Преобразователь переменного напряжения в постоянное Советский патент 1984 года по МПК H02M7/08 

2. Преобразователь, по.п.1, отличающийся тем, что шестиячейковый вентильный мост разделен на два трехячейковых вентильных моста, которые подключены соответственно к первым и вторым секциям обмоток и соединены,между собой по цепи постоянного тока через индуктивности, зашунтированные конденсатором .

1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ, содержащий шестиячейковый вентильный мост и трехфазный трансформато вентильные обмотки которого разде|лены в каяСпой фазе на две секции, первые секции фаз соединены в треугольник и снабжены каждая отводом делявшм ее на малую и большую части, вторая секция одной из фаз одним. своим выводом подключена к отводу первой секции смежной фазы в порядке их индексного чередования и согласно с большей частью первой секции, другие выводы вторых секций и выводы первых секций подключены посредством шести линий к входам по переменному току вентильного моста, выводы которого по постоянному току образуют выходные выводы, отличающийся тем, НТО, с целью улучшения энергетических и качественных показателей путем повыаения выходного напряжения, снижения уровня его низкочастотной модуляции, числа витков малой и большой .частей каждой первой секции вентильных обмоток установлены в соотношении

4

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве вторичного источника электропитания, преимущественно при относительно повышенных токах, потребленИИ и напряжении нагрузки, заметно превышающем (примерно на порядок) падение напряжения на преобразовательном элементе, что влияет на КПД устройства.

Известны мостовые преобразователи с 12-кратной частотой пульсации, содержащие группу вентилей и два либо один трехфазный трансформатор, сетевые обмотки которых соединены в звезду и треугольник, либо в звезду или треугольник, а их вентильные обмотки, разделенные в каждой фазе на две или ч етыре секции, соединены соответственно в две прямые трехлучевые звезды, либо в звезду и треугольник либо в два неравноплечных зигзага - левый и правый. Эти соединения подключены посредством шести линий к двум трехячейковым вентильным мостам, образованным упомянутыми вентилями, которые с целью перераспределения тока нагрузки включены между собой параллельно однополярно, причем либо непосредственно, либо через один или два уравнительных реакто-i ра СП, С2 и ГЗЗ.

Указанные преобразователи обеспечивают расщепление тока нагрузки по отдельным параллельным преобразовательнам ячейкам и, как следстви возможность применения более слабог точных и менее мощных элементов по сравненшо с нерасщепленными вариантами, а также получение сравнйтельно высокой (теоретически 12-кратной частоты пульсации выходного напряжения при относительно низком ее уровне, что позволяет существенно улучшить массогабаритные и стоимостные показатели (МГСП) сглсшивсшнцих фильтров, упростить средства стабилизации напряжения и защиты от создаваемых преобразователем помех, улучшить коэффициент первичногчэ источника-,- тем самым обеспечить более экономное потребление-ехзон энергии.

Недостатками указанных устройств является наличие уравнительных реакторов , потребляющих до 10-20% мощностч источника и двух либо одного с повышенной мощностью трехфазных трансформаторов, либо сравнительно большое число витков вентильных обмоток при относительно повышенной мощности силового трансформато.ра, приводящей к увеличению МГСП устройства.

Если в качестве базового числа витков принять некоторое число витков с амплитудой напряжения на них, равной амплитуде выходного напряжения, то суммарное витковое число в указанных устройствах составляет №5-0 Wj- /Wp, 4,732, что не является минимальным.

Кроме того, указанные устройства не позволяют получить выходное напржение больше амплитуды переменной ЭДС, формируемой на секции вентильных обмоток, соединенных в треугольник.

Известен преобразователь с 12-кратной частотой пульсации, содержащий трехфазный трансформатор, вентильные обмотки которого разделены в каждой фазе на две секции при соотношении их чисел витков 1:У5/3, первые секции фаз (с большим числом витков) соединены в треугольник и снабжены каждая отводом, делящим их на малую и больпгра части в соотношении (1-YT/3):УЗ/3, вторая секция одной из фаз одним своим выводом подключена к отводу первой секции смежной фазы в порядке прямого их индексного чередован«я и встречно с большей частью первой секции. Ври этом другие выводы BTopE:2x секций и выводы первых секций подключены посредством шести линий и шестиячейковс «у вентильному мосту, вывода которого по постоянному току.образуют выходы устройства 43.

