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	2802419
Дата регистрации	28.08.2023
Правообладатель	Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ")
Область применения (класс МПК)	H02M 7/06 (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 с улучшенными массогабаритными показателями.

В принципе известно техническое решение трансформаторно-выпрямительного устройства (ТВУ) с во многом аналогичной (изобретению) структурой силовой части (см. рис. 3а на стр. 7 в журнале «Промышленная энергетика», 2021, №3). Оно содержит два 3-фазных выпрямительных моста, выполненных на диодах (ВДМ), и трехфазный трехобмоточный трансформатор напряжения (ТТН) с первичной 3-фазной обмоткой и двумя вторичными 3-фазными обмотками, одна из которых выполнена по схеме «звезда», а другая по схеме «треугольник», причем каждая вторичная обмотка подключена к трем входам одного из ВДМ, а выходы ВДМ одноименными по полярности выводами соединены параллельно.

Недостатком этого решения является ограниченные его функциональные возможности - оно не обеспечивает регулирования выпрямленного напряжения, например, для его стабилизации при нестабильности сетевого напряжения (от которого ТВУ получает электропитание).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является регулируемое трансформаторно-выпрямительное устройство (представленное на с. 62, рис. 2-24г в книге: Справочник по преобразовательной технике. (Под ред. И.М. Чиженко. - Киев: Техшка, 1978. - 447 с. ). Это решение содержит два 3-фазных выпрямительных моста (ВМ), один из которых выполнен на диодах, а другой на тиристорах, причем их выходы соединены последовательно, два 3-фазных двухобмоточных ТТН, вторичные 3-фазные обмотки у которых выполнены у одного по схеме «звезда», а у другого - по схеме треугольник», причем каждая из них подключена ко входам одного из ВМ, первичные 3-фазные обмотки ТТН выполнены по схеме «звезда» и предназначены для подключения их к сети электропитания, а также блок управления тиристорным ВМ. По структуре силовой части и по выполняемой функции данное решение является наиболее близким к настоящему изобретению, и поэтому оно выбрано за прототип.

Недостатком настоящего технического решения является низкое значение входного коэффициента мощности ТВУ, причем, как за счет искажений формы потребляемого из сети тока, так и за счет снижения cosϕ2(1), где ϕ2(1) - угол сдвига по фазе между основными (фазными) гармониками напряжения сети и потребляемого от нее тока.

Технической задачей, решаемой в изобретении, является уменьшение искажений потребляемого из сети тока при выполнении условия cosϕ2(1)=1.

Технический результат заключается в повышении входного коэффициента мощности ТВУ при одновременном упрощении силовой части и блока управления (БУ).

Это достигается тем, что известное регулируемое трансформаторно-выпрямительное устройство (РТВУ), содержащее m фазный трансформаторный блок напряжения (mФТБН), 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 этих ВМ подключены ко вторичным m фазным обмоткам, образуя таким образом два канала выпрямления напряжения, а также блок управления (БУ), снабжено m фазным фильтром, включающим в себя m число дросселей и m число конденсаторов, причем каждый из этих дросселей одним своим концом подключен к концу одной из фазных обмоток первичной m фазной обмотки, другие концы этих дросселей образуют входные силовые выводы РТВУ для подключения их к сети, каждый из m конденсаторов подключен между концами одной из m пар первичной m фазной обмотки, первичная m фазная и две вторичные m фазные обмотки выполнены на общем магнитопроводе, 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», БУ выполнен в виде двухканального модулятора ширины импульсов (ДМШИ) с возможностью формирования на своих двух выходных выводах сигналов с тактовой частотой причем сдвинутых между собой по фазе на полпериода тактовой частоты и регулируемых по длительности, а каждый из его выходных выводов предназначен для подключения его к управляющему входу одного из УКЭ.

В одном варианте РТВУ выходы двух каналов, образованные одноименными по полярности обкладками накопительных конденсаторов объединены и образуют два его выходных вывода.

