способ управления преобразователем трехфазного напряжения в постоянное

Формула изобретения

1. СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ТРЕХФАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ, выполненным в виде неуправляемого мостового выпрямителя, входы которого служат для подключения к фазным выводам сети, а выходы через первый и второй управляемые ключи связаны с выходными выводами преобразователя, и цепочки из двух соединенных последовательно и согласно диодов, анод первого из которых подключен к отрицательному, катод второго - к положительному выходным выводам преобразователя, и общей точкой соединенных с нулевым выводом сети, заключающийся в том, что формируют две синхронизированные с напряжением сети последовательности управляющих импульсов с частотой, равной утроенной частоте напряжения сети, в соответствии с которыми производят переключения первого и второго ключей, причем при регулировании выходного напряжения преобразователя в диапазоне 3U_m / - 3U_m(-1)/,, где Um - амплитуда фазного напряжения сети, формируют первую последовательность регулировочных импульсов, в соответствии с которой производят дополнительные противотактные переключения первого и второго ключей на каждом полупериоде последовательности управляющих импульсов, а для регулирования выходного напряжения преобразователя в диапазоне 3U_m(-1)/ формируют вторую последовательность регулировочных импульсов, в соответствии с которой дополнительно выключают открытый ранее ключ, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей преобразователя за счет увеличения диапазона регулирования выходного напряжения до 3 U_m/, формируют третью последовательность регулировочных импульсов, в соответствии с которой на соответствующем полупериоде последовательности управляющих импульсов дополнительно включают закрытый ранее ключ.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что выпрямляют приведенные фазные напряжения сети и сравнивают их с сигналом управления, в результате чего получают дополнительные последовательности регулировочных импульсов, причем для получения первой последовательности регулировочных импульсов упомянутый сигнал управления изменяют в диапазоне U¹_m/2 - U¹_m/2 , для получения второй последовательности регулировочных импульсов его изменяют в диапазоне U_m^" / 2 - 0, а для получения третьей последовательности регулировочных импульсов сигнал управления изменяют в диапазоне U¹_m/2 - U¹_m, где U_m^" - амплитуда приведенного фазного напряжения сети.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при использовании преобразователя, реализующего предлагаемый способ, в качестве сетевого выпрямителя при построении источников вторичного электропитания с бестрансформаторным входом и регулируемым в широких пределах выходным напряжением улучшенного качества.

Известен способ управления преобразователем [1], выполненным в виде управляемого трехфазного мостового выпрямителя на однооперационных тиристорах, изменением угла включения которых достигается регулирование выходного напряжения.

Недостатком такого решения является сложность формирования большого количества управляющих сигналов тиристоров.

Известен также способ управления преобразователем [2], выполненным в виде трехфазного мостового выпрямителя, входы которого предназначены для подключения к соответствующим фазам сети, а выходы связаны через управляемые ключи с положительным и отрицательным выходными выводами преобразователя, причем параллельно последним включена цепочка из двух соединенных последовательно и согласно диодов, катод одного из которых соединен с положительным выходом преобразователя, а анод другого - с отрицательным. Точка соединения этих диодов образует дополнительный входной вывод для подключения к нулевой точке трехфазной сети. Способ управления упомянутыми ключами состоит в их переключении в соответствии с противофазными синхронизированными с сетью сигналами управления прямоугольной формы со скважностью импульсов, равной двум, и периодом 2 /3, где 2 - период сетевого напряжения. При данном способе управления на выходе преобразователя формируется 6-пульсное напряжение, состоящее из сегментов фазных напряжений сети на интервалах /3-2 / 3, что и определяет его относительно низкий уровень.

Недостатком этого решения является отсутствие функции регулирования выходного напряжения преобразователя.

Наиболее близким по существу технического решения является способ управления преобразователем, выполненным аналогично описанному в [2], и позволяющим регулировать выходное напряжение преобразователя. Способ управления состоит в том, что формируют две последовательности управляющих импульсов с частотой, равной утроенной частоте напряжения сети, синхронизируют их с упомянутым напряжением сети, формируют первую и вторую последовательности регулировочных импульсов и подают их на управляющие входы ключей преобразователя, в соответствии с первой из которых переключают первый и второй ключи на каждом из полупериодов последовательностей управляющих импульсов и обеспечивают регулирование в диапазоне от 3U_m/ до 3U_m(-1)/, а в соответствии с второй последовательностью регулировочных импульсов включают открытый ранее ключ на соответствующем полупериоде последовательности управляющих импульсов и обеспечивают регулирование выходного напряжения преобразователя в диапазоне от 3(-1)U_m/ до 0, где U_m - амплитуда фазного напряжения сети, причем длительность регулировочных импульсов изменяют при этом от 0 до /3 симметрично относительно середины полупериода последовательности управляющих импульсов.