Однако данное устройство при сравнительно большом сз ммарном числе витков вентильных обмоток (Wj 4,732), имеет несколько более усложненный монтаж и повышенную габаритную (вольт-амперную) мощность)

Известен мостовой преобразовател переменных напряжений в постоянное с 12-кратной частотой пульсации.

содержащий шестиячейковый вентильный мост и трехфазный трансформатор вентильные обмотки которого разделены в каждой фазе на две секции, первые из них сбединены в треугольник и снабжены каждая отводом, делящим их на малую и большую части, вторая секция одной из фаз одним свим выводом подключена к отводу первой секции смежной фазы в порядке их индексного чередования и согласно с большей частью первой секции, другие выводы вторых секций и выводы первых секций подключены посредством шести линий к выводам по переменному току упомянутого вентильного моста, выводы которого по постоянному току образуют выходные выводы Г5 ,

При этом первая и вторая секции разных фаз соединены между собой в обратном порядке их индексного чередования, число витков второй секции каждрй фазы обмоток относительно числа витков первой их секции установлено в соотношении (2/13-1):1, а число витков малой и большой частей каждой первой секции относятся между собой как (1-УЗ/3):Гз/3.

Однако известное устройство ие позволяет получить выходное напряжение, превышающее амплитуду ЭДС секции обмоток, соединенных в треугольник, вследствие чего при заданном выходном напряжении напряжение на этих секциях (число витков на каждой из них) оказывается сравнительно повы1иенным.

Кроме того, в случае применения плоского магнитопровода вследствие присущей такой системе асимметрии магнитной цепи, проявляется неже.лательное явление низкочастотной модуляции выходного напряжения, приводящее к росту массы, объема, стоимости сглаживающих фильтров, дополнительному расходу мощности и ценных материалов, ухудшению КПД и качества потребляемой энергии,ухудшающего ее полезное использование.

Цель изобретения - улучшение энергетических и качественных показателей путем повышения йыходного напряжения/ снижение уровня его низкочастотной модуляции.

Поставленная цель достигается /тем, что в преобразователе переменнбго напряжения в постоянное, содержащем шестиячейковый вентильный мост и трехфазный трансформатор, вентильные обмотки которого разделены в каждой фазе на две секция, первые секции фаз соединены в треугольник и снабжены каждая отводом, делящим ее на-малую и большую части, вторая секция одной из фаз одним своим выводом подключена к отводу первой секции смежной фазы в порядке их индексного чередования и согласно с большей частью первой секции, другие выводы вторых секция и выводы первых секций подключены посредством шести линий к вхоДё1м по переменному току вентильного моста, выводы которого по постоянному току образуют выходные выводы, числа витков малой и .большо частей каждой первой секции вентильных обмоток установлены в соотношении (l-t3/3)/2: (1 + )/2, число витков каждой второй секции вентильных об уюток относится к числу витков первой секции как Уз/3:1, при этом вторые секции вентильных обмоток подключены к их первым секциям в порядке прямого их индексного чередования, а магнитопровод трансформатора выполнен пространственным

Кроме того, шестиячейковый вентильный мост разделен на два трехячейковых вентильных моста, которые подключены соответственно к первчм и вторым секциям обмоток и соединены между собой по цепи постоянног(9 тока через идуктивности, зашунтированные конденсатором.

На фиг.1 представлена принципиалная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 и 3 - векторные диаграммы, поясняющие принцип формирования токообразующих ЭДС в фазовой плоскости; на фиг.4 - схемный вариант устройства при соединении вентильных мостов через индуктивности с шунтирующим конденсатором.

Преобразователь (фиг.1) содержит группу 1-12 вентилей, собранных в шестиячейковый вентильный мост 13 выводы которого по постоянному току образуют выходные выводы 14 и 15 устройства с подключенной к ним нагрузкой 16. Выводы вентильного моста 13 по переменному току соединены посредством шести линий 17 с вентильными обмоткаини 18 трех однофазных или одного трехфазного трансформатора. Их сетевые обмотки (фиг.1, не показаны) могут быть .соединены в любую известную ,и предлагаемое устройство не будет критичным. Линии 19 и 20 - часть линий 17, а,в,с - фазы трансформатора .

Вентильные обмотки 18 в каждой фазе разделены на две секции - первую (а 1, b 1, с 1) и вторую(а 2, b 2, с 2). Пеояые секции соединены в треугольник и снабжены в кг1ждой фазе отводом (а 3, b 3 с 3) , «делящим их на две части - малую (а 3x1, Ь3у1,с321)и большую (а За 1, в Зв1, с 3с 1). Согласно с большей частью к отводу а 3 (Ъ 3, с 3) секции а 1 (Ъ 1 .с 1) данной фазы подключена вторая секция Ь 2 (с 2, а 2) смежной фазы с прямым их порядком чередоваНИН.

