Трехфазный преобразователь напряжения

 

К. К. Ещин, В. И. Заровский, Б. И. Кебаб©цов, В. С. Бурлаков, Jl В. Кулагин, Ю. К.,(РозанЬв и А. Г. Сорокин 4 -. (72) Авторы изобретения (7L) Заявнтель (54) ТРЕХФАЗНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ!

Изобретение относится к электронике, а именно к преобразовательной. технике, и может быть использовано в системах электропитания приборов и средств радиоэлектроники, автомати-ки и вычислительной техники как в преобразователях трехфазного переменного напряжения в постоянное (вы. прямителях), так и в преобразователях постоянного напряжения -в трехфазное о переменное (инверторах).

Известны трехфазные преобразователи напряжения, содержащие преобразовательный мост и трехфазный трансформатор с двумя группами вторичных обмоток, причем обмотки каждой группы соединены в звезду, а отводы обмоток одной. группы через преобразовательные элементы подключены к соответствующим отводам обмоток другой груп- 2о пы (1) .

Однако такие преобразователи характеризуются невысоким качеством преобразования, поскольку они не обеспечивают синусоидальное изменение потреб- ляемого тока в трехфазной сети в режиме выпрямителя или синусоидальное изменение напряжения в трехфазной се- ти при преобразовании постоянного напряжения в переменное.

Наиболее близким к предлагаемому является преобразователь трезфавного переменного напряжения в постоянное, содержащий трехфазный трансформатор и бп-фазный вентильный мост, включающий три группы по и пар вен тилей, причем в каждой группе между каждыми двумя смежными парами вентилей последовательно включены две вторичные обмотки различных фаз с введенными дополнительными вторичными обмотками, между двумя смежными край ними парами вентилей соседних групп включены последовательно две дополнительные вторичные обьк:тки разных фаз с определенным числом витков (2);

-1

3 . 98590

Недостаток известного устройства невысок качеством преобразования из. за большого коэффициента искажения, поскольку ток в питающей сети при преобразовании переменного напряже- s. ния в постоянное или напряжение при обратном преобразсвании изменяются

rlo закону, значительно отличающемуся от требуемого синусоидального., 4ель изобретения - повышение ка- «О чества преобразования путем снижения коэффициента искажения..

Поставленная цель достигается тем, что в трехфазном преобразователе напряжения, содержащем преобразователь- 15 ный мост, включающий 3п пар преобра-, зовательных элементов, где n - целое. нечетное число, и трехфазный трансформатор с первыми и вторыми обмотками в каждой фазе, причем первые об- 20 мотки подключены к входным выводам, выход преобразовательного моста - 1 к сети постоянного напряжения, и межу каждыми двумя смежными парами преобразовательных элементов посаедо- 25 вательно включены вторые обмотки двух различных фаз, между каждыми двумя смежными парами преобразовательных элементов последовательно с указанными двумя вторыми обмотками двух фаз щ включены третьи обмотки третьей фа-. зы, причем общее число витков обмоток каждой фазы, включенных между парами с номерами 1 и i + 1, равно

4». Я г 2й

aW U - Ы и — сор e — (+ сЦ1 оз где b, M — число витков вторых и третьих обмоток на 1 В постоянного напряжения;

Uo — постоянное напряжение; (— начальная фаза переменного напряжения данной обмотки; ф, — параметр, общий для всех обмоток, причем 0 <й < 0,5. 45

На фиг, 1 представлена принципиальная схема преобразователя; на фиг. 2 - то же, вариант при и = 3, g, 0,25; на фиг. 3 - векторная диаграмма устройства при n = 3, ot, 0; 50 на Фиг. 4 - то же, при n = З,с .

= 0,25; на Фиг, 5 - то же, вариант устустройства при n = 3, < = 0,25; на фиг. 6 - диаграмма изменения числа включенных витков обмоток (вторых и ss третьих), каждой Фазы при и = 3,oC = 0; на фиг; 7 - то же, при и = 3, ot. =

0,25 °

6. 4

Трехфазный преобразователь напряжения, представленный на фиг. 1, содержит бп-Фазный преобразовательный мост, включакщий 3п пар преобразовательных элементов 1, 2 и 3, 4, 5, и

6, 7, 8 и 9 и трехфазный трансформатор, содержащий первые обмотки (не показаны), .подключенные к трехфазной сети переменного тока, вторые обмотки 10-15 и третьи обмотки 16-18 в каждой из трех фаз А, В, С. Между каждыми двумя смежными парами преобразовательных элементов включены последовательно соединенные вторые и третьи обмотки трех фаэ: между парами l и 2 - обмотки 10 фазы А (10А), 18 фазы В (188), 12 Фазы С (12C), между парами 2 и 3 - обмотки 16А, 14В, 13С,.между парами 3 и 4 — обмотки 11А, 158, 17С и т. д. Алгебраическая сумма числа витков всех обмоток каждой фазы, включенных.между парами преобразовательных элементов с номерами i u i + 1, равна

ОЭ 6п ьЮ/ О -sin — cosl qa — (j ag,)3 где g Ч вЂ” число витков вторых и третьих обмоток на 1 В постоянного напряжения;

U g — постоянное напряжение;

9 — начальная фаза переменного напряжения данной обмотки;

М вЂ” параметр, общий для всех обмоток, причем 0 oL i 0,5.

