ВЫПРЯМИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2021 года по МПК H02M7/155 

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники, в частности к статическим электрическим преобразователям переменного напряжения в постоянное напряжение. Кроме того, предложенный выпрямитель напряжения может быть использован в составе двухзвенного статического преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока. Отличительной особенностью предложения является функциональная возможность выпрямителя напряжения, позволяющего как повышать, так и уменьшать напряжение на выходе выпрямителя напряжения относительно уровня напряжения, определяемого схемой неуправляемого выпрямителя напряжения.

Известен выпрямитель напряжения (патент №50, класс 21 с, 04.04.1923, заявленное свидетельство 76382, Устройство для выпрямления многофазного тока, А.Н. Ларионов), содержащий шесть диодов собранных по трехфазной мостовой схеме (схема Ларионова). Достоинством такого выпрямителя является простота конструкции, минимум полупроводниковых приборов с естественной коммутацией, а так же высокая степень надежности. Недостатком известного устройства является отсутствие возможности регулирования напряжения на выходе выпрямителя средствами самого выпрямителя напряжения.

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 H02M 1/084, дата выдачи 10.01.1989 г.) содержащего шесть полууправляемых полупроводниковых элементов - тиристоров включенных по схеме Ларионова. Достоинством известной конструкции является возможность регулирования напряжения в звене постоянного тока вниз относительно напряжения определяемого схемой неуправляемого выпрямителя напряжения. Недостатком известной конструкции 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 (А1), класс Н02М 7/217, 29.11.2012, Multi-phase active rectitler, авторы James H. Clemmons, Nicholas Wlaznik) содержащая дроссели включенные между источником переменного напряжения и входными выводами выпрямителя напряжения и конденсатор подключенный на выход выпрямителя напряжения. Причем выпрямитель напряжения выполнен на шести транзисторах каждому из которых антипаралельно подключен диод и собранных 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. Недостатком же такою выпрямителя являются наличие габаритных дросселей установленных на входе выпрямителя, а также наличие большого количества полностью управляемых полупроводниковых элементов и сложная система управления таким выпрямителем напряжения.

Известна схема активного выпрямителя напряжения (патент RU 2540110 (C2), класс Н02М 5/42, 23.04.2013, Обратимый преобразователь частоты, авторы Гельвер А.А., Гельвер Ф.А., Хомяк В.А., Калинин И.М., Лазаревский Н.А.) содержащая дроссели, включенные между источником переменного напряжения и входными выводами выпрямителя напряжения и 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, причем половина, из которых является полностью управляемыми а, следовательно, более сложная аппаратная часть системы управления и более сложные алгоритмы управления таким выпрямителем напряжения (преобразователем частоты).

Наиболее близким по технической сущности является схема повышающего выпрямителя напряжения (патент FR 2921211 (А1), класс Н02М 7/217, 20.03.2009, Systeme de redressement actif ameliore a correction du facteur de puissance, автор Baker Donal) содержащая входной фильтр из грех 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 трех полностью управляемых силовых ключей - транзисторов и как следствие более простая система управления. Недостатком прототипа является возможность только повышать напряжение на выходе выпрямителя относительно уровня напряжения определяемого уровнем напряжения неуправляемого выпрямителя. К недостаткам известной схемы также следует отнести необходимость наличия нулевого вывода питающей сети, большое число диодов и транзисторов, большие потери энергии вследствие большого числа одновременно включенных полупроводниковых ключей (диодов и транзисторов).

Задачей предлагаемого изобретения является возможность реализации выпрямителя напряжения позволяющего как повышать, так и уменьшать напряжение на своем выходе относительно напряжения определяемого схемой неуправляемого выпрямителя напряжения. При этом используется значительно меньшее количество полупроводниковых элементов. Повышается КПД такого выпрямителя за счет сокращения числа полупроводниковых элементов обтекаемых током в каждый момент времени. К достоинствам предложенного выпрямителя напряжения следует отнести использование всего одного полностью управляемого полупроводникового элемента - транзистора для повышения напряжения на выходе выпрямителя относительно уровня напряжения определяемого схемой неуправляемого выпрямителя напряжения, и нескольких полууправляемых полупроводниковых элементов - тиристоров для уменьшения напряжения на выходе выпрями теля относительно уровня напряжения определяемого схемой неуправляемого выпрямителя напряжения. Отличительной особенностью предложения является простота схемной реализации и высокая надежность при значительном расширении функциональных возможностей. Кроме того, достоинством предложенного выпрямителя напряжения является возможность плавного заряда накопительного конденсатора установленного на выходе выпрямителя напряжения с использованием импульсно-фазового закона управления тиристорами выпрямителя напряжения.

