Повышающий регулятор напряжения для работы с трёхфазной нагрузкой Российский патент 2023 года по МПК H02M7/537 

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано при создании энергоэффективного регулируемого электропривода и электротранспорта, входным источником напряжения для которых является аккумуляторная батарея.

Известен регулятор для трёхфазной нагрузки (см. Моин В. С. Стабилизированные транзисторные преобразователи. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 376 с.: ил. рис. 9.7 стр. 328), содержащий четыре транзистора, соединенных по мостовой схеме и отвод от средней точки входного источника питания. Фаза С подключается к средней точке входного источника питания, фазы А и B подключаются к точкам соединения ключей стойки каждой фазы. Трёхфазная нагрузка соединяется по схеме звезда. Верхний и нижний ключи каждой стойки управляются со сдвигом 180 градусов, угол сдвига импульсов между стойками составляет 60 градусов.

Основным недостатком этого регулятора для трёхфазной нагрузки является несимметрия и искажение выходного напряжения при изменении напряжения входного источника, входной источник питания должен обеспечивать потенциал средней точки, равный половине напряжения входного источника питания. Кроме того, отсутствие устройства регулировки и стабилизации входного напряжения приводит к усложнению системы управления ключами, которая должна совмещать две функции: слежение за изменением входного напряжения и регулировку выходного трёхфазного напряжения.

Более высоким качеством входного напряжения питания трёхфазного инвертора обладает устройство, выполненное на основе повышающего преобразователя постоянного напряжения (Электропитание №3, 2018 г., с.15-24, рис. 1). Повышающий регулятор постоянного напряжения обеспечивает напряжение, превышающее напряжение входного источника. Для стабилизации входного напряжения для трёхфазного инвертора используются два регулятора, формирующие двуполярное регулируемое напряжение из повышенного однополярного.

В качестве недостатка отметим отсутствие энергоэффективной регулировки входного напряжения трёхфазного инвертора, обусловленное использованием регуляторов, работающих при большом входном напряжении, обладающих большим показателем габаритов и потерями мощности, связанными с большим перепадом напряжения на регулирующем транзисторном ключе.

Известен также регулируемый повышающий преобразователь постоянного напряжения (Пат. 2734101, заявка 2020117224 от 26.05.2020), являющийся прототипом предлагаемого изобретения, содержащий повышающий преобразователь постоянного напряжения и двухуровневый широтно-импульсный регулятор.

Недостатком прототипа является отсутствие дополнительного выхода, равного половине выходного напряжения и ограничение применения регулятора для работы с трёхфазной нагрузкой, например, бесколлекторным двигателем постоянного тока (БДПТ).

Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретение является обеспечение работы преобразователя с трёхфазной нагрузкой при сохранении регулировка напряжения.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в преобразователь постоянного напряжения, содержащий входной и общий выводы для подключения источника постоянного напряжения, n цепочек, подключенных между входным и общим выводами, каждая из которых состоит из последовательно соединенного зарядного диода, конденсатора, дросселя и зарядного ключа, (n-1) разрядных ключей, каждый из которых подключен между точкой соединения зарядного ключа и дросселя предыдущей цепочки и точкой соединения зарядного диода и конденсатора последующей цепочки, разрядного ключа, подключённого между точкой соединения зарядного ключа и дросселя последней цепочки и входным выводом источника постоянного напряжения, первого двухуровневого регулятора, на входы которого относительно общего вывода поступает постоянное напряжение от точек соединения зарядного диода и конденсатора первой и второй цепочек, введён второй двухуровневый широтно-импульсный регулятор, состоящий из диода и конденсатора, подключенных между общим выводом и точкой соединения зарядного диода и конденсатора предпоследней цепочки, двух диодов и конденсатора, подключённых между общим выводом и точкой соединения зарядного диода и конденсатора последней цепочки, ключ, подключённый к диодам регулятора предпоследней и последней цепочек, дроссель, соединённый между выходом регулятора и ключом, конденсатор, подключённый между общим выводом и выходным выводом второго двухуровневого широтно-импульсного регулятора, трёхфазный регулятор, состоящий из двух стоек ключей, подключённый между выходом первого двухуровневого широтно-импульсного регулятора и общим выводом, трёхфазная нагрузка, соединённая по схеме звезда, одна фаза которой подключена к выходу второго широтно-импульсного регулятора, две другие фазы подключены к средним точкам стоек трёхфазного регулятора.

На Фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема предлагаемого повышающего регулятора напряжения для работы с трёхфазной нагрузкой, на Фиг.2 представлена регулировочная характеристика, показывающая зависимость напряжения на выходе каждого из двухуровневых регуляторов от величины угла управления ключей, на Фиг. 3 показана осциллограмма фазных напряжений трёхфазной нагрузки.

