СПОСОБ ДВУХКАНАЛЬНОГО ВЫПРЯМЛЕНИЯ Российский патент 2019 года по МПК H02M1/14 H02M7/02 H02M7/145 H02M7/162 

Область техники, к которой относится изобретение. Изобретение относится к силовой электротехнике, а именно к области полупроводниковой преобразовательной техники, и может быть использовано для получения выпрямленного напряжения для питания промышленной нагрузки и линий электропередач постоянного тока.

Уровень техники. Из уровня техники известен способ выпрямления напряжения [Дмитриев Б.Ф., Рябенький В.М., Черевко А.И., Музыка М.М. Судовые полупроводниковые преобразователи: учебник. - Архангельск: Изд-во САФУ, 2015. - 556 с.] с 6 пульсациями выходного напряжения, основанный на питании от трехфазного источника напряжения, далее коммутировании питающего напряжения, причем длительность периодов коммутации составляет 60 электрических градусов при фазовом сдвиге 60 электрических градусов относительно начала полуволн в фазах.

К недостаткам данного решения можно отнести высокий уровень пульсаций напряжений на выходе, что делает его непригодным для питания некоторых потребителей постоянного тока. Также к недостаткам относится и высокий уровень искажений потребляемых из питающей сети токов.

Из уровня техники также известен способ выпрямления напряжения [Коптяев Е.Н., Балашевич В.М., Абрамов С.С. Выпрямитель с "боковыми" пульсациями для вставок постоянного тока // Электричество. - 2017. - №7. - с. 55-59], основанный на питании каждого из двух каналов от трехфазных источников напряжения, далее коммутировании питающих напряжений, причем длительность периодов коммутации в основном канале 60 электрических градусов при фазовом сдвиге относительно начала полуволн в фазах 60 электрических градусов, а длительность периодов коммутации в дополнительном канале 30 электрических градусов при фазовом сдвиге 30 электрических градусов относительно моментов равенства нулю полуволн в фазах, далее суммировании выходных напряжений одинаковой полярности основного и дополнительного каналов, причем пропорция питающих напряжений каналов составляет 2,8 к 1 соответственно.

К недостаткам такого решения можно отнести сложное соотношение витков трехфазной обмотки основного и дополнительного каналов в 2,8 раза, что приводит к сложности ее реализации при изготовлении трансформатора. Также, переменная составляющая пульсаций дополнительного канала имеет одноименную полярность с пульсациями основного канала, и суммируется с ними, чем снижается эффективность уменьшения коэффициента пульсаций и улучшения качества выходного напряжения.

Данное техническое решение является наиболее близким по своей сущности прототипом.

Раскрытие изобретения. В современных промышленных установках и технологических процессах используются полупроводниковые выпрямители, имеющих преимущества по сравнению с устаревшими электромашинными выпрямительными агрегатами. Главным достоинством полупроводниковых преобразователей является большая длительность периодов непрерывной работы без обслуживания, меньшая масса и шумность.

Выпрямители используются для питания нагрузки постоянного тока, и являются наиболее проработанным и широко распространенным видом среди всей преобразовательной техники. Основы работы и алгоритмов управления классических трехфазных выпрямителей широко освещены в различной литературе, как учебной, так и научной [1, 2, 3].

В последнее десятилетие полупроводниковой промышленностью освоено производство мощных полностью управляемых ключей с высокими параметрами - на практически весь диапазон напряжений и токов, которые востребованы при построении полупроводниковых выпрямителей, что дало новый толчок к их развитию.

Произошло внедрение импульсных преобразователей напряжения, в том числе выпрямителей, имеющих повышенную частоту коммутации, которая во много раз превышает частоту питающей сети, и гораздо больше - по сравнению с классическими преобразователями. Однако это приводит к росту тепловыделения ключей, и снижению надежности их работы - поскольку процесс коммутации является самым напряженным режимом работы, сопровождаемым выбросами напряжения при разрыве кривой тока. Перечисленные причины обуславливают целесообразность развития также и классической преобразовательной техники, основанной на коммутации по алгоритмам кусочно-синусоидальной модуляции - в которой используются фрагменты напряжения фаз питающих напряжений, имеющих тот или иной период (длительность) между моментами коммутации и фазовый сдвиг.

