Преобразователь переменного напряжения в постоянное с 18-кратной частотой пульсации
Владельцы патента RU 2340998:
Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования Новосибирский Государственный Технический Университет (RU)
Преобразователь переменного напряжения в постоянное с 18-кратной частотой пульсации может найти применение для питания потребителей постоянного тока. Преобразователь содержит трехфазный трансформатор (1) с тремя идентичными группами вторичных обмоток, соединенных в каждой группе по схемам звезды и обратной звезды, объединенных нулевыми точками О, О' и О" в шестифазные звезды и тридцать вентилей (2...31). Числа витков в соответствующих синфазных частях обмоток шестифазных звезд равны и отношение чисел витков обмоток звезд к числам витков обмоток обратных звезд составляет Из двенадцати вентилей устройства сформированы два шестивентильных кольца, одно из вентилей (6, 11, 16, 21, 26, 30), второе из вентилей (7, 12, 17, 22, 27, 31). Вентили в каждом кольце соединены последовательно, катодами, образующими выходы колец, и анодами, образующими входы колец. Из шести вентилей сформированы две обратные трехвентильные звезды, анодная из вентилей (2, 15, 25) и катодная из вентилей (5, 10, 20). Общие точки трехвентильных звезд образуют выходные выводы устройства (32) и (33) к которым подключена нагрузка (34). Выводы обмоток звезды первой группы обмоток соединены с входами первого шестивентильного кольца, выходы которого соединены с выводами обмоток звезды второй группы обмоток, которые также соединены с входами второго шестивентильного кольца, выходы которого соединены с выводами обмоток звезды третьей группы обмоток. Каждый вход шестивентильных колец, соединенный с выводом обмотки звезды, расположенной на одном из стержней трансформатора, соединен парой вентилей, образующих данный вход, с выводами обмоток другой смежной звезды, расположенных на двух других стержнях трансформатора. Выводы обмоток звезды первой группы обмоток а, в, с соединены вентилями (3, 13, 23) с выводами х', у', z' обмотки обратной звезды второй группы обмоток и с катодами вентилей (15, 25, 32) первой трехвентильной звезды. Выводы х, у, z обмоток обратной звезды первой группы обмоток соединены вентилями (18, 28, 8) с выводами а', в', с' обмоток звезды второй группы обмоток, каждый из которых соединен, соответственно, вентилем (4, 14, 24) с выводами х", у", z" обмотки обратной звезды третьей группы обмоток. Каждый вывод х', у', z' обмоток обратной звезды второй группы обмоток соединен вентилями (19, 29, 9) с выводами а", в", с" обмотки звезды третьей группы обмоток и с катодами вентилей (5, 10, 20) второй трехвентильной звезды. Все вентили преобразователя включены однонаправлено. Предлагаемый преобразователь переменного напряжения в постоянное с 18-кратной частотой пульсации обеспечивает технический результат - более высокое качество преобразования электроэнергии. 3 ил.
Изобретение относится к области преобразовательной техники и может найти применение для питания потребителей постоянного тока.
Известны преобразователи переменного напряжения в постоянное с 18-кратной частотой пульсации, в которых многофазные системы напряжений образованы путем замкнутого или комбинированного построения вторичных обмоток, гальванически связанных между собой (а.с. SU №748728, МПК Н02М 7/06, опубл. 15.07.1980, бюл. №26; а.с. SU №930533, МПК Н02М 7/06, опубл. 23.05.1982, бюл. №19).
Недостатком данных преобразователей является технологическая сложность изготовления и размещения катушек вторичных обмоток, связанная с необходимостью выполнения большого числа узловых соединений между обмотками и отпаек от обмоток, и необходимостью соблюдения требований по допустимой величине конструктивной несимметрии, особенно трудно выполнимых при малом числе витков в частях обмоток и при трех значениях чисел витков.
Известны преобразователи переменного напряжения в постоянное с 18-кратной частотой пульсации, содержащие один или три трехфазных трансформатора с вторичными обмотками, образующими три автономные группы обмоток и три мостовых вентильных блока, соединенные со стороны выпрямленного напряжения последовательно (Шляпошников Б.М. Игнитронные выпрямители. - М.: Трансжелдориздат.1947; Размадзе Ш.М. Преобразовательные схемы и системы. - М.: Высшая школа, 1967).
