Трехфазный инверторный источник питания с непосредственным преобразованием и повышенным коэффициентом мощности
Предложена топология преобразователя с высокочастотной трансформаторной развязкой и трехфазным входом без промежуточного выпрямления входного напряжения. Применение принципа непосредственного преобразования позволяет уменьшить количество элементов в силовой цепи инвертора, повысив тем самым его КПД....
Saved in:
| Published in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Date: | 2012 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2012
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101240 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Трехфазный инверторный источник питания с непосредственным преобразованием и повышенным коэффициентом мощности / В.В. Бурлака, С.В. Гулаков // Автоматическая сварка. — 2012. — № 7 (711). — С. 44-46. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859791382277783552 |
|---|---|
| author | Бурлака, В.В. Гулаков, С.В. |
| author_facet | Бурлака, В.В. Гулаков, С.В. |
| citation_txt | Трехфазный инверторный источник питания с непосредственным преобразованием и повышенным коэффициентом мощности / В.В. Бурлака, С.В. Гулаков // Автоматическая сварка. — 2012. — № 7 (711). — С. 44-46. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | Предложена топология преобразователя с высокочастотной трансформаторной развязкой и трехфазным входом без промежуточного выпрямления входного напряжения. Применение принципа непосредственного преобразования позволяет уменьшить количество элементов в силовой цепи инвертора, повысив тем самым его КПД. Кроме того, с помощью применения специального алгоритма управления ключами возможно достижение входного коэффициента мощности, близкого к единице.
Topology of a converter with high-frequency transformer decoupling and three-phase input without intermediate rectification of input voltage is proposed. Application of direct conversion principle allows reducing the number of elements in the inverter power circuit, thus increasing its efficiency. In addition, application of a special algorithm of key control allows achievement of input power factor close to a unity.
|
| first_indexed | 2025-12-02T11:53:23Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.341.572
ТРЕХФАЗНЫЙ ИНВЕРТОРНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ
С НЕПОСРЕДСТВЕННЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ
И ПОВЫШЕННЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ МОЩНОСТИ
В. В. БУРЛАКА, канд. техн. наук, С. В. ГУЛАКОВ, д-р техн. наук (Приазов. гос. техн. ун-т, г. Мариуполь)
Предложена топология преобразователя с высокочастотной трансформаторной развязкой и трехфазным входом без
промежуточного выпрямления входного напряжения. Применение принципа непосредственного преобразования
позволяет уменьшить количество элементов в силовой цепи инвертора, повысив тем самым его КПД. Кроме того,
с помощью применения специального алгоритма управления ключами возможно достижение входного коэффициента
мощности, близкого к единице.
К л ю ч е в ы е с л о в а : дуговая сварка, инверторный источ-
ник питания, коэффициент мощности, моделирование, не-
посредственное преобразование
Современные тенденции развития сварочных ис-
точников питания определяют повышенные тре-
бования к таким показателям, как эффективность
преобразования, мощность на единицу объема,
коэффициент мощности (КМ), качество и дина-
мика стабилизации выходных параметров (тока
или напряжения). Такому набору требований в
наибольшей мере соответствуют источники пи-
тания с высокочастотным преобразованием.
Большинство современных инверторных ис-
точников выполнены по схеме двойного преоб-
разования [1]: сетевое напряжение выпрямляется
неуправляемым, управляемым или активным вып-
рямителем, сглаживается и затем поступает на
DC-DC преобразователь, выполненный по одно-
тактной [2], полумостовой или мостовой схеме.
К недостаткам таких источников относятся не-
синусоидальный характер входного тока (исклю-
чение составляют источники с активным коррек-
тором КМ, где расплатой за низкий коэффициент
гармоник входного тока является сниженный на
2…3 % КПД), наличие высоковольтного электро-
литического конденсатора большой емкости в це-
пи постоянного тока, что создает проблемы его
начального заряда при включении источника и
увеличивает габариты и массу источника.
