Преобразователь переменного напряжения в постоянное Советский патент 1985 года по МПК H02M7/10 

Изобретение относится к устройствам для преобразования переменного тока в постоянный с одновременным увличением его выходного напряжения и может быть использовано для питаНИН различных нагрузок юстоянного тока, потребляющих практически неизменную мощность.

Известно устройство для питания нагру-зки на основе трехфазного источника переменного тока и вентильно-конденсаторного выпрямителя умножителя напряжения ij .

Это устройство имеет максимальное выходное напряжение, лишь в 4,46 раза превышающее амплитуду фазного напряжения источника переменного тока, что ограничивает его приг менение для питания более высоковольтных потребителей.

Известно также устройство для питания нагрузки на основе трехфазного источника переменного тока и вентильно-конденсаторного выпрямителя умножителя напряжения, которое при меньшем количестве вентилей h конденсаторов развивает максимальное выходное напряжение, в 5,2 раза. превьшающее фазное напряжение источника 2 .

Однако для ряда технических задач такого уровня бестрансформат.орного повьшения напряжения оказывается недостаточно.

Наиболее близким к изобретению является преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий четыре входных вывода для подключения трехфазного источника переменного тока, обмотки которого соединены по схеме, электрической звезды с выведенной нейтралью, положительный и отрицательный выходные выводы, два вентильно-конденсаторных трехполюсников, состоящие из двух дозирующих коиденсаторов, одни обкладки которых подключены к первому и третьему входным выводам соответственно и последовательно-согласно включенных вентилей, к точкам соединения которых подключены другие обкладки первого и второго дозирующих конденсаторов соответственно, а катодные выводы вентильно-конденсаторных трехполюсников связаны с положительным выходным выводом, диодно-мостовую схему, .выполненную на четырех диодах катодные выводы которой соединены с

анодными выводами вентильно-конденсаторных трехполюсников, а ее анодные выводы - с отрицательным выходным выводом, а точки соединения первого и четвертого диодов и второго и третьего диодов которой связаны с певым и третьим входными выводами соответствённо, и два вольтодобавочных конденсатора, один из которых включен между катодным выводом диодномостовой схемы и четвертым входньш выводом, связанным с нейтралью трехфазного источника переменного тока, а другой - между вторым входным выводом и анодным выводом диодно-мостовой схемы з. .

Недостатки данного устройства заключаются в сравнительно малой скорости передачи энергии из трехфазного источникапеременного тока в нагрузку и в сравнительно малой величине максимального выходного напряжения, которое всего в 5,46 раз превьшает амплитуду фазного напряжения источника. Все это ухудшает удельные энергетические показатели преобразователя переменного напряжения в постоянное.