На фигуре 1 показана принципиальная схема трехфазного выпрямителя на основе трехфазного моста (коммутатора), с использованием тиристоров. Также в схеме возможна установка неуправляемых диодов, в случае если нет необходимости регулировать уровень выходного напряжения. Такая схема является базовой для всех многофазных полупроводниковых выпрямителей, и подробно описана в литературе [1, 2], включая алгоритмы управления.

На фигуре 2 показан график выходного напряжения упомянутого выше трехфазного выпрямителя, длительность графика составляет 2π (360°), то есть период питающей сети. Из графика очевидно, что за период питающей сети формируется шесть пульсаций выходного напряжения выпрямителя. Число пульсаций выпрямленного напряжения определяет его качество и является одним из параметров, характеризующих его качество.

На фигуре 3 показана принципиальная схема выпрямителя, имеющего два трехфазных моста, соединенных между собой последовательно-согласно. Напряжения трехфазных мостов суммируются, что при наличии фазового сдвига между питающими обмотками приводит к удвоению числа пульсаций выходного напряжения. Напряжения питающих трехфазных обмоток задают равными между собой, для получения симметричных пульсаций в режиме с естественной коммутацией. Таким образом, отличительный признак уровня техники - использование фазового сдвига питающих напряжений в каналах выпрямления, и равная их пропорция (уровень). Представленная на фигуре 3 принципиальная схема используется в способе выпрямления, выбранном за основной прототип, однако путем особой последовательности действий (то есть алгоритма коммутации ключей) реализовано получение 12-ти пульсаций выпрямленного напряжения без использования фазового сдвига питающих обмоток. Главное достоинство основного прототипа - отказ в реализующем его устройстве от обмоток типа треугольник и зигзаг, что позволяет снизить массу и габариты. Однако, для получения симметричных пульсаций, а таким образом, и наименьшего коэффициента пульсаций - используется сложная пропорция питающих напряжений, что может быть не очень удобно при ее реализации на основе трансформатора.

На фигуре 4 показаны графики напряжений в основном прототипе [3]. Здесь 1 - это напряжение основного канала с большим числом витков, 2 -напряжение дополнительного канала с меньшим числом витков. Выходные напряжения обоих каналов суммируются между собой, причем полярность напряжений совпадает. Это обеспечивает формирование напряжения с 12-ю пульсациями на выходе схемы. Данный способ выпрямления может быть реализован на основе классической схемы с последовательным соединением каналов (мостов), как это показано на фигуре 3-й отличается от известных ранее алгоритмов управления выпрямителем. То есть технический эффект основного прототипа достигается именно последовательностью действий - а не устройством, его реализующим.

На фигуре 5 показаны графики напряжения в предлагаемом решении. Здесь 1 - это напряжение основного канала с большим числом витков, 2 - напряжение дополнительного канала с меньшим числом витков, 3 - общее напряжение двух каналов. Из графиков видно основной отличительный признак предлагаемого решения - формирование напряжения отрицательной полярности в дополнительном канале, то есть его вычитание из выходного напряжения основного канала. В результате, напряжение дополнительного канала не имеет постоянной составляющей и взаимодействует с пульсациями напряжения основного канала, приводя не только к снижению их амплитуды, но и увеличению числа пульсаций выходного напряжения выпрямителя.

Как это видно на фигуре 5, напряжение дополнительного канала не содержит постоянной составляющей, и совпадает по фазе с пульсациями в основном канале - но имеет противоположную полярность. Таким образом, максимуму пульсации основного канала соответствует максимум пульсации дополнительного канала, имеющего другую полярность.

Происходит компенсация размаха пульсаций выходного напряжения предлагаемого решения, что более эффективно, чем сложение пульсаций. Симметрия (равенство) пульсаций выходного напряжения обеспечивается при определенной пропорции двух каналов, которая равна 4 к 1. Большее напряжение соответствует основному каналу, меньшее напряжение соответствует дополнительному каналу.

Как известно из литературы [2, 3], в трехфазной сети точки перехода полуволн напряжения повторяются через 60 электрических градусов, таким образом, такие точки являются моментами отсчета фазовых сдвигов для периодов коммутации любого алгоритма преобразования [2]. Это используют при описании алгоритмов, а также в узлах синхронизации устройств их реализующих. Из литературы известно, что все фазы имеют симметричный сдвиг, поэтому полуволны напряжений чередуются в последовательности следования фаз, причем спадающий фронт полуволны сменяет восходящий. Это означает, что принципиально возможно создание любого алгоритма коммутации трехфазного напряжения, когда переключения происходят в точках пересечения полуволн между собой (т.е. равенства их напряжений), называемых точками естественной коммутации - восходящие и спадающие фрагменты напряжений при этом будут чередоваться [1, 2]. Как это видно из фигуры 5, период между коммутациями в дополнительном канале составляет 30 электрических градусов, при нулевом фазовом сдвиге относительно точек равенства нулю напряжений полуволн отрицательной полярности.

В таблице 1 представлена последовательность управления основного и дополнительно каналов в предлагаемом решении. Из таблицы видно, что период между коммутациями основного канала составляет 60 электрических градусов (π/3), период между коммутациями в дополнительном канале равен 30 электрическим градусам (π/6).

Автор считает, что наиболее подходящими для реализующего данный способ выпрямления устройства являются полностью управляемые ключи, которые могут и открываться и закрываться независимо по сигналам системы управления. К таким ключам относятся полностью управляемые тиристоры типа GTO и IGCT. Полярность включения выхода мостов двух каналов является согласной, что необходимо, поскольку ток в нагрузку протекает только в положительной полярности - определяемой полярностью основного канала. Отрицательное напряжение дополнительного канала вычитается при этом из напряжения основного канала, однако ключи в дополнительном канале останутся открытыми, так как направление протекания тока будет совпадать с полярностью их включения - а напряжение дополнительного канала много меньше, чем в основном.

Отличие предлагаемого способа преобразования частоты от прототипа заключается в использовании компенсации переменной составляющей пульсаций напряжения основного канала - напряжением противоположной полярности дополнительного канала, в котором отсутствует постоянная составляющая. Таким образом, напряжение дополнительного канала не имеет уровня постоянной составляющей, и взаимодействует только с переменной составляющей выходного напряжения основного канала, уменьшая ее. Такое решение применяется впервые в преобразовательной технике, и кардинально отличает предлагаемый способ выпрямления напряжения от всех прочих. Для обеспечения симметричности пульсаций выходного напряжения двухканального выпрямителя используют особую пропорцию питающих напряжений основного и дополнительного канала, составляющую 4 к 1 соответственно. Все это в результате и обеспечивает выходное постоянное напряжение с двенадцатью пульсациями.

Заявляемый способ является новым решением, имеющим следующие принципиальные отличия от прототипа:

- задают длительность периодов коммутации в дополнительном канале равной 30 электрическим градусам при фазовом сдвиге фрагментов, равном 0 электрических градусов для восходящих фронтов, и 30 электрических градусов для нисходящих фронтов, отсчитываемом от моментов равенства нулю полуволн в фазах;

- восходящие и нисходящие фронты отрицательных полуволн в дополнительном канале чередуются;

- задают соотношение напряжений основного и дополнительного каналов в пропорции 4 к 1 соответственно.

Таким образом, совокупность существенных признаков изобретения приводит к новому техническому результату - уменьшению числа витков питающей обмотки и снижению уровней коммутационных выбросов.

