Регулируемое трансформаторно-выпрямительное устройство

Название	Регулируемое трансформаторно-выпрямительное устройство
Разработчик (Авторы)	Мыцык Геннадий Сергеевич, Мье Мин Тант, Воронцов Кирилл Александрович
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2798943
Дата регистрации	29.06.2023
Правообладатель	Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ")
Область применения (класс МПК)	H02M 7/08 (2006.01)

Описание изобретения

Изобретение относится к области силовой преобразовательной техники и может быть использовано при создании преобразователей переменного напряжения (однофазно или трехфазного) в регулируемое или стабилизированное напряжение постоянного тока, как на промышленных предприятиях, так и на подвижных и стационарных объектах в тех случаях, когда предъявляются требования к улучшенной их электромагнитной совместимости - ЭМС (по входу и выходу) и к повышенной функциональной надежности.

В принципе известны регулируемые трансформаторно-выпрямительные устройства (РТВУ-mэ, где mэ - пульсность выпрямленного напряжения), обеспечивающие определенное улучшение ЭМС при регулировании напряжения (см., например, с. 62, рис. 2.24 в книге: Справочник по преобразовательной технике. Под ред. И.М. Чиженко. - Киев: Технiка, 1978. - 447 с.). Силовая часть РТВУ-24 содержит здесь 4 трехфазных (двухобмотчных) трансформатора напряжения (ТТН) и 4 выпрямительных моста (ВМ), два из которых выполнены на тиристорах, а два других - на диодах, причем выходы всех ВМ соединены согласно последовательно. Блок управления РТВУ-24 реализует способ фазового управления только двумя тиристорными ВМ. Таким образом, поставленная задача решается здесь за счет использования при синтезе устройства способа частичного фазового регулирования напряжения (в двух ВМ из 4-х).

Недостатками этого решения являются, во-первых, достаточная сложность как силовой части, так и блока управления, а, во-вторых, плохой входной cosϕ1(1), который ухудшается с ростом фазового угла регулирования α (где ϕ1(1) - фазовый угол между напряжением и потребляемым из сети током по основной гармонике).

Упростить силовую часть РТВУ (в 2 раза) позволяет решение РТВУ-12, представленное на с. 414, рис. 8-36 в книге: Справочник по преобразовательной технике. (Под ред. И.М. Чиженко. - Киев: Технiка, 1978. - 447 с.). Оно содержит трехфазный трансформаторный блок напряжения (ТТБН), выполненный в виде двух (двухобмоточных) трансформаторов напряжения (ТТН) и двух ВМ, один из которых выполнен на 6 тиристорах (ТВМ), а второй - на 6 диодах (ДВМ), причем вторичная 3-х фазная обмотка у одного ТТН выполнена по топологии «звезда», у второго - по топологии «треугольник», выходы двух ВМ соединены согласно последовательно, а свободные разнополярные выходные выводы ВМ образуют выходные выводы РТВУ-12 (для подключения к ним нагрузки). Блок управления РТВУ-12 реализует способ фазового управления шестью тиристорами ТВМ. Здесь используется такой же способ синтеза (и регулирования), как и в выше указанном аналоге (со всеми уже указанными недостатками).

Данное известное устройство по технической сущности является наиболее близким к изобретению, и поэтому оно выбрано за прототип.

Недостатками этого решения РТВУ-12 является уровень ЭМС, понижающийся при регулировании напряжения (поскольку с ростом угла регулирования α увеличивается и фазовый угол ϕ1(1)), а также и достаточная сложность, как силовой части, так и блока управления ее управляемыми ключевыми элементами (УКЭ), что, в принципе, отражается на понижении его функциональной надежности.

Технической задачей, решаемой в изобретении, является улучшение ЭМС за счет обеспечения угла ϕ1(1)=0 при одновременном упрощении силовой части и блока управления ею.

Технический результат заключается в расширении диапазона регулирования напряжения (включая не только его понижение, но и повышение при сохранении угла ϕ1(1)=0) и повышении функциональной надежности устройства.

