Преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное (варианты)

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может найти применение для питания потребителей постоянного тока. Технический результат заключается в повышении частоты пульсаций в 9 раз в нулевой схеме и в 18 раз в мостовой схеме выпрямления при уменьшении числа вторичных обмоток трансформатора и уменьшении среднего значения анодного тока вентилей. Технический результат достигается тем, что преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащий трехфазный трансформатор с первичной и двумя группами вторичных обмоток, соединенных между собой по схеме шестифазной звезды с нулевой точкой, и вентильные элементы, подключенные к фазам вторичных обмоток, причем к одной из них вентильные элементы подключены по нулевой схеме, снабжен дополнительной группой вторичных обмоток. В одном варианте они так же соединены звездой и каждая фазная обмотка одной группы вторичных обмоток через вентильные элементы соединена с разноименными фазами дополнительной вторичной обмотки, а между нулевыми точками соединения основных вторичных обмоток и дополнительной включена нагрузка. Во втором варианте дополнительная группа вторичных обмоток состоит из шести одинаковых фазных обмоток, по две в каждой фазе, причем каждый из зажимов основной группы вторичных обмоток соединен непосредственно с разноименными зажимами двух фазных вторичных обмоток дополнительной группы, при этом свободные зажимы всех групп вторичных обмоток подключены к входу девятифазной мостовой схемы, к выходу которой подключена нагрузка. При этом в обоих вариантах отношение витков фазной обмотки группы, связанной с дополнительной фазной обмоткой, к виткам фазной обмотки двух других групп равно 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может найти применение для питания потребителей постоянного тока.

Известны преобразователи трехфазного переменного напряжения в постоянное с m-кратной частотой пульсаций выпрямленного напряжения (Каганов И.Л. Электронные и ионные преобразователи, ч.3, М-Л., 1956, с.99-102). Основная трудность при их реализации заключается в получении m-фазного переменного вторичного напряжения, так как сдвиг между векторами вторичных э.д.с. должен быть равен , что и обеспечивает m-фазную частоту пульсаций выпрямленного напряжения.

Известны преобразователи трехфазного переменного напряжения в постоянное с 12-кратной и 18-кратной частотой пульсаций выпрямленного напряжения (Федосеев П.Г. «Выпрямители и стабилизаторы» М.: Искусство, 1960, с.127-128; RU №33276, МПК 7 Н 02 М 7/08, опубл. 10.10.2003).

Недостатком этих преобразователей является сложная схема трансформатора, обусловленная необходимостью получения соответствующего сдвига вторичных фазных напряжений.

Известен преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное с 6-кратной частотой пульсаций, выполненный по схеме две обратные звезды с соединенными нулевыми точками (Каганов И.Л. Электронные и ионные преобразователи, ч.3, М-Л., 1956, с.99-102).

Однако он обеспечивает только 6-кратную частоту пульсаций как в нулевой схеме, так и при подключении этих напряжений к шестиплечей мостовой схеме на 12 вентилях.

Технический результат заключается в повышении частоты пульсаций до 9 в нулевой схеме и до 18 в мостовой схеме выпрямления при уменьшении числа вторичных обмоток трансформатора и уменьшении среднего значения анодного тока вентилей.

Сущность заключается в том, что в первом варианте преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащий трехфазный трансформатор с первичной и двумя группами вторичных обмоток, соединенных между собой по схеме шестифазной звезды с нулевой точкой и вентильные элементы, подключенные к фазам вторичных обмоток одной из двух упомянутых групп по нулевой схеме, снабжен дополнительной группой вторичных обмоток, так же соединенных по схеме звезда, причем каждая фазная обмотка одной группы вторичных обмоток через соответствующий вентильный элемент соединена с разноименными фазами вторичных обмоток дополнительной группы, а между нулевой точкой двух групп вторичных обмоток и нулевой точкой дополнительной группы вторичных обмоток включена нагрузка. Во втором варианте преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащий трехфазный трансформатор с первичной и двумя группами вторичных обмоток, соединенных между собою по схеме шестифазной звезды с нулевой точкой, и вентильные элементы, снабжен дополнительной группой вторичных обмоток, состоящей из шести одинаковых фазных обмоток, по две в каждой фазе, причем каждый из зажимов вторичных обмоток одной из двух групп соединен непосредственно с разноименными зажимами двух фазных вторичных обмоток дополнительной группы, при этом свободные зажимы вторичных обмоток другой группы и дополнительной группы подключены к входу девятифазной мостовой схемы, к выходу которой подключена нагрузка. В обоих вариантах отношение числа витков фазной вторичной обмотки группы, соединенной с фазной вторичной обмоткой дополнительной группы, к числу витков фазных обмоток двух других групп равно

На фиг.1 показан первый вариант выполнения преобразователя трехфазного переменного напряжения в постоянное в соответствии с первым вариантом реализации векторной диаграммы фиг.2. На фиг.3 приведен второй вариант выполнения преобразователя в соответствии со вторым вариантом реализации той же векторной диаграммы фиг.2, а на фиг.4 - диаграммы мгновенных значений результирующих э.д.с. вторичных обмоток, имеющих те же обозначения, что и на векторной диаграмме фиг.2.

