ИСТОЧНИК ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ С 12-КРАТНОЙ ЧАСТОТОЙ ПУЛЬСАЦИИ

Полезная модель относится к электротехнике и к силовой преобразовательной технике и предназначается для преобразования переменного напряжения в постоянное для питания тяговых нагрузок электрического транспорта и электротехнологических установок на постоянном токе.
Известен источник постоянного напряжения с 12-кратной частотой пульсации, содержащий В=12 вентилей и два источника переменных ЭДС с отводами, сдвинутых по фазе ортогонально друг к другу и формирующихся на обмотках двух однофазных трансформаторов. Это устройство обладает определенной общностью, позволяя получить ряд частных схемных реализаций с соответствующей частотной кратностью пульсаций [1].
Недостатком данного устройства является большое количество отдельных частей вторичных обмоток и большое число их витков, что обуславливает значительные массогабаритные показатели и высокую установленную мощность устройства.
Наиболее близким к полезной модели, принятым за прототип, является источник постоянного напряжения с n-кратной (здесь рассматривается только n=12) частотой пульсации [2], содержащий В=n вентилей и два источника исходных переменных ЭДС, сдвинутых по фазе ортогонально друг к другу, каждый из двух частей, точки соединения которых образуют средние точки и являются выходными выводами устройства. При четных значениях n=4, 8, 12, 16, 20 ... каждая из этих частей выполнена с одинаковым числом отводов, которое равно ν=n/4, к каждому из попарно взятых отводов одного источника фазосдвинутой (ФС) ЭДС одноименными
ΣВ
ΣB
электродами подключены n вентилей, каждая четверка которых образует закрытые мостики. Эти мостики своими входами соединены с парами отводов, упомянутых частей другого источника ФС ЭДС, а все их вентили имеют одинаковое направление включения относительно отводов данной ФС ЭДС. При этом амплитудно-фазовая симметрия токообразующих ЭДС Sμ (μ=1...n) обеспечивается выполнением всех отводов на топологическом расстоянии от средних точек, равном sin(2k-1)θ относительно амплитуды выходного напряжения в режиме холостого хода. В этом случае суммарное витковое число W, равное 4·cosθ, составляет, например, при n=12 W=3,86.
Недостатком прототипа являются большие массогабаритные показатели, обусловленные большой установленной мощностью вторичных обмоток трансформаторов.
Задача полезной модели - создание источника постоянного напряжения с 12-кратной частотой пульсации, обладающего меньшими массогабаритными показателями и меньшей установленной мощностью.
Указанная задача достигается тем, что источник постоянного напряжения с 12-кратной частотой пульсации содержит два трансформаторных источника переменных ЭДС, сдвинутых по фазе ортогонально друг к другу, и двенадцать В=12 вентилей, каждый источник ФС ЭДС имеет по три вторичных обмотки со средними точками, причем выводы обмоток в каждом источнике ФС ЭДС соединены с двумя собственными цепочками, состоящими из трех последовательно и согласно включенных вентилей, при этом выводы одной из обмоток в каждом источнике ФС ЭДС подключены к началам собственных цепочек вентилей, которые имеют одно направление включения по отношению к обмоткам в одном источнике ФС ЭДС и противоположное направление включения в другом источнике ФС ЭДС, а каждая пара выводов незадействованных обмоток соединена с парой равноудаленных точек последовательного соединения вентилей собственных цепочек таким образом, что
разноименные электроды каждого из двух первых вентилей цепочек соединены с противофазными выводами обмоток, при этом крайние и одноименные электроды последних вентилей цепочек, соединенные попарно образуют выходные выводы устройства, каждый из которых дополнительно соединен со средней точкой обмотки, выводы которой связаны с вентильными цепочками, образующими противоположный выходной вывод устройства, причем незадействованные средние точки обмоток одного источника ФС ЭДС соединены с незадействованными средними точками обмоток другого источника ФС ЭДС взаимоперекрестно, то есть незадействованная средняя точка обмотки, подключенной к ближним от начала вентильных цепочек точкам последовательного соединения вентилей, соединяется с незадействованной средней точкой обмотки другого источника ФС ЭДС, подключенной к дальним точкам последовательного соединения вентилей цепочек.
На Фиг.1 приведена схема предлагаемого источника; на Фиг.2 - волновые диаграммы напряжений на вторичных обмотках трансформаторов и кривой выпрямленного напряжения; на Фиг.3 - векторная диаграмма формирования токообразующих ЭДС в фазовой плоскости; на Фиг.4 - эквивалентные схемы, раскрывающие алгоритмы работы обмоток и вентилей в разные моменты периода сетевого напряжения; на Фиг. 5 - алгоритмы работы обмоток и вентилей.
