Мостовой преобразователь переменных напряжений в постоянное

 

1. МОСТОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ПОСТОЯННОЕ с п -кратной частотой.пульсации, содержащий Ми.исходных источников :дйЗосдвинутых: ЭДС при числе , формируемых, например, на разделенных на секции вентильных обмотках трансформатора, автотрансформатора, электрической машины, сфазированных генераторов, которые соединены между собой последовательно и топо- . логически образуют правильный замкнутый Г-гранник с числом , где ,3f..., и вентилей, соединенных в Лурячейковый вентильный мост, вь1воды которого по переменному току подключены посредством линий к Г-граннику, а выводы по постоянному току являются выходами устройства , отличающийся тем, что, с целью снижения уровня пульсации выходного напряжения, юждая секция вентильных обмоток снабжена двумя отводами, к которым подключены Лц исходных и Л Л дополнительно введен шх линий, причем последние подключены к дополнительно введенным , вентилям, собранным в Л -ячейковый вентильный мост, который гго цепи постоянного тока соединен параллельно однополярно с исходным мостом и совместно с ним образует Л 2Л.1-ячейковый вентильный мост.

55 А

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) 02) Sr5o Н 02 М /08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЪСТВУ

-10

В1 1И

С

/=4, e„=2, Л=В, Ир=Ч. у П=д, K=0293

А .1.ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ГЮ ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTMA (2l) 3311053/24-07 (22) 03,07.81 (46) 15.08.83. Бюл. и 30 . (72) А.М.Репин (53) 621 314.6(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство С ССР

N 598198, кл. Н 02 М 7/06, 1978.

2. Авторское свидетельство СССР

И 743140, кл, H 02 М 7/06, 1980.

3. Авторское свидетельство СССР

11 743141, кл. Н 02 M 7/06, 1980.

4> Авторское свидетельство СССР по заявке 0 2938434, кл. Н 02 M 7/06, 1980, .(54)(57) 1. МОСТОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

ПЕРЕМЕННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ПОСТОЯННОЕ с и -кратной-частотой пульсации, содержащий Ми.исходных источников. Ьазосдвинутых; ЭДС при числе М 7 1, формируемых, например, на разделенных на секции вентильных обмотках трансформатора, автотрансформатора, электрической машины, сфазирован/ ных генераторов, которые соединены между. собой последовательно и топо- . логически образуют правильный замкнутый Г-гранник с числом граней Г=2, где k 2,3,..., и В 2Г вентилей, соединенных в ЛГячейковый вентильный мост, выводы которого по переменному току подключены посредством Л„=Г линий к Г" граннику, а выводы по постоянному току являются выходами устройства, отличающийся тем, что, с целью снижения уровня пульсации выходного напряжения, каждая ceicция вентильных обмоток снабжена двумя отводами, к которым подключены Л12

I исходных и Л Л21 дополнительно вве- a денных линий, причем последние подключены к дополнительно введенным В =2Л 1

l вентилям, собранным в Л -ячейковый вентильный мост, который ffo цепи постоянного тока соединен параллельно однополярно с исходным мостом и сов- местно с ним образует Л =2Л -ячейкоИ вый ВЕнтильный мост °

2, Преобразователь по и. 1, о т- мотки, причем с числом витков (К) от л и ч а ю шийся тем, что, с це- края, равным 0,25/cos 9 относительлью удвоения кратности частоты пуль- но общего числа витков секции, где сации выходного напряжения, каждый Я=77П вЂ” полпериода .огибающей выходвведенный -отвод равноудален от, ближ- ного напряжения; П=2Г=2ПИ - кратность него к нему края секции вентильной об. частоты пульсации.

Изобретение относится к электротехнике,. в честности к преобразова" тельной технике, и может быть использовано в качестве источника электропитания постоянного тока с повышенной кратностью частоты пульсации.

Известны мостовые преобразова. тели трехфазного переменного тока в

»постоянный» с П-кратной частотой пульсации, содержащие силовой трехфазный трансформатор, снабженный одной,основной (центральной) вторичной (схемной) обмоткой, соединенной в звезду, и рядом подключенных соответ » ствующим образом к ее свободным концам дополнительных и вспомогательных секций схемных обмоток с отводами.

Соединенные обмотки топологически образуют незамкнутый многоугольник, к которому посредством Л линий подключен Л-ячейковый вентильный мост.

