Источник постоянного тока с 18-кратной частотой пульсации

Источник постоянного тока с 18-кратной частотой пульсации предназначен для преобразования переменного напряжения в постоянное для питания тяговых нагрузок электрического транспорта и электротехнологических установок на постоянном токе. Содержит три источника симметричных трехфазных систем ЭДС (на схеме не приведены), одноименные векторы напряжений которых последовательно сдвинуты по фазе на двадцать электрических градусов, и двадцать семь вентилей, из которых сформированы две шестивентильных звезды (анодная и катодная) и два шестивентильных кольца, вентили в каждом из которых соединены только одноименными электродами. Точки соединения анодов пар вентилей одного кольца соединены с точками соединения катодов соответствующих пар вентилей второго кольца и к каждому образовавшемуся при этом узлу подключены аноды соответствующих вентилей катодной звезды и катоды соответствующих вентилей анодной звезды, а также выводы фаз источника первой симметричной трехфазной системы ЭДС; к незадействованным точкам соединения анодов пар вентилей одного кольца присоединены катоды соответствующих незадействованных вентилей анодной звезды и фазные выводы источника второй трехфазной системы ЭДС, векторы напряжений которой опережают одноименные векторы напряжений первой системы ЭДС на двадцать электрических градусов, а также аноды вентилей, катоды которых соединены с незадействованными точками соединения катодов соответствующих пар вентилей другого шестивентильного кольца, к которым также присоединены выводы фаз источника третьей трехфазной системы ЭДС, векторы напряжений которой отстают от одноименных векторов напряжений первой системы ЭДС на двадцать электрических градусов, и аноды соответствующих вентилей катодной звезды, причем общая точка соединения вентилей анодной звезды образует один выходной вывод устройства, а общая точка соединения вентилей катодной звезды образует другой выходной вывод устройства. Технический результат: предложенный источник постоянного напряжения имеет более высокий КПД и более простой в изготовлении. 3 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к электротехнике и силовой преобразовательной технике и может быть использовано в качестве преобразователя переменного тока в постоянный ток для питания тяговых нагрузок электрического транспорта, питания электротехнологических и других установок.

Известен источник постоянного тока с 18-кратной частотой пульсации, построенный по 18-фазной двухтактной последовательной схеме [Размадзе Ш.М. Преобразовательные схемы и системы. Изд. «Высшая школа», 1967. - 527 с.].

Недостатком источника постоянного тока, построенного по последовательной схеме, является большое число вентилей, последовательно обтекаемых током нагрузки, что приводит к пропорциональным этому числу потерям активной мощности в вентильной конструкции и снижает КПД преобразователя в целом.

Известен также источник постоянного тока с 18-кратной частотой пульсации, построенный по 18-фазной двухтактной параллельной вентильной схеме с уравнительным реактором или без уравнительного реактора [Размадзе Ш.М. Преобразовательные схемы и системы. Изд. «Высшая школа», 1967. - 527 с.].

Недостатком источника постоянного тока, построенного по параллельной схеме, является большая величина установленной мощности трансформаторного оборудования, уменьшаемая только при введении в схему уравнительного реактора, что снижает КПД источника.

Наиболее близким к изобретению, принятым за прототип, является источник постоянного тока с 18-кратной частотой пульсации [А.с. СССР №729777. Преобразователь m - фазного переменного напряжения в постоянное. / Ю.В.Потапов - 1966796 / 24-07; заявл. 25.10.73; опубл. 25.04.80; бюл. №15], содержащий три источника симметричных трехфазных систем ЭДС, одноименные векторы напряжений которых последовательно сдвинуты на двадцать электрических градусов, и тридцать шесть вентилей, из которых сформировано три, имеющих две общие группы вентилей, мостовых выпрямителя, каждый из которых по цепи переменного тока подсоединен к одной из групп входных выводов, причем к одному из электродов каждого вентиля общей группы одноименными электродами подключены дополнительные вентили, образующие вместе с основными вентилями общей группы шесть звезд, а общее число вентилей этой группы равно девяти.

Недостатками данного источника являются относительно невысокий КПД из-за потерь мощности в четырех вентилях, последовательно обтекаемых током нагрузки, и технологическая сложность изготовления из-за большого числа применяемых для построения конструкции вентилей, которое равно тридцати шести.

Задача изобретения - создание источника постоянного тока с 18-кратной частотой пульсации, имеющего более высокий КПД и более простого в изготовлении.

