РЕГУЛИРУЕМЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2021 года по МПК H02M7/219 

Группа изобретений относится к области электротехники и силовой электроники, в частности к статическим выпрямителям напряжения, которые позволяют осуществлять регулирование выходного напряжения в широком диапазоне. Отличительной особенностью изобретений является возможность осуществлять регулирование напряжения как ниже, так и выше относительно уровня напряжения, определяемого уровнем напряжения неуправляемого выпрямителя. Предложенные устройства могут быть использованы в составе двухзвенного преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока.

Известна схема трехфазного управляемого двухполупериодного выпрямителя напряжения (патент US 4797802, Multiple phase rectifier with active filter for removing noise in triggering signals and digital phase shift compensator for phase shifting signal passed through, класс Н02M1/084, опубл. 10.01.1989 г.) содержащего шесть полууправляемых полупроводниковых элементов – тиристоров, включенных по схеме Ларионова (см. А.с. СССР № 50, опубл. 15.09.1924). Недостатком известной схемы является возможность регулирования напряжения звена постоянного тока только вниз относительно напряжения определяемого схемой неуправляемого выпрямителя напряжения, а также искажения формы напряжения питающей сети. К недостаткам известного выпрямителя также можно отнести генерацию выпрямителем в питающую сеть коммутационных помех, вызванных работой тиристоров.

Известна схема активного выпрямителя напряжения (патент US 20120300519 (A1), класс H02M7/217, 29.11.2012, Multi-phase active rectifier, авторы James H. Clemmons, Nicholas Wlaznik), содержащая дроссели, включенные между источником переменного напряжения и входными выводами выпрямителя напряжения, и конденсатор, подключенный к выходу выпрямителя напряжения. Причем выпрямитель напряжения выполнен на шести транзисторах, каждому из которых антипараллельно подключен диод, и собран по схеме Ларионова. Достоинством известной схемы является возможность регулирования напряжения звена постоянного тока вверх относительно напряжения, определяемого схемой неуправляемого выпрямителя напряжения. К достоинствам известной схемы также следует отнести возможность рекуперации энергии со стороны постоянного тока в питающую сеть, а также потребление из сети практически синусоидального тока и отсутствие искажении напряжения питающей сети при использовании соответствующих алгоритмов управления. Недостатками выпрямителя являются наличие габаритных дросселей, установленных на входе выпрямителя, а также наличие большого количества полупроводниковых элементов и более сложная система управления таким выпрямителем напряжения.

Известна схема активного выпрямителя напряжения (патент RU 2540110 (C2), МПК H02M5/42, опубл. 23.04.2013), содержащая дроссели, включенные между источником переменного напряжения и входными выводами выпрямителя напряжения, двухуровневый инвертор напряжения и конденсатор, подключенные на выход выпрямителя напряжения. Причем выпрямитель напряжения выполнен на шести одинаковых полупроводниковых цепочках, собранных по схеме Ларионова. Каждая из полупроводниковых цепочек содержит транзистор и последовательно встречно включенный тиристор, причем параллельно каждому из этих элементов включен антипараллельный диод. Достоинством такой схемы является возможность регулирования напряжения звена постоянного тока как вверх, так и вниз относительно напряжения определяемого схемой неуправляемого выпрямителя напряжения. К недостаткам известной схемы относится наличие большого количества полупроводниковых элементов схемы, половина, из которых является управляемыми а, следовательно, более сложная аппаратная часть системы управления и более сложные алгоритмы управления таким выпрямителем напряжения (преобразователем частоты).

Наиболее близким по технической сущности к заявленным изобретениям является схема повышающего выпрямителя напряжения (патент FR2921211 (A1), МПК H02M7/217, опубл. 20.03.2009, Systeme de redressement actif ameliore a correction du facteur de puissance, автор Baker Donal), содержащая входной фильтр из трех конденсаторов, соединенных звездой и подключенных к сетевым выводам питающей сети, содержащей нулевой провод, и трех дросселей, установленных последовательно между фазными выводами питающей сети и входами выпрямителя напряжения. Выпрямитель напряжения собран на восемнадцати диодах, трех транзисторах и двух конденсаторах звена постоянного тока, соединенных последовательно, общая точка которых подключена к нулевому выводу питающей сети. Достоинством такого повышающего выпрямителя напряжения является получение двух уровней напряжения звена постоянного тока и наличие всего трех полностью управляемых силовых ключей – транзисторов и, как следствие, более простая система управления. Недостатком прототипа является возможность регулирования уровня напряжения только вверх относительно уровня напряжения, определяемого схемой неуправляемого выпрямителя. Кроме того для работы повышающего выпрямителя напряжения необходимо наличие нулевого вывода питающей сети. К недостаткам известного устройства следует отнести большое число диодов, большие потери энергии вследствие большого числа одновременно работающих полупроводниковых ключей (диодов и транзисторов).

