ИСТОЧНИК ПОСТОЯННОГО ТОКА С 24-КРАТНОЙ ЧАСТОТОЙ ПУЛЬСАЦИИ Российский патент 2008 года по МПК H02M7/08 

Изобретение относится к электротехнике и силовой преобразовательной технике и может быть использовано в качестве преобразователя переменного тока в постоянный ток для питания тяговых нагрузок электрического транспорта, питания электротехнологических и других установок.

Известен источник постоянного тока с m-кратной частотой пульсации (рассматривается m=24) последовательно-параллельного типа, содержащий 12 источников произвольных ЭДС и 24 вентиля, соединенных в два последовательно соединенных шестиячейковых вентильных моста [А.с. СССР №917280. Вентильный преобразователь переменного напряжения в постоянное / А.М.Репин - №2938434/24-07; заявл. 11.06.80; опубл. 30.03.82; Бюл. №12].

Недостатком данного источника является большое число используемых трансформаторов, так как для сохранения параметрической симметрии цепей формирования результирующих напряжений, при применяемой конфигурации вентильных обмоток, источник должен содержать не менее четырех трехфазных трансформаторов, и относительно большие потери мощности в вентилях, последовательно обтекаемых током нагрузки.

Известен также источник постоянного тока с m-кратной частотой пульсации (рассматривается m=24) с многофазным вентильным мостом и трехфазным трансформатором со вторичной обмоткой, соединенной в треугольник с отпайками [А.с. СССР №748728. m-пульсный вентильный преобразователь / А.И.Петляков, Е.М.Глух - 2424508/24-07; заявл. 29.11.76; опубл. 15.07.80; Бюл. №26].

Недостатками данного источника являются наличие гальванической связи между частями фаз вторичных обмоток трехфазного трансформатора, что при высоковольтном исполнении источника требует дополнительных расходов на изоляцию, и параметрическая несимметрия цепей при формировании результирующих напряжений.

Наиболее близким к изобретению, принятым за прототип, является источник постоянного тока с 24-кратной частотой пульсации [А.с. СССР №729777. Преобразователь m-фазного переменного напряжения в постоянное / Ю.В.Потапов - 1966796/24-07; заявл. 25.10.73; опубл. 25.04.80; Бюл. №15], содержащий четыре источника симметричных трехфазных систем ЭДС, одноименные векторы напряжений которых последовательно сдвинуты по фазе на пятнадцать электрических градусов, и сорок пять вентилей, из которых сформировано четыре, имеющих три общих группы вентилей, мостовых выпрямителя, каждый из которых по цепи переменного тока подсоединен к одной из групп входных выводов, причем к одному из электродов каждого вентиля общей группы одноименными электродами подключены дополнительные вентили, образующие вместе с основными вентилями общей группы восемь звезд, а общее число вентилей этой группы равно девяти.

Недостатками данного источника являются относительно невысокий КПД из-за потерь мощности в пяти вентилях, последовательно обтекаемых током нагрузки, и технологическая сложность изготовления из-за большого числа вентилей, которое равно сорока пяти.

Задача изобретения - создание источника постоянного тока с 24-кратной частотой пульсации, имеющего более высокий КПД и более простого в изготовлении.