8ыход его по постоянному току является. выходом преобразователя.

Достоинством известных преобразователей является возможность построения на одном трехфазном транс: форматоре схемной структуры, обес" печивающей теоретически любую частотную кратность пульсации 5 1J-f3)

Однако снижение уровня и повышение частоты пульсации достигается путем введения большого числа вспомогатель.ных обмоток и отводов от них при большом разнообразии чисел их вит- 35 ков, что значительно усложняет схему и конструкцию преобразователей и . является существенным их недостатком. К числу недостатков относятся также большое число витков силовых 40 (схемных) обмоток, обусловленное тем, что при больших значения Il цент ральная трехфазная обмотка дублирует остальные части обмоток, топологически включенные параллельно ос- 45 новной, в связи с чем является практически лишней, и, как следствие этого, значительный расход активных материалов (меди, стали, алюминия и пр.) в таком доминирующем по весу и габаритам функциональном устрой- стве преобразователей, каким является силовой трансформатор; сложность схемных соединений, конструкции и технологии изготовления; существенно пониженная (по отношению к теоретически ожидаемой) частота пульсации выходного напряжения и повышенный ее уровень из-за силвного проявления асимметрии, приводящая к увеличению массы и обьема сглаживающих фильтров. Следствием всего являются повышенные потери энергии, сравнительно низкие КПД и надежность, повышенная стоимость, Наиболее близким к предлагаемому является мостовой преобразователь переменных. напряжений в постоянное с П„-кратной частотой пульсации, содержащий И исходных. источников преобразуемых ЭДС, формируемых, например, на разделенных на секции схемных обмотках преобразовательного трансформатора, электрической машины, которые соединены между собой последовательно согласно и тополопически образуют правильный замкнутый многоугольник (Г-гранник) и В„л2Г вентилей, собранных в Л»»-ячейковый вентильный мост, выводы которого по переменному току подключены посредством Л„=Г линий к Г-граннику, а выводы по постоянному току явля" ются выходными выводами преобразователя(4).

Недостатком NSBBcTHol-o устройства является относительно небольшое (равное Ng„ p-(-1)г Г/4) число формируемых им диагональных ЭДС, как следствие, сравнительйо высокий уровень

3 1035 и относительно низкая (равная П„=Î,Q

13-(-I) )Ã) кратность частоты пульса-ции. переменной составляющей выходного напряжения.

Цель изобретения ". снижение уровня пульсации выходного напряжения, а также удвоение ее частоты, Эта цель достигается тем, что в мостовом преобразователе переменных напряжений в постоянное с Пи-кратной IÎ частотой пульсации, содержащем Мя исходных источников фазосдвинутых ЭДС при числе N >l, формируемых, напри" мер на разделенных на секции вентиль"

/ ных обмо тках трансформатора, авто- !5 трансформатора, электрической ма шины, сфазированных генераторов, которые соединены между собой последовательно и топологически образуют правильный замкнутый Г-гранник с чис- щ лом. гранеи Г 2К, где k 2 3,..., и

В„ =2Г вентилей, соединенных в Ля-ячейковйй вентильный иост, выводы которого по переменному току подключены посредством Л =.Г линий к .Г-граннику, 25 а выводы по постоянному току являются выходами устройства, каждая секция вентильных обмоток снабжена двумя отводами, к которым подключен ны Ли исходных и Л -Ли дополнительно введенных линий, причем. последние подключены к дополнительно введенным

В =2Ли вентилям, собранным в Л -ячей" ковый вентильный иост, который по цепи постоянного тока соединен па 6 раллельно однополярно с исходным моФ стом и совместо с ним образует Л. 2Л ячейковый вентильный мост.

Кроме того, каждый введенный отвод равноудален от ближнего к нему

40 края секции вентильноЦ обмотки, причем с числом витков К от края, рав",. ным 0,25/coe Q относительно общего числа витков секции, где (=9П - полупериода огибающей выходного напря45 жения; П- Г=2Пи - кратность частоты . пульсации

На фигура приведена принципиальная .; схема 8 - я4ейкового мостового преобра4 .зователя, построенного на основе 4 гранника; на фиг. lб - соответ.ствующая ему векторная диаграмма формирования диагональных ЭДС, образующих выходное напряжение; на фиг. 2 и 3 - примеры реализации устройства, построенного на основе

6" и 12-гранников.

