Трехфазный преобразователь переменного напряжения в постоянное (его варианты)

(5 Р 4 Н 02 М 7 08 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ /3,АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУФ(21) 3798350/24-07 (22) 09.10.84 (46) 07,05.86. Бюл,17 (72) А. А. Мазунов (53) 621.314.632 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР395953, кл. Н 02 М 7/08, 1970.Авторское свидетельство СССР1064398, кл, Н 02 М 7/155, 1980. (54) ТРЕХФАЗНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ (ЕГО ВАРИАНТЫ). (57) Изобретение относится к устройствам электропитания с бестрансформаторным входом для электро- и радиотехнической аппаратуры. Цель изобретения - улучшение энергетических характеристик. Преобразователь содержит вентили 1 - 6, образующие анодную и катодную группы, и двухобмоточные дроссели 7 - 9. Одни выводы вентиАl лей 2, 4, 6 первой группы соединены с разноименными выводами вентилей 1, 3, 5 второй группы и с входными выводами. Другие выводы вентилей 2, 4, 6 объединены и образуют первый выходной вывод 18. Свободные выводы вентилей 1, 3, 5 соединены с первыми обмотками 11 - 13 дросселей 7 - 9. Свободный вывод первой обмотки каждого дросселя подключен к одному выводу второй обмотки дросселя смежной фазы при последовательно-встречном их включении. Свободные выводы вторых обмоток 14 - 16 дросселей объединены и образуют второй выходной вывод 17. Использование двухобмоточных дросселей и указанное их соединение обеспечивают получение режима работы, при котором перемагничивание дросселей происходит практически по симметричной петле гистерезиса. За счет этого улучшаются энергетические характеристики. 2 с. п. ф-лы, 4 ил.СИзобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в устройствах электропитания с бестрансформаторным входом электро- и радиотехнической аппаратуры,Цель изобретения - улучшение энергетических характеристик.На фиг. 1 и 2 показаны варианты электрических схем преобразователя; на фиг. 3 и 4 - электромагнитные процессы в основных элементах схем,На фиг. 1 и 2 А, В, С - входные выводы преобразователя для подключения к трехфазному источнику переменного напряжения. Вентили 1 - 6 образуют аподную (первую) группу вентилей и катодпую (вторую) группу вентилей.Двухобмоточные дроссели 7 - 9, нагрузка 10 и вентили 1 - 6 в первом (фиг. 1) и втором (фиг. 2) вариантах связаны следующим образом.Каждая из первых обмоток 11 - 13 дросселей 7 - 9 соединена последовательно- встречно с одной из вторых обмоток 14 - 16 смежной фазы, например обмотка 11 фазы А - с обмоткой 16 фазы С, обмотка 12 фазы В - с обмоткой 14 фазы А, обмотка 13 фазы С - с обмоткой 15 фазы В.Начальные выводы (обозначены 1 очками первых обмоток 11 - 13 подключены соответственно к катодам вентилей 1, 3, 5 (фиг. 1), к катодам вентилей 4, 6, 2 (фиг. 2).Начальные выводы вторых обмоток 4 - 16 соединены в общую точку, образующую выходной вывод 17 преобразователя (фиг. 1) с анодами вентилей 1, 3, 5 соответственно, общая точка катодов которых образует выходной вывод 17 (фиг. 2).На фиг. 3 приведены .)дв 4 с линейные напряжения на входе преобразователя; .), .)ь, .). - напряжения на начальных выводах а, Ь, г обмоток 11 - 13 относительно выходного вывода 18; .) 16), ( м - напряжения и токи обмоток 1 - 16 лросселей 7 - 9; 1-110, )О - кривая выпрямленного напряжения и. его среднее значение на нагрузке 10; 18 - эквивалентный ток намагничивания дросселя 8, равный алгебраической сумме токов обмоток 12 и 15.