В другом варианте РТВУ выходы двух каналов, образованные обкладками накопительных конденсаторов, соединены между собой согласно последовательно, а оставшиеся свободными выходные выводы 1-го и 2-го каналов образуют два его выходных вывода, между которыми подключен суммирующий конденсатор.

БУ выполнен в виде двухканального модулятора ширины импульсов (ДМШИ), содержащего задатчик частоты (ЗЧ) с парафазными выходными сигналами р, с частотой 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 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 34 определяются следующими логическими выражениями:

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены: на фиг. 1 - принципиальная электрическая схема 1-го варианта силовой части РТВУ с блоком управления (БУ) и с топологией выходной цепи, обеспечивающей суммирование токов каналов; на фиг. 2 - схема 2-го варианта силовой части РТВУ (с БУ) и с суммированием не токов, а напряжений каналов; на фиг. 3 - упрощенная блок-схема БУ РТВУ; на фиг. 4 - временные диаграммы, поясняющие логику формирования сигналов управления УКЭ РТВУ; на фиг. 5 - осциллограммы рабочих процессов, отражающие функциональную характеристику устройства РТВУ при тактовой частоте на фиг. 6 - укрупненная осциллограмма тока через УКЭ при на фиг. 7 - осциллограммы, отражающие функциональную характеристику устройства РТВУ при тактовой частоте

Силовая часть РТВУ по 1-му варианту (на фиг. 1) содержит трехфазный трансформатор напряжения (ТТН) 1 (при m=3) с одной первичной 3-фазной обмоткой 1.1 и двумя одинаковыми (по числу витков и по топологии) вторичными обмотками 1.2 и 1.3, расположенными на магнитопроводе 1.4; первый 2 и второй 3 активные выпрямительные каналы (АВК), каждый из которых выполнен в виде 3-фазного выпрямительного диодного моста (ВДМ) 2.1 и 3.1, входные выводы которых подключены к соответствующим вторичным обмоткам 1.2 и 1.3 ТТН (соответственно). Между выходными выводами ВДМ 2.1 и 3.1 подключены управляемые ключевые элементы (УКЭ) 2.2 и 3.2 соответственно, а также цепочки из последовательно соединенных диода 2.3 (и 3.3) и накопительного конденсатора 4, который в 1-м варианте РТВУ является общим для двух каналов. Обкладки этого конденсатора образуют выходные выводы 5, 6 РТВУ, выполненные с возможностью подключения нагрузки 7. На силовом входе РТВУ последовательно с первичной обмоткой 1.1 ТТН включено m=3 число дросселей переменного тока 8.1, 8.2, 8.3, которые образуют блок дросселей фильтра (БДФ) 8. Свободные концы его трех дросселей (8.1, 8.2, 8.3) образуют силовые входные выводы «А», «В», «С» РТВУ. К концам первичной обмотки 1.1 подключен также блок конденсаторов фильтра (БКФ) 9. Его конденсаторы 9.1, 9.2, 9.3 могут быть соединены как по топологии «треугольник» (как показано на фиг. 1, 2), так и по топологии «звезда».

Во втором варианте (по фиг. 2) силовая часть РТВУ отличается тем, что в каждом канале на его выходе установлен индивидуальный накопительный конденсатор - 4.1 и 4.2 соответственно, и эти конденсаторы соединены согласно последовательно, а их свободные обкладки образуют выходные выводы 5, 6 РТВУ. Между ними подключен суммирующий конденсатор 4.3.

Управление УКЭ 2.2. 3.2 обеспечивается блоком управления (БУ) 10. Информация о выходном напряжении обеспечивается датчиком выпрямленного напряжения (ДН) 11, который своим входом подключен к обкладкам накопительного конденсатора 4 (в варианте по фиг. 1) или конденсатора 4.3 (в варианте по фиг. 2).

Информация о токе нагрузки поставляется датчиком тока 12, включенным своим входом последовательно в цепь нагрузки. Электропитание БУ 10 обеспечивает источник питания внутренних нужд 13, получающий электроэнергию от одной из обмоток ТТН.