Данные преобразователи также сложны в изготовлении из-за относительно большого числа узловых соединений между обмотками, трудности их размещения в окне магнитопровода и соблюдения требований конструктивной симметрии. Преобразователи имеют повышенную мощность потерь в шести вентильных плечах, последовательно обтекаемых током нагрузки.
Наиболее близким к изобретению, принятым за прототип, является преобразователь переменного напряжения в постоянное с 18-кратной частотой пульсации (а.с. SU №959238, МПК Н02М 7/06, опубл. 15.09.1982, бюл. №34), содержащий восемнадцать вентилей и трехфазный трансформатор с тремя группами вторичных обмоток, одна из которых соединена в шестилучевую звезду, а вторая и третья образуют две звезды, фазные обмотки которых имеют одинаковое число витков, приняв которое за относительную единицу, определяются относительные числа витков фазных обмоток звезды и обратной звезды, входящих в шестилучевую звезду, равные, соответственно, 2 cos 20° и 2 cos 40°. Выводы вторичных фазных обмоток трансформатора соединены соответствующим образом с выпрямительным блоком, а нулевые точки двух групп обмоток, соединенных по схемам звезды, образуют выходные выводы преобразователя.
Недостатком данного преобразователя является относительно невысокое качество преобразования электроэнергии, что связано с трудностью обеспечения равенства электромагнитных условий для вторичных обмоток, выполненных с тремя значениями чисел их витков.
Задача изобретения - создание преобразователя переменного напряжения в постоянное с 18-кратной частотой пульсации, имеющего более высокое качество преобразования электроэнергии.
Указанная задача достигается тем, что преобразователь переменного напряжения в постоянное с 18-кратной частотой пульсации, содержащий восемнадцать вентилей и трехфазный трансформатор с тремя группами вторичных обмоток, одна из которых соединена в шестилучевую звезду, а вторая и третья образуют две звезды, снабжен двумя дополнительными группами вторичных фазных обмоток, каждая дополнительная группа выполнена по схеме обратной звезды, и двенадцатью дополнительными вентилями, причем из вентилей устройства сформированы два шестивентильных кольца, вентили в каждом из которых соединены последовательно, катодами, образующими выходы колец, и анодами, образующими входы колец, и две обратные трехвентильные звезды (анодная и катодная), при этом нулевая точка каждой из звезд второй и третьей групп вторичных фазных обмоток соединена с нулевой точкой одной из обратных звезд дополнительных групп обмоток, а в образовавшихся при этом трех шестифазных звездах числа витков соответствующих синфазных частей обмоток равны и отношение чисел витков обмоток звезд к числам витков обмоток обратных звезд составляет выводы обмоток звезды первой группы обмоток соединены с входами (выходами) одного шестивентильного кольца, выходы (входы) которого соединены с выводами обмоток звезды второй группы обмоток, которые также соединены с входами (выходами) второго шестивентильного кольца, выходы (входы) которого соединены с выводами обмоток звезды третьей группы обмоток, причем каждый вход (выход) шестивентильных колец, соединенный с выводом обмотки звезды, расположенной на одном из стержней трансформатора, соединен парой вентилей, образующих данный вход (выход), с выводами обмоток другой смежной звезды, расположенных на двух других стержнях трансформатора, при этом каждый фазный вывод обмоток звезды первой группы обмоток соединен незадействованным вентилем с противофазным выводом обмотки обратной звезды второй группы обмоток и с одним из свободных электродов вентилей одной из трехвентильных звезд, а каждый фазный вывод обмоток обратной звезды первой группы обмоток соединен незадействованным вентилем с противофазным выводом обмотки звезды второй группы обмоток, каждый фазный вывод обмоток звезды второй группы обмоток соединен незадействованным вентилем с противофазным выводом обмотки обратной звезды третьей группы обмоток, а каждый фазный вывод обмоток обратной звезды второй группы обмоток соединен незадействованным вентилем с противофазным выводом обмотки звезды третьей группы обмоток и с одним из свободных электродов вентилей второй трехвентильной звезды, причем все вентили преобразователя включены однонаправлено, а общие точки трехвентильных звезд образуют выходные выводы устройства.
На Фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого преобразователя; на Фиг.2 - векторные диаграммы напряжений, представленные в виде амплитудно-фазовых портретов напряжений фазных обмоток, и развернутые векторные диаграммы, поясняющие принцип формирования векторов результирующих напряжений; на Фиг.3 - схема работы обмоток и вентилей преобразователя.
Преобразователь содержит трехфазный трансформатор 1 с тремя идентичными группами вторичных обмоток, соединенных в каждой группе по схемам звезды и обратной звезды, объединенных нулевыми точками О, О' и О" в шестифазные звезды и тридцать вентилей 2...31. Числа витков в соответствующих синфазных частях обмоток шестифазных звезд равны и отношение чисел витков обмоток звезд к числам витков обмоток обратных звезд составляет 
Из двенадцати вентилей устройства сформированы два шестивентильных кольца, одно из вентилей 6, 11, 16, 21, 26, 30, второе из вентилей 7, 12, 17, 22, 27, 31. Вентили в каждом кольце соединены последовательно, катодами, образующими выходы колец, и анодами, образующими входы колец. Из шести вентилей сформированы две обратные трехвентильные звезды, анодная из вентилей 2, 15, 25 и катодная из вентилей 5, 10, 20. Общие точки трехвентильных звезд образуют выходные выводы устройства 32 и 33, к которым подключена нагрузка 34. Выводы обмоток звезды первой группы обмоток соединены с входами первого шестивентильного кольца, выходы которого соединены с выводами обмоток звезды второй группы обмоток, которые также соединены с входами второго шестивентильного кольца, выходы которого соединены с выводами обмоток звезды третьей группы обмоток. Каждый вход шестивентильных колец, соединенный с выводом обмотки звезды, расположенной на одном из стержней трансформатора, соединен парой вентилей, образующих данный вход, с выводами обмоток другой смежной звезды, расположенных на двух других стержнях трансформатора. Выводы обмоток звезды первой группы обмоток а, в, с соединены вентилями 3, 13, 23 с выводами х', у', z' обмотки обратной звезды второй группы обмоток и с катодами вентилей 15, 25, 32 первой трехвентильной звезды. Выводы х, у, z обмоток обратной звезды первой группы обмоток соединены вентилями 18, 28, 8 с выводами а', в', с' обмоток звезды второй группы обмоток, каждый из которых соединен, соответственно, вентилями 4, 14, 24 с выводами х", у", z" обмотки обратной звезды третьей группы обмоток. Каждый вывод х', у', z' обмоток обратной звезды второй группы обмоток соединен вентилями 19, 29, 9 с выводами а", в", с" обмотки звезды третьей группы обмоток и с катодами вентилей 5, 10, 20 второй трехвентильной звезды. Все вентили преобразователя включены однонаправлено.
Принцип работы преобразователя иллюстрируется векторными диаграммами напряжений, представленными в виде амплитудно-фазовых портретов напряжений фазных обмоток, составляющих три шестифазные системы напряжений групп вторичных обмоток, и развернутыми на фазовой плоскости векторными диаграммами, поясняющими принцип формирования результирующих напряжений, представленных векторами S1...S18 (Фиг.2).
Формирование 18-пульсного выпрямленного напряжения на нагрузке происходит в соответствии с векторными диаграммами, которые на Фиг.2 совмещены с текущими композициями фазовых портретов напряжений вторичных обмоток. Так, вектор результирующего напряжения 57 является суммой векторов фазных напряжений -Uco; Uoa; -Ux'o'; Uo'a';- Ux"o"; Uo"a" вторичных обмоток трансформатора. Аналогично за период формируются остальные семнадцать векторов результирующих напряжений.
Схема работы обмоток и вентилей (Фиг.3), полученная из анализа диаграмм на Фиг.2, позволяет определить, что обмотки, образующие звезды в крайних группах обмоток, работают 200 эл. град., в средней группе - 160 эл. град. Обмотки, образующие обратные звезды в крайних группах обмоток, работают 40 эл. град., а в средней группе - 80 эл. град. Вентили анодной и катодной трехвентильных звезд имеют угол проводимости 120 эл. град. Вентили шестивентильных колец проводят ток 20 эл. град., остальные вентили - 40 эл. град. Ток нагрузки обтекает последовательно четыре вентиля. Порядок вступления вентилей 2...31 в работу отражен в их нумерации на схеме Фиг.1.
