03 марта 2016г.
В энергетике, на производстве, на транспорте и в приборостроении широко используются вторичные источники питания, содержащие трехфазный или однофазный выпрямитель, фильтр низкой частоты и стабилизатор напряжения. В случае трехфазной сети переменного тока применяется схема Ларионова или шестифазного выпрямления с шестью диодами. При этом в каждой фазе протекает ток, положительная и отрицательная полуволны которого занимают всего по одной шестой периода. Ярко выраженные высшие гармоники токов ухуд-шают качество электроэнергии в трехфазной сети, вызывают дополнительные потери. Фильтры низкой частоты с дросселями и конденсаторами имеют большую массу и габариты. Стабилизаторы напряжения содержат дополнительные электронные приборы и вместе с фильтром снижают общий КПД.
В настоящей работе предлагается совмещенная схема трехфазного выпрямителя с активным фильтром низкой частоты и стабилизатором напряжения, построенная по принципу конвертора, с улучшенной формой токов в трехфазной сети и с меньшими габаритами и массой.
Схема выпрямителя приведена на Рисунке 1.
Выпрямитель содержит диоды D1 – D6, конденсаторы C1, C2, реверсивные ключи KA – KC, датчики напряжения ДНА – ДНС, ДН1, ДН2, датчики тока ДТА – ДТС, ДТ1, ДТ2, управляющее устройство УУ.
Диоды D1 – D6 соединены в мостовую схему Ларионова. Катоды диодов D1, D3, D5 подключены к плюсовому зажиму, а аноды диодов D2, D4, D6 подключены к минусовому зажиму.
Входные зажимы А, В, С соединены со средними точками трех плеч через датчики тока ДТА – ДТС. Датчики напряжения ДНА – ДНС подключены между зажимами А, В, С соответственно и общей точкой.
Конденсаторы C1, C2 подключены между плюсовым
и минусовым выходными
зажимами соответственно и общей точкой. К конденсаторам C1, C2 подключены датчики напряжения ДН1, ДН2, а к выходным
зажимам – датчики тока ДТ1, ДТ2. Реверсивные ключи КА – КС подключены между средними точками первого – третьего плеч соответственно и общей точкой.
Выходы датчиков
напряжения ДНА – ДНС, ДН1, ДН2 и датчиков тока ДТА – ДТС, ДТ1, ДТ2 соединены со входами управляющего устройства
УУ (эти соединения на Рисунке 1 не показаны), первый – третий выходы которого соединены с управляющими входами
ключей КА – КС.
Выпрямитель работает
следующим образом. На входные
зажимы А, В, С подается трехфазная система напряжений
uA = Um sin ωt;
uB = Um sin(ωt - 2π / 3);
uC = Um sin(ωt - 4π / 3).
Датчики напряжения
ДНА – ДНС вырабатывают соответствующие сигналы.
Датчики тока ДТ1, ДТ2 вырабатывают сигналы,
пропорциональные постоянным токам нагрузки
выпрямителя и поступающие на управляющее устройство УУ.
Датчики напряжения ДН1, ДН2 выдают сигналы,
пропорциональные постоянным напряжениям на конденсаторах С1, С2.
Они
поступают
на управляющее устройство УУ,
где сравниваются с требуемыми значениями. Управляющее устройство УУ
формирует
внутренний сигнал uó (t), который умножается
на текущие значения напряжений uA (t), uB (t), uC (t). Формируются требуемые
мгновенные значения токов: io = uóuA; io = u óuB ; o = u óuC .
Далее эти значения сравниваются с истинными значениями фазных токов iA (t), iB (t), iC (t), которые поступают от датчиков тока ДТА – ДТС, и вырабатываются широтно-модулированные импульсы,
поступающие на управляющие входы
ключей КА – КС соответственно.
В результате
токи iA (t), iB (t), iC (t) изменяются по законам, близким к синусоидальным и совпадающим по фазе с соответствующими напряжениями. Снижается мощность
потерь в сети переменного тока и улучшается качество
электроэнергии, т.е. снижаются несинусоидальные искажения напряжений.
Малые пульсации токов обеспечиваются сравнительно высокой частотой
ШИМ и наличием индуктивностей в фазах источника
переменного тока. При отсутствии таких индуктивностей должны быть введены катушки индуктивности в фазы.