Блок управления (БУ) 10 (фиг. 3) содержит двухканальный модулятор ширины импульсов (ДМШИ), выполненный в виде задатчика частоты (34) 10.1 с парафазными выходными сигналами р, с тактовой частотой где - частота сетевого напряжения генератора пилообразного напряжения (ГПН) 10.2 с тактовым входом, 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 с сигналами подключены ко входам драйверов 10.6 и 10.7. Выходы последних образуют выходы БУ для подключения их к управляющим входам УКЭ 2.2, 3.2 РТВУ. При этом 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 34 10.1, а связи между входами первого и второго двухвходовых логических элементов «2И» 10.4 и 10.5 с компаратором 10.3 и 34 10.1 определяются следующими логическими выражениями:

Регулируемое трансформаторно-выпрямительное устройство работает следующим образом.

Временные диаграммы, поясняющие принцип управления двухканальным РТВУ (2-РТВУ) при m=3, представлены на фиг. 4, а осциллограммы, иллюстрирующие работу силовой его части, - на фиг. 5 и фиг. 6. Функционирование устройства рассмотрим на примере работы одного его канала для одной фазы «А» (фиг. 4). Алгоритмы переключения УКЭ 2.2 и 3.2 двух каналов, ψ1, ψ2 показаны на фиг. 4 На первом интервале (с угловой длительностью θ) включают УКЭ 2.2 и вторичная обмотка 1.2 ТТН 1 вводится, по сути, в режим короткого замыкания (КЗ). В результате токи в трех фазах двух обмоток 1.1, 1.2, первого канала начинают нарастать с постоянной времени контура (где rэ - его эквивалентное активное сопротивление, Ls - индуктивность рассеяния 3-фазных m(=3) обмоток ТТН 1), по которому замыкается ток КЗ (через указанные обмотки 1.2 и 1.1, диоды ВДМ 2.1 и УКЭ 2.2). В конце заданного интервала проводимости θ УКЭ 2.2 выключают, и токи (индуктивного характера) в двух этих обмотках 1.2 и 1.1 начинают спадать, протекая через уже ранее открытые диоды ВДМ 2.1 и разделительный диод 2.3, заряжая накопительный конденсатор 4. Таким образом, накопительный конденсатор 4 заряжается энергией, накопленной в 3-х индуктивностях (Ls) вторичной 3-фазной обмотки 1.2 и в 3-х индуктивностях (Ls) первичной 3-фазной обмотки 1.1. Принципиальным условием формирования тока в первичной обмотке 1.1 является прерывистый его характер (с учетом того, что пауза между соседними импульсами тока будет находиться (лежать) на форме (кривой) тока холостого хода - XX). После окончания работы 1-го канала начинает работать второй канал. Причем при α=0 его УКЭ 3.2 открывают одновременно с запиранием УКЭ 2.2 1-го канала, а при α>0 - после паузы α. При этом токи в обмотках 1.3 и 1.1, начинают нарастать, (с той же постоянной времени τ), замыкаясь через соответствующие обмотки, три диода ВДМ 3.1 и УКЭ 3.2. В конце очередного интервала 8 УКЭ 3.2 выключают, и индуктивные токи обмоток 1.3, 1.1, протекая через ранее открытые диоды ВДМ 3.1 и разделительный диод 3.3, заряжают общий накопительный 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 накопительном конденсаторе 4 возрастает. Процесс его роста прекращается в момент, когда накопленная за один такт энергия в накопительном конденсаторе 4 станет равной рассеиваемой в сопротивлении нагрузки 7 энергии. Из этого следует, что значение выходного напряжения Ud0 определяется следующими параметрами:

1. Значением индуктивности рассеяния - Ls трех 3-фазных обмоток.

2. Значением эквивалентного активного сопротивления контура КЗ-rэ.

3. Значением сопротивления нагрузки.