Это достигается тем, что в известном регулируемом трансформаторно-выпрямительном устройстве (РТВУ), содержащем m фазный трансформаторный блок напряжения (ТБН), по крайней мере, с одной первичной m фазной и двумя вторичными m фазными обмотками, а также два m фазных выпрямительных моста (ВМ), один из которых выполнен на диодах, входы ВМ подключены ко вторичным m фазным обмоткам, образуя таким образом два канала выпрямления напряжения, а также блок управления (БУ), снабжено шестью дросселями переменного тока, второй ВМ также выполнен на диодах, между выходными выводами каждого из ВМ подключен полностью управляемый ключевой элемент (УКЭ) и цепочка из последовательно соединенных разделительного диода и накопительного конденсатора, вторичные m фазные обмотки выполнены одинаковыми по числу витков и по одинаковой топологии, например, по схеме «звезда», дроссели переменного тока включены между свободными концами двух вторичных m фазных обмоток и входными выводами двух ВМ, БУ содержит двухканальный модулятор ширины импульсов (МШИ), выполненный с возможностью формирования на своих двух выходных выводах сигналов с тактовой частотой ƒт, сдвинутых между собой по фазе на полпериода тактовой частоты и регулируемых по длительности, а каждый из его выходных выводов подключен к управляющему входу одного из УКЭ. При этом в первом варианте исполнения РТВУ ТБН выполнен в виде одного трехфазного трансформатора напряжения (ТТН) с одной первичной и двумя вторичными трехфазными обмотками. Во втором варианте исполнения РТВУ ТБН выполнен в виде двух ТТН, каждый со своей вторичной трехфазной обмоткой и своей первичной трехфазной обмоткой, также предназначенной для подключения ее к сети. Кроме того, БУ содержит задатчик частоты (ЗЧ) с парафазными выходными сигналами с частотой ƒт, генератор пилообразного напряжения (ГПН) с тактовым входом, компаратор (К) с тактовым и управляющим входами и выходным сигналом S, а также два двухвходовых логических элемента «2И», выходы которых образуют выходы БУ с сигналами ψ1, ψ2 для управления УКЭ РТВУ, причем тактовый вход компаратора (К) подключен к выходу ГПН, управляющий его вход образует управляющий вход БУ, тактовый вход ГПН подключен к одному из выходов ЗЧ, а связи между входами первого и второго двухвходовых логических элементов «2И» с компаратором и ЗЧ определяются следующими логическими выражениями:

В одном из вариантов РТВУ выходы двух каналов, образованные одноименными по полярности обкладками накопительных конденсаторов, объединены и образуют его выходные выводы.

В другом варианте выходы двух каналов, образованные обкладками накопительных конденсаторов, соединены между собой согласно последовательно, а оставшиеся свободными выходные выводы 1-го и 2-го каналов образуют выходные выводы РТВУ.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены: на фиг. 1 принципиальная электрическая схема 1-го варианта силовой части РТВУ с блоком управления (БУ) и использованием одного трехфазного трансформатора напряжения (ТТН) и с суммированием токов каналов; на фиг. 2 схема 2-го варианта силовой части РТВУ (с БУ) с использованием двух ТТН и с суммированием токов каналов; на фиг. 3 схема 2-го варианта силовой части РТВУ (с БУ) с использованием двух ТТН и с суммированием напряжений каналов; на фиг. 4 упрощенная блок-схема БУ РТВУ; на фиг. 5 временные диаграммы, поясняющие логику формирования сигналов управления УКЭ РТВУ; на фиг. 6, фиг. 7 осциллограммы рабочих процессов, отражающие функциональную характеристику устройства РТВУ (для фиг. 6 при скважности работы УКЭ S=2, а для фиг. 7 при S=1,5).

Силовая часть РТВУ по 1-му варианту (на фиг. 1) содержит: трехфазный трансформаторный блок напряжения (ТТБН) 1 в варианте 3-х обмоточного трансформатора напряжения (ТТН) с одной первичной 3-х фазной обмоткой 1.1 и двумя одинаковыми (по числу витков и по топологии) вторичными обмотками 1.2 и 1.3; первый 2 и второй 3 активные выпрямительные каналы (АВК), каждый из которых выполнен в виде 3-х фазного выпрямительного диодного моста (ВМ) 2.4 и 3.4, входные выводы которых через дроссели переменного тока 2.1, 2.2, 2.3 и 3.1. 3.2, 3.3 подключены к соответствующим вторичным обмоткам 1.2 и 1.3 (соответственно). Между выходными выводами ВМ 2.4 и 3.4 подключены управляемые ключевые элементы (УКЭ) 2.5 и 3.5 соответственно, а также цепочки из последовательно соединенных диода 2.6 (и 3.6) и накопительного конденсатора 4.1 и 4.2 соответственно, одноименные по полярности обкладки которых в 1-м (фиг. 1) и 2-м (фиг. 2) вариантах РТВУ объединены, образуя общий для двух каналов накопительный конденсатор 4. Обкладки этого конденсатора образуют выходные выводы 5, 6 РТВУ, выполненные с возможностью подключения нагрузки 7. В этом случае суммируются выходные токи каналов.