Другие три вывода х 2, у 2, г 2 вторых секций, а также три вывода первых секций в точках их соединения в треугольник подключены посредством шести линий 17 к соответ ствующей вентильной ячейке шестиячейкового вентильного моста 13,.

Число витков второй секции к числу витков первой секции, а также числа витков малой и большой частей последней могут быть установлены в каждой фазе в соотношениях , и (1-УЗ/3)/2:()/2 или примерно 0,58:1 и 0,21:0,79.

В этом случае на нагрузке 16 формируется пульсирукяцее знакопостоянное напряжение U с кратностью П ча тоты пyльcaцииJ равной 12, при ее по л у периоде б л/П, равном 15. Постоянная составляющая и. выходного напряжения Lfo равная (sine)/6 (sinl5°).Л/12 «0,9886 относительно его амплитуды U, составляет преимущественную по сравнению с переменной составляющей, амплитуда первой гармоники которой относительно (}(, теоретически равна 1,4% а ее полный размах - 3,45%. Этим , улучшаются массогабаритные и стоимостные показатели (МГСП) сглаживающего фильтра предлагаемого устройства. .

Устройство работает следующим образом.

Под действием переменных ЭДС обмоток 18 между каждой парой линий 17 формируются разные по амплитуде и сдвинутые по фазе относительно друг друга линейные ЭДС. Однако из всего разнообразия таких ЭДС, обусловленного различными сочетаниями любых двух возможных линий 17 из общего их числа, равного шести, не все из них вызывгиот открытие вентилей 1-12, Следовательно, не любые ЭДС, образованные между какой-либо парой линий 17, создают ток в нагрузке 16. Открываются лишь те два вентиля моста 13 - по одному из аатодной (нечетные номера) и анодной /четные номера) их групп разных вентильных ячеек - значение ЭДС между парой линий которых в данный момент наибольшее. На векторной диаграмме (фиг.2) такие ЭДС соответствуют расстояниям (диагоналям) между наиболее удаленными друг от друга точками разных векторов. Диагональные ЭДС и образуют ток нагрузки.

Из фиг.2 следует, что устройство () создает две системы токообразующих ЭДС. Одна из них с фазовым сдвигом ЭДС в 120 эл.град относительно друг друга формируется тремя диагональными ЭЦС а 1 х 2, Bly2,clz2, показанными на фиг.2 пунктиром. Диагональные ЭДС образуются геометрическим сложением соответствующих ЭЦС различных часте обмоток 18. Так, вектор а 1 х 2 представляет собой сумму векторов а2х2, с1сЗ, аЗх1; вектор в 1 у 2 - сумму векторов в 2 у 2, а 1 а 3, в 1 у 1; вектор х 1 z 2 сумму векторов с222,в1вЗ, с 1 Z 1.

Под действием диагональной ЭДС а 1 X 2 открываются вентили 1 и 2, и через нагрузку 12 протекает ток. Контур токопрохождения {фиг.1) содержит следующие элементы: фаза а 1 - линия 19 - вентиль 1 - вывод 14 - нагрузка 16 - вывод 15 - вентиль 2 - линия 20 - секция а 2 - фаза с 3 и две параллельные цепи, одна из которых содержит часть с 1 с 3 секции с 1 и секцию а 1, а другая цепь содержит часть с 3 z секции с 1 и секцию Ь1.

Аналогичные контуры токопрохождения при циклическом изменении состава элементов создают остальные две диагональные ЭДС (в 1 у 2 и с 1 z 2) .,

Диагональные ЭДС (дЭДС) после выпрямления посредством вентилей 1и2; 5и6;9и10 формируют на нагрузке 16 пульсирующее напряжение векторы которого, показанные в фазовой плоскости на фиг.З, обозначены как Sf , Sj., 50 . При выпрямлении тех же дЭДС посредством вентилей 7 и 8;11 и 12; 3 и 4 создается противоположная система векторов 5-,, 5 , Sj . В скобках указаны проводящие вентили и секции обмоток

Другая система токообразующих ЭД обеспечивается диагональными ЭДС z2x2, х2у2, y2z.2 (Фиг.1 и Эти дЭДС также сдвинуты на 120 эл.град. относительно друг друга и, кроме того, сдвинуты на 30 эл.град. по отношению к предыдущей системе (фиг.2). После их выпрямления посредством вентилей 3 и 7и6 Ни 10,а также вентилей Зиб; 7и10; 11и2на выходе создается пульсирующее напряжение, векторы, которого в фазовой плоскости показаны на фиг.З векторами

2 6 10 8 12 4 число векторов Эд, равно 12 (,12) а их Фазовый сдвиг относительно друг друга составляет ЗО.

