СТАТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2013 года по МПК H02M9/00 

Область техники

Изобретение относится к статическим преобразователям для питания ответственных потребителей трехфазного переменного тока, нарушение работы которых может повлечь за собой возникновение ситуаций, представляющих опасность для жизни людей, повреждение оборудования, выход из строя транспортного средства и т.п.

Статический преобразователь такого типа должен обеспечиваться электроэнергией как минимум от двух независимых источников. В качестве резервного источника электроснабжения ответственных потребителей переменного тока наиболее широкое применение находят аккумуляторные батареи (АБ). Например, энергетические системы современных атомных подводных лодок (АПЛ) имеют в своем составе несколько автономных турбогенераторов переменного тока, использующих пар от реактора, и аккумуляторную батарею в качестве резервного источника энергии при неработающих турбогенераторах, а также машинные и статические преобразователи электрического тока для зарядки аккумуляторов. Основными силовыми сетями АПЛ являются трехфазный переменный ток напряжением 380 B 50 Гц и постоянный ток напряжением 175-320 B. А.Б.Каракаев, Б.С.Маркитанов «Электрические сети подводных лодок». Государственная морская академия им. С.О.Макарова, Санкт-Петербург, 2003.

Наиболее полно варианты схемотехнических решений силовых узлов современных трехфазных статических преобразователей средней и большой мощности, работающих по схеме источника бесперебойного питания, изложены в обзорной статье Климов В.П., Москалев А.Д. Трехфазные «ИБП: схемотехника и технические характеристики». Электронные компоненты, №6, 2005 г.

Согласно указанному обзору наиболее распространены источники бесперебойного питания (ИБП) с двойным преобразованием энергии, обеспечивающие переход с сетевого режима на автономный без перерыва питания, обеспечивая необходимую форму и симметрию трехфазного выходного напряжения. Основные достоинства ИБП с двойным преобразованием энергии:

обеспечение высокой точности стабилизации выходного напряжения в сетевом и автономном режимах; обеспечение стабильной частоты выходного напряжения при отклонениях частоты сети; отсутствие переходных процессов при переключениях с сетевого режима на автономный и наоборот, возможность исключить влияние нелинейной нагрузки с высоким крест-фактором на форму входного тока, повышение надежности системы по обеспечению бесперебойного питания нагрузки за счет автоматического шунтирования.

Существует три группы схем ИБП с двойным преобразованием энергии.

Согласно первой группе классическая структура ИБП с АБ в цепи питания инвертора содержит (Рис.1а, 2 этого обзора) последовательно включенные мостовой управляемый тиристорный выпрямитель, трехфазный мостовой инвертор напряжения на IGBT-транзисторах, трехфазный выходной трансформатор с обмотками, включенными по схеме треугольник-звезда и выходной фильтр. Высоковольтная АБ подключена к выходу управляемого выпрямителя. Эти ИБП обладают высокими показателями надежности, однако для них характерны повышенные массогабаритные показатели.

Вторую группу образуют ИБП с бустером в цепи питания инвертора (Рис.1б, 6 обзора). Их отличительной особенностью является отсутствие трансформатора, использование неуправляемого выпрямителя и наличие бустера-корректора коэффициента мощности в силовой цепи. Аккумуляторная батарея, как правило, состоит из двух секций со средней точкой, соединенной с нейтральным проводом. Каждая секция АБ подключается к соответствующей выходной шине выпрямителя через тиристоры, которые закрыты в сетевом режиме работы, когда осуществляется заряд АБ. Зарядные устройства подключены к шинам стабильного напряжения постоянного тока на выходе бустера, что позволяет получить к.п.д. зарядного устройства до 96…99%. Этой группе преобразователей также присущи недостатки, связанные со значительными массогабаритными характеристиками и определенными ограничениями диапазона мощности.

Стремление увеличить коэффициент мощности в широком диапазоне изменения нагрузки и улучшить динамические характеристики ИБП с одной стороны и появление доступных для широкого применения высоковольтных быстродействующих силовых IGBT-модулей привело к появлению структуры ИБП с двунаправленным мостовым широтно-импульсным (ШИМ)-преобразователем (Рис.1в, 7 обзора), принимаемой за прототип.

Структура такого ИБП содержит последовательно соединенные: входной трехфазный ШИМ-преобразователь на IGBT-транзисторах, фазных дросселях и накопительных конденсаторах, преобразователь напряжений, трехфазный мостовой инвертор и выходной фильтр. В схеме также присутствует преобразователь напряжений, входом подсоединенный к выходу входного ШИМ-преобразователя, выходом к аккумуляторной батарее. Преобразователь напряжений работает как зарядное устройство в сетевом режиме работы и как бустер цепи АБ в автономном режиме.

