока i(t) и входного напряжения u(t) и отсутствии временного сдвига между ними.

Применительно к системе магнитоэлектрический генератор - трехфазный выпрямитель в составе гибридной силовой установки летательного аппарата, рассчитанной на работу в крейсерском режиме, уменьшение коэффициента мощности приводит к пропорциональному уменьшению мощности, передаваемой от генератора шине постоянного тока по сравнению с мощностью, которую мог бы передать генератор в чисто резистивную нагрузку, что влечет за собой снижение общей дальности полета воздушного судна [5]. Попытка же сохранить максимальную передаваемою мощность путем увеличения выходного тока генератора ведет к необходимости увеличения массы проводников, габаритов электрических устройств и системы охлаждения из-за роста активных потерь.

Одним из технических решений увеличения коэффициента мощности является применение совместно с генератором корректора коэффициента мощности - устройства активной фильтрации тока сети, минимизирующего отклонение фазы входного тока от напряжения [2, 5]. В настоящее время существует много топологий корректора коэффициента мощности в составе трехфазных выпрямителей, применяемых для случаев разных частот питания источника, диапазонов рабочих мощностей и уровней выходного напряжения. Одной из перспективных топологий корректора коэффициента мощности является ее реализация на основе полностью управляемых выпрямителей, построенных на полупроводниковых коммутаторах с возможностью управляемого выключения, которые являются основными элементами формирования выходного напряжения. В качестве подобных коммутаторов могут использоваться БТИЗ или МОП транзисторы [2]. Это позволяет модулировать входные и выходные токи и напряжения, регулировать коэффициент мощности, реализовывать схемы выпрямителя с источником напряжения или тока. Данный тип выпрямителей находит применение в авиационной технике [2], в том числе и благодаря возможности поддержания системой управления стабильного напряжения шины постоянного тока при изменении амплитуды и частоты входного переменного напряжения [6].

Таким образом, задача создания и совершенствования преобразователей электрической энергии для перспективных летательных аппаратов является в настоящее время актуальной.

Известен трехфазный полупроводниковый выпрямитель напряжения с корректором входного коэффициента мощности, содержащий шесть диодов и три двунаправленных ключа, первые выводы которых подсоединены к каждой фазе источника питания, а вторые выводы объединены между собой и образуют общую точку, три двунаправленных ключа в звене постоянного тока, первые выводы которых подсоединены к общей точке, а вторые выводы подсоединены к средним точкам каждой пары последовательно включенных четырех конденсаторов, и систему управления сгенерированными импульсами управления [7].

Недостатком данного технического решения является то, что данное устройство формирует фазные токи выпрямителя с содержанием пятой гармоники, что снижает входной коэффициент мощности выпрямителя. Помимо этого, устройство с рассмотренной топологией содержит большое число силовых элементов в сравнении с аналогами: с точки зрения массо-мощностных показателей увеличение числа используемых полупроводниковых элементов для высокомощных устройств ведет к возрастанию массы системы охлаждения, а также усложнению конструкции всего устройства. Также увеличение числа последовательно соединенных устройств увеличивает вероятность отказа.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению (прототипом) является трехфазный выпрямитель напряжения с корректором коэффициента мощности с основной цепью в виде трехфазного моста, подключенного входом к линии электропередачи, обеспечивающей симметричные синусоидальные трехфазные напряжения и токи при нормальной работе, содержащий три индуктора, по три коммутатора на верхней и нижней ветвях фазы, два из которых в каждой ветви фазы работают дополняющим образом, конденсатор, реализующий напряжение шины постоянного тока и действующий как накопитель энергии для нагрузки постоянного тока, пропорционально-интегральный контроллер, формирующий в соответствии с входящим в него сигналом ошибки сигнал модуляции, схему управления, включающую одноцикловый контроллер, содержащий три сумматора, два компаратора, интегратор со сбросом и два триггера; систему логического векторного управления, содержащую схему выбора векторной области, которая делит цикл линии на шесть областей в соответствии с напряжением линии электропитания, схему мультиплексирования, выбирающую векторные токи из трех фазных токов и направляющих два сигнала возбуждения на правые коммутаторы, и контур обратной связи, регулирующий напряжение шины постоянного тока в медленном контуре относительно опорного напряжения так, что оно остается постоянным во время работы в установившемся режиме, и обеспечивающий электропитание быстрого контура одноциклового контроллера [8].

