Преобразователь переменного напряжения в постоянное

 

1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ, содержащий шестиячейковый вентильный мост и трехфазный трансформато вентильные обмотки которого разде|лены в каяСпой фазе на две секции, первые секции фаз соединены в треугольник и снабжены каждая отводом делявшм ее на малую и большую части , вторая секция одной из фаз одним . своим выводом подключена к отводу первой секции смежной фазы в порядке их индексного чередования и согласно с большей частью первой секции, другие выводы вторых секций и выводы первых секций подключены посредством шести линий к входам по переменному току вентильного моста, выводы которого по постоянному току образуют выходные выводы, отличающийся тем, НТО, с целью улучшения энергетических и качественных показателей путем повыаения выходного напряжения, снижения уровня его низкочастотной модуляции, числа витков малой и большой .частей каждой первой секции вентильных обмоток установлены в соотношении

(19) (П) СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

«")

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPGHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3475133/24-07 (22) 30.07.82 (46) 30.02.84. Бюл. В 4 (72) A.М.Репин (53) 621.314.6(088.8) (56) 1. Розанов Ю.К. Основы силовой преобразовательной техники. М., "Энергия", 1979, с.81, рис.2.22 а,б.

2. Патент СЧА В 3.026.467, кл. 321-5, 1962.

3. Краус Л.A. и др. Проектирование стабилизированных источников электропитания радиоэлектронной аппаратуры. М., Энергия, 2980, с.159, рис.7.14 °

4. Авторскее свидетельство СССР

9 748.728, кл. Н 02 М 7/06, 1976.

5. Авторское свидетельство СССР

9 &58.187, кл. Н 02 М 7/06, 1978. (54)(57) 1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННО2 О НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ, содержащий шестиячейковый вентильный мост и трехфазный трансформатор, вентильные обмотки которого разде лены в каждой фазе на две секции, .первые .секции фаз соединены в треугольник и снабжены каждая отводом, делящим ее на малую и большую части, вторая секция одной из фаз од-ним. своим выводом подключена к отводу первой секции смежной фазы в порядке их индексного чередования и согласно с большей частью первой секции, другие выводы вторых секций и выводы первых секций подключены посредством шести линий к входам по переменному току вентильного моста, выводы которого по постоянному току образуют выходные выводы, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью улучшения энергетических и качест» венных показателей путем повышения выходного напряжения, снижения уровня его низкочастотной модуляции, числа витков малой и большой частей Я каждой первой секции вентильнык обмоток установлены в соотношении (1- ГЗ/3) /2: (2+13/3) /2, число витков каждой второй секции вентильных обмоток относится к числу витков первой секции, как ГЗ/3:1, при этом Я. вторые секции вентильных обмоток подключены к их первым секциям в порядке прямого их индексного чередования, а магнитопровод трансформатора выполнен пространственным.

1070669

2. Преобразователь:по.п.1, о т л и ч а ю шийся тем, что шестиячейковый вентильный мост разделен на два трехячейковых вентильных моста, которые подключены соответст1

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве вторичного источника электропитания, преимущественно при от" носительно повышенных токах потреблении и напряжении нагрузки, заметно превышающем (примерно на порядок) падение напряжения на преобразовательном элементе, что влияет на КПД устройства. 10

Известны мостовые преобразователи с 12-кратной частотой пульсации, содержащие группу вентилей и два либо один трехфазный трансформатор, сетевые обмотки которых соединены в звезду и треугольник, либо в звезду или треугольник, а их вентильные обмотки, разделенные в каждой фазе на две или четыре секции, соединены соответственно в две прямые трехлучевые звезды, либо в звезду и треугольник либо в два неравноплечных зигзага — левый и правый. Эти соединения подключены посредством шести линий к двум трехячейковым вентильным мостам, образованным упомянутыми вентилями, которые с целью перераспределения тока нагрузки включены между собой параллельно однополярно, причем либо непосредственно, либо через ЗО один или два уравнительных реакто" ра С13» С23 и Е33.

