Ключевой нормализатор выпрямленного напряжения трехфазной сети Российский патент 2024 года по МПК H02M7/25 

Изобретение относится к области электротехники и радиотехники и предназначено для использования в первичных звеньях электропитания энергоемкой аппаратуры от трехфазной сети объекта.

Большинство современных потребителей большой энергоемкости являются нелинейной нагрузкой для сети энергоснабжения от источника трехфазного тока. Указанное обстоятельство определяется электропитанием таких потребителей постоянным напряжением от трехфазного выпрямителя через емкостной фильтр. При этом форма фазных токов потребления существенно отличается от гармонической и имеет форм-фактор (отношение амплитуды тока к действующему значению), достигающий 3-5, что также сопровождается широким составом гармоник с результирующим коэффициентом гармонических искажений более 50%.

Для улучшения качества потребляемого тока используются схемы трехфазных корректоров мощности, например, описанные в работах [Wu Ligang, Liu Jianxing, Sun Guanghui, Yin Yunfel, Lin Hao, inventor; Harbin Institute of Technology, assignee. Adaptive control method for the three-phase rectifies and devise thereof. United States application US 2020412271 (A1). 2020 Dec 31; Воронин ПА, Воронин ИП; ОАО НПО «Энергомодуль». Трехфазный активный выпрямитель с мягким переключением. Патент №94780 РФ, МПК Н02М 1/06, Н02М 7/00. №2010110511/22; Заявл. 22.03.2010; Опубл. 27.05.2010, Бюл. №15].

В известных устройствах может быть обеспечена форма тока, близкая к гармонической с форм-фактором K_ф≈1,4. Однако, значительная сложность реализации и существенные потери мощности, связанные с относительно высокой частотой преобразования (как правило, более 10-30 кГц) ограничивают применение таких устройств для электропитания энергоемких потребителей мощностью до десятков кВт. При этом необходимость использования дополнительных схем плавного включения усложняет техническую реализацию и приводит к понижению надежности их работы.

Наиболее простым устройством преобразования переменного тока в постоянный является устройство, описанное в патенте [Masaaki Shimada, inventor; Sanken Electric Co., Ltd. assignee. Switching power source apparatus. United States patent US 7,352,599. 2008 Apr. 01.], адаптированное к электропитанию от однофазной сети и использующее типовую схему обратноходового ключевого преобразователя. Такая схема может быть тиражирована для трехфазной сети с нейтралью, как это описано в патенте [Вольский СИ, Сорокин ДА; Вольский Сергей Иосифович. Трехфазный преобразователь переменного тока в постоянный с повышенным коэффициентом мощности. Патент №192844 РФ, МПК Н02М 7/25. №2018126502; Заявл. 18.07.2018; Опубл. 03.10.2019, Бюл. №28]. Техническое решение по этому патенту обеспечивает улучшение форм-фактора фазного тока, однако, наряду с ранее отмеченными недостатками, также не позволяет замкнуть ток дросселя обратноходового преобразователя в обратном направлении, что обуславливает возможность «обрыва» тока через диод и, как следствие, может привести к нарастанию выходного напряжения в режимах, близких к холостому ходу.

Известны схемы прямоходовых ключевых преобразователей напряжения (КПН), например, описанные в патентах [Александров ВА, Буянов АП; АО «Концерн «Океанприбор». Стабилизированный ключевой преобразователь напряжения. Патент №2739398 РФ, МПК G05 F 1/565. №2020118243; Заявл. 25.05.2020; Опубл. 23.12.2020, Бюл. №36; Александров ВА, Калашников СА; АО «Концерн «Океанприбор». Ключевой нормализатор напряжения. Патент №2751078 РФ, МПК Н02 М 3/156. №2020138069; Заявл. 19.11.2020; Опубл. 08.07.2021, Бюл. №19], выгодно отличающиеся от рассмотренных аналогов, основанных на обратноходовых преобразователях. Также прямоходовые КПН обеспечивают возможность регулировки выходного напряжения постоянного тока с емкостным фильтром в режимах плавного включения, стабилизации напряжения и ограничения выходного тока, что позволяет принципиально повысить надежность устройств силового электропитания. Следует отметить, что в условиях подключения прямоходовых КПН через выпрямитель к трехфазной сети, в режиме стабилизации выходного напряжения ниже минимального напряжения электропитания, в устройствах такого типа обеспечивается улучшение форм-фактора фазных токов потребления до значения Kф≈1,3, что даже ниже, чем у преобразователей с гармонической формой токов потребления. При этом коэффициент гармоник (не более 35%) фазного тока заметно ниже, чем в случаях использования типового трехфазного выпрямителя, нагруженного на емкостной фильтр.