Указанная задача достигается тем, что источник постоянного тока с 24-кратной частотой пульсации содержит четыре источника трехфазных симметричных систем ЭДС, одноименные векторы напряжений которых последовательно сдвинуты по фазе на пятнадцать электрических градусов, и тридцать три вентиля, из которых сформированы две шестивентильных звезды, анодная и катодная, и три четырехвентильных кольца, вентили в которых соединены одноименными электродами, причем узлы, образованные точками соединения анодов в каждом четырехвентильном кольце, соединены диагонально встречно-последовательно включенной парой незадействованных вентилей, однонаправленных с вентилями, подключенными к соединяемым узлам, и образующих точкой соединения своих катодов диагональные узлы, а узлами, образованными точками соединения катодов, четырехвентильные кольца соединены между собой в общее кольцо, при этом один из узлов каждого четырехвентильного кольца, образованный точкой соединения анодов, соединен с анодом незадействованного вентиля, катод которого соединен с незадействованным диагональным узлом смежного четырехвентильного кольца, причем к каждому из узлов четырехвентильных колец, образованных точками соединения анодов, подсоединен один из катодов вентилей анодной звезды, образующих общей точкой соединения один из выходных выводов устройства, а к трем точкам соединения четырехвентильных колец в общее кольцо и к трем диагональным узлам четырехвентильных колец подсоединено по одному аноду вентилей катодной звезды, образующих общей точкой соединения второй выходной вывод устройства, при этом к каждому из трех узлов, каждый из которых образован точкой соединения двух анодов вентилей четырехвентильных колец и анода вентиля, катод которого соединен с диагональным узлом данного кольца, подключен один из выводов источника первой трехфазной симметричной системы ЭДС, а к каждому из оставшихся узлов, каждый из которых образован точкой соединения двух анодов вентилей четырехвентильных колец, анода вентиля, катод которого соединен с диагональным узлом данного кольца и анода вентиля, катод которого соединен с диагональным узлом смежного четырехвентильного кольца, подключен один из выводов источника второй трехфазной симметричной системы ЭДС, сдвинутой в фазовой плоскости относительно первой системы на тридцать электрических градусов, имеющий одинаковое наименование с выводом первой системы, подключенным к данному кольцу, а к каждой из точек соединения шестивентильных колец в общее кольцо подключен один из выводов источника третьей трехфазной симметричной системы ЭДС, сдвинутой в фазовой плоскости относительно первой системы на пятнадцать электрических градусов в направлении сдвига второй системы, при этом наименование подключенного вывода отличается от наименования выводов, ранее подключенных к шестивентильным кольцам, образующим данную точку соединения шестивентильных колец в общее кольцо, причем к каждому из диагональных узлов подключен один из выводов четвертого источника трехфазной симметричной системы ЭДС, сдвинутой в фазовой плоскости относительно первой системы на сорок пять электрических градусов в направлении сдвига второй системы, имеющий очередное, относительно наименований выводов источников первой и второй трехфазных систем ЭДС, подключенных к шестивентильному кольцу с данным диагональным узлом, наименование.

На Фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого источника; на Фиг.2 - волновые диаграммы напряжений трехфазных систем ЭДС и форма кривой выпрямленного напряжения; на Фиг.3 - принципиальная схема вентильной конструкции предлагаемого источника с измененной, по сравнению со схемой на Фиг.1, конфигурацией изображения.

