Мостовой преобразователь переменных напряжений в постоянное

СОЮЗ СОВЕТСКИСОЦИАЛИСТИЧРЕСПУБЛИК а 9) цт 8 ИН 02 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ЕТЕЛЪСТВУ АВТОРСКОМУ за Я1 ЭЛ.ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРГЮДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ ИОЧЯРЬПИЙ(56) 1. Авторское свидетельство СССРИф 598198, кл. Н 02 М 7/06, 1978.2. Авторское свидетельство СССРИ 743140, кл, Н 02 М 7/06, 1980,3 Авторскоесвидетельство СССРЙ 743141, кл. Н 02 М 7/06, 1980.4 Авторское свидетельство СССРпо заявке М 2938434, кл. Н 02 М 7/06,.1980.(54) 57) 1. МОСТОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬПЕРЕМЕННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ПОСТОЯННОЕс и -кратной. частотой пульсации,содержаций Ми,исходных источниковфазосдвинутых; ЭДС при числе Мн 7 1,формируемых, например, на разделенных на секции вентильных обмоткахтрансформатора, автотрансформатора,электрической машины, сфазированных генераторов, которые соединены между собой последовательно и топо- логически образуют правильный замкнутый Г-гранник с числом граней Г=.21, где 1 с 2,3 и В 1 2 Г вентилей, сое" диненных в Л Гячейковый вентильный мост, выводы которого по переменному току подключены посредством Л=Г линий к Г"граннику, а выводы по постоянному току являются выходами устройства, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью снижения уровня пульсации выходного напряжения, каждая сек" ция вентильных обмоток снабжена двумя отводами, к которым подключены Л 1/ исходных и Л Л 1 дополнительно вве-а денных линий, причем последние подклю-Е цены к дополнительно введенным В =2 Л 1вентилям, собранным в Л -ячейковый вентильный мост, который по цепи постоянного тока соединен параллельно однополярно с исходным мостом и сов- е местно с ним образует Л =2 Л -ячейкоИвый вентильный мост.1037.Я2, Преобразователь по и, 1, о т- мотки, причем с числом витков (К) от л и ч а ю щ и й с я тем, что, с це- края, равным 0,25/соэ 9 относительлью удвоения кратности частоты пуль- но общего числа витков секции, где сации выходного напряжения, каждый Я=77 П - полпериода,огибающей выход- введенный -отвод равноудален от, ближ- ного напряжения; П=2 Г=2 ПИ - кратность него к нему края секции вентильной об. частоты пульсации, Изобретение относится к электро" технике,. в честности к преобразова" тельной технике, и может быть использовано в качестве источника электро" питания постоянного тока с повышен ной кратностью частоты пульсации,Известны мостовые преобразова. тели трехфазного переменного тока в постоянный с П-кратной частотой пульсации, содержащие силовой трехФазный трансформатор, снабженный одной,основной (центральной) вторичной (схемной) обмоткой, соединенной в звезду, и рядом подключенных соответствующим образом к ее свободным концам дополнительных и вспомогательных секций схемных обмоток с отводами, Соединенные обмотки топологически образуют незамкнутый многоугольник, к которому посредством Л линий подключен Л-ячейковый вентильный мост, 8 ыход его по постоянному току является. выходом преобразователя.Достоинством известных преобразователей является возможность построения на одном трехфазном транс: форматоре схемной структуры, обес" печивающей теоретически любую ча" стотную кратность пульсации1-31.30Однако снижение уровня и повышение частоты пульсации достигается путем введения большого числа вспомогательных обмоток и отводов от них при большом разнообразии чисел их вит ков, что значительно усложняет схе" му и конструкцию преобразователей и . является существенным их недостатком. К числу недостатков относятся также большое число витков силовых 40(схемных) обмоток, обусловленное тем, что при больших значения П цент" ральная трехфазная обмотка дублирует остальные части обмоток, топологически включенные параллельно ос