Такой режим стабилизации выходного напряжения достигается при использовании технического решения по патенту № 2739398 РФ, предназначенного для электропитания от объектовой сети постоянного тока. При подключении электропитания прямоходового однотактного КПН через выпрямитель к трехфазной сети появляется необходимость включения на выходе выпрямителя дополнительной емкости выходного фильтра, обеспечивающей замыкание высокочастотного тока импульсного преобразования. Как следствие, при подключении напряжения электропитания, имеют место экстратоки включения. Кроме того, при использовании однотактной схемы КПН отсутствует контур протекания обратно направленного тока дросселя, что приводит к обрыву тока и существенно ухудшает стабильность выходного напряжения при малонапряженных режимах работы. Принимая во внимание возможность повторения кратковременных циклов работы энергоемкой аппаратуры, последний недостаток приобретает существенное значение, поскольку может приводить к принципиальному ухудшению форм-фактора фазных токов потребления в паузу между циклами в условиях уменьшения выходной мощности.

Известен ключевой нормализатор напряжения, патент № 2751078 РФ, который по количеству общих признаков является наиболее близким аналогом заявляемого КПН. Этот КПН адаптирован к электропитанию от трехфазной сети объекта с изолированной нейтралью и в значительной степени лишен недостатков известных технических аналогов, использующих КПН обратноходового (патенты US 7,352,599 и №192844 РФ) и прямоходового (патент №2739398 РФ) типа.

В известном устройстве патент №2751078 РФ, оконечный каскад выполнен по полумостовой схеме, обеспечивающей возможность обратного замыкания тока дросселя в емкость входного фильтра, включенного на выходе трехфазного выпрямителя. При этом входной фильтр реализован на RCD схеме, ограничивающей ток включения. Особенностью устройства-прототипа является использование асинхронной широтно-импульсной модуляции (АШИМ), обеспечивающей наилучшую глубину обратной связи (ОС) по выходному напряжению с переходом в режим ограничения тока при минимально достаточной частоте переключения. Таким образом, в устройстве-прототипе обеспечивается повышение надежности и эффективности при возможности улучшения качества фазных токов потребления.

Структурная схема устройства-прототипа, приведенная на фиг.1, содержит входной фильтр 1, двухканальный драйвер 2, полумостовой ключевой усилитель 3 мощности (КУМ 3), дроссель 4 (L) и конденсатор 6 (С), датчик 5 тока, датчик 7 напряжения, пороговое вычитающее устройство 8 (ПВУ 8), весовой сумматор 9 (ВС 9), релейный элемент 10 (РЭ 10), причем входной фильтр 1 включает последовательную R₁C₁ цепь, резистивный элемент (R₁) которой шунтируется параллельно включенным неуправляемым элементом (Диод VD₁).

В известном устройстве реализуется асинхронная широтно-импульсная модуляция (АШИМ), с учетом сигналов обратной связи по выходному напряжению и току дросселя фильтра, чем достигается режим стабилизации выходного напряжения с переходом в режим ограничения выходного тока при перегрузке. В результате в устройстве-прототипе исключается экстремальное увеличение выходного тока, в том числе и в режиме включения.