Указанные преобразователи обеспечивают расщепление тока нагрузки но отдельным параллельным преобразовательным ячейкам и, как следствие, воэможность применения более слабо-. точних и менее мощных элементов по сравнению с нерасщепленными вариантами, а также получение сравнитель- 4О но высокой (теоретически 12-кратной) частоты пульсации выходного напряжения нри относительно низком ее уровне, что позволяет существенно улучшнгь массогабаритные и стоимостные пока..атели (МГСП) сглаживающих 45 фильтров, упростить средства стабилизации напряжения и защиты от создаваемых преобразователем помех, улучшить коэффициент первичного источника-; тем самым обеспечить более 50 экономное потребление. епоээнергии.

Недостатками укаэанних устройств является наличие уравнительных реаквенно к первым и вторым секциям обмоток н соединены, между собой по цепи постоянного тока через индуктивности, эашунтированные конденсатором.

2 торов,.потребляющих до 10-20% мощности источника и двух либо одного с повышенной мощноствю трехфазных трансформаторов, либо сравнительно большое число витков вентильных обмоток при относительно повышенной мощности силового трансформатора, приводящей к увеличению ИГСП устройства.

Если в качестве базового числа витков принять некоторое число витков с амплитудой напряжения на них, равной амплитуде выходного напряжения, то суммарное витковое число в указанных устройствах составляет % с, = Ф /Ф = 4, 732, что не является мйнимальнйм.

Кроме того, укаэанные устройства не позволяют получить выходное напряжение больше амплитуды переменной

ЭДС» формируемой на секции вентильных обмоток, соединенных в треугольник.

Известен преобразователь с

12-кратной частотой пульсации, содержащий трехфазный трансформатор, вентильные обмотки которого разделены в каждой фазе на две секции при соотношении их чисел витков

1»)3/3» первые секции фаз (с большим числом витков) соединены в треугольник и снабжены каждая отводом, делящим их на малую и большуа части в соотношении (1-ГЗ/3) ФЗ/3» вторая секция одной из фаэ одним своим выводом подключена к отводу первой секции смежной фазы в порядке прямого их индексного чередования и встречно с большей частью первой секции. Нри этом другие выводы вторых секций и выводы первых секций подключены посредством шести линий к..шестиячейковому вентильному мосту, выводы которого по постоянному току образуют выходы устройства 4 g.

Однако данное устройство при сравнительно большом суммарном числе витков вентильных обмоток (% =4»732)» имеет несколько более усложненный монтаж и повышенную габаритную (вольт-амперную) мощность).

Известен мостовой преобразователь переменных напряжений в постоянное с 12-кратной частотой пульсации, 1070669

25 содержащий шестиячейковый вентильный мост и трехфазный трансформатор, вентильные обмотки которого разделены в каждой фазе на две секции, первые из них соединены в треугольник и снабжены каждая отводом, де- 5 лящим их на малую и большую части, вторая секция одной из фаэ одним своим выводом подключена к отводу первой секции смежной фазы в порядке их индексного чередования и согласно с большей частью первой секции, другие выводы вторых секций и выводы первых секций подключены посредством шести линий к выводам йо переменному току упомянутого

15 вентильного моста, выводы которого по постоянному току образуют выходные выводы Г5 3.

При этом первая и вторая секции разных фаз соединены между собой в обратном порядке их индексного

20 чередования, число витков второй секции каждрй фазы обмоток относительно числа витков первой их секции установлено в соотношении (2/УЗ-1):l, а число витков малой и большой частей каждой первой секции относятся между собой как (1-УЗ/3) ДЗ/3.

Однако известное устройство не позволяет получить выходное напря- 30 жение, превышающее амплитуду ЭЦС секции обмоток, соединенных в треугольник, вследствие чего при заданном выходном напряжении напряжение на этих секциях (число витков 35 на каждой из них) оказывается сравнительно повышенным.

Кроме того, в случае применения плоского магнитопровода вследствие присущей такой..системе асимметрии 40 магнитной цепи, проявляется неже.лательное явление низкочастотной модуляции выходного напряжения, приводящее к росту массы, объема, стоимости сглаживающих фильтров, до- 45 полнительному расходу мощности и ценных материалов, ухудшению КПД и качества потребляемой энергии,ухудшающего ее полезное использование.

Цель изобретения — улучшение энергетических и качественных показателей путем повышения выходного напряжения, снижение уровня его низкочастотной модуляции.