Недостатком данного технического решения является дискретность системы управления, которая не обеспечивает достаточную стабильность работы в случае возникновения формы токового сигнала фазы, существенно отличной от синусоидальной, а также требует дополнительно наличия датчиков фазного напряжения.

Новым достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности коррекции коэффициента мощности и надежности управления трехфазным выпрямителем напряжения при увеличении передаваемой трехфазным полупроводниковым выпрямителем мощности.

Новый технический результат достигается тем, что в трехфазном выпрямителе напряжения с корректором коэффициента мощности, содержащем коммутаторы, конденсатор, нагрузку, систему управления, включающую формирователь, который в соответствии с входящем в него сигналом ошибки, формирует сигнала модуляции для одноциклового контроллера, содержащего два компаратора и формирующего два сигнала возбуждения на коммутаторы, в отличие от прототипа, все коммутаторы выполнены в виде транзисторов, каждая фаза выпрямителя выполнена в виде соединенных параллельно по входу и выходам модулей из двух транзисторов, формирующих полумост, при этом средняя точка каждого полумоста соединена с соответствующим фазным проводом трехфазной сети, а внешние точки каждого полумоста электрически соединены с соответствующими полюсами трехфазного выпрямителя и посредством шины постоянного тока - с нагрузкой, в систему управления дополнительно введены два блока задержки; два драйвера; два резистора и два диода; датчики тока; первый усилитель ошибки по напряжению; делитель напряжения, электрически соединенный с входом первого усилителя ошибки по напряжению, выход которого электрически соединен со входами, генерирующими импульсы пилообразного напряжения, и электрически соединены с первыми входами соответствующих компараторов, формирующих сигнал широтно-импульсной модуляции каждый, при этом выходы компараторов электрически соединены со входами соответствующих блоков задержки, и второй усилитель, электрически соединенный со вторыми входами соответствующих компараторов, выходы соответствующих блоков задержки посредством драйверов, формирующих два сигнала возбуждения на транзисторы, электрически соединены через параллельно установленные резистор и диод с затворами соответствующего транзистора в соответствующих модулях транзисторов, конденсатор выполнен в виде четырех шунтирующих и четырех сглаживающих конденсаторов, установленных параллельно соответствующему модулю транзисторов соответствующей фазы выпрямителя, причем каждый шунтирующий конденсатор соединен с внешними точками каждого полумоста, а сглаживающие конденсаторы размещены попарно относительно соответствующего транзистора в соответствующем модуле транзисторов и соединены с последним из параллельно установленных относительно соответствующего модуля транзисторов шунтирующим конденсатором своими входами.

Трехфазный выпрямитель может быть выполнен в виде трехфазного полупроводникового выпрямителя напряжения.

Транзистор может быть выполнен в виде полевого транзистора с изолированным затвором или биполярного транзистора с изолированным затвором.

Каждый модуль транзисторов может быть припаен непосредственно к выводам системы управления для снижения паразитной индуктивности.

Каждый датчик тока может быть выполнен с двумя установленными на его выходе буферными повторителями и с преобразователем тока с выходами в виде напряжения, пропорционального току и опорному постоянному напряжению.

Нагрузка повышающего преобразователя может быть выполнена в виде инверторного электродвигателя.

На фиг. 1-4 представлены схемы трехфазного полупроводникового выпрямителя напряжения с корректором входного коэффициента мощности.

Трехфазный полупроводниковый выпрямитель напряжения с коррекцией входного коэффициента мощности содержит соединенные параллельно по входу и выходам модули из двух транзисторов 1, формирующих полумост, при этом средняя точка 2 каждого полумоста соединена с соответствующим фазным (линейным) проводом 3 трехфазной сети трехфазного выпрямителя. Выводы положительной 4 и отрицательной 5 полярностей каждого полумоста соединены с шунтирующими 6 и сглаживающими 7 конденсаторами (фиг. 1). Выводы положительной и отрицательной полярностей каждой фазы подключены к шине постоянного тока (обозначена узлами подключения 4 и 5), к которой подключается нагрузка (на фигурах не показана). Вывод нейтральной точки трехфазной системы обозначен узлом N.