Однако при включении входного фильтра через выпрямитель к напряжению трехфазной сети дополнительная емкость для замыкания ВЧ тока дросселя отсутствует, что приводит при обратном токе дросселя к заметным потерям в резистивном элементе входного фильтра. Кроме того в режиме работы КУМ с АШИМ с ростом напряжения Е_в существенно возрастает частота переключений, что приводит к кратному увеличению потерь энергии. Указанные недостатки устройства-прототипа, связанные с повышением потерь энергии в ключевом усилителе мощности и в элементах входного фильтра, проявляются при электропитании от трехфазной сети переменного тока, обычно используемой для энергоснабжения энергоемкой функциональной аппаратуры. В результате затрудняются условия улучшения форм-фактора фазных токов потребления в рамках энергетически эффективных режимов работы устройств силового электропитания большой мощности.

Задача изобретения заключается в повышении качества потребления от трехфазной сети при уменьшении потерь энергии и исключении пусковых токов в первичных звеньях электропитания энергоемкой функциональной аппаратуры.

Техническим результатом от использования изобретения является улучшение форм-фактора фазных токов потребления при повышении энергетической эффективности ключевого нормализатора выпрямленного напряжения трехфазной сети.

Для достижения заявленного результата в ключевом нормализаторе напряжения трехфазной сети, содержащем входной фильтр и ключевой усилитель мощности, подключенные первыми и вторыми выводами к шинам электропитания, причем выход ключевого усилителя мощности через дроссель и датчик тока подключен к первым выводам конденсатора и датчика напряжения, а первый и второй входы через двухканальный драйвер соединены с прямым и инверсным выходами релейного элемента, вход которого соединен с выходом весового сумматора, первый и второй входы которого подключены к выходу датчика тока и выходу порогового вычитающего устройства, первый и второй входы которого соединены с выходом датчика напряжения и фиксатора уровня, общий вход которого соединен с общей шиной ключевого нормализатора выпрямленного напряжения трехфазной сети, вторым выводом датчика напряжения, общей шиной ключевого усилителя мощности и вторым выводом конденсатора, причем входной фильтр содержит последовательную RC цепь, включенную между его первым и вторым выводами, а также ключевой элемент, подключенный выводами к резистивному элементу RC цепи, введены новые признаки, а именно введены дополнительный датчик напряжения, цепь включения и трехфазный выпрямитель, входы которого подключены к источнику трехфазного напряжения, а выходы к шинам электропитания, причем фиксатор уровня и ключевой элемент, в составе входного фильтра выполнены управляемыми, соответственно вход управления ключевого элемента подключен к выводу цепи включения, первый и второй вывод которой соединены с шинами электропитания и первым и вторым выводами дополнительного датчика напряжения, выход которого подключен к входу управления фиксатора уровня.

В предлагаемом ключевом нормализаторе выпрямленного напряжения трехфазной сети (КНВН) достижение заявленного результата обеспечивается совокупностью вновь вводимых блоков и связей, улучшение форм-фактора фазных токов потребления обеспечивается реализацией граничных режимов стабилизации выходного напряжения для заданного уровня напряжения трехфазной сети посредством выделения соответствующего выходного напряжения фиксатора уровня. В результате для всего диапазона изменения напряжения электропитания от минимальных до максимальных значений достигается ограничение фазных токов потребления с форм-фактором 1,3-1,4, в условиях минимизации потерь энергии при пониженной частоте асинхронной ШИМ. Вместе с тем введение управляемого ключевого элемента в состав входного фильтра позволяет восстановить параметры емкостного звена фильтрации после завершения плавного включения, необходимые для замыкания ВЧ составляющих тока дросселя, причем при минимальных потерях энергии. Выделенное обстоятельство обеспечивает условия подключения заявляемого устройства к трехфазной сети без экстратоков и позволяет обеспечить его эффективную работу при формировании постоянного напряжения электропитания через трехфазный выпрямитель.

Выделенные преимущества позволяют использовать заявленный ключевой нормализатор выпрямленного напряжения трехфазной сети в устройствах силового электропитания энергоемкой функциональной аппаратуры, в том числе для повторно кратковременных режимов работы в условиях резкого изменения нагрузки.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1-6, где приведены структурная схема устройства-прототипа (фиг.1), структурная схема заявляемого устройства (фиг.2), временные диаграммы линейных напряжений трехфазной сети U_AB, U_BC, U_CA и выходное напряжение на выходе выпрямителя E_min, Е_н и E_max в условиях изменения напряжения электропитания (фиг.3), а также диаграммы фазных токов заявленном устройстве (фиг.4).