4. Значением (тактовой) частоты переключения УКЭ, которая определяет (угловую) длительность интервала - θ накопления энергии в индуктивностях рассеяния (соответствующих) 3-фазных обмоток.

5. Значением скважности работы

Дальнейшее улучшение качества этого тока обеспечивается установкой на входе РТВУ 3-фазного Г образного LC фильтра, реализованного на фиг. 1, фиг. 2 в виде двух блоков 8 и 9 (индуктивного и емкостного характера соответственно). Что касается конденсаторов фильтра, то при тактовой частоте 10 кГц их (и в 2 раза большей частоте квантования импульсов в первичной обмотке ТТН) значения индуктивности дросселя фильтра и емкости фильтра (как показало моделирование) незначительны (0,05 мГн и 10 мкФ) и, по сути, не нарушает прогнозируемый положительный эффект, особенно относительно гипотетического решения РТВУ с использованием реальных накопительных дросселей. Таким образом, дополнительно к выше приведенным 5 факторам следует добавить еще один - 6-ой:

6. Значениями параметров Сф и Lф входного фильтра.

От значения всех этих шести параметров зависят также и искажения потребляемого из сети тока. Задача оптимизации всех этих значений параметров по критерию минимума искажений потребляемого тока (причем только в одном заданном, например, номинальном режиме) была решена на основе компьютерного моделирования. Некоторые результаты имитационного компьютерного моделирования (ИКМ) рабочих процессов в двухканальном РТВУ представлены на фиг. 5, где показаны: а) - фазное напряжение сети и потребляемый из нее ток; б) - выпрямленное напряжение; в) - ток в первичной обмотке и ток, потребляемый из сети; г) - ток через УКЭ. Результаты получены при следующих значениях параметров: напряжение сети с частотой значения индуктивностей первичной и вторичной обмоток (соответственно) коэффициент магнитной связи между обмотками ТТН частота переключения УКЭ (тактовая частота) емкость накопительного конденсатора 4 на выходе (фиг. 1) емкость конденсатора входного Г образного LC фильтра индуктивность входного фильтра Значения полной мощности на входе и на выходе РМИТВУ

Снижение тактовой частоты в 5 раз приводит к увеличению значений параметров фильтра. Результаты имитационного компьютерного моделирования рабочих процессов в РТВУ представлены на фиг. 7 (полученных при следующих значениях параметров моделирования): при скважности S=3 (θ=120°; α=240°); ).

Особенностью изобретения является отказ от явно выраженных накопительных дросселей переменного тока, традиционно устанавливаемых в силовой части активных выпрямителей такого типа. Это существенно упрощает технологию изготовления РТВУ. Их функция здесь возложена на индуктивности рассеяния фазных обмоток которые реально (с тем или иным значением) всегда в каждой обмотке присутствуют. Этими индуктивностями (Ls) в значительной мере определяются характеристики РТВУ, включая, прежде всего, значение его тактовой частоты - она должна быть существенно больше, чем в известных решениях с дросселями. Кроме того, по сравнению с прототипом в данном изобретении используется 2 УКЭ вместо 6, что также упрощает технологию изготовления РТВУ.

Упрощение БУ 10 по отношению к прототипу состоит в том, что в нем используется только один ДКМШИ (вместо 6). Следует отметить, однако, что это упрощение достигается уменьшением диапазона регулирования выходного напряжения РТВУ. В результате проведенного эксперимента кратность повышения выходного напряжения относительно амплитуды фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора здесь равна примерно 3, что все равно превосходит кратность регулирования 2 в прототипе. При необходимости увеличения этой кратности может потребоваться уже другой, несколько более сложный БУ.

Преимущество изобретения РТВУ перед решением в прототипе заключается также в значительно уменьшенных искажениях потребляемого из сети тока за счет: 1) новой структурно-алгоритмической организации его силовой цепи (введения УКЭ 2.2 и 3.2 разделительных диодов 2.3, 3.3 и входного индуктивно-емкостного фильтра 8, 9); 2) принципиально иного алгоритма управления УКЭ и реализующего его БУ 10.

