Преобразователь переменного напряжения в постоянное Советский патент 1983 года по МПК H02M7/12 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве источника постоянного напряжения с повышенной частотой его переменной составляющей.

Возможно использование устройства в случаях, когда, наряду с указанными условиями, требуется при наличии трехфазной сети переменного тока обеспечить нагрузку постоянным напряжением посредством возможно меньшего числа частей и числа витков вторичных (вентильных) обмоток силовых трансформаторов при повьшенном коэффициенте использования их мощности.

Известны преобразователи трехфазного переменного напряжения в постоянное с 9-кратной частотой колебания его переменной составляющей (пульсации) относительно частоты преобразуемых ЭДС сети. Известные устройства содержат девять преобразовательных элементов (вентилей) и три источника фазосдвинутых (ф.с. ЭДС, формируемых на вентильных обмотках одного трехфазного или трех однофазных трансформаторов. При этом каждый источник ЭДС разделен на пять частей, которые совместно с остальными десятью частями двух других источников ф.с. ЭДС содинены в три звезды, одна из которых представляет собой простую, а две другие - соединенные в обратные (левый и правый) неравноплечие зигзаги - трехлучевые звезды. Объединенные общие точки соединения лучей этих звезд образуют один, а объединенные электроды вентилей, поключенных однонаправленно к концам этих лучей, - другой выходы устройства Cl и 2 J.

Недостатком является плохой коэффициент использования (превьпиения) |Cj /РО мощности источников ф.с. ЭДС (трансформаторов) относительно полезной мощности Рд, передаваемой в нагрузку. Кроме того устройства содержат большое (равное 15) число Ч, частей вентильных обмоток транс рматоров, а также боль шое общее число витков w этих частей. Если число витков v отнести к некоторому базовому числу витков w, то получаемое при этом суммарное витковое число Wjp, составля-1 « г («5 «2/ 9, (в качестве базового числа vg принято такое число w,, амплитуда напряжения на которых равна амплитуде Иддвыходного напряжения UQ в режиме холостого хода устройства).

Плохое использование источников фс. ЭДС (трансформатора) по мощности, значител ьное число частей его обмоток и число их витков существенно усложняет схему устройств, их

конструкцию и технологию изготовления. Наряду с обусловленными этим относительно пониженными КПД и надежностью устройства указанная схемно-конструкторско-я:ехнологическаяусложненность отрицательно характеризует известное устройство.

Известен преобразователь переменного напряжения в постоянное с 9-кратной частотой пульсации, содержащий девять неуправляемых преобразовательных элементов (вентилей) и три источника.переменных ф.с. ЭДС, разделенных на части и формируемых на вентильных обмотках одного трехфазного трансформатора на трехстержневом магнитопроводе с ярмами, при этом первая и вторая части каждого из источников ф.с. ЭДС соединены между собой разноименными выводами, а точки соединения этих частей всех источников ф.с. ЭДС объединены между собой и образуют один из выходов устройства, свободные выводы первых и соответственно одноименные им выводы трегЧ тьих частей источников ф.с. ЭДС соединены между собой по три в две общие точки через однонаправленно подключенные к этим частям шесть вентилей, причем общая точка соединения Tpfjx из этих вентилей, подключенных к третьим частям источников ф.с. ЭДС, образует другой выход устройства СЗ..,

Недостатки заклк)чаются в том, что устр эйствр .содержит 12 частей источников . ЭДС (Ч2пр 2) Р их суммарном витковом числе Wj- ,р , равном 7,6. Несмотря на некоторое улучшение этих данных по сравнению с ClJ , указанный недостаток, обусловленный схемно-конструкторско-технологической сложностью, -сохраняется. Причем использование мощности источников ф.с. ЭДС здесь лучше чем в предыдущем случае, но также недостаточное, что приводит в целом к сравнительно ухудшенным массогабаритным и стоимостным показателям (МГСП) устройства.

Известное решение не обеспечивае также регулирования выходного напряжения без введения специальных (дополнительных) средств регулирования, либо требует для этого выполнения всех девяти преобразовательных элементов управляемыми. Кроме того, выполнение магнитопровода источника формирователя ф.с. ЭДС (трансформатора) в виде плоской трехстержневой системы приводит к асимметрии магнитной цепи, и следовательно к появлению низкочастотной модуляции выходного напряжения, ухуДшеншэ массогабаритных и стоимостных показателей сглаживающих

фильтров, устройства преобразования энергии в целом.