Временные диаграммы импульсного напряжения V на выходе КУМ с АШИМ в режимах стабилизации при минимальном и максимальном уровне выходного напряжения и в граничных режимах стабилизации (фиг.5а, фиг.5б, фиг.5в соответственно). Дополнительно на фиг.6 приведена расчетная зависимость частоты ƒ переключений КУМ с АШИМ от относительного уровня модуляции т с выделением зоны граничных решений стабилизации для m=0,88-0,98, характерных для предлагаемого технического решения

На фиг.3-6 обозначено:

А-В, В-С, С-А - линейные напряжения трехфазной сети,

U_max, U_н, U_min ^_ напряжения на нагрузке,

E_max, E_н, E_min ^_ напряжения на выходе выпрямителя,

Е_вв - максимальная величина выпрямленного напряжения, Е_вн - минимальная величина выпрямленного напряжения,

U₀ - напряжение на выходе фиксатора уровня, f₀ - максимальная частота переключений (фиг.6),

На фиг.3 - сплошная линия - напряжение на выходе выпрямителя при номинальном напряжении трехфазной сети, штриховая линия - напряжение на выходе выпрямителя при максимальном напряжении трехфазной сети, штрихпунктирная линия - напряжение на выходе выпрямителя при минимальном напряжении трехфазной сети. На фиг.4 - сплошная линия - фазный ток при номинальном напряжении трехфазной сети, штриховая линия - фазный ток при максимальном напряжении трехфазной сети, штрихпунктирная линия - фазный ток при минимальном напряжении трехфазной сети.

Структурная схема заявляемого устройства, приведенная на фиг.2, содержит входной фильтр 1, двухканальный драйвер 2, ключевой усилитель мощности 3 (КУМ 3), выходной фильтр 4, датчик 5 тока (ДТ 5), конденсатор 6, датчики 7 и 12 напряжения (ДН 7 и ДН 12), пороговое вычитающее устройство 8 (ПВУ 8), весовой сумматор 9 (ВС 9), релейный элемент 10 (РЭ 10), фиксатор 11 уровня (ФУ 11), выпрямитель 13, цепь 14 включения.

Все структурные блоки, входящие в состав заявляемого устройства, выполняются по известным правилам с учетом заданных технических характеристик, а их совокупное использование приводит к заявляемому результату.

Выпрямитель 13 строится по типовой трехфазной схеме и выполняется на силовых выпрямительных диодах, адаптированных к напряжению 3ф, 50 Гц, 380 В и заданному току нагрузки, например при трехфазной номинальной выходной мощности 30 кВт в условиях изменения линейных напряжений от 280 В до 440 В, допустимые значения напряжений и токов силовых диодов должны составлять не менее 1000 В и 100 А.

Входной фильтр 1 предназначен для замыкания высокочастотного тока дросселя 4 при коммутации КУМ 3, амплитуда которого может достигать 20-30 А при номинальном токе нагрузки до 100 А. Соответственно емкость конденсатора С₁ входного фильтра для частоты коммутации 5-10 кГц должна составлять десятки мкФ в условиях весьма малой собственной индуктивности (менее 50 нГн) при допустимом напряжении не менее 1000 В. Таким требованиям, например, отвечает конденсатор (CDE) 944U470K122AAM емкостью 47 мкФ.

Наличие такой емкости может приводить к значительным пусковым токам при подключении трехфазной сети, что предотвращается включением последовательного резистора R₁ сопротивлением 10-20 Ом с пиковой кратковременной мощностью до 10 кВт при весьма малой средней мощности (не более 50 Вт). Таким требованиям отвечает ряд отечественных резисторов, например типа С5 - 35 В. Для восстановления фильтрующих свойств входного фильтра в его состав введен полевой транзистор VT₁, который шунтирует резистор R₁ после завершения процесса заряда через временной интервал, заданный цепью включения. В качестве такого транзистора целесообразно использовать транзисторы CREE, обладающие весьма малым сопротивлением при высоких допустимых напряжениях, например, транзистор типа C2M0040120D с сопротивлением канала ниже 40 мОм при токах до 40 А и допустимом напряжении до 1200 В.

