ИСТОЧНИК ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ С 60-КРАТНОЙ ЧАСТОТОЙ ПУЛЬСАЦИИ

Полезная модель относится к электротехнике и силовой преобразовательной технике и предназначается для преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение для питания тяговых нагрузок электрического транспорта, электротехнологических установок и получения высоких напряжений для линий электропередачи постоянного тока.
Известен источник постоянного напряжения с m-кратной частотой пульсации (рассматривается m=60) последовательного типа, содержащий девяносто девять вентилей и десять симметричных трехфазных источников переменных ЭДС, линейные напряжения которых сдвинуты по фазе на 6 эл.град. друг относительно друга [1].
Недостатком этого источника является наличие гальванической связи между частями фаз вторичных обмоток трансформаторов, соединенных в звезды, треугольники, треугольники с отводами, неравносторонние зигзаги, что при высоковольтном исполнении источника требует дополнительных расходов на изоляцию и относительно большие обратные напряжения, прикладываемые к вентилям.
Наиболее близким к полезной модели, принятым за прототип, является источник постоянного напряжения с 60-кратной частотой пульсации [2]: вентильный преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий М источников произвольных ЭДС, неуправляемые И-ИЛИ, управляемые вентили, образующие N вентильных ячеек, причем ЭДС и вентили имеют одинаковое направление включения во всех источниках и вентильных ячейках и совместно с соответствующими линиями образуют ячейки преобразования, объединенные в ступени, содержащие определенное число ячеек преобразования, вентильные ячейки
Х
ХИ
X
X
xiμ
xiμ
которых соединены между собой параллельно и образуют многоячейковые вентильные мосты, которые соединены между собой последовательно разнополярными выходами, а к свободным выходам первого и последнего многоячейковых вентильных мостов подключена нагрузка, при этом все ступени при числе N равном или не равном М, и равном nv объединены в n звеньев, каждое n-е звено содержит μ групп с ixμ ступенями в каждой μ-й группе, а каждая iμ-я ступень содержит v ячеек преобразования, где  - число ячеек преобразования в n-м звене;  - число ячеек преобразования в μ-й группе любого звена; v - число ячеек преобразования в i-й ступени μ-й группы, М, N, n, μ, i, v - целые положительные числа.
Недостатком этого устройства является невозможность трехканального двадцатипульсного выпрямления.
Задача полезной модели - создание источника постоянного напряжения с 60-кратной частотой пульсации, обеспечивающего трехканальное двадцатипульсное выпрямление.
Указанная задача достигается тем, что источник постоянного напряжения с 60-кратной частотой пульсации, содержит тридцать источников ЭДС, сто двадцать вентилей, образующих шестьдесят вентильных ячеек, причем направление включения источников ЭДС и вентилей одинаково во всех источниках и вентильных ячейках, которые совместно с соединительными линиями образуют тридцать ячеек преобразования, при этом из источников ЭДС сформированы три системы источников ортогональных ЭДС, при этом каждая система состоит из пяти пар источников ортогональных ЭДС, а из вентильных ячеек сформированы пятнадцать четырехячейковых вентильных мостов, причем из мостов сформированы три группы, каждая из которых состоит из пяти последовательно расположенных смежных мостов, при этом каждый мост в
каждой из групп мостов соединен по переменным входам с одной из пяти пар источников системы ортогональных ЭДС, сдвинутых на одну треть периода относительно пар ортогональных ЭДС источников других систем, соединенных с мостами смежных групп мостов, а между собой все вентильные мосты источника соединены последовательно разнополярными выходами, причем к свободным выходам крайних вентильных мостов подключена нагрузка.
На Фиг.1 приведена схема предлагаемого источника; на Фиг.2 векторная диаграмма, поясняющая формирование токообразующих ЭДС в первых пяти ступенях выпрямителя; на Фиг.3 - волновые диаграммы выпрямленных напряжений каждой из трех ступеней выпрямителя и кривая выходного выпрямленного напряжения; на Фиг.4 - алгоритм работы обмоток и алгоритм включения вентилей.
