Мостовой преобразователь переменных напряжений в постоянное Советский патент 1983 года по МПК H02M7/08 

2, Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, «то, с целью удвоения кратности частоты пульсации выходного напряжения, каждый введенный -отвод равноудален от.ближнего к нему края секции вентильной об1035755.

мотки, причем с числом витков (К) от края, равным О,25/cos в относительно общегр числа витков секции, где ( - полпериода .огибающей выходного напряжения; - кратность частоты пульсации.

1. МОСТОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ПОСТОЯННОЕ с п -кратной частотой.пульсации, содержащий Ми.исходных источников :дйЗосдвинутых: ЭДС при числе , формируемых, например, на разделенных на секции вентильных обмотках трансформатора, автотрансформатора, электрической машины, сфазированных генераторов, которые соединены между собой последовательно и топо- . логически образуют правильный замкнутый Г-гранник с числом , где ,3f..., и вентилей, соединенных в Лурячейковый вентильный мост, вь1воды которого по переменному току подключены посредством линий к Г-граннику, а выводы по постоянному току являются выходами устройства, отличающийся тем, что, с целью снижения уровня пульсации выходного напряжения, юждая секция вентильных обмоток снабжена двумя отводами, к которым подключены Лц исходных и Л Л дополнительно введен шх линий, причем последние подключены к дополнительно введенным , вентилям, собранным в Л -ячейковый вентильный мост, который гго цепи постоянного тока соединен параллельно однополярно с исходным мостом и совместно с ним образует Л 2Л.1-ячейковый вентильный мост.