Недостатком этого способа явялется относительно узкий диапазон регулирования выходного напряжения преобразователя.

Цель изобретения заключается в расширении функциональных возможностей преобразователя за счет увеличения диапазона регулирования выходного напряжения до 3 U_m/.

Цель достигается тем, что в известном способе управления преобразователем трехфазного напряжения в постоянное, выполненным в виде неуправляемого мостового выпрямителя, входы которого служат для подключения к фазным выводам сети, а выходы через первый и второй управляемые ключи связаны с выходными выводами преобразователя, и цепочки из двух соединенных последовательно и согласно диодов, анод первого из которых подключен к отрицательному, катод второго - к положительному выходному выводу преобразователя, и общей точкой соединенных с нулевым выводом сети, заключающемся в том, что формируют две синхронизированные с напряжением сети последовательности управляющих импульсов с частотой, равной утроенной частоте напряжения сети, в соответствии с которыми производят переключения первого и второго ключей, причем при регулировании выходного напряжения преобразователя в диапазоне от 3U_m/ до 3(-1)U_m/ , где U_m - амплитуда фазного напряжения сети, формируют первую последовательность регулировочных импульсов, в соответствии с которой производят дополнительные противотактные переключения первого и второго ключей на каждом полупериоде последовательности управляющих импульсов, а для регулирования выходного напряжения преобразователя в диапазоне от 3(-1)U_m/ до 0 формируют вторую последовательность регулировочных импульсов, в соответствии с которой дополнительно выключают открытый ранее ключ, формируют третью последовательность регулировочных импульсов, в соответствии с которой на соответствующем полупериоде последовательности управляющих импульсов дополнительно включают закрытый ранее ключ.

Для формирования последовательностей регулировочных импульсов выпрямляют приведенные фазные напряжения сети и сравнивают их с сигналами управления, в результате чего получают первую дополнительную последовательность регулировочных импульсов, при этом сигнал управления изменяют в диапазоне от U/2 до U_m"/2, для получения второй последовательности регулировочных импульсов его изменяют в диапазоне от U_m"/2 до 0, а для получения третьей последовательности регулировочных импульсов сигнал управления изменяют в диапазоне от U/2 до U_m", где U_m" - амплитуда приведенного фазного напряжения сети.

На фиг.1 - временные диаграммы, поясняющие принцип формирования управляющих сигналов в соответствии с предложенным способом для случая, когда число регулировочных импульсов на полупериоде 0 - /3 сигнала управления одного из ключей равно двум; на фиг.2, 3 - принципиальная схема силовой части преобразователя, реализующего предложенный способ управления; на фиг.4 - вариант структурной схемы устройства для управления преобразователем по фиг.2; на фиг.5 - временные диаграммы, поясняющие принцип работы устройства управления по фиг.4.

Преобразователь трехфазного напряжения в постоянное (фиг.2) содержит трехфазный мостовой выпрямитель на диодах 1-6, входы которого подключаются к соответствующим фазам сети А, В, С. Катоды диодов 1-3 объединены и подключены к положительному выходному выводу преобразователя через транзисторный ключ 7, а аноды диодов 4-6 также объединены и подключены к отрицательному выходному выводу преобразователя через транзисторный ключ 8. Параллельно выходным выводам преобразователя включена цепочка из двух соединенных последовательно и согласно диодов 9, 10, средняя точка которых соединена с нулевым выводом сети. Катод диода 9 подключен к положительному, а анод диода 10 - к отрицательному выходному выводу преобразователя.

Сущность способа формирования последовательностей управляющих сигналов ₁, ₂ транзисторами 7, 8 поясняется временными диаграммами на фиг.1. В нерегулируемом варианте противотактные последовательности управляющих сигналов ₁, ₂ формируют со скважностью, равной двум, и частотой, равной утроенной частоте напряжения сети. В соответствии с первой последовательностью ₁ управляющего сигнала в этом случае обеспечивается открытое состояние ключа 7 в течение полупериода данного сигнала на интервале /3-2 /3 напряжения сети, а в соответствии с второй ₂ последовательностью - открытое состояние ключа 8 на интервале 0- /3. Выходное напряжение U_d преобразователя имеет при этом максимальное значение, равное 3U_m/ .

