Преобразователь переменного тока в постоянный Советский патент 1984 года по МПК H02M7/06 

о а

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике и предназначено для питания от источника переменного тока потребителей, котоРЕЛМ свойственен режим эксплуатационного короткого замыкания. Такого рода потребителями являются электрическая дуга в разных средах, периодически заряжаемые конденсаторы, некоторые типы электроприводов и др.

Для ограничения тока короткого за мыкания в известных выпрямителях применяется включение активного, индуктивного или емкостного сопротивления или их комбинации в виде специальных схем Щ и 2j .

Указанные преобразователи потребляют из сети переменную по величине индуктивную или емкостную составляющие тока, что является недостатком этих устройств.

Наиболее близким к предлагаемому является преобразователь переменного тока в постоянный, содержащий выпрямтель, собранный ,на вентилях по трехфазной мостовой схеме, диагональ постоянного тока которой подключена к выходным выводам, первая диагональ переменного тока связана с однофазны источником переменного тока через коденсатор, вторая диагональ через дроссель, а третья непосредственно соединены с входными выводами для подключения однофазного источника переменного тока 3j .

Недостатком данного устройства является большая установленная мощ ность элементов, так как нагрузка на них в режиме короткого замыкания почти в три раза выше, чем в номинальных режимах. i Цель изобретения - уменьшение сзуммарной установленной мощности. ; Поставленная цель достигается тем что преобразователь переманного тока в постоянный, содержащий выпрямитель, собранный на вентилях по трехфазной мостовой схеме, диагональ постоянного тока которой подключена к выходным выводам, первая диагональ переменного тока соединена с одной обкладкой конденсатора, вторая диагональ через дроссель, а третья непосредственно соединены с входными выводами для подключения однофазного источника переменного тока/ снабжен расположенными на магнитопроводе и соединенными с входными выводами двумя последовательно соединенными обмотками, два крайних вьтода которых подключены соответственно к дросселю, и второй обкладке конденсатора, а их общая точка соединения - к третьей диагонали переменного тока указанного выпрямителя. При этом обмотки могут быть подключены к входHfciM выводам либо по автотрансформаторной, либо по трансформаторной схемам.

На фиг. 1 представлена схема преобразователя с автотрансформатором; на фиг. 2 - векторная диаграмма для режима больших токов нагрузки; на фиг а 3 - то же, для режима малых токов нагрузки; на фиг. 4 - схема преобразователя с трансформатором; на фиг. 5 - векторная диаграмма для режима больших токов нагрузки; на фиг. б - то же,.для режима малых токов нагрузки.

Преобразователь (фиг. 1) состоит из трехфазного выпрямительного моста 1, включаю1:1его вентили 2-7, дросселя 8, конденсатора 9 и фазосдвигающего трансформатора 10, включающего обмотки 11 и 12. К выходу выпрямительного моста 1 подключен потребитель 1 нагрузки, к одному из входов однофазный источник 14 питания, а к другим, входам дроссель 8 и ко.нденсатор 9. Трансформатор 10 включен последовательно с одним из реактивных элементов - дросселем 8 или конденсатором

Преобразователь работает следующи образом.

От однофазного источника 14 питания подается питание на вентили 2 и 5 через дроссель 8, на вентили 4 и 7 через обмотки 11 и 12 трансформатора 10 и через конденсатор 9, на вентили 6,3 непосредственно. Обмотки трансформатора 10 сфазированы таким образом, что подаваемое на конденсатор 9 напряжение сдвинуто в фазе на 180° относительно напряжения, которо подается на дроссель 8. Коэффициент трансформации трансформатора 10 равен единице.

Сопротивление потребителя 13 изменяется в ходе работы от нуля (короткое замыкание) до бесконечности (обрыв в цепи). С изменением сопротиления потребителя 13 существенно изменяется работа всего выпрямителя. Поэтому работу преобразователя необходимо рассмотреть по трем отдельным режимам: I - работа при больших токах нагрузки и при коротком замыкании; II - работа в номинальном режиме и около него; III - работа на малых токах нагрузки около холостого хода.