Исходя из построения диаграмм формирования векторов результирующих напряжений (Фиг.2), определено максимальное значение выпрямленного напряжения при идеальной коммутации и, соответственно, среднее его значение. Приняв за относительную единицу (о.е.) амплитуду напряжения на вторичной фазной обмотке, имеющей наибольшее число витков, получено среднее значение выпрямленного напряжения Udo=5,17 о.е.
По результатам анализа работы обмоток определена полная мощность вторичных обмоток, составившая 1,266 Pd. Коэффициент установленной мощности трансформатора предлагаемого устройства равен 1,135. Аналогичные показатели у прототипа больше, так, мощность вторичных обмоток трансформатора прототипа составляет 1,338 Pd, а коэффициент установленной мощности трансформатора равен 1,172. Эти показатели предопределяют меньшие массогабаритные показатели трансформатора предлагаемого преобразователя.
Вторичные обмотки трансформатора преобразователя выполнены при двух значениях чисел витков, отличающихся на 18,5% (отношение чисел 1,0:0,815). Равенству электромагнитных условий для вторичных обмоток при их размещении в окне магнитопровода способствует применение идентичных синфазных обмоток во всех трех группах вторичных обмоток, что упрощает технологию выполнения, например, свитых обмоток. Вторичные обмотки трансформатора прототипа выполняются при трех значениях чисел витков (отношения чисел 1,0:0,532:0,815).
Таким образом, предлагаемый преобразователь переменного напряжения в постоянное с 18-кратной частотой пульсации по сравнению с прототипом имеет более высокое качество преобразования электроэнергии.
Преобразователь переменного напряжения в постоянное с 18-кратной частотой пульсации, содержащий восемнадцать вентилей и трехфазный трансформатор с тремя группами вторичных фазных обмоток, одна из групп соединена в шестилучевую звезду, а вторая и третья образуют две звезды, отличающийся тем, что он снабжен двумя дополнительными группами вторичных фазных обмоток, каждая дополнительная группа выполнена по схеме обратной звезды, и двенадцатью дополнительными вентилями, причем из вентилей устройства сформированы два шестивентильных кольца, вентили в каждом из которых соединены последовательно, катодами, образующими выходы колец, и анодами, образующими входы колец, и две обратные трехвентильные звезды (анодная и катодная), при этом нулевая точка каждой из звезд второй и третьей групп вторичных фазных обмоток соединена с нулевой точкой одной из обратных звезд дополнительных групп обмоток, а в образовавшихся при этом трех шестифазных звездах числа витков соответствующих синфазных частей обмоток равны и отношение чисел витков обмоток звезд к числам витков обмоток обратных звезд составляет 
выводы обмоток звезды первой группы обмоток соединены с входами (выходами) одного шестивентильного кольца, выходы (входы) которого соединены с выводами обмоток звезды второй группы обмоток, которые также соединены с входами (выходами) второго шестивентильного кольца, выходы (входы) которого соединены с выводами обмоток звезды третьей группы обмоток, причем каждый вход (выход) шестивентильных колец, соединенный с выводом обмотки звезды, расположенной на одном из стержней трансформатора, соединен парой вентилей, образующих данный вход (выход), с выводами обмоток другой смежной звезды, расположенных на двух других стержнях трансформатора, при этом каждый фазный вывод обмоток звезды первой группы обмоток соединен незадействованным вентилем с противофазным выводом обмотки обратной звезды второй группы обмоток и с одним из свободных электродов вентилей одной из трехвентильных звезд, а каждый фазный вывод обмоток обратной звезды первой группы обмоток соединен незадействованным вентилем с противофазным выводом обмотки звезды второй группы обмоток, каждый фазный вывод обмоток звезды второй группы обмоток соединен незадействованным вентилем с противофазным выводом обмотки обратной звезды третьей группы обмоток, а каждый фазный вывод обмоток обратной звезды второй группы обмоток соединен незадействованным вентилем с противофазным выводом обмотки звезды третьей группы обмоток и с одним из свободных электродов вентилей второй трехвентильной звезды, причем все вентили преобразователя включены однонаправлено, а общие точки трехвентильных звезд образуют выходные выводы устройства.
