Преобразователь переменного тока в постоянный

 

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для питания от источника переменного тока потребителей, которым свойственен режим эксплуатационного короткого замыкания. Цель изобретения улучшение формы кривой потребляемого из сети тока. Сущность изобретения: устройство содержит трансформатор 11 и выпрямитель 1, собранный на вентилях 2 7 по трехфазной мостовой схеме. Крайние выводы обмотки 13 соединены соответственно через дроссель 9 и конденсатор 8 с первой и второй диагональю переменного тока выпрямителя 1, а общая точка соединения двух обмоток через дроссель 10 с третьей диагональю выпрямителя 1. Применение дополнительного дросселя 10, включенного в третью диагональ переменного тока выпрямителя 1, позволяет выбрать параметры схемных элементов в соотношении, обеспечивающем уменьшение реактивной составляющей в потребляемом токе и колебаний напряжения сети. Увеличение индуктивности контуров тока, проходящих через конденсатор 8, приводит к снижению высших гармоник в потребляемом токе. 3 з. п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике и предназначено для питания от источника переменного тока потребителей, которым свойственен режим эксплуатационного короткого замыкания.

Цель изобретения улучшение формы кривой потребляемого из сети тока.

На фиг. 1 представлена схема однофазного преобразователя; на фиг. 2 векторная диаграмма для режима больших токов нагрузки; на фиг. 3 схема трехфазного преобразователя для низковольтных потребителей; на фиг. 4 то же, для высоковольтных потребителей; на фиг. 5 характеристики работы преобразователя при стабилизации выходного тока в области номинального режима.

Преобразователь (фиг. 1) содержит трехфазный выпрямительный мост 1, включающий вентили 2 7, конденсатор 8, основной и дополнительный дроссели 9, 10 и согласующий трансформатор 11, включающий первичную обмотку 12 и вторичную обмотку 13, которую ответвление разделяет на частичные обмотки 14 и 15. К выходу выпрямительного моста 1 подключен потребитель 16, к обмотке 12 однофазный источник 17 питания. Ответвление обмотки 13 соединено с одним входом моста 1 через дополнительный дроссель 10, а начало и конец обмотки 13 соединены с остальными входами моста 1 через конденсатор 8 и основной дроссель 9.

Преобразователь работает следующим образом.

От однофазного источника 17 питания через трансформатор 11 подается питание на вентили 2 и 5 через дроссель 9, на вентили 4 и 7 через конденсатор 8, на вентили 6 и 3 через дополнительный дроссель 10.

Сопротивление потребителя 16 изменяется в ходе работы от нуля (короткое замыкание) до бесконечности (обрыв цепи). С изменением сопротивления потребителя 16 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.

Свойства преобразователя объясняются тем, что выпрямительный мост 1 действует коммутатором, который в зависимости от величины нагрузки образует из реактивных элементов разные контуры тока. Возможно образование следующих шести контуров тока: 1) обмотка 14 дроссель 9 вентиль 2 нагрузка 16 вентиль 3 дроссель 10 обмотка 14; 2) обмотка 15 конденсатор 8 вентиль 4 нагрузка 16 вентиль 3 дроссель 10 обмотка 15; 3) обмотка 15 конденсатор 8 вентиль 4 нагрузка 16 вентиль 5 дроссель 9 обмотка 14 обмотка 15; 4) дроссель 9 обмотка 14 дроссель 10 вентиль 6 нагрузка 16 вентиль 5 дроссель 9; 5) конденсатор 8 обмотка 15 дроссель 10 вентиль 6 нагрузка 16 вентиль 7 конденсатор 8; 6) обмотка 14 дроссель 9 вентиль 2 нагрузка 16 вентиль 7 конденсатор 8 обмотка 15 обмотка 14.

В контурах 1 и 4 нагрузка получает питание через индуктивность, которая состоит из последовательно включенных дросселей 9 и 10; в контурах 2 и 5 через последовательно включенные емкость и индуктивность дополнительного дросселя 10. При этом питающее напряжение подается в эти контуры только одной части вторичной обмотки (от обмотки 14 или от обмотки 15).

В контурах 3 и 6 нагрузка получает полное напряжение вторичной обмотки 13 через последовательно соединенные емкость и индуктивность основного дросселя 9. В этих трех парах 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, а во втором полупериоде контуры 4 и 5 тока. Контуров 3 и 6 практически не образуется. Токи и напряжения в схеме до выпрямительного моста в первом режиме приблизительно синусоидальные, благодаря чему здесь можно пользоваться векторной диаграммой (фиг. 2). Индексы векторов токов, напряжений и ЭДС соответствуют обозначениям элементов на фиг. 1. Напряжения на входе выпрямительного моста обозначены , и . Падения напряжения на сопротивлениях эквивалентной индуктивности рассеяния обмоток 14 и 15 обозначены через и соответственно. Векторная диаграмма построена относительно ответвления обмотки 13 трансформатора. В этом случае при переходе от вторичной цепи к первичной векторы тока и напряжения обмотки 14 не изменяют своего направления, а те же векторы обмотки 15 изменяют свое направление на противоположное. Токи вторичной обмотки и , отнесенные к первичной обмотке обозначены и . Реактивные сопротивления дросселей 9 и 10 и конденсатора 8 выбраны при соблюдении условий X_C X_L + X_S, X_LД= (X_L+X_SL)· , где X_C емкостное сопротивление конденсатора 8; X_L индуктивное сопротивление дросселя 9;
X_S сопротивление индуктивности рассеяния между обмотками 12 и 13 трансформатора 11;
X_LД индуктивное сопротивление дополнительного дросселя 10;
X_SL эквивалентное сопротивление индуктивности рассеяния обмотки 14 трансформатора;
К коэффициент трансформации между частями вторичной обмотки, равный соотношению W₁₄/W₁₅, где W₁₄, W₁₅ числа витков обмоток 14 и 15 соответственно.

