РЕГУЛЯТОР ТРЕХФАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК H02M5/22 

Изобретение относится к области полупроводниковой преобразовательной техники и может быть использовано для получения регулируемого и стабилизированного трехфазного переменного напряжения при питании от источника с нерегулируемым и с нестабилизированным трехфазным напряжением, причем выходное напряжение регулятора может быть как меньше, так и больше входного напряжения. Такой регулятор может быть использован и как стабилизатор трехфазного переменного напряжения, и как бестрансформаторное устройство повышения переменного напряжения, и как регулируемый источник стабильного переменного напряжения при нестабильном входном напряжении для различных потребителей (выпрямители, асинхронные двигатели и т.д.).

Известен регулятор трехфазного напряжения, содержащий в каждой фазе два встречно-параллельно включенных тиристора (Энергетическая электроника. Справочное пособие. М.: Энергия, 1987, с.148, рис. 3.56).

Однако указанный регулятор характеризуется ухудшением качества выходного напряжения при его регулировании, ухудшением качества входного тока при регулировании выходного напряжения, неспособностью получения на выходе напряжения, большего, чем на входе.

Кроме того, известен регулятор трехфазного переменного напряжения (G. Venkataramanan, B.K. Johnson, A. Sundaram An AC-AC Power Converter for Custom Power Applications, IEEE Transactions on Power Delivery, V. 11, N 3, 1996, P. 1666-1671), являющийся прототипом предлагаемого изобретения. Регулятор содержит в каждой фазе последовательно включенные (по отношению к источнику входного напряжения) входной LC-фильтр, входной ключ, выходной LC-фильтр, а между точками соединения входного ключа и выходного фильтра подключены одними концами выходные ключи, вторые концы которых в каждой фазе соединены вместе, при этом входные и выходные ключи образованы встречно параллельным соединением транзистора и диода.

Однако указанный регулятор имеет ограниченные функциональные возможности, так как обеспечивает регулирование выходного напряжения только в сторону уменьшения от значения входного напряжения, и не способен обеспечить получение на выходе напряжения, большего, чем на входе. Также он достаточно сложен, так как содержит шесть ключей.

Анализ приведенного уровня техники свидетельствует о том, что задачей изобретения является создание регулятора трехфазного напряжения с более широкими функциональными возможностями, то есть способного регулировать напряжение на выходе как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения от уровня входного напряжения, при этом сократив число управляемых ключей регулятора.

Это достигается тем, что в известном регуляторе трехфазного напряжения, содержащем в каждой фазе последовательно включенные входной LC-фильтр, входной ключ, выполненный в виде встречно-параллельного соединения вентиля с полным управлением и диода, дроссель выходного фильтра, нагрузку, а также выходной ключ, подключенный к точке соединения входного ключа и дросселя выходного фильтра, введены в каждую фазу накопительные дроссели, соединенные в звезду или треугольник и включенные между точками соединения входного ключа и дросселя выходного фильтра, введены также накопительные конденсаторы, включенные параллельно цепям, образованным последовательным включением дросселя выходного фильтра и нагрузки каждой фазы, а выходной ключ выполнен на вентиле с полным управлением и подключен к выходу трехфазной мостовой схемы выпрямления на диодах, при этом входы трехфазной мостовой схемы подключены к вторым конца нагрузок каждой фазы.

На фиг. 1 приведена блок-схема предложенного регулятора трехфазного напряжения. На фиг. 2 приведены временные диаграммы токов и напряжений в различных частях предлагаемого регулятора.

Предлагаемый регулятор трехфазного напряжения с входными зажимами A, B, C содержит в каждой фазе последовательно включенные входной LC-фильтр из дросселей 1 и конденсаторов 2, соединенных в звезду, входной ключ, образованный встречно-параллельным соединением вентиля с полным управлением 3, например, в виде транзистора, и диод 4, дроссели 5 выходного фильтра, нагрузку 6, а также накопительные дроссели 7, соединенные в звезду или треугольник и включенные между точками соединения входного ключа и дросселя выходного фильтра, накопительные конденсаторы 8, включенные параллельно цепям, образованным последовательным включением дросселя выходного фильтра и нагрузки, а также трехфазную мостовую схему выпрямления на диодах 9-14, подключенную своими входами к вторым концам нагрузок каждой фазы, а к выходу которой подключен выходной ключ 15 в виде вентиля с полным управлением, например, транзистора.

