Трехфазный преобразователь переменного напряжения в постоянное (его варианты) Советский патент 1986 года по МПК H02M7/08 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в устройствах электропитания с бестрансформаторным входом электро- и радиотехнической аппаратуры.

Цель изобретения - улучшение энергетических характеристик.

На фиг. 1 и 2 показаны варианты электрических схем преобразователя; на фиг. 3 и 4 - электромагнитные процессы в основных элементах схем.

На фиг. и 2 А, В, С - входные выводы преобразователя для подключения к трехфазному источнику переменного напряжения. Вентили 1-6 образуют анодную (первую) группу вентилей и катодную (вторую) группу вентилей.

Двухобмоточные дроссели 7-9, нагрузка 10 и вентили 1-6 в первом (фиг. 1) и втором (фиг. 2) вариантах связаны следующим образом.

Каждая из первых обмоток 11 -13 дросселей 7-9 соединена последовательно- встречно с одной из вторых обмоток 14-16 смежной фазы, например обмотка 11 фазы А - с обмоткой 16 фазы С, обмотка 12 фазы В - с обмоткой 14 фазы А, обмотка 13 фазы С - с обмоткой 15 фазы В.

Начальные выводы (обозначены ючками первых обмоток 11 -13 подключены соответственно к катодам вентилей 1, 3, 5 (фиг. 1), к катодам вентилей 4, 6, 2 (фиг. 2).

Начальные выводы вторых обмоток 14- 16 соединены в общую точку, образующую выходной вывод 17 преобразователя (фиг. 1) с анодами вентилей I, 3, 5 соответственно, общая точка катодов которых образует выходной вывод 17 (фиг. 2).

На фиг. 3 приведены , RC, с - линейные напряжения на входе преобразователя; Ua, Us, Uc - напряжения на начальных выводах а, Ь, с обмоток 11 -13 относительно выходного вывода 18; U(, I(H-i« - напряжения и токи обмоток 1 1 -16 дросселей 7-9; Uio, Uo - кривая выпрямленного напряжения и. его среднее значение на нагрузке 10; 1„8 - эквивалентный ток намагничивания дросселя 8, равный алгебраической сумме токов обмоток 12 и 15.

На фиг. 4 иллюстрирован npoi;ecc пере- магничивания дросселей 7-9 в течение одного периода входного напряжения по петле гистерезиса; В, Н - индукция и напряжен- )ость поля в магнитопроводе; точки ti-t характеризуют магнитные состояния магни- топровода в конце каждого интервала времени л/З в соответствии с фиг. 3.

Процессы в преобразователе по фиг. 1 и 2 идентичны, поэтому рассмотрим работу в интервале времени одного периода входного напряжения, например UCA. по фиг. 1. Цикл перемагничивания дросселей 7-9 проанализируем на примере одного дросселя 8.

В момент времени t ti напряжение UCA переходит через нулевое значение, а напряжение UAB становится равным напряжению UCB (фиг. За). С этого момента времени и до t t2, как и в предп1ествующем интервале времени , открыты вентили 1, 5, 6, ток в нагрузке 10 равен сумме токов, протекающих через вентили 1, 5 и последовательно соединенные с ними обмотки соответственно 11 и 16, 13 и 15 (фиг. Зе, з). Поскольку ток ii5 через обмотку 15 дросселя 8 в момент времени t t| достигает макси- 0 мального значения, а через обмотку 12 он равен нулю (фиг. Зж, з), то магнитопровод дросселя 8 имеет максимальное подмагни- чивание, характеризуемое точкой ti на петле гистерезиса (фиг. 4).

На обмотках 11 и 16 дросселей 7 и 9 падает напряжение (фиг. 36, г):

Un +U,6 UAB-U,o(1)

Напряжение Uu трансформируется в обмотку 14 плюсом на начальном выводе, а напряжение Ui6 трансформируется в обмот- 0 ку 13 плюсом на конечном выводе.

Поскольку вентили 1 и 5 открыты, то напряжение UAC уравновещивается падением напряжения на всех последовательно соединенных обмотках в контуре относительно этого напряжения:

5 UAc Un +U,3+Ui5 + U,6(2)

Тогда из (1) и (2) в соответствии с фиг. За, б, г:

U, + U,3+U,5(3)

Из (1) и (3) следует:

U,o UAB-Ui,-U, + U,3 + ° + и,6(4)

Кривая напряжения Uio на нагрузке 10 в соответствии с характером изменения входных напряжений UAB, UCB, UAC, падений напряжения Un, Uia, Uis, Uie и согласно выражению (4) имеет падающий характер от максимального значения до минимального (фиг. Зд).

