Двадцатичетырехфазный преобразователь трехфазного напряжения в постоянное

Двадцатичетырехфазный преобразователь трехфазного напряжения в постоянное предназначен для питания потребителей постоянного тока с повышенными требованиями к качеству преобразования при различных уровнях выпрямленного напряжения. Предложенный преобразователь содержит четыре симметричных трехфазных источника питания и пять последовательно расположенных вентильных групп, крайние из которых содержат по три вентиля, соединенных в анодную и катодную вентильные звезды, общие точки которых образуют выходные выводы устройства, а остальные три группы представляют собой шестивентильные кольца с тремя парами диаметрально расположенных точек соединения одноименных электродов вентилей. Смежные вентильные кольца соединены в трех узлах, каждый из которых образован свободной парой точек соединения электродов вентилей смежных колец. Преобразователь снабжен двадцать одним дополнительным вентилем, вентили шестивентильных колец выполнены управляемыми, три дополнительных вентиля также выполнены управляемыми, а остальные - неуправляемыми. Технический результат - более широкие функциональные возможности. 10 ил., 3 табл.

 

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может найти применение для питания потребителей постоянного тока с повышенными требованиями к качеству преобразования при различных уровнях выпрямленного напряжения.

Известны двадцатичетырехфазные преобразователи трехфазного напряжения в постоянное, построенные на основе четырех последовательно соединенных преобразовательных секций, содержащих трехфазные вентильные мосты, подключенные к автономным источникам симметричных трехфазных систем ЭДС, сдвинутых по фазе последовательно друг относительно друга на угол , где m - фазность преобразования (1. Яценко А.А. Применение схемы «скользящего треугольника» в многофазных преобразователях. // Электричество. - 1982. - №7. - С.17-24. 2. A.c. SU №801204, МПК Н02М 7/06, опубл. 30.01.1981, Бюл. №4). Такие каскадные преобразователи обеспечивают получение на выходах четырех различных уровней выпрямленного напряжения при последовательных схемах построения (от соответствующих отводов преобразовательных секций).

Недостатком данных преобразователей при последовательных схемах построения является большая мощность потерь в вентилях. В силу того, что двадцатичетырехфазные преобразователи последовательного типа построены методом последовательного агрегирования четырех шестифазных преобразовательных секций с трехфазными вентильными мостами и источниками трехфазных симметричных систем ЭДС, имеющих сдвиг 15 эл. град. между одноименными напряжениями, при использовании суммы напряжений трех секций в схеме последовательного типа форма кривой выпрямленного напряжения будет существенно искажена. Таким образом, качество преобразования при использовании трех преобразовательных секций, по сравнению с использованием четырех секций, существенно снижается. При использовании суммы напряжений двух секций при сдвиге 30 эл. град. между одноименными напряжениями выпрямленное напряжение будет иметь 12 пульсаций за период, т.е. качество преобразования также снизится. Еще более существенное снижение качества преобразования произойдет при использовании в качестве выходного выпрямленного напряжения выходного напряжения от одной из секций, так как в его кривой будет только шесть пульсаций.

Наиболее близким к изобретению, принятым за прототип, является двадцатичетырехфазный преобразователь трехфазного напряжения в постоянное (Пат. РФ №2368997. Преобразователь трехфазного напряжения в постоянное / С.А.Евдокимов, Бюл. №27, 2009), содержащий при кратности частоты пульсации выпрямленного напряжения р=24 p/6=4 симметричных трехфазных источника питания, одноименные напряжения которых последовательно сдвинуты по фазе на 2π/p=15 эл. град., и n=(p/6)+1=5 последовательно расположенных вентильных групп, крайние из которых содержат по три вентиля, соединенных в анодную и катодную вентильные звезды, общие точки которых образуют выходные выводы устройства, а остальные три группы представляют собой шестивентильные кольца с тремя парами диаметрально расположенных точек соединения одноименных электродов вентилей, крайние вентильные группы соединены со смежными группами в трех узлах, каждый их которых образован свободным электродом вентиля анодной (катодной) вентильной звезды и свободной точкой соединения электродов вентилей смежного вентильного кольца, образованной электродами другого наименования, смежные вентильные кольца соединены в трех узлах, каждый из которых образован свободной парой точек соединения электродов вентилей смежных колец, при этом в данных узлах электроды вентилей одного смежного кольца имеют одно наименование, а электроды вентилей второго кольца другое, причем к каждому узлу соединения смежных вентильных групп подключена одна из фаз одного из трехфазных источников питания, причем каждая из фаз любого источника питания соединена через вентили колец только с фазами смежных источников питания, имеющими фазовые сдвиги эл. град. относительно данной фазы.