Регулятор трехфазного напряжения работает следующим образом. Период коммутации по высокой частоте, определяемый частотными возможностями вентилей с полным управлением (сотни герц для запираемых тиристоров, килогерцы или десятки килогерц - для транзисторов), состоит из двух подинтервалов. На первом подинтервале T₁ вентили с полным управлением входных ключей, выполненные, для конкретности описания здесь, на транзисторах 3, получают сигналы управления на включение, как показано на фиг. 2а. Сигналы на включение вентиля с полным управлением выходного ключа 15, представленные на фиг. 2б, на этом подинтервале отсутствуют и выходной ключ 15 заперт (разомкнут). Под действием входных ЭДС, приложенных к входным зажимам A, B, C регулятора и изображенных на фиг. 2в, в накопительных дросселях 7 нарастают токи, как это показано на фиг. 2г для тока дросселя 7 фазы A. Идет процесс запасания энергии в этих дросселях. Нагрузка 6 каждой фазы при этом получает питание от накопительных конденсаторов 7 соответствующих фаз, напряжение на конденсаторе фазы A показана на фиг. 2д. Напряжение на нагрузке фазы A приведено на фиг. 2е. Диаграммы получены математическим моделированием регулятора на ЭВМ.

На втором подинтервале T₂ сигналы управления со входных ключей снимаются и они размыкаются, а подается сигнал управления на выходной ключ 15 (фиг. 2б) и он включается. Теперь токи накопительных дросселей 7 получают возможность протекать через накопительные конденсаторы 8 и параллельно включенные им цепи из последовательно соединенных дросселя выходного фильтра 5 и нагрузки 6, замыкаясь через соответствующие проводящие диоды трехфазной мостовой схемы выпрямления 9-14 и выходной ключ 15. При этом энергия тока накопительных дросселей 7 передается в энергию напряжения накопительных конденсаторов 8.

Регулирование величины выходного напряжения регулятора трехфазного напряжения обеспечивается за счет изменения соотношения длительностей подинтервалов T₁ и T₂ в периоде коммутации T по аналогии с соответствующим инвертирующим повышающим преобразователем постоянного тока в постоянный (Энергетическая электроника. Справочное пособие. М.: Энергия, 1987, с. 158, рис. 3.66е, формула (3.121)).

Здесь коэффициент преобразования регулятора по напряжению определяется соотношением длительностей подинтервалов T₁ и T₂. Поэтому при T₁ > T₂ выходное напряжение регулятора будет больше входного, то есть регулятор обеспечивает бестрансформаторное повышение на нагрузке переменного напряжения источника. Исключение трансформатора из регулятора переменного напряжения, который требуется в традиционных регуляторах для получения напряжения на выходе регулятора, большего, чем входное, приводит к существенному уменьшению массогабаритных показателей регулятора. Вес же дополнительных реактивных элементов в предлагаемом регуляторе (входной LC-фильтр, накопительные дроссели, сглаживающий выходной фильтр) будет относительно малым, если частота коммутации ключей достаточно высока (десятки килогерц).

Таким образом, предлагаемый регулятор трехфазного напряжения по сравнению с прототипом имеет то преимущество, что его функциональные возможности расширены, что позволяет обеспечить получение и регулирование выходного напряжения, большего, чем на входе, и, кроме того, он более простой, так как имеет меньшее количество управляемых вентилей.

Предложен регулятор трехфазного напряжения для целей получения в источниках гарантированного питания стабилизированного номинального выходного напряжения при снижении входного напряжения ниже номинального, а также для целей электропривода путем регулирования выходного напряжения в сторону увеличения или уменьшения по сравнению с входным напряжением. Регулятор содержит в каждой фазе последовательно включенные входной LС-фильтр с дросселями 1 и конденсаторами 2, входной ключ с вентилями с полным управлением 3 и диодами 4, выходной фильтр в виде дросселей 5, нагрузки 6, а также содержит накопительные дроссели 7 и накопительные конденсаторы 8, трехфазный мостовой выпрямитель на диодах 9-14 и выходной ключ 15 в виде вентиля с полным управлением. Регулятор обеспечивает расширение функциональных возможностей и упрощение схемы, так как позволяет получать напряжение на выходе больше входного и при этом имеет меньшее число управляемых вентилей. 2 ил.

Регулятор трехфазного напряжения, содержащий в каждой фазе последовательно включенные входной LC-фильтр, входной ключ в виде встречно-параллельного соединения вентиля с полным управлением и диода, дроссель выходного фильтра, нагрузку, а также содержащий выходной ключ, отличающийся тем, что в него введены в каждую фазу накопительные дроссели, соединенные в звезду или треугольник и включенные между точками соединения входного ключа и дросселя выходного фильтра, введены также накопительные конденсаторы, включенные параллельно цепям, образованным последовательным включением дросселя выходного фильтра и нагрузки каждой фазы, а выходной ключ выполнен на вентиле с полным управлением и подключен к выходу трехфазной мостовой схемы выпрямления на диодах, при этом входы трехфазной мостовой схемы подключены ко вторым концам нагрузок каждой фазы.