Источник постоянного напряжения с 12-кратной частотой пульсации (Фиг.1) содержит два трансформаторных источника переменной ЭДС 1 и 2 (первичные обмотки трансформаторов на схеме не показаны), сдвинутых по фазе ортогонально друг к другу, и двенадцать вентилей 3...14, оба источника ФС ЭДС имеют по три вторичных обмотки 15...17 и 18...20, соответственно, со средними точками 21...23 и 24...26, причем в одном источнике ФС ЭДС обмотки 15...17 соединены своими выводами с двумя собственными цепочками, состоящими из трех последовательно включенных однонаправленных вентилей 3...5 и 6...8, а в другом
источнике ФС ЭДС обмотки 18...20 соединены своими выводами с двумя собственными цепочками, состоящими из пяти последовательно включенных однонаправленных вентилей 9...11 и 12...14, при этом выводы обмоток 15 в первом и 18 во втором источниках ФС ЭДС подключены к началам указанных вентильных цепочек, которые имеют одинаковое направление включения вентилей по отношению к собственным обмоткам, но разное направление для каждого источника ФС ЭДС 1 и 2. Обмотки 16...17 и 19...20, соответственно, в каждом источнике ФС ЭДС подключены своими выводами к собственным цепочкам вентилей в точках их последовательного соединения. Выводы обмотки 16 присоединены между 3, 4 и 6, 7 вентилями противофазно подключению к вентилям 3, 6 выводов обмотки 15; выводы обмотки 17 присоединены между 4, 5 и 7, 8 вентилями противофазно подключению к вентилям 4, 7 обмотки 16 и, в соответствии с этим правилом противофазности подключений, выводы обмоток 19 и 20 другого источника ФС ЭДС присоединены, соответственно, между вентилями 9, 10 и 12, 13; 10, 11 и 13, 14. Одноименные электроды крайних вентилей цепочек 5, 8 и 11, 14 соединены между собой попарно и образуют два выходных вывода устройства, катодный 27 и анодный 28, к которым подключена нагрузка 29, а также средние точки 24, 21 обмоток 18, 15 соответственно. Средние точки 22, 23 обмоток первого источника ФС ЭДС соединены, соответственно, со средними точками 26, 25 обмоток второго источника ФС ЭДС, причем соединяемые в средних точках обмотки имеют равноудаленное подключение своих выводов к вентильным цепочкам, для одного источника ФС ЭДС от начал, а для другого - от концов вентильных цепочек, то есть указанные средние точки соединены взаимоперекрестно.
Принцип работы устройства (Фиг.1) иллюстрируется волновой (Фиг.2), векторной (Фиг.3) диаграммами и эквивалентными схемами вторичных цепей (Фиг.4). Волновые диаграммы (Фиг.2) показывают принцип формирования напряжений на вторичных обмотках
трансформаторных источников ФС ЭДС за четверть периода Т, от 0 до 90 эл. градусов и результат их сложения в виде кривой выходного напряжения устройства. Векторная диаграмма токообразующих ЭДС в фазовой плоскости (Фиг.3) поясняет принцип формирования выходного напряжения устройства при активной нагрузке. Эквивалентные схемы (Фиг.4) раскрывают алгоритмы работы вентилей и вторичных обмоток трансформаторов и поясняют принцип формирования токообразующих ЭДС для интервалов времени, определенных периодом смены фаз ортогональных ЭДС, то есть 90 эл. градусов. Алгоритмы работы полуобмоток источников ФС ЭДС и вентилей выпрямителя (Фиг.5) приведены для каждого интервала времени, соответствующего одной пульсности выпрямленного напряжения, и равного 30 эл. градусов.
k
E
Из алгоритмов работы (Фиг.5) видно, что обмотка 17 в первом и обмотка 20 во втором источнике ФС ЭДС участвуют в преобразовательном процессе 120 эл. град. за период Т, обмотки 16, 19 - 240 эл. град., обмотки 15, 18 - 150 эл. град. Угол работы каждой из обмоток, не подключенных к началам вентильных цепочек, за период переменного напряжения может быть определен как 4кβ, где β - угол пульсации, а к=1...3 - номера обмоток в каждом источнике ФС ЭДС при их счете, начинающемся с обмоток, подключенных выводами к последним вентилям цепочек. Обмотки, подключенные к началам вентильных цепочек, участвуют в преобразовательном процессе в течение такого же интервала времени, как и вентили, к которым они подключены своими выводами. Относительное число витков обмоток определяется по формуле w = sinkd. Относительное число витков равно: для полуобмоток 15а,б и 18а,б - 1,0; для полуобмоток 16а,б и 19а,б - 0,866; для полуобмоток 17а,б и 20а,б - 0,5. Суммарное число витков равно W=9,464. Продолжительность проводящего состояния каждого вентиля равна (2к'-1)β где к'=1...3 - номер вентиля в каждой цепочке вентилей при их счете от конца цепочек.
B2
E
Б
Σ
Б
Б
С учетом относительных чисел витков полуобмоток, определенных ранее, можно определить суммарное витковое число вторичных обмоток источников ФС ЭДС W =W/W, показывающее, как и в прототипе, отношение общего суммарного числа витков W всех частей вторичных обмоток к базовому числу витков W, которое равно числу витков с амплитудой напряжения на них, равной амплитуде Udo выходного напряжения в режиме холостого хода устройства. Базовое число витков для данного устройства можно определить на основании волновых диаграмм (Фиг.2) и алгоритма работы обмоток (Фиг.5), и оно составляет W=3,732. Базовое число витков можно определить из соотношения:
Б
1
2
3
W=2(W+W)+W
B2
B2
Соответственно, суммарное витковое число в предлагаемом устройстве будет равно W=2,5359, что в 1,52 раза меньше суммарного виткового числа прототипа, равного W=3,86.
Таким образом, значительно меньшее число витков вторичных обмоток источников ФС ЭДС и эффективное их использование позволяют уменьшить массогабаритные показатели и снизить установленную мощность источника постоянного напряжения с 12-кратной частотой пульсации до значения 1,258.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:
1. а.с. СССР №434546. Преобразователь двухфазного напряжения в многофазное/ Г.И.Шапкайц, В.Н.Оранский - Заяв. №1322713/27-7; Заявл. 07.04.69; Oпубл. 30.06.74; Бюл. №24.
2. а.с. СССР №1086524. Источник постоянного напряжения с n-кратной частотой пульсации/ А.М.Репин - Заяв.№3440785/24-07; Заявл. 21.05.82; Опубл. 15.04.84; Бюл. №14.