Для обеспечения регулирования выходного напряжения U_d формируют первую и вторую последовательности регулировочных импульсов, в соответствии с которыми обеспечивают дополнительные переключения ключей 7, 8 преобразователя. Так, в соответствии с первой последовательностью регулировочных импульсов на интервале проводимости 0- /3 обеспечивают дополнительные включения ключа 7 и противотактные им выключения ключа 8 длительностью , а на интервале /3- 2 /3 - соответственно выключения ключа 8 той же длительности (см. ₁,₂ при ₂ на фиг.1). При достижении упомянутой первой последовательностью регулировочных импульсов длительности = /3 (равной полупериоду управляющих сигналов ₁, ₂) в соответствии с последовательностями управляющих сигналов ₁и₂ будет обеспечено открытое состояние ключа 7 и закрытое состояние ключа 8 на интервале 0- /3, а также закрытое состояние ключа 7 и открытое состояние ключа 8 на интервале /3-2 /3 напряжения сети (см. ₁, ₂ при U_d5 на фиг.1). При таком расположении последовательностей регулировочных импульсов выходное напряжение U_d преобразователя формируется следующим образом. На интервале проводимости 0- (где - текущее значение длительности регулировочных импульсов, изменяющее от 0 до /3), когда ключ 7 открыт, а ключ 8 закрыт, выходное напряжение U_d преобразователя является частью фазного напряжения U_c, на интервале проводимости -( /3 -), когда открывают ключ 8 и запирают ключ 7,- частью фазного напряжения U_в, на интервале проводимости ( /3 - ) - /3, когда ключ 7 вновь открывают, а ключ 8 закрывают, частью фазного напряжения U_A. При увеличении относительная доля напряжения U_В на рассматриваемом интервале уменьшается. Так, при = /3 выходное напряжение U_d5 будет состоять лишь из частей напряжений U_C и U_A. Сигналы управления ₁и ₂при этом примут форму, инверсную по отношению к исходным сигналам при = 0. При изменении в вышеуказанном диапазоне от 0 до /3 обеспечивается изменение выходного напряжения U_d преобразователя от 3U_m/ до 3U_m(-1)/. Модуляция напряжения U_d при этом будет частичной.

В целях дальнейшего уменьшения выходного напряжения в соответствии с второй последовательностью регулировочных импульсов обеспечивают выключения ключа 7 на новом интервале его проводящего состояния 0- /3 и выключения ключа 8 на интервале /3-2 /3 (см. ₁и₂ при ₃ на фиг.1). Таким образом, для обеспечения регулирования напряжения U_d в диапазоне 0-3(-1)U_m/ сигналы управления ₁ подают только на интервале работы ключа 0- /3 в виде симметрично расположенных относительно середины данного интервала импульсов длительностью (на фиг.1 для некоторого угла ₃). Выходное напряжение U_d при этом промодулировано полностью.

Для расширения диапазона регулирования выходного напряжения до 3 U_m/ в соответствии с третьей последовательностью регулировочных импульсов обеспечивают включения ключа 7 на интервале его закрытого состояния 0- /3 последовательности управляющих импульсов, поддерживая включенным ключ 8, а также дополнительно включая ключ 8 на интервале /3-2 /3, не выключая ключа 7 (см. ₁ и ₂ при ₁ фиг.1).

При этом на интервалах совместного включения ключей 7 и 8 выходное напряжение соответствует уровню линейного напряжения сети (см. U_d1 на фиг. 1). При постоянно включенных ключах 7 и 8 схема на фиг.2, 3 трансформируется по своим функциональным характеристикам в обычный неуправляемый трехфазный выпрямительный мост с выходным напряжением 3 U_m/. Таким образом обеспечивается регулирование в диапазоне от 3U_m/ до 3 U_m/. Вариант устройства для управления преобразователем, реализующим данный способ, представлен на фиг.4. Оно содержит трехфазный измерительный трансформатор 11 напряжения, комплект первичных обмоток которого соединен в звезду и выводами подключен к фазам сети А, В, С, первый комплект вторичных обмоток также соединен в звезду и выводами U_A, U_B, U_C подключен к неинвертирующим входам компараторов 12-14, инвертирующие входы которых объединены и подключены к нулевой точке данного комплекта вторичных обмоток трансформатора 11. Выходы a, b, c компараторов 12-14 соединены с парой входов трех элементов 2И 15-17, выходами подключенных к входам элемента 3ИЛИ-НЕ 18 с выходом y. Другой комплект вторичных обмоток измерительного трансформатора 11 напряжения выполнен гальванически пофазно развязанным и выходами подключен к входам выпрямительных мостов 19-21, одни выходы которых объединены и связаны с общей шиной устройства, а другие соответственно подключены к неинвертирующим входам компараторов 22-24, инвертирующие входы которых объединены и предназначены для подачи на них сигнала регулирования U_y. Выходы а", b", c" компараторов 22-24 соединены с парой соответствующих входов элементов 2И 25-27 с выходами р₁-р₃, с входами элемента 3И 28 с выходом х и с входом элемента 3ИЛИ 29 с выходом . Выходы элементов 2И 25-27 подключены к входам элемента 3ИЛИ-НЕ 30 с выходом z, который подключен к одним входам элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 31, 32 с выходами q₁, q₂ соответственно. Выход элемента 3И 28 подключен к одним входам элементов 2ИЛИ 33, 34 с выходами ₁,₂, другие входы которых связаны с выходом y элемента 3ИЛИ-НЕ 18, причем вход элемента 33 - непосредственно, а элемента 34 - через элемент НЕ 35. Выходы ₁, ₂элементов 33, 34 соединены с другими входами элементов 31, 32, выходы q₁, q₂ которых в свою очередь подключены к одним входам элементов 2И 36, 37, другие входы которых объединены и подключены к выходу элемента 3ИЛИ 29. Выходы ₁, ₂ элементов 2И 36, 37 являются выходными выводами устройства управления.