Задачей предлагаемых изобретений является реализация регулируемого выпрямителя напряжения с использованием меньшего количества полупроводниковых элементов, с возможностью осуществлять регулирование выпрямленного напряжения как ниже, так и выше относительно уровня напряжения определяемого уровнем напряжения неуправляемого выпрямителя, а также повышение К.П.Д. такого выпрямителя за счет сокращения числа полупроводниковых элементов, обтекаемых током в каждый момент времени. Отличительной особенностью устройств является простота схемной реализации при сохранении тех же функциональных возможностей, присущих множеству существующих схем регулируемых выпрямителей напряжения. Предложенные схемы регулируемого выпрямителя напряжения позволят сократить тепловыделения в силовой части устройства за счет сокращения числа одновременно работающих полупроводниковых элементов. Кроме того изобретения также позволят увеличить надежность, эффективность и улучшить эксплуатационные характеристики выпрямителя. При необходимости получения трех уровней напряжения в звене постоянного тока устройство может быть дополнительно снабжено конденсатором, и возможностью питания от источника напряжения, содержащего рабочий нулевой провод. При этом организуется два взаимосвязанных многофазных однополупериодных выпрямителя с емкостными фильтрами, установленными на выходе выпрямителей напряжения. При этом нулевой рабочий провод подключен к общей точке конденсаторов двух многофазных однополупериодных выпрямителей.

Для достижения технического результата по первому варианту используется следующая совокупность существенных признаков: в регулируемом выпрямителе напряжения, состоящем так же, как и прототип, из источника многофазного переменного напряжения, системы управления, дросселей, число которых равно числу фаз источника многофазного переменного напряжения, выпрямителя напряжения, транзистора и конденсатора, при этом дроссели включены между выводами источника многофазного переменного напряжения и входом выпрямителя напряжения, минусовой вывод выпрямителя напряжения соединен с отрицательной обкладкой конденсатора и минусовым выводом регулируемого выпрямителя напряжения, а плюсовой вывод выпрямителя напряжения соединен с плюсовым выводом регулируемого выпрямителя напряжения в отличие от прототипа, выпрямитель напряжения выполнен управляемым на тиристорах по схеме многофазного двухполупериодного моста, с образованием многофазного двухполупериодного выпрямителя напряжения, плюсовой вывод которого соединен с положительной обкладкой конденсатора, причем регулируемый выпрямитель напряжения дополнительно содержит датчик напряжения и дополнительный многофазный двухполупериодный выпрямитель напряжения, собранный на диодах, причем входы дополнительного многофазного двухполупериодного выпрямителя напряжения соединены с одноименными входами основного многофазного двухполупериодного выпрямителя напряжения, а к плюсовому выводу дополнительного многофазного двухполупериодного выпрямителя напряжения подключен коллектор транзистора, эмиттер которого подключен к минусовому выводу дополнительного многофазного двухполупериодного выпрямителя напряжения, в свою очередь управляющие выводы тиристоров выпрямителя напряжения и управляющий вывод транзистора подключены к системе управления, датчик напряжения своими измерительными входами подключен к фазам источника многофазного переменного напряжения, а информационные выходы датчика напряжения подключены к системе управления.