Цель изобретения « упрощение, улучшение коэффициента использования мощности и массогабаритных и стоимостных показателей.

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователе переменного напрягасения в постоянное, содержащем девять неуправляемых преобразовательных элементов (вентилей) и три источника переменных фазосдвинутых ЭДС, разделенных Hei три части и формируемых, например, на вентильных обмотках одного трехфазного трансформатора на трехстёржневрм магнитопроводе с ярмами, при этом первая и вторая части каждого из источников ф.с. ЭДС соединены между собой ..разноименными выврдгши, а точки соединения этих частей всех трех источников объединены между собой и образуют один из выходных выводов, свободные выводы первых и соответственно одноимениые им выводы третьих частей источников соединены между собой по три в две общие точки через одноиаправленно подключенные к этим частямшесть вентилей-, причем общая точка соединения трех из этих вентилей, подключенных к третьим частям источников, образует другой выходной вывод, свободные выводы третьих частей источников объединены между собой и соединены с обгчей точкой соединения трех вентилей первых частей источников, свобод%{й вывод каждой второй части которых подключен через один из остальных трех вентилей к разноименному ему выводу третьей части того же источника, причем все вентили относительно одного из выходных выводов имеют одинаковое направление включения, а магнитопровод формирователя ф.с. ЭДО выполнен пространственным с общими для всех трех стержней треугольньлли ярмами.

Кроме того, с целью регулирования зы} ; днаго напряжения, преобразовательные третьих частей источников асиюлнены управляемыми, и в качестве таких элементов установлены тиристоры, транзисторы, дросели насыщения или герсиконы, соединенные последовательно с. неуправляемыми вентилями.

С целью обеспечения 9-кратной частоты пульсации первая, вторая и третья части каждого из трех источников ф.с. ЭДС вьшолиены с витковыми числами, равными соответственно 0,605; 0,347 и 0,395 относительно базового числа витков с амплитудой напряжения на них, равной амплитуде выходного напряжения в режиме холостого хода. Кроме устройстве объединенные элект1Х ды вентилей первых частей источников соединены с объединенными электродами вентилей их третьих частей. Причем первая часть каждого из

трех источников выполнена с витковым числом, равном единице.

На фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема устройства; на фиг. 2 - векторная диаграмма формирования тосообразующих ЭДС 5ц, ( /и. 1,9), поясняющая принцип его действия, в скобках показаны вентили, работающие при действии соответствую11(ей ЭДС.

Устройство (фиг. J) содержит девять преобразовательных элементов (вентилей) 1-9 и три источника 10-12.переменных ф.с. ЭДС, разделённЕЛХ каждая на три части: 13-21 i

Са, а,, aji b, b, bjj c, с,, c). Источники 10-12 ф.с, ЭДС формируются, например, на вторичных (вен- . тильных) обмотках одного трехфазного или трех однофазных трансформаторов на магнитопроводе 22, первичные (сетевые) обмотки которых для простоты не показаны.

При этом две части 13 и 16; 14 и 17| 15 и 18 (а.,, agj b, bj; с, С2) источников 10-12 ф.с; ЭДС гальванически соединены между собой разноименньфш выводами, а объединенные точки соединения этих частей всех трех источников ф.с. ЭДС образуют выходной вывод 23 устройства с подключенной к нему нагрузкой 24. Свободные выводы первых частей 13-15 (соответственно, одноименные им выводы третьих частей 19-21) источников ф,с, ЭДС соединены между собой через одионаправленно подключенные к ним три вентиля 1, 5 и 8 (2, 4 и.7), Общая точка соединения вентилей 2, 4 и 7, подключенных к третьим частям 19-21, образувт выходной вывод 25 устройства, к iKoTopoMy подключена нагрузка 24.