Мостовой преобразователь (фиг.1) содержит Ир=2 исходных источников

755 4 переменных ЭДС, сдвинутых по Фазе относительно друг друга на 90 эл. град. (ортогонально), Эти ортогональные

ЭДС формируются на двух схемных обмотках 1 преобразовательного трансформатора (сетевые обмотки его на фиг. I не показаны) или обмотках 1 электрической машины.

Каждая из,двух обмоток разделена на две секции: 2.1; 3,1; 4.1; 5. I, которые, будучи соединенными. между собой последовательно, топологически образуют правильнйй замкнутый Г-гранник.. Секции 2.1; 3. 1; 4. I 5.1 имеют по два отвода (2.2; 2.3; 3.2;

3.3; 4.2; ".3; 5.2; 5.3), îTop« посредством Л линий 6 .(Л=8) подключены к Л-ячейковому вентильному мосту 7, k выходам 8 и 9 которого по постоянному току, являющимся выходами преобразователя, подключена нагрузка 1-0. При этом каждый отвод выполнен, в частности, с числом витков от ближнего к отводу края соответствующей секции равным 0,25/cos Q от общего числа витков секции, где

ЯЭ 2Г=180 /8=22,5 - полпериода .огибающей выходного напряжения.

Линия 1 1 соединена с анодом вентиля 12, катод вентиля 13 - с линией 14.

Вентили 15 и 16 входят в вентильный иост 7.

На фиг. lб векторы 17. 1-20.3 поясняют работу устройства, которая осуществляется следующим образом.

Две исходные ортогональные ЭДС, поделенные каждая на две секции и соединенные в правильный замкнутый

4-гранник {в квадрат) формируют две диагональные ЭДС - векторы 17 ° 1-19.1;

18.1 "20.1 (И -(3-(-1)+) 4/4 2). При работе этих ЭДС на 4-ячейковый вентильный иост на его выходе формируется пульсирующее незнакопеременное напряжение .U> с амплитудой S „ pae о модулю вектора диагональной ЭДС (ДЭДС) 17.1-19.1 °

Кратность частоты пульсации при этом составляет П (3"(-1) ) 4/2 4, а ее уровень равен 4=(u н)мокс u„„ûí )uимакс =

=11-сб эк41 cos4S=О,Ю3 относительно 5О„, ЭтЬт уровень относительно среднего значения U выходного напряжения U (коэффициент пульсации Ку) составляет Qtg(Q/2)=

1035755

10 напряжения.

Так, например, под действием ДЭДС вектора l7 2-19.2 ток через нагрузку 1О протекает по следующему контуру (фиг. 1a): отвод 2.2, линия 11, вентиль 12, выход 8, нагрузка 10, выход 9, вентиль 13, линия 14, отвод 4.2.

От отвода 4.2 ток нагрузки раз20 ветвляется по двум параллельныщ, с равными сопротивлениями цепям, одна из которых содержит часть сек ции 4,! секцию 5.1, часть секции

2.1, другая - часть секции 4.1, сек"

25 цию 3,1, часть секции 2 ° 1.

Таким образом, благодаря замкнутому соединению обмоток в симметричный многоугольник, протекающий через них ток в данный момент меньше тока нагрузки, что важно при относительно повышенных значениях его.

Равенство сопротивлений параллельных цепей (в отличие, например, от неравенства сопротивлений в соединении обмоток в треугольник), а так35 же сравнительно малое число частей обмоток, их полная одинаковость и простота соединения обеспечивают по сравнению с известными преобразователями (1-3) более высокую симметрию пупьсации выходного напряжения, улучшают массо-габаритные и сто" имостные показатели сглаживающего фильтра и технологичность изготов45 пения устройства.

Через время, равное в угловых единицах = 1Г/2Г=п/8=22,5 эл.град, значение диагональной ЭДС вектора 17.2"

19.2 становится меньше значения ДЭДС я. вектора 18.3-20,3, и вентили 12 и 13 закрываются, вентили 15 и 16 откры50 ваются. Ток нагрузки проходит по контуру: отвод 3.3 - вентиль 15выход 8 - нагрузка 10 — выход 9вентиль !6 — отвод 5,3.

Каждан ДЭДС имеет частоту, совпадающую с частотой преобразуемых

ЭДС, и приложена (фиг. 1а) между анодом соответствующего вентиля катодной группы моста 7 и катодом вентиля его анодной группы, причем эти вентили принадлежат разным вентильным ячейкам.