Предлагаемое устройство (Фиг.1) состоит из n зарядных диодов 1, n конденсаторов 2, n дросселей 3, n зарядных ключей 4, разрядных ключей (5-9), входных клемм 35, 36, 38, 39 для подключения первого 42 и второго 43 широтно-импульсных регуляторов. Первый широтно-импульсный регулятор содержит диоды 10, 11, 13, конденсаторы 12, 14, 17, ключ 15, дроссель 16, выход 37 для подключения трёхфазного регулятора. Второй широтно-импульсный регулятор содержит диоды 18, 19, 21, конденсаторы 20, 22, 25, ключ 23, дроссель 24, выход 40 для подключения трёхфазной нагрузки. Входной 33 и общий вывод 34 для подключения входного источника 44 с напряжением E1. Трёхфазный регулятор состоит из ключей (26-29), трёхфазная нагрузка (30-32) соединена по схеме звезда.

Предлагаемое устройство (Фиг.1) содержит n цепочек, каждая из которых состоит из последовательного соединения зарядного диода 1, конденсатора 2, дросселя 3, зарядного ключа 4, разрядных ключей (5-9). Цепочки соединены параллельно и включены между входным 33 и общим 34 выводами входного источника питания 44. Между точкой соединения дросселя 3 и зарядного ключа 4 предыдущей цепочки и точкой соединения зарядного диода 1 и конденсатора 2 последующей цепочки включены разрядные ключи (5-8). Разрядный ключ 9 включён между точкой соединения зарядного ключа с дросселем последней цепочки и входным выводом 33. Между зарядными диодами 1 и конденсаторами 2 первой и второй цепочек к выводам 35, 36 подключён первый двухуровневый регулятор 42. К выводу 36 подключены диоды 10, 11, которые с конденсатором 12 формируют уровень напряжения E1⋅n, который прикладывается к точке соединения ключа 15 и дросселя 16. К выводу 35 подключены диод 13 и конденсатор 14, формирующие уровень напряжения Е1⋅(n+1), который прикладывается к ключу 15. Между зарядными диодами 1 и конденсаторами 2 предпоследней и последней цепочек к выводам 38, 39 подключён второй двухуровневый регулятор 43. К выводу 39 подключены диоды 18, 19 и конденсатор 20, формирующие уровень напряжения 2⋅E1, который прикладывается к точке соединения ключа 23 и дросселя 24. К выводу 38 подключены диод 21 и конденсатор 22, формирующие уровень напряжения 3⋅E1, который прикладывается к ключу 23. Между выводом 37 и общим выводом 34 подключены две стойки ключей. Каждая стойка состоит из последовательно соединённых ключей 26, 27 и 28, 29 соответственно. К точками соединения ключей 26, 27 и 28, 29 и выводу 40 подключена трёхфазная нагрузка 30-32, соединённая по схеме звезда в точке 41.

Предлагаемый регулятор работает следующим образом. В начальный момент времени при подаче прямоугольных управляющих импульсов открываются зарядные ключи 4 и через открывшиеся диоды 1 происходит резонансный заряд конденсаторов 2 до величины напряжения Е1 входного источника питания 44, при этом ток через зарядные ключи 4 имеет кусочно-синусоидальную форму. Параметры конденсаторов 2 и дросселей 2 выбраны таким образом, что частота следования управляющих импульсов на зарядные и разрядные ключи равна резонансной частоте колебательных контуров, образованных конденсаторами 2 и дросселями 3. После закрытия зарядных ключей 4 открываются разрядные ключи (5-9) и заряженные конденсаторы 2 через разрядные ключи (5-9) и дроссели 3 соединяются последовательно с входным источником 44. В цепи осуществляется резонансный разряд, токи через разрядные ключи (5-9) кусочно-синусоидальны и к моменту уменьшения тока до нулевого значения снова включаются зарядные ключи 4. Таким образом, осуществляется режим мягкой коммутации зарядных и разрядных ключей и снижение динамических потерь мощности в ключах.

Поскольку в момент включения разрядных ключей 5-9 заряженные конденсаторы 2 оказываются соединены последовательно с входным источником 44, то напряжение в точке 35, прикладываемое к первому двухуровневому регулятору, равно (n+1)⋅Е1.