Поставленная цель достигается еем что в преобразователе переменного напряжения в постоянное, содержащем шестиячейковый вентильный мост и трехфазный трансФорматор, вентильные обмотки которого разделены в каждой фазе на две секции, 60 первые секции фаз соединены в треугольник и снабжены каждая отводом, делящим ее на малую и большую части, вторая секция одной из фаз одним своим выводом подключена к отводу первой секции смежной фазы в порядке их индексного чередования и согласно с большей частью первой секции, другие выводы вторых секций и выводы первых секций подключены посредством шести линий к входам по переменному току вентильного моста, выводы которого по постоянному току образуют выходные выводы, числа витков малой.и .большой частей каждой первой секции вентильных обмоток установлены в соотношении (1-ГЗ/3) /2:(1+Л/3) /2, число витков каждой второй секции вентильных обмоток относится к числу витков первой секции как 3 3/3:l при этом вторые секции вентильных обмоток подключены к их первым секциям в порядке прямого их индексного чередования, а магнитопровод транс" форматора выполнен пространственным.

Кроме того, шестиячейковый вентильный мост разделен на два трехячейковых вентильных моста, которые подключены соответственно к первым и вторым секциям обмоток и соединЕны мЕжду собой по цепи постоянногб тока через идуктивности, зашунтированные конденсатором.

На фиг.l представлена принципиальная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 и 3 — векторные диаграыиы, поясняющие принцип формирования токообразующих ЭДС в фаэовой плоскости1 на фиг.4 — схемный вариант устройства при соединении вентильных мостов через индуктивности с шунтирующим конденсатором.

Преобразователь (фиг.l) содержит группу 1-12 вентилей, собранных. в шестиячейковый вентильный мост 13, выводы которого по постоянному току образуют выходные выводы 14 и 15 устройства с подключенной к ним нагрузкой 16. Выводы вентильного моста 13 по переменному току соединены посредством шести линий 17 с вентильными обмотками 18 трех однофазных или одного трехфазного трансформатора. Их сетевые обмотки (фиг.l, не скаааны ) могут быть соединены в любую известную схему, и предлагаемое устройство не будет критичным. Линии 19 и 20 - часть линий 17, а,в,с — Фазы трансФорматора

Вентильные обмотки 18 в каждой фазе разделены на две секции - первую (а 1, Ь l с 1) и вторую(а 2, Ь 2, с 2). Первые секции соединены в треугольник и снабжены в каждой фазе отводом (а 3, Ь 3, с 3), целящим их на две части — малую (а Зх1, Ь 3 у 1, с 3 z 1) и большую (аЗаl, в Зв l, сЗс 1).

Согласно с большей частью к отводуа3 (ЬЗ, c3) секцииа l (bl с 1) данной фазы подключена вто1070669

60 рая секция Ь 2 (с 2, а 2) смежной фазы с прямым их порядком чередова- . ния.

Другие трн вывода х 2, у 2, г 2 вторых секций, а также три вывода первых секций в точках нх соедине- 5 ння в треугольник подключены посредством шести линий 17 к соответ ствующей вентильной ячейке шестиячейкового вентильного моста 13,.

Число витков второй секции к чис- )0 лу витков первой секции, а также числа витков малой и большой частей последней могут быть установлены в каждой фазе в соотношениях ,ГЗ/3:1 и (1-МЗ/3) /2::(1+УЗ/3) /2 или примерно 0,58ф1 и 0,21:0,79.

В этом случае на нагрузке 16 формируется пульсирующее знакопостоянное напряжение U с кратностью П час тоты пульсации,равной 12, при ее полупериоде 6= л /Л, равном 15 . Постоянная составляющая Оо выходного напряжения Цо, равная (эХпе) 8=

=(sinl5 ) . Х/12 0.,9886 относительно его амплитуды М,д, составляет преимущественную часть по сравнению с переменной составляющей, амплитуда первой гармоники которой относительно 0д теоретически равна 1,4%, а ее полный размах - 3,45%. Этим улучшаются массогабаритные и стои- 30 мостные показатели (МГСП) сглаживающего фильтра предлагаемого устройства.