новной, в связи с чем является практически лишней, и, как следствиеэтого, значительный расход активныхматериалов (меди, стали, алюминияи пр.) в таком доминирующем по весуи габаритам функциональном устрой-стве преобразователей, каким является силовой трансформатор; сложность схемных соединений, конструкциии технологии изготовления; существенно пониженная (по отношению ктеоретически ожидаемой) частотапульсации выходного напряжения и по"вышенный ее уровень из-за силвногопроявления асимметрии, приводящаяк увеличению массы и обьема сглаживающих фильтров. Следствием всегоявляются повышенные потери энергии,сравнительно низкие КПД и надежность,повышенная стоимость,Наиболее близким к предлагаемомуявляется мостовой преобразовательпеременных. напряжений в постоянноес П-кратной частотой пульсации,содержащий И исходных. источниковпреобразуемых ЭДС, формируемых, например, на разделенных на секциисхемных обмотках преобразовательного трансформатора, электрической машины, которые соединены между собойпоследовательно согласно и тополопически образуют правильный замкнутый многоугольник (Г-гранник) и Вд 2 Г вентилей, собранных в Ля -ячейковый вентильный мост, выводы которого по переменному току подключены посредством Л=Г линий к Г"граннику, а выводы по постоянному току явля" ются выходными выводами преобразователяЕЙ 3Недостатком известного устройства является относительно небольшое равное Муа 1,3-(-1)г 1 Г/Ц число формируемых им диагональных ЭДС, как следствие, сравнительйо высокий уровень3 1035и относительно низкая ( равная Пи=0,513-(-1)г.Г) кратность частоты пульсации. переменной составляющей выходного напряжения,Цель изобретения ". снижение уровня пульсации выходного напряжения, атакже удвоение ее частоты,Эта цель достигается тем, чтов мостовом преобразователе переменныхнапряжений в постоянное с П 1-кратной Очастотой пульсации, содержащем Ии ис"ходных источников фазосдвинутых ЭДСпри числе Ир 1, формируемых, напри"мер на разделенных на секции вентиль"/ных обмотках трансформатора, автотрансформатора, электрической ма шины, сфазированных генераторов, которые соединены между собой последовательно и топологически образуютправильный замкнутый Г"гранник с чис- щлом. гранеи Г 2 К, .где Ь 2,3 иВ =2 Г вентилей, соединенных в Л-ячей"ковйй вентильный иост, выводы которого по переменному току подключеныпосредством Л 1,=.Г линий к .Г-граннику, 25а выводы по постоянному току являются выходами устройства, каждаясекция вентильных обмоток снабженадвумя отводами, к которым подключеФны Лисходных и Л Ли дополнительновведенных линий, причем. последниеподключены к дополнительно введеннымВ =2 Ли вентилям, собранным в Л-ячей"ковый вентильный иост, который по цепи постоянного тока соединен па 5раллельно однополярно с исходным мо"стом и совместо с ним образует Л. 2 Л"ячейковый вентильный мост,Кроме того,каждый введенный отвод равноудален от ближнего к нему40края секции вентильной обмотки, причем с числом витков К от края, рав",.ным 0,25/сов Ц относительно общегочисла витков секции, где (=ФП - полупериода огибающей выходного напря 45жения; П- Г=2 П и - кратность частоты. пульсацииНа фигура приведена принципиальная.; схема 8 - ячейкового мостового преобразователя, построенного на основе 4 гранника; на фиг. 1 б " соответ.ствующая ему векторная диаграммаформирования диагональных ЭДС, образующих выходное напряжение; нафиг. 2 и 3 - примеры реализацииустройства, построенного на основе6" и 12-гранников,Иостовой преобразователь (фиг.1)содержит ИИ=2 исходных источников 755 4переменных ЭДС, сдвинутых по Фазеотносительно друг друга на 90 эл, град.(ортогонально), Эти ортогональныеЭДС формируются на двух схемныхобмоткахпреобразовательного трансформатора (сетевые обмотки его нафиг.