Низковольтный многофазный выпрямитель
Изобретение относится к области электротехники, в частности преобразовательной техники, и может быть использовано при проектировании вторичных источников электропитания различного назначения. Технический результат - снижение объема и массы элементов низковольтного многофазного выпрямителя с несколькими независимыми дросселями за счет снижения объема и массы трансформатора применением m выпрямительных цепочек, состоящих из вторичной обмотки трансформатора и прямого диода, и введением обратных диодов и дополнительных обмоток дросселей, а также повышение КПД выпрямителя вследствие уменьшения амплитуды и увеличения длительности импульсов тока, протекающего через элементы выпрямителя. Низковольтный многофазный выпрямитель содержит трансформаторы с первичной и m вторичными обмотками, соединенными в многофазную лучевую звезду, m прямых и m обратных диодов, р независимых дросселей с k обмотками и выходной конденсатор, включенный параллельно нагрузке. Аноды прямых диодов подключены к свободным выводам вторичных обмоток трансформатора и образуют n m0-фазных двухполупериодных или трехфазных выпрямителей со средней точкой. Концы всех обмоток дросселей подключены к выводу для подключения нагрузки. Катоды каждого прямого и обратного диодов подключены к началу одной из обмоток дросселя, связанного с этим прямым диодом простого выпрямителя. Аноды обратных диодов подключены к средней точке выпрямителя, соединенной с другим выводом для подключения нагрузки. Число фаз выпрямителя m, количество дросселей р и количество их обмоток k связаны между собой соотношением m=р⋅k. 6 ил., 1 табл.
Изобретение относится к области электротехники, в частности, преобразовательной техники, и может быть использовано при проектировании вторичных источников электропитания различного назначения.
Известны и широко применяются различные низковольтные многофазные выпрямители. Обычно выпрямители состоят из одного или нескольких трехфазных или однофазных трансформаторов, комплекта диодов, дросселя с одной обмоткой и выходного конденсатора [1]. Условно такие выпрямители назовем выпрямителями I типа. Существенными недостатками этих выпрямителей являются большие объем и масса трансформаторов и диодов с теплоотводящими радиаторами и низкий КПД вследствие большой амплитуды и малой длительности импульсов тока, протекающего через обмотки трансформаторов и диоды.
Известны также многофазные выпрямители с несколькими независимыми дросселями, которые образованы по одному принципу и состоят из нескольких простых выпрямителей, работающих совместно на общую нагрузку через собственный независимый дроссель (выпрямители II типа) [2, 3]. По сравнению с выпрямителями I типа, выпрямители II типа имеют меньшие объем и массу трансформаторов и диодов и более высокий КПД вследствие меньшей амплитуды и большей длительности импульсов тока. Однако объем и масса комплекта дросселей больше, чем одного дросселя, что является недостатком выпрямителей с несколькими дросселями (II типа).
В выпрямителях III типа [4] объем и масса трансформаторов и диодов такие же, как и в выпрямителях II типа, и существенно меньшие, чем в выпрямителях I типа, а объем и масса комплекта дросселей меньше, чем в выпрямителях II типа.
В выпрямителях III типа снижение объема и массы дросселей обеспечивается за счет применения одного многообмоточного дросселя вместо нескольких дросселей с одной обмоткой, что обусловлено снижением электромагнитной мощности дросселей с несколькими обмотками за счет компенсации ряда гармонических составляющих магнитного потока в их магнитопроводе, создаваемых разными обмотками [4], а также вследствие того, что один многообмоточный дроссель имеет меньшие объем и массу, чем несколько дросселей с одной обмоткой при их одинаковой электромагнитной мощности.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является многофазный выпрямитель, в котором использовано несколько дросселей с одной обмоткой вместо одного однообмоточного дросселя. Схема этого выпрямителя (II типа) принята за прототип.
Предлагаемый выпрямитель (IV типа) имеет меньшие объем и массу элементов, чем выпрямители II и III типов и более высокий КПД. Указанные преимущества достигаются введением в схему выпрямителя комплекта обратных диодов, а также введением в каждый дроссель дополнительных обмоток. Катод каждого из обратных диодов соединен с катодом одного из прямых диодов и подключен к началу имеющейся и введенных обмоток дросселей. Аноды прямых диодов подключены к свободным выводам вторичных обмоток трансформатора, а аноды обратных диодов подключены к средней точке выпрямителя.
Введение в схему обратных диодов, а в дроссели дополнительных обмоток, обеспечивает существенное уменьшение амплитуды и увеличение длительности импульсов тока, протекающего через первичные и вторичные обмотки трансформатора и прямые диоды, и, следовательно, снижение коэффициента превышения габаритной мощности трансформатора, его объема и массы, а также уменьшение потерь мощности в прямых диодах и повышение КПД выпрямителя.
Для достижения технического результата в предлагаемом выпрямителе использован комплект дросселей с несколькими обмотками, а также введен комплект обратных диодов, включенных между началами обмоток каждого дросселя и средней точкой выпрямителя (общее количество обмоток всех дросселей и количество обратных диодов выпрямителя равно числу его фаз).