Открывается та пара вентилей этих групп, ДЭДС которых имеет в данный момент наибольшее значение. Например, в момент времени, соответствующий действию вектора 17.2-19.2, на фазовой плоскости векторной диаграм" мы (фиг. 1б) наибольшее значение имеет проекция векторы ДЭДС 17-.-219.2 °

При открытых вентилях образуется замкнутый контур прохождения тока через нагрузку, а на остальных вентилях моста 7 создается напряжение обратной полярности (плюс на катоде и минус на аноде), в связи с чем эти вентили оказываются закрытыми, Затем вступает в действие другая

ДЭДС, значение которой становится в данный момент наибольшим относительно выходов 8 и 9 преобразовател

Происходит цикпическая смена контуров токопрохождения и содержащихся е них элементов. В рассматриваемой схемной реализации устройства таких контуров за период любой из ЭДС (преобразуемой или диагональной) восемь. Их .число определяет .число пульсаций выходного напряжения :за период ЭДС (при амплитудно-фазовой

32,53. фазовый сдвиг ДЭДС равен

360 /4=90 .

При подключении 8-ячейкового вентильного моста к отводам 2.2; 2.3;

3.2; 3 3; 4.2; 4,3; 5.2; 5.3 схемных обмоток 1 на нагрузке 10 формируется пульсирующее незнакопеременное напряжение U q, образуемое новыми диагональными ЭДС - векторами

17.2-19.2; 18.3-20.3; 18.2-20.2; 19.3-17.3, Эти ЛЭДС сдвинуты по фа" зе относительно друг друга на определенный угол,.зависящий от числа витков отводов относительно общего числа витков секции. При амплитудно-фазовой симметрии ЭДС этот угол равен 29,=2r(/П=2У72Г=180 /4=45

Амплитуда выходного напряжения U > равна в пределах этого угла модулю вектора соответствующей ДЭДС. симметрии ДЭДС - кратность частоты пульсации), Пользуясь векторной диаграммой фиг. 1б и/или схемой фиг. 1а, можно достаточно просто проследить пути тока нагрузки по различным контурам, выявитb их число, определить форму токов.и напряжений на. элементах схемы, в том числе векторную и линейную временную диаграммы выходного

Далее процессы повторяются с циклическим изменением контуров токопрохождения-и относящихся к ним обмоток и вентилей.

7

10357

Как видно из Фиг. 16, число диагональных ЭДС определяющих частоту пульсации выходного напряжения, равно четырем (М Г4), что в два раза больше, чем в прототипе,. Соответственно, кратность П частоты пульсации также удваивается (П=2М =2Г=87 П,1 =4 ) . Последнее достигается при условии, если отводы равно удалены от .ближних к ним краев секций, при- 10 чем с числом витков (К}, равным

0,25/cos Q=1/(2 2)=0,293 относительно общего числа витков секции. Это чясло витков отводов определяется согласно теореме синусов из вектор, ного треугольника фиг. 16. Отсюда получаем 6=22,5 . Следовательно, П=99=180/22,5=8, что и доказывает . удвоение частоты пульсации °

Уровень пульсации в схемной реализации (фиг. 1а) составляет Ь Ц =

=:1-cos Q *= 1-cos 22,5 =Ц,076, коэфбициейт пульсации Кп равен 7,81, что примерно в 4 раза меньше уровня

0,293 и соответственно 32,54, свойственного прототипу.

При этом положительный эффект достигается без введения большого числа дополнительных и вспомогательных .обмоток силового трансформатора при значительном разнообразии их чи -. сел витков, как это требуется в известных устройствах (11- (3 j, Следовательно, по отношению к последним со свойственной им схемно-конструкторско-технологической сложностью и плохими масоо-габаритными показателями сглаживающих фильтров вследствие сильного проявления низкочастотной модуляции выходного на- пряжения, данное техническое решение

40 является во всех отношениях значительно более простым.

При другом числе исходных преобразуемых ЭДС, линий и граней (М

Л, Г) схемные реализации мостового преобразователя с пониженным уровнем и удвоенной частотой пульсации по сравнению с прототипом осуществляють ся аналогично.