, , 1 Изобретение относится к электротехнике, . в частности к преобразовательной технике, и может быть исполь зовано в качестве источника электро питания постоянного тока с повьшенной кратностью частоты пульсации. Известны мостовые преобразователи трехфазного переменного тока в ПОСТОЯННЫЙ с П-кратной частотой пульсации, содержащие силовой трехфазный трансформатор, снабженный одной основной (центральной) вторичной (схемной) обмоткой, соединенной в звезду, и рядом подключенных соответ ствующим образом к ее свободным кон цам дополнительных и вспомогательных секций схемных обмоток с отводами. Соединенные обмотки топологически образуют незамкнутый многоугольник, к которому посредством Л линий подключен Л- я чей ко вый вентильный мост. BыxoJt его по постоянному току является выходом преобразователя. Достоинством известных преобразователей является возможность построения на одном трехфазном транс форматоре схемной структурыj обеспечивающей теоретически любую частотную кратность пульсации С 13-(J3 Однако снижение уровня и повышен частоты пульсации достигается путем введения большого числа вспомогател ных обмоток и отводов от них при большом разнообразии чисел их витков, что значительно усложняет схему и конструкцию преобразователей и является существенным их недостатком. К числу недостатков относятся также большое число витков силовых (схемных) обмоток, обусловленное тем, что при больших значения П цен ральная трех{1)азная обмотка дублирует остальные части обмоток, топологически включенные параллельнр основной, в связи с чем является практически лишней, и, как следствие этого, значительный расход активных материалов (меди, стали, алюминия и пр.) в таком доминирующем по весу и габаритам функциональном устройстае преобразователей, каким является силовой трансформатор; сложность схемных соединений, конструкции и технологии изготовления; существенно пониженная (по отношению к теоретически ожидаемой) частота . пульсации ёыходного напряжения и повышенный ее уровень из-за сильного проявления асимметрии, приводящая к увеличению массы и объема сглаживающих фильтров. Следствием всего яв/ьяются повышенные потери энергии, сравнительно низкие КПД и надежность, повышенная стоимость. Наиболее близким к предлагаемому является мостовой преобразователь переменных, напряжений в постоянное с П| -кратной частотой пульсации, содержащий М исходных.источников преобразуемых ЭДС, формируемых, например, на разделенных на секции схемных обмотках преобразовательного трансформатора, электрической машины, которые соединены между собой последовательно согласно и топологически образуют правильный замкнутый многоугольник (Г-гранник) и вентилей, собранных в Ля-ячейковый вентильный мост, выводы которого по переменному току подключены посредством линий к Г-граннику, а выводы по постоянному току являются выходными выводами преобразователяС. Недостатком известного устройства являет ся относительно небольшое равное ir/) число формируемых им диагональных ЭДС, как следствие, сравнительно высокий уровень и относительно низкая (равная ,5 (3(1)1г) кратность частоты пульса ции переменной составляющей выходного напряжения. Цель изобретения - снижение уровня пульсации выходного напряжения, а также удвоение ее частоты. Эта цель достигается тем, что в мостовом преобразователе переменны напряжений в постоянное с Пу -кратной частотой пульсации, содержащем ис ходных источников фазосдвинутых ЭДС при числе М , формируемых, например на разделенных на секции вентиль ных обмогках трансформатора, автотрансформатора , электрической маuiHhftt, сфазированных генераторов, которые соединены между собой последовательно и топологически образуют правильный замкнутый Г-гранник с чис лом граней , где ,3..., и вентилей, соединенных в Лц-яче ковый вентильный мост, выводы которо го по переменному току подключены -. посредством линий к .Г-граннику, а выводы по постоянному току являются выходами устройства, каждая секция вентильных обмоток снабжена двумя отводами, к которым подключены Яи исходных и дополнительно введенных линий, причем последние подключены к дополнительно введенным вентилям, собранным в Л-ячей ковый вентильный мост, который по це пи постоянного тока соединен параллельно однополярно с исходным мостом и совместо с ним образует Л 2П ячейковый вентильный мост. Кроме того, каждый введенный отвод равноудален от ближнего к нему края секции вентильной обмотки, причем с числом витков К от края, равт ным 0,25/cos Q относительно общего числа витков секции, где ( - пол периода ог ибающей выходного напряжения; - кратность частоты пульсации На фиг.|1 а приведена принципиальная ; схема 8 - ячейкового мостового преобра зователя, построенного на основе гранника; на фиг. 16 - соответствующая ему векторная диаграмма формирования диагональных ЭДС, образующих выходное напряжение; на фиг. 2 и 3 - примеры реализации устройства, построенного на основе 6- и 12-гранников. Мостовой преобразователь (фиг.Т) содержит М(2 исходных источников переменных ЭДС, сдвинутых по фазе относительно друг друга наЭО эл.град. (ортогонально). Эти ортогональные ЭДС формируются на двух схемных обмотках 1 преобразовательного трансформатора (сетевые обмотки его на фиг. 1 не показаны) или обмотках 1 электрической машины. . Каждая из двух обмоток разделена на две секции: 2.1; 3.1; .1; 5.1, которые, будучи соединенными между собой последовательно, топологически образуют правильный замкнутый Г-гранник. Секции 2.1; 3.1; .1; 5.1 имеют по два отвода (2.2; 2.3; 3.2; 3.3; .2; .З; 5.2; 5.3), которые посредством Л линий 6 () подключены к Л-ячейковому вентильному мо- сту 7, k выходам 8 и 9 которого по постоянному току, являющимся выходами преобразователя, подключена нагрузка 10.. При этом каждый отвод выполнен, в частности, с числом витков от ближнего к отводу края соответствующей секции равным D,25/cos Q от общего числа витков секции, где ,5 -полпериода огибающей выходного напряжения. Линия Т1 соединена с анодом вентиля 12, катод вентиля 13 - с линией И. Вентили 15 и 1б входят в вентильный мост 7. На фиг. 16 векторы 17.1-20.3 поясняют работу устройства, которая осуществляется следующим образом. Две исходные ортогонал| ные ЭДС, поделенные каждая на две секции и соединенные в правильный замкнутый f-rpaHHHK (в квадрат) формируют две диагональные ЭДС - векторы 17.1-19.1; 18.1-20.1 (.(-1)- Vl«2). При работе этих ЭДС на -ячейковый вентильный мост на его выходе формируется пульсирующее незнакопеременное напряжение .1) с амплитудой Suqjfc, равной модулю вектора диагональной ЭДС (ДЭДС) 17.1-19.1. Кратность частоты пульсации при этом составляет П,СЗ-(-Х) , а ее уровень равен йОц(Un/nottc iMM+i Юммокс j1-cb©K c0545rO,«3 относительно Этот уровень относител но среднего значения U выходного напряжения U (коэффициент пульсации К) составляет Qtg(Q/2)

32,5. Фазовый сдвиг ДЭДС равен

При подключении 8-ячейкового вентильного моста к отводам 2.2; 2,3l 3.2; 3.3; t.Z; «.3; 5.2; 5.3 схемных обмоток 1 на нагрузке 10 формируется пульсирующее незнакопеременное напряжение Uja образуемое новыми диагональными ЭДС - векторами 17.2-19.2; 18.3-20.3; 18.2-20.2; 19.3-17.3. Эти ДЭДС сдвинуты по фазе относительно друг друга нд определенный угол, .зависящий от числа витков отводов относительно общего числа витков секции. При амплитудно-фазовой симметрии ЭДС этот угол равен 2й 2Г/П 2Г/2Г 180Л +5 Амплитуда выходного напряжения U равна в пределах этого угла модулю вектора соответствующей ДЭДС.