Отметим, что предлагаемый выпрямитель
выполняет сразу три функции:
выпрямителя, активного фильтра низкой частоты
и стабилизатора напряжения.
Ключ может быть реализован с помощью двух IGBT-транзисторов, включенных параллельно и встречно.
На Рисунке 2 показана схема выпрямителя, соответствующая одной фазе А. Источник
напряжения uA подключен к средней точке А выпрямительных диодов D1, D2 через дроссель LA. Диоды подключены к конденсаторам С1, С2, вторые зажимы которых
соединены с общим (нулевым)
проводом 0. Средняя
точка А соединена с общим проводом 0 через два IGBT-транзистора Т1, Т2, включенных
параллельно и встречно. Отметим, что конденсаторы С1, С2 являются общими
для всех трех фаз. Дополнительные элементы не показаны.
Выпрямитель работает
следующим образом. При положительной
полуволне напряжения uA работают транзистор Т1 и
диод D1. В зависимости от напряжения на конденсаторе С1 и напряжения uA периодически открывается транзистор Т1 с частотой ШИМ.
При открытом
транзисторе Т1
положительный ток iA через дроссель LA увеличивается и возрастает энергия магнитного поля, запасенная в дросселе:
Диод D1 в это время закрыт.
Во время паузы, когда транзистор Т1 закрыт, ток iA через дроссель LA продолжает течь через диод D1 за счет накопленной энергии, заряжая конденсатор С1. Выполняется широтно-импульсная модуляция, при этом ток iA повторяет форму напряжения uA, т.е. имеет вид положительной полуволны, а его амплитуда определяется управляющим устройством.
При отрицательной полуволне напряжения uA работают транзистор
Т2
и диод D2. В зависимости от напряжения на конденсаторе С2 и напряжения uA периодически открывается транзистор Т2 с частотой ШИМ.
При открытом
транзисторе Т2 отрицательный ток iA через дроссель LA увеличивается по модулю и возрастает энергия магнитного поля, запасенная в дросселе. Диод D2 в это время закрыт.
Во время паузы, когда транзистор Т2 закрыт, ток iA через дроссель
LA продолжает течь за счет накопленной энергии,
заряжая конденсатор С2. Выполняется широтно-импульсная модуляция, при этом ток iA повторяет форму напряжения uA, т.е. имеет форму отрицательной полуволны, а его амплитуда определяется управляющим
устройством.
В результате на конденсаторах С1, С2 поддерживаются требуемые
напряжения +U0, –U0, а ток фазы А изменяется по закону,
близкому к синусоидальному. Выпрямитель выполняет дополнительную функцию активного
фильтра низкой частоты для сглаживания выпрямленного напряжения, а также функцию стабилизатора напряжения. При этом исключаются искажения
напряжения сети из-за высших гармоник тока, и снижается
мощность потерь в сети, а также масса благодаря меньшей емкости конденсаторов, отсутствию фильтра низкой
частоты и стабилизатора напряжения.
На Рисунке 3 показаны
график тока i1 в питающей сети при обычном шестифазном выпрямителе и график тока i2 при предлагаемом выпрямителе.
Видно, что в первом случае положительная и отрицательная полуволны тока длятся одну
шестую периода Т. При этом ток имеет ярко выраженные
высшие гармоники, ухудшающие качество переменного напряжения для других потребителей и вызывающие дополнительные потери в сети и питающем генераторе. Во втором случае ток близок
к синусоидальному, и указанные
недостатки устраняются.
Схема на Рисунке 2 позволяет
получить формулу
для относительной длительности импульсов, управляющих транзистором Т1. Допустим, что период импульсов τ, а длительность открывающего импульса τи. Тогда время паузы
Полученные дифференциальные
уравнения и формула для относительной длительности импульсов позволяют построить управляющее устройство УУ с выполнением указанных
функций выпрямителя – выпрямление трехфазной системы напряжений, активная фильтрация пульсаций и стабилизация выходного напряжения.
Список литературы
1. Ефимов И.П. Источники питания РЭА: Учебное пособие.
– Ульяновск: УлГТУ, 2002. – 136 с.