На входы 35, 36 первого двухуровневого регулятора подаются напряжения, определяющие диапазон регулировки выходного напряжения двухуровневого регулятора U₃₅ = (n+1) ⋅ E1 и U₃₆ = n ⋅ E1 соответственно. Плавная регулировка выходного напряжения осуществляется путём изменения длительности открытого состояния транзисторного ключа: γ₁₅ = τ₁₅/Т_и, где τ₁₅ - время открытого состояния транзисторного ключа 15, Т_и - период прямоугольных управляющих импульсов. Перепад напряжения ΔU_TK на транзисторном ключе 15 не превышает напряжения, которое является разницей между напряжениями в точках 35 и 36: ΔU_TK = U₃₅ - U₃₆ = E1. В результате динамические потери мощности в транзисторном ключе 15 снижаются благодаря малому перепаду напряжения ΔU_TK.

Если необходим более широкий диапазон регулировки, то вход 36 широтно-импульсного регулятора необходимо подключить к точке соединения зарядного диода 1 и конденсатора 2 третьей цепочки. В этом случае, диапазон регулировки будет лежать между значениями напряжения: U₃₅ = (n+1) ⋅ E1 и U₃₆ = (n-1) ⋅ E1, перепад напряжения на транзисторном ключе 15 равен: ΔU_TK = U₃₅ - U₃₆ = 2⋅E1.

На входы 38 и 39 второго двухуровневого широтно-импульсного регулятора 43 подаётся напряжение, диапазон регулировки которого составляет от U₃₈=0,5 ⋅ (n+1) ⋅ E1 до U₃₉ = 0,5 ⋅ (n-1) ⋅ Е1. Плавная регулировка выходного напряжения второго широтно-импульсного регулятора осуществляется изменением длительности открытого состояния γ₂₃ = τ₂₃/Т_и транзисторного ключа 23, где τ₂₃ - время открытого состояния транзисторного ключа 23, Т_и - период прямоугольных управляющих импульсов. Перепад напряжения ΔU_TK на транзисторном ключе 23 не превышает напряжения, которое является разницей между напряжениями в точках 38 и 39: ΔU_TK = U₃₈ - U₃₉ = E1.

В результате на выходах 37 и 40 первого и второго широтно-импульсных регуляторов 42 и 43 соответственно относительно общего вывода 34 формируются два уровня напряжения, пропорциональные напряжению входного источника Е1. При этом между величинами напряжения в точках 37 и 40 выполняется соотношение: U₄₀ = 0,5 ⋅ U₃₇. Благодаря широтно-импульсной регулировке возможна стабилизация напряжения в точках 37 и 40 при изменении величины напряжения входного источника Е1.

К выходам 37 и 40 широтно-импульсных регуляторов 42 и 43 подключен трёхфазный регулятор с двумя стойками на ключах 26, 27 и 28, 29. Нагрузка 30 подключается к выходу 40 второго широтно-импульсного регулятора, нагрузка 31 к средней точке первой стойки, образованной транзисторами 26 и 27, нагрузка 32 к средней точке второй стойки, образованной транзисторами 28 и 29. Трёхфазная нагрузка соединена по схеме звезда в точке 41.

Управляющие импульсы на ключи одной стойки, например, 26 и 27, приходят со сдвигом 180 градусов. Управляющие импульсы, приходящие на первую и вторую стойку сдвинуты друг относительно друга на 60 градусов. Таким образом, с помощью трёхфазного регулятора формируется линейное напряжение на нагрузке. В качестве нагрузки может выступать трёхфазный электрический двигатель, например, БДПТ. Частоту вращения вала БДПТ можно изменять путем изменения частоты управляющих импульсов, поступающих на транзисторные ключи (26 - 29) трёхфазного регулятора. При этом напряжение на выходах 37 и 40 двухуровневых широтно-импульсных регуляторов, поступающее на трёхфазный регулятор, стабилизировано относительно общего вывода 34 при изменении напряжения входного источника питания 44.

Для анализа работы повышающего регулятора была разработана компьютерная модель в программе PSIM, мощность преобразователя 240 Вт, входное напряжение источника питания Е1=12 В, число резонансных цепочек n=5.

На Фиг. 2 показана регулировочная характеристика, определяющая зависимость напряжения на выходах 37 и 40 двухуровневых широтно-импульсных регуляторов 42 и 43 от величины γ для ключей 15 и 23. Выходное напряжение в точках 37 и 40 регулируется плавно в диапазонах (58,475-69,968) В и (23,375-34,93) В соответственно при изменении γ в диапазоне от 10 до 360 градусов. Регулировочная характеристика линейная. Целесообразность такого регулирования заключается в поддержании и стабилизации напряжения на выходах двухуровневых широтно-импульсных регуляторов при изменении напряжения входного источника питания Е1. Далее, стабилизированное напряжение поступает на трёхфазный регулятор, нагрузкой которого являются обмотки БДПТ. С помощью изменения частоты управляющих импульсов транзисторов регулятора, можно изменять скорость вращения вала БДПТ.