Силовая часть РТВУ по 2-му варианту (на фиг. 2) от 1-го варианта на фиг. 1 отличается тем, что трехфазный трансформаторный блок напряжения (ТТБН) 1 выполнен в виде двух трехфазных трансформаторов напряжения (ТТН) TV1 и TV2, каждый из которых содержит собственные первичные трехфазные обмотки 1.1.1, 1.1.2 и собственные вторичные трехфазные обмотки 1.2, 1.3 соответственно. Одноименные по фазе входные выводы первичных трехфазных обмоток 1.1.1, 1.1.2 TV1 и TV2 объединены и подключены к одноименным фазам сети непосредственно (или при необходимости дополнительной фильтрации) через трехфазный Г образный LC фильтр).

Силовая часть РТВУ по 3-му варианту (на фиг. 3) от 2-го варианта на фиг. 2 отличается тем, что каждый его канал выполнен с собственным накопительным конденсатором 4.1 и 4.2 соответственно, при этом они соединены согласно последовательно, а их свободные и разноименные по полярности обкладки образуют выходные выводы 5, 6 РТВУ, выполненные с возможностью подключения нагрузки 7. При этой топологии суммируются выходные напряжения каналов. Первые два варианта используются для организации сильноточного выхода, а третий вариант - при организации высоковольтного выхода.

Для обеспечения управления РТВУ по всем трем вариантам силовой части в режимах стабилизации выпрямленного напряжения Ud0 или тока нагрузки Id0 используются датчик напряжения 8, своим входом подключенный к выходным выводам РТВУ 5, 6, или датчик тока 9, своим входом включенный последовательно с нагрузкой 7. Выходы датчиков 8, 9 подключены к соответствующим входам блока управления (БУ) 10. Таким образом, управление РТВУ (в режимах стабилизации напряжения или тока) обеспечивается БУ 10, выходы которого подключены к управляющим входам УКЭ 2.5 и 3.5., выполненным с возможностью формирования импульсов управления УКЭ 2.5 и 3.5.. К БУ 10 для обеспечения его электропитания подключен источник питания внутренних нужд (ИПВН) 11.

Блок управления (БУ) 10 на фиг. 4 содержит задатчик частоты (ЗЧ) 10.1 с парафазными выходными сигналами с частотой ƒт, генератор пилообразного напряжения (ГПН) 10.2 с тактовым входом (и пилообразной формой выходного напряжения - фиг. 5), компаратор (К) 10.3 с тактовым и управляющим входами и с выходным сигналом S, а также два двухвходовых логических элемента «2И» 10.4 и 10.5, выходы которых образуют выходы БУ с сигналами ψ1, ψ2 для управления УКЭ 2.5, 3.5 РТВУ, причем тактовый вход компаратора 10.3 подключен к выходу ГПН 10.2, а управляющий его вход образует управляющий вход БУ 10; тактовый вход ГПН подключен к одному из выходов ЗЧ 10.1, а связи между входами первого и второго двухвходовых логических элементов «2И» 10.4 и 10.5 с компаратором 10.3 и ЗЧ 10.1 определяются следующими логическими выражениями:

Временные диаграммы сигналов, используемых при описании принципа работы БУ по фиг. 4, представлены на фиг. 5.

Регулируемое трансформаторно-выпрямительное устройство работает следующим образом.