Решение поставленной задачи позволит сократить до минимума количество полупроводниковых элементов схемы, уменьшить количество драйверов полностью управляемых полупроводниковых элементов и значительно упростить систему управления. Предложенная схема выпрямителя напряжения позволит сократить тепловыделения в силовых элементах предложенного выпрямителя напряжения, за счет сокращения числа одновременно работающих полупроводниковых приборов. При необходимости получения грех уровней напряжения в звене постоянного тока выпрямитель напряжения может быть дополнительно снабжен конденсатором, дополнительным диодом и транзистором, а также необходимо предусмотреть его питание от питающей сети, содержащей рабочий нулевой провод.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в выпрямителе напряжения, состоящим из источника многофазного переменного напряжения, системы управления, дросселей, число которых равно числу фаз источника многофазного переменного напряжения, полупроводникового выпрямителя, транзистора и конденсатора, причем дроссели включены между выводами источника многофазного переменного напряжения и входом полупроводникового выпрямителя, минусовой вывод полупроводникового выпрямителя соединен с минусовым выводом выпрямителя напряжения, а плюсовой вывод выпрямителя напряжения подключен к положительной обкладке конденсатора управляющий вывод транзистора заведен в систему управления предусмотрены следующие отличия: полупроводниковый выпрямитель собран по схеме трехфазного двухполупериодного выпрямителя на тиристорах, а выпрямитель напряжения содержит датчики сетевого напряжения и датчик тока, дополнительный диод, анод которого подключен к коллектору транзистора и через датчик тока к плюсовому выводу полупроводникового выпрямителя, катод дополнительного диода соединен с плюсовым выводом выпрямителя напряжения, эмиттер транзистора соединен с минусовым выводом выпрямителя напряжения и отрицательной обкладкой конденсатора, датчики сетевого напряжения, количество которых равно числу фаз источника многофазного переменного напряжения минус один, своими входными цепями подключены между различными входами полупроводникового выпрямителя, информационные выходы датчиков сетевого напряжения, датчика тока и управляющие электроды тиристоров полупроводникового выпрямителя подключены к системе управления.

Кроме того, выпрямитель напряжения может быть выполнен так что полупроводниковый выпрямитель собран по схеме полууправляемого на тиристорах и диодах, причем тиристоры соединены между собой катодами и образуют катодную группу полупроводникового выпрями теля, а диоды между собой соединены анодами и образуют анодную группу полупроводникового выпрямителя.