В работе [3] предложен вариант однофазного
сварочного источника, в котором исключена фун-
кция выпрямления входного напряжения (приме-
нен чеырехтранзисторный прерыватель перемен-
ного напряжения и низкочастотный (50 Гц) тран-
сформатор с малым рассеянием). Источник имеет
хорошие результаты по КПД и КМ, но исполь-
зование низкочастотного трансформатора ведет к
ухудшению массогабаритных характеристик уст-
ройств, использующих подобный принцип регу-
лирования. Кроме того, при необходимости сварки
на постоянном токе в однофазных источниках в
любом случае приходится применять накопитель
энергии, обеспечивающий горение дуги в моменты
перехода сетевого напряжения через нуль. Это мо-
жет быть конденсатор фильтра или выходной дрос-
сель. В работе [3] также обозначена перспективная
задача создания трехфазных источников с раздели-
тельным высокочастотным трансформатором и не-
посредственным преобразованием.
В настоящей работе предлагается схемная ре-
ализация устройства, использующая современные
достижения в области схемотехники матричных
непосредственных преобразователей частоты [4]
с высокочастотной трансформаторной развязкой.
Источник (рис. 1) состоит из входного LC-
фильтра (L1–L3, C1–C3), шести двухнаправлен-
ных управляемых ключей S1–S6, высокочастот-
ного разделительного трансформатора T1, выход-
ного мостового выпрямителя VD1, VD2 и сгла-
живающего дросселя L4 [5]. Схема представляет
собой матричный преобразователь с трехфазным
входом и двухфазным выходом.
При работе преобразователя первичная обмот-
ка трансформатора T1 с высокой частотой попе-
ременно подключается к фазам сети, причем для
© В. В. Бурлака, С. В. Гулаков, 2012
Рис. 1. Схема силовой цепи источника (обозначения см. в
тексте)
44 7/2012
предотвращения межфазных замыканий в каждый
момент времени открыт только один ключ из
группы S1–S3 и один из группы S4–S6. Конден-
саторы C1–C3 сглаживают импульсные выбросы
напряжения в моменты переключения ключей.
Последовательность переключения и скважности
выбираются так, чтобы за период переключения
среднее значение напряжения на первичной об-
мотке T1 было равно нулю:
∫
0
T
sw
uT1dt = 0, (1)
где uT1 — напряжение на первичной обмотке T1;
Tsw — период переключения.
Это условие необходимо для предотвращения
подмагничивания и насыщения магнитопровода
T1. При этом на выходе мостового выпрямителя
напряжение равно |uT1
⁄ KT1|, где KT1 — коэффи-
циент трансформации T1. Среднее (за период пе-
реключения) выходное напряжение определим с
учетом выходного фильтра L4
U = 1
Tsw
∫
0
T
sw
|
uT1
KT1
|dt.
(2)
Таким образом, изменив порядок подключения
T1 к фазам сети (соблюдая при этом условие (1)),
можно управлять выходным напряжением и, что
немаловажно, формой входного тока.
Время подключения трансформатора к фазам
A, B, C обозначим ta, tb, tc, а скважности по от-
ношению к фазам A, B, C соответственно Da =
= ta/Tsw, Db = tb/Tsw, Dc = tc/Tsw. Тогда для входных
токов рассматриваемого преобразователя можно
записать:
ia = IнDasign(ua),
ib = IнDbsign(ub),
ic = IнDcsign(uc), (3)
где Iн — приведенный к первичной стороне ток
нагрузки; ua, ub, uc — фазные напряжения сети.
Для обеспечения КМ, близкого к единице, не-
обходимо, чтобы входной ток в каждой фазе был
пропорционален соответствующему фазному нап-
ряжению. Это может быть достигнуто путем вы-
бора скважностей следующим образом:
Da = γ|ua|, Db = γ|ub|, Dc = γ|uc|, (4)
где γ — коэффициент, определяющий выходное
напряжение.
Среднее напряжение на первичной обмотке
трансформатора за время Tsw определяется как
UT1 = uaDa + ubDb + ucDc, (5)
причем знак этого напряжения определяется но-
мерами включенных ключей. Подставив (4) в (5),
получим
UT1 = γ(ua
2 + ub
2 + uc
2) = 1,5γUфм
2 , (6)
где Uфм — амплитуда фазного напряжения сети.
Таким образом, при соблюдении условия (4)
можно добиться КМ источника, близкого к еди-
нице. Кроме того, из (6) следует еще один важный
вывод: на выходе источника отсутствуют пуль-
сации с частотой сети. Это позволяет значительно
повысить качество напряжения преобразователя
и уменьшить требования к выходному фильтру.
