ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В ПОСТОЯННЫЙ
AC/DC CONVERTER

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может найти применение для питания потребителей постоянного тока, в частности, в системах электроснабжения электрифицированных железных дорог.
Известен преобразователь переменного тока в постоянный, обеспечивающий двенадцатипульсное выпрямленное напряжение, содержащий 12 вентилей, образующих две мостовые схемы и трансформатор, вторичная обмотка которого, поделенная в каждой фазе на три секции, соединена в двухсторонний встречно-встречный неравносторонний зигзаг - трехлучевую звезду (А.с. SU №1282291, МПК Н02М 7/162. Мостовой преобразователь электроэнергии / A.M.Репин. Бюл. №1, 1987).
Данный преобразователь имеет невысокие энергетические показатели, что обусловлено параметрической несимметрией цепей протекания тока нагрузки при формировании смежных пульсаций. Наличие частей обмоток с тремя численными значениями витков этих частей усложняет технологию равномерного размещения частей на стержнях трансформатора, а в ряде случаев приводит к конструктивной несимметрии результирующих напряжений вторичных обмоток, что снижает качество преобразования электроэнергии.
Известен преобразователь переменного тока в постоянный, обеспечивающий двенадцатипульсное выпрямленное напряжение, содержащий трехфазный трансформатор с вторичной обмоткой, части которой образуют правильный замкнутый шестиугольник, к трем, чередующимся через одну, вершинам которого подключены дополнительные обмотки встречно с соответствующей им парой смежных по фазе основных частей и шестиячейковый вентильный мост (А.с. SU №1347133, МПК Н02М 7/08. Мостовой источник постоянного напряжения (его варианты) / A.M.Репин. Бюл. №39, 1987).
Данный преобразователь также подвержен снижению энергетических показателей, обусловленному параметрической несимметрией цепей тока при формирования смежных пульсаций. Кроме того, большое различие количества витков частей обмоток усложняет технологию равномерного размещения их на стержнях трансформатора, а в ряде случаев приводит к конструктивной несимметрии напряжений обмоток, снижающей качество преобразования параметров электроэнергии.
Наиболее близким к изобретению, принятым за прототип, является преобразователь переменного тока в постоянный (Репин A.M. Новые базовые технические решения и классификация вентильных преобразователей энергии // Вопросы радиоэлектроники. Серия ОВР, 1985. - Вып.6. - С.71, рис.10, з), обеспечивающий двенадцатипульсное выпрямление и содержащий двенадцать вентилей, соединенных в два трехфазных вентильных моста, образующих шестифазный вентильный мост из шести вентильных ячеек с двумя последовательно согласно соединенными вентилями в каждой, и трехфазный трансформатор с вторичной обмоткой, выполненной по схеме несимметричной шестифазной звезды, состоящей из симметричных обратных друг другу звезд, соединенных нулевыми точками, с отношением чисел витков фазных обмоток обратных друг другу звезд, равным , входы переменного тока шестифазного вентильного моста, образованные точками соединения вентилей в ячейках, соединены с фазными выводами шестифазной звезды, а выводы постоянного тока шестифазного моста, каждый из которых образован общими точками соединения одноименных электродов двух вентильных звезд (анодных звезд для одного вывода и катодных - для другого) образуют выходные выводы устройства.
Недостатком данного преобразователя является относительно невысокое качество преобразования, снижение которого обусловлено параметрической несимметрией цепей протекания тока нагрузки в смежных циклах образования пульсаций выпрямленного напряжения, приводящей к появлению неканонических гармоник в спектре выпрямленного напряжения.
Задача изобретения - создание преобразователя переменного тока в постоянный, имеющего более высокое качество преобразования.
