Четырехпульсный преобразователь
Владельцы патента RU 2456737:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВПО МГТУ "СТАНКИН") (RU)
Предлагаемое изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при создании регулируемых электроприводов постоянного тока, не предъявляющих повышенных требований к их быстродействию, а также для питания различных электротехнических установок, не предъявляющих повышенных требований к пульсации выпрямленного напряжения. Четырехпульсный преобразователь может работать в двух режимах: в режиме выпрямителя и в режиме инвертора. Работа в режиме неуправляемого выпрямителя при использовании в качестве вентилей полупроводниковых диодов происходит следующим образом: всегда работают два вентиля - один из двух вентилей катодной группы, потенциал на аноде которого наибольший, и один из двух вентилей анодной группы, потенциал на катоде которого наименьший. Поэтому среднее значение тока, протекающего через вентиль, равно одной второй части среднего значения тока нагрузки. Каждый вентиль за период включается один раз. Работают одновременно два вентиля - один из анодной группы, другой - из катодной группы. Среднее значение прямого тока вентиля, а также потери напряжения и мощности в вентилях аналогичны прототипу. Технический результат - уменьшение пульсаций выпрямленного напряжения и равномерное распределение однофазной нагрузки по фазам питающей сети. 2 ил., 1 табл.
Предлагаемое изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при создании источников постоянного тока сравнительно небольшой стоимости для питания различных электротехнических устройств, не предъявляющих повышенных требований к величине пульсаций выпрямленного напряжения, быстродействию при регулировании напряжения, а также к гармоническому составу кривой тока на стороне переменного тока.
Наиболее близким решением из уровня техники к предлагаемому является преобразователь, содержащий однофазный трансформатор с первичной и вторичной обмоткой и четыре вентиля, вкюченных по схеме однофазного моста. ("Основы промышленной электроники" под ред. В.Г.Герасимова. М.: «Высшая школа», 1978, рис.8.3, а, стр.179).
Недостатком известного преобразователя является тот факт, что при четырех вентилях он дает на выходе двухфазную пульсацию с амплитудой равной половине амплитуды переменного напряжения на входе выпрямителя и частотой пульсации вдвое большей частоты входного напряжения.
Технической задачей заявленного решения является обеспечение при том же числе вентилей уменьшения вдвое величины амплитуды пульсации выпрямленного напряжения и увеличения вдвое частоты пульсации выпрямленного напряжения, что влечет за собой уменьшение напряжения на входе выпрямителя при заданной величине выпрямленного напряжения и, следовательно, уменьшение мощности согласующего трансформатора, а также мощности сглаживающего фильтра, его веса, стоимости и потерь энергии в нем при работе преобразователя, что в конечном итоге позволяет повысить КПД преобразователя, а также снизить его габариты, вес и стоимость. Кроме того, предлагаемый преобразователь более равномерно распределяет однофазную нагрузку по всем трем фазам и обладает более высоким быстродействием в управляемых выпрямителях.
Поставленная задача решается посредством того, что в четырехпульсном преобразователе, содержащем трехфазный трансформатор с двойным комплектом вторичных обмоток и четыре вентиля, согласно изобретению вторичные обмотки всех фаз трансформатора соединены в один контур в виде « шестиугольника» таким образом, что напряжения между вершинами «шестиугольника» образуют шестифазную систему напряжений, а вентили соединены в две группы по два вентиля в каждой - анодную и катодную, при этом в анодной группе вентилей аноды соединены в один узел, представляющий собой один полюс на стороне постоянного тока, а в катодной группе вентилей катоды соединены в один узел, представляющий другой полюс на стороне постоянного тока, причем вентили анодной группы своими катодами соединены с противоположными вершинами «шестиугольника» вторичных обмоток, каждый со своей вершиной, а вентили катодной группы своими анодами подсоединены к средним точкам катушек фаз вторичных обмоток трансформатора, каждый к своей катушке, не связанной с узлами «шестиугольника», к которым подсоединены вентили катодной группы.
Предлагаемое изобретение поясняется графическими материалами, где
- на фиг.1 представлена схема четырехпульсного преобразователя напряжения;
- на фиг.2 - векторная диаграмма потенциалов на вентилях.