К недостаткам данной схемы следует отнести большое количество силовых IGBT-транзисторов в силовой цепи и возникновение на закрытых транзисторах значительных коммутационных напряжений, а также сложную схему управления транзисторами ШИМ-преобразователя, требующую информацию не только о величине токов и напряжений, но и об их фазовом сдвиге, что в целом приводит к достаточно большим весогабаритным характеристикам и недостаточной надежности.

Раскрытие изобретения

Целью заявляемого изобретения является повышение надежности источника бесперебойного питания, выполненного в виде статического преобразователя переменного тока, питаемого от основной сети трехфазного переменного тока и резервной сети постоянного тока.

Сущность изобретения заключается в следующем. Статический преобразователь, являющийся источником питания с двойным преобразованием энергии, обеспечивает при необходимости переход с сетевого режима на автономный без прерывания своей функции благодаря использованию следующей схемы соединения: плюсовая и минусовая клеммы, которые служат для подсоединений извне источника постоянного тока, через контактор подключены к выпрямителю, работающему в обычном режиме от сети переменного тока. Плюсовая клемма соединена через диоды с дросселями, стоящими в цепи каждой фазы переменного тока, а минусовая подключена к общей точке этого выпрямителя. При этом сам выпрямитель выполнен на базе транзисторных чопперов, обеспечивающих регулирование напряжения при питании от источника постоянного тока. Вследствие того что почти все блоки схемы, задействованные при основном питании, используются и при резервном питании, общая схема статического преобразователя значительно упрощается. В результате снижаются масса и габариты статического преобразователя, что приводит к повышению надежности.

Кроме того, плюсовая и минусовая клеммы, к которым извне подсоединяется источник постоянного тока, могут быть подключены не напрямую к выпрямителю, работающему в обычном режиме от сети переменного тока, а через группу из последовательно включенных - высокочастотного инвертора, трансформатора и второго выпрямителя. Это также увеличивает надежность за счет введения гальванической развязки двух питающих сетей.

В качестве выпрямителя может быть использована мостовая схема транзисторного инвертора, выполняющая функцию корректора мощности. Это дополнительно увеличивает надежность через увеличение коэффициента мощности питающей сети, поскольку при одинаковой мощности снижается нагрузка на силовые элементы схемы.

Кроме того, для дальнейшего повышения надежности между минусовой клеммой источника постоянного тока и общей минусовой точкой выпрямителя может быть введен транзисторный ключ.

Графические иллюстрации

Фиг.1. Блок-схема статического преобразователя.

Фиг.2 Блок-схема статического преобразователя с гальванической развязкой питающих цепей.

Фиг.3. Блок-схема статического преобразователя с мостовой схемой транзисторного инвертора и введенным транзисторным ключом между отрицательной клеммой источника постоянного тока и общей точкой выпрямителя.

Осуществление изобретения

Статический преобразователь (Фиг.1) содержит входные клеммы 1 для подвода трехфазного переменного тока, тройной контактор 2 для включения/отключения цепи переменного тока, входные клеммы 3 для подвода постоянного тока, двойной контактор 4 для включения/отключения цепи постоянного тока, а также дроссели 5, стоящие в цепи каждой фазы, выпрямитель 6, фильтрующий конденсатор 7, инвертор 8, формирователь напряжения нагрузки 9. Положительная входная клемма подвода постоянного тока подключена через контактор 4 к трем фазным входам выпрямителя 6 через разделительные диоды 10, отрицательная клемма подключена через контактор 4 к общей точке выпрямителя 6. Выпрямитель 6 выполнен на базе транзисторных чопперов, обеспечивающих регулирование напряжения при питании от сети постоянного тока. При этом три его плеча имеют в своем составе IGBT-транзисторы 11, шунтированные диодами 12. Три других плеча выполнены на силовых диодах 13.

Для обеспечения гальванической развязки двух питающих сетей входные клеммы 3 постоянного тока могут быть подключены к анодам разделительных диодов 10 и минусовой общей точки выпрямителя 6 - через группу из последовательно соединенных: высокочастотного инвертора 14, трансформатора 15 и второго нерегулируемого выпрямителя 16 (Фиг.2).

Для увеличения коэффициента мощности питающей сети в выпрямителе 6 может быть использована мостовая схема транзисторного инвертора (Фиг.3), когда все плечи выпрямителя выполнены на базе транзисторных чопперов. В этом случае в каждом из шести плеч используются IGBT-транзисторы 11, шунтированные диодами 12. В минусовую цепь питания выпрямителя может быть введен транзисторный ключ 17 (для повышения надежности).

Статический преобразователь, предназначенный для питания ответственных потребителей переменного тока, работает следующим образом.

При подаче напряжения переменного тока от основного источника питания на клеммы 2 включается контактор 3 и переменное трехфазное напряжение через дроссели 5 подается на регулируемый выпрямитель 6. Далее выпрямленное напряжение фильтруется конденсатором 7 и поступает на вход инвертора 8, вырабатывающего на выходе переменный ток, который поступает к нагрузке через формирователь 9.