Данный преобразователь, реализующий последовательную схему соединения трехфазных источников питания, в любой фазе преобразования имеет всего 5 вентилей, последовательно обтекаемых током нагрузки, что снижает мощность потерь в вентилях относительно мостовых схем, имеющих при данных источниках питания 8 вентилей в цепи тока.

Недостатком данного преобразователя является то, что схемное решение обеспечивает на выходе преобразователя только один уровень выпрямленного напряжения (не принимая во внимание возможность фазового регулирования с помощью управляемых вентилей, приводящее к уменьшению коэффициента мощности, или амплитудное регулирование напряжений источников трехфазных напряжений, требующее сложного построения вторичных обмоток трансформаторов и применяемое, главным образом, в однофазных выпрямителях электровозов переменно-постоянного тока). Таким образом, ограничены функциональные возможности преобразователя.

Задача изобретения - расширение функциональных возможностей преобразователя.

Указанная задача достигается тем, что двадцатичетырехфазный преобразователь трехфазного напряжения в постоянное содержит четыре симметричных трехфазных источника питания, одноименные напряжения которых последовательно сдвинуты по фазе на 2π/p=15 эл. град., и n=(p/6)+1=5 последовательно расположенных вентильных групп, крайние из которых содержат по три вентиля, соединенных в анодную и катодную трехвентильные звезды, общие точки которых образуют выходные выводы устройства, соответственно, анодный и катодный, а остальные три группы представляют собой шестивентильные кольца с тремя парами диаметрально расположенных точек соединения одноименных электродов вентилей, крайние вентильные группы соединены со смежными группами в трех узлах, каждый их которых образован свободным электродом вентиля анодной (катодной) вентильной звезды и свободной точкой соединения электродов вентилей смежного вентильного кольца, образованной электродами другого наименования, смежные вентильные кольца соединены в трех узлах, каждый из которых образован свободной парой точек соединения электродов вентилей смежных колец, при этом в данных узлах электроды вентилей одного смежного кольца имеют одно наименование, а электроды вентилей второго кольца другое, причем к каждому узлу соединения смежных вентильных групп подключена одна из фаз одного из трехфазных источников питания, причем каждая из фаз любого источника питания соединена через вентили колец только с фазами смежных источников питания, имеющими фазовые сдвиги эл. град. относительно данной фазы, при этом преобразователь снабжен двадцать одним дополнительным вентилем, вентили шестивентильных колец выполнены управляемыми, три дополнительных вентиля также выполнены управляемыми, а остальные - неуправляемыми, из девяти неуправляемых дополнительных вентилей сформирована анодная, а из девяти оставшихся дополнительных неуправляемых вентилей катодная девятивентильные звезды, соединенные общими точками соединения одноименных электродов с соответствующими им по наименованию выходными выводами устройства, а каждый из девяти свободных электродов вентилей в каждой из сформированных звезд соединен с одной из фаз трехфазных источников питания, не соединенных ранее с одноименными данным девятивентильным звездам трехвентильными звездами, три дополнительных управляемых вентиля соединены анодами с фазами одного крайнего трехфазного источника питания, к которым подключена катодная трехвентильная звезда, при этом свободные катоды данных вентилей соединены с фазами другого крайнего трехфазного источника питания, опережающими на эл. град. фазы источника, к которым данные вентили присоединены анодами.