Целью изобретения является улучшение удельных энергетических показателей. I

Поставленная цель достигается тем что преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий четыре входньк вывода для подключения трехфазного источника переменного тока, обмотки которбго соединены по схеме электрической звезды с выведенной нейтралью, положительный и отрицательный выходные выводы, два вентильно-конденсаторных трехполюсника, состоящие из двух дозирзпощих конденсаторов, одии обкладки которых подключены к первому и третьему входным выводам соответственно, и двух пар последовательно - согласно включенн 1х вентилей, к точкам соединения которых подключены другие обкладки первого и второго дозирующих конденсаторов соответственно, а катодные выводы вентильно-конденсаторных трехполюсников связаны с положительным выходным выводом, мостовую схему, выполненную на четырех диодах, катодные выводы которой соединены с анодными выводами вентильно-конденсаторных трехполюсников, зажимы входной диагонали мостовой схемы подключены 3 к первому и третьему входным вывода два вольтодобавочных конденсатора, включенных между анодным и катодным выводами мостовой схемы так, что к точке их соединения подключены четвертьй входной вывод источника пере менного тока, связанный с его нейтралью, дополнительно снабжен блоки Р1то1цим диодом, и третьим дозирующим конденсатором, одна обкладка которо го подключена к анодным выводам, а другая - к катодным выводам вентильно-конденсаторных трехполюснИков, блокирующий диод включен между анодным выводом мостовойсхемы и от рицательным выходным выводом. При этом в одном из вариантов Устройства в качестве несвязанных с выходным выводом вентилей вентиль но-конденсаторных трехполюсников применены симисторы. Снабжение преобразователя напряжения дополнительными блокирующими диодом и третьим дозирующим конденсатором, использование симисторов обеспечивает увеличение максимально го выходного напряжения устройства скорости передачи энергии упомянуто го источника в нагрузку, повьппение коэффициента использования источника по мощности, уменьшение удельной массы преобразователя и как следствие улучшение удельных энергетических показателей устройства. На фиг.1-3 представлены электрические схемы преобразователя переменного напряжения в постоянное. Преобразователь переменного напряже1 1я в постоянное (фиг.1 ) содержит четыре входных вывода 1-4 дл подключения трехфазного источники .переменного тока, обмотки которого соединены по схеме электрической звезды-е выведенной нейтралью, два диодно-конденсаторных трехполюсНика содержащие два дозирующих конденсатора 5 и 6, одни обкладки которых подключены к первому и третьему вхо ным выводам соответственно, и две пары последовательно - согласно вкл ченных диодов 7и8и9и 10, к точ кам соединения которых подключены д гие обкладки первого и второго дози рующих конденсаторов соответственно мостовую схему, выполненную на четцрех диодах П-14, два вольтодо.бавочных конденсатора 15 и 16, поло жительный и отрицательный выходные 48414 выводы 17 и 18, дополнительный третий дозирующий конденсатор 19 и дополнительный блокирующий диод 20, включенньш между анодным выводом мостовой схемы образованным анодами диодов 12 и 14, и отрицательньм выходным выводом 18. Катодный вывод мостовой схемы, образованный катодами диодов 11 -и 12, соединен с анодным выводом вентильно-конденсаторных трехполюсников, образованным анодами диодов 7 и 9. Один вольтодобавочный конденсатор 15 включен между катодным выводом мостовой схемы и четвертым входным выводом 4, связанным с нейтралью трехфазного источника переменного тока. Точка соединения первого и четвертого диодов 11 .и 14 мостовой схемы подключена к первому входному.выводу 1, а точка соединения второго и третьего диодов 12 и 13 мостовой схемы - к третьему входному выводу 3. Другой вольтодобавочный конденсатор 16 включен между вторым входным выводом 2 и анодным выводом мостовой схемы. Одна обкладка дополнительного третьего дoзиpyюIIveго конденсатора 19 подключена к анодному выводу вентильно-конденсаторных трехполюсников, образованному анодами диодов 7 и 9, а другая - к катодному выводу вентильно-коНденсаторных трехполюсников, образованному катодами диодов 8 и 10, и к положительному выходному выводу 17. При этом емкость вольтодобавочных конденсаторов 15 и б по крайней мере на порядок больше емкости дозирующих конденсаторов 5, 6 и 19. Устройство на фиг.2 отличается от преобразователя переменного напряжения в постоянное на фиг.1 тем. что между положительным I7 и отрицательным 18 выходным выводом параллельно сопротивлению нагрузки подключен полярный конденсатор 21, сглажива1б1ций пульсации выходного напряжения. Преобразователь переменного на- , пряжения в постоянное на фиг.З отличается от устройства на фиг.2 тем, что вместо первого и третьего диодов 7 и 9 вентильно-коиденсаторных трехполюсников, образующих их анодный вывод, использованы симисторы 22 и 23 и он дополнительно снаб жен блоком управления симистораьш (не показанным на фиг.З), который

может быть выполнен по любой описанной в литературе схеме.

Рассмотрим работу устройства (фиг.1) в режиме холостого хода.

При этом будем полагат.ь, что величины емкостей вольтодобавочньгх конденсаторов 15и 16 много больше емкости дозируюпщх конденсаторов 5, 6 и 15. Благодаря этому вольтодобавочные конденсаторы 15 и 16, зарядившись в соответствующих полупериодах изменения питающего напряжения в дальнейшем при заряде дозирующих конденсаторов 5, 6 и 19 и формирования рабочих импульсов отдают им и в сопротивление нагрузки лишь небольшую часть накопленной энергии. Поэтому вольтодобавочные конденсаторы 15 и 16 в последующие моменты времени лишь подзаряжаются от соответствующих фаз источника и в качестве их можно применить гголярные электролитические конденсаторы, характеризующиеся намного меньшими удельными стоимостью, объемом и масч сой, чем обычные неполярные конденсаторы.