Для снижения максимального значения импульсов токов в первичной и вторичной обмотках можно использовать две возможности: а) - увеличивать значение накопительных индуктивностей при заданной тактовой частоте (за счет уменьшения коэффициента магнитной связи между обмотками ТТН); б) - увеличивать значение тактовой частоты при заданном значении накопительной индуктивностей (то есть, при ).

Основная функционально-параметрическая особенность изобретения в том, что необходимое значение достигается в тех режимах, при которых ток во вторичных обмотках является разрывным (т.е. с паузами между импульсами тока). Как только он начинает быть непрерывным, он (а также ток в первичной обмотке) сразу же начинает сдвигаться по фазе (в сторону отставания), что ухудшает значение входного коэффициента мощности РТВУ. По этой причине искажения тока в первичной обмотке оказываются значительными. Для уменьшения значения этого показателя в изобретении установлен входной фильтр, а для улучшения его массогабаритных показателей тактовая частота повышена до нескольких кГц. При этом ток, потребляемый из сети, становится непрерывным с меньшими искажениями и с

Отличительной особенностью изобретения является повышенное значение максимального значения импульсного тока, протекающего через управляемый ключевой элемент (УКЭ), см. фиг. 7. Однако, эти импульсы имеют достаточно большую скважность (порядка 5÷6)

В результате действующее значение этого тока (которым определяются потере в УКЭ) в 4 раза меньше максимального значения этого (импульсного) тока.

Использование изобретения позволяет повысить входной коэффициент мощности ТВУ при одновременном упрощении силовой части и блока управления.

Формула изобретения

1. Регулируемое трансформаторно-выпрямительное устройство (РТВУ), содержащее m-фазный трансформаторный блок напряжения (mФТБН) 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 этих ВМ подключены ко вторичным m-фазным обмоткам, образуя таким образом два канала выпрямления напряжения, а также блок управления (БУ), отличающееся тем, что оно снабжено m-фазным фильтром, включающим в себя m дросселей и m конденсаторов, причём каждый из этих дросселей одним своим концом подключён к концу одной из фазных обмоток первичной m-фазной обмотки, другие концы этих дросселей образуют входные силовые выводы РТВУ, каждый из m конденсаторов подключён между концами одной из m пар первичной m-фазной обмотки, первичная m-фазная и две вторичные m-фазные обмотки выполнены на общем магнитопроводе, второй ВМ также выполнен на диодах, между выходными выводами каждого из ВМ подключён полностью управляемый ключевой элемент (УКЭ) и цепочка из последовательно соединённых разделительного диода и накопительного конденсатора, вторичные m-фазные обмотки выполнены одинаковыми по числу витков и по одинаковой топологии, например по схеме «звезда», БУ выполнен в виде двухканального модулятора ширины импульсов (ДМШИ) с возможностью формирования на своих двух выходных выводах сигналов с тактовой частотой fт>>f1, причём сдвинутых между собой по фазе на полпериода тактовой частоты и регулируемых по длительности, а каждый из его выходных выводов предназначен для подключения его к управляющему входу одного из УКЭ.

2. РТВУ по п. 1, отличающееся тем, что выходы двух каналов, образованные одноимёнными по полярности обкладками накопительных конденсаторов, объединены и образуют два его выходных вывода.

3. 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 два его выходных вывода, между которыми подключен суммирующий конденсатор.

4. РТВУ по пп. 1, 2, 3, отличающееся тем, что БУ выполнен в виде двуканального модулятора ширины импульсов (ДМШИ), содержащего задатчик частоты (ЗЧ) с парафазными выходными сигналами p, с частотой fт, 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 для управления УКЭ РТВУ, причём тактовый вход компаратора подключён к выходу ГПН, управляющий его вход образует управляющий вход БУ, тактовый вход ГПН подключён к одному из выходов ЗЧ, а связи между входами первого и второго двухвходовых логических элементов «2И» с компаратором и ЗЧ определяются следующими логическими выражениями:

,

.

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