При коротком замыкании напряжения на дросселе 8 и на конденсаторе 9 максимальные и эти напряжени.я приблизительно равны напряжению источника питания. Этот режим определяет в основном установленную мощность реактиных элементов. Выходной ток равен здесь сумме токов дросселя 8 и конденсатора 9, а ток потребляемый от источника 14 питания, небольшой (при идеальных элементах схемы равен нулю). При увеличении сопротивления нагрузки потребляемый ток увеличивается, доходит до максимума, а затем уменьшается. Максимум потребля емого тока является номинальн лм режимом. При увеличении сопротивления нагрузки- выходное напряжение постоянно увеличивается. В номинальном режиме оно доходит до уровня, который приблизительно в 1,4 раза превышает напряжение источнику 14 питания, а на холостом ходу оно в два раза выше этого напряжения. Токи дросселя 8 и конденсатора 9 в третьем режиме равны току через потребитель 13, а ток от источника 14 питания в два раза больше этих токов. Эффективность использования элементов схемы определяется, с одной стороны, мощностью на выходе преобра зователя в номинальном режиме и, с другой стороны, мощностью на реактивных элементах в режиме короткого замыкания. Соотношение этих мощностей является удельной установленной мощностью и определяет весогабаритные показатели и стоимость выпрямителя. Использование трансформатора увеличивает мощность на нагрузке в номинальном режиме приблизительно S 2,5 раза. При этом реактивная мощность на дросселе 8 и на конденсаторе 9 в режиме короткого замыкания не изменяется. Этим достигается уменьше ние удельной установленной мощности Описанные свойства преобразовател объясняются тем, что выпрямительный мост 1 действует KONwyTaTOpOM, который в зависимости от величины нагруз ки Образует из реактивных элементов разные контуры тока. Возможно образование шести контуров тока, часть из которых из-за прохождения через трансформатор 10 разбивается на две части. Эти контуры следукядие: 1) источник 14 питания - дроссель 8 - вентил 2 - нагрузка 13 - вентиль 3 - источник 14 питания; 2) обмотка 12 - конденсатор 9 - вентиль 4 - нагрузка 13 вёнтиль 3 - обмотка 12, источник 14 питания - обмотка 11 - источник 14 Питания; 3) обмотка 12 - конденсатор 9 - вентиль 4 - нагрузка 13 - вентиль 5 - дроссель 8 - источник 14 питания обмотка 12, источник 14 питания - обмотка 11 - источник 14 питания; 4) дроосель 8 - источник 14 питания - вентиль б - нагрузка 13 - вентиль 5 - дроссель 8; 5) кон денсатор 9 - обмотка 12 - вентиль б нагрузка 13 - вентиль 7 - конденсатор 9, источник 14 питания - обмотка 11 - источник 14 питания; б) источник 14 питания - дроссель 8 - ве тиль 2 - нагрузка 13 - вейтиль 7 конденсатор 9 - обмотка 12 - источник 14 питания, источник 14 питания обмотка 11 - источник 14 питания. Все контуры проходят через источник 14 питания, выпрямительный мост 1, нагрузку 13 и отличаются они в основном тем, что содержат разные реактивные элементы. В контурах 1) и 4) соединяются последовательно источник питания, индуктивность и нагрузка; в контурах 2) и 5) - источник питания, емкость и нагрузка; в контурах 3) и 6) - источник питания, индуктивность, емкость и нагрузка. В этих трех парах контуров один контур (например, 1) существует в одном попупериоде, а второй (например, 4) во втором полупериоде. Приведенные три режима работы отличаются составом, очередностью и длительностью приведенных контуров тока. При работе в первом режиме в одном полупериоде имеются контуры 1) и 2) тока а во втором полупериоде - контуры 4 и 5) . Контуров 3) и 6) практически не образуется.Токи и напряжения в части схемы до выпрямительного моста в первом режиме приблизительно синусоидальные,благодаря чему здесь можно пользоваться векторной диаграммой (фиг.2) .