Двухканальный драйвер 2 предназначен для передачи прямого и инверсного импульсного сигналов, формируемых релейным элементом, на управление транзисторами полумостовой схемы КУМ 3. С учетом значительных величин коммутируемых напряжений (до 700 В) и токов (до 100 А), а также большой скорости их изменения, управление транзисторами необходимо осуществлять через оптодрайверы с минимальной проходной емкостью и напряжением изоляции не менее 1000 В, например, реализованных на микросхеме HCPL3180.

Для реализации полумостовой схемы КУМ 3 заданной выходной мощности предполагается использовать модуль (Cree/Wolf speed) CAS120M12BM2, рассчитанные на допустимое напряжение до 1200 В и постоянный ток 120 А. в условиях малой энергии динамических потерь (не более 3000 мкДж) на переключение. Преимуществом транзисторов CREE в составе модуля являются быстродействующие обратные диоды, что имеет принципиальное значение для обеспечения энергетически эффективных режимов работы полумостовой схемы КУМ в режиме импульсной стабилизации выходного напряжения предлагаемого устройства.

Выбор КУМ 3 обоснован необходимостью обеспечения регулировочных характеристик в широком диапазоне изменения выходного тока, уровень которого (в паузу между циклами активной работы) может быть значительно меньше амплитуды ВЧ тока дросселя, что требует протекания обратного тока через транзистор полумостовой схемы без обрыва тока дросселя.

Выходной фильтр выполняется на дросселе 4 и конденсаторе 5 и предназначен для выделения низкочастотной составляющей напряжения U_н на нагрузке и модулированного импульсного напряжения V, поступающего на дроссель 4 с выхода КУМ 3. При этом индуктивность L₄=L_ф должна ограничивать амплитуду ВЧ составляющих тока дросселя I_{вч м} на уровне не более 0,3 от номинального тока нагрузки I_{н max}. Для релейного элемента 10 с временным гистерезисом τ значение минимально достаточной индуктивности фильтра L_ф определяется следующими соотношениями:

где τ - задержка переключения релейного элемента;

L - индуктивность дросселя;

Е- входное напряжение;

I_{вч м} ^_ ВЧ составляющая тока дросселя;

I_н - ток нагрузки;

R_н - номинальное сопротивление нагрузки, например, для выходной мощности 30 кВт и максимальной частоты переключений ƒ₀=1/4 τ=20 кГц минимальная индуктивность фильтра должна составлять порядка 100 мкГн и расчитана на ток нагрузки 100 А.

Емкость С_ф конденсатора 6 предназначена для эффективной фильтрации ВЧ составляющих модулированного импульсного напряжения с пониженной частотой коммутации ƒ=(0,2-0,3)ƒ_в и обеспечивать подавление динамических изменений тока нагрузки.

Эта задача решается при выборе емкость С_ф из условия собственной частоты Ω₀:

С учетом требований допустимого выходного напряжения и ВЧ токов в качестве емкости выходного фильтра в составе конденсатора могут быть использованы два параллельно включенные элементы типа CDE 947D501K112BYMSN с емкостью 500 мкФ каждый.

Датчик 5 тока должен быть выполнен с гальванической развязкой выхода, например на микросхемах, использующих эффект Холла, с быстродействием, позволяющим сохранить пилообразную форму ВЧ тока дросселя 4.