Ток 1|5, уменьщающийся по величине,

протекал в обмотке 15 от конечного вывода

к начальному, поэтому рабочая точка на

0 петле гистерезиса перемещается от ti к t2

(фиг. 4).

В момент времени t t2 напряжение UBC переходит через нулевое значение, а напряжение UAC становится равным напряжению UAB (фиг. За). Вентили 5 и 6 закрываются, а вентили 2 и 3 открываются при открытом вентиле 1. Ток через последовательно соеди- яенные обмотки 13 и 15 прерывается, а через обмотки 12 и 14 увеличивается от нулевого значения (фиг. Зж, з). Причем в обмотке Q 12 ток протекает от начального вывода к конечному, что эквивалентно изменению напряжения тока Iis. Рабочая точка на петле гистерезиса дросселя 8 перемещается от iz к is, поскольку ток Ii2 увеличивается от нулевого значения (фиг. 4).

5 В контуре коммутации, состоящем из обмоток 11, 12, 14 и 16 дросселей 7-9 относительно входного напряжения UAB, обе обмотки 11 и 14 дросселя оказываются соединенными последовательно-согласно через открытые вентили 1 и 3. Через обмотки 11 и 14 протекают токи противоположного направления (фиг. Зе, ж). Суммарная индуктивность дросселя 7 скачком увеличивается, что вызывает скачкообразное увеличение падения напряжения Un и Ui4.Ha обмотках 11 и 14 (фиг. 36, t t2). Поскольку напряжение UAB равно напряжению UAC (фиг. 36), то на обмотках 12 и 16 дросселей 8 и 9 падение напряжения скачкообразно уменьшается на такую же величину, на какую на обмотках 11 и 14 падение напряжения увеличивается (фиг. Зв, г).

В интервале времени открыты вентили 1-3. Напряжения на обмотках II, 12, 14 и 16 уменьшается, поскольку входное напряжение UAB, уравновешивающее их в этом интервале времени, уменьшается до значения Um до нуля (фиг. За, б,, в, г). Для

контуров относительно входных напряжений UAC и UBC справедливо равенство:

и,о идс-ии -и,б ивс + и,2 + + и,4.(5)

Поскольку входное напряжение и.дв изме/о /О

няется в диапазоне Urn UAB у U, а входное напряжение UBC увеличивается от нуля до значения U™ (фиг. За), то

напряжение на нагрузке увеличивается от минимального значения до максимального (фиг. Зд, ). Ток в нагрузке 10 равен сумме токов li и Ii2 (фиг. Зе, ж).

В момент времени t ta напряжение UAB становится равным нулю, а напряжение URC достигает величины напряжения UAC- Вентили 1-3 остаются открытыми. В контуре относительно входных клемм А и В напряжение UAB изменило полярность на противоположную (UBA) и увеличивается от нулевого значения до Um, поэтому на обмотках 11, 12, 14 и 16 падения напряжений также изменили полярность и увеличиваются от нулевых значений до каких-то промежуточных (фиг. 36, в, г, 1з t t4). Ток в нагрузке 10 определяется также суммарным током 111 и Ii2 (фиг. Зе, ж).

Магнитное состояние магнитопровода дросселя 8 определяется так же, как и в предшествующем интервале времени, током Ii2 через обмотку 12. Поскольку ток Iis равен нулю, а ток If2 продолжает увеличиваться, то рабочая точка индукции дросселя 8 перемещается от ta к какой-то промежуточной точке t4 (фиг. 4). Так как напряжение UBC

изменяется в диапазоне у Um

(фиг. Зв), а напряжение UAC уменьшается

F

от значения до нуля при увеличивающихся падениях напряжения Un, Ui2, UM и U|6, то напряжение Uio на нагрузке 10

носит падающий характер от максимального значения до минимального (фиг. Зд).

В момент времени t 14 напряжение UAC переходит через нулевое значение, а напряжение ивА-ДОСтигает величины напряжения UBC- Поэтому вентили 1 и 2 закрываются, а вентили 4 и 5 открываются при открытом вентиле 3. Ток через последовательно соединенные обмотки II и 16 прерывается, а через обмотки 13 и 15 ток увеличивается от нуле0 вого значения (фиг. Зе, з). Теперь ток в нагрузке 10 определяется токами 1:2 и Ьз.