Нн дексы векторов токов j и напряжений (J(нафиг. 2) соответствуют обозначениям элементов на. фиг. 1. Напряжения на входе, выпрями- тельного моста обозначены Uд, , и Одз Падение напряжения на сопротивлении индуктивности рассеяния трансформатора 10 обозначеноО . , При коротком замыкании на выходе моста в контурах 1) и 4) дроссель 8 подключен к напряжению источника 14 питания, а в контурах 2) и 5) конденсатор 9 подключен через трансформатор 10 также к напряжению источника питания. Реактивные сопрютивления дросселя 8 и конденсатора 9 выбраны при соблюдении условия ХцГ Хр - Хд, где XL, - индуктивное сопротивление дросселя 8; Xj. -. емкостное сопротивление конденсатора 9; х - сопротивление индуктивности рассеяния трансформатора 10. Тогда токи 3g и 3, (фиг. 2) окажутся равными по абсолютной величине и сдвинутыми на одинаковый угол в разные сторрны относительно вектора напряжения и { , Геометрическая сумма этих токов является потребляемым током ц , который находится в фазе с вектором питающего напряжения . Таким путем осуществляется компенсация реактивной составляющей потребляемого токаЗ; в первом режрме. При коротком замыкании токи Jg иЗч почти в противофазе, они скомпенсируются и от источника питания потребляется только небольшой то.к для покрытия потерь энергии. Ток Зд через конденсатор 9 в это же время находит ся в фазе с током Jg через дроссель 8. Поэтому через место короткого за:мыкания проходит сумма токов короткого замыкания дросселя 8 и конденсатора 9, При работе в третьем режиме в одном полупериоде имеется контур тока 3, а во втором полупериоде - контур тока б. При работе на активную нагрузку здесь также можно пользоваться векторной диаграммой (фиг. 3) . Обозначение векторов на фиг., 3 такое же, как на фиг. 2, Векторы 0 и Е :расположены на фиг. 3, в одном нап равлении, в то время, как на фиг. 2 между ними угол 180. Вызвано это 1Тем, что в контурах 3 и 6 вторичная обмотка 12 трансформатора 10 соединена с источником 14 питания согласно-последовательно, а в контурах 1-5 такое соединение отсутствует. Последовательное соединение источника 14 йитания и вторичной обмотки 12 транс форматора 10 вызывает удвоение напря жения, которое подается через вьтрямительный мост 1 в нагрузку 13. Дрос :сель 8 и конденсатор 9 окажутся в Контурах 3 и 6 соединенными последовательно., а их сопротивления выбраны по условию, приведенному выше. Поэтому падения напряжения на реактивных элементах взаимно компенсируются (фиг. 3). Кроме того, если нагрузка активная, то потребляемый ток не содержит реактивной составляю щей. Конденсатор 9, индуктивность рассеяния трансформатора 10 и дроссель 8 образуют в третьем режиме последовательный колебательный контур, настроенный на частоту источника 14 питания. Наличие такого контура, соединенного последовательно с выпрямительным мостом, выгодно, так как он оказывает подавляющее действие на высшие гармонические потребля емого тока. Во втором режиме каждый полупериод подразделяется на 4 ин, эрвала с разными контурами тока. Контуры тока в интервалах следующие: в первом интервале контуры 1 и 2 (4 и 5) во втором - контуры 2 и 3 (5 и б) ,в третьем - контур 3 (б); в четвертом - контуры 3 и 4 (6 и 1). В скобках даны контуры для второго полупериода . Первый интервал получается при переходе питающего напряжения через нуль. Контуры тока первого интервала второго режима соответствуют контурам первого режима, контуры третьего интервала второго режима - контурам третьего режима. Это значит, что во втором режиме в одном полупериоде иногда имеется параллельное включение дросселя 8 и конденсатора 9, как в первом режиме, и последевательное включение, как в третьем