ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ С 12-КРАТНОЙ ЧАСТОТОЙ ПУЛЬСАЦИИ Российский патент 2008 года по МПК H02M7/08 

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может найти применение в качестве неуправляемого или управляемого преобразователя переменного напряжения в постоянное для электропитания преимущественно высоковольтной нагрузки и для питания многоуровневых инверторов напряжения.

Известен преобразователь переменного напряжения в постоянное с 12-кратной частотой пульсации, выполненный по двухкаскадной схеме (SU №57958, 6 Н02М 1/14, Н02М 7/00, опубл. 01.01.1940).

Определенная трудность при реализации данного преобразователя заключается в конструктивной несимметрии напряжений вторичных обмоток, а при реализации высоковольтного преобразователя число каскадов преобразования в отдельных случаях является недостаточным.

Известен преобразователь переменного напряжения в постоянное с m-кратной частотой пульсации (рассматривается m=12), выполненный по многокаскадной схеме (SU №917280, МПК Н02М 7/10, опубл. 30.03.1982).

Недостатком данного преобразователя является: большое число используемых трансформаторов, так как для обеспечения параметрической симметрии цепей формирования результирующих напряжений, при применяемой конфигурации вторичных обмоток, преобразователь должен содержать два трехфазных или шесть однофазных трансформаторов; большие массогабаритные показатели; трудность осуществления регулирования выходного напряжения путем изменения числа витков первичных обмоток из-за конструктивных особенностей их исполнения.

Наиболее близким к изобретению, принятым за прототип, является преобразователь переменного напряжения в постоянное с 12-кратной частотой пульсации с тремя каскадами преобразования (RU №41207, МПК 7 Н02М 7/08, опубл. 10.10.2004), содержащий шесть источников ЭДС на базе трехфазного трансформатора, двадцать четыре вентиля, образующих двенадцать вентильных ячеек, причем ЭДС источников и вентили имеют одинаковое направление включения во всех источниках и вентильных ячейках и совместно с соединительными линиями образуют шесть ячеек преобразования, при этом ячейки преобразования объединены в три ступени, содержащие по две ячейки преобразования, вентильные ячейки которых соединены между собой параллельно и образуют три четырехфазных вентильных моста, каждый из которых соединен по переменному входу с источником пары ортогональных ЭДС, сдвинутых относительно пар ортогональных ЭДС источников, соединенных с другими мостами, на треть периода, причем в трехфазном трансформаторе, имеющем первичную обмотку и девять вторичных фазных обмоток, размещенных по три на каждом стержне трансформатора, сформировано шесть групп вторичных обмоток, являющихся источниками трех пар ортогональных ЭДС, при этом один из источников в каждой паре выполнен по схеме встречного равностороннего зигзага из двух фазных обмоток, размещенных на разных стержнях трансформатора, а другой в виде фазной обмотки на стержне трансформатора, не содержащем обмоток упомянутого зигзага, между собой четырехфазные вентильные мосты соединены последовательно разнополярными выходами, причем к выходам первого и последнего вентильных мостов подключена нагрузка.

Недостатками данного преобразователя являются относительно большие массогабаритные показатели и ухудшение спектрального состава выпрямленного напряжения.

Задача изобретения - создание преобразователя переменного напряжения в постоянное с 12-кратной частотой пульсации, имеющего меньшие массогабаритные показатели и улучшение спектрального состава выпрямленного напряжения, обусловленное более высокой параметрической симметрией цепей формирования результирующих напряжений преобразователя.