Блок-схема трехфазного выпрямителя включает систему управления 8 транзисторами 1 фаз полупроводникового выпрямителя, формирующей управляющие сигналы для транзисторов 1 и предназначенных для осуществления их коммутации (фиг. 1). На фиг. 1 также отражены ЭДС (U_A-U_C) и эквивалентные индуктивности фаз (L_ф) внешней трехфазной сети.

Принципиальная схема одной из фаз полупроводникового выпрямителя напряжения с коррекцией входного коэффициента мощности представлена на фиг. 2 и включает два транзистора 1. Из-за ограничений по току используемых коммерчески доступных транзисторов 1, каждый модуль рассчитан на номинальный ток 100 А, в каждой из фаз полупроводникового выпрямителя (блока силовой электроники) использованы по четыре модуля транзисторов 1, соединенных параллельно по входу (средняя точка) 2 и выходам 4, 5 и формирующих полумост с номинальным током до 400 А, что позволяет обеспечить требуемую трехфазную мощность трехфазного полупроводникового выпрямителя (преобразователя) вплоть до 50 кВт при входном напряжении трехфазного полупроводникового выпрямителя (преобразователя) в диапазоне 40-80 В. Средняя точка 2 каждого полумоста соединяется с соответствующим линейным проводом 3 трехфазного полупроводникового выпрямителя (преобразователя). Цепи O⁺ (4) и О^- (5) соединены с соответствующими полюсами шины постоянного тока. Сглаживающие конденсаторы 7 имеют емкость 22 мкФ. Шунтирующие конденсаторы 6 емкостью 220 нФ установлены параллельно в непосредственной близости к транзисторам 1 для уменьшения паразитной индуктивности контура: транзисторы 1 - конденсаторы 6, что позволяет снизить паразитные пики напряжения, возникающие при выключении транзисторов 1 (фиг. 2). Цепи, включающие конденсаторы 9 и активные сопротивления 10, расположенные параллельно транзисторам 1 фазы, являются снабберными цепями, задача которых является подавление высокочастотных колебаний напряжения средней точки полумоста.

Функцию управления затворами транзисторов 1 выполняет система управления, приведенная на фиг. 3. Система содержит цепи питания пяти (V5V) и пятнадцати вольт (VI5V), два изолированных драйвера 11 (IC1, 2) - один для верхнего и один для нижнего транзистора 1. Управляющие сигналы драйверов 11 DrvInHw. DrvInL поступают с входного разъема. Выходные цепи драйверов 11 DrvOutH и DrvOutL соединяются с соответствующими затворами транзисторов 1. Система управления затворами транзисторов 1 фаз полупроводникового выпрямителя может быть соединена непосредственно к выходам 3 соответствующих модулей транзисторов 1 для уменьшения паразитной индуктивности, что необходимо для устранения колебательного процесса на затворах транзисторов 1, приводящего к перенапряжениям и росту электромагнитных помех. Выходные цепи драйверов 11: резистор 12 - диод 13, служат для оптимизации времен переключений путем замедления включения транзисторов 1, что необходимо для уменьшения выброса тока, вызванного обратным восстановлением их антипараллельных диодов (антипараллельные диоды транзисторов находятся непосредственно во внутренней структуре транзистора и не являются отдельным элементом) (фиг. 3).

Трехфазный полупроводниковый выпрямитель напряжения с корректором входного коэффициента мощности работает следующим образом.