8 этой формуле знак определяет полярность включения обмотки. Между каждой. парой преобразовательных элементов включено по одной (второй или третьей) обмотке каждой фазы. Однако в некоторых случаях может оказаться целесообразным одну обмотку заменить двумя, алгебраическая сумма числа витков которых определяется приведенной, выше Формулой.

Такой вариант представлен на фиг. 2 для случая и = 3, о6 = 0,25 .

Здесь между парами преобразовательных элементов 1 и 2 включены обмотки 178, часть обмотки 12С (от начала до отво" да) и обмотка 10А; между парами 2 и

3 - обмотки 10Р, часть обмотки 12С (от отвода до конца), часть обмотки

14В (от конца до отвода) и обмотка

11А. При этом обмотка фазы А, включенная между парами 2 и 3 (обмотка t6A на фиг. 1) заменена разностью витков обмоток 10А и 11А, включенных в противофазе. Аналогичным об40

5 9859 разом осуществлена замена обмоток

168 и 16С соответственно разностью витков обмоток 108 и 118 и 10С и 11С (начала обмоток на фиг. 2 отмечены точками).

На векторной диаграмме (фиг. 3-5) точки, соответствующие напряжениям на выводах вторых и третьих обмоток, подключенных к преобразовательному мосту, лежат на одной окружнос- 10 ти и делят ее на 3п равных частей.

Точка К соответствует подключению пары 1 преобразовательных элементов, точка 1 — пары 2, точка M - -пары 3 и т. д. При нечетном и каждая точка, !З: например Р, с двумя противолежащими наиболее удаленными точками, например

К и Т, образуют два результирующих вектора PK u PT. Таким образом, получается система из Зп равных по 20 величине векторов, повернутых друг относительно друга на угол к,/Ъп, Преобразователь работает следующим образом.

Для случая и = 3, g, = О, (фиг. 3, 2З в начале периода, когда, напряжение фазы А равно нулю, фазы В отрицательно и фазы С положительно, включены два преобразовательных элемента: (левый на фиг. 1) и 5 (правый.íà .36 фиг. 1 соответствующие точкам К и P

I векторной диаграммы. Между этими элементами включены две параллельные . цепи последовательно включенных обмоток: 10A — 188 — 12С - 16А — l48—

13С вЂ” 11A — l58 — l7C - 12A—

108 — 18С и 11C — 178 — 15A - 16С

138 - 14А - 10С вЂ” 128 - 18А - 15С118 — 17A - 14С - l68 — 13A. В дальнейшем, через 1/бп часть периода, преобразовательный элемент 5 будет закрыт, и откроется элемент 6 (правый на фиг. 1), что соответствует вектору QK на фиг. 3. При этом обмотки 13А - 168 - 14С переключаются (в противофазе) из второй цепи в первую. При этом суммарное число витков вторых и третьих обмоток фазы А в каждой цепи уменьшается на величину, равную числу витков обмотки 13А

4 . к Й 1 аЧЧ0 -ы) — cos(0+ — (5 0)

0 3 bn Эп т. е. для и = 3, с учетом знака результата, увеличивается на

Ncos20, где N = д MUqз з1п10 .

О 4

Суммарное число витков обмоток фазы В в каждой цепи изменяется на

06 б число витков обмотки 168, т. е. возрастает на величину йсоз80, а фазы С - на число витков обмотки

14С, т. е. уменьшается на величину

N cos40 (фиг. 6, точка 20 ).

Еще через 1/бп часть периода 20 (участок 40 -60 на фиг. 6) закрывается преобразовательный элемент 1 открывается элемент 2 (левый на

1)иг. 1). При этом обмотки 10A - 18812С переключаются в-противофазе из первой цепи во вторую. При этом суммарное число витков обмоток фазы А в каждой цепи увеличивается на величину Мсоз40, фазы 8 - уменьшается на Ncos80, фазы С - уменьшается на о йсоз20 (точка 40 на фиг. 6) и т.д.

Таким образом, изменение суммар- ного числа витков обмоток фазы А в каждой цепи происходит ступенчато при значениях аргумента 8 „ (6 44) по закону - ьйU Ò â n — " соб,, 6 ай, о или, после преобразования

«2 Г . ЯД вЂ” 4WUg(S

3п

Зто соответствует изменению сум»марного числа витков обмоток фазы А по закону, представляющему собой ступенчатую аппроксимацию функции

-дЮ„s:lï О, которая изменяется при значениях аргумента 9 = ф-"- (j g) г1 где = 1, 2,..., и совг)адает с точным значением этой функции при

8 -= -— (j+g.+ ) т. е. на середине кажЫ °

Зп д Ф дога шага дискретности. Точность аппроксимации может быть получена достаточно высокой выбором величины, и.