Осциллограммы, поясняющие принцип работу РТВУ, представлены на фиг. 6 ÷ фиг. 7. Принцип работы двухканального РТВУ (2-РТВУ) рассмотрим на примере работы одного его канала для одной фазы «А» (фиг. 6 а). Алгоритмы переключения УКЭ 2.5 и 3.5 двух каналов на фиг. 6 а, б и фиг. 7 а, б показаны пунктиром. На первом интервале (с угловой длительностью θ) включают УКЭ 2.5, и ток во вторичных обмотках 1.2 трех фаз первого канала (и в трех дросселях 2.1, 2.2, 2.3) начинает нарастать, замыкаясь через соответствующие диоды ВМ 2.4 и УКЭ 2.5. В конце заданного интервала проводимости θ УКЭ 2.5 выключают, и токи в трех указанных дросселях начинают спадать, протекая через уже ранее открытые диоды ВМ 2.4 и разделительный диод 2.6, заряжая накопительный конденсатор 4. После окончания работы 1-го канала начинает работать второй канал. Причем при α=0 его УКЭ 3.5 открывают одновременно с запиранием УКЭ 2.5 1-го канала, а при α>0 - после паузы α. При этом ток в дросселях 3.1, 3.2, 3.3 начинает нарастать, замыкаясь через соответствующие три диода ВМ 3.4 и УКЭ 3.5. В конце очередного интервала θ УКЭ 3.5 выключают, и ток дросселей 3.1, 3.2, 3.3, протекая через ранее открытые диоды ВМ 3.4 и разделительный диод 3.6, заряжает общий конденсатор 4. Далее, снова вступает в работу 1-й канал, и процессы повторяются. Таким образом, каждый канал двухканального трехфазного активного выпрямителя (2-ТАВ) отработал уже по одному такту. От такта к такту напряжение на конденсаторе 4 возрастает. Процесс его роста прекращается в момент, когда накопленная за один такт энергия в конденсаторе станет равной рассеиваемой в сопротивлении нагрузки энергии. Из этого следует, что значение выходного напряжения Ud0 определяется следующими параметрами:

1. Значением индуктивности дросселей переменного тока.

2. Значением сопротивления нагрузки.

3. Значением (тактовой) частоты переключения УКЭ.

4. Значением скважности работы УКЭ.

От значения этих же параметров зависят и искажения потребляемого из сети тока.

Результаты имитационного компьютерного моделирования (ИКМ) рабочих процессов в 2-РТВУ представлены на фиг. 6 (а-г) и фиг. 7 (а-г). Исходные данные при ИКМ - мощность нагрузки Pd0=10 кВт, параметры сети: амплитуда фазного напряжения U1m=100B с частотой ƒ=50 Гц; емкость буферного конденсатора С=100 мкФ; тактовая частота переключения УКЭ ƒт=800 Гц со скважностью S=2 (θ=180°; α=180° для фиг. 6) и S=1,5 (θ=240°; α=120° для фиг. 7). Осциллограммы на фиг. 7 подтверждают факт уменьшения искажений результирующего тока, потребляемого из сети (и определяемого коэффициентом гармоник тока Кг(i) при уменьшении угла регулирования α.

Таким образом, предлагаемое регулируемое трансформаторно-выпрямительное устройство обеспечивает меньшее значение входного коэффициента мощности по сравнению с прототипом за счет обеспечения при регулировании напряжения cosϕ1(1)=1. С увеличением числа каналов (больше двух) это преимущество последовательно возрастает из-за снижения искажений потребляемого тока. Диапазон регулирования напряжения по сравнению с прототипом больше (с кратностью не менее 3-х) даже в простейшем варианте реализации блока управления с ограниченным значением угла регулирования α.

В предлагаемом изобретении значительно меньшее (в 3 раза) число управляемых ключевых элементов (УКЭ) относительно прототипа, т.к. использованы 2 УКЭ вместо 6. Значительно упрощен блок управления, где используется только один ГПН и один компаратор и на два канала используется только один модулятор ширины импульсов (вместо 6 в прототипе). Такое упрощение повышает функциональную надежность устройства. Следует отметить, однако, что это упрощение достигается уменьшением диапазона регулирования выходного напряжения РТВУ. В результате проведенного эксперимента кратность повышения выходного напряжения Ud0 относительно амплитуды фазного напряжения U2m вторичной обмотки трансформатора здесь равна примерно 3. При необходимости увеличения этой кратности БУ уже может потребоваться другой, несколько более сложный. Однако, при этом некоторое его усложнение все равно не достигает сложности БУ в прототипе (2 модулятора вместо 6), а число управляемых КЭ при этом остается тем же (2 вместо 6).