На фиг. 2а, 3а топологически изоб--50 ражены -схемные структуры преобразова" телей, в которых секции преобразуемых переменных ЭДС соединены соответственно в 6- и 12-гранник. Векторные диаграммы для них, показывающие,И (подобно диаграмме (Фиг. 16) форми" рование диагональных ЭДС в Фазовой плоскости, даны на фиг. 26, 36.

Из фиг. 2 и 3.видно, что кратность частоты пульсации в этих реализациях при числе витков отводов равном. соответственно, 1/(2+ Г3)=0,268 и

0,254 относительно числа витков сек" ции составляет 12 и 24, что в 2 раза выше, чем в прототипе, Коэффициент пульсации в том и другом случаях уменьшен примерно в 4 раза. Масса, объем и стоимость устанавливаемых в этом случае сглаживающих Фильтров снижаются в единицы раз.

Например, требуемое при проектировании произведение С для разрабатываемого индуктивно-емкостного

Г-образного фильтра снижается примерно в (П/П )4 раз или, при П/Пь=2, примерно в 16 раз, что также является преимуществом устройства.

Кроме того, повышение частотной кратности пульсации повышает каче" ство потребляемой и транспортируемой энергии, снижая уровень нежелательных гармоник в спектрах выходного напряжения и входного тока. В частности, Форма последнего при наличии сглаживающих фильтров индуктивного характера {когда в качестве первого элемента Фильтра в его продольной ветви установлен дроссель) от резко ступенчатой приближается к синусоидальной.. Синусоидальная форма потребляемого тока является, как известно, наиболее выгодной при преимущественяо синусоидальной форме питающих напряжений, поскольку более просто снижает уровень сете- вых индустриальных помех и оптимально обеспечивает наилучший коэффициент искажения и коэффициент ис-. пользования мощности первичного источника энергии.

Так, например, вентильный преобразователь с 12-кратной частотой пульсации и фильтром индуктивного характера, основанный на сочетании двух Фазосдвинутых 6-фазных схем, имеет коэффициент мощности, равный примерно 0,91-0,958. против

0,88-0,915 для преобразователя с

6-кратной частотой пульсации, Несмотря на кажущуюся процентную незначительность такого повышения, оно имеет существенное значение, особенно в автономных (например, на подвижных объектах) системах с мощностью :,, соизмеримой с мощностью потребителя, или в сравнительно мощных энергосистемах.

10357

Переход от преобразователей с низкой частотной кратностью пульсации на преобразователи с повышенной частотой в ряде случаев не требует увеличения капиталовложения, но приводит к снижению эксплуатационных расходов. Экономическая эффективность повышения коэффициента мощности обусловлена снижением по терь. энергии в питающей энергосис" 10 теме за счет уменьшения потоков реактивной мощности, что особенно полезно для упомянутых выше систем.

Так, например, внедрение преобразователей с 12-кратной частотой пульса- 15 ции,вместо преобразователей с 6"кратной частотой на тяговых подстанциях железнодорожного транспорта одного из сибирских регионов обеспечило, по подсчетам специалистов, экономию электроэнергии около 500-600 ИВт- ч в год на каждой из них, что имеет исключительно важное народнохозяйственное значение, особенно в условиях намечающегося кризиса энергоресурсов.

Таким образом, в соответствии с изобретением реализуется мостовой преобразователь переменных напряже55 10 ний в постоянное, в котором достигается снижение уровня пульсации выходного напряжения, а также удвоение ее частоты, что применительно к схемным структурам вентильных преобразователей энергии, основанных на схемнотопологическом построении источников преобразуемых ЭДС по типу "Пра" вильный многогранник", обеспечивает решение важных современных задач в области электропитания по улучшению качества передаваемой и потребляемой энергии, снижению уровня индустриальных помех.;,экономии энергии первичных источников, улучшению мас- со-габаритных показателей сглаживаю.щих фильтров и преобразователя в целом.

При этом положительный эффект достигается без усложнения схемной топологии соединения источников преобразуемых ЭДС и, следовательно, без сопутствующего этому ухудшения коэффициента полезного действия, надежности, массы и объема.

Все это обеспечивает предлагае-. мому преобразователю соответствующий технико-экономический эффект и практическую полезность применения.

Составитель Е.И ельни кова

Редактор M,Ïåòðîâà Техред A.áàáèíåö Корректор, А.Дзятко

Заказ 585.1/57 Тираж 687 . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета CCCP по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. й/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород,удОроектная,