Преобразователь (фиг.1) содержит трехфазный трансформатор (первичная обмотка не показана), который состоит из 3-х групп вторичных обмоток, две из которых 1 и 3 соединены в шестифазную звезду. При этом если в обмотках групп 1 и 2 в нулевую точку O₁ и О₂ соединены одноименные зажимы, например концы х, y, z, то в обмотке 3 - противоположные зажимы, т.е. начала. Каждая фазная вторичная обмотка группы 1 через соответствующие вентили соединена с разноименными фазами вторичных обмоток дополнительной группы 2. Так, фазная обмотка ах через вентили 4 и 5 соединена с фазными обмотками b'у' и c'z' дополнительной группы 2, фазная обмотка by через вентили 6 и 7 соединена с фазными обмотками а'х' и c'z', а фазная обмотка cz - через вентили 8 и 9 - с фазными обмотками а'х' и b'у'. Выводы x₁, y₁, z₁ вторичной обмотки группы 3 соединены соответственно с анодами вентилей 10, 11, 12, катоды которых объединены в одну точку и соединены с нулевой точкой О₂ вторичных обмоток 2, которая является одним из выходных зажимов преобразователя. Другой выходной зажим образован соединением нулевых точек O₁ и О₃ обмоток 1 и 3. К выходным зажимам преобразователя подключена нагрузка 13.

Формирование 9-ти пульсного выпрямленного напряжения на нагрузке 13 происходит в соответствии с векторной диаграммой фиг.2, на которой нулевой точке О соответствует O₁ - точка схемы, а векторы, определяющие напряжение на нагрузке, образуют симметричную 9-фазную систему. Допустим, начиная с момента времени t=0, максимальная вторичная э.д.с., действующая в схеме, обусловлена вектором равного сумме э.д.с., определяемых векторами и т.е. Тогда в течение 40 эл.град ток нагрузки I_d будет протекать по пути: вывод «а» вторичной обмотки группы 1, вентиль 4, вторичная фазная обмотка b'y', нагрузка 13, зажим «х» обмотки ах. Через 40 эл.град максимальным становится вектор E_az ^, и напряжение на нагрузке будет обусловлено суммой э.д.с. векторов и т.е. Ток нагрузки при этом будет протекать через вентиль 5 по аналогичному пути. Еще через 40 эл.град максимальным становится вектор и ток нагрузки будет обусловлен э.д.с. обмотки o₃z₁ и будет протекать через вентиль 12 и нагрузку 13. В дальнейшем выпрямленное напряжение на нагрузке будет обусловлено действием через 40 эл.град э.д.с. векторов: - через вентиль 6, - через вентиль 7, E_x1 через вентиль 10, - через вентиль 8, - через вентиль 9 и - через вентиль 11. Как следует из векторной диаграммы фиг.2, каждый из девяти вентилей проводит ток в течение 40 эл.град, а на нагрузке формируется выпрямленное напряжение девятикратной частоты. Таким образом, предложенное устройство позволяет сформировать на нагрузке напряжение с девятикратной частотой пульсаций.

Для увеличения в два раза частоты пульсаций выходного напряжения во втором варианте на основе векторной диаграммы фиг.2 устройство фиг.1 дополняется точно такими же фазными обмотками a'₁x'₁, b'₁y'₁, c'₁z'₁ (фиг.3). При этом каждый вывод фазной вторичной обмотки группы 1 соединяется непосредственно с разноименными выводами двух фазных обмоток группы 2. Так, вывод «а» фазной обмотки ах вторичной обмотки 1 соединяется с выводами b'с' вторичных обмоток группы 2, вывод «b» этой обмотки соединяется с выводами а'₁ и с'₁ обмоток 2, вывод «с» вторичной обмотки 1 - с выводами b'₁ и а' вторичной обмотки 2. Все выводы обмоток 2 и 3 подключены к входу девятиплечей мостовой схемы, выполненной на вентилях 4-21. Катоды вентилей 4-12 соединены между собою и образуют один выходной вывод, а аноды вентилей 13-21 - так же соединены между собою и образуют другой выходной вывод. К этим выводам подключена нагрузка 22.