Указанная задача достигается тем, что источник постоянного тока с 18-кратной частотой пульсации содержит три источника симметричных трехфазных систем ЭДС, одноименные векторы напряжений которых последовательно сдвинуты по фазе на двадцать электрических градусов, и двадцать семь вентилей, из которых сформированы две шестивентильных звезды, анодная и катодная, и два шестивентильных кольца, причем вентили в каждом кольце соединены одноименными электродами, а каждая из трех точек соединения анодов вентилей одного кольца соединена с одной из незадействованных точек соединения катодов вентилей второго кольца и к каждому образовавшемуся при этом узлу подключены пара незадействованных вентилей анодной и катодной звезд, один, принадлежащий анодной звезде, подключен катодом, другой, принадлежащий катодной звезде, подключен анодом, а также один из выводов источника первой трехфазной системы ЭДС, при этом к каждой незадействованной точке соединения анодов одного из шестивентильных колец присоединены катод одного из трех незадействованных вентилей анодной звезды и один из выводов источника второй трехфазной системы ЭДС, векторы напряжений которой опережают одноименные векторы напряжений первой системы ЭДС на двадцать электрических градусов, имеющий наименование, отличающееся от наименований выводов источника первой системы ЭДС, которые соединены с катодами вентилей, образующих каждую из данных незадействованных точек соединения анодов, а также анод одного из трех, оставшихся незадействованными вентилей, катод которого соединен с незадействованной точкой соединения катодов другого шестивентильного кольца, к которой также присоединены один из выводов источника третьей трехфазной системы ЭДС, векторы напряжений которой отстают от одноименных векторов напряжений первой системы ЭДС на двадцать электрических градусов, наименование которого отличается от наименований выводов источника второй трехфазной системы ЭДС, которые подключены к анодам вентилей, образующих данную незадействованную точку, и анод одного из трех незадействованных вентилей катодной звезды, причем общая точка соединения вентилей анодной звезды образует один выходной вывод устройства, а общая точка соединения вентилей катодной звезды образует другой выходной вывод устройства.

На Фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого источника; на Фиг.2 - волновые диаграммы напряжений трехфазных систем ЭДС и кривая выпрямленного напряжения; на Фиг.3 - векторные диаграммы напряжений трехфазных систем ЭДС.

Источник постоянного тока с 18-кратной частотой пульсации (Фиг.1) содержит три источника симметричных трехфазных систем ЭДС (на схеме не приведены), одноименные векторы напряжений которых последовательно сдвинуты по фазе на двадцать электрических градусов и которые представлены выводами 1а, 1в, 1с; 2а, 2в, 2с; 3а, 3в, 3с, и двадцать семь вентилей 4...30, из которых сформированы две шестивентильных звезды, анодная (вентили 4, 7, 12, 18, 20, 27) и катодная (вентили 6, 10, 15, 17, 24, 26), и два шестивентильных кольца, вентили в каждом из которых соединены только одноименными электродами: одно кольцо, состоящее из вентилей 9, 14, 19, 23, 28, 30, и второе - из вентилей 5, 12, 16, 21, 25, 29; при этом точки соединения анодов пар вентилей (16, 21; 25, 29; 5, 12) одного кольца соединены соответственно с точками соединения катодов пар вентилей (28, 30; 9, 14; 19, 23) второго кольца и к каждому образовавшемуся при этом узлу подключены соответственно аноды вентилей 15, 24, 10 катодной звезды и катоды вентилей 4, 12, 20 анодной звезды, а также выводы 1в, 1с, 1а источника первой симметричной трехфазной системы ЭДС; к незадействованным точкам соединения анодов пар вентилей 9, 30; 14, 19; 23, 28 одного кольца присоединены соответственно катоды незадействованных вентилей 18, 27, 7 анодной звезды и выводы 2а, 2в, 2с источника второй трехфазной системы ЭДС, векторы напряжений которой опережают одноименные векторы напряжений первой системы ЭДС на двадцать электрических градусов, а также аноды вентилей 8, 13, 22, катоды которых соединены с незадействованными точками соединения катодов соответственно пар вентилей 5, 29; 12, 16; 21, 25 другого шестивентильного кольца, к которым также присоединены выводы 3в, 3с, 3а источника третьей трехфазной системы ЭДС, векторы напряжений которой отстают от одноименных векторов напряжений первой системы ЭДС на двадцать электрических градусов, и аноды вентилей 17, 26, 6 катодной звезды, причем общая точка 31 соединения вентилей анодной звезды образует один выходной вывод устройства, а общая точка 32 соединения вентилей катодной звезды образует другой выходной вывод устройства.