Аналогично, с соответствующим сдвигом по фазе, изменяется и суммарное число витков фаз Ь и С (фиг. 6).

При с4 = 0,25 (фиг. 4, 5 и 7) устройство работает аналогично, с соответствующим сдвигом по фазе на величину д„. Например, для устройства

2Й представленного на фиг. 2, в начале периода, когда напряжение фазы равно нулю, открыт преобразовательный элемент 5 (левый на фиг. 2) и преобразовательный элемент Э (правый на фиг. 2) что соответствует вектору РТ на фиг. 5. При этом в первой цепи вкпючены обмотки 108 - 12A - от отвода до конца - 14С - 128 - 14А - от конца до отвода - 11C и, параллельно, 108 - 12А от отвода до начала

148 - 12C - 14A от начала до отвода985906

11С. Через — часть периода происхоЫ п дит включение преобразовательного элемента 1 (правого на фиг. 2) вместо элемента 9 (вектор РК на фиг. 5).

При этом в обеих цепях отключается . обмотка 11С и включается обмотка 17В, а часть обмотки 14А от начала, до отвода переключается из второй цепи в

Ь ервую в противофазе. Затеи через 3n част ь периода происходит переФ ключение с вектора Рк на вектор KQ (фиг. 5) и т. д. Изменение числа витков каждой фазы происходит по рассмот-, ренному выше закону с учетом. значения

Ф, = 0,25 (фиг. 7).

1З

В случае преобразования переменного напряжения в постоянное отпирание преобразовательных элементов (вентилей) осуществляется непосредственно напряжением в рассмотренных выше цепях, и на выходе формируется постоянное напряжение с амплитудным значением Uo и частотой пульсации 6nf, где

f - частота питающего трехфазного напряжения.

В случае преобразования постоянного напряжения в трезфазное переменное отпирание преобразовательных элементов (транзисторов) осуществляется подачей на их управляющие электроды 36 (базы) отпирающих сигналов в последовательности, рассмотренной выше.

Протекание тока от источника постоянного напряжения по вторым и третьим обмоткам трансфсрматора обеспе- 3 чивает формирование на первых обмотках трезфазного напряжения с законом изменения напряжения каждой фазы, близким к синусоидальному.

Технико-экономические премущест".,40 ва предлагаемого преобразователя за ключаются в более высоком качестве преобразования иэ-за низкого коэффициента искажения по сравнению с известными преобразователями. Это достиг гается путем такого включения обмоток трансформатора, при котором чис-. ло обмоток каждой фазы, подключенных к сети постоянного напряжения, изменяется по закону, близкому к сину- у> соидальному. При этом обеспечивается такой же закон изменения тока в трехфазной сети при преобразовании переменного напряжения в постояяное или напряжения в этой сети при обратном преобразовании.

В силу симметрии в случае преобразования постоянного напряжения в переменное на выходе первых обмоток при активной нагрузке получаем напряжения, сколь угодно близкие к синусоиде (за счет выбсра соответствующего значения n) при практически постоянном потребляемом токе первичной сети, что также обеспечивает высокое качество преобразования, снижение коэффициента искажения.

Формула изобретения

Трехфазный преобразователь напряжения, содержащий преобразовательный мост, включающий Зп пар преобразовательных элементов, где и - целое нечетное число, и трехфазный трансформатор с первыми и вторыми обмотками в каждой фазе, причем первые обмотки подключены к входным выводам, выход преобразовательного моста - к сети постоянного напряжения, и между каждыми двумя смежными парами преобразовательных элементов последовательно включены вторые обмотки двух различных фаз, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения качества преобразования путем снижения коэффициента искажения, между каждыми двумя смежными парами преобразовательных элементов последовательно с укаэанными вторыми обмотками двух фаз. включены третьи обмотки третьей фазы, причем общее число витков обмоток каждой фазы, включенных между парам с номерами i u i + 1, равно

ыиU< > 5<0 cot((f t — (14Ф))> где Ь W — число вит ко в вторых и т ретьих обмоток на 1 В постоянного напряжения;

Оо — постоянное напряжение; (†начальная фаза переменного напряжения данной обмотки; ф, — параметр, общий для всех обмоток, причем 0 < à < 0, 5.

Источники инфорйации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР 504281, кл. H 02" И 7/06, 1973.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке Ю 2756444, кл. H 02 M 7/06, 19?9 °

985906

Ц7иг.б

Р,75

075

Тираж 721 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Заказ 10180/75

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель Е. Мельникова

Редактор А. Огар Техред N. Тепер Корректор М. Шароши