Указанная задача достигается тем, что преобразователь переменного напряжения в постоянное с 12-кратной частотой пульсации содержит три четырехфазных вентильных моста, каждый из которых соединен по переменным входам с источником пары ортогональных ЭДС, сдвинутых относительно пар ортогональных ЭДС-источников, соединенных с другими мостами, на треть периода и трехфазный трансформатор, имеющий первичную обмотку и девять вторичных фазных обмоток, размещенных по три на каждом стержне трансформатора, из которых сформировано шесть групп вторичных обмоток, являющихся источниками трех пар ортогональных ЭДС, при этом один из источников в каждой паре выполнен по схеме встречного равностороннего зигзага из фазных обмоток, размещенных на двух стержнях трансформатора, а другой в виде фазной обмотки на стержне трансформатора, не содержащем обмоток упомянутого зигзага, четырехфазные вентильные мосты соединены последовательно разнополярными выходами, причем к выходам первого и последнего вентильных мостов подключена нагрузка, при этом трансформатор снабжен шестью дополнительными вторичными фазными обмотками, размещенными по две на каждом стержне трансформатора, а из всех вторичных фазных обмоток сформированы три группы обмоток, каждая из которых образована двумя встречными равносторонними противофазными друг другу зигзагами, средние точки которых, образованные началами обмоток, соединены с началом, а средние точки, образованные концами обмоток, соединены с концом вторичной фазной обмотки на стержне, не содержащем фазных обмоток, формирующих данную пару зигзагов, причем четыре образованных фазных вывода каждой группы обмоток подключены к входам одного из четырехфазных вентильных мостов, при этом отношение числа витков каждой из фазных обмоток, составляющих равносторонние зигзаги, к числу витков обмотки, соединенной со средними точками зигзагов, равно , а от точек соединения разнополярных выходов мостов выполнены отводы.

На Фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого преобразователя; на Фиг.2 - векторные диаграммы напряжений, представленные в виде амплитудно-фазовых портретов напряжений фазных обмоток, составляющих три системы ортогональных линейных напряжений групп вторичных обмоток, и совмещенная векторная диаграмма линейных напряжений; на Фиг.3 - развернутые векторные диаграммы, поясняющие принцип формирования векторов результирующих напряжений; на Фиг.4 - фрагмент развернутых (вращающихся) векторных диаграмм, поясняющий принцип формирования векторов результирующих напряжений S1 и S2.

Преобразователь переменного напряжения в постоянное с 12-кратной частотой пульсации (Фиг.1) содержит три четырехфазных вентильных моста 1, 2, 3 и трансформаторный преобразователь числа фаз 4, имеющий на каждом стержне трехфазного трансформатора по пять вторичных фазных обмоток, из которых сформированы три группы обмоток 5, 6 и 7. Каждая группа вторичных обмоток образована двумя встречными равносторонними противофазными друг другу зигзагами, средние точки которых, образованные началами фазных обмоток, соединены с началом, а средние точки, образованные концами фазных обмоток, соединены с концом вторичной фазной обмотки стержня трансформатора, не содержащего фазных обмоток, формирующих данные зигзаги. Образованные в каждой группе четыре фазных вывода обмоток соединены с входами одного из четырехфазных вентильных мостов: выводы обмоток группы 5 - с входами моста 1, группы 6 - с входами моста 2, группы 7 - с входами моста 3. Между собой мосты соединены последовательно разнополярными выходами, причем к выходным зажимам 8 и 9 соответственно моста 1 и моста 3 подключена нагрузка 10, а от точек соединения мостов 1, 2 и 2, 3 выполнены отводы с зажимами 11 и 12.

Принцип работы устройства (Фиг.1) иллюстрируется векторными диаграммами напряжений, представленными в виде амплитудно-фазовых портретов напряжений фазных обмоток, составляющих три системы ортогональных линейных напряжений групп вторичных обмоток (Фиг.2), и развернутыми на фазовой плоскости векторными диаграммами, показывающими принцип формирования результирующих напряжений (Фиг.3, Фиг.4). В каждой группе вторичных обмоток, гальванически связанных между собой, отношение чисел витков каждой из фазных обмоток, составляющих равносторонние зигзаги, к числу витков фазной обмотки, включенной между средними точками двух зигзагов, равно . При таком соотношении обеспечивается ортогональность и равенство линейных напряжений. Каждая группа фазных обмоток позволяет сформировать несколько систем симметричных ортогональных линейных напряжений (в том числе относительно средних точек фазных обмоток, соединяющих средние точки зигзагов). В предлагаемом преобразователе к четырехфазным мостам подключены линейные напряжения, действующие между диагонально расположенными (в привязке к топологической плоскости) фазными выводами обмоток. Векторные диаграммы (Фиг.2) показывают амплитудно-фазовые характеристики каждой из трех используемых систем ортогональных линейных напряжений групп вторичных обмоток (эквивалентных симметричным четырехфазным системам напряжений между фазными выводами и незадействованными в данном преобразователе средними точками групп обмоток).