Датчики 7 и 12 напряжения выполняются на операционном усилителе, могут быть гальванически привязаны к общей шине, и соответственно, реализованы на резистивных делителях с заданным уровнем выходных сигналов и возможностью их усиления по току,

Пороговое вычислительное устройство 8 предназначено для выделения разностного сигнала U_рн (3) и поддержания его пороговых значений при заданных условиях:

где U_н - напряжение на нагрузке;

U₀ - напряжение на выходе фиксатора 11 уровня;

K_н - коэффициент усиления разности выходных сигналов порогового вычитающего устройства, входное напряжение которого не превышает заданного порога;

U_п - пороговое значение сигнала с выхода ПВУ 8, определяющее уровень номинального выходного тока в режимах перегрузки;

β_н - коэффициент передачи датчика напряжения.

Пороговый сумматор 9 предназначен для сложения (вычитания) выходного сигнала ПВУ 9 и выходного сигнала датчика 5 тока для формирования результирующего сигнала на входе релейного элемента 10, формирующего широтно-модулированную последовательность импульсов V_ШИМ. В простейшем случае ВС 9 может быть выполнен на резистивном сумматоре (при соответствующей полярности выходного сигнала датчика тока) с необходимыми коэффициентами передачи входных сигналов.

Релейный элемент 10 может выполняться на компараторе с заданной задержкой τ фронтов и сигналов импульсов, что соответствует временному гистерезису при формировании асинхронной ШИМ. Релейный элемент должен быть снабжен прямым и инверсным выходами для передачи импульсных сигналов управления через двухканальный драйвер 2 на вход транзисторов полумостовой схемы КУМ 3. При необходимости либо в релейном элементе 10 либо в каналах драйвера 2 могут быть реализованы задержки фронта прямых и инверсных импульсов на время (около 200 мс) использующие сквозные токи транзистор-транзистор в полумостовой схеме КУМ 3.

Фиксатор 11 уровня предназначен для формирования опорного напряжения U₀ при вычислении разностного сигнала U_рн по цепи обратной связи по выходному напряжению U_нβ_н. В заявляемом устройстве фиксатор 11 выполнен управляемым для определения уровня стабилизации выходного напряжения в соответствии с E_вн минимальной величиной выпрямленного напряжения трехфазной сети:

β_Е - коэффициент передачи датчика 12 напряжения.

Для фиксации уровня β_ЕЕ_вн ФУ 11 может быть выполнен на интегрирующей RDC цепи с большой постоянной времени заряда (например, порядка τ=0,1 мс). При этом достигается фиксация минимального уровня βE_вн на всем временном интервале превышения Е_в установленного значения E_вн (на время 3,3 нс). Соответственно достигается режим граничной стабилизации выходного напряжения, уровень которого может постепенно возрастать с ростом напряжения трехфазной сети и быстро уменьшается при падении напряжения, чем обеспечивается ограничение амплитуды фазных токов потребления.

Предложенная реализация ФУ 11 дополнительно позволяет обеспечить плавное нарастание выходного напряжения с постоянной времени заряда RDC цепи, что позволяет реализовать режим плавного включения без перехода в режим ограничения выходного тока.

Цепь 14 включения предназначена для включения управляемого ключевого элемента (транзистор VT₁) в составе входного фильтра для шунтирования резистора R₁ после завершения заряда конденсатора С₁. Цепь 14 включения выполняется на резистивном делителе R₂, R₃, интегрирующей емкости С₂ и ограничивающем стабилитроне VD₂. Время включения Т₃ управляемого ключевого элемента определяется временем заряда емкости С₂ до порога включения Ub полевого транзистора VT₁, заданное постоянной времени Ев и приведенным к выходу цепи включения:

Для предотвращения избыточного нарастания напряжения на затворе полевого транзистора на выходе цепи включения установлен стабилитрон VD₂, ограничивающий напряжение на уровне 8 - 10 В.