не показаны) или обмотках 1электрической машины,Каждая из,двух обмоток разделенана две секции: 2,1; 3,1; 4,1; 5,1,которые, будучи соединенными. междусобой последовательно, топологическиобразуют правильный замкнутый Г-гранник. Секции 2.1; 3. 1; 4.1; 5.1 имеют по два отвода (2.2; 2.3; 3.23,3; 4.2; 4.3; 5.2; 5.3), которыепосредством Л линий 6 .(Л=8) подключены к Л-ячейковому вентильному мосту 7, к выходам 8 и 9 которого попостоянному току, являющимся выходами преобразователя, подключена нагрузка 10, При этом каждый отвод выполнен, в частности, с числом витков от ближнего к отводу края соответствующей секции равным 0,25/сов Яот общего числа витков секции, гдеЯ Э 2 Г=180/8=22,5 - полпериода.огибающей выходного напряжения.Линия 1 соединена с анодом вентиля 12, катод вентиля 13 - с линией 14,Вентили 15 и 16 входят в вентильный иост 7.На фиг, 1 б векторы 17.1-20.3 поясняют работу устройства, котораяосуществляется следующим образом.Две исходные ортогоналрные ЭДС,поделенные каждая на две секции исоединенные в правильный замкнутый4-гранник (в квадрат) формируют дведиагональные ЭДС - векторы 17.1-19.1;18.1"20, (И 3-(-1)Д 4/4 2). Приработе этих ЭДС на 4-ячейковый вентильный иост на его выходе формируется пульсирующее незнакопеременноенапряжение .О, с амплитудой 5 бц рав"ной модулю вектора диагональной ЭДС(ДЭДС) 17.1-19.1.Кратность частоты пульсации приэтом составляет П 1,3"(-.) 4/2 щ 4,а ее уровень равенфЪ " (м мок,с Ь м чн 1 ( и макс="-сбэк 1-сова: О,Ю 3 относительно 5 , Этот уровень относительно среднего значения Оо выходного напряжения О (коэффициент пульсации Ку) составляет Ясд(Я/2)=5О напряжения.Так, например, под действием ЛЭДСвектора 172-19,2 ток через нагрузку 1 О протекает по следующему контуру (фиг. 1 а): отвод 2.2, линия 11,вентиль 12, выход 8, нагрузка 10,выход 9, вентиль 13, линия 11, отвод ч,2,От отвода ч,2 ток нагрузки раз 20 ветвляется по двум параллельным,с равными сопротивлениями цепям,одна из которых содержит часть сек ции ч,1, секцию 5.1, часть секции2.1, другая - часть секции М,1 сек"25 цию 3,1, часть секции 21,Таким образом, благодаря замкнутому соединению обмоток в симметричный многоугольник, протекающий церез них ток в данный момент меньшетока нагрузки, что важно при относительно повышенных значениях его.Равенство сопротивлений параллельных цепей (в отличие, например, отнеравенства сопротивлений в соединении обмоток в треугольник), а так 35же сравнительно малое число частейобмоток их полная одинаковость ипростота соединения обеспечиваютпо сравнению с известными преобразователями (1-3) более высокую симметрию пупьсации выходного напряжения, улучшают массо-габаритные и сто"имостные показатели сглаживающегофильтра и технологичность изготов 45пения устройства,Через время, равное в угловых единицах( =1 с/2 Г:Х/8=22,5 эл,град, значение диагональной ЭДС вектора 17.2"19.2 становится меньше значения ДЭДСя. вектора 18,3-20,3, и вентили 12 и 13закрываются, вентили 15 и 16 откры 50ваются. Ток нагрузки проходит поконтуру: отвод 3.3 - вентиль 15 выход 8 - нагрузка 10 - выход 9 вентиль 6 - отвод 5,3. Каждан ДЭДС имеет цастоту, совпадающую с частотой преобразуемых ЭДС и приложена (фиг, 1 а) между анодом соответствующего вентиля катодной группы моста 7 и катодом вентиля его анодной группы, прицем эти вентили принадлежат разным вентильным ячейкам.Открывается та пара вентилей этих групп, ДЭДС которых имеет в данный момент наибольшее значение.Например в момент времени, соответствующий действию вектора 17,2-19,2, на фазовой плоскости векторной диаграммы (фиг, 1 б,) наибольшее знацение имеет проекция векторы ДЭДС 17;-2- 19.2,При открытых вентилях образуется замкнутый контур прохождения тока через нагрузку, а на остальных вен" тилях моста 7 создается напряжение обратной полярности (плюс на катоде и минус на аноде), в связи с чем эти вентили оказываются закрытыми, Затем вступает в действие другая ДЭДС, значение которой становится в данный момент наибольшим относительно выходов 8 и 9 преобразовател Происходит цикпицеская смена контуров токопрохождения и содержащихся в них элементов, В рассматриваемой схемной реализации устройства таких контуров за период любой из ЭДС (преобразуемой или диагональной) восемь. Их .