При .рассмотрении процессов во время заряда конденсаторов за начало отсчета примем момент времени, когда линейное напряжение на выводах 1 и 3 равно нулю, потенциалы выводов 1 и 3 положительны и равны, а потенциал вывода 2 имеет максималь ное отрицательное значение и в последуюпщй момент времени потенциал вывода 1 будет расти, а вывода 3 убывать. При этом от вывода 1 через диод 11 будет заряжаться вольтодобавочный конденсатор 15. Заряд его заканчивается через 60 эл.Град. Одновременно с зарядбм вольтодобавочного конденсатора 15 от линейного .напряжения на выводах 1 и 3 заряжается дозирующий конденсатор 6 по цепи: входной вывод 1 и диод 11 - диод 9 - дозируюш 1й конденсатор 6 - входной вывод 3. Заряд этого конденсатора закончится через 90 эл.град., т.е. когда линейное напряжение на выводах 1 и 3 достигнет максимума. Через 30.эл.град. после начала отсчета от вывода 3 и- вольтодобавочного конденсатора 15 начинается заряд дозирующего конденсатора 6 по цепи: входной вывод 4 - вольтодобавочный конденсатор 15 - диод 9 - дозирукмций конденсатор 6 - входной вывод

3. Он заканчивается через 120 эл.град, от начала отсчета - по достижении на конденсаторе 6 двойного амплитуднос го фазного напряжения. Через

60 эл.град. от начала отсчета линейное напряжение на выводах 2 и 3 станет равным нулю, а в дальнейшем в течении 90 эл.град. будет возрастать,

)0 При этом потенциал вывода 2 становится более положительным, чем потенциал вывода 3. В течение этого промежутка времени происходит заряд , вольтодобавочного конденсатора I6 чеt5 рез диод 13 по цепи: входной вывод 2вольтодобавочный конденсатор 16 диод 13 - входной вывод 3 до амплитудного значения линейногонапряжения на выводах 2 и 3. Второй зарядный импульс к конденсатору 16 прик-; ладывается через 120 эл.град. от начала отсчета и продолжается 90 эл. град., т.е. заканчивается через 210 эл. град. от-.начала