Значение Т₃ выбирается кратно большим времени заряда емкости С₁ через резистор R₁, что является достаточным условием «мягкого» подключения напряжения питания к входам выпрямителя 13:

Приведенное описание технического выполнения блоков, входящих в состав заявляемого ключевого нормализатора выпрямленного напряжения трехфазной сети подтверждает практическую реализуемость заявляемого технического решения.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Напряжение трехфазной объектовой сети поступает на входы трехфазного выпрямителя 13 (например, при включении контактора или автоматического отключателя в состав объекта), на входах которого, подключенных к шинам электропитания, формируется выпрямленное напряжение Е_в, определяемое линейными напряжениями U_AB, U_BC, U_CA трехфазного напряжения 3ф, 50 Гц, 380 В, представленными на фиг.3. При этом заряжается емкость конденсатора С₁ входного фильтра 1 через сопротивление R₁. После завершения плавного включения входной сигнал цепи 14 включения достигает уровня отпирания транзистора VT₁, который шунтирует резистор R₁, чем восстанавливаются фильтрующие свойства емкости входного фильтра 1 для замыкания ВЧ составляющих тока потребления КУМ 3.

Вместе с тем выходное напряжение датчика 12 напряжения U_E=β_EЕ_в передается на вход управления фиксатора 11 уровня, что приводит к плавному нарастанию сигнала U₀ c τ_в=0,1 c до уровня β_EЕ_вн.

В результате происходит включение КУМ 3, что приводит к нарастанию тока дросселя и обеспечивается формирование импульсных сигналов на выходе РЭ 12 с асинхронной ШИМ, поступающих через драйвер 2 на входы управления полумостовой схемы КУМ 3. Как следствие формируется импульсное напряжение V (фиг.5в), обеспечивающее практическое равенство сигнала обратной связи с выхода датчика 7 напряжения β_EU_н выходному напряжению фиксатора 11. Возможное отклонение весьма мало и при типичной глубине обратной связи при АШИМ 30-40 дБ не превышает 1-3% от установленного значения.

При нарастании напряжения на интегрирующей цепи фиксатора 11 уровня до минимальной величины βЕ_вн выходного сигнала датчика 12 напряжения, происходит фиксация постоянного уровня U₀=β_EE_вн, чем обеспечивается режим стабилизации выходного напряжения U_н=β_EЕ_вн в условиях В_E=β_н, при этом реализуется режим ограничения амплитуды фазного тока (фиг.4) на уровне I_ф=U_н/R_н тока нагрузки.

Как показано на (фиг.5в), при увеличении линейных напряжений трехфазной сети повышается, соответственно, напряжение на выходе датчика 12 и возрастает уровень сигнала на выходе фиксатора 11 до значения β_EЕ_вн. Таким же образом возрастает выходное напряжение U_н=Е_вн, стабилизация которого обеспечивает ограничение постоянства выходной мощности. Следует отметить, что стабилизация выходного напряжения на уровне, близком к нижнему уровню напряжения на выходе выпрямителя U_н=0,98 Е_вн соответствует граничной зоне модуляции m=0,88 - 0,98 для всего диапазона изменения напряжения электропитания. При этом достигается стабилизация выходного напряжения и ограничение амплитуды фазного тока потребления при повышенных частотах ШИМ преобразования, соответствующих асинхронной модуляции. Как иллюстрируется на (фиг.6), в граничном режиме стабилизации частота ƒ=0,2ƒ₀ - 0,3ƒ₀ значительно ниже максимальной частоты переключения.

При этом режим АШИМ, описанный в патенте №2751078 РФ, в условиях формирования ШИМ сигнала по результату сравнения разностного сигнала обратной связи по выходному напряжению с сигналом обратной связи по току дросселя от датчика 5, обеспечивает заданную степень стабилизации напряжения и, соответственно, ограничение амплитуды фазного тока.

Граничные режимы стабилизации выходного напряжения в условиях различных уровней напряжения E_min, Е_н, Е_max, представленные на фиг.5в, наглядно показывают возможность обеспечения пониженной частоты коммутации. Выделенное обстоятельство обеспечивает кратное уменьшение динамических потерь энергии, определяющих энергетическую эффективность КУМ, по сравнению с устройством-прототипом в режиме стабилизации минимального уровня напряжения питания (фиг.5б), при котором частота переключений достигает минимальных значений.