режиме. В связи с этим токи и напряжения на элементах схемы не синусоидальны. Коэффициент гармоник потребляемого 1ока зависит от характера нагрузки и от расположения рабочей точки. В номинальном режиме он составляет при активной нагрузке около 10, при работе на противо-ЭДС - около 20%. На частоте высших гармоник сопротивление конденсатора 9 мэньше, чем дросселя 8, поэтому токовая нагрузка на конденсатор 9 будет нес-- . колько больше, чем на дроссель 8. Но реактивная составляющая в потребляемом токе при активно-индуктивной нагрузке небольшая - коэффициент реактивной мощностиtg Ч 0,1. При работе на противо-ЗДС, когда обратное напряжение составляет 60% и более от пикового значения напряжения холостого хода выпрямителя, имеется увеличение индуктивного составляющего в потребляемом токе до 0,30,4. Напряжение номинального режима выпрямителя-составляет примерно 70% от напряжения холостого хода, а ток номинального режима 60% от тока короткого замыкания. В это время ток реактивных элементов в номинальном режиме составляет 85-90% от тока короткого замыкания этих элементов. Использование трансформатора изменяет протекание коммутационных процессов в выпрямительном мосте. Возникают контуры с малым реактивным сопротивлением, благодаря чему реактивная мощность конденсатора и дросселя используется в номинальном рабочем режиме лучше, чем у прототипа. Это позволяет снизить удельную установленную мощность реактивных элементов, что ведет к уменьшению веса, габаритов и стоимости выпрямителя. При одинаковых мощностях и одинаковом токе реактивных элементов при коротком замыкании, получаемая выходная мощность в номинальном режиме у данного устройства приблизительно в 2,5 раза больше,.чем у прототипа. Так как преобразователь рассчитан для работы в режиме эксплуатационного короткого замыкания, то установленную мощность элементов схемы следует выбрать с учетом электрических нагрузок этого режима. Поэтому суммарная удельная установленная мощность элементов схемы оказывается у него в 2-2,5 раза меньше, чем у прототипа. На фиг, 4 представлен преобразователь, в котором используется трансФорматор, т.е. обмотки 11 и 12 соединены с входными выводами по трансформаторной схеме путем введения первичной обмотки 15. Преобразователь работает аналогичным, образом, с возможным образованием шести контуров: 1, обмотка 11 - дро сель 8 - вентиль 2 - нагрузка 13 вентиль 3 - обмотка 11; 2. обмотка 12 - конденсатор 9 - вентиль 4 нагрузка 13 - вентиль 3 - обмотка 12; 3,Обмотка 12 - конденсатор 9 вентиль 4 - нагрузка 13 - вентиль 5 - дроссель 8 - обмотка 11 - обмотка 12; 4, дроссель 8 - обмотка 1 вентиль 6 - нагрузка 13 - вентиль ,дроссель 8; 5, конденсатор 9 - обJMOTKa 12 - вентиль 6 - нагрузка 13 вентиль 7 - конденсатор 9; 6.обмот ка 11 - дроссель 8 - вентиль 2 - . нагрузка 13 - вентиль 7 - конденса тор 9 - обмотка 12 - обмотка 11. В контурах 1 и 4 нагрузка 13 по лучает питание через индуктивность а в контурах 2 и 5 - через емкость При этом питающее напряжение в этих контурах равно половине напряжения вторичных обмоток 11 и 12. В контурах 3 и б нагрузка получает полное напряжение обмоток 11 и 12 через последовательно соединенные индуктивность и емкость. В этих трех па pax контуров один контур (например 1) существует в одном полупериоде, а второй (например, 4) - во втором полупериоде. Состав, очередность и длительность приведенных контуров тока зависит от режима работы. При работе в первом режиме в одном полупериоде имеются контуры 1 и 2 тока, аВО втором полупериоде контуры 4 и 5 тока. Контуров 3 и б практически не образуется. Токи и. напряжения в схеме до выпрямительного моста в первом режиме приблизительно Синусоидальные, благодаря чему .