Работа устройства (Фиг.1) иллюстрируется волновыми диаграммами напряжений трехфазных систем ЭДС (Фиг.2) и алгоритмами работы источников и включения вентилей, приведенными в таблице.

Таблица
Пульсация	Индексы линейных напряжений	Номера вентилей
S1	-1в*1а→ -3в*3а	4, 5, 6
S2	-2с*2а→ -3в*3а	7, 8, 6
S3	-2с*2а→ -1с*1а	7, 9, 10
S4	-1с*1с→ -3с*3а	11, 12, 6
S5	-2с*2в→ -3с*3а	7, 13, 6
S6	-2с*2в→ -1с*1в	7, 14, 15
S7	-1с*1в→ -3с*3в	11, 16, 17
S8	-2а*2в→ -3с*3в	18, 13, 17
S9	-2а*2в→ -1а*1в	18, 19, 15
S10	-1а*1в→ -3а*3в	20, 21, 17
S11	-2а*2с→ -3а*3в	18, 22, 17
S12	-2а*2с→ -1а*1с	18, 23, 24
S13	-1а*1с→ -3а*3с	20, 25, 26
S14	-2в*2с→ -3а*3с	27, 22, 26
S15	-2в*2с→ -1в*1с	27, 28, 24
S16	-1в*1с→ -3в*3с	4, 29, 26
S17	-2в*2а→ -3в*3с	27, 8, 26
S18	-2в*2а→ -1в*1а	27, 30, 10

Из волновых диаграмм видно, что в положительный полупериод напряжения u_2a вывод фазы 2а должен быть развязан с минусовым зажимом устройства вентилем 18, подключенным к данной фазе катодом, а также соединен вентилями 30, 9, 8, включенными в прямом направлении, с выводами фаз 1в, 1с, 3в. Изучение нескольких состояний систем напряжений во времени по волновым диаграммам (Фиг.2) позволяет определить порядок чередования рабочих интервалов трехфазных симметричных систем напряжений, подключенных к вентильной конструкции. Например, при формировании результирующего напряжения первой пульсации S1 наибольшую величину векторов линейных напряжений, складываемых из векторов фазных напряжений -u_1в, u_1a и -u_3в, u_3а, имеют, соответственно, первая и третья системы симметричных трехфазных напряжений, что отмечено на волновых диаграммах указательными метками. Во втором столбце таблицы указаны индексы линейных напряжений, действующих при формировании пульсаций, а в третьем столбце приведены номера вентилей, включенных при действии данных напряжений. При формировании первой пульсации включены вентили 4, 5, 6. Далее нумерация вентилей на принципиальной схеме (Фиг.1) соответствует порядку их включения в преобразовательный процесс, причем при каждой смене пульсаций коммутируют две или три пары вентилей.

Исходя из анализа волновых диаграмм лучи (обмотки) эквивалентных трехфазных звезд, замещающих вентильные обмотки трансформатора (трансформаторов) реально выполненных источников симметричных трехфазных ЭДС, находятся в токопроводящем состоянии 160 эл. град. Длительность работы вентильных обмоток реального трансформатора (трансформаторов) определяется по схеме формирования линейных напряжений при конкретном исполнении обмоток. Векторные диаграммы напряжений трехфазных систем ЭДС на Фиг.3 представлены в виде эквивалентных трехфазных звезд. На этой же фигуре показан принцип формирования результирующих напряжений на примере пульсаций S1, S2, S17, S18.

Схемотехника вентильной конструкции предлагаемого источника основана на кольцевых построениях (Фиг.1). Конструкция состоит из двух шестивентильных колец. Кольца связаны друг с другом тремя непосредственными соединениями и группой из трех вентилей (8, 13, 22). Все узлы конструкции (кроме узлов, образующих выходные выводы) соединены с выводами источников трехфазных систем ЭДС непосредственно, а также с нагрузкой через вентили анодной и катодной групп вентилей, шесть из которых соединены в ячейки из двух последовательно включенных вентилей и проводят ток 40 эл. град. за период сетевого напряжения, а остальные вентили этих групп проводят ток 80 эл. град.

Исходя из алгоритма включения вентилей, приведенного в таблице, вентили 6, 7, 17, 18, 26, 27 анодной и катодной вентильных звезд работают 80 эл. град. за период, а вентили 4, 10, 12, 15, 20, 24 - 40 эл. град. Вентили шестивентильных колец работают - 20 эл. град., а вентили 8, 13, 22, соединяющие кольца, - 40 эл. град. При идеальной коммутации в любой момент времени в цепи протекания тока нагрузки последовательно включено только три вентиля, а общее число вентилей устройства равно двадцати семи.