По второму варианту поставленная задача решается благодаря тому, что в регулируемом выпрямителе напряжения, состоящем из источника многофазного переменного напряжения который содержит рабочий нулевой вывод, системы управления, дросселей, число которых равно числу фаз источника многофазного переменного напряжения, выпрямителя напряжения, транзистора и двух конденсаторов, дроссели включены между фазными выводами источника многофазного переменного напряжения и входом выпрямителя напряжения, плюсовой вывод выпрямителя напряжения соединен с положительной обкладкой первого конденсатора и плюсовым выводом регулируемого выпрямителя напряжения, минусовой вывод выпрямителя напряжения соединен с отрицательной обкладкой второго конденсатора и минусовым выводом регулируемого выпрямителя напряжения, отрицательная обкладка первого конденсатора соединена с положительной обкладкой второго конденсатора и с нулевым выводом источника многофазного переменного напряжения и выходной нулевой точкой регулируемого выпрямителя напряжения в отличие от прототипа, выпрямитель напряжения выполнен управляемым на тиристорах по схеме многофазного двухполупериодного моста, с образованием многофазного двухполупериодного выпрямителя напряжения, причем регулируемый выпрямитель напряжения дополнительно содержит датчик напряжения и дополнительный многофазный двухполупериодный выпрямитель напряжения собранный на диодах, причем входы дополнительного многофазного двухполупериодного выпрямителя напряжения соединены с одноименными входами основного многофазного двухполупериодного выпрямителя напряжения, а к плюсовому выводу дополнительного многофазного двухполупериодного выпрямителя напряжения подключен коллектор транзистора, эмиттер которого подключен к минусовому выводу дополнительного многофазного двухполупериодного выпрямителя напряжения, управляющие выводы тиристоров выпрямителя напряжения и управляющий вывод транзистора подключены к системе управления, датчик напряжения своими измерительными входами подключен к фазам источника многофазного переменного напряжения, а информационные выходы датчика напряжения подключены к системе управления.

Сущность изобретения заключается в том, что для регулирования напряжения от нуля до уровня напряжения определяемого уровнем напряжения неуправляемого выпрямителя используется выпрямитель напряжения собранный на тиристорах которые с помощью фазового управления осуществляют регулирование напряжение на выходе регулируемого выпрямителя напряжения. При этом дроссели осуществляют сглаживание токов потребляемых регулируемым выпрямителем напряжения из питающей сети. Для регулирования напряжения на выходе регулируемого выпрямителя напряжения выше уровня напряжения определяемого уровнем напряжения неуправляемого выпрямителя используется выпрямитель напряжения собранный на диодах и коммутатор, выполненный на транзисторе. При этом выпрямитель напряжения собранный на тиристорах работает в режиме неуправляемого выпрямителя напряжения. Регулирование напряжения на выходе регулируемого выпрямителя напряжения осуществляется регулированием скважности работы транзистора коммутатора. В момент, когда транзистор коммутатора находится в замкнутом состоянии, напряжение на дросселях нарастает, и они накапливают энергию. В момент, когда транзистор коммутатора находится в разомкнутом состоянии, напряжение питающей сети складывается с накопленным напряжением на дросселе и через управляемый выпрямитель напряжения, работающий в режиме неуправляемого, прикладывается к конденсатору емкостного фильтра.

Сопоставление предлагаемых изобретений и прототипа показало, что поставленная задача - возможность осуществления регулирования выпрямленного напряжения как ниже, так и выше относительно уровня напряжения, определяемого уровнем напряжения неуправляемого выпрямителя - решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемых изобретений критерию патентоспособности «новизна».

В свою очередь, проведенный информационный поиск в области электротехники не выявил отдельных отличительных признаков заявляемых изобретений, что позволяет сделать вывод об их соответствии критерию «изобретательский уровень».

Сущность изобретений поясняется чертежами, где:

На Фиг.1 – представлена схема многофазного двухуровневого регулируемого выпрямителя напряжения,

на Фиг.2 – схема многофазного трехуровневого регулируемого выпрямителя напряжения,

на Фиг.3 – схема двухзвенного двухуровневого преобразователя частоты построенного на основе многофазного двухуровневого регулируемого выпрямителя напряжения,

на Фиг.4 – схема трехуровневого преобразователя частоты построенного на основе многофазного трехуровневого регулируемого выпрямителя напряжения с трехуровневым инвертором напряжения с отсекающими диодами,

на Фиг.5 –схема трехуровневого преобразователя частоты построенного на основе многофазного трехуровневого регулируемого выпрямителя напряжения с мостовым Т – образным трехуровневым инвертором напряжения,

на Фиг.6 – схема многофазного двухуровневого регулируемого выпрямителя напряжения, выполненного на полууправляемом выпрямителе с катодной группой соединения тиристоров и анодной группой соединения диодов,

на Фиг. 7 – схема многофазного двухуровневого регулируемого выпрямителя напряжения, выполненного на полууправляемом выпрямителе с анодной группой соединения тиристоров и катодной группой соединения диодов.