Поддержание высокого значения коэффициента мощности χ трехфазного полупроводникового выпрямителя (преобразователя) осуществляется при помощи определенных алгоритмов работы системы управления 8 (фиг. 1) транзисторами 1 фаз полупроводникового выпрямителя и устройством защиты, которые могут быть разделены на три основные категории в зависимости от принципа модуляции входного тока трехфазного полупроводникового выпрямителя (преобразователя): режим непрерывной (ССМ), прерывистой (DCM) и критической (CRM) проводимости. Достоинством режимов DCM или CRM является упрощение системы управления 8 транзисторами 1 фаз полупроводникового выпрямителя, однако в этом режиме пиковый входной ток значительно превышает среднее значение, что приводит к высокой токовой нагрузке на транзисторы (полупроводниковые коммутаторы) 1 и к повышенным потерям на проводимость и переключения, в результате чего они чаще всего применяются в трехфазных полупроводниковых выпрямителях (преобразователях) малой мощности. В случае, когда мощность трехфазного полупроводникового выпрямителя (преобразователя) свыше 10 кВт при использовании его, например, на гибридных летательных аппаратах, предпочтительным представляется использование режима ССМ. В этом случае для получения синусоидального входного тока и постоянного напряжения на выходе необходима цепь измерения амплитуды выпрямленного напряжения V_D и/или напряжения источника фазной ЭДС V(t), а также некоторой контролируемой переменной x(t). В зависимости от того, является ли x(t) током или напряжением, методы управления в режиме ССМ делятся на методы с контролем тока и с контролем напряжения, соответственно. Для реализации многих методов управления требуется измерение напряжения V(t) непосредственно на выходе источника фазной ЭДС. Однако в случае, если в качестве источника напряжения выступает трехфазный полупроводниковый выпрямитель (преобразователь), а фазными индукторами являются обмотки его статора, измерение V(t) невозможно. В этом случае представляется наиболее оптимальным использование одного из методов контроля тока - управление внутри одного тактового цикла (одноциклического), известного также как метод интеграции-сброса, в котором ключевым элементом является сбрасываемый интегратор.

Стабилизация и управление формами входных токов фаз происходит путем подачи на входы компараторов 14, выполняющих функцию широтно-импульсных модуляторов, значений усиленного сигнала Vix с датчика тока 15 каждой фазы и пилообразного напряжения Vrampx с частотой 50 кГц с выхода генератора пилообразного напряжения 16, амплитуда которого пропорциональна выходному сигналу Vv усилителя ошибки по напряжению 17 (фиг. 4). Пилообразные напряжения, подаваемые на компараторы 14 каждой фазы, имеют равные амплитуды и относительный временной сдвиг на 1/3 периода частоты переключения, что обеспечивает значительное снижение высокочастотной составляющей токов (~70%) протекающих через сглаживающие конденсаторы 7. После компаратора 14 формируется сигнал широтно-импульсной модуляции, поступающий в блок задержки 18, где формируются два сигнала DrvInHx и DrvInLx для управления драйверами 11, управляющих драйверами транзисторов 1. Блок задержки 18 обеспечивает безопасную работу транзисторов 1, формируя сигналы с взаимной задержкой между переключением транзисторов 1 верхних и нижних плеч (так называемое «мертвое» время), что не позволяет осуществить одновременное открытие обоих транзисторов 1. Компаратор 19 осуществляет защиту от перенапряжения на выходе корректора коэффициента мощности. В случае превышения напряжения Vofb порогового значения величины Vref-Δ выходного напряжения на выходе компаратора 19 формируется сигнал OV, запрещающий включение всех транзисторов 1 корректора коэффициента мощности.

Для стабилизации напряжения разница А опорного сигнала напряжения Vref и сигнала напряжения обратной связи Vofb, образованного делителем 20 от выходного напряжения Vo, поступает на вход усилителя 17 ошибки по напряжению, на выходе которого формируется сигнал Vv, который, поступая на генераторы 16 пилообразного напряжения, устанавливает амплитуду выходного напряжения генератора 16, одинаковую для всех трех фаз. Ток фазы I_ф для метода One Cycle Control (ОСС) определяется в соответствии с выражением:

где V_ramp - амплитуда пилообразного опорного сигнала широтно-импульсной модуляции, α - масштабный коэффициент, V_ф - уровень фазного напряжения (поддержание этого соотношения обеспечивает равенство амплитуд токов в каждой фазе и точное повторение формы напряжения в соответствующей фазе), V_o - выходное напряжение.