Кроме того, выпрямитель напряжения может быть выполнен так что полупроводниковый выпрямитель собран по схеме полууправляемого на тиристорах и диодах, причем тиристоры соединены между собой анодами и образуют анодную группу полупроводникового выпрямителя, а диоды между собой соединены катодами и образуют катодную группу полупроводникового выпрямителя.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в выпрямителе напряжения, состоящим из источника многофазного переменного напряжения, системы управления, дросселей, число которых равно числу фаз источника многофазного переменного напряжения, полупроводникового выпрямителя, транзисторов и двух конденсаторов, дроссели включены между выводами источника многофазного переменного напряжения и входом полупроводникового выпрямителя, два конденсатора включены согласованно последовательно, а общая точка конденсаторов подключена к нулевому выводу источника многофазного переменного напряжения и выходной нулевой точке выпрямителя напряжения, при этом плюсовой вывод конденсаторов подключен к плюсовому выводу выпрямителя напряжения, минусовой вывод конденсаторов подключен к минусовому выводу выпрямителя напряжения предусмотрены следующие отличия: полупроводниковый выпрямитель собран по схеме трехфазного двухполупериодного выпрямителя на тиристорах, а выпрямитель напряжения содержит датчики сетевого напряжения, два датчика тока, два дополнительных диода, причем анод первого дополнительного диода подключен к коллектору первого транзистора и через первый датчик тока к плюсовому выводу полупроводникового выпрямителя, катод первого дополнительного диода соединен с плюсовым выводом выпрямителя напряжения, эмиттер первого транзистора соединен с коллектором второго транзистора и с общей точкой конденсаторов, эмиттер второго транзистора соединен с катодом второго дополни тельного диода и через второй датчик тока с минусовым выводом полупроводникового выпрямителя, анод второго дополнительного диода соединен с минусовым выводом выпрямителя напряжения, датчики сетевого напряжения, количество которых равно числу фаз источника многофазного переменного напряжения, своими входными цепями подключены между каждым из входов полупроводникового выпрямителя и нулевым выводом источника многофазного переменного напряжения, информационные выходы датчиков сетевого напряжения, датчиков тока и управляющие электроды тиристоров полупроводникового выпрямителя подключены к системе управления.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На Фиг. 1 - представлена схема многофазного двухуровнего выпрямителя напряжения, полупроводниковый выпрямитель которого собран полностью управляемым на тиристорах, на Фиг. 2 - представлена схема многофазного двухуровнего выпрямителя напряжения, полупроводниковый выпрямитель которого собран полууправляемым на тиристорах катодной группы, на Фиг. 3 - представлена схема многофазного двухуровнего выпрямителя напряжения, полупроводниковый выпрямитель которого собран полууправляемым на тиристорах анодной группы, на Фиг. 4 представлена схема многофазного трехуровнего выпрямителя напряжения, полупроводниковый выпрямитель которого собран полностью управляемым на тиристорах, на Фиг. 5 - представлена схема двухзвенного двухуровнего преобразователя частоты построенного на основе многофазного выпрямителя напряжения, на Фиг. 6 - представлена схема трехуровнего преобразователя частоты построенного на основе многофазного выпрямителя напряжения с трехуровневым инвертором напряжения с отсекающими диодами, на Фиг. 7 - представлена схема трехуровнего преобразователя частоты построенного на основе многофазного выпрямителя напряжения с мостовым Т-образным трехуровневым инвертором напряжения.

Выпрямитель напряжения, схема которого представлена на Фиг. 1, содержит источник многофазного переменного напряжения 1, систему управления 2, дроссели 3-1÷3-n, число которых равно числу фаз источника многофазного переменного напряжения 1, полупроводниковый выпрямитель 4, транзистор 5 и конденсатор 6. Дроссели 3-1÷3-n включены между выводами источника многофазного переменного напряжения 1 и входом полупроводникового выпрямителя 4. Минусовой вывод полупроводникового выпрямителя 4 соединен с минусовым выводом 7 выпрямителя напряжения. Плюсовой вывод 8 выпрямителя напряжения подключен к положительной обкладке конденсатора 6. Управляющий вывод транзистора 3 заведен в систему управления 2. Полупроводниковый выпрямитель 4 собран по схеме трехфазного двухполупериодного выпрямителя на тиристорах 9-1÷9-(2⋅n). Выпрямитель напряжения содержит датчики сетевого напряжения 10-1÷10-(n-1), и датчик тока 11, дополнительный диод 12, анод которого подключен к коллектору транзистора 5 и через датчик тока 11 к плюсовому выводу полупроводникового выпрямителя 4. Катод дополнительного диода 12 соединен с плюсовым выводом 8 выпрямителя напряжения. Эмиттер транзистора 5 соединен с минусовым выводом 7 выпрямителя напряжения и отрицательной обкладкой конденсатора 6. Датчики сетевого напряжения 10-1÷10-(n-1), количество которых равно числу фаз источника многофазного переменного напряжения 1 минус один, своими входными цепями подключены между различными входами полупроводникового выпрямителя 4. Информационные выходы датчиков сетевого напряжения 10-1÷10-(n-1), датчика тока 11 и управляющие электроды тиристоров 9-1÷9-(2÷n) полупроводникового выпрямителя 4 подключены к системе управления 1.

Выпрямитель напряжения, схема которого представлена на Фиг. 2, может быть выполнен, так что полупроводниковый выпрямитель 4 собран по схеме полууправляемого на тиристорах 9-1÷9-n и диодах 13-1÷13-n. Тиристоры 9-1÷9-n соединены между собой катодами и образуют катодную группу полупроводникового выпрямителя 4, а диоды 13-1÷13-n между собой соединены анодами и образуют анодную группу полупроводникового выпрямителя 4.

Выпрямитель напряжения, схема которого представлена на Фиг. 3, может быть выполнен, так что полупроводниковый выпрямитель 4 собран по схеме полууправляемого на тиристорах 9-1÷9-n и диодах 13-1÷13-n. Тиристоры 9-1÷9-n соединены между собой анодами и образуют анодную группу полупроводникового выпрямителя 4, а диоды 13-1÷13-n между собой соединены катодами и образуют катодную группу полупроводникового выпрямителя 4.

Выпрямитель напряжения, схема которого представлена на Фиг. 4, содержит источник многофазного переменного напряжения 1, систему управления 2, дроссели 3-1÷3-n, число которых равно числу фаз источника многофазного переменного напряжения 1, полупроводниковый выпрямитель 4. транзисторы 5 и 14 и два конденсатора 6 и 13. Дроссели 3-1÷3-n включены между выводами источника многофазного переменного напряжения 1 и входом полупроводникового выпрямителя 4. Два конденсатора 6 и 15 включены согласованно последовательно, а общая точка конденсаторов 6 и 13 подключена к нулевому выводу источника многофазного переменного напряжения 1 и выходной нулевой точке 16 выпрямителя напряжения. Плюсовой вывод конденсаторов 6 и 13 подключен к плюсовому выводу 8 выпрямителя напряжения. Минусовой вывод конденсаторов 6 и 15 подключен к минусовому выводу 7 выпрямителя напряжения. Полупроводниковый выпрямитель 4 собран по схеме трехфазного двухполупериодного выпрямителя на тиристорах 9-1÷9-(2÷n). Выпрямитель напряжения содержит датчики сетевого напряжения 10-1÷10-n, два датчика тока 11 и 17, два дополнительных диода 12 и 18. Анод первого дополнительного диода 12 подключен к коллектору первого транзистора 5 и через первый датчик тока 11 к плюсовому выводу полупроводникового выпрямителя 4. Катод первого дополнительного диода 12 соединен с плюсовым выводом 8 выпрямителя напряжения. Эмиттер первого транзистора 5 соединен с коллектором второго транзистора 14 и с общей точкой конденсаторов 6 и 15. Эмиттер второго транзистора 14 соединен с катодом второго дополнительного диода 18 и через второй датчик тока 17 с минусовым выводом полупроводникового выпрямителя 4. Анод второго дополнительного диода 18 соединен с минусовым выводом 7 выпрямителя напряжения. Датчики сетевого напряжения 10-1÷10-n, количество которых равно числу фаз источника многофазного переменного напряжения 1, своими входными цепями подключены между каждым из входов полупроводникового выпрямителя 4 и нулевым выводом источника многофазного переменного напряжения 1. Информационные выходы датчиков сетевого напряжения 10-1÷10-n, датчиков тока 11 и 17 и управляющие электроды тиристоров 9-1÷9-(2÷n) полупроводникового выпрямителя 4 подключены к системе управления 2.

Работа выпрямителя напряжения происходит следующим образом. Выпрямитель напряжения может работать в двух режимах: в режиме понижающего выпрямителя напряжения или в режиме повышающего выпрямителя напряжения относительно уровня напряжения определяемого уровнем напряжения схемы неуправляемого выпрямителя. Рассмотрим работу выпрямителя напряжения в каждом из двух режимов.

Работа 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 выпрямителя напряжения, изображенного на Фиг. 1 с использованием информации от датчиков сетевого напряжения 10-1÷10-(n-1) 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 выводом: выпрямителя напряжения. При этом в выпрямителе напряжения может быть обеспечено плавное нарастание выходного напряжения на заданный уровень. Система управления 2 с использованием информации от датчиков сетевого напряжения 10-1÷10-(n-1) 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 выпрямителя напряжения. При этом происходит плавный заряд конденсатора 6 через дополнительный: диод 12, тем: самым: происходит ограничение тока заряда конденсатора 6. В этом режиме работы 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. Конденсатор 6 осуществляет сглаживание пульсации выпрямленного напряжения, выполняя роль емкостного фильтра. Датчик тока 11 с системой управления 2 контролируют значение выпрямленного тока полупроводникового выпрямителя 4 и в случае превышения током допустимого значения система управления 2 будет либо призакрывать тиристоры 9-1÷9-(2÷n) изменением угла фазового управления и ограничивая значение выпрямленного тока либо закроет их полностью.

Работа 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. При наличии напряжения на фазах источника многофазного переменного напряжения 1 выпрямителя напряжения изображенного на Фиг. 1 система управления 2 с использованием информации от датчиков сетевого напряжения 10-1÷10-(n-1) осуществляет плавное открытие тиристоров 9-1÷9-(2÷n) изменяя угол фазового управления от максимального значения электрических градусов до нуля. При этом происходит заряд конденсатора 6 через дополнительный диод 12, 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 дополнительном диоде 12. 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 3 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. Ток протекающий через транзистор 5 контролируется датчиком тока 11 и системой управления 2 которая осуществляет управление транзистором 5. Напряжение на дросселях 3-1÷3-n определяется согласно зависимости где L - индуктивность дросселя, i_L - ток протекающий через дроссель. При отключении транзистора 3 энергия, накопленная в дросселях 3-1÷3-n передается через полупроводниковый выпрямитель 4 и дополнительный диод 12 на заряд конденсатора 6 и на нагрузку, подключенную к плюсовому 8 и минусовому 7 выводам выпрямителя напряжения. При этом напряжение на выходе выпрямителя напряжения определяется уровнем: напряжения источника многофазного переменного напряжения 1 и падением напряжения на дросселях 3-1÷3-n, а так же коэффициентом схемы полупроводникового выпрямителя 4. Дополнительный диод 12 выполняет роль отсекающего, исключая закорачивание конденсатора 6 при включении транзистора 5. Изменяя величину скважности (отношения времени включенного состояния транзистора к периоду модуляции) работы транзистора 5 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 выпрямителя напряжения. Дроссели 3-1÷3-n кроме функции накопителя энергии осуществляют сглаживание тока, потребляемого выпрямителем напряжения из питающей сети.

На Фиг. 5 представлен вариант схемы двухзвенного двухуровнего преобразователя частоты построенного на основе многофазного выпрямителя напряжения на выход, которого подключен трехфазный двухуровневый инвертор напряжения 19. Следует отметить, что инвертор напряжения 19 может быть выполнен с любым количеством выходных фаз. Такое схемное решение позволяет регулировать уровень напряжения питания инвертора напряжения 19 для получения требуемого уровня напряжения на выходе двухзвенного преобразователя частоты.

Предложенная схема (Фиг. 1, Фиг. 5) отличается простой структурой силовой части и содержит всего лишь один полностью управляемый полупроводниковый элемент - транзистор 5, и несколько низкочастотных полууправляемых ключей - тиристоров 9-1÷9-(2⋅n).

Достоинством схемы является возможность стабилизации и регулирования выходного напряжения выпрямителя напряжения как выше, так и ниже относительно уровня напряжения, определяемого напряжением схемы неуправляемого выпрямителя. Кроме того, предложенная схема обладает высоким показателем надежности и высоким КПД за счет снижения количества полупроводниковых элементов, работающих в каждый момент времени. Кроме того, предложенный вариант схемы выпрямителя напряжения позволяет осуществлять ограничение пускового тока и плавный заряд конденсатора 6.

На Фиг. 2 и Фиг. 3 изображены варианты схем выпрямителя напряжения, в которых полупроводниковый выпрямитель 4 выполнен полууправляемым. Такое схемное решение позволит упростить систему управления 2 и уменьшить количество ее каналов управления управляемыми полупроводниковыми ключами, но при этом уменьшится диапазон регулирования выходного напряжения вниз относительно напряжения определяемого схемой неуправляемого выпрямителя. При этом регулирование напряжения вниз в 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. 2 и Фиг. 3 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. 2 и Фиг. 3 работают аналогично схеме, изображенной на Фиг. 1 и не требует дополнительных пояснений.