5 Ь тсчета. Дозаряд конденсатора 16 происходит по цепи: входной вывод 2 вольтодобавочный конденсатор 16 - диод 14 - входной вывод 1. Через 150 эл.град. от начала отсчета, когда начнет расти по абсолютной ве- личине напряжение вывода 1 (причем потенциал вывода 1 становится более отрицательньм, чем потенциал вывода 4), напряжение этой фазы источника, подключенной к выводу 1, суммируется с напряжением вольтодобавочного конденсатора 15 и этим напряжением по цепи: входной вывод 4 - вольтодобавочный Конденсатор 15- р диод 7 - дозирующий конденсатор 5 входной вывод 1 до удвоенного фазного напряжения заряжается дозирующий конденсатор 5. Заряд заканчивается через 240 эл.град. Спустя 180 эл.град. 5 от начала отсчета начинается рост линейного напряжения на выводах 1 и 3,при этом вывод 3 имеет более высокий потенциал по отношению вывода 1. Заряд дозирующего конденсатора 5 происходит по цепи: входной вывод 3 - диод 12 - диод 7 - дозирующий конденсатор 5 - входной вывод 1 и,заканчивается через 270 эл.град, от начала отсчета. Через 210 зл,град, 5 от начала отсчета, когда потенциал вывода 3 становится больше потенциала вывода 4, суммарным напряжением ча выводе 3 и дозирующего конденсагора 6 происходит заряд дополнительного дозирующего конденсатора 19 ПО цепи: .входной вывод 3 - дозирующий конденсатор 6 - диод 10 - дозирующий конденсатор 19 - вольтодобавочный конденсатор 15 - входной вывод 4; Он заканчивается через 300 эл.град. от начала отсчета по достижению на дозирующем конденсаторе 19 амплитуды фазного капряжения источника. Через 210 эл.град. от начала отсчета, когда потенциал вывода 3 относительно вывода 4 будет иметь положительное значение по цепи: входной вывод 3 - диод 12 вольтодобавочный конденсатор 15входной вывод 4 будет происходить подзаряд конденсатора 15. Подзаряд происходит в те моменты .времени, когда напряжение на выводе 3 вьше напряжения на конденсаторе 15. Через 230 эл.град. линейное напряжение на выводах 2 и 3 станет равным нулю и в дальнейшем потенциал вывода 3 станет вьше, чем потенциал вывода 2, и начнется процесс суммирования линейного напряжения на выводах 3 и 2 ,и конденсаторов 6 и 16. Это напряжение через диоды 10 и 20 будет приложено к выходным выводам 17 и 18 и через 330 эл.град. от начала отсчета достигает максим.ально.го знамения, которое в 4,46 раза , превьпиает фазное напряжение источника. Так возникает первый рабочий импульс. Через 270 эл.град. от начала отсчета, ко,гда в дальнейшем по тенциал вывода 4 становится выше по тенциала вывода 2, начинается процесс суммирования фазного напряжени на выводе 2 и напряжения на конденсаторах 15, 19 и 16. Это напряжение через диод 20 будет приложено к выходным выводам 17 и 18 и через 360 эл.град. от начала отсчета достигнет максимального значения, кото рое в 4,73 раза превьш1ает фазное на пряжение источника. Так возникает .второй рабочий импульс повышенного выходного напряжения, которого нет в прототипе. Через 300 эл.град лине ное напряжение на выводах 1 и 2 ста нет равным нулю и в дальнейшем поте циал вывода 1 станет , чем поте циал вывода 2.,и начинается процесс суммирования линейного напряжения н выводах 1 и 2 и конденсаторов 5 и 1 Это напряжение будет приложено чере диоды 8 и 20 к вьпсодным выводам 17 и 18 и через 390 эл.град. от начала отсчета достигает максимального значения, которое в 5,46 раза превьш1ает фазное напряжение источника. Так возникает третий рабочий импульс. Рассмотренные процессы будут повторяться циклически в течение каждого периода изменения питающего напряжения. Следовательно, в устррйстве(фиг..1) три рабочих импульса период изменения напряжения питания; приэтом, когда емкость дополнительного дозирующего конденсатора 19, равна емкости дозирующих конденсаторов 5 и 6, что требуется для режима передачи в нагрузку неизменной мощности, первый рабочий импульс имеет максимальное выходное напряжение в 1,23 раза меньше, чем в прототипе, второй рабочий импульс, которого нет в прототипе, имеет максимальное выходное напряжение в 1,16 раза .меныцее, чем в прототипе, а третий рабочий импульс имеет максимальное выходное напряжение такое же, как.в протбтипе. В результате этого скорость передачи энергии из трехфазного источника-переменного тока 3 сопротивление нагрузки в устройстве (фиг.)) будет в 1,2 раза больше, чем в прототипе. Когда емкость дополнительно дозирующего конденсатора 19 по крайней мере на порядок меньше емкости дозирующих конденсаторов 5 и 6, первый и третьий рабочие импульсы имеют такое же максимальное рабочее напряжение, как в прототипе, второй рабочий импульс име ет максимальное выходное напряжение в 1,05 раза больше, чем в прототипе. Работа устройства на фиг.2 отличается от работы устройства на фиг.1 только тем, что его выходное напряжение, изменяющееся от минимальной величины 2,79 максимальной величины 5,46 У„ф, где амплитуда фазного напряжения источника, сглаживается полярным электролитическим конденсатором 21 и при сравнительно большой его емкости будет, близко к максимальному напряжению V.d. Рассмотрим работу преобразователя переменного напряжения в постоянное (фиг.