число определяет, число пульсаций выходного напряженияза период ЭДС (при амплитудно-фазовой щ 325, фазовый сдвиг ДЭДС равен 360 /=90При подклюцении 8-яцейкового вентильного моста к отводам 2,2; 23 3,2; 3.3; Ц.2; 1.3; 5,2; 5,3 схемных обмоток 1 на нагрузке 10 формируется пульсирующее незнакопеременное напряжение Оц, образуемое новыми диагональными ЭДС - векторами 17.2-19.2; 18,3-20,3 18,2-20,2;19.3-17.3, Эти ЛЭДС сдвинуты по фа" зе относительно друг друга на определенный уголзависящий от числа витков отводов относительно общего числа витков секции. При амплитудно-фазовой симметрии ЭДС этот угол равен 29=2 ЮП=2 У 72 Г=180 /1=15Амплитуда выходного напряжения О, равна в пределах этого угла модулю вектора соответствующей ДЭДС,симметрии ДЭДС - кратность частотыпульсации),Пользуясь векторной диаграммойфиг. 1 б и/или схемой фиг. 1 а, можно достатоцно просто проследить путитока нагрузки по различным контурам,выявить их число, определить формутоков.и напряжений на. элементахсхемы, в том числе векторную и линейную временную диаграммы выходного Далее процессы повторяются с циклическим изменением контуров токопрохождения-и относящихся к ним обмотОк и вентилей,710357Как видно из Фиг, 1 б, число диагональных ЭДС определяющих частоту пульсации выходного напряжения, равночетырем (МГ 4), что в два разабольше, чем в прототипе,. Соответственно, кратность П частоты пульсации также удваивается (П=2 М=2 Г=8П,1=4), Последнее достигается приусловии, если отводы равно удаленыот .ближних к ним краев секций, причем с числом витков (К), равным0,25/соз 0=1/(2 Г 2)=0,293 относительно общего числа витков секции, Эточясло витков отводов определяетсясогласно теореме синусов из вектор, ного треугольника Фиг. 16. Отсюдаполучаем 6=22,5 , Следовательно,П=Ю 9=180/22,5=8, что и доказывает. удвоение частоты пульсацииУровень пульсации в схемной реализации (Фиг. 1 а) составляет Ь Ц==1=соз О : 1-соя 22,5 ф=-ц,076, коэф бициейт пульсации К 11 равен 7,811,что примерно в 4 раза меньше уровня0,293 и соответственно 32,54, свойственного прототипу.При этом положительный эффектдостигается без введения большогочисла дополнительных и вспомогательных .обмоток силового трансформаторапри значительном разнообразии их чисел витков, как это требуется в известных устройствах 1 1-13 1, Следовательно, по отношению к последнимсо свойственной им схемно-конструкторско-технологической сложностьюи плохими масоо-габаритными показателями сглаживающих Фильтроввследствие сильного прбявления низкочастотной модуляции выходного на-пряжения, данное техническое решение40является во всех отношениях значительно более простым,При другом числе исходных преобразуемых ЭДС, линий и граней (М 1,Л, Г) схемные реализации мостовогопреобразователя с пониженным уровнеми удвоенной частотой пульсации посравнению с прототипом осуществляються аналогично.На Фиг. 2 а, 3 а топологически изоб-.фражены схемные структуры преобразова"телей, в которых секции преобразуемых переменных ЭДС соединены соответственно в 6- и 12-гранник. Векторные диаграммы для них, показывающие ,И( подобно диаграмме (Фиг, 16) форми"рование диагональных ЭДС в Фазовойплоскости, даны на фиг, 26, 36. 5Из фиг, 2 и 3.видно, что кратность частоты пульсации в этих реализациях при числе витков отводов равном. соответственно, 1/(2+13)=0268 и 0,254 относительно числа витков сек" ции составляет 12 и 24, что в 2 раза выше, чем в прототипе, Коэффициент пульсации в том и другом случаях уменьшен примерно в 4 раза. Масса, объем и стоимость устанавливаемых в этом случае сглаживающих Фильтров снижаются в единицы раз.