На Фиг. 4 изображен вариант схемы 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, два транзистора 3 и 14, два конденсатора 6 и 15, два дополнительных диода 12 и 18. Такое схемное решение (Фиг. 4) позволяет получать два независимых уровня напряжения: первое - между минусовым выводом 7 и выводом нулевой точки 16 посредствам управления тиристорами 9-(n+1)÷9-(2⋅n) или транзистором 14; второе - между выводом нулевой точки 16 и плюсовым выводом 8 посредствам управления тиристорами 9-1÷9-n или транзистором 6. Третий уровень напряжения - между минусовым выводом 7 и плюсовым выводом 8 определяется как сумма двух независимо регулируемых уровней. Датчики напряжения 10-1÷10-n контролируют фазные напряжения на входе полупроводникового выпрямителя 4 и участвуют в процессе управления тиристорами 9-1÷9-(2⋅n). Датчики тока 11 и 17 совместно с системой управления 2 выполняют функцию защиты выпрямителя напряжения от токов короткого замыкания и перегрузки, а также участвуют в процессе регулирования скважности при управлении транзисторами 5 и 14 для повышения уровня напряжения выше напряжения определяемого схемой неуправляемого выпрямителя. Отличительной особенностью схемы выпрямителя напряжения, изображенного на Фиг. 4 является то, что можно осуществлять независимое регулирование напряжений первого и второго уровня как выше, так и ниже уровня напряжения, определяемого неуправляемым выпрямителем. При этом для регулирования первого (второго) уровня напряжения ниже уровня напряжения определяемого схемой неуправляемого выпрямителя используются тиристоры 9-(n+1)÷9-(2⋅n) (9-1÷9n) а для регулирования уровня напряжения выше уровня напряжения определяемого схемой неуправляемого выпрямителя используется транзистор 14 (5). Работа схемы выпрямителя напряжения, представленного на Фиг. 4 производится аналогично схеме, изображенной на Фиг. 1 и не требует дополнительных пояснений.

На Фиг. 6 представлен вариант схемы двухзвенного трехуровнего преобразователя частоты построенного на основе многофазного выпрямителя напряжения на выход, которого подключен трехфазный трехуровневый инвертор напряжения 20 выполненный по схеме трехуровнего инвертора напряжения с отсекающими диодами. На Фиг. 7 представлен вариант схемы двухзвенного трехуровнего преобразователя часто ты построенного на основе многофазного выпрямителя напряжения на выход, которого подключен трехфазный трехуровневый инвертор напряжения 21 выполненный по мостовой схеме с Т-образным трехуровневым инвертором напряжения. Следует отметить, что инверторы напряжения 20 и 21 могут быть выполнены с любым количеством выходных фаз. Такое схемное решение позволяет регулировать напряжение питания инверторов напряжения 20 и 21 для получения требуемого уровня напряжения на выходе двухзвенного преобразователя частоты. Предложенная схема (Фиг. 4, Фиг. 6, Фиг. 7) отличается простой структурой силовой части и содержит два полностью управляемых полупроводниковых элемента - транзистора 6 и 13 и полупроводниковый выпрямитель 4 собранный на простых полууправляемых полупроводниковых элементах -тиристорах 9-1÷9-(2÷n). При этом предложенная схема позволяет получать три различных уровня напряжения (два независимых и один зависимый) на выходе выпрямителя напряжения. Достоинством схемы является высокая надежность и высокий КПД за счет снижения количества полупроводниковых элементов, работающих в каждый момент времени, а также значительно упрощается система управления.

Таким образом, предлагаемый выпрямитель напряжения позволяет осуществлять регулирование напряжения на своем выходе как ниже, так и выше уровня напряжения, определяемого схемой неуправляемого выпрямителя напряжения, уменьшить число полупроводниковых элементов силовой схемы, повысить КПД, улучшить функциональные возможности, упростить систему управления, повысить надежность при его работе, снизить вес, габариты и стоимость выпрямителя напряжения. Кроме того, предложенный выпрямитель напряжения с двумя транзисторами позволяет 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.