Указанная задача достигается тем, что в преобразователе переменного тока в постоянный, содержащем двенадцать вентилей, образующих две вентильные группы, каждая из которых содержит по три вентильных ячейки из двух последовательно согласно соединенных вентилей, а одноименные свободные электроды половины вентилей первой вентильной группы и свободные электроды другого наименования, принадлежащие половине вентилей второй группы, соединены, образуя при этом анодную и катодную вентильные звезды, общие точки соединения электродов вентилей в которых образуют выходные выводы устройства, и трехфазный трансформатор с вторичной обмоткой, выполненной по схеме несимметричной шестифазной звезды, состоящей из симметричных обратных друг другу звезд, соединенных нулевыми точками, а отношение чисел витков фазных обмоток обратных друг другу звезд равно , причем каждый вывод фазной обмотки звезды (обратной звезды), имеющей большее число витков, присоединен к незадействованной точке соединения вентилей ячейки, принадлежащей первой вентильной группе, трансформатор преобразователя снабжен дополнительной аналогичной вторичной обмоткой, каждый вывод фазной обмотки звезды (обратной звезды) которой, имеющей большее число витков, соединен с незадействованной точкой соединения вентилей ячейки, принадлежащей второй вентильной группе, причем каждый свободный вывод фазной обмотки, принадлежащей одной шестифазной звезде, соединен со свободным электродом одного из вентилей вентильных групп, второй электрод которого соединен с противофазным данному выводу выводом фазной обмотки, принадлежащей другой шестифазной звезде.
На Фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого преобразователя; на фиг.2 - векторные диаграммы напряжений, представленные в виде амплитудно-фазовых портретов напряжений фазных обмоток, и развернутые векторные диаграммы, поясняющие принцип формирования векторов результирующих напряжений; на фиг.3 - схема работы вторичных обмоток и вентилей преобразователя; на фиг.4 - временные диаграммы выпрямленного напряжения, обратных напряжений и токов вентилей.
Преобразователь (фиг.1) содержит трехфазный трансформатор 1 с двумя вторичными обмотками, каждая из которых содержит по две обмотки, одну, выполненную по схеме звезды, вторую - по схеме обратной звезды, соединенных нулевыми точками в шестифазную звезду, и двенадцать вентилей 2…13. Числа витков фазных обмоток, составляющих обратные звезды, и числа витков фазных обмоток, составляющих звезды, находятся в соотношении . Каждый из шести вентилей 3, 5, 7, 9, 11, 13 соединяет пару противофазных выводов фазных обмоток двух шестифазных звезд. В данном случае аноды вентилей 3, 7, 11, 9, 13, 5 подключены соответственно к выводам фаз а, в, с, х, у, z одной шестифазной звезды, а катоды соответственно к выводам фаз х′, у′, z′, а′, в′, с′ второй шестифазной звезды. Группы вентилей 2, 6, 10 и 8, 12, 4 образуют соответственно анодную и катодную вентильные звезды; катоды вентилей анодной звезды соединены соответственно с фазами х, у, z одной шестифазной звезды, а аноды катодной звезды соответственно с фазами х′, у′, z′ другой шестифазной звезды. Общие точки анодной и катодной вентильных звезд образуют выходные выводы устройства соответственно 14 и 15, к которым присоединена нагрузка 16.
Принцип работы преобразователя (фиг.1) иллюстрируется векторными диаграммами напряжений, представленными в виде амплитудно-фазовых портретов напряжений фазных обмоток (фиг.2, а)), составляющих две несимметричные (по амплитудам фазных напряжений) шестифазные системы напряжений вторичных обмоток, и развернутой на фазовой плоскости совмещенной векторной диаграммой, показывающей принцип формирования результирующих напряжений, представленных векторами S1…S12 (фиг.2, б)). В каждой вторичной обмотке, состоящей из гальванически связанных между собой нулевыми точками прямой и обратной звезд, отношение чисел витков фазных обмоток, составляющих (в данном случае) обратные звезды, к числам витков фазных обмоток, составляющих звезды, равно . При таком соотношении чисел витков обеспечивается равенство результирующих напряжений по амплитуде и фазовых сдвигов между ними в 30 эл. градусов.
Формирование двенадцатипульсного выпрямленного напряжения на нагрузке поясняется векторными диаграммами, которые на фиг.2 совмещены с текущими композициями соединения фазовых портретов напряжений вторичных обмоток. Так, первый вектор результирующего напряжения S1 является суммой коллинеарных векторов фазных напряжений вторичных обмоток фаз х, а, х′ и отстающего на 60 эл. град. вектора фазного напряжения фазы z′ трансформатора. В формировании вектора S12 вместо вектора напряжения фазы z′ участвует опережающий вектор напряжения фазы у′. Таким образом, можно убедиться, что данная и каждая последующая пара векторов результирующих напряжений формируется равными по модулю векторами фазных напряжений. За период формируется двенадцать одинаковых результирующих напряжений, образующих двенадцатифазную систему результирующих выпрямляемых напряжений. Обе шестифазные системы напряжений при этом синфазны друг относительно друга. Как пример, на фиг.2, в) приведен другой, из множества возможных, вариант исполнения вентильных обмоток, основу которого составляет правильный шестигранник.