Провели моделирование предлагаемого источ-
ника в среде Mathcad. Параметры моделирования:
L1 = L2 = L3 = 330 мкГн, C1 = C2 = C3 = 4,7 мкФ,
частота переключения 20 кГц, γ = 1/Uфм. Резуль-
таты показывают, что во входном токе матрицы
ключей присутствует основная гармоника (50 Гц)
и гармоники с частотами, кратными частоте перек-
лючения (20 кГц). После фильтрации с примене-
нием входного фильтра второго порядка в спектре
появляются составляющие с частотами, лежащими
вблизи резонансной частоты фильтра. В приведен-
ном примере это 4,04 кГц. Общий коэффициент
гармоник входного тока составляет 4,4 %. Элект-
рическая схема силовой части источника, соответ-
ствующего рис. 1, представлена на рис. 2. Очевид-
ным ее недостатком является большое количество
силовых ключей — 12 и сложное управление ими.
Для упрощения системы управления и уменьшения
количества силовых ключей целесообразно приме-
нить метод условного разделения силовой части
источника на выпрямитель и преобразователь. По-
добная методика часто используется для анализа
процессов в матричных преобразователях частоты.
На оптимизированной схеме, приведенной на
рис. 3, трехфазный вход выполнен по схеме не-
Рис. 2. Принципиальная схема силовой части (по рис. 1)
7/2012 45
реверсивного выпрямителя с токовым выходом,
«раскачка» трансформатора осуществляется мос-
том VT4–VT7, а дополнительно введенные эле-
менты VT8, C4 служат для ограничения напряже-
ния на транзисторах во время бестоковых пауз
между переключениями.
Для проверки теоретических результатов соб-
ран экспериментальный маломощный макет ис-
точника по схеме рис. 3. Осциллографирование
его потребляемого тока, фазного напряжения пи-
тания и измерение КМ показали низкий уровень
нелинейных искажений кривой тока и высокий
КМ — более 0,95. Результаты эксперимента пол-
ностью подтверждают работоспособность схем-
ных решений и корректность теоретических по-
ложений, представленных в работе.
Схема на рис. 3 может быть реализована с
использованием широко выпускаемых силовых
модулей для преобразователей частоты, содержа-
щих в одном корпусе силовые транзисторы, и схе-
мы управления и защиты. Так, элементы VT1–VT3
и VD1–VD12 могут быть заменены тремя специ-
ализированными силовыми модулями VUI3012N1
(IXYS), а мост VT4–VT7 может быть типа MKI50-
12E7 или MKI100-12F8. В качестве диодов VD13,
VD14 может быть применена сборка MEK600-
04DA. Применение указанных силовых модулей
позволит развивать в нагрузке мощность до
15 кВт при питании от сети с линейным напря-
жением 380…460 В.
При необходимости увеличения мощности мо-
гут быть применены более мощные компоненты
в силовой цепи. Однако увеличение выходного
тока может быть достигнуто и путем параллель-
ного соединения нескольких источников и соот-
ветствующей синхронизации их систем управле-
ния. Суммирование выходных токов нескольких
преобразователей зачастую экономически более
выгодно, чем постройка одного мощного источ-
ника. Так, три инвертора, выполненные по схеме
рис. 3, могут обеспечить выходной ток до
1000…1200 А при рабочем напряжении 30…36 В,
что делает возможным их применение в техно-
логиях автоматической сварки. Расстройка в не-
больших пределах частот переключения отдель-
ных источников позволит снизить спектральную
плотность излучаемых электромагнитных помех.
Для формирования управляющих сигналов
можно использовать специализированные DSP
процессоры (например, ADSP21xx от Analog De-
vices) или однокристалльные микроконтроллеры
(например, AVR ATMega или ARM Cortex
STM32).
1. Коротынский А. Е. Состояние, тенденции и перспекти-
вы развития высокочастотных сварочных преобразовате-
лей (Обзор) // Автомат. сварка. — 2002. — № 7. —
С. 50–62.
2. Рудык С. Д., Турчанинов В. Е., Флоренцев С. Н. Мощный
однотактный преобразователь постоянного напряжения
с «мягкой» коммутацией силового ключа // Электротех-
ника. — 1999. — № 4. — С. 55–58.
