Двадцатичетырехфазный преобразователь сучкова
Владельцы патента RU 2456738:
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 для станков для повышения их быстродействия, для питания элекроподвижного транспорта и для питания электрохимических производств. Двадцатичетырехфазный 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 двенадцати вентилей катодной группы, потенциал на аноде которого наибольший, и один из двенадцати вентилей анодной группы, потенциал на катоде которого наименьший. Поэтому среднее значение тока, протекающего через вентиль, Iв равно одной двенадцатой части среднего значения тока нагрузки - Iо: Iв=1/12 Iо. Каждый вентиль за период включается один раз. Работают одновременно два вентиля - один вентиль из анодной группы, другой из катодной группы, а не восемь, как это имеет место у прототипа. Технический результат - среднее значение прямого тока вентиля, а также потери напряжения и мощности при работе преобразователя меньше, чем аналогичные величины у прототипа, в четыре раза. 2 ил., 1 табл.
Предлагаемое изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при создании регулируемых электроприводов постоянного тока на станках для повышения их быстродействия и в других исполнительных механизмах, а также на преобразовательных подстанциях для питания электрифицированных железных дорог и в электрометаллургической и химической промышленности для уменьшения величины пульсаций выпрямленного напряжения и сокращения содержания высших гармонических составляющих в токе, потребляемом из сети переменного тока.
Из известных двадцатичетырехфазных преобразователей наиболее близким к предлагаемому является преобразователь, состоящий из двух трехфазных трансформаторов и четырех трехфазных вентильных мостов. Каждый трехфазный трансформатор имеет сетевую (первичную) обмотку и две одинаковые по мощности вентильные (вторичные) обмотки, одна из которых соединена по схеме «треугольник», а другая - по схеме «звезда» (патент РФ №2119711, Н02М 7/12, 1988).
Линейные напряжения и линейные токи этих обмоток одинаковые, а фазные, из-за различия в схемах соединения обмоток, разные. Поэтому параметры вторичных обмоток разные: разное число витков и сечение провода обмоток. Это усложняет конструкцию трансформаторов и удорожает их производство.
Каждый трехфазный вентильный мост состоит из шести вентилей, из которых при работе преобразователя в каждом мосту работают по два вентиля - один из анодной и другой из катодной группы. Все четыре моста работают одновременно. Поэтому одновременно работают восемь вентилей.
Вентильные мосты в каждом из двух двенадцатифазных преобразователей соединяются между собой последовательно, но в двадцатичетырехфазном преобразователе при соединении двух двенадцатифазных преобразователей для их совместной работы требуется еще и реактор.
Технической задачей заявленного решения является исключение из схемы преобразователя реактора и обеспечение уменьшения прямого тока вентилей при работе преобразователя, что в конечном итоге позволяет повысить КПД преобразователя, а также снизить его габариты, вес и стоимость.
Поставленная задача решается посредством того, что в двадцатичетырехфазном преобразователе, содержащем два трехфазных трансформатора с двойным комплектом вторичных обмоток в каждом трансформаторе и вентили, согласно изобретению вторичные обмотки всех фаз обоих трансформаторов соединены в один контур в виде «двенадцатиугольника» таким образом, что напряжения между «вершинами» «двенадцатиугольника», образованными узлами соединения вторичных обмоток трансформаторов, представляют двенадцатифазную 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 другой узел, представляющий другой полюс на стороне постоянного тока, причем каждый вентиль катодной группы своим анодом соединен с одной вершиной «двенадцатиугольника» вторичных обмоток трансформаторов, а каждый вентиль анодной группы своим катодом подсоединен к средней точке одной из вторичных обмоток трансформаторов.
Предлагаемое изобретение поясняется графическими материалами, где:
- на фиг.1 представлена схема двадцатичетырехфазного преобразователя напряжения;
- на фиг.2 представлена векторная диаграмма потенциалов на вентилях.