Схема работы обмоток и вентилей (фиг.3), полученная из анализа диаграмм на фиг.2, б), позволяет определить, что все фазные обмотки, образующие обратные звезды, проводят ток 180 эл. град. за период сетевого напряжения, а обмотки, образующие прямые звезды - 60 эл. град. (без учета коммутации). Вентили анодной и катодной вентильных звезд имеют угол проводимости 120 эл. град. Остальные вентили имеют угол проводимости 60 эл. град. Ток нагрузки в интервале пульсации обтекает три вентиля. Порядок вступления вентилей 2…13 в работу отражен в их нумерации на схеме фиг.1.
do
Исходя из геометрического построения диаграмм 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 вторичной фазной обмотке, имеющей наибольшее число витков, в соответствии с векторными диаграммами на фиг.2 получено среднее значение выпрямленного напряжения U=3,308 о.е.
d
d
d
d
По результатам анализа работы вторичных обмоток (фиг.3) определена мощность вторичных обмоток трансформатора преобразователя, составившая 1,29 P (P - мощность нагрузки). Расчетная типовая мощность трансформатора предлагаемого преобразователя равна 1,15 P, но этот показатель при исполнении обмоток по схеме шестифазной звезды возрастает на 5-6% из-за необходимости компенсации переменного потока намагничивания. Однако при выполнении обмоток по схемам замкнутого типа данный показатель улучшается. Например, при выполнении обмоток по варианту, приведенному на диаграммах Фиг.2,в), типовая мощность трансформатора равна 1,083 Р, но технология его изготовления усложняется
На Фиг.4, а) показана временная диаграмма выпрямленного напряжения, полученная при схемотехническом моделировании и подтверждающая двенадцатипульсный режим работы преобразователя. Моделирование показало, что при нарушении принятого соотношения  между числами витков разновеликих вентильных обмоток более чем на 15%, например, при соотношении
значительного искажения кривой выпрямленного напряжения от канонической формы не происходит. Отсутствие амплитудной несимметрии в пульсациях выпрямленного напряжения в этом случае обусловлено принятой для преобразователя топологией цепей формирования результирующих напряжений (фиг.2). Наблюдается лишь незначительное рассогласование фазовых сдвигов между результирующими напряжениями (максимумами пульсаций). На фиг.4, б) приведены диаграммы кривых тока и обратного напряжения для одного из вентилей катодной группы (вентиль 8), а на фиг.4, в) - аналогичные диаграммы для вентиля группы, соединяющей шестифазные звезды (вентиль 5). При сравнении последних временных диаграмм (или из анализа векторных диаграмм) видно, что максимальные обратные напряжения вентилей анодной и катодной групп составляют 0,524 от среднего значения выпрямленного напряжения, а к остальным вентилям приложено напряжение в 1,0472 раза превышающее среднее значение выпрямленного напряжения.
Весьма существенен тот факт, что, даже с учетом применения разных по площади сечения проводов при выполнении фазных обмоток звезд и обратных звезд, активные сопротивления цепей тока при формировании всех результирующих напряжений равны, а реактивные сопротивления при однотипности размещения обмоток по стержням трансформатора также будут равны (без учета поправки, связанной с применением плоского стержневого магнитопровода). Технологичности выполнения обмоток, лучшему потокосцеплению и минимизации индуктивности рассеяния способствует относительно небольшая разность чисел витков фазных обмоток, принадлежащих звездам и обратным звездам. Все это позволяет уменьшить параметрическую несимметрию и, кроме того, в ряде случаев (при различных мощностях преобразователя и (или) разных уровнях выпрямленного напряжения) появляется возможность более точного выполнения принятого расчетного соотношения между числами витков обмоток при их целочисленном исполнении. Таким образом, качество преобразования улучшается.
Данный преобразователь можно строить на основе двух однотипных трансформаторов, а дополнив его аналогичным преобразователем с первичной обмоткой в трансформаторе, осуществляющей сдвиг линейных напряжений вторичных обмоток в 30 эл. град. относительно линейных напряжений вторичных обмоток исходного трансформатора, можно удвоить кратность частоты пульсаций выпрямленного напряжения.
Таким образом, предлагаемый преобразователь переменного тока в постоянный имеет более высокое качество преобразования, чем прототип.