Преобразователь переменного трехфазного напряжения в постоянное
Настоящая полезная модель относится к системам электропитания, в частности к устройствам преобразования электрической энергии и может быть использовано для получения из трехфазного напряжения 380 В стабилизированного постоянного напряжения необходимой величины и для обеспечения двухстороннего обмена энергией между цепями переменного и постоянного тока или как вторичный источник питания регулируемого электропривода переменного тока. (07) Целью полезной модели является схемотехническая реализация электрического преобразователя трехфазного напряжения 380 В 50 Гц в постоянное стабилизированное напряжение как выше, так и ниже амплитуды первой гармоники напряжения питающей сети с возможностью обеспечения:
- двухсторонней энергетической связи между цепями переменного и постоянного тока;
- синусоидальной формы потребляемого из сети тока;
- компенсации реактивной мощности других потребителей мощности в сети.
Описанные преимущества достигаются тем, что преобразователь содержит микроконтроллер, который управляет длительностью включенного и выключенного состояния IGBT-транзисторов трехфазного мостового инвертора и может осуществлять изменение и стабилизацию уровня выходного напряжения. Положительный эффект предложения заключается в упрощении схемы преобразователя, повышении его универсальности, увеличении КПД и надежности, и улучшении качества потребляемой от сети энергии.
Полезная модель относится к системам электропитания, в частности к устройствам преобразования электрической энергии и может быть использована для получения из трехфазного напряжения 380 В стабилизированного постоянного напряжения необходимой величины и для обеспечения двухстороннего обмена энергией между цепями переменного и постоянного тока или как вторичный источник питания регулируемого электропривода переменного тока.
Известен стабилизирующий преобразователь переменного трехфазного напряжения в постоянное (патент РФ на полезную модель 
63134). Стабилизирующий преобразователь содержит последовательно включенные радиочастотный фильтр, входной выпрямитель, блок измерения и защиты входной, емкостной фильтр, транзисторный высокочастотный инвертор, высокочастотный понижающий трансформатор, выходной выпрямитель, LC-фильтр и блок измерения и защиты выходной. Имеется также блок управления, входы которого соединены с потенциальным измерительным выходом блока измерения и защиты выходного и токовыми и потенциальными измерительными выходами блока измерения и защиты выходного, а выходы - с управляющими входами инвертора и коммутирующими входами блока измерения и защиты выходного.
Недостатком известного решения является невозможность потребления от питающей сети синусоидального тока и невозможность установления входного тока в фазе с питающим напряжением.
Известен преобразователь трехфазного переменного напряжения (патент РФ на полезную модель 106465), содержащий трансформатор с первичной и вторичной обмотками, расположенными на однофазном магнитопроводе, первичная обмотка которого подключена к четырех проводной трехфазной сети через вентильный мост и управляемые вентильные элементы, а вторичная обмотка соединена с нагрузкой. Первичная обмотка трансформатора одним зажимом соединена непосредственно с выходом вентильного моста, а другим - с нулевым проводом. Вентильный мост выполнен на полностью управляемых элементах, выход которого закорочен.
Недостатком данного преобразователя является сложная конструкция и значительные массогабаритные характеристики.
Предлагаемый преобразователь переменного трехфазного напряжения в постоянное позволяет изменять уровень выходного напряжения как выше, так и ниже амплитуды первой гармоники входного напряжения, кроме того обеспечить:
- двухстороннюю энергетическую связь между цепями переменного и постоянного тока;
- синусоидальную форму потребляемого из сети тока;
- компенсацию реактивной мощности других потребителей мощности в сети.
Описанные преимущества достигаются тем, что преобразователь переменного трехфазного напряжения в постоянное содержит микроконтроллер, управляющий включением и выключением IGBT-транзисторов. Изменяя скважность управляющих сигналов можно регулировать величину выходного напряжения регулятора как выше, так и ниже значения входного напряжения и управлять энергией входного дросселя. Чем выше частота управляющих сигналов, тем меньше значение емкости сглаживающего конденсатора. Значение индуктивности трехфазного дросселя практически не зависит от частоты коммутации, а определяется мощностью, потребляемой в нагрузке.