Выводы третьих частей 19-21 источников 10-12 ф.с, ЭДС объединены между собой и роединены с оСщел точкой соединения трех вентилей 1, 5 и 8 первых частей ,13-15. Выводы вторых частей .16-18 источников под)ключены через вентили 6, 9 и 3 к разноименньм выводам третьих частей 19, 20 и 21 того же источника

ф.с. ЭДС. Причем все вентили 1-9 относительно одного из выходных выводов 25 имеют одинаковое направление включения.

Преобразователь работает следующим образом.

Пусть в данный наибольшее положительное значение относительно выходного вывода 25 имеет ф.с. |ЭДС источника 10. Тогда, под действием суммаоиого значения ЭДС ее частей 13, 19 (а,, а), формирующи первую токообразующую ЭДС 5(фиг.2 открыты вентили 1 и 2. Через нагру ку 24 протекает ток по контуру; часть 1.3 - вентиль 1 - часть 19 вентиль 2 - нагрузка 24 - часть 13 Затем вступает в работу токообраэующая ЭДС S, представляющая со бой векторную сумму ЭДС трех частей 18, 21, 19 (cg, с,, а,, Фиг. 2 ф.с. ЭДС источников 12 и 10. Под действием S открывается вентиль 3, а вентиль 1 закрывается обра зукяцимися на нем обратным Напряжением. Контур токопрохождениа в это случае содержит: часть 18 - вентил 3 - часть 21 - часть 19 - вентиль 2 - нагрузку 24 с часть 18. В дальнейшем аналогично формиру ются остальные токообразующие ЭДС ( f 1,9), амплитуды которых могут быть одинаковьми, а их фазовый сдвиг равным 20 эл.град. относительно друг друга, если первую, вторую и третью части из трех источников ф.с, ЭДС выполнить с витковым числом, равным, соответственно, 0,605, 0,347 и 0,395 о носительно базового числа витков Wj с амплитудой Uyj, выходного напряжения UQ в Е ежиме холостого хода (Uc,o Sdm. Sf,; W5 WaSUao). Как видно из лепестковой диаграммы, показанной точками на фиг. кратность Пчастоты пульсаций выходного напряжения (напряжения на нагрузке 241 равна в этом случае девяти (П-9) . Суммарное витковое число Wj-gBcex частей 13-21 при общем Числе частей составит 3(0,605 + 0,347 + 0,395) 4,б419 Z 4,05. Таким образом, сравнительно выс кая частота пульсаций выходного напряжения, а также ее относительно низкий уровень сохранены в пред лагаемом устройстве, и вместе с тем, данное положительное свойство достигнуто при меньшем числе часте источников ф.с. ЭДС - на 3 части или в 1,33 раза меньше, чем в известном устройстве, при одновремен ном меньшем суммарном числе их вит ков - выигрыш составляет 3,55 w витков или в 1,87 раза меньше, чем в известном устройстве. Кроме того, ток нагрузки в разные отрезки времени протекает через каждую часть 19-21 источников 10-1:2 ф.с. ЭДС в двух направлениях первоначально в одном, а затем в противоположном, в связи с Чем про цесс перемагничивания магнитопрово да в предлагаемом устройстве происходит более благоприятно, чем в известном , в котором ток через ча ти источников ф.с. ЭДС протекает лишь в одном направлении. Этим так же снижается расход активных материалов . Благодаря установленньм новым связям частей 13-18 с частями 19-21 длительность работы каждой из частей 19-21 обеспечена оавной 200 эл, град. (фиг. 2), что, по отношению к 40 эл. град, в известном устройстве в 5 раз больше. Поскольку вентили 2, ,4 и 7 поочередно учг1ствуют в формировании Bcexi девяти токообразующих ЭДС, то для целей регулирования(стабилизации) выходного напряжения можно выполнить упра1вляемыми именно эти три вентильных плеча, Такоз р&шеяие является более постым технически и более выгодным экономически, чём, например, стабилизация напряжения посредством специального устройства (стабилизатора), устанавливаемого в известных схемах на выходе преобразователя последовательно с нагрузкой. При этом в качестве управляемых элементов могут быть установлены транзисторы, тиристора, либо последовательно соединенные с неуправляемыми вентилями гер- сиконы или дроссели насьвдения, что, благодаря совмещению двух функций (преобразования и регулирования) в одном элементе против двух в известных схемах, преимущественнее по энергетике, а также по надежности и КПД. Наряду с рассмотренным выше решением девятикратную частоту пульсации можно обеспечить также в случае, если объединенные электроды вентилей 1, 5 и 8 соединить (как это показано на фиг. 1 пунктирной линией) с объединенньнии электродами вентилей 2, 4 и 7 (выходным выводом 25), а каждую из частей 13-15 выполнить с витковым числом, равньв 1 единице. В этом случае токообразующие ЭДС Sj , S, S-j (фиг. 2 формируются непосредственно частякш 13-15 без сложения их с частями 19-21, как было ранее. Ток Hai- рузки через части 19-21 по-преднему протекает в двух направлениях, общее число частей источников ф.с. ЭДС в этом варианте в 1,33 раз меньше, а число витков в 1,45 раз меньше, чем в известном устройстве и, следовательно, масса, габариты, стоимость данной реализации устройства также лучше. Можно достичь дальнейшего улучшения МГСП, если магнитопровод трансформатора выполнить пространстве1;но трехстержневым с общими для всех стержней треугольными ярмами. В этом случае устраняется асимметрия магнитной цепи, присущая известному решению, чем улучшаются МГСП сглаживаю11у х фильтров