Четырехпульсный преобразователь Сучкова состоит из трехфазного трансформатора, имеющего три катушки 1, 2, 3 первичной обмотки, соединенных по схеме «звезда» и подключаемых к фазам сети 1, 2, 3, и соединенных между собой шести катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичных обмоток и соединенных с вентилями преобразователя. Одноименные зажимы (начала) всех катушек помечены знаком «звездочка» (*). При этом начало катушки 4 вторичной обмотки соединено с началом катушки 9 вторичной обмотки, конец катушки 9 вторичной обмотки - с концом катушки 6 вторичной обмотки, начало катушки 6 вторичной обмотки - с началом катушки 5 вторичной обмотки, конец катушки 5 вторичной обмотки - с концом катушки 8 вторичной обмотки, начало катушки 8 вторичной обмотки - с началом катушки 7 вторичной обмотки, конец катушки 7 вторичной обмотки - с концом катушки 4 вторичной обмотки, замыкая контур катушек вторичных обмоток. Каждая катушка вторичных обмоток трансформатора является стороной «шестиугольника». Вентили 10 и 11 катодной группы своими анодами подсоединены к отпайкам от половины витков катушек 4 и 5 вторичных обмоток трансформатора. Вентили 12 и 13 анодной группы преобразователя своими катодами подсоединены один к узлу, связывающему концы катушек 6 и 9, и другой - к узлу, связывающему начала катушек 7 и 8 вторичных обмоток трансформатора.
На векторной диаграмме представлены векторы потенциалов на анодах вентилей катодной группы и на катодах вентилей анодной группы относительно центра «шестиугольника» - точки О, потенциал которой принят равным нулю и потенциалы узлов «шестиугольника»: узла 12, связывающего концы катушек 6 и 9; узла 13, связывающего начала катушек 7 и 8; узла 14, связывающего начала катушек 4 и 9; узла 15, связывающего концы катушек 5 и 8; узла 16, связывающего концы катушек 4 и 7; узла 17, связывающего начала катушек 5 и 6.
Четырехпульсный преобразователь работает следующим образом.
Четырехпульсный преобразователь может работать в двух режимах: в режиме выпрямителя и в режиме инвертора. Работа в режиме неуправляемого выпрямителя при использовании в качестве вентилей полупроводниковых диодов происходит следующим образом: всегда работают два вентиля - один из двух вентилей катодной группы, потенциал на аноде которого наибольший, и один из двух вентилей анодной группы, потенциал на катоде которого наименьший. Поэтому среднее значение тока, протекающего через вентиль - Iв, равно одной второй части среднего значения тока нагрузки - Iо:Iв=1/2Io. Каждый вентиль за период включается один раз. Работают одновременно два вентиля - один вентиль из анодной группы, другой из катодной группы, также, как это имеет место у прототипа. Таким образом, среднее значение прямого тока вентиля, а также потери напряжения и мощности при работе преобразователя равны аналогичным величинам у прототипа.
Следует также учесть, что вентили для преобразователя выбираются по прямому току. Поэтому их габариты, вес и стоимость, определяясь тем же значением тока, будут теми же, что и у прототипа.
Во времени потенциалы на вентилях изменяются по гармоническому закону, определяемому изменением проекции вектора потенциала на ось ординат при вращении векторов против часовой стрелки с угловой скоростью ω=2πf1, где f1 - частота питающего преобразователь напряжения. Векторная диаграмма потенциалов узлов преобразователя представлена для момента времени, когда вентиль 11 катодной группы меняет работавший до этого момента времени вентиль 10 той же катодной группы, так как потенциал на аноде вентиля 11 стал больше. Следовательно, напряжение на выходе выпрямителя, определявшееся проекцией отрезка 13-10 (см. фиг.2) на ось ординат, меняется на равное ему напряжение, определяемое проекцией отрезка 13-11, и будет определяться этой проекцией до того момента, когда вентиль 13 анодной группы будет заменен другим вентилем 12 той же анодной группы - в тот момент времени, когда его потенциал на катоде станет больше потенциала на катоде вентиля 13 анодной группы.