Источник постоянного тока с 24-кратной частотой пульсации (Фиг.1) содержит четыре источника трехфазных симметричных систем ЭДС (на схеме не приведены), одноименные векторы напряжений которых последовательно сдвинуты по фазе на пятнадцать электрических градусов, представленных выводами, 1а, 1в, 1с; 2а, 2в, 2с; 3а, 3в, 3с; и 4а, 4в, 4с и тридцать три вентиля 5...37, из которых сформированы две шестивентильных звезды, анодная (вентили 5, 8, 17, 21, 23, 32) и катодная (вентили 7, 11, 16, 20, 28, 31), и три четырехвентильных кольца, вентили которых соединены одноименными электродами: одно, состоящее из вентилей 10, 12, 36, 37; второе - из вентилей 15, 18, 22, 24; третье - из вентилей 27, 29, 33, 34, при этом узлы каждого моста, образованные точкой соединения анодов вентилей, соединены диагонально встречно-последовательно включенной парой вентилей (6 и 9 - первое кольцо, 14 и 19 - второе кольцо, 26 и 30 - третье кольцо) однонаправленных с вентилями, подключенными к соединяемым узлам, и образующих точкой соединения своих катодов диагональные узлы, а узлами, образованными точками соединения катодов, четырехвентильные кольца соединены в общее кольцо, при этом узел, образованный точкой соединения анодов вентилей 6, 12, 37 первого кольца, соединен с анодом вентиля 13, катод которого соединен с диагональным узлом второго кольца, соответственно, узел, образованный точкой соединения анодов вентилей 18, 19, 24 второго кольца соединен вентилем 25 с диагональным узлом третьего кольца, а узел, образованный точкой соединения анодов вентилей 29, 30, 34 третьего кольца - с диагональным узлом первого кольца, при этом анодная звезда подключена катодами своих вентилей 21, 32, 8, соответственно, к выводам 1а, 1в, 1с первого источника трехфазной симметричной системы ЭДС и узлам, образованным точкой соединения анодов вентилей (9, 10, 36), (14, 15, 22), (26, 27, 33), а катодами вентилей 23, 5, 17, соответственно, к выводам 2a, 2в, 2с второго источника трехфазной симметричной системы ЭДС и узлам, образованным точкой соединения анодов вентилей (9, 10, 36), (14, 15, 22), (26, 27, 33), при этом катодная звезда подключена анодами своих вентилей 20, 31, 7, соответственно, к выводам 4в, 4с, 4а четвертого источника трехфазной симметричной системы ЭДС и к диагональным узлам первого, второго и третьего четырехвентильных колец, а анодами вентилей 28, 11, 16, соответственно, к выводам 3с, 3а, 3в третьего источника трехфазной симметричной системы ЭДС и точкам соединения первого со вторым, второго с третьим, третьего с первым четырехвентильных колец, при этом общие узлы соединения вентилей катодной и анодной вентильных звезд образуют, соответственно, выходные выводы устройства 38 и 39.

Принцип работы устройства (Фиг.1) иллюстрируется волновыми диаграммами напряжений источников трехфазных систем ЭДС (Фиг.2) и алгоритмами работы источников и включения вентилей, приведенными в таблице. Волновые диаграммы показывают порядок чередования рабочих интервалов трехфазных симметричных систем напряжений, подключенных к вентильной конструкции. Например, при формировании результирующего напряжения первой пульсации S1 (Фиг.2) наибольшую величину линейных напряжений, складываемых из фазных напряжений (u_2a,-u_2в и u_4a,-u_4в), имеют, соответственно, трехфазные симметричные системы ЭДС второго и четвертого источников, что отмечено на волновых диаграммах (Фиг.2) указательными метками.

ТаблицаПульсацияИндексы линейных напряженийНомера вентилейS1-2в*2а→ -4в*4а5, 6, 7S2-1с*1а→ -4в*4а8, 9, 7S3-1с*1а→ -3с*3а8, 10, 11S4-2в*2а→ -3с-3а5, 12, 11S5-2в*2а→ -4с*4а5, 13, 7S6-1с*1в→ -4с*4а8, 14, 7S7-1с*1в-> -3с*3в8, 15, 16S8-2с*2в→ -3с-3в17, 18, 16S9-2с*2в→ -4с*4в17, 19, 20S10-1а*1в→ -4с*4в21, 14, 20S11-1а*1в→ -3а*3в21, 22, 16S12-2а*2в→ -3а*3в23, 24, 16S13-2а*2в→ -4а*4в23, 25, 20S14-1а*1с→ -4а*4в21, 26, 20S15-1а*1с→ -3а*3с21, 27, 28S16-2а*2с→ -3а*3с23, 29, 28S17-2а*2с→ -4а*4с23, 30, 31S18-1в*1с→ -4а*4с32, 26, 31S19-1в*1с→ -3в*3с32, 33, 28S20-2в*2с→ -3в*3с5, 34, 28S21-2в*2с→ -4в*4с5, 35, 31S22-1в*1а→ -4в*4с32, 9, 31S23-1в*1а→ -3в*3а32, 36, 11S24-2в*2а→ -3в*3а5, 37, 11

В таблице во втором столбце указаны индексы действующих при формировании пульсаций линейных напряжений, а в третьем столбце приведены номера вентилей, включенных при действии данных напряжений. При формировании первой пульсации включены вентили 5, 6, 7. Далее нумерация вентилей соответствует порядку их включения в преобразовательный процесс, причем при каждой смене пульсаций коммутируют две пары вентилей.

