ИСТОЧНИК ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ С 20-КРАТНОЙ ЧАСТОТОЙ ПУЛЬСАЦИИ

Полезная модель относится к электротехнике и к силовой преобразовательной технике и предназначается для преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение для питания тяговых нагрузок электрического транспорта и электротехнологических установок на постоянном токе.
Известен источник постоянного напряжения с n-кратной (здесь рассматривается только n=20) частотой пульсации, 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. Это устройство обладает определенной общностью, позволяя получить ряд частных схемных реализации с соответствующей частотной кратностью пульсаций [1].
Недостатками данного устройства являются значительные массогабаритные показатели и установленная мощность.
Наиболее близким к полезной модели, принятым за прототип, является источник постоянного напряжения с 20-кратной частотой пульсации [2], содержащий два источника переменных ЭДС, сдвинутых по фазе ортогонально друг к другу, и двадцать вентилей, при этом каждый источник фазосдвинутых (ФС) ЭДС имеет по пять вторичных обмоток со средними точками, причем выводы обмоток в каждом источнике соединены с двумя собственными цепочками, состоящими из пяти последовательно и согласно включенных вентилей, при этом выводы одной из обмоток в каждом источнике подключены к началам собственных цепочек вентилей, которые имеют одно направление включения по отношению к обмоткам в одном
источнике и противоположное направление включения в другом источнике, а каждая пара выводов незадействованных обмоток соединена с парой равноудаленных точек последовательного соединения вентилей собственных цепочек таким образом, что разноименные электроды каждого из четырех 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 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.
В2
Σ
Б
Σ
Б
do
Недостатком прототипа является относительно большая установленная мощность вторичных обмоток, которые имеют суммарное витковое число W=W/W=2,75, показывающее отношение общего числа витков W всех частей вторичных обмоток к базовому числу витков W - принятому равным числу витков с амплитудой напряжения на них, равной амплитуде U выходного напряжения в режиме холостого хода устройства.
Задача полезной модели -создание источника постоянного напряжения с 20-кратной частотой пульсации, обладающего меньшей установленной мощностью.
Указанная задача достигается тем, что источник постоянного напряжения с 20-кратной частотой пульсации содержит два трансформаторных источника переменных ЭДС, сдвинутых по фазе
ортогонально друг к другу, и двадцать В=20 вентилей, каждый источник ФС ЭДС имеет по пять вторичных обмоток со средними точками, причем выводы обмоток в каждом источнике ФС ЭДС соединены с двумя собственными цепочками, состоящими из пяти 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 четырех первых вентилей цепочек соединены с противофазными выводами обмоток, при этом крайние и одноименные электроды последних вентилей цепочек, соединенные попарно образуют выходные выводы устройства, причем средние точки обмоток одного источника ФС ЭДС соединены со средними точками обмоток другого источника ФС ЭДС попарно и 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 20-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 двадцать вентилей 3...22, оба источника ФС ЭДС имеют по пять вторичных обмоток 23...27 и 28...32, соответственно, со средними точками 33...37 и 38...42, причем в одном источнике ФС ЭДС обмотки 23...27 соединены своими выводами с двумя собственными цепочками, состоящими из пяти последовательно включенных однонаправленных вентилей 3...7 и 8...12, а в другом источнике ФС ЭДС обмотки 28...32 соединены своими выводами с двумя собственными цепочками, состоящими из пяти последовательно включенных однонаправленных вентилей 13...17 и 18...22, при этом выводы обмоток 23 в первом и 28 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. Обмотки 24...27 и 29...32, соответственно, в каждом источнике ФС ЭДС подключены своими выводами к собственным цепочкам вентилей в точках их последовательного соединения. Выводы обмотки 24 присоединены между 3,4 и 8,9 вентилями противофазно подключению к вентилям 3, 8 выводов обмотки 23; выводы обмотки 25 присоединены между 4, 5 и 9, 10 вентилями противофазно подключению к вентилям 4, 9 обмотки 24 и, в соответствии с этим правилом противофазности подключений, выводы остальных обмоток 26 и 27 одного источника ФС ЭДС присоединены, соответственно, между вентилями 5, 6 и 10, 11; 6, 7 и 11, 12, а выводы обмоток другого источника ФС ЭДС 29... 32 присоединены, соответственно, между вентилями 13, 14 и 18, 19; 14, 15 и 19, 20; 15, 16 и 20, 21; 16, 17 и 21, 22. Одноименные электроды крайних вентилей цепочек 7, 12 и 17, 22 соединены между собой попарно и образуют два выходных вывода устройства, катодный 43 и анодный 44, к которым подключена нагрузка 45. Средние точки 33, 34, 35, 36, 37 обмоток первого источника
ФС ЭДС соединены, соответственно, со средними точками 42, 41, 40, 39, 38 обмоток второго источника ФС ЭДС.