Данное решение является новым, и вся совокупность отличительных признаков ранее неизвестна из уровня техники.

Краткое описание чертежей. На фигуре 1 изображена принципиальная схема трехфазного выпрямителя. На фигуре 2 изображен график выходного напряжения трехфазного выпрямителя. На фигуре 3 изображена принципиальная схема двухканального выпрямителя. На фигуре 4 изображены графики напряжений основного прототипа. Здесь 1 - напряжение основного канала, 2 - напряжение дополнительного канала, 3 - выходное напряжение двухканального выпрямителя. На фигуре 5 изображены графики напряжений предлагаемого решения. Здесь 1 - напряжение основного канала, 2 - напряжение дополнительного канала, 3 -выходное напряжение двухканального выпрямителя.

Список использованной литературы.

1. Карташов Р.П., А.К. Кулиш, Э.М. Чехет Тиристорные преобразователи частоты с искусственной коммутацией. / Киев: ТЕХНИКА, 1979. - стр. 152.

2. Дмитриев Б.Ф., Рябенький В.М., Черевко А.И., Музыка М.М. Судовые полупроводниковые преобразователи: учебник. - Архангельск: Изд-во САФУ, 2015. - 556 с.

3. Коптяев Е.Н., Балашевич В.М., Абрамов С.С. Выпрямитель с "боковыми" пульсациями для вставок постоянного тока. // Электричество. - 2017. - №7. - с. 55-59.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к области преобразовательной техники, и может быть использовано для питания промышленных потребителей и линий электропередач постоянного тока выпрямленным напряжением с двенадцатью пульсациями. Технический результат заключается в формировании выпрямленного напряжения на выходе с малым коэффициентом пульсаций при снижении числа витков питающей трехфазной обмотки относительно основного прототипа и снижении уровня коммутационных выбросов. Частота пульсаций напряжения на выходе выпрямителя составляет 12 за период питающей сети и достигается при отсутствии фазового сдвига между питающими вторичными обмотками трехфазного трансформатора при пропорции числа витков питающих вторичных обмоток основного и дополнительного каналов в пропорции 4 к 1 соответственно. При этом нет необходимости использовать обмотки по схеме треугольник или зигзаг, имеющих большее число витков, чем по схеме звезда, что обеспечивает снижение расхода активных материалов трансформатора. В способе двухканального выпрямления напряжения половина силовых вентилей может быть неуправляемыми диодами (трехфазный мост основного канала), другая половина должна быть управляемыми ключами. В случае если не требуется регулирования выходного напряжения, возможно использование в дополнительном канале обычных тиристоров, подавая сигнал на их открытие с некоторым опережением. Поскольку число витков в питающей обмотке дополнительного канала меньше в четыре раза, а основной канала может быть выполнен на диодах с естественной коммутацией токов, способ обеспечивает хорошую электромагнитную совместимость устройства с питающей сетью и низкий уровень искажений. Принципиальным отличием способа является компенсация переменной составляющей в пульсациях основного канала пульсациями дополнительного канала отрицательной полярности, не имеющих постоянной составляющей напряжения. 5 ил., 1 табл.

Способ выпрямления напряжения, основанный на питании каждого из двух каналов от трехфазных источников напряжения, далее коммутировании питающих напряжений, длительность периодов коммутации в основном канале задают равной 60 электрическим градусам при фазовом сдвиге относительно начала полуволн в фазах, равном 60 электрическим градусам, суммировании выходных напряжений каналов, отличающийся тем, что задают длительность периодов коммутации в дополнительном канале равной 30 электрическим градусам при фазовом сдвиге, равном 0 электрических градусов относительно моментов равенства нулю отрицательных полуволн в фазах для восходящих полуволн и равном 30 электрических градусов для нисходящих фронтов, при чередовании восходящих и нисходящих фронтов задают соотношение напряжений основного и дополнительного каналов в пропорции 4 к 1 при отрицательной полярности дополнительного канала.