3. Рудык С. Д., Турчанинов В. Е., Флоренцев С. Н. Перспек-
тивные источники сварочного тока // Там же. — 1998. —
№ 7. — С. 8–13.
4. Itoh J., Iida T., Matsumura D. High efficiency high-frequen-
cy link converter with AC/AC direct converter technology //
IEEJ Trans. Electrical and Electron. Eng. D. — 2007. —
127, № 8. — P. 822–828.
5. Пат. 92420 Україна. МПК H02H 7/09. Трифазний вип-
рямлювач зварювального струму з безпосереднім перет-
воренням / В. В. Бурлака, С. В. Гулаков; Заявитель і па-
тентоволодар Приазов. держ. техн. ун-т. — № 07499;
Заявл. 17.07.2009; Опубл. 25.10.2010, Бюл. № 20.
Topology of a converter with high-frequency transformer decoupling and three-phase input without intermediate rectification
of input voltage is proposed. Application of direct conversion principle allows reducing the number of elements in the
inverter power circuit, thus increasing its efficiency. In addition, application of a special algorithm of key control allows
achievement of input power factor close to a unity.
Поступила в редакцию 04.03.2012
Рис. 3. Оптимизированная схема силовой части
46 7/2012
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-101240 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-02T11:53:23Z |
| publishDate | 2012 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Бурлака, В.В. Гулаков, С.В. 2016-06-01T08:47:53Z 2016-06-01T08:47:53Z 2012 Трехфазный инверторный источник питания с непосредственным преобразованием и повышенным коэффициентом мощности / В.В. Бурлака, С.В. Гулаков // Автоматическая сварка. — 2012. — № 7 (711). — С. 44-46. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101240 621.341.572 Предложена топология преобразователя с высокочастотной трансформаторной развязкой и трехфазным входом без промежуточного выпрямления входного напряжения. Применение принципа непосредственного преобразования позволяет уменьшить количество элементов в силовой цепи инвертора, повысив тем самым его КПД. Кроме того, с помощью применения специального алгоритма управления ключами возможно достижение входного коэффициента мощности, близкого к единице. Topology of a converter with high-frequency transformer decoupling and three-phase input without intermediate rectification of input voltage is proposed. Application of direct conversion principle allows reducing the number of elements in the inverter power circuit, thus increasing its efficiency. In addition, application of a special algorithm of key control allows achievement of input power factor close to a unity. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Производственный раздел Трехфазный инверторный источник питания с непосредственным преобразованием и повышенным коэффициентом мощности Three-phase inverter power source with direct transformation and increased power factor Article published earlier |
| spellingShingle | Трехфазный инверторный источник питания с непосредственным преобразованием и повышенным коэффициентом мощности Бурлака, В.В. Гулаков, С.В. Производственный раздел |
| title | Трехфазный инверторный источник питания с непосредственным преобразованием и повышенным коэффициентом мощности |
| title_alt | Three-phase inverter power source with direct transformation and increased power factor |
| title_full | Трехфазный инверторный источник питания с непосредственным преобразованием и повышенным коэффициентом мощности |
| title_fullStr | Трехфазный инверторный источник питания с непосредственным преобразованием и повышенным коэффициентом мощности |
| title_full_unstemmed | Трехфазный инверторный источник питания с непосредственным преобразованием и повышенным коэффициентом мощности |
| title_short | Трехфазный инверторный источник питания с непосредственным преобразованием и повышенным коэффициентом мощности |
| title_sort | трехфазный инверторный источник питания с непосредственным преобразованием и повышенным коэффициентом мощности |
| topic | Производственный раздел |
| topic_facet | Производственный раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101240 |
| work_keys_str_mv | AT burlakavv trehfaznyiinvertornyiistočnikpitaniâsneposredstvennympreobrazovaniemipovyšennymkoéfficientommoŝnosti AT gulakovsv trehfaznyiinvertornyiistočnikpitaniâsneposredstvennympreobrazovaniemipovyšennymkoéfficientommoŝnosti AT burlakavv threephaseinverterpowersourcewithdirecttransformationandincreasedpowerfactor AT gulakovsv threephaseinverterpowersourcewithdirecttransformationandincreasedpowerfactor |