Частота пульсаций выпрямленного напряжения определяется значением тактовой частоты РТВУ, а их уровень определяется скважностью работы УКЭ - чем она меньше, тем меньше уровень пульсаций.

К достоинствам изобретения следует отнести также высокую степень его адаптации к различным применениям - к различным уровням мощностей и к различным значениям уровней выходного напряжения Ud0. Требуемое увеличение выходной мощности обеспечивается увеличением числа каналов и модернизацией БУ.

Что касается значения уровня выходного напряжения Ud0, то он обеспечивается соответствующей настройкой уставки по напряжению (в контуре отрицательной обратной связи по напряжению (КООС); скважностью работы УКЭ и значением тактовой частоты.

Использование изобретения позволяет расширить диапазон регулирования напряжения (включая не только его понижение, но и повышение при сохранении угла ϕ1(1)=0) и повысить функциональную надежность устройства.

Формула изобретения

1. Регулируемое трансформаторно-выпрямительное устройство (РТВУ), содержащее m-фазный трансформаторный блок напряжения (ТБН) по крайней мере с одной первичной m-фазной и двумя вторичными m-фазными обмотками, а также два m-фазных выпрямительных моста (ВМ), один из которых выполнен на диодах, входы ВМ подключены ко вторичным m-фазным обмоткам, образуя таким образом два канала выпрямления напряжения, а также блок управления (БУ), отличающееся тем, что оно снабжено шестью дросселями переменного тока, второй ВМ также выполнен на диодах, между выходными выводами каждого из ВМ подключен полностью управляемый ключевой элемент (УКЭ) и цепочка из последовательно соединенных разделительного диода и накопительного конденсатора, вторичные m-фазные обмотки выполнены одинаковыми по числу витков и по одинаковой топологии, например по схеме «звезда», дроссели переменного тока включены между свободными концами двух вторичных m-фазных обмоток и входными выводами двух ВМ, БУ содержит двухканальный модулятор ширины импульсов (МШИ), выполненный с возможностью формирования на своих двух выходных выводах сигналов с тактовой частотой ƒт, сдвинутых между собой по фазе на полпериода тактовой частоты и регулируемых по длительности, а каждый из его выходных выводов подключен к управляющему входу одного из УКЭ.

2. РТВУ по п. 1, отличающееся тем, что ТБН выполнен в виде одного трехфазного трансформатора напряжения (ТТН) с одной первичной и двумя вторичными трехфазными обмотками.

3. РТВУ по п. 1, отличающееся тем, что ТБН выполнен в виде двух трехфазных трансформаторов напряжения (ТТН), каждый со своей вторичной трехфазной обмоткой и первичной трехфазной обмоткой для подключения ее к сети.

4. РТВУ по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что БУ содержит задатчик частоты (ЗЧ) с парафазными выходными сигналами с частотой ƒт, генератор пилообразного напряжения (ГПН) с тактовым входом, компаратор (К) с тактовым и управляющим входами и с выходным сигналом S, а также два двухвходовых логических элемента «2И», выходы которых образуют выходы БУ с сигналами ψ1 ψ2 для управления УКЭ РТВУ, причем тактовый вход компаратора подключен к выходу ГПН, управляющий его вход образует управляющий вход БУ, тактовый вход ГПН подключен к одному из выходов ЗЧ, а связи между входами первого и второго двухвходовых логических элементов «2И» с компаратором и ЗЧ определяются следующими логическими выражениями:

5. РТВУ по п. 1, отличающееся тем, что выходы двух каналов, образованные одноименными по полярности обкладками накопительных конденсаторов, объединены и образуют выходные выводы РТВУ.

6. РТВУ по п. 1, отличающееся тем, что выходы двух каналов, образованные обкладками накопительных конденсаторов, соединены между собой согласно последовательно, а оставшиеся свободными выходные выводы 1-го и 2-го каналов образуют его выходные выводы.

Изобретение " Регулируемое трансформаторно-выпрямительное устройство" (Мыцык Геннадий Сергеевич, Мье Мин Тант, Воронцов Кирилл Александрович) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога