ДВАДЦАТИЧЕТЫРЕХФАЗНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТРЕХФАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ Российский патент 2014 года по МПК H02M7/162 

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может найти применение для питания потребителей постоянного тока с повышенными требованиями к качеству преобразования при различных уровнях выпрямленного напряжения.

Известны двадцатичетырехфазные преобразователи трехфазного напряжения в постоянное, построенные на основе четырех последовательно соединенных преобразовательных секций, содержащих трехфазные вентильные мосты, подключенные к автономным источникам симметричных трехфазных систем ЭДС, сдвинутых по фазе последовательно друг относительно друга на угол , где m - фазность преобразования (1. Яценко А.А. Применение схемы «скользящего треугольника» в многофазных преобразователях. // Электричество. - 1982. - №7. - С.17-24. 2. A.c. SU №801204, МПК Н02М 7/06, опубл. 30.01.1981, Бюл. №4). Такие каскадные преобразователи обеспечивают получение на выходах четырех различных уровней выпрямленного напряжения при последовательных схемах построения (от соответствующих отводов преобразовательных секций).

Недостатком данных преобразователей при последовательных схемах построения является большая мощность потерь в вентилях. В силу того, что двадцатичетырехфазные преобразователи последовательного типа построены методом последовательного агрегирования четырех шестифазных преобразовательных секций с трехфазными вентильными мостами и источниками трехфазных симметричных систем ЭДС, имеющих сдвиг 15 эл. град. между одноименными напряжениями, при использовании суммы напряжений трех секций в схеме последовательного типа форма кривой выпрямленного напряжения будет существенно искажена. Таким образом, качество преобразования при использовании трех преобразовательных секций, по сравнению с использованием четырех секций, существенно снижается. При использовании суммы напряжений двух секций при сдвиге 30 эл. град. между одноименными напряжениями выпрямленное напряжение будет иметь 12 пульсаций за период, т.е. качество преобразования также снизится. Еще более существенное снижение качества преобразования произойдет при использовании в качестве выходного выпрямленного напряжения выходного напряжения от одной из секций, так как в его кривой будет только шесть пульсаций.

Наиболее близким к изобретению, принятым за прототип, является двадцатичетырехфазный преобразователь трехфазного напряжения в постоянное (Пат. РФ №2368997. Преобразователь трехфазного напряжения в постоянное / С.А.Евдокимов, Бюл. №27, 2009), содержащий при кратности частоты пульсации выпрямленного напряжения р=24 p/6=4 симметричных трехфазных источника питания, одноименные напряжения которых последовательно сдвинуты по фазе на 2π/p=15 эл. град., и n=(p/6)+1=5 последовательно расположенных вентильных групп, крайние из которых содержат по три вентиля, соединенных в анодную и катодную вентильные звезды, общие точки которых образуют выходные выводы устройства, а остальные три группы представляют собой шестивентильные кольца с тремя парами диаметрально расположенных точек соединения одноименных электродов вентилей, крайние вентильные группы соединены со смежными группами в трех узлах, каждый их которых образован свободным электродом вентиля анодной (катодной) вентильной звезды и свободной точкой соединения электродов вентилей смежного вентильного кольца, образованной электродами другого наименования, смежные вентильные кольца соединены в трех узлах, каждый из которых образован свободной парой точек соединения электродов вентилей смежных колец, при этом в данных узлах электроды вентилей одного смежного кольца имеют одно наименование, а электроды вентилей второго кольца другое, причем к каждому узлу соединения смежных вентильных групп подключена одна из фаз одного из трехфазных источников питания, причем каждая из фаз любого источника питания соединена через вентили колец только с фазами смежных источников питания, имеющими фазовые сдвиги эл. град. относительно данной фазы.

Данный преобразователь, реализующий последовательную схему соединения трехфазных источников питания, в любой фазе преобразования имеет всего 5 вентилей, последовательно обтекаемых током нагрузки, что снижает мощность потерь в вентилях относительно мостовых схем, имеющих при данных источниках питания 8 вентилей в цепи тока.

Недостатком данного преобразователя является то, что схемное решение обеспечивает на выходе преобразователя только один уровень выпрямленного напряжения (не принимая во внимание возможность фазового регулирования с помощью управляемых вентилей, приводящее к уменьшению коэффициента мощности, или амплитудное регулирование напряжений источников трехфазных напряжений, требующее сложного построения вторичных обмоток трансформаторов и применяемое, главным образом, в однофазных выпрямителях электровозов переменно-постоянного тока). Таким образом, ограничены функциональные возможности преобразователя.

Задача изобретения - расширение функциональных возможностей преобразователя.

Указанная задача достигается тем, что двадцатичетырехфазный преобразователь трехфазного напряжения в постоянное содержит четыре симметричных трехфазных источника питания, одноименные напряжения которых последовательно сдвинуты по фазе на 2π/p=15 эл. град., и n=(p/6)+1=5 последовательно расположенных вентильных групп, крайние из которых содержат по три вентиля, соединенных в анодную и катодную трехвентильные звезды, общие точки которых образуют выходные выводы устройства, соответственно, анодный и катодный, а остальные три группы представляют собой шестивентильные кольца с тремя парами диаметрально расположенных точек соединения одноименных электродов вентилей, крайние вентильные группы соединены со смежными группами в трех узлах, каждый их которых образован свободным электродом вентиля анодной (катодной) вентильной звезды и свободной точкой соединения электродов вентилей смежного вентильного кольца, образованной электродами другого наименования, смежные вентильные кольца соединены в трех узлах, каждый из которых образован свободной парой точек соединения электродов вентилей смежных колец, при этом в данных узлах электроды вентилей одного смежного кольца имеют одно наименование, а электроды вентилей второго кольца другое, причем к каждому узлу соединения смежных вентильных групп подключена одна из фаз одного из трехфазных источников питания, причем каждая из фаз любого источника питания соединена через вентили колец только с фазами смежных источников питания, имеющими фазовые сдвиги эл. град. относительно данной фазы, при этом преобразователь снабжен двадцать одним дополнительным вентилем, вентили шестивентильных колец выполнены управляемыми, три дополнительных вентиля также выполнены управляемыми, а остальные - неуправляемыми, из девяти неуправляемых дополнительных вентилей сформирована анодная, а из девяти оставшихся дополнительных неуправляемых вентилей катодная девятивентильные звезды, соединенные общими точками соединения одноименных электродов с соответствующими им по наименованию выходными выводами устройства, а каждый из девяти свободных электродов вентилей в каждой из сформированных звезд соединен с одной из фаз трехфазных источников питания, не соединенных ранее с одноименными данным девятивентильным звездам трехвентильными звездами, три дополнительных управляемых вентиля соединены анодами с фазами одного крайнего трехфазного источника питания, к которым подключена катодная трехвентильная звезда, при этом свободные катоды данных вентилей соединены с фазами другого крайнего трехфазного источника питания, опережающими на эл. град. фазы источника, к которым данные вентили присоединены анодами.

На Фиг.1 приведена электрическая схема предлагаемого преобразователя; на Фиг.2 показаны векторные диаграммы трехфазных источников питания, представленные амплитудно-фазовыми портретами (АФП) трехфазных систем напряжений, изображенными в виде треугольников, и совмещенные АФП при формировании результирующих выпрямляемых напряжений от четырех трехфазных источников питания (четырехуровневое включение); на Фиг.3 показаны совмещенные АФП при формировании результирующих выпрямляемых напряжений от трех трехфазных источников питания; на Фиг.4 показаны совмещенные АФП при формировании результирующих выпрямляемых напряжений от двух трехфазных источников питания; на Фиг.5 приведены временные диаграммы напряжений источников питания с указанием участков кривых фазных напряжений, формирующих результирующие выпрямляемые напряжения от четырех источников питания, совмещенные с таблицей (алгоритмом) работы управляемых вентилей; на Фиг.6 показаны формы выпрямленного напряжения преобразователя при четырехуровневом включении при идеальной модели и модели с реальными параметрами цепей; на Фиг.7 приведены временные диаграммы напряжений источников питания с указанием участков кривых фазных напряжений при формировании результирующих выпрямляемых напряжений от трех источников питания и алгоритм работы управляемых вентилей; на Фиг.8 показаны формы выпрямленного напряжения преобразователя при трехуровневом включении при идеальной модели и модели с реальными параметрами; на Фиг.9 приведены сравнительные временные диаграммы выпрямленных напряжений при четырех режимах работы преобразователя: одноуровневом; двухуровневом; трехуровневом; четырехуровневом; на Фиг.10 показаны формы выпрямленного напряжения при одном из вариантов перехода с трехуровневого на четырехуровневый режим работы преобразователя для компьютерной модели с идеальными параметрами и модели с реальными параметрами.

Преобразователь (Фиг.1) содержит симметричные трехфазные источники 1, 2, 3, 4 питания, сорок пять вентилей 5-49, двадцать один из которых управляемые и образуют три шестивентильных кольца: одно кольцо из вентилей 10, 13, 18, 21, 26, 6, которое объединенными анодами пар вентилей 10, 6; 13, 18; 21, 26 соединено, соответственно, с фазами a, b, c источника 1, а объединенными катодами пар вентилей 18, 21; 26, 6; 10, 13 соединено, соответственно, с фазами a, b, c источника 2; второе кольцо из вентилей 22, 27, 11, 7, 19, 14, которое объединенными анодами пар вентилей 11, 7; 19, 14; 22, 27 соединено, соответственно, с фазами a, b, c источника 2, а объединенными катодами пар вентилей 22, 19; 27, 7; 11, 14 соединено, соответственно, с фазами a, b, c источника 3; третье кольцо из вентилей 12, 20, 23, 15, 8, 28, которое объединенными анодами пар вентилей 12, 8; 20, 15; 23, 28 соединено, соответственно, с фазами a, b, c источника 3, а объединенными катодами пар вентилей 20, 23; 8, 28; 12, 15 соединено, соответственно, с фазами a, b, c источника 4. Три управляемых вентиля 31, 41, 48 анодами подключены, соответственно, к фазам a, b, c источника 4, а катодами подключены, соответственно, к фазам c, a, b источника 1. Двенадцать неуправляемых вентиля соединены в анодную двенадцативентильную звезду, катоды вентилей 17, 25, 5 которой подключены, соответственно, к фазам a, b, c источника 1, катоды вентилей 29, 49, 36 подключены, соответственно, к фазам a, b, c источника 2, катоды вентилей 43, 30, 37 подключены, соответственно, к фазам a, b, c источника 3, катоды вентилей 45, 33, 38 подключены, соответственно, к фазам a, b, c источника 4, а общая точка соединения анодов образует анодный выходной вывод устройства 50. Двенадцать неуправляемых вентиля соединены в катодную двенадцативентильную звезду, аноды вентилей 9, 16, 24 которой подключены, соответственно, к фазам a, b, c источника 4, аноды вентилей 35, 40, 47 подключены, соответственно, к фазам a, b, c источника 3, аноды вентилей 34, 39, 46 подключены, соответственно, к фазам a, b, c источника 2, аноды вентилей 32, 42, 44 подключены, соответственно, к фазам a, b, c источника 1, а общая точка соединения катодов образует катодный выходной вывод устройства 51. К выводам 50 и 51 подключена нагрузка 52.

Принцип работы преобразователя (Фиг.1) иллюстрируется векторными диаграммами напряжений, представленными на Фиг.2 для четырехуровневого соединения трехфазных источников питания, на Фиг.3 для трехуровневого соединения источников, а на Фиг.4 для двухуровневого соединения в виде амплитудно-фазовых портретов напряжений вторичных фазных обмоток источников 1, 2, 3 и 4, формирующих четыре симметричные трехфазные системы, сдвинутые последовательно по фазе на 15 эл. град., и развернутыми на потенциальной плоскости векторными диаграммами результирующих напряжений. Из векторных диаграмм видно, что при четырехуровневом соединении источников (Фиг.2) в формировании каждого результирующего выпрямляемого напряжения участвуют линейные напряжения каждой из четырех трехфазных систем, а при трехуровневом соединении напряжения только трех систем (Фиг.3), причем каждая из четырех систем задействована в формировании 18 результирующих напряжений, так как системы циклично сменяют друг друга. При двухуровневом соединении источников (Фиг.4) каждая из четырех систем задействована в формировании 12 результирующих выпрямляемых напряжений. Одноуровневый режим работы не иллюстрируется, так как все 12 фаз источников питания соединены с неуправляемым 12-фазным вентильным мостом, работа которого при отсутствии сигналов управления на управляемые вентили, пояснений не требует. При этом каждая из систем участвует в формировании 6 результирующих выпрямляемых напряжений.

Для организации двух-, трех- или четырехуровневого соединения источников вентили шестивентильных колец и трит дополнительных вентиля выполнены управляемыми. Последовательность управляемого включения вентилей при формировании выпрямленного напряжения, соответствующего включению четырех источников питания, приведена в таблице 1. Моменты включения данных вентилей соответствуют началу формирования соответствующей пульсации s. Сопоставление алгоритма включения управляемых вентилей с временными диаграммами фазных напряжений источников питания приведено на Фиг.5.

Таблица 1 s1 6 7 8 s7 13 14 15 s13 21 19 20 s19 26 27 23 s2 10 7 8 s8 13 14 15 s14 21 22 20 s20 26 27 28 s3 10 11 8 s9 13 14 15 s15 21 22 23 s21 6 27 28 s4 10 11 12 s10 18 14 15 s16 21 22 23 s22 6 7 28 s5 13 11 12 s11 18 19 15 s17 21 22 23 s23 6 7 8 s6 13 14 12 sl2 18 19 20 s18 26 22 23 s24 6 7 8

Скругленные прямоугольники на временной диаграмме охватывают пары фазных напряжений трехфазных источников питания, которые участвуют в формировании текущей пульсации. Продолжительность включения одной половины управляемых вентилей равна пяти длительностям пульсации: 75 эл. град., а другой половины - трем: 45 эл. град. На Фиг.6 приведены кривые выпрямленного напряжения при четырехуровневом включении: одна получена на компьютерной модели с идеализированными параметрами, другая при конечных значениях параметров (приведены на фигуре).

Последовательность управляемого и естественного включения вентилей устройства при формировании выпрямленного напряжения, соответствующего включению трех источников питания, приведена в таблице 2. Номера управляемых вентилей в таблице отмечены жирным шрифтом. Моменты включения данных вентилей соответствуют началу формирования соответствующей пульсации s, а продолжительность включения - двум длительностям пульсации, т.е. 30 эл. град.

Таблица 2

s1 49 7 8 9 s7 38 31 13 39   s13 29 19 20 16 s19 45 48 26 46 s2 30 8 31 32 s8 5 13 14 40 s14 43 20 41 44 s20 25 26 27 47 s3 33 31 10 34 s9 36 14 15 16 s15 45 41 21 46 s21 49 27 28 24 s4 5 10 11 35 s10 37 15 41 42 s16 17 21 22 47 s22 30 28 48 32 s5 36 11 12 9 s11 38 41 18 39 s17 29 22 23 24 s23 33 48 6 34 s6 37 12 31 42 s12 17 18 19 40 s18 43 23 48 44 s24 25 6 7 35

Сопоставление алгоритма включения управляемых вентилей с временными диаграммами фазных напряжений трехфазных источников питания приведено на Фиг.7. Скругленные прямоугольники на временной диаграмме охватывают пары фазных напряжений трехфазных источников питания, которые участвуют в формировании текущей пульсации. На Фиг.8 приведены кривые выпрямленного напряжения при трехуровневом включении преобразователя с идеализированными и реальными параметрами его элементов (в цепи постоянного тока R_d, L_d; в анодной цепи La).

Последовательность управляемого и естественного включения вентилей устройства при формировании выпрямленного напряжения, соответствующего включению двух источников питания, приведена в таблице 3.

Таблица 3 s1 30 8 9 s7 5 13 39 s13 43 20 16 s19 25 26 46 s2 33 31 32 s8 36 14 40 s14 45 41 44 s20 49 27 47 s3 5 10 34 s9 37 15 16 s15 17 21 46 s21 30 28 24 s4 36 11 35 s10 38 41 42 s16 29 22 47 s22 33 48 32 s5 37 12 9 s11 17 18 39 s17 43 23 24 s23 25 6 34 s6 38 31 42 s12 29 19 40 s18 45 48 44 s24 49 7 35

Сопоставление выпрямленных напряжений четырех уровней приведено на Фиг.9. На Фиг.10 показан один из вариантов перехода (длительность и пауза переходных импульсов равны двум длительностям пульсации) с трехуровневого на четырехуровневый режим работы в одном из периодов сетевого напряжения при идеальных параметрах элементов преобразователя и при учете реальных параметров. Заданное чередование применяемых алгоритмов включения на один - два; два - три; три - четыре уровня дает возможность плавного регулирования выпрямленного напряжения между его уровнями, соответствующими последовательному включению одной, двух, трех или четырех преобразовательных секций.

Предложенный преобразователь по сравнению с прототипом позволяет изменять уровень выпрямленного напряжения, не прибегая к известным методам фазового или амплитудного регулирования.

Таким образом, предлагаемый двадцатичетырехфазный преобразователь трехфазного напряжения в постоянное имеет более широкие функциональные возможности.

Двадцатичетырехфазный преобразователь трехфазного напряжения в постоянное предназначен для питания потребителей постоянного тока с повышенными требованиями к качеству преобразования при различных уровнях выпрямленного напряжения. Предложенный преобразователь содержит четыре симметричных трехфазных источника питания и пять последовательно расположенных вентильных групп, крайние из которых содержат по три вентиля, соединенных в анодную и катодную вентильные звезды, общие точки которых образуют выходные выводы устройства, а остальные три группы представляют собой шестивентильные кольца с тремя парами диаметрально расположенных точек соединения одноименных электродов вентилей. Смежные вентильные кольца соединены в трех узлах, каждый из которых образован свободной парой точек соединения электродов вентилей смежных колец. Преобразователь снабжен двадцать одним дополнительным вентилем, вентили шестивентильных колец выполнены управляемыми, три дополнительных вентиля также выполнены управляемыми, а остальные - неуправляемыми. Технический результат - более широкие функциональные возможности. 10 ил., 3 табл.

Двадцатичетырехфазный преобразователь трехфазного напряжения в постоянное, содержащий четыре симметричных трехфазных источника питания, одноименные напряжения которых последовательно сдвинуты по фазе на 2π/p=15 эл. град., и n=(p/6)+1=5 последовательно расположенных вентильных групп, крайние из которых содержат по три вентиля, соединенных в анодную и катодную вентильные звезды, общие точки которых образуют выходные выводы устройства, соответственно, анодный и катодный, а остальные три группы представляют собой шестивентильные кольца с тремя парами диаметрально расположенных точек соединения одноименных электродов вентилей, крайние вентильные группы соединены со смежными группами в трех узлах, каждый их которых образован свободным электродом вентиля анодной (катодной) вентильной звезды и свободной точкой соединения электродов вентилей смежного вентильного кольца, образованной электродами другого наименования, смежные вентильные кольца соединены в трех узлах, каждый из которых образован свободной парой точек соединения электродов вентилей смежных колец, при этом в данных узлах электроды вентилей одного смежного кольца имеют одно наименование, а электроды вентилей второго кольца другое, причем к каждому узлу соединения смежных вентильных групп подключена одна из фаз одного из трехфазных источников питания, причем каждая из фаз любого источника питания соединена через вентили колец только с фазами смежных источников питания, имеющими фазовые сдвиги эл. град. относительно данной фазы, отличающийся тем, что он снабжен двадцать одним дополнительным вентилем, вентили шестивентильных колец выполнены управляемыми, три дополнительных вентиля также выполнены управляемыми, а остальные - неуправляемыми, из девяти неуправляемых дополнительных вентилей сформирована анодная, а из девяти оставшихся дополнительных неуправляемых вентилей катодная девятивентильные звезды, соединенные общими точками соединения одноименных электродов с соответствующими им по наименованию выходными выводами устройства, а каждый из девяти свободных электродов вентилей в каждой из сформированных звезд соединен с одной из фаз трехфазных источников питания, не соединенных ранее с одноименными данным девятивентильным звездам трехвентильными звездами, три дополнительных управляемых вентиля соединены анодами с фазами одного крайнего трехфазного источника питания, к которым подключена катодная трехвентильная звезда, при этом свободные катоды данных вентилей соединены с фазами другого крайнего трехфазного источника питания, опережающими на эл. град. фазы источника, к которым данные вентили присоединены анодами.