и, как следствие всего устройства в целом.

Таким образом/ достигнуто схемно-конструкторское упрощение устройства, улучшен коэффициент использования мощности источников ф.с. ЭДС (трансформатора), а также снижены масса, объем, стоимость и обеспечено регулирование (стабилизация) выходного напряжения.

1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ, содержащий девять неуправляемьах преобразовательных элементов (вентилей) и три источника переменных фазосдвинутых ЭДС, разделенных на три части и фО1 нруемых, например, на вентильных обмотках одного трехфазного трансформатора на трехстержневом магнитопроводе с ярма ш, при этом первая и вторая части каждого из источников фазосдвинутых ЭДС соединены между собой разноименньл 1и вывод ми, а точки соединения этих частей всех трех источников объединены между собой и образуют один из выходных выводов, свободные выводы первых, и соответственно одноименные им выводы третьих частей источников соединены между собой по три в две общие точки через однонаправленно подключенные к этим частям шесть вентилей, причем общая точка соединения трех из этих вентилей, подключенных к трея-ьим частям источников, образует другой выходной вывод, отличающийся тем, что, с целью упрощения, улучшения коэффициента использования мощности и массогабаритных и стоимостных показателей; свободные выводы третьих частей источников объединены между собой ЛМт-. и соединены с общей точкой соеди-нения трех вентилей первых частей источников, свободный вывод каждой второй части которых подключен через один из остальных трех вентилей к разноименному ему выводу третьей части того же источника,причем все вентили относительно одного из выходных выводов имеют оди 1аковое направление включения, а магнитопровод формирователя фазосдвинутых ЭДС выполнен пространственным с общими для -всех трех стержней треугольнЕлми ярмами. 2. Преобразователь по п. 1, о тличающийся тем, что, с i целью регулирования выходного напряжения, преобразовательные эле- (Л Iменты третьих частей источников выполнены управляемыми, и в качестве таких элементов установлены тиристоры, транзисторы, дроссели насыщения или герсиконы, соединенные последовательно с неуправляелыми вентиляг и, 3. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что, с целью обеспечения 9-кратной часто- , ты пульсации, первая, вторая и третья части каждого из трех источСП ников фазосдвинутых ЭДС выполнены С со с витковыми числами, равными соответственно 0,605; 0,:j47 и 0,395 OTtr носительно базового числа витков со с амплитудой напряжения на них, равной амплитуде выходного напряжения ОС в режиме холостого хода. 4.Преобразователь по пп. 1-3, отличающийся тем, что объединенные электроды вентилей первых частей источников соединены с объединенными электродами вентилей их третьих частей. 5.Преобразователь по п. 4, о ,тличающийся тем, что пёрйая часть каждого из трех источников выполнена с витковым числом, рав-ным единице.

ff«:

Ь-гф--: 12

П:77 Cj

.,-9, Nj(

fSi

12

Ч

Аг)

: ./

я 4

5в 55 (бЛ) (бЛ) фиг. 2.