Например, требуемое при проектировании произведениеС для разрабатываемого индуктивно-емкостного Г-образного фильтра снижается примерно в (П/П 1)4 раз или, при П/П 1=2, примерно в 16 раз, что также является преимуществом устройства,Кроме того, повышение частотной кратности пульсации повышает каче" ство потребляемой и транспортируемой энергии, снижая уровень нежелательных гармоник в спектрах выходного напряжения и входного тока. В частности, форма последнего при наличии сглаживающих фильтров индуктивного характера (когда в качестве первого элемента фильтра в его продольной ветви установлен дроссель) от резко ступенчатой приближается к синусоидальной., Синусоидальная форма потребляемого тока является, как известно, наиболее выгодной при преимущественво синусоидальной форме питающих напряжений, поскольку более просто снижает уровень сетевых индустриальных помех и оптимально обеспечивает наилучший коэффициент искажения и коэффициент использования мощности первичного источника энергии.Так, например вентильный преобразователь с 12-кратной частотой пульсации и фильтром индуктивного характера, основанный на сочетании двух Фазосдвинутых 6-Фазных схем, имеет коэффициент мощности, равный примерно 0,91-0,958, против 0,88-0,915 для преобразователя с 6-кратной частотой пульсации, Несмотря на кажущуюся процентную незначительность такого повышения, оно имеет существенное значение, особенно в автономных (например, на подвижных объектах) системах с мощностью,: соизмеримой с мощностью потребителя, или в сравнительно мощных энергосистемах.10357Переход от преобразователей снизкой частотной кратностью пульсации на преобразователи с повышенной частотой в ряде случаев не требует увеличения капиталовложения,но приводит к снижению эксплуатационных расходов. Экономическая эфФективность повышения коэффициентамощности обусловлена снижением потерь. энергии в питающей энергосис" 1 Отеме за счет уменьшения потоков реактивной мощности, чтоособеннополезно для упомянутых выше систем.Так, например, внедрение преобразователей с 12-кратной частотой пульса" 1ции,вместо преобразователей с 6"кратной частотой на тяговых подстанцияхжелезнодорожного транспорта одногоиз сибирских регионов обеспечило, поподсчетам специалистов, экономиюэлектроэнергии около 500-600 МВт-чв год на каждой из них, что имеет исключительно важное народнохозяйственное значение, особенно в условияхнамечающегося кризиса энергоресурсов,Таким образом, в соответствии сизобретением реализуется мостовойпреобразователь переменных напряже 55 10ний в постоянное, в котором достигается снижение уровня пульсации выходного напряжения, а также удвоениеее частоты, что применительно к схемным структурам вентильных преобразователей энергии, основанных на схемнотопологическом построении источников преобразуемых ЭДС по типу "Пра"вильный многогранник", обеспечиваетрешение важных современных задач в области электропитания по улучшению качества передаваемой и потребляемой энергии, снижению уровня индустриальных помех.;,экономии энергиипервичных источников, улучшению мас-со-габаритных показателей сглаживаю.щих фильтров и преобразователя в целом.При этом положительный эффект достигается без усложнения схемной топологии соединения источников преобразуемых ЭДС и, следовательно, безсопутствующего этому ухудшения коэффициента полезного действия, надежности, массы и объема.Все это обеспечивает предлагае-. мому преобразователю соответствующий технико-экономический эффект и практическую полезность применения.1035755 Составитель Е.И ельни ко вРедактор М,Петрова Техред А,бабииец Корректор А,Дзя Подписи Филиал ППП "Патент", г. Ужгород,удОроектная аказ 585.1/57 Тираж 687 ВНИИПИ Государственного комитета С по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб.,