Преобразователь переменного напряжения в постоянное Советский патент 1980 года по МПК H02M7/06 

Изобретение относится к электротехнике и может преимущественно использоваться в устройствах для преобразования переменного напряжения в постоянное для питания нагрузки выпрямленным током. Известно устройство для питания нагрузки, содержащее трехфазный источник переменного- тока, подключенный через токоограничивающие зарядные элементы, например реактивные, к мостовому двухполупериодному выпрямителю, выполненному на шести вентилях по схеме Ларионова и подключенному своими выходными клемма ми через фильтр, например дроссель к нагрузке II. К недостаткам этого устройства следует отнести завышенные потери электрической энергии, рассеиваемой на омическом сопротивлении шести полупроводниковых элементов, что снижает КПД устройства, его удельные энергетические показатели при довольно узком диапазоне изменения напряжения на нагрузке, максимальн значение которого равно всего лишь амплитудному значению линейного ка пряжения трехфазного источника. Известно также устройство, содержащее трехфазный источник переменного тока, подключенный к двухполупериодному мостовому выпрямителю трехфазного питания, нагрузку и многообмоточный дроссель. Для улучшения коммутации вентилей обмотки многообмоточного дросселя включены в каждой фазе выпрямителя по две последовательно-согласно между вентилями анодной и катодной групп, при этом фазы источника присоединены к общим точкам этих обмоток t2J, Недостатком этого устройства является то, что в любой момент времени в цепи питания нагрузки включены два последовательно соединенных вентиля, что увеличивает рассеивание (потери) электрической энергии на их омических сопротивлениях. Кроме того, они имеют сравнительно небольшой диапазон изменения напряжения на нагрузке, :не превышающий амплитуду линейного напряжения источника. Наиболее близким кпредлага мпму устройству является преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий трехфазный, силовой трансформатор, первичная обмотка которого, подключена к источнику переменного тока, трехфазный мостовой выпрямитель, выполненный на трех тиристорах и трехфазном линейном дросселе, три обмотки которого соединены в звезду, причем соединенные между собой като;.ты. тиристоров образуют положительный, а нейтраль звезды - отрицательный выходные выводы, анод тиристора каждо фазы соединен с соответствующим выводом обмотки дросселя и их общая точка связана с соответствующей фазной вторичной обмоткой силового трансформатора, и блок контроля напряжения и управления тиристорами 3 .

Потери в вентилях (тиристорах) такого преобразователя по сравнению с описанными вьиие преобразователя-ми сокращены, однако уменьшено выпрямленное напряжение, максимальное эначение которого достигает всего Лишь половины амплитуды линейного напряжения, что существенно ограничивает область применения таких устройств в системах электроснабжения, содержащих в качестве источника Электрической энергии переменного тока низковольтные источники, Напряжение на выходе двухполупериоджзго мостового выпрямителя можно увеличить, если полуобмотки линейного дросселя включить по автотрансформаторной схеме на повьпиение напрял ения. В этом случае коэффициент трансформации К„,р не должен превышать величину, равную двум, поскольку при увеличении К выше двух начинает резко уменьшаться использование меди полуобмоток, а также стали линейного дросселя, а следовательно, увеличивается масса и габариты дросселя, что приводит к ухудшению коэффициента использования мощности источника и удельных энергетических показателей устройства в целом.

Цель изобретения - расширение диапазона регулирования выходного напряжения и улучшение удельных эьшргетических показателей.

Это достигается тем, что указанная общая точка связана с соответствующей фазной вторичной обмоткой силового трансформатора через емкостное токоограничивающее сопротивление, например-конденсатор, причем величина этого сопротивления на частоте источника переменного тока равна по абсолютной величине индуктивному сопротивлению обмотки дросселя, включенной в данную .фазу..

Такое схемное решение позволяет в рабочем диапазоне преобразователя увеличить напряжение на обмотках трехфазного линейного дросселя до величины в 10-20 и более раз превышающей амплитудное значение линейного напряжения трехфазного источника переменного тока, что обеспечивает хорошую работоспособность преобразователя при питании нагрузки, номинальное напряжение на которой превышает амплитудное в 5-10 и более раз. Кроме того, такое схемное решение позволяет при заданном постоянном номинальном напряжении на нагрузкеиспользовать трехфазный источник переменного тока с более низким номинальным напряжением, а, следовательно, использовать трехфазный источник с меньшей установленной (габаритной) мощностью, т.е. за счет этого уменьшить массу и габариты преобразователя в целом и улучшить его удельные энергетические показатели.

На фкг. 1 представлена принципиальная электрическая схема предлагаемого преобразователя; на фиг.2 - один из вариантов преобразователя; на фиг. 3 - схема однофазного варианта устройства.

Устройство содержит трехфазный источник 1 перемекного тока (трансформатор) , трехфазный двухполупериодный мостовой выпpя итeль, выполненный на трех тиристорах 2, 3 и 4, трех конденсаторах 5, 6 и 7 и трехфазном линейном дросселе 3, три обмотки 9, 10 и 11 которого соединены между собой в трехлучевую звезду, нагрузку 12 и блок 13 конт,роля напряжения и управления тиристораг.да. Катоды тиристоров 2, 3 и 4 соединены между собой и образуют положительный 14, а нейтраль звездда - отрицательный 15 выходные выводы. Точки соединения крайних выводо обмоток 9, 10 и 11 и анодов тиристоров 2, 3 и 4 подключены через конденсаторы 5, 6 и 7 к соответствующим трем входным клеммам 16, 17 и 18 выпрямителя.