Работу преобразователя можно проследить по диаграммам мгновенных значений фазных э.д.с. фиг.4 вторичных обмоток 1, 2 и 3 - трансформатора, соответствующих результирующим э.д.с., показанным на векторной диаграмме фиг.2, в которой векторы, определяющие напряжение на нагрузке, образуют симметричную 9-фазную систему. При этом ток проводит в катодной группе вентиль, потенциал анода которого является максимальным, а в анодной группе вентиль, потенциал катода которого имеет наиболее низкое значение. Так, с момента t=0 (фиг.4) максимальной является э.д.с. e_ау', а минимальной е_bx', имеющая отрицательное значение. В связи с этим ток нагрузки будет протекать по цепи: зажим «а» вторичной обмотки 1, зажим b' вторичной фазной обмотки b'у' группы 2, вентиль 8, нагрузка 22, вентиль 15, обмотка x'₁a'₁ и обмотка by. В момент времени t=t₁ наиболее отрицательной становится э.д.с. e_x1, происходит коммутация тока с вентиля 15 на вентиль 19, и ток в анодной группе уже будет протекать по цепи: вентиль 19, обмотка x₁o₁ группы вторичных обмоток 3 и провод o₁o. С момента времени t₂ наиболее положительной становится э.д.с. e_az', и происходит коммутация тока с вентиля 8 на вентиль 9, и ток нагрузки будет протекать от фазной обмотки ах вторичных обмоток 1, обмотку c'z', вентиль 9, нагрузку 22 и продолжающий работу вентиль 19. В момент t₃ наиболее отрицательным становится э.д.с. е_сх', и ток нагрузки переходит с вентиля 19 на вентиль 13. Далее процесс коммутации продолжается в соответствии с диаграммой мгновенных значений фиг.4. Ординаты выпрямленного напряжения u_d построены по разности максимального и минимального мгновенных значений э.д.с., показаны на интервале t₃÷t₂ на фиг.4 при e_az' и e_x1 штриховыми линиями. Частота пульсаций соответствует 18-кратной, длительность протекания тока через каждый из вентилей равна периода, т.е. 40 эл.град, в соответствии с чем среднее значение тока вентиля равно (I_d - ток нагрузки). Как следует из векторной диаграммы (фиг.2), отношение витков дополнительной фазной обмотки группы 2 к виткам фазной обмотки группы 1 и 3 соответственно равно Т.е. если принять число витков обмотки а'х'группы 2 за 1, то число витков фазной обмотки ах группы 1 будет равно а число витков фазной обмотки x₁a₁ группы 3 равно Таким образом, устройство во втором варианте фиг.3 позволяет сравнительно простым путем получить 18-кратную частоту пульсаций выходного напряжения при отсутствии потоков вынужденного намагничивания трансформатора и уменьшении потерь в вентилях.

Проводилось моделирование устройства по обоим вариантам. Моделирование подтвердило работоспособность устройства по обоим вариантам: получена девятикратная частота пульсаций в первом варианте и восемнадцатикратная частота во втором варианте. При этом длительность протекания анодного тока так же соответствовала 40 эл.град.

1. Преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащий трехфазный трансформатор с первичной и двумя группами вторичных обмоток, соединенных между собой по схеме шестифазной звезды с нулевой точкой, и вентильные элементы, подключенные к фазам вторичных обмоток одной из двух упомянутых групп по нулевой схеме, отличающийся тем, что преобразователь снабжен дополнительной группой вторичных обмоток, также соединенных по схеме звезда, причем каждая фазная обмотка другой группы вторичных обмоток через соответствующий вентильный элемент соединена с разноименными фазами вторичных обмоток дополнительной группы, а между нулевой точкой двух групп вторичных обмоток и нулевой точкой дополнительной группы вторичных обмоток включена нагрузка.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что отношение числа витков фазной вторичной обмотки группы, соединенной с фазной вторичной обмоткой дополнительной группы, к числу витков фазных обмоток двух других групп равно

3. Преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащий трехфазный трансформатор с первичной и двумя группами вторичных обмоток, соединенных между собою по схеме шестифазной звезды с нулевой точкой, и вентильные элементы, отличающийся тем, что преобразователь снабжен дополнительной группой вторичных обмоток, состоящей из шести одинаковых фазных обмоток по две в каждой фазе, причем каждый из зажимов вторичных обмоток одной из двух групп соединен непосредственно с разноименными зажимами двух фазных вторичных обмоток дополнительной группы, при этом свободные зажимы вторичных обмоток другой группы и дополнительной группы подключены к входу девятифазной мостовой схемы, к выходу которой подключена нагрузка.

4. Преобразователь по п.3, отличающийся тем, что отношение числа витков фазной вторичной обмотки группы, соединенной с фазной вторичной обмоткой дополнительной группы, к числу витков фазных обмоток двух других групп равно