Источник постоянного напряжения с 60-кратной частотой пульсации (Фиг.1) содержит трансформаторный источник переменных ЭДС1 с первичными обмотками 2, 3, 4 трансформатора, соединенными в звезду (в треугольник), с вторичными обмотками 5 и 6, 7, образующими источник ортогональных ЭДС, причем обмотки 6, 7 соединены встречно-последовательно и другими вторичными обмотками, соединенными в соответствующие пары 8 и 9, 10; 11 и 12, 13; 14 и 15, 16; 17 и 18, 19; 20 и 21, 22; 23 и 24, 25; 26 и 27, 28; 29 и 30, 31; 32 и 33, 34; 35 и 36, 37; 38 и 39, 40; 41 и 42, 43; 44 и 45, 46; 47 и 48, 49, образующие источники ортогональных ЭДС; сто двадцать вентилей 50 ... 169 образуют пятнадцатиступенчатый выпрямитель из пятнадцати четырехячейковых вентильных мостов, соединенных последовательно разнополярными выходами в точках, образованных вентилями 54 ... 57 и 58 ... 61; 62 ... 65 и 66 ... 69; 70 ... 73 и 74 ... 77; 78 ... 81 и 82 ... 85; 86 ... 89 и 90 ... 93; 94 ... 97 и 98 ... 101; 102 ... 105 и 106 ... 109; 110 ... 113 и 114 ... 117; 118 ... 121 и 122 ... 125; 126 ... 129 и 130 ... 133; 134 ... 137 и 138 ... 141; 142 ... 145 и 146 ... 149; 150 ... 153 и 154 ... 157; 158 ... 161 и 162 ... 165, а свободные выходы крайних мостов
образуют анодный 170, образованный вентилями 166 ... 169 и катодный 171, образованный вентилями 50 ... 53 выходные выводы устройства, к которым подключена нагрузка 172, причем к вентильным ячейкам из вентилей 50, 54 и 51, 55 присоединяются выводы обмотки 5, а к вентильным ячейкам из вентилей 52, 56 и 53, 57 присоединяются общие выводы обмоток 6, 7, образуя одну ступень преобразования; к вентильным ячейкам из вентилей 58, 62 и 59, 63 присоединяются выводы обмотки 8, а к вентильным ячейкам из вентилей 60, 64 и 61, 65 присоединяются общие выводы обмоток 9, 10, образуя вторую ступень преобразования; к вентильным ячейкам из вентилей 66, 70 и 67, 71 присоединяются выводы обмотки 11, а к вентильным ячейкам из вентилей 68, 72 и 69, 73 присоединяются общие выводы обмоток 12, 13, образуя третью ступень преобразования; к вентильным ячейкам из вентилей 74, 78 и 75, 79 присоединяются выводы обмотки 14, а к вентильным ячейкам из вентилей 76, 80 и 77, 81 присоединяются общие выводы обмоток 15, 16, образуя четвертую ступень преобразования; к вентильным ячейкам из вентилей 82, 86 и 83, 87 присоединяются выводы обмотки 17, а к вентильным ячейкам из вентилей 84, 88 и 85, 89 присоединяются общие выводы обмоток 18, 19, образуя пятую ступень преобразования; к вентильным ячейкам из вентилей 90, 94 и 91, 95 присоединяются выводы обмотки 20, а к вентильным ячейкам из вентилей 92, 96 и 93, 97 присоединяются общие выводы обмоток 21, 22, образуя шестую ступень преобразования; к вентильным ячейкам из вентилей 98, 102 и 99, 103 присоединяются выводы обмотки 23, а к вентильным ячейкам из вентилей 100, 104 и 101, 105 присоединяются общие выводы обмоток 24, 25, образуя седьмую ступень преобразования; к вентильным ячейкам из вентилей 106, 110 и 107, 111 присоединяются выводы обмотки 26, а к вентильным ячейкам из вентилей 108, 112 и 109, 113 присоединяются общие выводы обмоток 27, 28, образуя восьмую ступень преобразования; к вентильным ячейкам из вентилей 114, 118 и 115, 119 присоединяются выводы обмотки 29, а к вентильным ячейкам из вентилей 116, 120 и 117,
121 присоединяются общие выводы обмоток 30, 31, образуя девятую ступень преобразования; к вентильным ячейкам из вентилей 122, 126 и 123, 127 присоединяются выводы обмотки 32, а к вентильным ячейкам из вентилей 124, 128 и 125, 129 присоединяются общие выводы обмоток 33, 34, образуя десятую ступень преобразования; к вентильным ячейкам из вентилей 130, 134 и 131, 135 присоединяются выводы обмотки 35, а к вентильным ячейкам из вентилей 132, 136 и 133, 137 присоединяются общие выводы обмоток 36, 37, образуя одиннадцатую ступень преобразования; к вентильным ячейкам из вентилей 138, 142 и 139, 143 присоединяются выводы обмотки 38, а к вентильным ячейкам из вентилей 140, 144 и 141, 145 присоединяются общие выводы обмоток 39, 40, образуя двенадцатую ступень преобразования; к вентильным ячейкам из вентилей 146, 150 и 147, 151 присоединяются выводы обмотки 41, а к вентильным ячейкам из вентилей 148, 152 и 149, 153 присоединяются общие выводы обмоток 42, 43, образуя тринадцатую ступень преобразования; к вентильным ячейкам из вентилей 154, 158 и 155, 159 присоединяются выводы обмотки 44, а к вентильным ячейкам из вентилей 156, 160 и 157, 161 присоединяются общие выводы обмоток 45, 46, образуя четырнадцатую ступень преобразования; к вентильным ячейкам из вентилей 162, 166 и 163, 167 присоединяются выводы обмотки 47, а к вентильным ячейкам из вентилей 164, 168 и 165, 169 присоединяются общие выводы обмоток 48, 49, образуя пятнадцатую ступень преобразования.