Один из вариантов предложенного преобразователя отличается тем, что каждая обмотка трехфазного линейного дросселя снабмсена отводом от части ее витков, причем отводы через конденсаторы подключены к входным выводам выпрямителя. Это позволяет использовать обмотки линейного дросселя не только в качестве токоограничивающих индуктивных сопротивлений, но и передавать энергию от источника переменного тока в нагрузку одновременно электрическим и электромагнитным способами, что снижает вес и габариты дросселя, а, следовательно, и всего преобразователя в целом.

Устройство работает следующим образом.

Предположим, что система управления тиристорами 2, 3 и 4 обеспечивает их постоянное открытие, и последние работают как обычные неуправляемые вентили-диоды. Пусть мгновенное значение напряжения, например первой фазы, И положительного и по величине больше мгновенных значений напряжений двух других фаз, соответственно и Цй, в течение промежутка времени от t О до1-М5 , соответствующего углу, равному 120 эл. град, то есть 120 эл. град. Это означает, что к аноду тиристора 2, присоединенного к первой фазе через конденсатор 5, приложен самый большой положительный потенциал, поэтому в течение этого промежутка времени тиристор 2 открыт и через него осуществляется питание нагрузки 12.Ток в нагрузку течет по цепи: клемма 16 конденсатор 5, тиристор 2, нагрузка 12, параллельные ветви из обмоток 10, 11, конденсаторов 6 и 7, и вторичных обмоток второй и третьей фаз трансформатора 1. В течение следующего промежутка времени ДО , соответствующего также 120 эл.град, мгновенное значение напряжения второй фазы U, положително и по величине больше мгновенных значений фазных напряжений У вК аноду тиристора 3 в этом случае приложен самый большой положительный потенциал. Тиристор 3 откроется и ток в нагрузку 12 течет по цепи: клемма 17, конденсатор б, тиристор 3, нагрузка 12, параллельные ветви из обмоток 9, 11 конденсаторов 5 и 7, и вторичных обмоток первой и третьей фаз трансформатора 1. В течение промежутка времени t t , соответствующего 120 эл.град. мгновенное значение напряжения третьей фазы и g положительно и по величине больше мгновенных значений фазных напряжений и U;. К аноду тиристора 4 приложен наибо 1ьший положительный потенциал. Тиристор 4 откроется и ток в нагрузку 12 течет по цепи: клемма 18, конденсатор 7, тиристор 4, нагрузка 12, параллельные ветви из обмоток 9,10, конденсаторов 5, 6 и вторичных обмоток первой и второй фаз трансфорMatopa 1. Далее процессы в системе периодически повторяются. Конденсаторы 5, 6 и 7 и линейный дроссель 8 совместно с источником 1 при отключенной нагрузке образуют последовательные р , L , С контура, омические сопротивления которых определяются суммарным значением, складывающимися из внутреннего сопротивления фазных обмоток источника.1, из омических сопротивлений конденсаторов 5, б и 7 и омических сопротивлений обмоток 9, 10 и 11 трехфазного линейного дросселя 8. При равенстве между собой сопротивлений

реактивных элементов этих контуров на частоте источника имеет место последовательный резонанс напряжений, при котором мгновенные значения напряжений на конденсаторах Uc и на им соответствующих обмотках дросселя l,L. равны по величине и противоположны по фазе, при этом максимальное значение напряжения на каждом из указанных элементов Bi/2Q раз превышает амплитудное значение напряжения Е источника переменного тока, то есть

--U. -iq-E.

и

m

cm Lm

где Q - добротность контура, опре5деляемая как от,ношение волнового сопротивления р- fb к активному сопротивлению р этого контура. Доб ротность контура Q по величи-не следует выбирать в диапазоне от 5 до

0 50 в зависимости от требуемого значения напряжения на нагрузке. Ти- .А ристоры 2, 3 и 4 позволяют регулировать величину выпрямленного напряжения изменением угла их открытия,

5 осуществляемым подачей импульсов на управляющие электроды тиристоров с блока контроля напряжения и управления тиристорами.

Таким образом, предложенный преобразователь переменного -напряже0ния в постоянное повышенной величины позволяет Б 5-10 и более раз увеличить регулирования выпрямленного напряжения в сторону увеличения его максимального значения, а

5 также уменьшить массу и габариты трехфазного источника (например генератора) переменного тока, что в целом существенно улучшает удельные энергетические показатели пре0образователя, играющие определяющую роль при разработке преобразовате- лей, использующихся в автономных системах электроснабжения.

Формула изобретения

Преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий трехфазный силовой трансформатор, первичная обмотка которого подключена к источнику переменного тока, трехфазный мостовой выпрямитель, выполненный на трех тиристорах и трехфазном линейном дросселе, три обмотки которого соединены в звезду, причем соединенные между собой катоды тиристоров образуют положительный, а нейтраль звезды - отрицательный выходные выводы, .анод тиристора каждой фазы соединен с соответствующим выводом обмотки дросселя и их общая точка связана с соответствующей фазной, вторичной обмоткой силового трансформатора,и блок контроля напряжения и управления тирис