Схема предлагаемого устройства, при наличии в ней трех источников симметричных трехфазных ЭДС, эквивалентна двухступенчатой мостовой последовательно-параллельной схеме, так как в любой момент времени работают две ступени питающих напряжений при их последовательном включении, а в процессе преобразования обеспечивается циклическая смена всех трех источников. Продолжительность работы вентильных обмоток (в привязке к эквивалентным трехфазным звездам) увеличивается по сравнению со схемами параллельного типа в два раза. При этом в 1,97 раз возрастает уровень выпрямленного напряжения. По сравнению с лучевыми 18-пульсными схемами выпрямления с уравнительными реакторами в шестипульсных секциях продолжительность работы обмоток возрастает в четыре раза. По сравнению с мостовыми схемами последовательного типа (где шесть диодов последовательно обтекаются током нагрузки), при некотором увеличении установленной мощности трансформаторного оборудования предлагаемого источника, происходит значительное (в два раза) снижение потерь мощности в вентилях, что существенно при большой величине выпрямляемых токов. По сравнению с 18-пульсными выпрямителями последовательного типа, содержащими кольцевые вентильные построения, потери мощности в вентилях сокращаются на четверть, так как ток нагрузки последовательно обтекает не четыре, а три вентиля. Выпрямитель, собранный по предлагаемой схеме, обеспечивает повышенные требования потребителей к качеству выпрямленного напряжения и потребляемых переменных токов при относительно высоком уровне постоянного напряжения и большой мощности потребителя. Он является дополнительным вариантом при выборе схем, сочетающих в себе преимущества схем последовательного и параллельного типов. В предлагаемом источнике ток нагрузки распределяется во времени по отдельно функционирующим цепям, схемно-топологические связи которых обеспечивают сокращение числа вентилей, последовательно обтекаемых током нагрузки, что для определенной части потребителей может оказаться оптимальным решением.

Таким образом, предлагаемый источник постоянного тока с 18-кратной частотой пульсации имеет, по сравнению с прототипом, более высокий КПД за счет уменьшения потерь мощности, связанного с сокращением числа вентилей, последовательно обтекаемых током нагрузки, с четырех до трех, и более прост в изготовлении, так как его вентильная конструкция содержит двадцать семь вентилей по сравнению с тридцатью шестью вентилями в прототипе.

Источник постоянного тока с 18-кратной частотой пульсации, содержащий три источника симметричных трехфазных систем ЭДС, одноименные векторы напряжений которых последовательно сдвинуты по фазе на двадцать электрических градусов, и двадцать семь вентилей, отличающийся тем, что из вентилей сформированы две шестивентильных звезды, анодная и катодная, и два шестивентильных кольца, причем вентили в каждом кольце соединены одноименными электродами, а каждая из трех точек соединения анодов вентилей одного кольца соединена с одной из незадействованных точек соединения катодов вентилей второго кольца и к каждому образовавшемуся при этом узлу подключены пара незадействованных вентилей анодной и катодной звезд, один, принадлежащий анодной звезде, подключен катодом, другой, принадлежащий катодной звезде, подключен анодом, а также один из выводов источника первой трехфазной системы ЭДС, при этом к каждой незадействованной точке соединения анодов одного из шестивентильных колец присоединены катод одного из трех незадействованных вентилей анодной звезды и один из выводов источника второй трехфазной системы ЭДС, векторы напряжений которой опережают одноименные векторы напряжений первой системы ЭДС на двадцать электрических градусов, имеющий наименование, отличающееся от наименований выводов источника первой системы ЭДС, которые соединены с катодами вентилей, образующих каждую из данных незадействованных точек соединения анодов, а также анод одного из трех, оставшихся незадействованными вентилей, катод которого соединен с незадействованной точкой соединения катодов другого шестивентильного кольца, к которой также присоединены один из выводов источника третьей трехфазной системы ЭДС, векторы напряжений которой отстают от одноименных векторов напряжений первой системы ЭДС на двадцать электрических градусов, наименование которого отличается от наименований выводов источника второй трехфазной системы ЭДС, которые подключены к анодам вентилей, образующих данную незадействованную точку, и анод одного из трех незадействованных вентилей катодной звезды, причем общая точка соединения вентилей анодной звезды образует один выходной вывод устройства, а общая точка соединения вентилей катодной звезды образует другой выходной вывод устройства.