В контуре, состоящем из обмоток 12-15 и их открытых вентилей 3 и 5 относительно входного напряжения UBC. обмотки 12 и 15 дросселя 8 оказываются соединенными по следовательно-согласно. Суммарная индуктивность дросселя 8 скачкообразно увеличивается, что вызывает скачкообразное увеличение падения напряжения Ui2 и Uin (фиг. Зв) и уменьщение падения напряжения

0 Ui3 и Ui4 на обмотках 13 и 14 дросселей 7 и 9 (фиг. 36, г).

Магнитное состояние дросселя 8 определяется алгебраической суммой намагничивающих сил обеих обмоток 12 и 15 и токов Ii2 и 1|5, протекающих в противоположных

5 направлениях относительно начальных выводов. При этом, поскольку увеличивающийся ток Ii2 много больще тока Ьз, то рабочая точка индукции дросселя- 8 перемещается от t4 к ts (фиг. 4).

В контуре относительно клемм В и С

напряжение UBC уменьщается от величины

2Um до нуля, поэтому напряжения Ui2,

Ui3, Ui4 и Ui5 на обмотках 12-15 также

уменьшаются до нулевого значения (фиг. 36,

в, г, ). Входное напряжение UBA

5 изменяется в малых пределах -|-Um UBA

-u-Urrj (фиг. Зв), а напряжение UCA увеличивается от нулевого значения до величины Um- поэтому при уменьшающихся значениях падения напряжения на обмотках 12--15 напряжение Uio на нагрузке имеет возрастающий характер от минимального до мак- 5 симального значения (фиг. Зд, ).

В момент времени t ts напряжения UBC становится равным нулю (фиг. За), а напряжение UCA достигает величины напряжения UBA- Вентили 3-5 остаются открытыми. Q В контуре относительно входных клемм В и С напряжение UBC изменило полярность на противоположную (Uce ) и увеличивается

от нулевого значения до U,,,, поэтому на

обмотках 12-15 напряжения также изме- 5 нили полярность и увеличиваются от нуля до каких-то промежуточных значений (фиг. 36, в, г, ). Ток.в нагрузке 10 равен сумме токов 1:2 и Ьз (фиг. Зж, з).

Магнитное состояние дросселя 8 определяется алгебраической суммой намагничивающих сил обеих обмоток 12 и 15 и токов Ii2 и Ьз, протекающих в противоположных направлениях. При этом, поскольку ток Ii2 уменьшается от максимального значения до нуля, а ток 115 продолжает увеличиваться (фиг. Зж, з), рабочая точка индукции дросселя 8 перемещается от 15 к 1б (фиг. 4),

В момент времени t te (фиг. Зж), когда противоположно направленные токи Ii2 и Iis дросселя 8 становятся равными, суммарная на ;агничивающая сила равна нулю и магнитное состояние дросселя 8 будет характеризоваться на петле гистерезиса точкой te (фиг. 4).

В соответствии с характером изменения напряжения UBA и напряжений на обмотках 12-15 (фиг. За, б, а, г), напряжение на нагрузке 10 имеет падающий характер от максимального значения до минимального (фиг. Зд).

В момент времени t te напряжение UBA проходит через нулевое значение, а напряжение UCB становится равным напряжению UCA- Вентили 3 и 4 закрываются, а вентили 1 и 6 открываются при открытом вентиле 5. Ток через последовательно соединенные обмотки 12 и 14. прерывается, а через обмотки 11 и 16 ток увеличивается от нулевого значения. Ток в нагрузке 10 равен сумме токов In и Ьз. В контуре, состоящем из обмоток 11, 13, 15, 16 и открытых вентилей 1 и 5 относительно входного,напряжения UCA, обмотки 13 и 16 дросселя 9 оказываются соединенными последовательно- согласно. Суммарная индуктивность дросселя 9 скачкообразно увеличивается, что предопределяет увеличение падения напряжений Ui3 и Ui6 на его обмотках 13 и 16 и уменьще- ние на такую же величину напряжений Un и Ui5 дросселей 7 и 8 (фиг. 36, в, г, t te).

Магнитное состояние дросселя 8 определяется намагничивающей силой обмотки 15 (током Ьз), поскольку ток равен нулю. Рабочая точка индукции на петле гистерезиса характеризуется положением te (фиг. 4).

В интервале времени открыты вентили 1, 5 и 6. Напряжение UCA уменьшается от величины -|-Um до нуля, что предопределяет уменьшение напряжений на обмотках 11, 13, 15 и 16 дросселей 7-9 также до нуля (фиг. 36; в, г). В соответствии с характером изменения напряжения UAB и падений напряжений на обмотках 11 и 16 напряжение Uio на нагрузке 10 увеличивается от минимального значения до максимального (фиг. Зд):

и,п UCB - и,., - и,5 UAB + Uii +

fUi.(6)

()C состояние дросселя 8 характеризуется перемещением рабочей точки. индукции на петле гистерезиса от te к t (фиг. 4).