Двухуровневый регулируемый выпрямитель напряжения (Фиг.1) состоит из источника многофазного переменного напряжения 1, системы управления 2, дросселей 3-1÷3-n, число которых равно числу фаз источника многофазного переменного напряжения 1, выпрямителя напряжения 4, транзистора 5 и конденсатора 6. Дроссели 3-1÷3-n включены между выводами источника многофазного переменного напряжения 1 и входом выпрямителя напряжения 4. Минусовой вывод выпрямителя напряжения 4 соединен с отрицательной обкладкой конденсатора 6 и минусовым выводом 7 регулируемого выпрямителя напряжения. Плюсовой вывод выпрямителя напряжения 4 соединен с плюсовым выводом 8 регулируемого выпрямителя напряжения. Выпрямитель напряжения 4 выполнен управляемым на тиристорах 9-1÷9-(2·n) по схеме многофазного двухполупериодного моста. Плюсовой вывод выпрямителя напряжения 4 соединен с положительной обкладкой конденсатора 6. Регулируемый выпрямитель напряжения дополнительно содержит датчик напряжения 10 и дополнительный многофазный двухполупериодный выпрямитель напряжения 11 собранный на диодах. Входы дополнительного многофазного двухполупериодного выпрямителя напряжения 11 соединены с одноименными входами основного многофазного двухполупериодного выпрямителя напряжения 4. К плюсовому выводу дополнительного многофазного двухполупериодного выпрямителя напряжения 11 подключен коллектор транзистора 5, эмиттер которого подключен к минусовому выводу дополнительного многофазного двухполупериодного выпрямителя напряжения 11. Управляющие выводы тиристоров 9-1÷9-(2⋅n) выпрямителя напряжения 4 и управляющий вывод транзистора 5 подключены к системе управления 2. Датчик напряжения 10 своими измерительными входами подключен к фазам источника многофазного переменного напряжения 1. Информационные выходы датчика напряжения 10 подключены к системе управления 2.

Трехуровневый регулируемый выпрямитель напряжения (Фиг.2) состоит из источника многофазного переменного напряжения 1 который содержит рабочий нулевой вывод, системы управления 2, дросселей 3-1÷3-n, число которых равно числу фаз источника многофазного переменного напряжения 1, выпрямителя напряжения 4, транзистора 5 и двух конденсаторов 6, 12. Дроссели 3-1÷3-n включены между фазными выводами источника многофазного переменного напряжения 1 и входом выпрямителя напряжения 4. Плюсовой вывод выпрямителя напряжения 4 соединен с положительной обкладкой первого конденсатора 6 и плюсовым выводом 8 регулируемого выпрямителя напряжения. Минусовой вывод выпрямителя напряжения 4 соединен с отрицательной обкладкой второго конденсатора 12 и минусовым выводом 7 регулируемого выпрямителя напряжения. Отрицательная обкладка первого конденсатора 6 соединена с положительной обкладкой второго конденсатора 12 и с нулевым выводом источника многофазного переменного напряжения 1 и выходной нулевой точкой 13 регулируемого выпрямителя напряжения. Выпрямитель напряжения 4 выполнен управляемым на тиристорах 9-1÷9-(2⋅n) по схеме многофазного двухполупериодного моста. Причем регулируемый выпрямитель напряжения дополнительно содержит датчик напряжения 10 и дополнительный многофазный двухполупериодный выпрямитель напряжения 11 собранный на диодах. Входы дополнительного многофазного двухполупериодного выпрямителя напряжения 11 соединены с одноименными входами основного многофазного двухполупериодного выпрямителя напряжения 4. К плюсовому выводу дополнительного многофазного двухполупериодного выпрямителя напряжения 11 подключен коллектор транзистора 5, эмиттер которого подключен к минусовому выводу дополнительного многофазного двухполупериодного выпрямителя напряжения 11. Управляющие выводы тиристоров 9-1÷9-(2⋅n) выпрямителя напряжения 4 и управляющий вывод транзистора 5 подключены к системе управления 2. Датчик напряжения 10 своими измерительными входами подключен к фазам источника многофазного переменного напряжения 1, а информационные выходы датчика напряжения 10 подключены к системе управления 2.