При пропадании переменного напряжения на входных клеммах 1 выключается контактор 2, включается контактор 4 и постоянное напряжение, имеющееся на клеммах 3, поступает с положительной клеммы через контактор 4 к разделительным диодам 10 и далее на дроссели 5, затем на вход выпрямителя 6. Отрицательная клемма через контактор 4 соединяется с общей минусовой точкой выпрямителя 6. В этом случае выпрямитель 6 вырабатывает однополярное пульсирующее напряжение, которое затем сглаживается конденсатором 7, инвертируется на инверторе 8, и уже это полученное переменное напряжение поступает к формирователю напряжения нагрузки 9.

В варианте с гальваническим разделением сетей (Фиг.2), в случае пропадания на клеммах 1 напряжения переменного тока, напряжение постоянного тока с клемм 3 поступает через замкнутые контакты контактора 4 к высокочастотному инвертору 14, после которого переменное напряжение приводится к нужному номиналу трансформатором 15 и превращается в постоянное - дополнительным выпрямителем 16. Далее схема работает вышеописанным образом.

При работе по варианту Фиг.3 работа схемы практически не изменяется, только выпрямитель работает в режиме корректора мощности.

Во всех трех вариантах от минусовой клеммы (подключающей источник постоянного напряжения) ток может проходить по цепи к общей минусовой точке выпрямителя 6 через транзисторный ключ 17, чем обеспечивается более надежная защита преобразователя.

Работа по взаимному переключению двух сетей и регулированию напряжения на выходе статического преобразователя осуществляется от внешней системы управления.

В качестве элементов статического преобразователя могут быть использованы:

выпрямитель 6 - выпрямитель на чопперах (IGBT-транзисторах и диодах), выполненный по мостовой схеме;

фильтрующий конденсатор 7 - электролитический конденсатор;

инвертор 8 - инвертор по трехфазной мостовой схеме;

разделительные диоды 10 - силовые диоды полупроводникового типа;

высокочастотный инвертор 14 - инвертор по однофазной мостовой схеме;

дополнительный выпрямитель 16 - диодный выпрямитель по однофазной мостовой схеме;

транзисторный ключ 17 - полупроводниковый транзистор.

Изобретение относится к статическим преобразователям, обеспечивающим бесперебойное питание ответственных потребителей трехфазного переменного тока. Технический результат заключается в повышении надежности источника бесперебойного питания, выполненного в виде статического преобразователя переменного тока, питаемого от основной сети переменного тока и резервной сети постоянного тока. Для этого устройство содержит входные клеммы для подключения к источнику переменного тока, являющемуся основным источником электропитания, и клеммы для подключения к источнику постоянного тока положительную и отрицательную, являющемуся резервным, а также контакторы, фазные дроссели, выпрямитель, фильтрующий конденсатор, инвертор, формирователь напряжения питания потребителей, при этом заявленный статический преобразователь, являющийся источником питания с двойным преобразованием энергии, обеспечивает при необходимости переход с сетевого режима на автономный без прерывания своей функции благодаря следующей схеме соединения: плюсовая и минусовая клеммы, которые служат для подсоединений извне источника постоянного тока, подключены через контактор к выпрямителю, работающему в обычном режиме от сети переменного тока и выполненному по мостовой схеме на базе транзисторных чопперов, обеспечивающих регулирование величины напряжения. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Статический преобразователь для питания ответственных потребителей трехфазного переменного тока, включающий в себя клеммы входного трехфазного переменного тока и клеммы входного постоянного тока положительную и отрицательную, а также контакторы, выпрямитель, подключенный ко входу через фазные дроссели и один из контакторов к клеммам входного трехфазного переменного тока, фильтрующий конденсатор и инвертор, подключенные параллельно выходу выпрямителя, формирователь напряжения потребителей, подключенный к выходу инвертора, отличающийся тем, что положительная клемма входного постоянного тока через другой контактор и разделительные диоды подключена к точкам соединения каждого фазного дросселя с первым контактором, а отрицательная клемма постоянного тока через второй контактор подключена к общей минусовой точке выпрямителя, содержащего транзисторные чопперы, обеспечивающие регулирование величины напряжения.

2. Статический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что цепь, соединяющая клеммы постоянного тока и выпрямитель, включает группу гальванической развязки, состоящую из высокочастотного инвертора, трансформатора и дополнительного выпрямителя.

3. Статический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что выпрямитель выполнен по мостовой схеме транзисторного инвертора и является корректором мощности.

4. Статический преобразователь п.1, отличающийся тем, что содержит транзисторный ключ, включенный между минусовой клеммой постоянного тока и общей минусовой точкой выпрямителя.