Таким образом, огибакицая выходного напряжения содержит за период ЭДС 12 периодов переменной/ составляющей (диаграмма показана на фиг.З точками)1 Частота пульсации тем самым увеличена в 12 раз по сравнению с частотой преобразуемых ЭДС и, следовательно, частотная краiность пульсации равна 12 (). Длительность б половины периода пулсации составляет 0 180/n 15, что совпадает с прототипом.

Вентили 1,4,5,8,9 и 12,подключенные к первым секциям а 1, b 1, с 1, вентильньгх обмоток 18, проводят ток 30 эл.град. (при активном или индуктивном характере нагрузки без учета явления коммутации), и среднее значение этого ,тока по отношению к току нагрузки 1 составляет 1/12 часть, что в два раза меньгае по сравнению с известными, в результате чего по отношению к последним потери мощности в половине вентилей снижены в два раза при равноценных выходных параметрах а КПД устройства повышен.

Другие шесть вентилей 2,3,6,7, 10 и 11, подключенные к вторым секциям а 2, b 2, с 2, проводят; ток 90 эл.град., а. среднее значение этого тока равно 1о/4, что совпадает с прототипом.

Предлагаемое устройство обеспечивает в 1,37 раза больше выходное напряжение при одинаковом в них напряжении на первых секциях обмоток, соединенных в треугольник, что следует из сопоставления вектора «1 X 2 на фиг.2 (модуль которого соответствует амплитуде UCKO выходного напряжения устройства) с вектором о 1 1 отражающего напряжение на секции oil и амплитуду С/ао пр выходного напряжения прототипа (при установленных в нем соотношениях витков секции и отводов).

При обеспечении заданного (одинакового с прототипом) напряжения на нагрузке напряжение на каждой из указанных секций (число их витков) оказывается в предлагаемом устройстве в 1,37 раза меньше, что имеет важное значение для уменьшения сопротивления и потерь в них Токи через первые секции вентильных обмоток в устройстве протекают все 360 зл.грай., что рав- иоценно с прототипом, но в два раз превьиыают длительность тока. Токи через вторые секции в устройстве протекают 180 эл.град., что . в i1,5 и соответственно в 3 раза воль ше. При этом значения этих токов

снижены в устройстве вследствие выше показанного перераспределения тока нагрузки по параллельным цепям, а также уменьшения напряжения обмоток и их мощности, что улучшает

массу, габариты, стоимость трансформаторного блока и устройства преобразова ния энергии в целом.

По амплитуде обратного напряжения на вентилях, определяющей их вен0 тильную прочность (надежность) и равной амплитуде выходного напряжения (практически его среднему значению) , рассмотренные решения равноценны. Следовательно, несмотря

5 на обеспечение в предлагаемом устройстве более высокого напряжения на нагрузке, чем- в известных решениях, в нем не требуется при заданном выходном напряжении, устанавливать

Q дополнительные вентили последовательно с основнЕЛМи в каждом вентильном плече моста 13, что повышает надежность устройства и его КПД.

Магнитопровод трансфоряиатора вы5 полняется пространственным, что устраняет асимметрию магнитной цепи, присущую плоскому магнитопроводу устраняет, либо существенно снижает нежелательную низкочастотную модуляцию выходного напряжения, улучшает массу, объем, стоимость сглаживающих фильтров. При этом практически отпадает необходимость варьирования витками сетевой и вентильной обмоток, расположенных на

5, среднем стержне, выполнения для этих целей дополнительных (симметрирующих) отводов, трудоемкого их подбора опытным путем.

0 Вместе с тем, возможно включение магнитно связанных или несвязанных

междусобой индуктивностей 21, эашунтированных либо не зашунтированных конденсатором 22 (Лиг.4) в

5 цепь постоянного тока трехячейковых вентильных мостов 23 и 24, соединенных посредством линий 17 с первыми и вторьвхш секциями обмоток 18. Индуктивности 21 позволяют пере распределить нагрузочный ток по отдельным мостам, а конденсатор22 улучшить в элементах циркуляцию анергии, а также качество потребляемой (преобразуемой) энергии.