ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ 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 напряжения в постоянное для питания тяговых нагрузок электрического транспорта, питания электротехнологических и других установок.

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

Недостатками данного источника являются большое число используемых трансформаторов, так как для сохранения параметрической симметрии цепей формирования результирующих напряжений, при применяемой конфигурации вторичных обмоток, источник должен содержать не менее четырех трехфазных трансформаторов, и соответственно, большие массогабаритные показатели, а также относительно большие потери мощности в вентилях, последовательно обтекаемых током нагрузки.

Известен также преобразователь переменного напряжения в постоянное с 24-кратной частотой пульсации [Пат. №2219647 РФ. Преобразователь переменного напряжения в постоянное / Ю.С.Игольников - 2002105589/09; заявл. 01.03.02; опубл. 20.12.03; Бюл. №35], содержащий трехфазный трансформатор, вторичные обмотки которого соединены в треугольник и каждая из них снабжена двумя отводами, которые подключены к диагоналям переменного тока двух мостовых выпрямителей, включенных по входу параллельно, причем источник снабжен дополнительным таким же преобразователем, вторичные обмотки которого соединены в такой же треугольник, при этом отводы обоих трансформаторов выполнены от частей обмотки, находящихся в соотношении , считается от одноименного зажима каждой обмотки, причем первичные обмотки трансформатора одного преобразователя соединены в «звезду», а второго в «треугольник», а выходы всех выпрямителей включены параллельно.

Недостатками данного преобразователя являются большие массогабаритные показатели и применение в нем вторичных обмоток, части которых имеют три значения чисел витков, что при малых числах витков (при больших мощностях и относительно невысоком выпрямленном напряжении) приводит к увеличению конструктивной несимметрии из-за ограниченной возможности обеспечить расчетное соотношение между числами витков и тем самым снижает эффективность преобразования электрической энергии.

Наиболее близким к изобретению, принятым за прототип, является преобразователь переменного напряжения в постоянное с 24-кратной частотой пульсации (рассматривается двухкаскадное исполнение) [Яценко А.А. Применение схемы «скользящего треугольника» в многофазных преобразователях. // Электричество. - 1982. - №7. - С.17-24, (рис.2,a)], содержащий двадцать четыре вентиля, из которых сформированы две пары вентильных мостов, последовательно соединенных в каждой паре, и два идентичных трехфазных трансформатора, первичные обмотки которых соединены по схеме «скользящих треугольников», отношение частей обмоток, составляющих треугольники в которых, к частям обмоток, составляющих продолженные стороны, равно , а два вывода первичной обмотки одного из трансформаторов присоединены к трехфазной сети с транспозицией по отношению к присоединению идентичных выводов первичной обмотки другого трансформатора, причем вторичные обмотки в каждом трансформаторе выполнены звездой и треугольником и выводы каждой из них соединены с одним из трехфазных вентильных мостов одной из пар мостов, а при соединении пар мостов параллельно обеспечивается эквивалентное 24-пульсное выпрямление.

Недостатками данного преобразователя являются большие массогабаритные показатели и недостаточно высокий КПД из-за относительно больших потерь мощности в вентилях.

Задача изобретения - создание преобразователя переменного напряжения в постоянное с 24-кратной частотой пульсации, имеющего меньшие массогабаритные показатели и более высокий КПД.

Указанная задача достигается тем, что преобразователь переменного напряжения в постоянное с 24-кратной частотой пульсации содержит двадцать четыре вентиля и два идентичных трехфазных трансформатора, первичные обмотки которых соединены по схеме «скользящих треугольников», отношение частей обмоток, составляющих треугольники в которых, к частям обмоток, составляющих продолженные стороны, равно , а два вывода первичной обмотки одного из трансформаторов присоединены к трехфазной сети с транспозицией по отношению к присоединению идентичных выводов первичной обмотки другого трансформатора, при этом из частей вторичных обмоток в каждом трансформаторе сформирован источник шестифазной системы ЭДС, образованный звездой и обратной звездой, соединенными нулевыми точками, причем части обмоток звезды и части обмоток обратной звезды находятся в соотношении , а из шести вентилей сформировано вентильное кольцо, вентили которого соединены между собой только одноименными электродами, при этом каждая из трех точек соединения, образованных электродами одного наименования, подключена к одному из выводов звезды одного источника, а каждая из трех точек соединения, образованных электродами другого наименования, подключена к одному из выводов звезды другого источника, причем каждая точка соединения вентилей кольца, подключенная к выводу звезды одного из источников, подключена также к точке соединения разноименных электродов двух вентилей, образующих вентильную ячейку, один крайний электрод которой, имеющий наименование, отличное от наименования электродов вентилей кольца в точке соединения с кольцом данной ячейки, соединен с выводом обратной звезды другого источника, причем этот вывод имеет наименование, аналогичное наименованию вывода звезды источника, подключенного к данной точке кольца, а второй крайний электрод ячейки подключен к соответствующему выходному выводу устройства, при этом каждый из выводов обратных звезд, к которому присоединен электрод вентиля ячейки, соединен с электродом другого наименования незадействованного вентиля, второй электрод которого присоединен к соответствующему выходному выводу, причем выводы звезд, имеющие одинаковое наименование, подключены к диаметрально противоположным точкам соединения вентилей кольца.

На Фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого преобразователя; на Фиг.2 - векторные диаграммы напряжений источников ЭДС и результирующих напряжений; на Фиг.3 - цепи протекания тока нагрузки в каждой из двадцати четырех фаз преобразовательного процесса.

Преобразователь переменного напряжения в постоянное с 24-кратной частотой пульсации (Фиг.1) содержит два трансформаторных источника 1 и 2, формирующих две шестифазные системы ЭДС, сдвинутые между собой по фазе на пятнадцать электрических градусов и представленные выводами источников 1а, 1в, 1с, 1а', 1в', 1с' и 2а, 2в, 2с; 2а', 2в', 2с', а также двадцать четыре вентиля 3...26, из которых сформировано шестивентильное кольцо (вентили 4, 10, 13, 18, 21, 25), вентили которого соединены одноименными электродами; точки соединения анодов пар вентилей 4, 25; 10, 13; 18, 21 соединены, соответственно, с выводами 1а, 1в, 1с источника 1 и с анодами вентилей 26, 11, 19, катоды которых соединены, соответственно, с выводами 2а', 2в', 2с' источника 2; точки соединения катодов пар вентилей 13, 18; 21, 25; 4, 10 соединены, соответственно, с выводами 2а, 2в, 2с источника 2 и с катодами вентилей 16, 24, 8, аноды которых соединены, соответственно, с выводами 1а', 1в', 1с' источника 1, причем каждый вывод источника 1 соединен с катодом одного из диодов (3, 6, 12, 14, 20, 22) шестивентильной анодной звезды, общий узел которой образует отрицательный выходной вывод 27 устройства, а каждый вывод источника 2 соединен с анодом одного из диодов (5, 7, 9, 15, 17, 23) шестивентильной катодной звезды, общий узел которой образует положительный выходной вывод 28 устройства; к выводам 27, 28 подключена нагрузка 29.

Принцип работы устройства (Фиг.1) иллюстрируется векторными диаграммами напряжений источников ЭДС и результирующих напряжений (Фиг.2) и последовательностью цепей протекания тока нагрузки в каждой из двадцати четырех фаз выпрямительного процесса (Фиг.3).

Векторные диаграммы (Фиг.2,a) показывают амплитудно-фазовые характеристики каждой из применяемых шестифазных систем ЭДС. Соотношение чисел витков обмоток звезды и обратной звезды . При таком соотношении обеспечивается динамичное формирование результирующих напряжений, модули векторов которых равны и сдвинуты друг относительно друга на фазовой плоскости на 15 эл. град. Условно зафиксировав диаграмму напряжений первой системы и перемещая вокруг нее диаграмму напряжений второй системы, за период сетевого напряжения получим 24 вектора результирующих напряжений (Фиг.2,б). В каждом положении систем на фазовой плоскости определяются элементы вентильной конструкции, время работы этих элементов и вторичных обмоток. Для иллюстративности приведены три положения систем на фазовой плоскости (Фиг.2,в), при которых формируются векторы результирующих напряжений S1...S5, S23, S24. Весь цикл работы преобразователя представлен токопроводящими цепями на Фиг.3.

Исходя из анализа векторных диаграмм, обмотки трехфазных звезд, входящих в шестифазные звезды, находятся в токопроводящем состоянии 180 эл. град., а обмотки обратных звезд - 60 эл. град. Вентили анодной и катодной вентильных звезд 5, 6, 9, 14, 17, 22 работают 90 эл. град. за период; остальные вентили анодной и катодной звезд и вентили 8, 11, 16, 19, 24, 26 - 30 эл. град. Угол проводимости вентилей кольца 4, 13, 21 составляет 45 эл. град., а вентилей 10, 18, 25 - 15 эл. град.

Схема предлагаемого устройства является двухкаскадной и преобразователь, 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.

Применение вторичных обмоток трансформаторов только с двумя числами витков и другим соотношением между ними, по сравнению с прототипом, расширяет выбор схемных решений для изготовления вторичных обмоток с целыми числами витков, что очень существенно для мощных преобразователей, а также при относительно невысоком уровне выпрямленного напряжения, когда трудно обеспечить требуемую величину конструктивной несимметрии.