Фазовый сдвиг между ортогональными системами линейных напряжений, совмещенная векторная диаграмма которых приведена на Фиг.2, обеспечивает динамичное формирование двенадцати результирующих напряжений преобразователя, векторы которых равны по модулю и сдвинуты друг относительно друга на 30 эл. град (Фиг.3). Условно зафиксировав векторную диаграмму фазных напряжений группы обмоток 6, при перемещении вокруг нее по ходу часовой стрелки векторных диаграмм напряжений групп обмоток 5 и 7, получено двенадцать векторов результирующих напряжений за период сетевого напряжения (Фиг.3). В каждом фиксированном положении трех диаграмм на фазовой плоскости определено время работы вторичных обмоток и углы проводимости вентилей, соединяющих обмотки между собой и с нагрузкой. Например, при формировании результирующего напряжения, представленного на диаграмме Фиг.4 вектором S1, открыты следующие вентили: вентиль анодной группы моста 1, связанный катодом с фазным выводом а₄; вентиль катодной группы моста 3, связанный анодом с фазным выводом а₃; два вентиля смежных вентильных групп мостов 1 и 2, анод одного из которых соединен с фазным выводом а₂, а катод другого с фазным выводом с₃; два вентиля смежных вентильных групп мостов 2 и 3, анод одного из которых соединен с фазным выводом c₁, а катод другого с фазным выводом a₁. Токообразующими ЭДС при формировании пульсации S1 являются ЭДС фазных обмоток, соответствующих перечисленным фазным выводам, и ЭДС обмоток, включенных между средними точками зигзагов. Фазные обмотки, включенные между средними точками зигзагов, работают в течение периода сетевого напряжения.

Таким образом, определено, что фазные обмотки, соединяющие пары противофазных зигзагов между собой, работают 360 эл. град;, а фазные обмотки зигзагов - 180 эл. градусов. Соответственно вентили четырехфазных вентильных мостов имеют углы проводимости, равные 90 эл. град.

Исходя из геометрического построения диаграммы формирования векторов результирующих напряжений (Фиг.3, Фиг.4) определено максимальное значение выпрямленного напряжения при идеальной коммутации и соответственно среднее его значение. Приняв за относительную единицу (о.е) амплитуду напряжения на фазной обмотке зигзага, получено среднее значение выпрямленного напряжения U_do=6,616 о.е.

По результатам анализа работы вторичных обмоток, определена мощность вторичных обмоток, составившая 1,14 Р_d. Коэффициент установленной мощности трансформаторного преобразователя числа фаз предлагаемого устройства равен 1,076, а у прототипа он больше - 1,104. Это позволяет утверждать о снижении массогабаритных показателей предлагаемого преобразователя.

Из диаграмм формирования результирующих напряжений (Фиг.3, Фиг.4) видно, что все векторы результирующих напряжения преобразователя получены при одинаковых суммарных числах витков вторичных обмоток, расположенных на трех стержнях трансформатора (практически при одинаковых активных и реактивных сопротивлениях). По сравнению с прототипом разность между числами витков вторичных обмоток трансформатора, имеющих отличающиеся величины, у предлагаемого преобразователя меньшая и составляет (1-0,732) в относительных единицах (относительно наибольшего числа витков вторичной фазной обмотки), в то время как для прототипа аналогичная разность в относительных единицах равна (1-0,577). В определенных случаях это позволяет улучшить условия оптимального размещения обмоток, увеличить потокосцепление между обмотками, уменьшить магнитные потоки рассеяния и обеспечить равенство магнитных условий для обмоток. Совокупность перечисленных особенностей построения групп вторичных фазных обмоток позволяет повысить параметрическую симметрию цепей формирования результирующих напряжений преобразователя и тем самым улучшить спектральный состав выпрямленного напряжения.