Устройство работает следующим образом. 35

Под действием переменных ЭДС обмоток 18 между каждой парой линий 17 формируются разные по амплитуде и сдвинутые по фазе относитель- но друг друга линейные ЭЦС. Однако 40 иэ всего разнообразия таких ЭДС, обусловленного различными сочетаниями любых двух возможных линий 17 из общего их числа, равного шести, не все из них вызывают открытие вен- 45 тилей 1-12, Следовательно, не любые

ЭДС, образованные между какой-либо парой линий 17, создают ток в нагрузке 16. Открываются лишь те два вентиля моста 13 - но одному из иатодной (нечетные номера) и анодной /четные номера) их групп разных веитильных ячеек — значение ЭЦС между парой линий которых в данный момент наибольшее. На векторной диаграмме (фиг.2) такие ЭДС соответствуют расстояниям (диагоналям) между наиболее удаленными друг от друга точками разных векторов.

Диагональные ЭДС и образуют ток нагрузки.

Из фиг.2 следует, что устройстso (@нг.l) создает две системы токообраэующих ЭДС. Одна из них с фазовым сдвигом ЭДС в 120 эл.град относительно друг друга формирует- 65 ся тремя диагональными ЭЦС а 1 х 2, в 1 у 2, с 1 г 2, показанными на фиг.2 пунктиром. Диагональные ЭЦС образуются геометрическим сложением соответствующих ЭЦС различных частей обмоток 18. Так, вектор а 1 х 2 представляет собой сумму векторов а 2 х 2, с 1 с 3,,а 3 х 1; вектор в 1 у 2 - сумму векторов в 2 у 2, а 1 а 3, в 1 у 1; вектор х 1 z 2 сумму векторов с 2 z 2, в 1 в 3, сlz l.

Под действием диагональной ЭДС а 1 х 2 открываются вентили 1 и 2, и через нагрузку 12 протекает ток.

Контур токопрохождения (фнг.l) содержит следующие элементы: фаза а 1 - линия 19 - вентиль 1 — вывод

14 - нагрузка 16 — вывод 15 - вентиль 2 — линия 20 — секция а 2 — фаза с 3 и две параллельные цепи, одна из которых содержит часть с 1 с 3 секции с 1 и секцию а 1, а другая цепь содержит часть с 3 z 1 секции с 1 и секцию b 1.

Аналогичные контуры токопрохождения при циклическом изменении состава элементов создают остальные две диагональные ЭДС (в 1 У 2 и с 1 г 2).

Диагональные ЭДС (дЭЦС) после выпрямления посредством вентилей

1 и 2; 5 и б; 9 и 10 формируют на нагрузке 16 пульсирующее напряжение, векторы которого, показанные в фазовой плоскости на фиг.3, обозначены как 5, 5g., S> ° При выпрямлении тех же дЭЦС посредством вентилей 7 и 8; ll и 12; 3 и 4 создается противоположная система вектоРов 5 5 „, 9З . В скобках указаны проводящие вентили и секции обмоток.

Другая система токообразующих ЭЦС обеспечивается диагональными ЭДС г 2 х 2, х 2 у 2, у 2 z. 2 (Фиг ° 1 и 2) °

Эти дЭЦС также сдвинуты на

120 эл.град. относительно друг друга и, кроме того, сдвинуты на

30 эл.град. по отношению к предыду" щей системе (фиг.2). После их выпрямления посредством вентилей 3 н 2;

7 и б; 11 и 10, а также вентилей

3 и б; 7 и 10; ll и 2 на выходе создается пульсирующее напряжение, векторы которого в фазовой плоскости показаны на фиг.3 векторами

4 96 щ 8 912, 5, . Общее число векторов & равно 12 (М=1,12), а их Фазовый сдвиг относительно друг друга составляет 30 °

Таким образом, огибающая выходного напряжения содержит за период

ЭДС 12 периодов переменной/ составляющей (диаграмма показана на фиг.З точками). Частота пульсации тем самым увеличена в 12 раэ по сравнению с частотой.преобразуемых

ЭДС и, следовательно, частотная крат1070669

45 ность пульсации равна 12 (П =12).

Длительность ц половины периода пульсации составляет 9 180/П = 15О, что совпадает с прототипом.