В материалах заявки приняты следующие обозначения элементов выпрямителя и его параметров:
m - число фаз предлагаемого низковольтного многофазного выпрямителя, количество прямых и количество обратных диодов, общее количество обмоток всех дросселей, m=2, 3, 6, 12; m=k р;
m0 - число фаз простых выпрямителей, m0=2, 3; m0=m/n;
n - количество простых выпрямителей, входящих в выпрямитель, n=1, 2, 3, 4, 6; n=m/m0;
р - количество независимых дросселей, р=1, 2, 3, 4, 6;
к - количество обмоток одного дросселя, k=2, 3, 6, 12.
Применение предлагаемого принципа построения низковольтных многофазных выпрямителей при числе фаз больше 12 (18, 24, …) нецелесообразно из-за большого количества входящих в них элементов.
На фиг. 1-6 представлены схемы трехфазного, шестифазных, двенадцатифазного и однофазного двухполупериодного низковольтных выпрямителей со средней точкой.
На фиг. 1 - трехфазный выпрямитель: m=3, m0=3, n=1, р=1, k=3;
На фиг. 2 - шестифазный выпрямитель: m=6, m0=2 n=3, р=3, k=2;
На фиг. 3 - шестифазный выпрямитель: m=6, m0=3, n=2, р=2, k=3;
На фиг. 4 - шестифазный выпрямитель: m=6, m0=3, n=2, р=1, k=6;
На фиг. 5 - двенадцатифазный выпрямитель: m=12, m0=3, n=4, р=4, k=3;
На фиг. 6 - однофазный двухполупериодный выпрямитель: m=2, m0=2, n=1, р=1, k=2.
Низковольтный многофазный выпрямитель содержит трансформаторы 1 с первичной 2 и m вторичными обмотками 3, соединенными в многофазную лучевую звезду, m прямых 4 и m обратных 7 диодов, р дросселей 5 с k обмотками 6 и выходной конденсатор 8, включенный параллельно нагрузке 9.
Аноды прямых диодов 4 подключены к свободным выводам вторичных обмоток 3 трансформаторов 1, и образуют n mо - фазных простых двухполупериодных или трехфазных выпрямителей со средней точкой, концы всех обмоток 6 дросселей 5 подключены к выводу для подключения нагрузки 9. Дроссели 5 выполнены многообмоточными, катоды каждого прямого 4 и обратного 7 диодов подключены к началу одной обмотки 6 дросселя 5, связанного с этим прямым диодом 4 простого выпрямителя, аноды обратных диодов 7 подключены к средней точке выпрямителя, соединенной с другим выводом для подключения нагрузки 9.
Число фаз выпрямителя m, количество дросселей р и количество их обмоток к связаны соотношением m=р k.
Трехфазный и шестифазные выпрямители содержат один трехфазный трансформатор или комплект из трех однофазных трансформаторов, первичные обмотки которых соединены в треугольник или звезду, а вторичные - в многофазную лучевую звезду со средней точкой. В двенадцатифазных выпрямителях применяются два трехфазных трансформатора, первичные одного из них соединены в треугольник, а другого - в звезду. Вторичные обмотки трансформаторов образуют систему векторов напряжений, сдвинутых по фазе относительно друг друга на угол 360°/m.
Основные параметры низковольтных многофазных выпрямителей, рассмотренных в заявке, с числом фаз m=2, 3, 6, 12 и количеством дросселей р=1, 2, 3, 4, 6, представлены в таблице 1.
Как видно из таблицы 1, в ней приведены параметры большого количества модификаций схем предлагаемых выпрямителей, поэтому есть возможность выбора из них оптимальной схемы, при использовании которой обеспечиваются минимальные объем и масса элементов выпрямителя при заданных исходных данных и необходимых выходных параметрах.
Предлагаемый выпрямитель работает следующим образом.
При положительном полупериоде напряжения на вторичной обмотке 2 трансформатора 1 соответствующий прямой диод 4 открыт и проводит ток, который через подключенную к нему обмотку 6 дросселя 5 поступает в нагрузку 9. Этот ток является основной составляющей тока нагрузки. В положительный полупериод напряжения происходит запасание электромагнитной энергии в дросселе 5, так как соединенный с этим прямым диодом 4 обратный диод 7 закрыт.
При отрицательном полупериоде напряжения на вторичной обмотке 2 прямой диод 4 закрыт, а обратный диод 7 открыт и проводит ток, обусловленный электромагнитной энергией, запасенной в дросселе 5 в течение предыдущего полупериода. Эта составляющая тока также протекает через обмотку дросселя, обратный диод и поступает в нагрузку. Следовательно, ток каждой цепочки состоит из двух составляющих - основной и дополнительной. Основная составляющая обусловлена напряжением на вторичной обмотке трансформатора в течение положительного полупериода синусоидального напряжения, а дополнительная составляющая обеспечивается за счет электромагнитной энергии, запасенной в дросселе.