На Фиг.1 приведена электрическая схема предлагаемого преобразователя; на Фиг.2 показаны векторные диаграммы трехфазных источников питания, представленные амплитудно-фазовыми портретами (АФП) трехфазных систем напряжений, изображенными в виде треугольников, и совмещенные АФП при формировании результирующих выпрямляемых напряжений от четырех трехфазных источников питания (четырехуровневое включение); на Фиг.3 показаны совмещенные АФП при формировании результирующих выпрямляемых напряжений от трех трехфазных источников питания; на Фиг.4 показаны совмещенные АФП при формировании результирующих выпрямляемых напряжений от двух трехфазных источников питания; на Фиг.5 приведены временные диаграммы напряжений источников питания с указанием участков кривых фазных напряжений, формирующих результирующие выпрямляемые напряжения от четырех источников питания, совмещенные с таблицей (алгоритмом) работы управляемых вентилей; на Фиг.6 показаны формы выпрямленного напряжения преобразователя при четырехуровневом включении при идеальной модели и модели с реальными параметрами цепей; на Фиг.7 приведены временные диаграммы напряжений источников питания с указанием участков кривых фазных напряжений при формировании результирующих выпрямляемых напряжений от трех источников питания и алгоритм работы управляемых вентилей; на Фиг.8 показаны формы выпрямленного напряжения преобразователя при трехуровневом включении при идеальной модели и модели с реальными параметрами; на Фиг.9 приведены сравнительные временные диаграммы выпрямленных напряжений при четырех режимах работы преобразователя: одноуровневом; двухуровневом; трехуровневом; четырехуровневом; на Фиг.10 показаны формы выпрямленного напряжения при одном из вариантов перехода с трехуровневого на четырехуровневый режим работы преобразователя для компьютерной модели с идеальными параметрами и модели с реальными параметрами.

Преобразователь (Фиг.1) содержит симметричные трехфазные источники 1, 2, 3, 4 питания, сорок пять вентилей 5-49, двадцать один из которых управляемые и образуют три шестивентильных кольца: одно кольцо из вентилей 10, 13, 18, 21, 26, 6, которое объединенными анодами пар вентилей 10, 6; 13, 18; 21, 26 соединено, соответственно, с фазами a, b, c источника 1, а объединенными катодами пар вентилей 18, 21; 26, 6; 10, 13 соединено, соответственно, с фазами a, b, c источника 2; второе кольцо из вентилей 22, 27, 11, 7, 19, 14, которое объединенными анодами пар вентилей 11, 7; 19, 14; 22, 27 соединено, соответственно, с фазами a, b, c источника 2, а объединенными катодами пар вентилей 22, 19; 27, 7; 11, 14 соединено, соответственно, с фазами a, b, c источника 3; третье кольцо из вентилей 12, 20, 23, 15, 8, 28, которое объединенными анодами пар вентилей 12, 8; 20, 15; 23, 28 соединено, соответственно, с фазами a, b, c источника 3, а объединенными катодами пар вентилей 20, 23; 8, 28; 12, 15 соединено, соответственно, с фазами a, b, c источника 4. Три управляемых вентиля 31, 41, 48 анодами подключены, соответственно, к фазам a, b, c источника 4, а катодами подключены, соответственно, к фазам c, a, b источника 1. Двенадцать неуправляемых вентиля соединены в анодную двенадцативентильную звезду, катоды вентилей 17, 25, 5 которой подключены, соответственно, к фазам a, b, c источника 1, катоды вентилей 29, 49, 36 подключены, соответственно, к фазам a, b, c источника 2, катоды вентилей 43, 30, 37 подключены, соответственно, к фазам a, b, c источника 3, катоды вентилей 45, 33, 38 подключены, соответственно, к фазам a, b, c источника 4, а общая точка соединения анодов образует анодный выходной вывод устройства 50. Двенадцать неуправляемых вентиля соединены в катодную двенадцативентильную звезду, аноды вентилей 9, 16, 24 которой подключены, соответственно, к фазам a, b, c источника 4, аноды вентилей 35, 40, 47 подключены, соответственно, к фазам a, b, c источника 3, аноды вентилей 34, 39, 46 подключены, соответственно, к фазам a, b, c источника 2, аноды вентилей 32, 42, 44 подключены, соответственно, к фазам a, b, c источника 1, а общая точка соединения катодов образует катодный выходной вывод устройства 51. К выводам 50 и 51 подключена нагрузка 52.