Регулируемый выпрямитель напряжения может работать в двух режимах: в режиме понижающего выпрямителя напряжения относительно уровня напряжения, определяемого уровнем напряжения схемы неуправляемого выпрямителя и в режиме повышающего выпрямителя напряжения относительно уровня напряжения определяемого уровнем напряжения схемы неуправляемого выпрямителя.

Ниже описывается работа регулируемого выпрямителя напряжения в каждом из двух возможных режимов работы.

Работа двухуровневого регулируемого выпрямителя напряжения (Фиг.1) в режиме понижающего выпрямителя напряжения, осуществляющего регулирование или стабилизацию выходного напряжения на уровне напряжения в диапазоне от нуля до уровня напряжения, определяемого уровнем напряжения схемы неуправляемого выпрямителя напряжения, происходит следующим образом.

При наличии напряжения на фазах источника многофазного переменного напряжения 1 регулируемого выпрямителя напряжения 1 с использованием информации от датчика напряжения 10 с помощью системы управления 2 осуществляется управление тиристорами 9-1÷9-(2⋅n) по алгоритму импульсно-фазового управления. Осуществляя регулирование угла фазового управления тиристорами 9-1÷9-(2⋅n) полупроводникового выпрямителя 4, возможно осуществлять регулирование среднего значения напряжения между минусовым 7 и плюсовым 8 выводами выпрямителя напряжения. При этом в регулируемом выпрямителе напряжения может быть обеспечено плавное нарастание выходного напряжения на заданный уровень. Система управления 2 с использованием информации от датчика напряжения 10 осуществляет плавное открытие тиристоров 9-1÷9-(2·n), изменяя угол фазового управления от максимального значения электрических градусов до значения, которое определяет требуемый уровень выходного напряжения регулируемого выпрямителя напряжения. При этом происходит ограничение тока заряда конденсатора 6 и его плавный заряд. В этом режиме работы регулируемого выпрямителя напряжения транзистор 5 находится в закрытом состоянии, а дроссели 3-1÷3-n осуществляют сглаживание тока потребляемого выпрямителем напряжения от источника многофазного переменного напряжения 1. При этом дополнительный выпрямитель напряжения 11 работает в этом режиме без нагрузки, вхолостую. Конденсатор 6 осуществляет сглаживание пульсации выпрямленного напряжения, выполняя роль емкостного фильтра.

Работа регулируемого выпрямителя напряжения (Фиг.1) в режиме повышающего выпрямителя напряжения осуществляющего регулирование или стабилизацию выходного напряжения на уровне напряжения выше уровня напряжения, определяемого уровнем напряжения неуправляемого выпрямителя напряжения, происходит следующим образом.