З). При рассмотрении процессов во времени за начало отсчета тоже примем момент времени, когда линейное напряжение на выводах I и 3 равно нулю потенциалы выводов 1 и 3 положительны и равны, а потенциал вывода 2 имеет максимальное отрицательное значе ние и в последуюпщй момент времени потенциал вывода 1 будет расти, а в вода 3 убывать. При этом от вывода 1 через диод П будет заряжаться, вольтодобавочный конденсатор 15, За ряд его заканчивается через 60 эл, гра Одновременно с зарядом вольтодобаво ного конденсатора 15 блоком управле ния открывается симистор.23 и от ли нейного напряжения на выводах 1 и 3 заряжается дозирующий конденсатор 6 по цепи: входной вывод 1 - диод11 - симистор 23-дозирующий конденсатор 6 - входной вывод 3. Заряд этого конденсатора заканчивается через 60 эл.град., когда напряжение на вы .водах 1 и .3 достигнет максимума. Че .рез 30 эл.град после начала отсчета при открытом симисторе 23 от вывода 3 и вольтрдобавочного конденсато ра 15 суммарнымнапряжением будет заряжаться дозирующий конденсатор 6 по цепи: входной вывод 4 - вольтодобавочный конденсатор 15 - симистор 23 - дозирующий конденсатор 6 входной вывод 3i Заряд его заканчивается через 120 эл.град. от начала отсчета, когда напряжение на нем в два раза превышает амплитуду фазного напряжения источника, и симистор 23, закрывается. Через 60 эл,град от начала отсчета и в дальнейшем, когда потенциал вывода 2 становится больше потенциала вывода 3, происходит заряд вольтодобавочного конденсатора 16 по цепи; входной вывод 2 - вольтодобавочный конденсатор I6 - диод 13 - входной вывод 3 и заканчивается через 140 эл.град. . от начала отсчета - по достижению , на нем амплитуды линейного напряжения на выводах 2 и 3 источника. Вто рой зарядный импульс к конденсатору 16- прикладывается через 120 эл.град, от начала отсчета и заканчивается через 210 эл.град. от начала отсчета. Дозатор конденсатора 16 происходит по цепи: входной вывод 2 jвольтодобавочный конденсатор I6 диод 14 - входной вывод 1. Через 150 эл.град. от начала отсчета и далее, когда потенциал вывода 4 бол ше потенциала вывода 1, блок управления открывает симистор 22, напряженив источника с выхода 1 суммируется с напряжением вольтодобавочног конденсатора 15 и от него по цепи: входной вывод 4 - вольтодобавочный конденсатор 15. - симистор -22 - дозирующий конденсатор 5,- входной вывод 1 до удвоенного фазного напряжения источника заряжается дозирующий конденсатор 5. Заряд заканчивается через 240 эл.град, от начала отсчета, и симистор 22 закрывается. Через 210 эл.град. от начала отсчета и далее, когда потенциал вывода 3 вьшге потенциала вывода 4 будет, во-первых, по цепи: вводной вывод 3, - диод 12 - вольтодобавочный конденсатор 15 - входной вывод 4 происходить подзаряд вольтодобавочного конденсатора 15 и, во-вторых, по цепи: входной вывод 3 - дозирующий конденсатор 6 - диод 10 - дозирующий кон, денсатор 19 - вольтодобавочный конденсатор 15 - входной вывод 4 происходить заряд дополнительного дозирующего конденсатора 19 - до амплитуды фазного напряжения источника. Подзаряд вольтодобавочного конденсатора 15 и заряд дополнительного дозир пощего конденсатора 19 заканчивается через 300 эл.град. от начала отсчета. Через 240 эл.град. от начала отсчета и далее, когдапотенциал .вывода 3 станет выше потенциала, вывода 2, блок управления открывает симистор 23, и начинается процесс суммирования линейного напряжения на выводах 3 и 2 и конденсаторов 6, 16 и 19. Это напряжение через симистор 23 и дополнительный ДИОД 20 будет приложено к выходным выводам 17 и I8 и через 330 эл.град. от начала-отсчета достигнет максимального значения, которое в 5,46 раза превышает амплитуду фазного напряжения источника, после чего симистор 23 закрывается. Возникает первый рабочий импульс, через 270 эл.град. от начала отсчёта и далее, когда потенциал вывода 4 становится вьш1е потенциала вывода 2, проис;ходит процесс суммирования напря- жения фазы 2 с напряжением на конденсаторах 16, 15 и 19. Это суммарное напряжение через диод 20 будет приложено к выходным выводам 17 и 18 и через 360 эл.град. от начала отсчета достигнет максимальной величины которая в 4,73 раза превьш1ает амплитуду фазного напряжения источника. Возникает второй, рабочий импульс. Через 300 эл.град. от начала отсчета и далее, когда потенциал вывода