Принцип работы преобразователя (Фиг.1) иллюстрируется векторными диаграммами напряжений, представленными на Фиг.2 для четырехуровневого соединения трехфазных источников питания, на Фиг.3 для трехуровневого соединения источников, а на Фиг.4 для двухуровневого соединения в виде амплитудно-фазовых портретов напряжений вторичных фазных обмоток источников 1, 2, 3 и 4, формирующих четыре симметричные трехфазные системы, сдвинутые последовательно по фазе на 15 эл. град., и развернутыми на потенциальной плоскости векторными диаграммами результирующих напряжений. Из векторных диаграмм видно, что при четырехуровневом соединении источников (Фиг.2) в формировании каждого результирующего выпрямляемого напряжения участвуют линейные напряжения каждой из четырех трехфазных систем, а при трехуровневом соединении напряжения только трех систем (Фиг.3), причем каждая из четырех систем задействована в формировании 18 результирующих напряжений, так как системы циклично сменяют друг друга. При двухуровневом соединении источников (Фиг.4) каждая из четырех систем задействована в формировании 12 результирующих выпрямляемых напряжений. Одноуровневый режим работы не иллюстрируется, так как все 12 фаз источников питания соединены с неуправляемым 12-фазным вентильным мостом, работа которого при отсутствии сигналов управления на управляемые вентили, пояснений не требует. При этом каждая из систем участвует в формировании 6 результирующих выпрямляемых напряжений.

Для организации двух-, трех- или четырехуровневого соединения источников вентили шестивентильных колец и трит дополнительных вентиля выполнены управляемыми. Последовательность управляемого включения вентилей при формировании выпрямленного напряжения, соответствующего включению четырех источников питания, приведена в таблице 1. Моменты включения данных вентилей соответствуют началу формирования соответствующей пульсации s. Сопоставление алгоритма включения управляемых вентилей с временными диаграммами фазных напряжений источников питания приведено на Фиг.5.

Таблица 1
s1	6	7	8	s7	13	14	15	s13	21	19	20	s19	26	27	23
s2	10	7	8	s8	13	14	15	s14	21	22	20	s20	26	27	28
s3	10	11	8	s9	13	14	15	s15	21	22	23	s21	6	27	28
s4	10	11	12	s10	18	14	15	s16	21	22	23	s22	6	7	28
s5	13	11	12	s11	18	19	15	s17	21	22	23	s23	6	7	8
s6	13	14	12	sl2	18	19	20	s18	26	22	23	s24	6	7	8

Скругленные прямоугольники на временной диаграмме охватывают пары фазных напряжений трехфазных источников питания, которые участвуют в формировании текущей пульсации. Продолжительность включения одной половины управляемых вентилей равна пяти длительностям пульсации: 75 эл. град., а другой половины - трем: 45 эл. град. На Фиг.6 приведены кривые выпрямленного напряжения при четырехуровневом включении: одна получена на компьютерной модели с идеализированными параметрами, другая при конечных значениях параметров (приведены на фигуре).

Последовательность управляемого и естественного включения вентилей устройства при формировании выпрямленного напряжения, соответствующего включению трех источников питания, приведена в таблице 2. Номера управляемых вентилей в таблице отмечены жирным шрифтом. Моменты включения данных вентилей соответствуют началу формирования соответствующей пульсации s, а продолжительность включения - двум длительностям пульсации, т.е. 30 эл. град.

Таблица 2

s1	49	7	8	9	s7	38	31	13	39		s13	29	19	20	16	s19	45	48	26	46
s2	30	8	31	32	s8	5	13	14	40		s14	43	20	41	44	s20	25	26	27	47
s3	33	31	10	34	s9	36	14	15	16		s15	45	41	21	46	s21	49	27	28	24
s4	5	10	11	35	s10	37	15	41	42		s16	17	21	22	47	s22	30	28	48	32
s5	36	11	12	9	s11	38	41	18	39		s17	29	22	23	24	s23	33	48	6	34
s6	37	12	31	42	s12	17	18	19	40	s18	43	23	48	44	s24	25	6	7	35

Сопоставление алгоритма включения управляемых вентилей с временными диаграммами фазных напряжений трехфазных источников питания приведено на Фиг.7. Скругленные прямоугольники на временной диаграмме охватывают пары фазных напряжений трехфазных источников питания, которые участвуют в формировании текущей пульсации. На Фиг.8 приведены кривые выпрямленного напряжения при трехуровневом включении преобразователя с идеализированными и реальными параметрами его элементов (в цепи постоянного тока R_d, L_d; в анодной цепи La).