Система управления 2 с использованием информации от датчика напряжения 10 осуществляет плавное открытие тиристоров 9-1÷9-(2⋅n) изменяя угол фазового управления от максимального значения электрических градусов до нуля. При этом происходит плавный заряд конденсатора 6, тем самым происходит ограничение тока заряда конденсатора 6. При угле фазового управления тиристорами 9-1÷9-(2⋅n) полупроводникового выпрямителя 4 равным нулю, между плюсовым 8 и минусовым 7 выводам выпрямителя напряжения образуется напряжение, определяемое уровнем напряжения схемы неуправляемого выпрямителя за минусом падения напряжения на дросселях 3-1÷3-n и тиристорах 9-1÷9-(2⋅n). Тиристоры 9-1÷9-(2⋅n) находятся в полностью открытом состоянии и коммутируются при естественном угле коммутации (работают как выпрямительные диоды). При этом конденсатор 6 осуществляет сглаживание пульсации выпрямленного напряжения, выполняя роль фильтра. При необходимости повышения напряжения на выходе выпрямителя напряжения система управления 2 выполняет управление транзистором 5, подключенного к плюсовому и минусовому выводам дополнительного многофазного двухполупериодного выпрямителя напряжения 11 по закону широтно-импульсной модуляции (ШИМ). При этом транзистор 5 работает исключительно в ключевом режиме работы. При включении транзистора 5 происходит нарастание тока, протекающего через дроссели 3-1÷3-n, при этом они накапливают энергию, а напряжение на дросселях 3-1÷3-n определяется согласно закону где L – индуктивность дросселя, i_L – ток, протекающий через дроссель. При отключении транзистора 5 энергия, накопленная в дросселях 3-1÷3-n, передается через выпрямитель напряжения 4 на заряд конденсатора 6 и на нагрузку, подключенную к плюсовому 8 и минусовому 7 выводам регулируемого выпрямителя напряжения. При этом напряжение на выходе регулируемого выпрямителя напряжения определяется уровнем напряжения источника многофазного переменного напряжения 1 и падением напряжения на дросселях 3-1÷3-n, , а также коэффициентом схемы выпрямителя напряжения 4. Дополнительный многофазный двухполупериодный выпрямитель напряжения 11 организует выпрямление зарядного тока дросселей 3-1÷3-n для коммутации его однонаправленным ключом - транзистором 5. Для исключения возникновения коммутационных перенапряжении на транзисторе 5, вызванных его коммутацией, дополнительный многофазный двухполупериодный выпрямитель напряжения 11 и транзистор 5 должны быть конструктивно расположены, как можно ближе к дросселям 3-1÷3-n. Изменяя величину скважности (отношения времени включенного состояния транзистора к периоду модуляции) работы транзистора при фиксированной частоте ШИМ, можно осуществлять регулирование напряжения на дросселях 3-1÷3-n, а соответственно осуществлять регулирование напряжения между плюсовым 8 и минусовым 7 выводами регулируемого выпрямителя напряжения. Дроссели 3-1÷3-n кроме функции накопителя энергии осуществляют сглаживание тока потребляемого регулируемым выпрямителем напряжения из сети. На Фиг.3 представлен вариант схемы двухзвенного двухуровнего преобразователя частоты, построенного на основе многофазного двухуровневого регулируемого выпрямителя напряжения на выход, которого подключен трехфазный двухуровневый инвертор напряжения 14. При этом инвертор напряжения 14 может быть выполнен с любым количеством выходных фаз. Такое схемное решение позволяет регулировать напряжение питания инвертора напряжения 14 для получения требуемого уровня напряжения на выходе двухзвенного преобразователя частоты.

На Фиг. 2 изображен вариант схемы регулируемого выпрямителя напряжения, позволяющего получать три уровня напряжения на своем выходе. При этом схема содержит источник многофазного переменного напряжения 1 с нулевым выводом, подключенным к общей точке конденсаторов 6, 12. Работа регулируемого выпрямителя напряжения изображенного на Фиг. 2 происходит аналогичным образом как и схема регулируемого выпрямителя напряжения изображенного на Фиг. 1 за исключением того что с использованием нулевого вывода источника многофазного переменного напряжения 1 и дополнительного конденсатора 12 регулируемый выпрямитель напряжения способен выдавать два независимых уровня напряжения: между плюсовым 8 и нулевым 13 выходными выводами, а так же между минусовым 7 и нулевым 13 выходными выводами, а также один зависимый уровень напряжения между минусовым 7 и между плюсовым 8 выводами. Напряжения на выводах плюсовом 8 относительно нулевого 13 выводах и на выводах минусовом 7 относительно нулевого 13 регулируемого выпрямителя напряжения образуются искусственно реализованными однополупериодными многофазными выпрямителями, собранными на тиристорах 9-1 ÷ 9-n и 9-(n+1) ÷ 9-(2⋅n) выпрямителя напряжения 4 соответственно. При этом выпрямитель, собранный на тиристорах 9-1 ÷ 9-n образует катодную группу выпрямления, а выпрямитель, собранный на тиристорах 9-(n+1) ÷ 9-(2⋅n) образует анодную группу выпрямления выходных напряжении между выводами плюсовым 8 и нулевым 13 и между минусовым 7 и нулевым 13 выводами регулируемого выпрямителя напряжения соответственно. При этом конденсаторы 7, 12 осуществляют сглаживание пульсации выпрямленного напряжения, выполняя роль фильтров. Отличительной особенностью схемы регулируемого выпрямителя напряжения изображенного на Фиг.2 является то, что можно осуществлять независимое регулирование напряжений первого и второго уровня как выше, так и ниже уровня напряжения определяемого неуправляемым выпрямителем.