Аналогично работают все m цепочек, состоящих из вторичной обмотки трансформатора, прямого диода, обмотки дросселя и обратного диода.
Ток нагрузки выпрямителя складывается из среднего значения тока всех входящих в него цепочек.
Отметим, что в отличие от известных многофазных выпрямителей ток через каждую вторичную обмотку трансформатора протекает в течение всего полупериода напряжения питающей сети и обеспечивает основную составляющую тока нагрузки, запасание электромагнитной энергии в дросселе и дополнительную составляющую тока нагрузки.
Импульсы тока, протекающего через обмотки трансформатора и прямые диоды, имеют существенно меньшую амплитуду и большую длительность, чем в известных выпрямителях. Это обеспечивает снижение действующего значения тока обмоток, габаритной мощности трансформатора и коэффициента превышения его габаритной мощности, а также уменьшение падения напряжения на прямых диодах и, следовательно, уменьшение объема и массы трансформатора и прямых диодов с теплоотводящими радиаторами и повышение КПД выпрямителя.
Кривая выпрямленного напряжения каждой цепочки может быть разложена в ряд Фурье, состоящий из постоянной и гармонических составляющих (гармоник) косинусного ряда, по известным формулам разложения [5-7].
Из постоянной и гармонических составляющих напряжения формируются среднее значение и пульсации выпрямленного напряжения. Формирование пульсаций осуществляется суммированием гармоник напряжения всех цепочек, образующих выпрямитель. Вследствие того, что в многофазных выпрямителях кривые напряжения вторичных обмоток трансформатора сдвинуты по фазе относительно друг друга на соответствующий угол, гармонические составляющие выходного напряжения выпрямительных цепочек также имеют сдвиг по фазе. Гармоники, которые имеют одинаковую частоту и амплитуду, находятся в противофазе при m0=2 или имеют сдвиг по фазе относительно друг друга на угол, равный 1/3 периода при m0=3, взаимно уничтожаются на дросселях или в нагрузке. Основные гармоники пульсаций всех цепочек, входящих в выпрямитель, частота которых равна числу фаз выпрямителя, также имеют одинаковую амплитуду и совпадают по фазе. Эти гармоники сглаживаются эквивалентным индуктивно - емкостным фильтром, состоящим из дросселей и выходного конденсатора, и поступают на нагрузку.
Коэффициент сглаживания фильтра определяется частотой основных гармоник, индуктивностью дросселей и емкостью выходного конденсатора [4].
Новым в изобретении является разбиение простых выпрямителей, входящих в низковольтный многофазный выпрямитель, на m цепочек, состоящих из вторичной обмотки и прямого диода, и подключение каждой из этих цепочек к началу отдельной обмотки дросселя, концы которых подключены к нагрузке, а также введение в схему m обратных диодов, катоды которых подключены к катодам прямых диодов, а аноды - к средней точке выпрямителя.
На основании изложенного может быть сделан вывод, что предлагаемое устройство позволяет получить положительный эффект и технический результат.
Изобретение является новым т.к. при анализе доступных источников информации не выявлено аналогов с подобной совокупностью существенных признаков.
Литература
1. Полупроводниковые выпрямители. Под ред. Ф.И. Ковалева и Г.П. Мостковой. М.: Энергия, 1978, с. 36-118.
2. Многофазный выпрямитель. А.с. №547 017, Н02М 7/06. Авторы Шуваев Ю.Н., Виленкин А.Г.
3. Источники вторичного электропитания. Под ред. Ю.И. Конева - М.: Радио и связь, 1983, с. 223-246.
4. Патент на изобретение №2754546 C1, Н02/06. Многофазный выпрямитель. Автор Шуваев Ю.Н.
5. Нетушил А.В., Страхов С.В. Основы электротехники, ч. 2, Госэнергоиздат, 1955, с. 210, 211.
6. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. М.: Высшая школа, 1973, с. 225-231.
7. Теоретические основы электротехники. Т.1. Основы теории линейных цепей. Под ред. П.А. Ионкина. М.: Высшая школа, 1976, с. 544.
Низковольтный многофазный выпрямитель, содержащий трансформатор с первичной и m вторичными обмотками, соединенными в многофазную лучевую звезду, m прямых диодов, р дросселей и выходной конденсатор, включенный параллельно нагрузке, аноды прямых диодов подключены к свободным выводам вторичных обмоток трансформатора и образуют n m0-фазных двухполупериодных или трехфазных выпрямителей со средней точкой, концы всех обмоток дросселей подключены к выводу для подключения нагрузки, отличающийся тем, что введено m обратных диодов, дроссели выполнены многообмоточными, катоды каждого прямого и обратного диодов подключены к началу одной обмотки дросселя, связанного с этим прямым диодом простого выпрямителя, аноды обратных диодов подключены к средней точке выпрямителя, соединенной с другим выводом для подключения нагрузки, число фаз выпрямителя m, количество дросселей р и количество их обмоток k связаны соотношением m=р⋅k.
