ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ 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 потребителей с повышенными требованиями к качеству выпрямленного напряжения.

Известен преобразователь переменного напряжения в постоянное, обеспечивающий m-кратную частоту пульсации выпрямленного напряжения (рассматривается m=24), содержащий 12 источников произвольных ЭДС и 24 вентиля, соединенных в два последовательно включенных шестиячейковых вентильных моста [А.с. СССР №917280, МКИ Н02М 7/10, опубл. 30.03.1982].

Недостатком данного преобразователя является большое количество используемых трансформаторов - двенадцати однофазных или четырех трехфазных, и относительно большие потери мощности в вентилях, последовательно обтекаемых током нагрузки.

Известен также преобразователь переменного напряжения в постоянное, обеспечивающий двадцатичетырехкратную частоту пульсации выпрямленного напряжения [Пат. №2219647 РФ, МКИ Н02М 7/08, опубл. 20.12.2003], содержащий два трехфазных трансформатора, вторичные фазные обмотки каждого трансформатора соединены в треугольник, причем каждая фазная вторичная обмотка снабжена двумя внутренними отводами, которые подключены к диагоналям переменного тока двух мостовых выпрямителей, включенных по входу параллельно, при этом указанные отводы от фазных обмоток выполнены от частей, находящихся в соотношении , считается от одноименного зажима каждой обмотки, причем первичные обмотки одного трансформатора соединены в звезду, а второго в треугольник, а выходы всех выпрямителей включены параллельно.

Недостатками данного преобразователя являются большие массогабаритные показатели и применение в трансформаторах вторичных обмоток, части которых имеют три значения витковых чисел, что при малых числах витков ограничивает возможность обеспечить расчетное соотношение чисел витков, тем самым снижает эффективность преобразования электрической энергии.

Наиболее близким к изобретению, принятым за прототип, является преобразователь переменного напряжения в постоянное (А.с. СССР №803089, МКИ Н02М 7/06, опубл. 07.02.1981), содержащий два трехфазных трансформатора, первичная обмотка одного трансформатора выполнена по схеме звезда, второго по схеме треугольник, а вторичные обмотки в каждом трансформаторе выполнены по схемам звезды и обратной звезды, соединенными нулевыми точками в шестифазную звезду, и двенадцать вентилей, образующих двенадцативентильную кольцевую схему, соединенных последовательно так, что у них попарно объединены одноименные силовые электроды, причем каждая фаза вторичных обмоток первого трансформатора подключена к объединенным одноименным силовым электродам двух вентилей, через которые она соединена с двумя фазами вторичных обмоток второго трансформатора, имеющими относительный фазовый сдвиг эл. град. относительно данной фазы, при этом общие точки соединения вторичных обмоток в каждом трансформаторе образуют два выходных вывода преобразователя.

Указанный преобразователь обеспечивает только двенадцатикратную частоту пульсации выпрямленного напряжения.

Задача изобретения - создание преобразователя переменного напряжения в постоянное, обеспечивающего двадцатичетырехкратную частоту пульсации выпрямленного напряжения.

Указанная задача достигается тем, что преобразователь переменного напряжения в постоянное содержит два трехфазных трансформатора, первичная обмотка одного трансформатора выполнена по схеме звезды, второго по схеме треугольника, а вторичные обмотки в каждом трансформаторе выполнены по схемам звезды и обратной звезды, соединенным нулевыми точками в шестифазную звезду, и двенадцать вентилей, образующих двенадцативентильную кольцевую схему, соединенных последовательно так, что у них попарно объединены одноименные силовые электроды, причем каждая фаза вторичных обмоток одного трансформатора подключена к объединенным одноименным силовым электродам двух вентилей, через которые она соединена с двумя фазами вторичных обмоток другого трансформатора, имеющими относительный фазовый сдвиг эл. гр. относительно данной фазы, при этом он снабжен двенадцатью дополнительными вентилями, соединенными в две шестивентильных звезды, анодную и катодную, общие точки соединения вентилей которых образуют выходные выводы преобразователя, причем к каждой точке соединения одноименных электродов вентилей двенадцативентильного кольца присоединен силовой электрод с другим наименованием, принадлежащий одному из вентилей шестивентильных звезд, при этом числа витков вторичных фазных обмоток обеих звезд (обратных звезд) равны, а отношение чисел витков вторичных фазных обмоток звезд (обратных звезд) к числам витков вторичных фазных обмоток обратных звезд (звезд) составляет .

На Фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого преобразователя; на Фиг.2 - векторные диаграммы напряжений, представленные в виде амплитудно-фазовых портретов напряжений вторичных фазных обмоток; на Фиг.3 - развернутые векторные диаграммы, поясняющие принцип формирования векторов результирующих напряжений; на Фиг.4 - схема работы обмоток и вентилей преобразователя, показывающая цепи протекания тока нагрузки в каждой из двадцати четырех фаз преобразовательного процесса.

Преобразователь переменного напряжения в постоянное (Фиг.1) содержит два трехфазных трансформатора 1 и 2, формирующих две сдвинутые по фазе на 30 эл. град. друг относительно друга шестифазные системы ЭДС, представленные фазными выводами a, z, в, х, с, y одной шестифазной звезды и выводами а', z' в', х', с', y' - второй шестифазной звезды, а также двадцать четыре вентиля 3...26, из которых сформированы две шестивентильных звезды, анодная из вентилей 3, 7, 12, 15, 20, 23 и катодная из вентилей 5, 6, 9, 14, 17, 22 и двенадцативентильное кольцо (вентили 4, 8, 10, 11, 13, 16, 18, 19, 21, 24, 25, 26) так, что попарно объединены одноименные силовые электроды вентилей, при этом каждая фаза вторичных обмоток трансформатора 1 (2) подключена к объединенным анодам (катодам) двух вентилей, через которые она соединена с двумя фазами вторичных обмоток трансформатора 2 (1), имеющими относительный фазовый сдвиг эл. гр. относительно данной фазы. Общие точки 27 и 28 соединения вентилей соответственно анодной и катодной шестивентильных звезд образуют выходные выводы преобразователя, к которым подключена нагрузка 29. К каждой точке соединения одноименных электродов вентилей двенадцативентильного кольца присоединен электрод с другим наименованием, принадлежащий одному из вентилей шестивентильных звезд, при этом числа витков вторичных фазных обмоток обеих звезд (обратных звезд), составляющих шестифазные звезды, равны, а отношение чисел витков вторичных фазных обмоток звезд (обратных звезд) к числам витков вторичных фазных обмоток обратных звезд (звезд) составляет .

Принцип работы устройства (Фиг.1) иллюстрируется векторными диаграммами напряжений источников ЭДС, представленными в виде амплитудно-фазовых портретов напряжений вторичных обмоток (Фиг.2) и развернутыми векторными диаграммами, поясняющими принцип формирования векторов результирующих напряжений (Фиг.3), а также схемой работы обмоток и вентилей преобразователя, раскрывающей цепи протекания тока нагрузки в каждой из двадцати четырех фаз преобразовательного процесса (Фиг.4).

Векторные диаграммы (Фиг.2) показывают амплитудно-фазовые характеристики каждой из применяемых шестифазных систем ЭДС. Соотношение чисел витков фазных обмоток звезды и обратной звезды в каждом источнике ЭДС равно . 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 векторную диаграмму напряжений одной системы и перемещая вокруг нее векторную диаграмму напряжений другой системы, за период сетевого напряжения получим 24 вектора результирующих напряжений (Фиг.3). В каждом положении систем на фазовой плоскости определяются элементы вентильных связей, время работы вентилей и вторичных обмоток. Для иллюстративности на Фиг.3 приведены два положения систем на фазовой плоскости, при которых формируются векторы результирующих напряжений S1...S3, S23, S24. Весь цикл работы преобразователя при идеальной коммутации представлен токопроводящими цепями на Фиг.4.

Анализ векторных диаграмм показал, что обмотки трехфазных звезд, составляющих шестифазные звезды, находятся в токопроводящем состоянии 150 эл. град., а обмотки обратных звезд - 90 эл. град. Вентили 3, 12, 20; 6, 14, 22 анодной и катодной вентильных звезд пропускают ток 45 эл. град., а вентили 7, 15, 23; 5, 9, 17 - 75 эл. град. Угол проводимости вентилей 4, 13, 21 кольца равен 45 эл. град., вентилей 8, 11, 16, 19, 24, 26 - 30 эл. град., а вентилей 10, 18, 25 - 15 эл. град.

Полная мощность вторичных обмоток трансформаторов предлагаемого устройства равна 1,274·Р_d, тогда как полная мощность вторичных обмоток трансформаторов прототипа равна 1,338·Р_d. Трансформаторы предлагаемого преобразователя имеют расчетную типовую мощность S_T=1,185·Р_d. С учетом необходимости увеличения типовой мощности трансформатора 1 (Фиг.1) из-за действия намагничивающих сил, создаваемых 3-й и кратными ей гармониками токов вторичных обмоток, массогабаритные показатели трансформаторов предлагаемого устройства незначительно отличаются от показателей трансформаторов прототипа.

Предложенный преобразователь, собранный по схеме двадцатичетырехпульсного выпрямления, обеспечивает лучшее качество выпрямленного напряжения и потребляемых переменных токов, чем прототип.