здесь можно пользоваться векторной диаграммой {фиг. 5). Индексы векторов токов, напряжений и ЭДС (фиг. 5 и б) соответствуют обоз начениям элементов на фиг. 4. Напряжения на входе.выпрямительного моста обозначены , л и U д Падение напряжения на сопротивлении эквивалентной индуктивности рассеяния обмотки 11 обозначено Ojg , на сопротивлении эквивалентной тивности рассеяния обмотки 12 на сопротивлении индуктивности рассеяния между обмотками 15 и 11, 12 . Векторная диаграмма (фиг. 5) построена относительно средней точки обмоток 11 и 12 трансформатора. В этом случае при переходе от вторичной цепи к первичной векторы тока и напряжения обмотки 12 изменяют свое направление на противоположное а векторы тока и напряжения обмотки 11 не изменяют своего Нр1пряжрния. Токи вторичной обмотки 3 и J;,2 , отнесенные к первичной обмотсе , обозначены и Цг Реактивные сопротивления дросселя 8 и конденсатора 9 выбраны при соблюдении ус ловияс L + -, где х - емкостное сопротивление конденсатора 9; х - индуктивное сопротивление дросселя 8; х - сопротивление индуктивности рассеяния между обмотками 15 и 11, 12 трансформатора 10. При коротком замыкании на выходе моста в контурах 1 и 4 дроссель 8 подключен к обмотке 11 трансформатора 10 и в контурах 2 и 5 конденсатор 9 подключен к,обмотке 12 трансФорматора 10. Токи и 1-2 находятся в этом случае практически в противофазе и равны по абсолютной величине, поэтому они скомпенсируются и от источника питания потребляется только небольшой ток для покрытия потерь энергии. Ток 3j через конденсатор 9 в это ж,е время находится в фазе с током la через дроссель 8, поэтому через место короткого замыкания проходит сумма токов короткого замыкания дросселя 8 и конденсатора 9. При небольшом сопротивлении нагрузки на выходе моста токи 3J. 2 (фиг. 2) окажутся также равными по абсолютной величине и сдвинутыми на сдвинутый угол в разные стороны от вектора напряжения питания и, . Геометрическая сумма этих токов является потребляемым током 3,5 / который находится в фазе с вектором питающего напряжения Таким путем ос.-ществляется компенсация реактивной составляющей потребляемого тока в первом режиме. При работе в третьем режиме в одном полупериоде имеется контур 3 тока и во этором полупериоде контур б тока. При работе на активную нагрузку здесь также можно пользоваться векторной диагра «1мой (фиг. 3). Обозначение векторов на фиг. б такое же, как на фиг. 5. Векторы Ё и Ё расположены в одном направлении, в то время,как на фиг. 5 между ними угол 180°, так как векторная диаграмма на фиг. б построена относительно точки соединения конденсатора 9 с обмоткой 12. В контурах 3 и б обмотки 11 и 12 соединены согласнопоследовательно, чему и соответствует расположение векторов Б f и на фиг., б. В этих контурах дроссель 8 и конденсатор 9 соединены последовательно, а их Сопротивления выбраны по условию, приведенному ,. Поэтому падение напряжения на реактивных элементах взаимно компенсируются (фиг. 3), а через выпрямительный мост 7 в нагрузку 13 подается почти сумма напряжений обмоток 11 И; 12. Кроме того, если нагрузка активная, то потребляемый токо прак-тически не содержит реактивной составлянедей. Конденсатор 9, дроссель 8 и индуктивность рассеяния между О1бмотками 10 и 12 образуют в третьем режиме последовательный колебательный , настроенный на частоту источника 16 питания. Наличие такого контура, соединенного последовательно с выпрямительным мостом, выгодно, так как он оказывйет подавляющее действие на высшие гармонические потребляемого тока. Во втором режиме каждый полупериод подразделяется на 4 интервала с разными контурами тока. Контуры т ка в интервалах следующие: в первом интервале контуры 1 и 2 (4 и 5);во втором интервале контуры 