ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ
CONVERTER OF AC VOLTAGE INTO DC VOLTAGE

Изобретение относится к полупроводниковым преобразователям электрической энергии, предназначенным для преобразования переменного напряжения в регулируемое постоянное, и может быть использовано в регулируемых электроприводах постоянного тока и в качестве регулируемого первого преобразователя в преобразователях частоты с промежуточным звеном постоянного напряжения.
Известен преобразователь переменного напряжения в постоянное (Каганов И.Л. Электронные и ионные преобразователи. - ч. III. М.: ГЭИ, 1956, с.258), который содержит трансформатор трехфазного напряжения, к вторичным обмоткам которого подключены управляемые вентили, образующие катодную (анодную) группу вентилей преобразователя переменного напряжении в постоянное, то есть выпрямителя.
Поскольку выпрямитель собран по мостовой схеме, то обратное напряжение на вентилях достигает величины среднего значения выпрямленного напряжения, а также увеличивается количество последовательно включенных управляемых вентилей, если используются вентили низкого класса.
Кроме того, известен преобразователь переменного напряжения в постоянное (Южаков Б.Г. Электрический привод и преобразователи подвижного состава. М.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2007), являющийся прототипом, содержащий трехфазный трансформатор с разделенной на n секций вторичной обмоткой и три одинаковых вентильных комплекта (ВКФ А, ВКФ В, ВКФ С) на каждую фазу, соединенные по выходу последовательно. Каждый из вентильных комплектов состоит из двух групп управляемых вентилей - первой группы и второй (ПГУВ и ВГУВ), подключенных к вторичной обмотке трансформатора. Причем первая группа n управляемых вентилей подключена катодами к началу секционированной вторичной обмотки трансформатора, а анодами - к общему «-» нагрузки. Вторая группа управляемых вентилей подключена анодами к началу секционированной вторичной обмотки трансформатора, а катодами - к вентильному комплекту фазы В (ВКФ В). Далее аналогично соединены вентильный комплект фазы В и вентильный комплект фазы С. Вторая же группа управляемых вентилей вентильного комплекта фазы С, в свою очередь, соединена катодами с общим «+» нагрузки.
Недостатком преобразователя является плохое использование вентилей по обратному напряжению, т.к. обратное напряжение на вентилях достигает среднего значения выпрямленного напряжения, что в высоковольтных выпрямителях потребует включения нескольких управляемых вентилей последовательно в каждое плечо моста, что, в свою очередь, увеличивает сложность преобразователя.
Задачей предлагаемого изобретения является создание преобразователя переменного напряжения в постоянное с лучшим использованием вентилей по обратному напряжению за счет уменьшения обратных напряжений на вентилях, что в высоковольтных выпрямителях приведет к уменьшению числа последовательно включенных управляемых вентилей в каждом плече моста, что, в свою очередь, уменьшит сложность высоковольтного преобразователя.
Поставленная задача достигается тем, что в преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий трехфазный трансформатор с разделенной на n секций вторичной обмоткой и 3-фазную мостовую схему, в которой каждое плечо моста выполнено из 2 групп n-последовательно включенных управляемых вентилей, отличающийся тем, что введены две группы дополнительных неуправляемых вентилей, при этом одна группа m управляемых вентилей подключена катодом крайнего вентиля к началу вторичной обмотки трансформатора, а анодом другого крайнего вентиля группы - к одному концу нагрузки, вторая группа управляемых вентилей подключена анодом крайнего вентиля к началу вторичной обмотки одной фазы трансформатора, а катодом - ко второму концу нагрузки, при этом неуправляемые вентили первой дополнительной группы включены между анодами последовательно включенных управляемых вентилей первой группы и отводами секций вторичной обмотки одной фазы трансформатора, катодами к отводам вторичной обмотки трансформатора, аналогично, неуправляемые вентили второй дополнительной группы включены между катодами управляемых вентилей второй группы и отводами секций вторичной обмотки одной фазы трансформатора, анодами к отводам вторичной обмотки трансформатора.
На фиг.1 приведена схема предлагаемого преобразователя, на фиг.2 приведена диаграмма выпрямленного напряжения для третьего поддиапазона регулирования и диаграммы межфазных напряжений трех секций вторичных обмоток трансформатора фазы А и трех секций фазы В, а также межфазного напряжения двух секций вторичных обмоток трансформатора фазы А и трех секций фазы В. На фиг.3 приведена диаграмма выпрямленного напряжения для второго поддиапазона регулирования и диаграммы межфазных напряжений двух секций вторичных обмоток трансформатора фазы А и двух секций фазы В, а также межфазного напряжения одной секции вторичных обмоток трансформатора фазы А и двух секций фазы В.