Последовательность управляемого и естественного включения вентилей устройства при формировании выпрямленного напряжения, соответствующего включению двух источников питания, приведена в таблице 3.

Таблица 3
s1	30	8	9	s7	5	13	39	s13	43	20	16	s19	25	26	46
s2	33	31	32	s8	36	14	40	s14	45	41	44	s20	49	27	47
s3	5	10	34	s9	37	15	16	s15	17	21	46	s21	30	28	24
s4	36	11	35	s10	38	41	42	s16	29	22	47	s22	33	48	32
s5	37	12	9	s11	17	18	39	s17	43	23	24	s23	25	6	34
s6	38	31	42	s12	29	19	40	s18	45	48	44	s24	49	7	35

Сопоставление выпрямленных напряжений четырех уровней приведено на Фиг.9. На Фиг.10 показан один из вариантов перехода (длительность и пауза переходных импульсов равны двум длительностям пульсации) с трехуровневого на четырехуровневый режим работы в одном из периодов сетевого напряжения при идеальных параметрах элементов преобразователя и при учете реальных параметров. Заданное чередование применяемых алгоритмов включения на один - два; два - три; три - четыре уровня дает возможность плавного регулирования выпрямленного напряжения между его уровнями, соответствующими последовательному включению одной, двух, трех или четырех преобразовательных секций.

Предложенный преобразователь по сравнению с прототипом позволяет изменять уровень выпрямленного напряжения, не прибегая к известным методам фазового или амплитудного регулирования.

Таким образом, предлагаемый двадцатичетырехфазный преобразователь трехфазного напряжения в постоянное имеет более широкие функциональные возможности.

Двадцатичетырехфазный преобразователь трехфазного напряжения в постоянное, содержащий четыре симметричных трехфазных источника питания, одноименные напряжения которых последовательно сдвинуты по фазе на 2π/p=15 эл. град., и n=(p/6)+1=5 последовательно расположенных вентильных групп, крайние из которых содержат по три вентиля, соединенных в анодную и катодную вентильные звезды, общие точки которых образуют выходные выводы устройства, соответственно, анодный и катодный, а остальные три группы представляют собой шестивентильные кольца с тремя парами диаметрально расположенных точек соединения одноименных электродов вентилей, крайние вентильные группы соединены со смежными группами в трех узлах, каждый их которых образован свободным электродом вентиля анодной (катодной) вентильной звезды и свободной точкой соединения электродов вентилей смежного вентильного кольца, образованной электродами другого наименования, смежные вентильные кольца соединены в трех узлах, каждый из которых образован свободной парой точек соединения электродов вентилей смежных колец, при этом в данных узлах электроды вентилей одного смежного кольца имеют одно наименование, а электроды вентилей второго кольца другое, причем к каждому узлу соединения смежных вентильных групп подключена одна из фаз одного из трехфазных источников питания, причем каждая из фаз любого источника питания соединена через вентили колец только с фазами смежных источников питания, имеющими фазовые сдвиги эл. град. относительно данной фазы, отличающийся тем, что он снабжен двадцать одним дополнительным вентилем, вентили шестивентильных колец выполнены управляемыми, три дополнительных вентиля также выполнены управляемыми, а остальные - неуправляемыми, из девяти неуправляемых дополнительных вентилей сформирована анодная, а из девяти оставшихся дополнительных неуправляемых вентилей катодная девятивентильные звезды, соединенные общими точками соединения одноименных электродов с соответствующими им по наименованию выходными выводами устройства, а каждый из девяти свободных электродов вентилей в каждой из сформированных звезд соединен с одной из фаз трехфазных источников питания, не соединенных ранее с одноименными данным девятивентильным звездам трехвентильными звездами, три дополнительных управляемых вентиля соединены анодами с фазами одного крайнего трехфазного источника питания, к которым подключена катодная трехвентильная звезда, при этом свободные катоды данных вентилей соединены с фазами другого крайнего трехфазного источника питания, опережающими на эл. град. фазы источника, к которым данные вентили присоединены анодами.