Исходя из анализа волновых диаграмм, лучи (обмотки) эквивалентных трехфазных звезд, замещающих вентильные обмотки трансформатора (трансформаторов) реальных источников трехфазных симметричных систем ЭДС, находятся в токопроводящем состоянии 120 эл. град. Длительность работы вентильных обмоток реального трансформатора (трансформаторов) определяется по конкретной схеме формирования линейных напряжений.

Исходя из алгоритма включения вентилей (таблица), вентили анодной и катодной вентильных звезд (5, 7, 8, 11, 16, 17, 20, 21, 23, 28, 31, 32) работают 60 эл. град. за период, вентили диагоналей мостов (9, 14, 26) - 30 эл. град., а остальные вентили - 15 эл. град. В цепи протекания тока нагрузки последовательно включены только три вентиля, а общее число вентилей - 33.

Схемотехника вентильной конструкции предлагаемого источника основана на кольцевых построениях, что видно из Фиг.3. Конструкция состоит из трех шестивентильных колец, каждый из вентилей которых работает 15 эл. град. Кольца связаны друг с другом двумя группами непосредственных соединений и группой из трех вентилей (9, 14, 26), проводящих ток 30 эл. град. Все узлы конструкции (кроме образующих выходные выводы) соединены с выводами источников трехфазных ЭДС непосредственно, а также с нагрузкой через вентили анодной и катодной групп вентилей, проводящих ток 60 эл. град. за период сетевого напряжения.

Схема предлагаемого устройства эквивалентна двухступенчатой мостовой последовательно-параллельной схеме, и выпрямитель, собранный по этой схеме, обеспечивает повышенные требования потребителей к качеству выпрямленного напряжения и потребляемых переменных токов при относительно высоком уровне постоянного напряжения и большой мощности потребителя. В предлагаемом источнике ток нагрузки распределяется во времени по отдельно функционирующим цепям, схемно-топологические связи которых обеспечивают дополнительное преимущество - сокращение числа вентилей, последовательно обтекаемых током нагрузки, что для определенной части потребителей может оказаться оптимальным решением.

Таким образом, предлагаемый источник постоянного тока с 24-кратной частотой пульсации имеет, по сравнению с прототипом, более высокий КПД, за счет уменьшения потерь мощности, связанного с сокращением числа вентилей, последовательно обтекаемых током нагрузки с пяти до трех и более простой в изготовлении, так как его вентильная конструкция содержит тридцать три вентиля по сравнению с сорока пятью вентилями в прототипе.

Источник постоянного тока с 24-кратной частотой пульсации предназначен для преобразования переменного напряжения в постоянное для питания тяговых нагрузок электрического транспорта и электротехнологических установок на постоянном токе. Содержит четыре источника трехфазных симметричных систем ЭДС, одноименные векторы напряжений которых последовательно сдвинуты по фазе на 15 электрических градусов, и 33 вентиля, из которых сформированы две шестивентильных звезды, анодная и катодная, и три четырехвентильных кольца, вентили которых соединены одноименными электродами, узлы каждого моста, образованные анодами вентилей, соединены диагонально встречно-последовательно включенной парой вентилей однонаправленных с вентилями соединяемых узлов, и образующих своими катодами диагональные узлы, а узлами, образованными катодами, кольца соединены в общее кольцо, при этом узел, образованный анодами вентилей первого кольца, соединен с анодом вентиля, катод которого соединен с диагональным узлом второго кольца, соответственно, узел, образованный анодами вентилей второго кольца соединен вентилем с диагональным узлом третьего кольца, а узел, образованный анодами вентилей третьего кольца, - с диагональным узлом первого кольца, при этом анодная звезда подключена катодами соответствующих вентилей к соответствующим фазным выводам первого источника трехфазной симметричной системы ЭДС и узлам, образованным анодами вентилей, а катодами соответствующих вентилей к соответствующим фазным выводам второго источника и узлам, образованным анодами вентилей. Катодная звезда подключена анодами соответствующих вентилей к соответствующим фазным выводам четвертого источника и к диагональным узлам первого, второго и третьего колец, а анодами соответствующих вентилей - к фазным выводам третьего источника и точкам соединения первого со вторым, второго с третьим, третьего с первым колец, при этом общие точки соединения вентилей катодной и анодной вентильных звезд образуют выходные выводы устройства. Предложенный источник постоянного тока обеспечивает технический результат - имеет более высокий КПД и более простой в изготовлении. 3 ил., 1 табл.