Каждая ДЭДС имеет частоту, совпадающую с частотой преобразуемых ЭДС, и приложена (фиг. 1а) между анодом соответствующего вентиля катодной группы моста 7 и катодом вентиля его анодной группы, примем эти вентили принадлежат разным вентильным ячейкам.

Открывается вентилей этих групп, ДЭДС которых имеет в данный момент наибольшее значение.Например в момент времени, соответствующий действию вектора 17.2-19.2, на фазовой плоскости векторной диаграммы -(фиг. 16) наибольшее значение имеет проекция векторы ДЭДС 17-.-219.2.

При открытых вентилях образуется замкнутый контур прохождения тока через нагрузку, а на остальных вентилях моста 7 создается напряжение обратной полярности (плюс на катоде и минус на аноде), в связи с чем эти вентили оказываются закрытыми, Затем вступает в действие другая ДЭДС, значение которой становится в данный момент наибольшим относительно выходов 8 и 9 преобразовател Происходит циклическая смена контуров токопрохождения и содержащихся в них элементов. В рассматриваемой схемной реализации устройства таких контуров за период любой из ЭДС (преобразуемой или диагональной) восемь. Их число определяет число пульсаций выходного напряжения за период ЭДС (при амплитудно-фазовой

симметрии ДЭДС - кратность частоты пульсации).

Пользуясь векторной диаграммой фиг. 16 и/или схемой фиг. 1а, можно достаточно просто проследить пути тока нагрузки по различным контурам, выявить их число, определить форму токов и напряжений на.элементах схемы, в том числе векторную и линейную временную диаграммы выходного напряжения. . Так, например, под действием ДЭДС вектора 17.2-19.2 ток через нагр-узку 10 протекает по следующему контуру (фиг. 1а): отвод 2.2, линия 11, вентиль 12, выход 8, нагрузка ТО, выход 9, вентиль 13, линия Н, отвод 4.2.

От отвода k,2 ток нагрузки разветвляется по двум параллельным, с равными сопротивлениями цепям, одна из которых содержит часть секции 4.1, секцию 5.1, часть секции 2.1, другая - часть секции 4,1, секцию 3,1, часть секции 2.1.

Таким образом, благодаря замкнутому соединению обмоток в симметричный многоугольник, протекающий через них ток в данный момент меньше тока нагрузки, что важно при относительно повышенных значениях его. Равенство сопротивлений параллельных цепей (в отличие, например, от неравенства сопротивлений в соединений обмоток в треугольник), а также сравнительно малое число частей обмоток, их полная одинаковость и простота соединения обеспечивают по сравнению с известными преобразователями (1-3) более высокую симметрию пульсации выходного напряжения, улучшают массо-габаритные и стоимостные показатели сглаживающего фильтра и технологичность изготовления устройства.

Через время, равное в угловых единицахв /2Г Т/8 22,5 эл.град, значение диагональной ЭДС вектора 17.219.2 становится меньше значения ДЭДС вектора 18.3-20.3, и вентили 12 и 13 закрываются, вентили 15 и 16 открываются. Ток нагрузки проходит по контуру: отвод 3.3 - вентиль 15 выход 8 - нагрузка 10 - выход 9 вентиль 16 - отвод 5.3.

Далее процессы повторяются с циклическим изменением контуров токопрохождения-и относящихся к ним обмотОк и вентилей. Как видно из фиг. 16, число диаг нальных ЭДСJопределяющих частоту пу сации выходного напряжения, равно четырем (), что в два раза больше, чем в прототипе.. Соответственно, кратность П частоты пульса ции также удваивается ( . Последнее достигается при условии, если отводы равно удалены от .ближних к ним краев секций, причем с числом витков (к), равным 0,25/соз а 1/(.У2)о,293 относител но общего числа витков секции. Это число витков отводов определяется согласно теореме синусов из вектор, ного треугольника фиг. 16. Отсюда получаем ,5 . Следовательно, (180/22,, что и доказывает удвЬение частоты пульсации. Уровень пульсации в схемной реализации (фиг. 1а) составляет Л Ц Ircos Q 1-COS 22,,076, коэф0ицйeнt пульсации К равен 7,81,. что примерно в k раза меньше уровня 0,293 и соответственно 32,5%, свойственного прототипу. При этом положительный эффект достигается без введения большого числа дополнительных и вспомогатель ных обмоток силового трансформатора при значительном разнообразии их чи сел витков, как это требуется в известных устройствах . Следовательно, по отношению к последним со свойственной им схемно-конструкторско-технологической сложностью И плохими массо-габаритными показателями сглаживающих фильтров вследствие сильного проявления низкочастотной модуляции выходного напряжения, данное техническое решени является во всех отношениях значите но более простым. При другом числе исходных преобразуемых ЭДС, линий и граней (М, Л, г) схемные реализации мостового преобразователя с пониженным уровне и удвоенной частотой пульсации по сравнению с прототипом осуществляют ся аналогично. На фиг. 2а, За топологически изоб