На фиг. 4 иллюстрирован про;есс перемагничивания дросселей 7 - 9 в течение одного периода входного напряжения по петле гистерезиса; В, Н - индукция и напряженность поля в магнитопроводе; точки 11 - 17 характеризуют магнитные состояния магнитопровода в конце каждого интервала времени 1,3 в соответствии с фиг. 3.Процессы в преобразователе по фиг. 1 и 2 идентичны, поэтому рассмотрим работу в интерва.1 с времени одного периода входного напряжения, например .)сд, по фиг. 1. Цикл перемагничивания дросселей 7 - 9 проанализируем на примере одного дросселя 8.В момент времени 1 = 11 напряжение .)сд переходит через нулевое значение, а на 5 О 5 20 25 30 35 40 45 50 55 пряжение 1.)дв становится равным напряжению .)св (фиг. За). С этого момента времени и до (= (2, как и в предшествующем интервале времени 101, открыты вентили 1, 5, 6, ток в нагрузке 10 равен сумме токов, протекающих через вентили 1, 5 и последовательно соединенные с ними обмотки соответственно 11 и 16, 13 и 15 (фиг. Зе, 3). Поскольку ток 1 ь через обмотку 15 дросселя 8 в момент времени 1=11 достигает максимального значения, а через обмотку 12 он равен нулю (фиг. Зж, з), то магнитопровод дросселя 8 имеет максимальное подмагничивание, характеризуемое точкой ( на петле гистерезиса (фиг. 4).На обмотках 11 и 16 дросселей 7 и 9 падает напряжение (фиг. Зб, г):.11 + 1-)б = 1- дв - 1.)оНапряжение .) трансформируется в обмотку 14 плюсом на начальном выводе, а напряжение .)16 трансформируется в обмотку 13 плюсом на конечном выводе.Поскольку вентили 1 и 5 открыты, то напряжение 1.)дс уравновешивается падением напряжения на всех последовательно соединенных обмотках в контуре относительно этого напряжения:)дс = 1-)11+ .)1 З + Ц 15+ 1-)6 (2) Тогда из (1) и (2) в соответствии с фиг. За, б, г:1-)10 = 1-)св + 1-)13 + 1-)15 (3) Из (1) и (3) следует:1 10 = 1-)дв 1-)11 1-)16 1-)СВ + 1-)13 + + 1-15 (4) Кривая напряжения .)о на нагрузке 10 в соответствии с характером изменения входных напряжений 1.)дв, 1)св, 1.)дс, падений напряжения 1)1, 1.)1 з, 1.)5, 1.)б и согласно выражению (4) имеет падающий характер от максимального значения до минимального (фиг. Зд).Ток 1 ь, уменьшающийся по величине, протекал в обмотке 15 от конечного вывода к начальному, поэтому рабочая точка на петле гистерезиса перемешается от 11 к 12 (фиг. 4).В момент времени 1 = 12 напряжение .)вс переходит через нулевое значение, а напряжение )дс становится равным напряжению .)дв (фиг. За). Вентили 5 и 6 закрываются, а вентили 2 и 3 открываются при открытом вентиле 1. Ток через последовательно соединенные обмотки 3 и 15 прерывается, а через обмотки 12 и 14 увеличивается от нулевого значения (фиг. Зж, з). Причем в обмотке 12 ток протекает от начального вывода к конечному, что эквивалентно изменению напряжения тока 115. Рабочая точка на петле гистерезиса дросселя 8 перемешается от ( к 1 З, поскольку ток 112 увеличивается от нулевогозначения (фиг. 4).В контуре коммутации, состоящем из обмоток 11, 12, 14 и 16 дросселей 7 - 9 относительно входного напряжения .)