Преобразователь переменного напряжения в постоянное (фиг.1) содержит трехфазный трансформатор 1, имеющий первичные обмотки 2 и, в общем случае, n секций вторичных обмоток (на фиг.1 изображен случай с n=3 секциями 3, 4, 5 вторичной обмотки трансформатора). Для каждой фазы питающего напряжения существует 3 одинаковых вентильных комплекта (6, 7, 8), один из которых будет рассмотрен ниже. Вентильный комплект состоит из первой группы n-последовательно включенных управляемых вентилей 9 (для рассматриваемой фиг.1 с n=3 отводами вторичной обмотки это вентили 10, 11, 12), подключенной катодом к началу вторичной обмотки и к одному из выводов нагрузки 13 преобразователя, второй группы из n-последовательно включенных управляемых вентилей 14 (в рассматриваемой фиг.1 с n=3 это вентили 15, 16, 17), подключенной анодом к началу вторичной обмотки трансформатора и ко второму выводу нагрузки преобразователя, к точкам, соединения которых включены в две группы диодов - первая 18 и вторая 19, состоящих в первой группе из n диодов (в случае фиг.1 n=3 это диоды 20, 21 и во второй группе из n диодов, в случае фиг.1 n=3 это диоды 22, 23), подключенных катодами первой группы диодов к отводам вторичной обмотки трансформатора и анодами к анодам первой группы последовательно включенных управляемых вентилей 10, 11, 12 и подключенных анодами второй группы диодов к отводам обмотки, а катодами - к катодам второй группы управляемых вентилей 15, 16, 17.
1
1
1
Устройство работает следующим образом. Весь диапазон регулирования выпрямленного напряжения разделен на n поддиапазонов, в рассматриваемом случае на n=3 поддиапазона. В третьем поддиапазоне при наиболее положительной фазе А питающего напряжения сначала включаются ключи вентильного комплекта фазы А (6) 16 и 17 с углами α=0 и затем с углом α>0, вентиль 15, одновременно с ними аналогично включаются ключи вентильного комплекта фазы В (2) 10 и 11 с углами α=0 и затем с углом α>0, вентиль 12. Ток при этом протекает сначала по контуру вентиль 10 - вентиль 11 - диод 21, секции 4, 3 и 3', 4' вторичных обмоток трансформатора - диод 22 - вентиль 16 - вентиль 17 - нагрузка. Затем с углом α>0 включаются вентили комплектов 6 и 7 - 15 и 12 соответственно и ток из диода 21 переходит в силу естественной коммутации в цепь из вентиля 12 и секции вторичной обмотки 5 трансформатора. Мгновенное значение выпрямленного напряжения на нагрузке 13 возрастает до полного напряжения всех секций вторичной обмотки трансформатора, как показано на фиг.2, где, наряду с выпрямленным напряжением, показаны линейные напряжения 4 и 5', 5 и 5' секционированной, вторичной обмотки трансформатора.
2
Во втором поддиапазоне регулирования выпрямленного напряжения при наиболее положительной фазе А питающего напряжения сначала включается вентиль 17 вентильного комплекта фазы А (6) с углом α=0, а также вентиль 10 вентильного комплекта фазы В (7) и на нагрузке 13 действуют линейные напряжения секции 3 и 3' вторичной обмотки. Ток протекает по контуру вентиль 10 - диод 20 - секция 3' и 3 - диод 23 - вентиль 17 - нагрузка 13. Затем с варьируемым углом α>0 включается вентиль 16 вентильного комплекта фазы А (6), а также вентиль 11 вентильного комплекта фазы В (7) и напряжение на нагрузке 13 становится равным линейному напряжению секций 3, 4 и 3', 4' вторичной обмотки трансформатора. Результирующая кривая напряжения на нагрузке показана на фиг.3 для второго поддиапазона регулирования.
3
В первом поддиапазоне регулирования выпрямленного напряжения при наиболее положительной фазе А питающего напряжения включается с варьируемым углом α>0 вентиль 17 вентильного комплекта фазы А (6), а также вентиль 10 вентильного комплекта фазы В (7), и ток течет по контуру вентиль 10 - диод 20 - секция 3' и 3 вторичной обмотки - диод 23 - вентиль 17 - нагрузка 13. Результирующая кривая выпрямленного напряжения на нагрузке такая же, как в классической схеме выпрямления напряжения.
Таким образом, создан преобразователь переменного напряжения в постоянное с улучшенным использованием вентилей по напряжению, т.к. он имеет меньшие обратные напряжения на вентилях, а значит, и меньшее количество управляемых вентилей, что ведет к упрощению высоковольтного преобразователя.