Транзистор 1 предназначен для коммутации верхней или нижней части полумостовой схемы двух соответствующих транзисторов 1.

В качестве транзистора 1 может быть использован, например, полевой (униполярный) транзистор с изолированным затвором (МОП) или биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ), например, МОП транзистор марки Infineon IPW60R017C7.

Система управления затворами транзисторов 1, приведенная на фиг. 3, предназначена для управления затворами транзисторов 1.

Шунтирующий конденсатор 6 предназначен для уменьшения паразитной индуктивности контура: транзисторы 1 - конденсаторы 7, что позволяет снизить паразитные пики напряжения, возникающие при выключении транзисторов 1.

В качестве шунтирующего конденсатора 6 могут быть использованы керамические smd-конденсаторы 2520.

Сглаживающий конденсатор 7 предназначен для снижения пульсации выходного сигнала напряжения с выхода импульсного силового преобразователя.

В качестве сглаживающего конденсатора 7 может быть использован либо набор керамических smd-конденсаторов, электролитических конденсаторов, либо набор пленочных конденсаторов.

В качестве нагрузки (на фигурах не показана) повышающего преобразователя может быть использован инверторный электродвигатель, например, для привода винта двигателя летательного аппарата.

Драйвер 11 предназначен для управления напряжением на затворах транзисторов 1, которые требуют больших входных токов.

В качестве драйвера 11 может быть использован, например UCC5390ECD.

В качестве резистора 12 может быть использован, например SMD1206.

В качестве диода 13 может быть использован диод Шоттки, например 15MQ040.

Компараторы 14, выполняющие функцию широтно-импульсных модуляторов, предназначены для формирования трех ШИМ сигналов, которые обеспечивают форму входных токов фаз, совпадающих с формой фазных ЭДС (UA-UC).

В качестве компаратора 14 может быть использован, например TVL3201.

Преобразователь тока предназначен для преобразования тока в напряжение, пропорциональное току.

Преобразователь тока выполнен на основе серийного датчика 15 тока HAIS-100P.

Датчик 15 тока предназначен для измерения переменного, постоянного и смешанного тока амплитудой до 400 А с погрешностью не более 1%.

Для измерения фазных токов использовались специально разработанные модули датчика 15 тока. Основу устройства составляет преобразователь ток-напряжение на основе эффекта Холла (модель HAIS-100P), монтируемый на печатной плате, с однополярным питанием 5 В, с двумя выходами, один из которых является напряжением, пропорциональному измеряемому току, а второй является опорном напряжению 2,5 В. На плате имеются два буферных повторителя AD8602ARZ, снижающие выходное сопротивление датчика 15 тока, что уменьшает влияние емкости соединительного кабеля и входных цепей платы управления, и тем самым повышает динамическую и статическую точность измерения тока.

Дорожки печатной платы, соответствующие силовым цепям трехфазного полупроводникового выпрямителя (преобразователя) усилены параллельными объемными медными проводами достаточного сечения.

Буферный повторитель (на фигурах не показан) предназначен для снижения выходного сопротивления датчика 15 тока, что уменьшает влияние емкости соединительного кабеля и входных цепей платы управления, и тем самым повышает динамическую и статическую точность измерения тока.

В качестве буферного повторителя может быть использован, например AD8602.

В качестве источника напряжения может быть использован синхронный генератор напряжения Ua-Uc и L_ф на фиг. 1 на основе постоянных магнитов с выходным напряжением от 40 до 1000 В.

Выпрямитель предназначен для синхронного генератора напряжения.

Генератор 16 пилообразного напряжения расположен на плате управления и предназначен для генерации опорного сигнала для широтно-импульсного модулятора.

В качестве генератора 16 пилообразного напряжения может быть использована схема, например, на основе операционного усилителя AD8602 и аналогового ключа МАХ4544.

Усилитель 17 ошибки по напряжению предназначен для стабилизации напряжения на выходы преобразователя.

В качестве усилителя 17 ошибки по напряжению может быть использован, например AD8602.