В четырехпульсном преобразователе каждый период питающего напряжения разделяется на четыре интервала времени. В каждом последующем интервале времени закон изменения напряжения на выходе повторяет закон изменения напряжения предыдущего интервала. Введем следующие обозначения: Ni - порядковый номер интервала; Ti - момент времени начала i-ого интервала в секундах, отсчитанное от момента начала первого; Ва - работающий вентиль анодной группы; Вк - работающий вентиль катодной группы. Циклограмма работы вентилей катодной и анодной групп приведена в таблице 1.
Выразим величину среднего выпрямленного напряжения на выходе преобразователя через амплитуду фазного напряжения U2m на катушке вторичной обмотки фазы трехфазного трансформатора. В пределах одного интервала времени четырехпульсного выпрямителя его напряжение на выходе изменяется по гармоническому закону.
| Таблица 1 | ||||
| Mi | 1 | 2 | 3 | 4 |
| Ti | 0 | 5 | 10 | 15 |
| Ва | 11 | 11 | 10 | 10 |
| Bk | 13 | 12 | 12 | 13 |
Обозначим амплитуду выходного напряжения Uom. Ее можно определить длиной отрезка (10-13) на векторной диаграмме как гипотенузу прямоугольного треугольника (10-13-0) при катетах: 0,5U2m/tg30° и U2m. Тогда Uom=1,323U2m
В пределах интервала времени - Т/8<t<Т/8, где Т - период изменения трехфазного напряжения питающей сети, напряжение на выходе преобразователя изменяется по закону
Uo(t)=UomCosωt
Поэтому величина среднего выпрямленного напряжения на выходе преобразователя Uo определяется средним значением определенного интеграла от функции Uo(t) в пределах от -Т/8 до +Т/8 за одну четвертую часть периода:
Uo=1,197U2m
У прототипа величина среднего значения выпрямленного напряжения равна Uo=0,637U2m, что меньше в 1,88 раза. Это позволяет уменьшить число витков катушки вторичной обмотки трансформатора в то же число раз.
В момент времени, когда происходит изменение структуры схемы из-за изменившихся потенциалов на вентилях, напряжение на выходе выпрямителя минимально. Определим его величину на примере перехода от первого ко второму временному интервалу, для которого построена векторная диаграмма. Величина выходного напряжения будет минимальна и будет определяться разностью проекций векторов потенциалов вентилей 10 и 13 на ось ординат, т.е. длиной отрезка (0-13):
Uomin=U2m
Выпрямленное напряжение пульсирует с четырехкратной частотой по сравнению с частотой питающего напряжения в промежутке напряжений U2m<Uo(t)<1,323U2m при среднем значении Uo=1,197U2m с амплитудой 0,0985U2m, что составляет ниже 8,3% от среднего значения выпрямленного напряжения и меньше амплитуды у прототипа более чем в 5 раз.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет увеличить частоту пульсации выпрямленного напряжения в два раза и уменьшить амплитуду этих пульсаций при работе преобразователя в пять раз, что в конечном итоге позволяет уменьшить мощность фильтра на стороне выпрямленного напряжения, повысить КПД преобразователя, а также снизить его габариты, вес и стоимость.
Анализ заявленного технического решения на соответствие требованиям условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности, неизвестной на дату приоритета из уровня техники, необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.
Свойства, регламентированные в заявленном соединении отдельными признаками, общеизвестны из уровня техники и не требуют дополнительных пояснений.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для использования при создании регулируемых электроприводов постоянного тока;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в материалах заявки известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствуют требованиям и условиям патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.
Четырехпульсный преобразователь, содержащий трехфазный трансформатор с двойным комплектом вторичных обмоток и вентили, отличающийся тем, что вторичные обмотки всех фаз трансформатора соединены в один контур в виде «шестиугольника» таким образом, что напряжения между вершинами «шестиугольника» образуют шестифазную систему напряжений, а вентили соединены в две группы - анодную и катодную, при этом в анодной группе вентилей аноды соединены в один узел, представляющий собой один полюс на стороне постоянного тока, а в катодной группе вентилей катоды соединены в один узел, представляющий другой полюс на стороне постоянного тока, причем вентили анодной группы своими катодами соединены с противоположными вершинами «шестиугольника» вторичных обмоток, каждый со своей вершиной, а вентили катодной группы своими анодами подсоединены к средним точкам катушек фаз вторичных обмоток трансформатора, каждый к своей катушке, не связанной с узлами «шестиугольника», к которым подсоединены вентили катодной группы.