дв, обе обмотки 11 и 14 дросселя оказываются соеди5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ненными последовательно-согласно через открытые вентили 1 и 3, Через обмотки 11 и 14 протекают токи противоположного на- правления (фиг. Зе, ж), Суммарная индуктивность дросселя 7 скачком увеличивается, что вызывает скачкообразное увеличение падения напряжения 311 и 1314 на обмотках 11 и 14 (фиг. Зб, 1= 12). Поскольку напряжение Удв равно напряжению 13 дс (фиг. Зб), то на обмотках 12 и 16 дросселей 8 и 9 падение напряжения скачкообразно уменьшается на такую же величину, на какую на обмотках 11 и 14 падение напряжения увеличивается (фиг. Зв, г).В интервале времени 12(1(1 з открыты вентили 1 - 3. Напряжения на обмотках 11, 12, 14 и 16 уменьшается, поскольку входное напряжение 13 дв, уравновешивающее их в этом интервале времени, уменьшается до значения - 13 до нуля (фиг. За, бв, г). Для контуров относительно входных напряжений 13 дс и Б справедливо равенство:1.310 = 1-3 Ас 1-11 -1-6=1-Вс + 1-312 + + 1-14(5) Поскольку входное напряжение 3 ре изменяетсявдиапазоне 2 13 ( 13 дв(.з 3 а входное напряжение 13 вс увеличивается от нуля до значения - 13 (фиг, За), то-/32напряжение на нагрузке увеличивается от минимального значения до максимального (фиг. Зд, 12(1(1 з) Ток в нагрузке 10 равен сумме токов 11 и 112 (фиг. Зе, ж).В момент времени 1 = 1 з напряжение 13 дв становится равным нулю, а напряжение 13 вс достигает величины напряжения 13 дс. Вентили 1 - 3 остаются открытыми. В контуре относительно входных клемм А и В напряжение Удв изменило полярность на противоположную Щд) и увеличивается от нулевого значения до У, поэтому на обмотках 11, 12, 14 и 16 падения напряжений также изменили полярность и увеличиваются от нулевых значений до каких-то промежуточных (фиг. Зб, в, г, 1 з(1(14). Ток в нагрузке 10 определяется также суммарным током 111 и 112 (фиг. Зе, ж).Магнитное состояние магнитопровода дросселя 8 определяется так же, как и в предшествующем интервале времени, током 12 через обмотку 12. Поскольку ток 116 равен нулю, а ток 1 г 2 продолжает увеличиваться, то рабочая точка индукции дросселя 8 перемещается от 1 з к какой-то промежуточной точке 14 (фиг. 4). Так как напряжение 3 вс изменяется в диапазоне - 13 (13 ( - ЫЮ ю (фиг. Зв), а напряжение 3 дс уменьшается/3"от значения - 13 до нуля при увеличиваю- шихся падениях напряжения 011, 312, 1314 и 1316, то напряжение 010 на нагрузке 10 носит падающий характер от максимального значения до минимального (фиг, Зд).В момент времени= 14 напряжение Удс переходит через нулевое значение, а напряжение 3 вд.достигает величины напряжения Бвс. Поэтому вентили 1 и 2 закрываются, а вентили 4 и 5 открываются при открытом вентиле 3. Ток через последовательно соединенные обмотки 11 и 16 прерывается,а через обмотки 13 и 15 ток увеличивается от нулевого значения (фиг. Зе, з). Теперь ток в нагрузке 10 определяется токами 112 и 11 з,В контуре, состоящем из обмоток2 - 15 и их открытых вентилей 3 и 5 относительно входного напряжения 13 вс, обмотки 2 и 15 дросселя 8 оказываются соединенными последовательно-согласно. Суммарная индуктивность дросселя 8 скачкообразно увеличивается, что вызывает скачкообразное увеличение падения напряжения 012 и 1316 (фиг. Зв) и уменьшение падения напряжения 31 з и 314 на обмотках 13 и 14 дросселей 7 и 9 (фиг. Зб, г).Магнитное состояние дросселя 8 определяется алгебраической суммой намагничиваюших сил обеих обмоток 12 и 15 и токов 1 г 2 и 116, протекающих в противоположных направлениях относительно начальных выводов. При этом, поскольку увеличивающийся ток 112 много больше тока 16, то рабочая точка индукции дросселя 8 перемещается от 14 к 6 (фиг. 4).