На Фиг.4 представлен вариант схемы двухзвенного трехуровневого преобразователя частоты, построенного на основе многофазного трехуровневого регулируемого выпрямителя напряжения на выход, которого подключен трехфазный трехуровневый инвертор напряжения 15 выполненный по схеме трехуровневого инвертора напряжения с отсекающими диодами. На Фиг.5 представлен вариант схемы двухзвенного трехуровневого преобразователя частоты построенного на основе многофазного трехуровневого регулируемого выпрямителя напряжения на выход, которого подключен трехфазный трехуровневый инвертор напряжения 16 выполненный по мостовой схеме с Т-образным трехуровневым инвертором напряжения. При этом инверторы напряжения 15 и 16 могут быть выполнены с любым количеством выходных фаз. Такое схемное решение позволяет регулировать напряжение питания инверторов напряжения 15 (Фиг.5) и 16 (Фиг.6) для получения требуемого уровня напряжения на выходе двухзвенного преобразователя частоты.

Предложенная схема регулируемого выпрямителя напряжения (Фиг.1, Фиг.2) отличается простой структурой силовой части. При этом предложенный вариант схемы (Фиг.2) позволяет получать три различных уровня напряжения (два независимых и один зависимый) на выходе регулируемого выпрямителя напряжения. Достоинством схемы является возможность регулирования напряжения как вниз, так и вверх относительно напряжения определяемого уровнем напряжения неуправляемого выпрямителя. Кроме того, предложенная схема обладает высокой степенью надежности и высоким КПД за счет снижения количества полупроводниковых элементов работающих в каждый момент времени.

На Фиг. 6 и Фиг. 7 изображены варианты схем регулируемого выпрямителя напряжения, в которых полупроводниковый выпрямитель 4 выполнен полууправляемым на тиристорах 9-1 ÷ 9-n и диодах 17-1 ÷ 17-n. При этом схема регулируемого выпрямителя напряжения изображенного на Фиг. 6 реализована на катодной группе соединения тиристоров 9-1 ÷ 9-n и анодной группе соединения диодов 17-1 ÷ 17-n выпрямителя напряжения 4. Схема регулируемого выпрямителя напряжения изображенного на Фиг. 7 реализована на анодной группе соединения тиристоров 9-1 ÷ 9-n и катодной группе соединения диодов 17-1 ÷ 17-n выпрямителя напряжения 4. Такое схемное решение позволит упростить систему управления 2 и уменьшить количество ее каналов управления управляемыми полупроводниковыми ключами. Однако при этом уменьшится диапазон регулирования выходного напряжения вниз относительно напряжения определяемого схемой неуправляемого выпрямителя. Регулирование напряжения вниз в регулируемом выпрямителе напряжения будет осуществляться в диапазоне от уровня напряжения многофазного однополупериодного выпрямителя до уровня напряжения, определяемого неуправляемым многофазным двухполупериодным выпрямителем напряжения. Схемы выпрямителей напряжения, представленные на Фиг.6 и Фиг.7 могут быть использованы в составе электрических преобразователей, в которых нет необходимости осуществлять регулирование напряжения ниже уровня напряжения определяемого многофазным однополупериодным выпрямителем напряжения. При этом схемы выпрямителей напряжения, представленные на Фиг.6 и Фиг.7 работают аналогично схеме изображенной на Фиг.1 и не требует дополнительных пояснений.

Таким образом, предлагаемая группа изобретений позволяет осуществлять регулирование напряжения на своем выходе как ниже, так и выше уровня напряжения, определяемого схемой неуправляемого выпрямителя напряжения. Кроме того предложенные изобретения позволяют уменьшить число полупроводниковых элементов силовой схемы, повысить К.П.Д., улучшить функциональные возможности, упростить систему управления, повысить надежность при работе, снизить вес, габариты и стоимость устройств. Предложенные изобретения позволяют создать схему регулируемого трехуровнего выпрямителя напряжения без использования согласующего трансформатора, которая может быть использована в составе многоуровневых двухзвенных преобразователей частоты для питания многоуровневых инверторов напряжения.

Изобретения были созданы специалистами кафедры «Электропривода и электрооборудования береговых установок» ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» и апробировано на имитационной математической модели. Полученные результаты позволяют сделать вывод о соответствии изобретений критерию «промышленная применимость».