Вентили 1,4,5,8,9 и.12,подклю-. ченные к первым секциям а 1, Ь 1, .с 1, вентильных обмоток 18, проводят ток 30 эл.град. (при активном или индуктивном характере нагрузки без учета явления коммутации), и среднее значение этого, тока по 10 отношению к току нагрузки 1 составляет 1/12 часть, что в два раза меньше по сравнению с известными, в результате чего по отношению к последним потери мощности в полови- 15 не вентилей снижены в два раза при равноценных выходных параметрах, а КПЦ устройства повышен.

Другие шесть вентилей 2,3,6,7, 10 и 11, подключенные к вторым сеКциям а 2, Ь 2, с 2, проводят ток

90 эл.град., а.среднее значение этого .тока равно l /4, что совпадает с прототипом.

Предлагаемое устройство обеспечивает в 1,37 раза больше выход25 ное напряжение при одинаковом в них напряжении на первых секциях обмоток, соединенных в треугольник, что следует из сопоставления вектора е 1 х 2. на фиг.2 (модуль которого соответствует амплитуде U выходного напряжения устройства) с вектором а 1 х 1 отражающего напряжение на секции а 1 и амплитуду U p „ выходного напряжения прототипа (при установленных в нем соотношениях витков секции и отводов) .

При обеспечении заданного (одинакового с прототипом) напряжения на нагрузке напряжение на каждой 40 из указанных секций (число их витков) оказывается в предлагаемом устройстве в 1,37 раза меньше, что имеет важное значение для уменьшения сопротивления и потерь в них.

Токи через первые секции вентильных обмоток в устройстве протекают все 360 эл.град., что рав ноценно с прототипом, но в два раза превышают длительность тока. Токи через вторые секции в устройстве протекают 180 эл.град., что в !

l,5 и соответственно в 3 раза больше. При этом значения этих токов снижены в устройстве вследствие выше показанного перераспределения тока нагрузки по параллельным цепям, а также уменьшения напряжения обмоток н их мощности, что улучшает массу, габариты, стоимость трансФорматорного блока и устройства преобразования энергии в целом.

По амплитуде обратного напряжения на. вентилях, определяющей их вентильную прочность (надежность) и равной амплитуде выходного напряжения (практически его среднему зна-. чению), рассмотренные решения равноценны. Следовательно, несмотря на обеспечение в предлагаемом устройстве более высокого напряжения на нагрузке, чем, в известных решениях, в нем не требуется при заданном выходном напряжении, устанавливать дополнительные вентили последовательно с основными в каждом вентильном плече моста 13, что повышает надежность устройства и его КПД.

Магнитопровод трансформатора выполняется пространственным, что устраняет асимметрию магнитной цепи, присущую плоскому магнитопроводу устраняет, либо существенно снижает нежелательную низкочастотную мо дуляцию выходного напряжения, улучшает массу, объем, стоимость сглаживающих фильтров. При этом практически отпадает необходимость варьирования витками сетевой и вентильной обмоток, расположенных на среднем стержне, выполнения для этих целей дополнительных (симметрирующих) отводов, трудоемкого их подбора опытным путем.

Вместе с тем, возможно включение магнитно связанных или несвязанных между собой индуктивностей 21, эашунтированных либо не зашунтированных конденсатором 22 (Фиг.4) в цепь постоянного тока трехячейковых вентильных мостов 23 и 24, соединенных посредством линий 17 с первыми и вторыми секциями обмоток 18.

Индуктивности 21 позволяют перераспределить нагрузочный ток по отдельным мостам, а конденсатор 22— улучшить в элементах циркуляцию энергии, а также качество потребляемой (преобразуемой) энергии.

1070669 1(11 ; gg)

Cftt4tfzJ!f" " pe(Eel;gp)

К (Лз(га1; ц (аД1,. ) !. - --;: (щ (yzz(;igni,. - / ю,, е

s .. у 3,"" Ь(йц ; ц (t172; sly) ..". к

<8 "" ф(Г2у ; ygJ ®(ear; щ

irê ið. sp

Рие.8 ха =Ж

Щи.g

Заказ 11700/52 Тираж бб7;, Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент ., r. ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель Е.Мельникова

Редактор Н.Ковалева Техред И,Метелева Корректор, М. Демчик