П1

1 станет выше потенциала вывода 2, лок управления открывает симистор 2 и начинается процесс суммирования инейного напряжения фаз 1 и 2 и онденсаторов 5, 16 и 19. Это напряение через симистор 22 и диод 20 будет приложено к выходным выводам 17 к 18 и через 390 эл.град. от.начала отсчета достигнет максимального значения, которое в 6,46 раза превьшает амплитуду фазного напряжения источника. Возникает третий рабочий импульс, после которого симистор 22 закрывается.

Следовательно, в устройстве фиг.3 возникает три рабочих импульса за период изменения напряжения источника, при этом, когда емкость дополнительного дозирующего конденсатора 19 равна емкости дозирующих конденсаторов 5 и 6, первый рабочий импульс имеет максимальное напряжение такое же, как в прототипе, второй рабочий импульс имеет максимальное напряжение в 1,16 раза меньшее, чем в йрототипе, а третий рабочий импульс имеет максимальное найряже- . ние в 1,183 раза больше, чем в прототипе, В результате этого скорость передачи энергии из трехфазного источника переменногр тока в сопротивление нагрузки в устройстве (см.

4112

п.2 формулы изобретения будет в 1,57 раза больше, чем в прототипе. Когда емкость дополнительного дозирующего конденсатора 19 по крайней

мере на порядок меньше емкости дозирующих конденсаторов 5 и 6 (см.п.З формулы изобретения) , в устройстве (фиг.З) первый и третий рабочие импульсы имеют максимальное напряжение

в 1,365 раза большее, чем в прототипе, а второй рабочий импульс - максимальное напряжение в 1,05 раза большее, чем в прототипе.

Таким образом, снабжение преобразователя переменного напряжения в постоянное дополнительными третьим дозирующим конденсатором и блокирующим диодом и установка вместо первого и третьего диодов вентильно.конденсаторных трехполюсников, образующих их анодный вывод, симисторов, обеспечивает путем увеличения в 1,16 раза максимального выходного напряжения устройства увеличение в

1,57 раза скорости передачи энергии из упомянутого источника-, повышение минимум в 1,57 раза коэффициента использования трехфазного источника переменного тока по мощности, уменьшение в 1,53 раза удельной массы преобразователя и, как следствие, улучшение удельных энергетических показателей устройства.

22 Ij3 23 4.

-L/J 23

17

2f

ОУиг.З

1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ, содержащий четыре входных вывода для под:ключения трехфазного источника переменного тока, обмотки которого соединены по схеме электрической звезды с выведенной нейтралью, положительный и отрицательный выходные выводы два вентильно-конденсаторных трехполюсника, состоящие из двух дозирующих конденсаторов, одни обкладки которых подключены к первому и третьему входным выводам соответственно. и двух пар последовательно - соглас- . но включенных вентилей, к точкам соединения которых подключены другие обкладки первого и второго дозирующих конденсаторов соответственно,а катодные выводы вентильно-конденсаторных трехполюсников связаны с положительным выходным выводом, мое- .товую схему, выполненную на четырех диодах, катодные выводы которой соединены с анодными выводами вентильноконденсаторных трехполюсников, зажимы входной диагонали мостовой схемы подключены к первому и третьему входным выводам, два вольтодобавочных конденсатора, включенных между анодным и катодным выводами мостовой . так, что к точке иг соединения подключен четвертый входной вывод источника переменного тока, связанный с его нейтралью, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью улучшения удельных энергетических показателей, (Л он дополнительно снабжен блокирующим диодом и третьим дозируюпсим конденсатором, одна обкладка которого подключена к анодным выводам, а другая - к катодным выводам вентильно-конденсаторных трехполюсников, блокирующий диод включен мезвду анодным выводом мостовой схемы и отрицательным выходным выводом. Од 4 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что в нем эо в качестве несвязанных с выходным 42 выводом вентилей вентильно-кондеисаторных трехполюсников прш енены симисторы.