Таким образом, предлагаемый преобразователь переменного напряжения в постоянное с 12-кратной частотой пульсации имеет по сравнению с прототипом меньшие массогабаритные показатели и лучший спектральный состав выпрямленного напряжения.

Кроме того, несмотря на увеличение количества вторичных обмоток (при высоковольтном исполнении, а также для обеспечения равенства магнитных условий, секционирование и чередование секций является техническим приемом), применение вторичных обмоток трансформатора с двумя числами витков, имеющих соотношение 1:0,732, в отличие от соотношения 1:0,577 у обмоток трансформатора прототипа, расширяет диапазон выбора 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 напряжений вторичных обмоток.

Преобразователь с данным построением вторичных обмоток может быть выполнен и по схеме с параллельным соединением четырехфазных мостов.

Преобразователь переменного напряжения в постоянное с 12-кратной частотой пульсации может найти применение в качестве неуправляемого или управляемого преобразователя переменного напряжения в постоянное для электропитания преимущественно высоковольтной нагрузки и для питания многоуровневых инверторов напряжения. Содержит три четырехфазных вентильных моста (1, 2, 3) и трансформаторный преобразователь числа фаз (4), имеющий на каждом стержне трехфазного трансформатора по пять вторичных фазных обмоток, из которых сформированы три группы обмоток (5, 6, 7). Каждая группа вторичных обмоток образована двумя встречными равносторонними противофазными друг другу зигзагами, средние точки которых, образованные началами фазных обмоток, соединены с началом, а средние точки, образованные концами фазных обмоток, соединены с концом вторичной фазной обмотки стержня трансформатора, не содержащего фазных обмоток, формирующих данные зигзаги. Образованные в каждой группе четыре фазных вывода обмоток соединены с входами одного из четырехфазных вентильных мостов: выводы обмоток группы (5) - с входами моста (1), группы (6) - с входами моста(2), группы (7) - с входами моста (3). Между собой мосты соединены последовательно разнополярными выходами, причем к выходным зажимам (8, 9) соответственно моста (1) и моста (3) подключена нагрузка (10), а от точек соединения мостов (1, 2) и (2, 3) выполнены отводы с зажимами (11, 12). Предложенный преобразователь переменного напряжения в постоянное с 12-кратной частотой пульсации имеет меньшие массогабаритные показатели и лучший спектральный состав выпрямленного напряжения. 4 ил.

Преобразователь переменного напряжения в постоянное с 12-кратной частотой пульсации, содержащий три четырехфазных вентильных моста, каждый из которых соединен по переменным входам с источником пары ортогональных ЭДС, сдвинутых относительно пар ортогональных ЭДС источников, соединенных с другими мостами, на треть периода и трехфазный трансформатор, имеющий первичную обмотку и девять вторичных фазных обмоток, размещенных по три на каждом стержне трансформатора, из которых сформировано шесть групп вторичных обмоток, являющихся источниками трех пар ортогональных ЭДС, при этом один из источников в каждой паре выполнен по схеме встречного равностороннего зигзага из фазных обмоток, размещенных на двух стержнях трансформатора, а другой в виде фазной обмотки на стержне трансформатора, не содержащем обмоток упомянутого зигзага, четырехфазные вентильные мосты соединены последовательно разнополярными выходами, причем к выходам первого и последнего вентильных мостов подключена нагрузка, отличающийся тем, что трансформатор снабжен шестью дополнительными вторичными фазными обмотками, размещенными по две на каждом стержне трансформатора, а из всех вторичных фазных обмоток сформированы три группы обмоток, каждая из которых образована двумя встречными равносторонними противофазными друг другу зигзагами, средние точки которых, образованные началами обмоток, соединены с началом, а средние точки, образованные концами обмоток, соединены с концом вторичной фазной обмотки на стержне, не содержащем фазных обмоток, формирующих данную пару зигзагов, причем четыре образованных фазных вывода каждой группы обмоток подключены к входам одного из четырехфазных вентильных мостов, при этом отношение числа витков каждой из фазных обмоток, составляющих равносторонние зигзаги, к числу витков обмотки, соединенной со средними точками зигзагов, равно а от точек соединения разнополярных выходов мостов выполнены отводы.