Двадцатичетырехфазный преобразователь Сучкова состоит из двух трехфазных трехобмоточных трансформаторов с двумя комплектами вторичных обмоток. Три катушки первичной обмотки одного трансформатора 1, 2 и 3 соединяются по схеме «звезда» и подключаются к проводам трехфазной сети 1, 2 и 3. Катушки первичной обмотки другого трансформатора 4, 5 и 6 соединяются по схеме «треугольника» и подключаются к той же сети. Катушки вторичных обмоток первого трансформатора 7, 8, 9, 10, 11 и 12 и второго трансформатора 13, 14, 15, 16, 17 и 18 соединяются между собой в один замкнутый контур, формируя двенадцатиугольник, каждой стороной которого является одна из катушек вторичных обмоток трансформаторов, а вершинами являются узлы, соединяющие каждую пару катушек вторичных обмоток трансформаторов. Одноименные зажимы (начала) всех катушек помечены знаком «звездочка» (*). При этом начало катушки 7 вторичной обмотки первого трансформатора соединяется с концом первой катушки 13 вторичной обмотки второго трансформатора, а начало катушки 13 соединяется с началом катушки 12, конец катушки 12 - с началом катушки 16, конец катушки 16 - с концом катушки 9, начало катушки 9 - с концом катушки 17, начало катушки 17 - с началом катушки 8, конец катушки 8 - с началом катушки 14, конец катушки 14 - с концом катушки 11, начало катушки 11 - с концом катушки 15, начало катушки 15 - с началом катушки 10, конец катушки 10 - с началом катушки 18, конец катушки 18 - с концом катушки 7, замыкая контур вторичных обмоток трансформаторов.
Вентили преобразователя образуют две группы: анодную и катодную. В анодной группе вентилей в один узел соединены аноды шести вентилей, в катодной группе в один узел соединены катоды шести вентилей. Вторые электроды вентилей каждой из двух групп подсоединяются к однотипным точкам контура вторичных обмоток. В анодной группе вентилей катоды каждого вентиля подсоединяются к одной из вершин «двенадцатиугольника», а в катодной группе вентилей аноды каждого вентиля подсоединяются к одной из средних точек вторичных обмоток трансформатора.
Вентили катодной группы - 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, объединяясь своими катодами в один узел, создают один полюс постоянного напряжения преобразователя. Своими анодами они подсоединяются к однотипным точкам «двенадцатиугольника» - к узлам, являющимся вершинами «двенадцатиугольника».
Вентили анодной группы - 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, объединяясь своими анодами в один узел, создают второй полюс постоянного напряжения преобразователя. Своими катодами они подсоединяются к другим однотипным точкам «двенадцатиугольника» - к средним точкам вторичных обмоток трансформаторов.
На фиг.2 представлена векторная диаграмма потенциалов на анодах вентилей катодной группы и на катодах вентилей анодной группы относительно центра «двенадцатиугольника» - точки O, потенциал которой принят равным нулю. Работа преобразователя в режиме неуправляемого выпрямителя (при использовании в качестве вентилей полупроводниковых диодов) происходит следующим образом: всегда открыты два вентиля - один из двенадцати вентилей катодной группы, потенциал на аноде которого наибольший, и один из двенадцати вентилей анодной группы, потенциал на катоде которого наименьший. Поэтому среднее значение прямого тока Iв, протекающего через один вентиль, равно одной двенадцатой части среднего значения тока нагрузки - Iо: Iв=1/12 Iо, что меньше среднего значения прямого тока вентиля в прототипе в четыре раза. Поэтому потери напряжения и мощности при работе преобразователя меньше, чем аналогичные величины у прототипа, в четыре раза и, следовательно, КПД предлагаемого преобразователя будет выше. Следует также учесть, что вентили для преобразователя выбираются по прямому току. Поэтому их габариты, вес и стоимость, определяясь меньшим в четыре раза током, будут меньше, чем у прототипа.
Рассмотрим теперь, как изменяется во времени напряжение на выходе преобразователя. Во времени потенциалы на вентилях изменяются по гармоническому закону, определяемому изменением проекции вектора потенциала вентиля на ось ординат Y (фиг.2) при вращении векторов против часовой стрелки с угловой скоростью ω1=2πf1, где f1 - частота питающего преобразователь напряжения.
Векторная диаграмма, изображенная на фиг.2, представлена для момента времени, когда вентиль катодной группы 33 меняет работавший до этого момента времени вентиль 40 катодной группы, так как его потенциал на аноде стал больше потенциала на аноде вентиля 40. Это происходит при работающем вентиле анодной группы 27. Таким образом, напряжение на выходе выпрямителя, определявшееся проекцией на ось ординат Y вектора (27-40), меняется на равное ему напряжение, определяемое проекцией вектора (27-33) на ту же ось Y, и будет определяться этой проекцией до того момента времени, когда вентиль анодной группы 27 будет заменен другим следующим вентилем анодной группы 22 в тот момент времени, когда потенциал на его катоде станет меньше потенциала на катоде вентиля 27.