Группа изобретений относится к области электротехники и силовой электроники, в частности к статическим электрическим преобразователям переменного напряжения в постоянное напряжение, которое может изменяться в широком диапазоне, а также может быть использовано в составе двухзвенного преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока. Устройство позволяет осуществлять регулирование выпрямленного напряжения как ниже, так и выше относительно уровня напряжения, определяемого уровнем напряжения неуправляемого выпрямителя напряжения, повысить КПД, упростить силовую схему регулируемого выпрямителя напряжения, расширить функциональные возможности, повысить надежность работы. Схема регулируемого выпрямителя напряжения содержит выпрямитель напряжения и дроссели, установленные последовательно между фазными выводами питающей сети и входами выпрямителя напряжения. Выпрямитель напряжения по первому варианту выполнен управляемым на тиристорах и содержит дополнительный многофазный двухполупериодный выпрямитель напряжения, собранный на диодах, и коммутатор, выполненный на транзисторе. По второму варианту выпрямитель напряжения выполнен управляемым на тиристорах и содержит дополнительные конденсатор, многофазный двухполупериодный выпрямитель напряжения, собранный на диодах, и коммутатор, выполненный на транзисторе, а также нулевую точку регулируемого выпрямителя напряжения, соединенную с нулевым выводом питающей сети. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.

1. Регулируемый выпрямитель напряжения, состоящий из источника многофазного переменного напряжения, системы управления, дросселей, число которых равно числу фаз источника многофазного переменного напряжения, выпрямителя напряжения, транзистора и конденсатора, дроссели включены между выводами источника многофазного переменного напряжения и входом выпрямителя напряжения, минусовой вывод выпрямителя напряжения соединен с отрицательной обкладкой конденсатора и минусовым выводом регулируемого выпрямителя напряжения, плюсовой вывод выпрямителя напряжения соединен с плюсовым выводом регулируемого выпрямителя напряжения, отличающийся тем, что выпрямитель напряжения выполнен управляемым на тиристорах по схеме многофазного двухполупериодного моста, плюсовой вывод которого соединен с положительной обкладкой конденсатора, причем регулируемый выпрямитель напряжения дополнительно содержит датчик напряжения и дополнительный многофазный двухполупериодный выпрямитель напряжения, собранный на диодах, причем входы дополнительного многофазного двухполупериодного выпрямителя напряжения соединены с одноименными входами основного многофазного двухполупериодного выпрямителя напряжения, а к плюсовому выводу дополнительного многофазного двухполупериодного выпрямителя напряжения подключен коллектор транзистора, эмиттер которого подключен к минусовому выводу дополнительного многофазного двухполупериодного выпрямителя напряжения, управляющие выводы тиристоров выпрямителя напряжения и управляющий вывод транзистора подключены к системе управления, датчик напряжения своими измерительными входами подключен к фазам источника многофазного переменного напряжения, а информационные выходы датчика напряжения подключены к системе управления.

2. Регулируемый выпрямитель напряжения, состоящий из источника многофазного переменного напряжения, который содержит рабочий нулевой вывод, системы управления, дросселей, число которых равно числу фаз источника многофазного переменного напряжения, выпрямителя напряжения, транзистора и двух конденсаторов, дроссели включены между фазными выводами источника многофазного переменного напряжения и входом выпрямителя напряжения, плюсовой вывод выпрямителя напряжения соединен с положительной обкладкой первого конденсатора и плюсовым выводом регулируемого выпрямителя напряжения, минусовой вывод выпрямителя напряжения соединен с отрицательной обкладкой второго конденсатора и минусовым выводом регулируемого выпрямителя напряжения, отрицательная обкладка первого конденсатора соединена с положительной обкладкой второго конденсатора и с нулевым выводом источника многофазного переменного напряжения и выходной нулевой точкой регулируемого выпрямителя напряжения, отличающийся тем, что выпрямитель напряжения выполнен управляемым на тиристорах по схеме многофазного двухполупериодного моста, причем регулируемый выпрямитель напряжения дополнительно содержит датчик напряжения и дополнительный многофазный двухполупериодный выпрямитель напряжения, собранный на диодах, причем входы дополнительного многофазного двухполупериодного выпрямителя напряжения соединены с одноименными входами основного многофазного двухполупериодного выпрямителя напряжения, а к плюсовому выводу дополнительного многофазного двухполупериодного выпрямителя напряжения подключен коллектор транзистора, эмиттер которого подключен к минусовому выводу дополнительного многофазного двухполупериодного выпрямителя напряжения, управляющие выводы тиристоров выпрямителя напряжения и управляющий вывод транзистора подключены к системе управления, датчик напряжения своими измерительными входами подключен к фазам источника многофазного переменного напряжения, а информационные выходы датчика напряжения подключены к системе управления.