2 и 3 (5 и б); в третьем интервале контур 3 (6); в четвертом интервале контуры Зи4(6и1). В скобках даны контуры для второго полупериода. Первый интервал получается при переходе питающего напряжения через нуль. Контуры тока интервала второго режима соответствуют контурам первого режима, и контуры третьего интервала второг режима соответствуют контурам треть его режима. Это значит, что во втором режиме в одном полупериоде иног да имеется параллельное включение дросселя 8 и конденсатора 9, как в первом режиме, и последовательное включение, как в третьем режиме. В сйязи с этим, токи и напряжения в элементах схемы отличаются от синусфидального. Коэффициент гармоник I потребляемого тока в номинальном режиме при работе на активную нагрузку составляет примерно 10%, а работе на противо-ЭДС 15-20%. Нагрузка на реактивные элементы 8 и 9 в номинальном режиме составляет около 95% от нагрузки на эти элементы в режиме короткого замыкания, что обеспечивает хорошее использование установленной мощности этих элементов. Относительно низкий коэффициент гармоник и большая нагрузка на реактивные элементы в номинальном режиме вызваны тем, что основная доля мощности (70-80%) передается в нагрузку через контуры 3 « 6. В прототипе аналогичные контуры отсутствуют. На частоте высших гармоник сопротивление конденсатора 9 меньше, ч.ем дросселя 8. Поэтому токовая нагрузка на конденсатор 9 будет несколько больше, чем на дроссель 8. Но реактивная составляющая в потребляемом токе при активно-индуктивной нагрузке небольшаякоэффициент реактивной мощности ,l. При работе на противо-ЭДС, когда обратное напряжение составляет 60% и более от пикового значения напряжения холостого хода преобразователя, имеется увеличение индуктивного составляющего в потребляемом токе до tg If г 0,3-0,4. В номинальном режиме содержание высших гармонических в потребляемом токе у данного устройства и прототипа приблизительно одинаковое, при токах нагрузки меньше номинального у данного устройства, ниже,чем у прототипа, так как в нем из дросселя и конденсатора при малых токах образуется последовательный колеба тельный контур, который снижает уровень высших гармонических тока. У прототипа же на всем диапазоне нагрузки через дроссель и конденсатор существуют отдельные контуры тока. При токах нагрузки больше номинального у данного устройства содержание высших гармонических в потребляемом токе больше, чем у прототипа , так как у прототипа последовательно с конденсатором имеется дополнительный дроссель, индуктивность которюго большеf чем индуктивность рассеяния трансформатора у данного устройства.

1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В ПОСТОЯННЫЙ,содержащий выпрямитель, собранный на вентилях по трехфазной мостовой схеме, диагональ постоянного тока которой подключена к выходным выводам, первая диагональпеременного, тока соединена с одной обкладкой конденсатора, вторая диагональ через дроссель, а третья непосредственно соединены с входными вы- . водами для подключения однофазно 7О источника переменного тока, отличающийся тем, что, с целью уменьшения суммарной установленной мощности, он снабжен расположенными на магнитопроводе и соединенными с входными выводами двумя последовательно соединенными обмотками, два крайних вывода которых подключены соответственно к дросселю и второй обкладке конденсатора, а их общая точка соединения - к третьей диагонали переменного тока указанного выпрямителя. 2.Преобразователь по п. 1, о т личающийся тем, что обмотки g подключены к входным выводам по ав(Л тотрансформаторной схеме. 3.Преобразователь по П, 1, отличающийся тем, что обмотки подключены к входньв выводам по транН Сформаторной схеме.

фигЛ

ifa.

flit Uf

vg

«tf