На Фиг.3 показаны осциллограммы фазных напряжений на нагрузке. Частота фазного напряжения 150 Гц, нагрузка каждой фазы представляет собой эквивалент обмотки БДТП, состоящая из последовательного соединенного резистора сопротивлением 10 Ом и катушки с индуктивностью 10 мГн.

Таким образом, предлагаемый повышающий преобразователь с двумя двухуровневыми широтно-импульсными регуляторами позволяет расширить его функциональные возможности, а именно осуществлять линейную регулировку и стабилизацию выходного напряжения при изменении напряжения входного источника питания, формировать потенциал, равный половине выходного напряжения для регулируемого электропривода на основе трёхфазного регулятора и БДПТ.

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано при создании энергоэффективного регулируемого электропривода и электротранспорта, входным источником напряжения для которых является аккумуляторная батарея. Устройство содержит входной и общий выводы для подключения источника постоянного напряжения, n цепочек, подключенных между входным и общим выводами, каждая из которых состоит из последовательно соединенного зарядного диода, конденсатора, дросселя и зарядного ключа, (n-1) разрядных ключей, каждый из которых подключен между точкой соединения зарядного транзисторного ключа и дросселя предыдущей цепочки и точкой соединения зарядного диода и конденсатора последующей цепочки, разрядного ключа, подключённого между точкой соединения зарядного ключа и дросселя последней цепочки и входным выводом источника постоянного напряжения, первого двухуровневого регулятора, на входы которого относительно общего вывода поступает постоянное напряжение от точек соединения зарядного диода и конденсатора первой и второй цепочек. Введён второй двухуровневый широтно-импульсный регулятор, состоящий из диода и конденсатора, подключенных между общим выводом и точкой соединения зарядного диода и конденсатора предпоследней цепочки, двух диодов и конденсатора, подключённых между общим выводом и точкой соединения зарядного диода и конденсатора последней цепочки, ключ, подключённый к диодам регулятора предпоследней и последней цепочек, дроссель, соединённый между выходом регулятора и ключом, конденсатор, подключённый между общим выводом и выходным выводом второго двухуровневого широтно-импульсного регулятора, трёхфазный регулятор, состоящий из двух стоек ключей, подключённый между выходом первого двухуровневого широтно-импульсного регулятора и общим выводом, трёхфазная нагрузка, соединённая по схеме звезда, одна фаза которой подключена к выходу второго широтно-импульсного регулятора, две другие фазы подключены к средним точкам стоек трёхфазного регулятора. Техническим результатом является обеспечение работы преобразователя с трёхфазной нагрузкой при сохранении регулировки напряжения. 3 ил.

Повышающий регулятор напряжения для работы с трёхфазной нагрузкой, содержащий входной и общий выводы для подключения источника постоянного напряжения, n цепочек, подключенных между входным и общим выводами, каждая из которых состоит из последовательно соединенного зарядного диода, конденсатора, дросселя и зарядного ключа, (n-1) разрядных ключей, каждый из которых подключен между точкой соединения зарядного ключа и дросселя предыдущей цепочки и точкой соединения зарядного диода и конденсатора последующей цепочки, разрядного ключа, подключённого между точкой соединения зарядного ключа и дросселя последней цепочки и входным выводом источника постоянного напряжения, первого двухуровневого регулятора, на входы которого относительно общего вывода поступает постоянное напряжение от точек соединения зарядного диода и конденсатора первой и второй цепочек, отличающийся тем, что в него введён второй двухуровневый широтно-импульсный регулятор, состоящий из диода и конденсатора, подключенных между общим выводом и точкой соединения зарядного диода и конденсатора предпоследней цепочки, двух диодов и конденсатора, подключённых между общим выводом и точкой соединения зарядного диода и конденсатора последней цепочки, ключ, подключённый к диодам регулятора предпоследней и последней цепочек, дроссель, соединённый между выходом регулятора и ключом, конденсатор, подключённый между общим выводом и выходным выводом второго двухуровневого широтно-импульсного регулятора, трёхфазный регулятор, состоящий из двух стоек ключей, подключённый между выходом первого двухуровневого широтно-импульсного регулятора и общим выводом, трёхфазная нагрузка, соединённая по схеме звезда, одна фаза которой подключена к выходу второго широтно-импульсного регулятора, две другие фазы подключены к средним точкам стоек трёхфазного регулятора.