ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В ПОСТОЯННЫЙ С 8-КРАТНОЙ ЧАСТОТОЙ ПУЛЬСАЦИИ
AC/DC CONVERTER WITH EIGHT-FOLD RIPPLE FREQUENCY

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может найти применение для питания потребителей постоянного тока, преимущественно с низковольтным питанием, а также в специализированных силовых преобразователях, например, для зарядных и сварочных агрегатов.
Известен преобразователь переменного тока в постоянный с 8-кратной частотой пульсации, содержащий трансформаторные источники ортогональных систем напряжений и вентильную схему, состоящую из двух четырехвентильных колец (А.с. SU №1086524, МПК H02M 7/08, опубл. 15.04.1984, Бюл.№14).
Недостатком данного преобразователя является необходимость применения двух трансформаторов с большой типовой мощностью, т.е. большие массогабаритные показатели.
Известен преобразователь переменного тока в постоянный с 8-кратной частотой пульсации, содержащий источники ортогональных ЭДС, система вентильных обмоток которых соединена по схеме «квадрат» и имеет по два фазных вывода от отпаек фазных обмоток, составляющих стороны квадрата, а выводы соединены с 8-фазным вентильным мостом (А.с. SU №1035755, МПК H02M 7/08, опубл. 15.08.1983. Бюл. №30).
Недостатком данного преобразователя также являются большие массогабаритные показатели, что обусловлено необходимостью применения двух трансформаторов с большим числом частей вторичных обмоток, большим числом вентилей, требуемых для реализации преобразования, и относительно большой типовой мощностью трансформаторов.
Наиболее близким к изобретению, принятым за прототип, является преобразователь переменного тока в постоянный с 8-кратной частотой пульсации (А.с. SU №1356153, МПК H02M 7/06, опубл. 30.11.1987. Бюл. №44; Фиг.8, Фиг.9, ж), обеспечивающий восьмипульсное выпрямление и содержащий вентильную часть с 16 вентилями, а также два, сдвинутых по фазе на 45 эл. град. друг относительно друга, источника двух ортогонально сдвинутых по фазе ЭДС, построенных на вторичных обмотках трехфазного трансформатора, причем первый из источников ортогональных ЭДС образован группой из трех вторичных фазных обмоток, а фазная обмотка одной из фаз данного источника выполнена с промежуточной отпайкой, к которой присоединены начала двух равных по размерам обмоток двух других фаз, а второй источник выполнен по схеме, обеспечивающей фазовый сдвиг между ЭДС источников в 45 эл. град. (Фиг.9, ж в описании прототипа), и имеет, по крайней мере, две фазные обмотки на стержнях фаз, разноименных с фазной обмоткой первого источника, выполненной с промежуточной отпайкой.
Недостатками данного преобразователя являются относительно большие массогабаритные показатели, что связано с повышенной типовой мощностью трансформатора и большим количеством вентилей, а также относительно невысокий КПД, что обусловлено тем, что в цепи протекания тока нагрузки последовательно включено 3 вентиля.
Задача изобретения - создание преобразователя переменного тока в постоянный с 8-кратной частотой пульсации, имеющего лучшие массогабаритные показатели и более высокий КПД.
Указанная задача достигается тем, что преобразователь переменного тока в постоянный с 8-кратной частотой пульсации содержит двенадцать вентилей и трехфазный трансформатор, на одном из стержней которого размещена первая фазная вторичная обмотка, имеющая промежуточную отпайку, а на двух других стержнях по две фазные обмотки, причем к промежуточной отпайке первой фазной вторичной обмотки присоединены начала двух фазных обмоток, размещенных по одной на двух других стержнях, из двенадцати вентилей сформирован шестифазный вентильный мост с шестью входами переменного тока и двумя разнополярными выходами постоянного тока, к которым подключена нагрузка, а на первой фазной вторичной обмотке, имеющей отпайку, выполнена дополнительная промежуточная отпайка, размещенная между первой отпайкой и концом обмотки, причем к данной отпайке присоединены концы двух незадействованных фазных обмоток и образовавшиеся при этом три свободных начала и три свободных конца фазных обмоток подключены к входам переменного тока вентильного моста, при этом относительное число витков фазной обмотки с отпайками принято за tg45°, относительное число витков фазных обмоток, подключенных к первой отпайке, принято за tg30°, относительное число витков фазных обмоток, подключенных к дополнительной отпайке, принято за tg30°·tg22,5°, причем относительное число витков части фазной обмотки с отпайками, размещенной от ее начала до первой отпайки, равно sin45°-0,5·(1-tg30°), а части данной фазной обмотки, размещенной от первой отпайки до дополнительной отпайки, равно sin45°·(1-tg30°).
На Фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого преобразователя; на Фиг.2 приведена векторная диаграмма напряжений вентильной обмотки трансформатора предлагаемого устройства (Фиг.1), поясняющая принцип формирования векторов результирующих напряжений; на Фиг.3 - топологические схемы вентильных обмоток, представленные в виде амплитудно-фазовых портретов напряжений фазных обмоток: Фиг.3, а - топологическая схема, соответствующая принципиальной схеме на Фиг.1; Фиг.3, б - Фиг.3, г - варианты исполнения вентильных обмоток при трехфазных системах питания; Фиг.3, д - вариант исполнения вентильной обмотки при двухфазных ортогональных системах питания; на Фиг.4 - схема работы обмоток и вентилей преобразователя; на Фиг.5 - временная диаграмма кривой выпрямленного напряжения.