На фиг.1 представлена общая функциональная схема предложенного преобразователя переменного трехфазного напряжения в постоянное.
Преобразователь переменного трехфазного напряжения в постоянное содержит датчики тока 1 в фазах питающей сети, трехфазный дроссель 2, трехфазный мостовой инвертор 3, выполненный на IGBT-транзисторах со встречно-параллельными диодами, сглаживающий конденсатор 4, датчик напряжения 5 на конденсаторе, микроконтроллер 6 с аналого-цифровым преобразователем, содержащий в своем составе сумматор 7, регулятор напряжения 8, преобразователь координат 9, сумматор 10 и регулятор тока 11, и систему управления 12 GВТ-транзисторами.
Работа схемы осуществляется следующим образом. Переменное напряжение трехфазной сети 380 В через датчики тока 1 в фазах А, В и С и трехфазный дроссель 2 поступает на вход трехфазного мостового инвертора 3. Выходное напряжение поступает на сглаживающий конденсатор 4, выбранный из условий работы при высоком постоянном напряжении до 1000 В. Величина выходного напряжения измеряется датчиком напряжения 5. Измеренное значение выходного напряжения поступает в микроконтроллер 6 на вход сумматора 7. Текущее значение напряжения вычитается из заданного и поступает на вход регулятора напряжения 8. В регуляторе напряжения формируется заданное значение потребляемого от сети активного тока (iакт), которое поступает на вход преобразователя координат 9. Преобразователь координат формирует из заданных значений активного и реактивного (iреак) токов во вращающейся системе координат значения токов в фазах iA , iB и iС в неподвижной системе координат, которые поступают на вход сумматора 10. В сумматоре 10 из заданных значений токов в фазах вычитаются текущие значения, и получившиеся разности поступают на вход регулятора тока 11. В регуляторе тока 11 формируются команды для системы управления 12 GВТ-транзисторами. Система управления 12 формирует импульсы включения и выключения IGBT-транзисторов. Для обеспечения достаточно высокого КПД прямое падение напряжения на IGBT-транзисторов и диодах не превышает 0,5-1,5 В, а время включения и выключения транзисторов составляет не более 0,5-1 мкс, что позволяет работать на частотах до 100 кГц.
Организованная в микроконтроллере двухконтурная система подчиненного управления, которая для стабилизации выходного напряжения и обеспечения двухстороннего обмена энергией между цепями переменного и постоянного тока поддерживает на одном уровне напряжение на сглаживающем конденсаторе 4. Контур тока является внутренним по отношению к контуру стабилизации напряжения. Обратная связь по току реализуется в неподвижной системе координат, и регулятор тока выполняется релейным, обеспечивая скользящее управление током «токовый коридор». Использование токового коридора позволяет автоматически генерировать широтно-импульсное управление IGBT-транзисторами трехфазного мостового инвертора 3. В микроконтроллер поступает информация о параметрах вырабатываемой и потребляемой электрической энергии - мгновенные значения вырабатываемого напряжения и потребляемого от сети тока в фазах, по измеренным и заданным параметрам рассчитывается длительность включенного и выключенного состояния IGBT-транзисторов трехфазного мостового инвертора.
Таким образом, предлагаемый вариант схемотехнической реализации электрического преобразователя переменного трехфазного напряжения в постоянное, позволяет получить регулируемый уровень выходного напряжения от нуля до напряжения выше уровня входного напряжения, обеспечить двухсторонний обмен энергией между цепями постоянного и переменного тока, синусоидальную форму потребляемого от сети ток и скомпенсировать реактивную мощность других потребителей мощности в сети.
Преобразователь переменного трехфазного напряжения в постоянное, содержащий датчики тока в фазах питающей сети, трехфазный дроссель на стороне переменного тока, подключенный к входам трехфазного мостового инвертора, выполненного на IGBT-транзисторах со встречно-параллельными диодами, к выходу инвертора подключен сглаживающий конденсатор с датчиком напряжения и микроконтроллер, отличающийся тем, что в микроконтроллере реализована система подчиненного управления, реализующая скользящий режим управления током и поддерживающая на одном уровне выходное напряжение.