Кроме того, применение вторичных обмоток в трансформаторах преобразователя с двумя более близкими значениями чисел витков (в относительных единицах 1,0 и 0,8587) по сравнению с соотношениями чисел витков вторичных обмоток трансформаторов других 24-пульсных преобразователей, обеспечивает лучшее равенство электромагнитных условий для обмоток при их размещении в окне магнитопровода. Это расширяет возможности выбора схемных решений для обеспечения целочисленного изготовления вторичных обмоток, что существенно при создании мощных преобразователей, а также при относительно невысоком уровне выпрямленного напряжения, когда трудно обеспечить величину конструктивной несимметрии напряжений вторичных обмоток в заданных пределах.

В цепи протекания тока нагрузки последовательно включены три вентильных плеча, что для определенной части потребителей может оказаться оптимальным решением.

Таким образом, предлагаемый преобразователь переменного напряжения в постоянное имеет по сравнению с прототипом двадцатичетырехкратную частоту пульсации выпрямленного напряжения.

Преобразователь переменного напряжения в постоянное предназначен для преобразования переменного напряжения в постоянное для питания потребителей с повышенными требованиями к качеству выпрямленного напряжения. Он содержит два трехфазных трансформатора (1) и (2), формирующих две сдвинутые по фазе на 30 эл. град. друг относительно друга, шестифазные системы ЭДС, представленные фазными выводами a, z, в, х, с, y одной шестифазной звезды и выводами а', z' в', х', с', y' - второй шестифазной звезды, а также двадцать четыре вентиля (3...26), из которых сформированы две шестивентильных звезды, анодная из вентилей (3), (7), (12), (15), (20), (23) и катодная из вентилей (5), (6), (9), (14), (17), (22) и двенадцативентильное кольцо (вентили (4), (8), (10), (11), (13), (16), (18), (19), (21), (24), (25), (26) так, что попарно объединены одноименные силовые электроды вентилей, при этом каждая фаза вторичных обмоток трансформатора (1) (2) подключена к объединенным анодам (катодам) двух вентилей, через которые она соединена с двумя фазами вторичных обмоток трансформатора (2) (1), имеющими относительный фазовый сдвиг эл. гр. относительно данной фазы. Общие точки (27) и (28) соединения вентилей соответственно анодной и катодной шестивентильных звезд образуют выходные выводы преобразователя, к которым подключена нагрузка (29). К каждой точке соединения одноименных электродов вентилей двенадцативентильного кольца присоединен электрод с другим наименованием, принадлежащий одному из вентилей шестивентильных звезд, при этом числа витков вторичных фазных обмоток обеих звезд (обратных звезд), составляющих шестифазные звезды, равны, а отношение чисел витков вторичных фазных обмоток звезд (обратных звезд) к числам витков вторичных фазных обмоток обратных звезд (звезд) составляет . Предложенный преобразователь переменного напряжения в постоянное имеет двадцатичетырехкратную частоту пульсации выпрямленного напряжения, что является техническим результатом. 4 ил.

Преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий два трехфазных трансформатора, первичная обмотка одного трансформатора выполнена по схеме звезды, второго по схеме треугольника, а вторичные обмотки в каждом трансформаторе выполнены по схемам звезды и обратной звезды, соединенных нулевыми точками в шестифазную звезду, и двенадцать вентилей, образующих двенадцативентильную кольцевую схему, соединенных последовательно так, что у них попарно объединены одноименные силовые электроды, при этом каждая фаза вторичных обмоток одного трансформатора подключена к объединенным одноименным силовым электродам двух вентилей, через которые она соединена с двумя фазами вторичных обмоток другого трансформатора, имеющими относительный фазовый сдвиг электрических градусов относительно данной фазы, отличающийся тем, что он снабжен двенадцатью дополнительными вентилями, соединенными в две шестивентильных звезды, анодную и катодную, общие точки соединения вентилей которых образуют выходные выводы преобразователя, причем к каждой точке соединения одноименных электродов вентилей двенадцативентильного кольца присоединен силовой электрод с другим наименованием, принадлежащий одному из вентилей шестивентильных звезд, при этом числа витков вторичных обмоток, выполненных по схеме звезда, равны между собой, числа витков вторичных обмоток, выполненных по схеме обратная звезда, также равны между собой, отношение чисел витков вторичных обмоток, выполненных по схеме обратная звезда, к числам витков вторичных обмоток, выполненных по схеме звезда, или чисел витков вторичных обмоток, выполненных по схеме звезда к числам витков вторичных обмоток, выполненных по схеме обратная звезда составляет .