Для преобразователей переменного напряжения в постоянное, которые можно, при определенных допущениях, сравнивать с предлагаемым преобразователем, он обладает относительно небольшим коэффициентом установленной мощности. Трансформаторы данного кольцевого двухкаскадного 24-пульсного преобразователя имеют меньшую установленную (типовую) мощность S_T (относительно мощности нагрузки P_d) даже по сравнению с трансформатором однотрансформаторного двухкаскадного 24-пульсного мостового преобразователя без уравнительного реактора (1,217·Р_d против 1,249·Р_d), что связано с фазовым сдвигом между линейными напряжениями вторичных обмоток, формирующими результирующее напряжение, не в 150 эл. град., как у мостового преобразователя, а в 165 эл. град. (Фиг2,в). Установленная мощность вторичных обмоток трансформаторов предлагаемого устройства в результате оптимального формирования векторов результирующих напряжений равна 1,246·P_d, тогда как установленная мощность вторичных обмоток трансформаторов прототипа равна 1,481·Р_d. Массогабаритные показатели трансформаторного оборудования предлагаемого устройства, таким образом, снижаются практически на 9%. В цепи протекания тока нагрузки последовательно включены только три, а не четыре вентиля, что для определенной части потребителей может оказаться оптимальным решением, так как при высоких классах вентилей потери мощности в вентильной конструкции можно снизить на 25%, увеличив тем самым КПД преобразователя в целом, как показали расчеты, не менее, чем на 0,25%.

Таким образом, предлагаемый преобразователь переменного напряжения в постоянное с 24-кратной частотой пульсации имеет, по сравнению с прототипом, меньшие массогабаритные показатели и более высокий КПД.

Преобразователь переменного напряжения в постоянное 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 два трансформаторных источника (1, 2), формирующих две шестифазные системы ЭДС, сдвинутые между собой по фазе на пятнадцать электрических градусов и представленные выводами источников 1а, 1в, 1с, 1а', 1в', 1с' и 2а, 2в, 2с; 2а', 2в', 2с', а также двадцать четыре вентиля (3...26), из которых сформировано шестивентильное кольцо, вентили (4, 10, 13, 18, 21, 25) которого соединены одноименными электродами; точки соединения анодов пар вентилей (4, 25; 10, 13; 18, 21) соединены, соответственно, с выводами 1а, 1в, 1с источника (1) и с анодами вентилей (26, 11, 19), катоды которых соединены, соответственно, с выводами 2а', 2в', 2с' источника (2); точки соединения катодов пар вентилей (13,18; 21,25; 4,10) соединены, соответственно, с выводами 2а, 2в, 2с источника (2) и с катодами вентилей (16, 24, 8), аноды которых соединены, соответственно, с выводами 1а', 1в', 1с' источника (1), причем каждый вывод источника (1) соединен с катодом одного из диодов (3, 6, 12, 14, 20, 22) шестивентильной анодной звезды, общий узел которой образует отрицательный выходной вывод (27) устройства, а каждый вывод источника (2) соединен с анодом одного из диодов (5, 7, 9, 15, 17, 23) шестивентильной катодной звезды, общий узел которой образует положительный выходной вывод (28) устройства; к выводам (27, 28) подключена нагрузка (29). Технический результат - меньшие массогабаритные показатели и более высокий КПД. 3 ил.

Преобразователь переменного напряжения в постоянное с двадцатичетырехкратной частотой пульсации, содержащий двадцать четыре вентиля и два идентичных трехфазных трансформатора, первичные обмотки которых соединены по схеме «скользящих треугольников», отношение частей обмоток, составляющих треугольники, к частям обмоток, составляющих продолженные стороны, равно

а два вывода первичной обмотки одного из трансформаторов присоединены к трехфазной сети с транспозицией по отношению к присоединению идентичных выводов первичной обмотки другого трансформатора, отличающийся тем, что из частей вторичных обмоток в каждом трансформаторе сформирован источник шестифазной системы ЭДС, образованный звездой и обратной звездой, соединенными нулевыми точками, причем части обмоток звезды и части обмоток обратной звезды находятся в соотношении а из шести вентилей сформировано вентильное кольцо, вентили которого соединены между собой только одноименными электродами, при этом каждая из трех точек соединения, образованных электродами одного наименования, подключена к одному из выводов звезды одного источника, а каждая из трех точек соединения, образованных электродами другого наименования, подключена к одному из выводов звезды другого источника, причем каждая точка соединения вентилей кольца, подключенная к выводу звезды одного из источников, подключена также к точке соединения разноименных электродов двух вентилей, образующих вентильную ячейку, один крайний электрод которой, имеющий наименование, отличное от наименования электродов вентилей кольца в точке соединения с кольцом данной ячейки, соединен с выводом обратной звезды другого источника, причем этот вывод имеет наименование, аналогичное наименованию вывода звезды источника, подключенного к данной точке кольца, а второй крайний электрод ячейки подключен к соответствующему выходному выводу устройства, при этом каждый из выводов обратных звезд, к которому присоединен электрод вентиля ячейки, соединен с электродом другого наименования незадействованного вентиля, второй электрод которого присоединен к соответствующему выходному выводу, причем выводы звезд, имеющие одинаковое наименование, подключены к диаметрально противоположным точкам соединения вентилей кольца.