Циклограмма работы вентилей катодной и анодной групп приводится в таблице 1.
| Таблица 1 | ||||||||||||
| Ni | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 |
| Ti | 0 | 0,8 | 1,7 | 2,5 | 3,3 | 4,2 | 5,0 | 5,8 | 6,7 | 7,5 | 8,3 | 9,2 |
| Ва | 27 | 22 | 22 | 25 | 25 | 19 | 19 | 30 | 30 | 24 | 24 | 28 |
| Bk | 33 | 33 | 38 | 38 | 37 | 37 | 32 | 32 | 36 | 36 | 35 | 35 |
| Ni | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 |
| Ti | 10 | 10,8 | 11,7 | 12,5 | 13,3 | 14,2 | 15,0 | 15,8 | 16,2 | 17,5 | 18,3 | 19,2 |
| Ва | 28 | 21 | 21 | 26 | 26 | 20 | 20 | 29 | 29 | 23 | 23 | 27 |
| Bk | 34 | 34 | 39 | 39 | 31 | 31 | 42 | 42 | 41 | 41 | 40 | 40 |
Ni - порядковый номер цикла; Ti - время начала цикла [с];
Ba - вентиль анодной группы; Bk - вентиль катодной группы.
Выразим величину среднего выпрямленного напряжения на выходе преобразователя через амплитуду напряжения на одной катушке вторичной обмотки трехфазного трансформатора двенадцатифазного преобразователя числа фаз - U2m (фиг.2).
В пределах одного интервала времени двадцатичетырехфазного выпрямителя его напряжение на выходе изменяется по гармоническому закону. Обозначим амплитуду выходного напряжения - Uom. Она равна длине вектора (27-33) на векторной диаграмме и может быть найдена как гипотенуза прямоугольного треугольника (27-28-33) при катетах: (28-33)=0,5U2m и (27-28)=U2m/tg15°. Определяем: U0m=3,766U2m.
В пределах интервала времени Т/48<t<Т/48 напряжение на выходе неуправляемого выпрямителя изменяется по закону:
Uo(t)=Uom Cosω1t
Поэтому величина среднего выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя Uo определится путем деления определенного интеграла, взятого в пределах одного интервала времени - Т/24 от функции, представляющей изменение напряжения на выходе - U0(t), на длительность этого интервала:
Uo=3,756U2m.
В момент времени, когда происходит изменение структуры схемы преобразователя из-за изменившихся потенциалов на вентилях выпрямителя, напряжение на выходе выпрямителя минимально. Определим его величину на примере перехода от первого ко второму временному интервалу, для которого построена векторная диаграмма напряжений. Минимальная величина выходного напряжения будет определяться длиной отрезка (27-28), равного удвоенному значению катета (0-28) прямоугольного треугольника (0-28-33), другой катет которого (28-33) равен половине напряжения на катушке вторичной обмотки трансформатора. Острый угол при вершине O определится как половина центрального угла, опирающегося на дугу, составляющую двенадцатую часть окружности - 30°. Таким образом, решая названный треугольник, получаем:
Uomin=U2m/tg15°=3,733U2m
В итоге получаем, что выпрямленное напряжение пульсирует с двадцатичетырехкратной частотой в промежутке напряжений:
3,733U2m<Uo(t)<3,766U2m
при среднем значении Uo=3,756U2m с амплитудой ΔUm=0,0165U2m, что составляет меньше 0,44% от средней величины.
Анализ заявленного технического решения на соответствие 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 условиям патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.
Двадцатичетырехфазный преобразователь, содержащий два трехфазных трансформатора с двойным комплектом вторичных обмоток и вентили, отличающийся тем, что катушки вторичных обмоток всех фаз трансформатора имеют отводы от половины витков и соединены в один контур в виде «двенадцатиугольника» таким образом, что напряжения между вершинами «двенадцатиугольника» образуют двенадцатифазную 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 другой узел, представляющий другой полюс на стороне постоянного тока, причем каждый вентиль катодной группы своим анодом соединен с одной вершиной «двенадцатиугольника» вторичных обмоток, а каждый вентиль анодной группы своим катодом подсоединен к средней точке одной из катушек вторичных обмоток трансформатора.