Предложенный преобразователь (Фиг.1) содержит трехфазный трансформатор 1 с вентильной обмоткой, составленной из фазной обмотки, размещенной на одном из стержней и имеющей две промежуточные отпайки, и из четырех фазных обмоток, по две из которых размещены на двух других стержнях трансформатора, причем концы двух из этих обмоток с разных стержней и одинаковых по размеру с соединены с отпайкой, расположенной ближе к началу первой фазной обмотки, а начала оставшихся двух, одинаковых по размеру, фазных обмоток соединены с дополнительной отпайкой первой фазной обмотки; преобразователь содержит также шестифазный вентильный мост 2, разноименные полюса которого образуют выходные выводы устройства, к которым подключена нагрузка 3. Шесть свободных фазных выводов вентильной обмотки 2 соединены с входами переменного тока шестифазного вентильного моста.
Принцип работы преобразователя (Фиг.1) иллюстрируется векторными диаграммами напряжений, представленными в виде амплитудно-фазового портрета напряжений фазных обмоток, составляющих вентильную обмотку (Фиг.2). Относительные числа витков фазных обмоток, при которых обеспечивается каноническое 8-пульсное выпрямление, приведены на Фиг.3,а; на данной фигуре также показаны частные реализации вентильной обмотки (Фиг.2,б-Фиг.2,д).
Формирование 8-пульсного выпрямленного напряжения на нагрузке происходит в соответствии с порядком формирования векторов результирующих выпрямляемых напряжений, которые на Фиг.2 совмещены с амплитудно-фазовым портретом напряжений вентильной обмотки. Выбранное построение АФП обеспечивает формирование четырех векторов результирующих выпрямляемых напряжений за первую половину периода сетевого напряжения и четырех векторов, противофазных первым, за вторую половину периода. При этом модули всех 8-ми векторов равны и они формируются поочередно со сдвигом 45 эл. град., что на АФП соответствует их последовательному вращательному перемещению по часовой стрелке.
Так, первый вектор результирующего напряжения s1 является суммой коллинеарных векторов фазных напряжений частей (а, а', a”) фазной обмотки фазы «а» трансформатора. Вектор s2 является вектором линейного напряжения, полученного из фазных напряжений обмоток с, с' фазы «с» трансформатора и части a' фазной обмотки фазы «а» трансформатора. Аналогично определяются слагаемые остальных векторов результирующих выпрямляемых напряжений. За период формируется 8 одинаковых результирующих напряжений, образующих симметричную 8-фазную систему выпрямляемых напряжений.
Схема работы обмоток и вентилей (Фиг.4), полученная из анализа диаграмм на Фиг.2, позволяет определить, что часть фазной обмотки а', размещенная между отпайками, работает 270 эл. град., фазные обмотки b', c', подсоединенные к первой отпайке, работают 180 эл. град., а две оставшиеся фазные обмотки (b, с) и две части первой фазной обмотки (а, a”) работают 90 эл. град, за период. Четыре вентиля, соединенные с фазами, принадлежащими фазным обмоткам b', c' с относительным числом витков tg30°, имеют угол проводимости 90 эл. град., остальные вентили - 45 эл. град. Ток нагрузки в межкоммутационные интервалы обтекает два вентиля.
Форма кривой выпрямленного напряжения, полученная на компьютерной модели, приведена на Фиг.5.
do
Исходя из геометрического построения диаграмм формирования векторов результирующих напряжений (Фиг.2), определено максимальное значение выпрямленного напряжения при идеальной коммутации и соответственно его среднее значение. Приняв за относительную единицу (о.е.) амплитуду напряжения на вторичных фазных обмотках b', c', в соответствии с векторными диаграммами на Фиг.2 получено среднее значение выпрямленного напряжения U=1,688 о.е.
d
d
По результатам анализа работы вторичных обмоток (Фиг.4) определена их полная мощность, составившая 1,2076 P. Коэффициент установленной мощности трансформатора предлагаемого преобразователя равен 1,116. Аналогичные показатели у прототипа несколько больше (приблизительно на 0,5%), так как мощность вторичных обмоток трансформатора прототипа составляет 1,218 P.
Общее число фазных выводов вентильной обмотки трансформатора прототипа равно 8-ми, в соответствии с этим число вентилей мостовой вентильной схемы прототипа равно 16, а у предлагаемого устройства число фазных выводов вентильной обмотки равно 6-ти и в соответствии с этим число вентилей равно 12-ти.
В цепи протекания тока нагрузки у прототипа последовательно включены 3 вентиля, а у предлагаемого устройства 2 вентиля, что обеспечивает меньшую мощность потерь в вентилях, а значит более высокий КПД.
Таким образом, предлагаемый преобразователь переменного тока в постоянный с 8-кратной частотой пульсации по сравнению с прототипом имеет лучшие массогабаритные показатели и более высокий КПД.