В контуре относительно клемм В и С напряжение 13 вс уменьшается от величины 2 1.3 до нуля, поэтому напряжения 312,и 016 на обмотках 12 - 15 также уменьшаются до нулевого значения (фиг, Зб, в, г, 41(16), Входное напряжение 13 д изменяется в малых пределах Цу(3 вл((1 Зрху (фиг. Зв), а напряжение 30 д увелиЪ чивается от нулевого значения до величиныЮ- Ц. поэтому при чменьшающихся значени 2г ях падения напряжения на обмотках 12 - ,5 напряжение 1310 на нагрузке имеет возрастающий характер от минимального до максимального значения (фиг, Зд, 4(1(16)В момент времени 1 = 16 напряжения Ув 0 становится равным нулю (фиг. За), а напряжение 13 сд достигает величины напряженияВентили 3 - 5 остаются открытыми. В контуре относительно входных клемм В и С напряжение 3 в изменило полярность на противоположную (1 Ав ) и увеличивается от нулевого значения до -"- 3 поэтому на/3обмотках 12 - 15 напряжения также изменили полярность и увеличиваются от нуля до каких-то промежуточных значений (фпг. Зб, в, г, Ь(1(6). Ток в нагрузке 10 равен сумме токов 12 и 1 з (фиг. Зж, з).Магнитное состояние дросселя 8 определяется алгебраической суммой намагничивающихсил обеих обмоток 12 и 15 и токов 1)г и 15,протекающих в противоположных направлениях. При этом, поскольку ток 1)г уменьшается от максимального значения до нуля,а ток 115 продолжает увеличиваться (фиг. Зж,з), рабочая точка индукции дросселя 8 перемешается от 15 к 16 (фиг. 4),В момент времени 1 = 16 (фиг. Зж), когдапро) ивоположно направленные токи 1)г и 115дросселя 8 становятся равными, суммарнаяназ;агничивающая сила равна нулю и магнитное состояние дросселя 8 будет характеризоваться на петле гистерезиса точкой 16(фиг. 4).В соответствии с характером изменениянапряжения 116 а и напряжений на обмотках12 - 15 (фиг. За, б, а, г), напряжение нанагрузке 10 имеет падающий характер отмаксимального значения до минимального(фиг. Зд).В момент времени 1 = 16 напряжениеБВ проходит через нулевое значение, а напряжение 1.)сВ становится равным напряжению 116. Вентили 3 и 4 закрываются, а вентили 1 и 6 открываются при открытом вентиле 5. Ток через последовательно соединенные обмотки 12 и 14. прерывается, а черезобмотки 11 и 16 ток увеличивается от нулевого значения. Ток в нагрузке 10 равенсумме токов 111 и 1 ц. В контуре, состоящемиз обмоток 11, 13, 15, 16 и открытых вентилей 1 и 5 относительно входного,напряжения 1)сА, обмотки 13 и 16 дросселя 9 оказываются соединенными последовательносогласно, Суммарная индуктивность дросселя 9 скачкообразно увеличивается, что предопределяет увеличение падения напряжений11 з и 1-116 на его обмотках 13 и 16 и уменьшение на такую же величину напряжений 1111и 115 дросселей 7 и 8 (фиг. Зб, в, г, 1= 16).Магнитное состояние дросселя 8 определяется намагничивающей силой обмотки 15(током 115), поскольку ток 1 г равен нулю.Рабочая точка индукции на петле гистерезиса характеризуется положением 16 (фиг. 4),В интервале времени 16(1(17 открытывентили 1, 5 и 6. Напряжение 1.1 суменьшается от величины - Б до нуля, что пре 3допределяет уменьшение напряжений на обмотках 11, 13, 15 и 16 дросселей 7 - 9 такжедо нуля (фиг. Зб, в, г). В соответствиис характером изменения напряженияи падений напряжений на обмотках 11 и 16напряжение 1.116 на нагрузке 1 О увеличивается от минимального значения до максимального (фиг. Зд):.