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 18 эл. градусов.
Из алгоритмов работы (Фиг.5) видно, что обмотка 23 в первом и обмотка 28 во втором источнике ФС ЭДС участвуют в преобразовательном процессе 36 эл. град. за период Т, обмотки 24, 29-108 эл. град., обмотки 25, 30-180 эл. град., обмотки 26, 31-252 эл. град., обмотки 27, 32-324 эл. град. Угол работы каждой из обмоток может быть определен как 2(2κ'-1)β, где κ'=1...5 - номер обмотки в источнике при счете обмоток начиная с обмотки, подключенной к последним вентилям цепочки, β - угол пульсации. Относительные числа витков обмоток определяются по формуле
Wκ=sinκβ-sin(κ-1)β,
где κ=1...5 - номера обмоток в каждом источнике ФС ЭДС при их счете, начинающемся с обмоток, подключенных выводами к первым вентилям цепочек. В случае, когда относительное число витков обмоток с
Σ
Σ
максимальным числом витков принято за 1,0 относительные числа витков равны: для полуобмоток 23а, б и 28а, б - 0,158; для полуобмоток 24а, б и 29а, б - 0,459; для полуобмоток 25а, б и 30а, б - 0,716; для полуобмоток 26а, б и 31а, б - 0,902; для полуобмоток 27а, б и 32а, б - 1,0. Суммарное число витков равно W=12,94. Средняя условная продолжительность (в эл. град.) нагруженного состояния обмоток в каждом источнике ФС ЭДС, определенная как сумма произведений относительных чисел витков соответствующих полуобмоток на длительность (эл. град.) их работы, поделенная на суммарное витковое число всех обмоток W в данном источнике ФС ЭДС, равна 278,26 эл. град., что характеризует достаточно высокую степень использования вторичных обмоток источников ФС ЭДС.
Продолжительность проводящего состояния каждого вентиля определяется, как π-(2κ"-1)β, где κ"=1...5 - номер вентиля в каждой цепочке вентилей при их счете от конца цепочек.
В2
Σ
Б
Σ
Б
do
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 U 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=6,39. Базовое число витков можно также определить из соотношения:
Б
1
4
5
1
W=[2(W+...+W)+W]sin(π/2-β/2)+Wsinβ/2.
В2
В2
Соответственно, суммарное витковое число в предлагаемом устройстве будет равно W=2,024, что в 1,36 раза меньше суммарного виткового числа прототипа, равного W=2,75.
Таким образом, меньшее число витков вторичных обмоток источников
ФС ЭДС и эффективное их использование позволяют снизить установленную мощность вторичных обмоток трансформаторов источника постоянного напряжения с 20-кратной частотой пульсации до значения 1,1155 (1,195 - у прототипа). Коэффициент установленной мощности трансформаторов устройства при этом будет равен 1,099 при питании от трехфазной сети по схеме Скотта или 1,06 при питании от двухфазной ортогональной сети.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:
1. а.с. СССР №1086524. Источник постоянного напряжения с n-кратной частотой пульсации / А.М.Репин - 3440785/24-07; Заявл. 21.05.82; Опубл. 15.04.84; Бюл. №14.
2. Патент РФ №34293. Источник постоянного напряжения с 20-кратной частотой пульсации / Евдокимов С.А., Ворфоломеев Г.Н., Щуров Н.И., Мятеж С.В. - Заяв. №2003120682/20; Заявл. 08.07.03; Опубл. 27.11.03; Бюл. №33.