Соблюдение вышеприведенных условий обеспечивает приблизительный баланс реактивных мощностей в режиме короткого замыкания, т.е. реактивная мощность конденсатора 8 равна сумме реактивных мощностей дросселей 9 и 10 и полей рассеяния трансформатора 11. При этом ток в первичной обмотке 12 трансформатора 11 небольшой (при идеальных элементах равен нулю). Из векторной диаграммы видно, что в режиме короткого замыкания напряжение на дополнительном дросселе вызывает увеличение напряжения конденсатора и уменьшение напряжения основного дросселя . Чтобы это явление не нарушало бы баланса реактивных мощностей, число витков обмотки 14 увеличено, а обмотки 15 уменьшено (это осуществляется путем выбора коэффициента К в приведенных выражениях).

При работе в третьем режиме в одном полупериоде имеется контур 3 тока, во втором полупериоде контур 6 тока. Дополнительный дроссель 10 в этих контурах отсутствует и на работу преобразователя не влияет.

Во втором режиме каждый полупериод подразделяется на 4 интервала с разными контурами тока. Контуры тока в интервалах следующие: в первом интервале контуры 1 и 2 (4 и 5); во втором интервале контуры 2 и 3 (5 и 6); в третьем интервале контур 3 (6); в четвертом интервале 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 соответствуют контурам третьего режима. Это значит, что во втором режиме в одном полупериоде иногда имеется параллельное включение дросселя 9 и конденсатора 8, как в первом режиме, и последовательное включение, как в третьем режиме.

Переключение контуров тока вызывает на элементах схемы скачкообразное изменение напряжения, что в свою очередь искажает синусоидальность тока, который проходит через эти элементы. Скачки напряжения искажают ток тем больше, чем меньше индуктивность в этом контуре тока. Наименьшую индуктивность имеют контуры тока 2 и 5, которые проходят через конденсатор 8. Наличие в предлагаемом устройстве дополнительного дросселя 10 увеличивает индуктивность в этих контурах и тем самым снижает уровень высших гармоник в потребляемом токе.

В трехфазных преобразователях (фиг. 3 и 4) целесообразно выбирать индуктивность дополнительного дросселя 10 таким, что собственная резонансная частота контуров 2 и 5 была бы равной или несколько ниже частоты третьей гармоники тока (150 Гц). В этом случае скачки напряжения формируют в контурах 2 и 5 колебания тока с частотой третьей гармоники и в первичной обмотке 12 трансформатора третья гармоника тока увеличивается, а остальные гармоники уменьшаются. В трехфазных схемах, где первичные обмотки 12 трех фаз включены в треугольник, происходит взаимокомпенсация третьей гармоники, вследствие чего в потребляемом из сети токе третья гармоника практически отсутствует. Таким путем можно достигнуть того, что во всех режимах работы (от короткого замыкания до холостого хода) 5-я гармоника не выше 7% 7-я гармоника не выше 4% и остальные гармоники не выше 2% от первой гармоники номинального режима. В номинальном режиме содержание высших гармоник в потребляемом токе еще несколько ниже, коэффициент несинусоидальности составляет 6 7%
При необходимости стабилизирования выходного тока преобразователя дроссели 9 и 10 выполняют магнитно-связанными. Направление включения обмоток этих дросселей выбрано таким (фиг. 1), что взаимоиндукция увеличивает суммарную индуктивность в контурах 1 и 4. В первом режиме дроссель 10 нагружен током, который вызывает увеличение напряжения на дросселе 9. Это явление можно также трактовать как увеличение реактивного сопротивления дросселя 9 в этом режиме. В третьем режиме ток через дроссель 10 не проходит и падение напряжения на дросселе 9 вызвано только его собственным индуктивным сопротивлением. Таким образом, при переходе из I режима в III режим, т.е. в II режиме, реактивное сопротивление дросселя 9 падает. Это явление вызывает при увеличении сопротивления нагрузки увеличение тока I₉ через дроссель 9 (фиг. 5), а также увеличение потребляемого тока I₁₂ из сети в такой степени, что ток I₁₆ в нагрузке в этой части характеристики мало изменяется. Остальные токи на фиг. 5 обозначены соответственно номером элементов на фиг. 1.

Эффект стабилизации тока возникает, если коэффициент связи между дросселями 9 и 10 довольно большой (0,8 0,9) и если число витков дополнительного дросселя 10 составляет 40 80% от числа витков основного дросселя 9 (в случае применения для дросселей общего магнитопровода). Диапазон стабилизации выходного тока примерно ± 20% от номинального напряжения (при отклонении тока ± 3%).

Формула изобретения

1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО 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 выходными выводами для подключения однофазного источника переменного тока, расположенные на магнитопроводе и соединенные с выходными выводами две последовательно соединенные обмотки двумя крайними выводами подключены соответственно к дросселю и второй обкладке конденсатора, их общая точка соединения к третьей диагонали переменного тока, отличающийся тем, что указанная общая точка соединения двух обмоток подключена к указанной третьей диагонали переменного тока выпрямителя через дополнительно введенный дроссель.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что, с целью стабилизации выходного тока, дополнительный дроссель и основной дроссель выполнены магнитно-связанными.

3. Преобразователь по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что основной и дополнительный дроссели выполнены на общем магнитопроводе.

4. Преобразователь по пп.1 и 2, отличающийся тем, что дроссели выполнены в виде катушек с воздушным сердечником, причем основная катушка выполнена охватывающей дополнительную.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5