Przekształtnik DC-link podwyższający napięcie z jednofazowego na trójfazowy przy mniejszej liczbie sterowanych przełączników

Zasilanie z jednej linii na trzy

Wiele domów i małych warsztatów ma jedynie prostą, dwuwiązkową gniazdko sieciowe, podczas gdy maszyny poruszające wodę, zasilające fabryki czy napędzające pojazdy elektryczne często potrzebują mocniejszego, trójprzewodowego zasilania. W pracy tej opisano nowy układ elektroniczny, który może zamienić zwykłe jednofazowe źródło zasilania na mocniejsze trójfazowe przy użyciu mniejszej liczby elementów, co ułatwia i obniża koszty uruchamiania maszyn o dużym zapotrzebowaniu z powszechnych gniazdek.

Dlaczego przekształcanie jednej fazy na trzy ma znaczenie

Silniki trójfazowe pracują płynniej i wydajniej niż te zasilane jedną linią, dlatego są powszechne w przemyśle i transporcie. Jednak doprowadzenie pełnego zasilania trójfazowego do odległych gospodarstw, małych warsztatów czy stacji odizolowanych bywa kosztowne. Zamiast przebudowy sieci, inżynierowie często stosują przekształtnik między gniazdkiem a silnikiem. Istniejące konwertery radzą sobie z tym zadaniem, lecz zwykle wymagają wielu przełączników, dużych kondensatorów i skomplikowanych metod sterowania, co zwiększa koszty, rozmiar i straty energii.

Prostsza droga od gniazdka do silnika

Autorzy proponują nowy przekształtnik jednofazowy na trójfazowy, który dodatkowo podnosi napięcie wyjściowe ponad poziom wejściowy. W rdzeniu konstrukcji znajdują się tylko sześć sterowanych przełączników, dwie diody i dwa kondensatory tworzące centralne magazynowanie energii zwane DC linkiem. Przednia część układu używa dwóch diod i rozdzielonych kondensatorów do zamiany napływającego napięcia przemiennego na stałe napięcie środkowe. Tylna część wykorzystuje sześć przełączników zorganizowanych w trzy gałęzie do odbudowy tego stałego napięcia w trzy zrównoważone wyjścia przypominające fale, których amplitudę i częstotliwość można dostosować do potrzeb silnika.

Jak nowy układ kształtuje czyste zasilanie

Do sterowania przełącznikami projekt wykorzystuje powszechną metodę zwaną sinusoidalną modulacją szerokości impulsów. Mówiąc prościej, porównuje się płynne sygnały odniesienia z szybkim przebiegiem trójkątnym, aby zdecydować, kiedy każdy przełącznik ma się załączyć i wyłączyć. Taki wzorzec czasowy tworzy trzy niemal sinusoidalne napięcia wyjściowe, jednocześnie utrzymując niską liczbę przełączników. Układ zawiera także kompaktowe filtry indukcyjno-pojemnościowe, które wygładzają pozostałe tętnienia, dzięki czemu zarówno prąd wejściowy z sieci, jak i prądy wyjściowe do silnika mają niskie zniekształcenia i mieszczą się w granicach jakości zasilania określonych normami elektrycznymi.

Testy w symulacji i w laboratorium

Zespół najpierw zbudował szczegółowy model matematyczny prostownika, falownika i filtra, a następnie zasymulował system w MATLAB/Simulink. Przy napięciu wejściowym 80 woltów przekształtnik wygenerował około 160 woltów na fazę, wykazując współczynnik podwyższenia napięcia równy dwa, przy zniekształceniach prądu wejściowego na poziomie około 6,85% i zniekształceniach prądu wyjściowego około 0,37%. Zmiana napięcia wejściowego na 60 woltów i zwiększenie obciążenia do wyższej rezystancji nadal dawała w przybliżeniu 160 woltów na fazę, podnosząc współczynnik wzmocnienia do około 2,7. Następnie zbudowano prototyp sprzętowy wykorzystujący izolowane tranzystory bipolarne sterowane bramką i cyfrową płytę sterującą, i zmierzono przebiegi, spektra prądów oraz napięcia na przełącznikach. Wyniki laboratoryjne były zbliżone do symulacji i wykazały sprawność przekształtnika między 85 a 90 procent, przy umiarkowanym napięciowym obciążeniu każdego przełącznika.

Co to oznacza w praktyce

Dla czytelników najważniejszym przesłaniem jest to, że nowy przekształtnik może zamienić skromne jednofazowe źródło w silniejsze, czystsze źródło trójfazowe przy użyciu mniejszej liczby elementów elektronicznych. To pomaga obniżyć koszty, rozmiar i straty cieplne przy jednoczesnym dostarczeniu gładkiego zasilania preferowanego przez silniki. W praktyce taka konstrukcja może ułatwić korzystanie ze sprzętu trójfazowego w miejscach, które mają dostęp jedynie do standardowych gniazdek, bez poświęcania efektywności czy jakości zasilania.

Cytowanie: Nagi, H.A., El-Sabbe, A.E. & Osheba, D.S.M. Single-phase to three-phase DC-link boost converter with reduced controlled switch count. Sci Rep 16, 16146 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-53542-z

Słowa kluczowe: przekształtnik jednofazowy na trójfazowy, elektronika mocy, podnoszenie napięcia, napędy silników, zniekształcenia harmoniczne