ражены схемные структуры преобразователей, в которых секции преобразуемых переменных ЭДС соединены соответственно в 6- и 12-гранник. Векторные диаграммы для них, показывающие .55 (подобно диаграмме (фиг. 16) формирование диагональных ЭДС в фазовой плоскости, даны на фиг. 26, 36.

смотря на кажущуюся процентную незначительность такого повышения, оно имеет существенное значение, особенно в автономных (например, на подвижных объектах) системах с мощностью/;, соизмеримой с мощностью потребителя, или в сравнительно мощных энергосистемах. Из фиг, 2 и 3-видно, что -кратность частоты пульсации в этих реализациях при числе витков отводов равном, соответственно, 1/(24-|Гз)0,2б8 и 0,25 относительно числа витков секции составляет 12 и 2, что в 2 раза выше, чем в прототипе. Коэффициент пульсации в том и другом случаях уменьшен примерно в k раза. Масса, объем и стоимость устанавливаемых в этом случае сглаживающих фильтров снижаются в единицы раз. Например, требуемое при проектировании произведение L С для разрабатываемого индуктивно-емкостного Г-образного фильтра снижается примерно в (П/Пл) раз или, при , примерно в 16 раз, что также является преимуществом устройства. Кроме того, повышение частотной кратности пульсации повышает качество потребляемой и транспортируемой энергии, снижая уровень нежелательных гармоник в спектрах выходного напряжения и входного тока. В частности , форма последнего при наличии сглаживающих фильтров индуктивного характера (когда в качестве первого элемента фильтра в его продольной ветви установлен дроссель) от резко ступенчатой приближается к синусоидальной.. Синусоидальная форма потребляемого тока является, как известно, наиболее выгодной при преимущественно синусоидальной форме питающих напряжений, поскольку более просто снижает уровень сетевых индустриальных помех и оптимально обеспечивает наилучший коэффициент искажения и коэффициент использования мощности первичного источ+ника энергии. Так, например, вентильный преобразователь с 12-кратной частотой пульсации и фильтром индуктивного характера, основанный на сочетании двух фазосдвинутых 6-фазных схем, имеет коэффициент мощности, равный примерно 0,,958, против 0,88-0,915 для преобразователя с 6-кратной частотой пульсации. НеПереход от преобра зователей с низкой частотной кратностью пульсации на преобразователи с повышенной частотой в ряде случаев не требует увеличения капиталовложения, но приводит к снижению эксплуатационных расходов. Экономическая эффективность повышения коэффициента мощности обусловлена снижением потерь, энергии в питающей энергосис теме за счет уменьшения потоков реактивной мощности, что особенно полезно для упомянутых выше cViCTeM. Так, например, внедрение преобразователей с 12-кратной частотой пульса ции .вместо преобразователей с 6-кратной частотой на тяговых подстанциях железнодорожного транспорта одного из сибирских регионов обеспечило, по подсчетам специалистов, экономию электроэнергии около 500-600 МВт-ч в год на каждой из них, что имеет исключительно важное народнохозяйственное значение, особенно в условиях намечающегося кризиса энергоресурсов.

Таким образом, в соответствии с . изобретением реализуется мостовой преобразователь переменных напряжений в постоянное, в котором достигается снижение уровня пульсации выходного напряжения, а также удвоение ее частоты, что применительно к схемным структурам вентильных преобразователей энергии, основанных на схемнтопологическом построении источников преобразуемых ЭЛС по типу Правильный многогранник, обеспечивает решение важных современных задач в области Электропитания поулучшению качества передаваемой и потребляемой энергии, снижению уровня индустриальных помех.; .экономии энергии первичных источников, улучшению маеСО-габаритных показателей сглаживаю-щих фильтров и преобразователя в целом.

При этом положительный эффект достигается без усложнения схемной топологии соединения источников преобразуемых ЭДС и, следовательно, без сопутствующего этому ухудшения коэффициента полезного действия, надежности, массы и объема.

Все это обеспечивает предлагает мому преобразователю соответствующий технико-экономический эффект и практическую полезность применения;

Mu ,Hf(t2; Я-, ,25

гл.5