Принцип работы устройства поясним с помощью временных диаграмм на фиг. 5. Принятые обозначения: U_a, U_b, U_c - система напряжений вторичных обмоток трансформатора 11; a, b, c - выходные сигналы компараторов 12-14; y - выходной сигнал элемента 3ИЛИ-НЕ 18; a", b", c" - выходные сигналы компараторов 22-24; х - выходной сигнал элемента 3И 28; z - выходной сигнал элемента 3ИЛИ-НЕ 30; ₁, ₂ - выходные сигналы элементов 2ИЛИ 34, 33; р₁, р₂, р₃ - выходные сигналы элементов 2И 25-27; q₁, q₂ - выходные сигналы элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 31, 32; - выходной сигнал элемента 3ИЛИ 29.

Измерительный трансформатор 11 напряжения согласует сетевое напряжение с уровнем входного напряжения компараторов 12-14 и 22-24, первая группа которых осуществляет выделение информации о положительном полупериоде системы напряжений U_a, U_b, U_c, преобразуя их соответственно в систему напряжений a, b, c, вторая группа компараторов 22-24 осуществляет сравнение выпрямленных (с помощью выпрямителей 19-21) напряжений U_a, U_b, U_c с сигналом управления U_y, формируя таким образом систему напряжений a", b", c" c регулируемой паузой . Различным значениям U_yi будут соответствовать значения _i (на фиг.5 i = 1, 2, 3).

Сигнал y формируется путем попарного сравнения импульсов a, b, c в элементах 2И 15-17 и последующего логического суммирования в элементе 3ИЛИ-НЕ 18, где интервалу логической "1" будут соответствовать интервалы логических нулей одновременно любых двух сигналов из систем a, b, c. Аналогично формируется и сигнал z путем обработки импульсов a", b", c" в элементах 2И 25-27 и 3ИЛИ-НЕ 30.

Сигналы х и формируют путем сравнения сигналов a", b", c" с помощью элементов 3И 28 и 3ИЛИ 29 соответственно. При регулировании напряжения в диапазоне от 3 U_m/ до 3U_m/ (при изменении уровня сигнала управления U_y от U/2 до U_m", соответствующего получению третьей последовательности регулировочных импульсов) сигнал равен логической "1", z - "0", а информацию о длительности регулировочных пауз несет сигнал х (см. систему сигналов при ₁ (или соответственно при U_y1) на фиг.5).

При регулировании напряжения в диапазоне от 3U_m/ до 3U_m(-1)/ (при изменении уровня сигнала управления от U/2 до U_m"/2, соответствующего получению первой последовательности регулировочных импульсов) сигнал по-прежнему равен "1", сигнал х становится равным "0", а информацию о длительности пауз несет сигнал z (см. систему сигналов при ₂ (или соответственно при U_y2) на фиг.5).

Таким же образом при регулировании напряжения в диапазоне от 3(-1)U_m/ до 0 (при изменении уровня сигнала управления U_y от U_m"/2 до 0, соответствующего получению второй последовательности регулировочных импульсов) сигнал х остается равным "0", сигнал z становится равным "1", а информацию о длительности пауз несет сигнал (см. систему сигналов при ₃ (при U_y3) на фиг.5).

Элементы 33-37 служат для согласования последовательности управляющих импульсов y с последовательностями регулировочных импульсов х, , z и для формирования таким образом сигналов управления ₁,₂, которые после усиления и гальванической развязки подают на соответствующие управляющие входы транзисторов 7, 8 преобразователя (фиг.2, 3). Вариант устройства управления (фиг. 4) позволяет реализовать предложенный способ, проиллюстрированный на фиг.1, для числа импульсов регулируемой длительности на интервале 0- /3, равном двум. Принципиальных ограничений на построение устройства управления, формирующего любое число таких импульсов, нет.

Способ управления позволяет увеличить диапазон регулирования выходного напряжения преобразователя до 3 U_m/ , расширив тем самым область его применения. Кроме того, трехзонное регулирование (в диапазоне 0-3(-1)U_m/ ; 3(-1)U_m/-3U_m/ ; 3U_m/-3 U ) обладает таким известным преимуществом для частично модулированных сигналов, как повышенное качество выходного напряжения.