Шина постоянного тока (узлы 4 и 5) предназначена для подключения одной или нескольких нагрузок, которая может быть выполнена в виде инверторного электродвигателя.

В качестве шины постоянного тока (узлы 4 и 5) может быть использован электропровод с достаточным сечением для обеспечения токовой пропускной способности нагрузки.

Уровень входного и выходного напряжений контролировался при помощи вольтметров М2007, измерение их формы производили при помощи высоковольтных делителей (это было отдельное устройство) Testec TT-HV 250 с полосой пропускания 300 МГц. Для измерения токов использовали пробник Tektronix ТСР202 (50 МГц, ток до 50 А) и модуль датчика 15 тока. Регистрация получаемых при помощи измерительных элементов сигналов производили с помощью осциллографа Keysight InfiniiVision DSOX2024A 200 МГц.

На осциллограммах входных токов корректора коэффициента мощности при фазных напряжениях 40 В и нагрузке 18 кВт (фиг. 5А) и 26 кВт (фиг. 5Б) отображен момент включения (0 мс), зона смешанного режима работы (до 20 мс), а также работа в режиме повышающего преобразователя (от 20 мс). Из осциллограммы (фиг. 5Б) видно, что в момент времени от 52 до 60 мс работу активного корректора коэффициента мощности прекращает принудительно устройство защиты от перенапряжения из-за превышения напряжения Vo на выходе трехфазного полупроводникового выпрямителя (преобразователя) некоторого опорного значения V*. После снижения напряжения Vo до нормального уровня работа корректора коэффициента мощности возобновляется.

На осциллограммах (фиг. 6А и 6Б) входных токов корректора коэффициента мощности для случаев нагрузки по напряжению - 33 кВт, приведены укрупненные изображения токов фаз (фиг. 6Б) с трапециевидными пульсациями, показывающие отсутствие изменения их формы в зависимости от нагрузки на трехфазный полупроводниковый выпрямитель (преобразователь).

Проведенные измерения тока и напряжения при работе трехфазного полупроводникового выпрямителя (преобразователя) позволили установить корректность работы алгоритмов коррекции коэффициента мощности и формирования входных фазных токов корректора коэффициента мощности.

На основании вышеизложенного новый достигаемый технический результат предлагаемого изобретения обеспечивается следующими по сравнению с прототипом техническими преимуществами.

1. Обеспечивается более точная (не менее чем на 11%) коррекция коэффициента мощности и формирования входных фазных токов корректора коэффициента мощности за счет отсутствия в системе управления входных мультиплексоров, что обеспечивает более высокую плавность регулировки и стабилизации тока.

2. Обеспечивается более высокая (не менее чем на 15%) электромагнитная совместимость за счет более точной коммутации транзисторов 1.

3. Повышается передаваемая трехфазным полупроводниковым выпрямителем (преобразователем) мощность не менее чем на 11% за счет более точной коммутации транзисторов 1.

4. Упрощается схема управления трехфазным полупроводниковым выпрямителем (преобразователем) и повышается ее надежность не менее чем на 12% по сравнению с прототипом за счет отсутствия в устройстве трех датчиков фазного напряжения.

5. Улучшается схемотехническая реализация силовых цепей, систем контроля и защиты трехфазного полупроводникового выпрямителя (преобразователя) не менее чем на 11% за счет отсутствия в устройстве трех датчиков фазного напряжения.

В настоящее время в Институте электрофизики и электроэнергетики РАН проведены испытания предлагаемого трехфазного полупроводникового выпрямителя напряжения с корректором входного коэффициента мощности, и на их основе выпущена конструкторская документация на данную систему управления.

Используемые источники

1. Madonna V., Giangrande P., Galea M. Electrical Power Generation in Aircraft: Review, Challenges, and Opportunities // IEEE Trans. Transp. Electrif., 2018, v. 4, no 3, p.646-659.

2. Barzkar A., Ghassemi M. Electric power systems in more and all electric aircraft: A review // IEEE Access, 2020, v. 8, p. 169314-169332.