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники, в частности к статическим электрическим преобразователям переменного напряжения в постоянное напряжение, а также может быть использовано в составе двухзвенного преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока. Техническим результатом является: возможность регулировать напряжение на своем выходе как ниже, так и выше уровня напряжения, определяемого схемой неуправляемого выпрямителя напряжения; уменьшение числа полупроводниковых элементов силовой схемы; повышение кпд; улучшение функциональных возможностей; упрощение системы управления; повышение надежности при его работе; снижение веса, габарита и стоимости выпрямителя напряжения. Технический результат достигается тем, что схема выпрямителя напряжения содержит датчики напряжения и тока, тиристоры, транзистор и отсекающий диод, которые реализуют процесс регулирования потока энергии на выходе выпрямителя напряжения. При необходимости получения трех уровней напряжения на выходе выпрямителя напряжения последний может быть снабжен дополнительными транзистором, диодом и конденсатором. В выпрямителе напряжения используется только один полностью управляемый полупроводниковый элемент и несколько полууправляемых элементов, что обеспечивает повышение кпд, надежность, снижение веса, габаритов и стоимости, а также улучшение функциональных возможностей выпрямителя напряжения. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Выпрямитель напряжения, состоящий из источника многофазного переменного напряжения, системы управления, дросселей, число которых равно числу фаз источника многофазного переменного напряжения, полупроводникового выпрямителя, транзистора и конденсатора, причем дроссели включены между выводами источника многофазного переменного напряжения и входом полупроводникового выпрямителя, минусовой вывод полупроводникового выпрямителя соединен с минусовым выводом выпрямителя напряжения, а плюсовой вывод выпрямителя напряжения подключен к положительной обкладке конденсатора, управляющий вывод транзистора заведен в систему управления, отличающийся тем, что полупроводниковый выпрямитель собран по схеме трехфазного двухполупериодного выпрямителя на тиристорах, а выпрямитель напряжения содержит датчики сетевого напряжения и датчик тока, дополнительный диод, анод которого подключен к коллектору транзистора и через датчик тока к плюсовому выводу полупроводникового выпрямителя, катод дополнительного диода соединен с плюсовым выводом выпрямителя напряжения, эмиттер транзистора соединен с минусовым выводом выпрямителя напряжения и отрицательной обкладкой конденсатора, датчики сетевого напряжения, количество которых равно числу фаз источника многофазного переменного напряжения минус один, своими входными цепями подключены между различными входами полупроводникового выпрямителя, информационные выходы датчиков сетевого напряжения, датчика тока и управляющие электроды тиристоров полупроводникового выпрямителя подключены к системе управления.

2. Выпрямитель напряжения по п. 1, отличающийся тем, что полупроводниковый выпрямитель собран по схеме полууправляемого на тиристорах и диодах, причем тиристоры соединены между собой катодами и образуют катодную группу полупроводникового выпрямителя, а диоды между собой соединены анодами и образуют анодную группу полупроводникового выпрямителя.

3. Выпрямитель напряжения по п. 1, отличающийся тем, что полупроводниковый выпрямитель собран по схеме полууправляемого на тиристорах и диодах, причем тиристоры соединены между собой анодами и образуют анодную группу полупроводникового выпрямителя, а диоды между собой соединены катодами и образуют катодную группу полупроводникового выпрямителя.

4. Выпрямитель напряжения, состоящий из источника многофазного переменного напряжения, системы управления, дросселей, число которых равно числу фаз источника многофазного переменного напряжения, полупроводникового выпрямителя, транзисторов и двух конденсаторов, дроссели включены между выводами источника многофазного переменного напряжения и входом полупроводникового выпрямителя, два конденсатора включены согласованно последовательно, а общая точка конденсаторов подключена к нулевому выводу источника многофазного переменного напряжения и выходной нулевой точке выпрямителя напряжения, при этом плюсовой вывод конденсаторов подключен к плюсовому выводу выпрямителя напряжения, минусовой вывод конденсаторов подключен к минусовому выводу выпрямителя напряжения, отличающийся тем, что полупроводниковый выпрямитель собран по схеме трехфазного двухполупериодного выпрямителя на тиристорах, а выпрямитель напряжения содержит датчики сетевого напряжения, два датчика тока, два дополнительных диода, причем анод первого дополнительного диода подключен к коллектору первого транзистора и через первый датчик тока к плюсовому выводу полупроводникового выпрямителя, катод первого дополнительного диода соединен с плюсовым выводом выпрямителя напряжения, эмиттер первого транзистора соединен с коллектором второго транзистора и с общей точкой конденсаторов, эмиттер второго транзистора соединен с катодом второго дополнительного диода и через второй датчик тока с минусовым выводом полупроводникового выпрямителя, анод второго дополнительного диода соединен с минусовым выводом выпрямителя напряжения, датчики сетевого напряжения, количество которых равно числу фаз источника многофазного переменного напряжения, своими входными цепями подключены между каждым из входов полупроводникового выпрямителя и нулевым выводом источника многофазного переменного напряжения, информационные выходы датчиков сетевого напряжения, датчиков тока и управляющие электроды тиристоров полупроводникового выпрямителя подключены к системе управления.