Чап)ит 1)е состояние дросселя 8 харакгеризуется перемещением рабочей точки.индукции на петле гистерезиса от 16 к 171 фиг. 4), Далее процессы в схеме повторяются.Из приведенного анализа процессов следует, что дроссели 7 - 9 эквивалентны по режиму работы дросселям переменного напряжения, у которых перемагничивание происходит практически по симметричной петле гистерезиса поскольку: а) отсутствует постоянная составляющая тока намагничивания, так как токи через обмотки равны по величине и протекают в противоположных направлениях относительно начал (концов) обмоток; б) амплитудные значения положительной и отрицательной полуволн эквивалентного переменного нам агничивающего тока отличаются не более 1 ОЯ.15Теоретический анализ электромагнитныхпроцессов в схеме и результаты эксперимента показывают, что, например, для интервала времени 11(1(1 г в соответствии с диаграммами напряжений и токов по фиг. Зб - ж и цикличности перемагничивания дросселей 20 по фиг. 4 при пренебрежении паденияминапряжений на вентилях 1 - 6 соотношения напряжений на обмотках дросселей 7 - 9 имеют следующие значения (в мгновенных значениях):)З - -161-111 = 1-116Ъ1-115 = 1-11623Из (2) с учетом (7) для мгновенных значении при 1 (1( 1 г.1-)дс = 31.116 (8)для амплитудных значений при 1 = 1 г.- 6(т) = - 1.1 Ас = - 1.) тзП 601 1 о3 3 1-110,иа) - с-,АВ -11 -)16 = 1-1 т л 0,481.1- среднее значение в интервале времени 50 11 ( 1 ( 1 г с учетом (3), (7), (9) и синусоидального характера кривых напряженийна обмотках 13 и 15:в 6 О 91)о = З 11)тз)па(1 ос+ Д)зтзпа(сс+о о18+5 3-.о12 л,л 0,7081 35 = б 1.1 т Л 0,291 )т (9)ГдЕ 1.116(т), 1 - аМПЛИтудНОЕ ЗНаЧЕНИЕ Напряжения на дросселе ивходного линейного напряжения соответственно.Напряжение на нагрузке 1 О: 40- максимальное значение прив соответствии с фиг. Зб - д:- й)1-10(аас) р -1 т- минимальное значение при 1 = 1 г 45 из (1), (7), (9):формула изобретения 1, Трехфазный преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий две группы вентилей, причем одни выводы вентилей первой группы соединены с разноименными соответствующими выводами вентилей второй группы и образуют входные выводы, другие выводы вентилей первой группы объединены и образуют первый выходной вывод, а свободные выводы вентилей второй группы подключены к соответствующим выводам первых обмоток дросселей, отличающийся тем, что, с целью улучшения энергетических характеристик, дроссели выполнены двухобмоточными,при этом свободной вывод первой обмотки каждого из дросселей подключен к одному выводу второй обмотки дросселя смежной фазы при последовательно-встречном их включении, а свободные выводы вторых обмоток дросселей объединены, образуя второй выходной вывод.2. Трехфазный преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий две группы вентилей, анодную и катодную, причем объединенные аноды анодной группы образуют первый выходной вывод, а каждый из катодов образует соответствующий входной вывод, а также дроссели, 1 О отличающийся тем, что, с целью улучшенияэнергетических характеристик, дроссели выполнены двухобмоточными, причем первая обмотка каждого из дросселей соединена последовательно-встречно с второй обмоткой 15 дросселя смежной фазы, обе указанные обмотки вкл ючены между катодом анодной и анодом катодной групп вентилей, а второй выходной вывод образован объединенными катодами катодной группы.