3. Patnaik В., Kumar S., Gawre S. Recent Advances in Converters and Storage Technologies for More Electric Aircrafts: A Review // IEEE J. Miniaturization Air Sp. Syst, 2022, v. 3, no. 3, p. 78-87.

4. Rashid M. H. Three-Phase Controlled Rectifiers // Power Electronics Handbook: Elsevier, 2018, p. 233-273.

5. Sarlioglu B. Advances in AC-DC power conversion topologies for more electric aircraft // 2012 IEEE Transp. Electrif. Conf. Expo, ITEC 2012, 2012.

6. Benzaquen J., Mirafzal B. Smart active rectifier fed by a variable voltage and frequency source // 2021 IEEE Kansas Power Energy Conf. KPEC 2021, 2021, p. 2-6.

7. Полезная модель RU 148 774, МКИ H02M 7/44.

8. Chen Guozhu, Smedley Keyue M. Steady-State and Dynamic Study of One-Cycle-Controlled Three-Phase Power-Factor Correction. IEEE Transactions on industrial electronics, 2005, v. 52, no. 2, p. 355-362.

Claims (6)

1. Трехфазный выпрямитель напряжения с корректором коэффициента мощности, содержащий коммутаторы, конденсатор, нагрузку, систему управления, включающую формирователь, который в соответствии с входящим в него сигналом ошибки, формирует сигнал модуляции для одноциклового контроллера, содержащего два компаратора и формирующего два сигнала возбуждения на коммутаторы, отличающийся тем, что все коммутаторы выполнены в виде транзисторов, каждая фаза выпрямителя выполнена в виде соединенных параллельно по входу и выходам модулей из двух транзисторов, формирующих полумост, при этом средняя точка каждого полумоста соединена с соответствующим фазным проводом трехфазной сети, а внешние точки каждого полумоста электрически соединены с соответствующими полюсами трехфазного выпрямителя и посредством шины постоянного тока - с нагрузкой, в систему управления дополнительно введены два блока задержки; два драйвера; два резистора и два диода; датчики тока; первый усилитель ошибки по напряжению; делитель напряжения, электрически соединенный с входом первого усилителя ошибки по напряжению, выход которого электрически соединен с входами, генерирующими импульсы пилообразного напряжения, и электрически соединены с первыми входами соответствующих компараторов, формирующих сигнал широтно-импульсной модуляции каждый, при этом выходы компараторов электрически соединены со входами соответствующих блоков задержки, и второй усилитель, электрически соединенный со вторыми входами соответствующих компараторов, выходы соответствующих блоков задержки посредством драйверов, формирующих два сигнала возбуждения на транзисторы, электрически соединены через параллельно установленные резистор и диод с затворами соответствующего транзистора в соответствующих модулях транзисторов, конденсатор выполнен в виде четырех шунтирующих и четырех сглаживающих конденсаторов, установленных параллельно соответствующему модулю транзисторов соответствующей фазы выпрямителя, причем каждый шунтирующий конденсатор соединен с внешними точками каждого полумоста, а сглаживающие конденсаторы размещены попарно относительно соответствующего транзистора в соответствующем модуле транзисторов и соединены с последним из параллельно установленных относительно соответствующего модуля транзисторов шунтирующим конденсатором своими входами.

2. Трехфазный выпрямитель по п. 1, отличающийся тем, что он выполнен в виде трехфазного полупроводникового выпрямителя напряжения.

3. Трехфазный выпрямитель по п. 1, отличающийся тем, что транзистор выполнен в виде полевого транзистора с изолированным затвором или биполярного транзистора с изолированным затвором.

4. Трехфазный выпрямитель по п. 1, отличающийся тем, что каждый модуль транзисторов припаян непосредственно к выводам системы управления.

5. Трехфазный выпрямитель по п. 1, отличающийся тем, что каждый датчик тока выполнен с двумя установленными на его выходе буферными повторителями и с преобразователем тока с выходами в виде напряжения, пропорционального току и опорному постоянному напряжению.

6. Трехфазный выпрямитель по п. 1 или п. 6, отличающийся тем, что нагрузка повышающего преобразователя выполнена в виде инверторного электродвигателя.