Далее процессы в схеме повторяются.

Из приведенного анализа процессов следует, что дроссели 7-9 эквивалентны по режиму работы дросселям переменного на- пряжения, у которых перемагничивание происходит практически по симметричной петле гистерезиса поскольку: а) отсутствует постоянная составляющая тока намагничивания, так как токи через обмотки равны по величине и протекают в противоположных направлениях относительно начал (концов) обмоток; б) амплитудные значения положительной и отрицательной полуволн эквивалентного переменного намагничивающего тока отличаются не более 10%.

Теоретический анализ электромагнитных процессов в схеме и результаты эксперимента показывают, что, например, для интервала времени в соответствии с диаграммами напряжений и токов по фиг. 36-ж и цикличности перемагничивания дросселей по фиг. 4 при пренебрежении падениями напряжений на вентилях 1-6 соотнощения напряжений на обмотках дросселей 7-9 имеют следующие значения (в мгновенных значениях):

,6

,e

U,,6

(7)

Из (2) с учетом (7) для мгновенных значе- .. НИИ при ti t tg: °UAc 3U,6(8)

для амплитудных значений при t t2:

и

16(m)

4-UAc 4-U«sin60°

0,29U™(9)

гдеи|бОл),ит - амплитудное значение напряжения на дросселе и входного линейного напряжения соответственно. Напряжение на нагрузке 10: - максимальное значение при t tr в соответствии с фиг. 36-д:

UlO(MaKc) 2

-минимальное значение при t t2 из (1), (7), (9):

и,0(„„,„ UAB - UM - и,е U

1о

0,48U;«

-среднее значение в интервале времени ti t t2 с учетом (3), (7), (9) и синусоидального характера кривых напряжений на обмотках 13 и 15:

60°М

Uo SU«sinadot-f : Unmsinad +

55

+ |-rU,5.sinada .

12л

0,708и„.

Формула изобретения

1. Трехфазный преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий две группы вентилей, причем одни выводы вентилей первой группы соединены с разноименными соответствующими выводами вентилей второй группы и образуют входные выводы, другие выводы вентилей первой группы объединены и образуют первый выходной вывод, а свободные выводы вентилей второй группы подключены к соответствующим выводам первых обмоток дросселей, отличающийся тем, что, с целью улучшения энергетических характеристик, дроссели выполнены двухобмоточными,при этом свободный вывод первой обмотки каждого из дросселей подключен к одному выводу второй обмотки дросселя смежной фазы при последовательно-встречном их включении, а свободные выводы вторых обмоток дросселей объединены, образуя вторьй выходной вывод.

2. Трехфазный преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий две группы вентилей, анодную и катодную, причем объединенные аноды анодной группы образуют первый выходной вывод, а каждый из катодов образует соответствующий входной вывод, а также дроссели,

отличающийся тем, что, с целью улучшения энергетических характеристик, дроссели выполнены двухобмоточными, причем первая обмотка каждого из дросселей соединена последовательно-встречно с второй обмоткой дросселя смежной фазы, обе указанные обмотки включены между катодом анодной и анодом катодной групп вентилей, а второй выходной вывод образован объединенными катодами катодной группы.

Изобретение относится к устройствам электропитания с бестрансформаторным входом для электро- и радиотехнической аппаратуры. Цель изобретения - улучшение энергетических характеристик. Преобразователь содержит вентили 1-6, образующие анодную и катодную группы, и двухобмо- точные дроссели 7-9. Одни выводы венти0 А9 д лей 2, 4, 6 первой группы соединены с разноименными выводами вентилей 1, 3, 5 второй группы и с входными выводами. Другие выводы вентилей 2, 4, 6 объединены и образуют первый выходной вывод 18. Свободные выводы вентилей 1, 3, 5 соединены с первыми обмотками 11 -13 дросселей 7-9. Свободный вывод первой обмотки каждого дросселя подключен к одному выводу второй обмотки дросселя смежной фазы при последовательно-встречном их включении. Свободные выводы вторых обмоток 14-16 дросселей объединены и образуют второй выходной вывод 17. Использование двухобмоточных дросселей и указанное их соединение обеспечивают получение режима работы, при котором перемагничивание дросселей происходит практически по симметричной петле гистерезиса. За счет этого улучшаются энергетические характеристики. 2 с. п. ф-лы, 4 ил. 9 С л / V V xz го ю со со 1C 05 Фиг. f