Таким образом, в предлагаемом изобретении реализуется ряд преимуществ по сравнению с известным устройством-прототипом, обеспечивающих достижение заявляемого результата. А именно достигается улучшение форм-фактора фазных токов потребления при повышении энергетической эффективности устройств силового электропитания энергоемкой функциональной аппаратуры в условиях изменения напряжения трехфазной сети при уменьшении пусковых токов. Причем обеспечение граничных режимов стабилизации выходного напряжения позволяет обеспечить ограничение амплитуды фазных токов при понижении частоты переключения КУМ, что уменьшает динамические потери энергии и повышает надежность работ устройств силовой электроники.

На предприятии изготовлен экспериментальный образец предлагаемого ключевого нормализатора напряжения трехфазной сети с номинальной выходной мощностью 30 кВт от электросети объекта переменного тока 3ф, 50 Гц, 380 В, результаты испытаний которого подтвердили заявленные преимущества, что позволяет рекомендовать заявляемое техническое решение к внедрению в устройства силового электропитания низкочастотных излучающих трактов большой мощности.

Изобретение относится к области электроники и радиотехники и предназначено для использования в первичных звеньях электропитания энергоемкой аппаратуры от трехфазной сети объекта. Техническим результатом является улучшение форм-фактора фазных токов потребления при повышении энергетической эффективности ключевого нормализатора выпрямленного напряжения трехфазной сети. Ключевой нормализатор выпрямленного напряжения содержит трехфазный выпрямитель (13), входной емкостной фильтр (1) с резистором заряда, шунтируемым управляемым ключевым элементом, цепь (14) включения ключевого элемента, двухканальный драйвер (2) с оптоэлектронной развязкой, ключевой усилитель (3) мощности (КУМ), выполненный по полумостовой схеме, входной фильтр, включающий дроссель (4) и емкость (6), датчик (5) тока дросселя, датчики (7 и 12) выходного и выходного напряжения, управляемый фиксатор (11) уровня, пороговое вычитающее устройство (8), весовой сумматор (9) и релейный элемент (10). Управляемый фиксатор (11) уровня включает в себя интегрирующую цепь со значительной постоянной времени заряда и малым временем разряда, выделяющий минимальный уровень минимального напряжения управляющего напряжения с выхода датчика (12), пропорционального напряжению на выходе выпрямителя. Пороговое вычитающее устройство (8) формирует разностный сигнал обратной связи (ОС) по напряжению, релейный элемент (10) формирует сигнал асинхронной широтно-импульсной модуляции (АШИМ) для управления КУМ (3) по результату сравнения разностного сигнала ОС по напряжению с сигналом ОС по току с датчика (5) тока дросселя (4). 6 ил.

Ключевой нормализатор выпрямленного напряжения трехфазной сети, содержащий входной фильтр и ключевой усилитель мощности, подключенные первыми и вторыми выводами к шинам электропитания, причем выход ключевого усилителя мощности через дроссель и датчик тока подключен к первым выводам конденсатора и датчика напряжения, а первый и второй входы через двухканальный драйвер соединены с прямым и инверсным выходами релейного элемента, вход которого соединен с выходом весового сумматора, первый и второй входы которого подключены к выходу датчика тока и выходу порогового вычитающего устройства, первый и второй входы которого соединены с выходом датчика напряжения и фиксатора уровня, общий вход которого соединен с общей шиной ключевого нормализатора выпрямленного напряжения трехфазной сети, вторым выводом датчика напряжения, общей шиной ключевого усилителя мощности и вторым выводом конденсатора, причем входной фильтр содержит последовательную RC цепь, включенную между его первым и вторым выводами, а также неуправляемый ключ, подключенный выводами к резистивному элементу RC цепи, отличающийся тем, что в его состав введены дополнительный датчик напряжения, цепь включения и трехфазный выпрямитель, входы которого подключены к источнику трехфазного напряжения, а выходы к шинам электропитания, причем фиксатор уровня и ключевой элемент в составе входного фильтра выполнены управляемыми, соответственно вход управления ключевого элемента подключен к выходу цепи включения, первый и второй вывод которой соединены с шинами электропитания и первым и вторым выводами дополнительного датчика напряжения, выход которого подключен к входу управления фиксатора уровня.