Источник постоянного тока с 24-кратной частотой пульсации, содержащий четыре источника трехфазных симметричных систем ЭДС, одноименные векторы напряжений которых последовательно сдвинуты по фазе на пятнадцать электрических градусов, и тридцать три вентиля, отличающийся тем, что из вентилей сформированы две шестивентильных звезды, анодная и катодная, и три четырехвентильных кольца, вентили в которых соединены одноименными электродами, причем узлы, образованные точками соединения анодов в каждом четырехвентильном кольце, соединены диагонально встречно-последовательно включенной парой незадействованных вентилей, однонаправленных с вентилями, подключенными к соединяемым узлам, и образующих точкой соединения своих катодов диагональные узлы, а узлами, образованными точками соединения катодов, четырехвентильные кольца соединены между собой в общее кольцо, при этом один из узлов каждого четырехвентильного кольца, образованный точкой соединения анодов, соединен с анодом незадействованного вентиля, катод которого соединен с незадействованным диагональным узлом смежного четырехвентильного кольца, причем к каждому из узлов четырехвентильных колец, образованных точками соединения анодов, подсоединен один из катодов вентилей анодной звезды, образующих общей точкой соединения один из выходных выводов устройства, а к трем точкам соединения четырехвентильных колец в общее кольцо и к трем диагональным узлам четырехвентильных колец подсоединено по одному аноду вентилей катодной звезды, образующих общей точкой соединения второй выходной вывод устройства, при этом к каждому из трех узлов, каждый из которых образован точкой соединения двух анодов вентилей четырехвентильных колец и анода вентиля, катод которого соединен с диагональным узлом данного кольца, подключен один из выводов источника первой трехфазной симметричной системы ЭДС, а к каждому из оставшихся узлов, каждый из которых образован точкой соединения двух анодов вентилей четырехвентильных колец, анода вентиля, катод которого соединен с диагональным узлом данного кольца и анода вентиля, катод которого соединен с диагональным узлом смежного четырехвентильного кольца, подключен один из выводов источника второй трехфазной симметричной системы ЭДС, сдвинутой в фазовой плоскости относительно первой системы на тридцать электрических градусов, имеющий одинаковое наименование с выводом первой системы, подключенным к данному кольцу, а к каждой из точек соединения шестивентильных колец в общее кольцо подключен один из выводов источника третьей трехфазной симметричной системы ЭДС, сдвинутой в фазовой плоскости относительно первой системы на пятнадцать электрических градусов в направлении сдвига второй системы, при этом наименование подключенного вывода отличается от наименования выводов, ранее подключенных к шестивентильным кольцам, образующим данную точку соединения шестивентильных колец в общее кольцо, причем к каждому из диагональных узлов подключен один из выводов четвертого источника трехфазной симметричной системы ЭДС, сдвинутой в фазовой плоскости относительно первой системы на сорок пять электрических градусов в направлении сдвига второй системы, имеющий очередное, относительно наименований выводов источников первой и второй трехфазных систем ЭДС, подключенных к шестивентильному кольцу с данным диагональным узлом, наименование.