Принцип работы устройства (Фиг.1) иллюстрируется векторной (Фиг.2) и волновыми (Фиг.3) диаграммами, алгоритмами работы обмоток и включение вентилей (Фиг.4). Относительные числа витков обмоток, обеспечивающие формирование ортогональных ЭДС, приняты равными для обмоток 5, 20, 35 - «0,158»; для обмоток 6, 7, 21, 22, 36, 37 - «0,577»; для обмоток 8, 23, 38 - «0,46»; для обмоток 9, 10, 24, 25, 39, 40 - «0,521»; для обмоток 11, 26, 41 - «0,716»; для обмоток 12, 13, 27, 28, 42, 43 - «0,413»; для обмоток 14, 29, 44 - «0,902»; для обмоток 15, 16, 30, 31, 45, 46 - «0,265»; для
обмоток 17, 32, 47 - «1,0»; для обмоток 18, 19, 33, 34, 48, 49 - «0,091». На выходе каждой из трех частей выпрямителя формируются кривые выпрямленного напряжения с 20-кратной частотой пульсации, фрагмент такого преобразования показан в векторном виде на Фиг.2, а в волновом варианте - на Фиг.3. Результат последовательного сложения выходных напряжений пятнадцати ступеней выпрямителя также приведен на Фиг.3. Видно, что на выходных выводах источника формируется выпрямленное напряжение с 60-кратной частотой пульсации. Алгоритм работы обмоток 5, 6, 7; 8, 9, 10; 11, 12, 13; 14, 15, 16; 17, 18, 19 (Фиг.4) поясняет порядок протекания через обмотки тока нагрузки; из него и аналогичных алгоритмов для остальных обмоток следует, что обмотки 6, 7, 21, 22, 36, 37, 17, 32, 47 работают по 324 эл.град.; обмотки 9, 10, 24, 25, 39, 40, 14, 29, 44 работают по 252 эл.град.; обмотки 11, 26, 41, 12, 13, 27, 28, 42, 43 работают по 180 эл.град.; обмотки 8, 23, 38, 15, 16, 30, 31, 45, 46 работают по 108 эл.град.; обмотки 5, 20, 35, 18, 19, 33, 34, 48, 49 работают по 36 эл.градусов. Из алгоритма включения вентилей 50 ... 89 (Фиг.4) и аналогичных алгоритмов для остальных вентилей следует, что вентили 50, 51, 54, 55, 90, 91, 94, 95, 130, 131, 134, 135, 84, 85, 88, 89, 124, 125, 128, 129, 164, 165, 168, 169 проводят ток 18 эл.град.; вентили 52, 53, 56, 57, 92, 93, 96, 97, 132, 133, 136, 137, 82, 83, 86, 87, 122, 123, 126, 127, 162, 163, 166, 167, 76, 77, 80, 81, 116, 117, 120, 121, 156, 157, 160, 161 проводят ток 162 эл.град.; вентили 58, 59, 62, 63, 98, 99, 102, 103, 138, 139, 142, 143 проводят ток 54 эл.град.; вентили 60, 61, 64, 65, 100, 101, 104, 105, 140, 141, 144, 145, 74, 75, 78, 79, 114, 115, 118, 119, 154, 155, 158, 159 проводят ток 126 эл.град.; вентили 66, 67, 70, 71, 106, 107, 110, 111, 146, 147, 150, 151, 68, 69, 72, 73, 108, 109, 112, 113, 148, 149, 152, 153 проводят ток 90 эл.град.. Обратное напряжение, прикладываемое к вентильным плечам мостов не превышает 0,104 Ud.
При использовании в качестве источников ортогональных ЭДС двух трехфазных трансформаторов общее число вторичных обмоток сокращается
на одну треть, так как каждая ортогональная ЭДС может быть сформирована на одной вентильной обмотке.
Из рассмотренного выше видно, что при использовании ортогональных ЭДС для питания мостов, источник с 60-кратной частотой пульсации выпрямленного напряжения состоит из трех, последовательно включенных выпрямителей с 20-кратной частотой пульсации, то есть обеспечивает трехканальное 20-пульсное выпрямление.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:
1. А.с. СССР №729777. Преобразователь m-фазного переменного напряжения в постоянное / Ю.В.Потапов - 1966796/24-07; Заявл. 25.10.73; Опубл. 25.04.80; Бюл. №15.
2. А.с. СССР №917280. Вентильный преобразователь переменного напряжения в постоянное / А.М.Репин - Заяв. №2938434/24-07; Заявл. 11.06.80; Опубл. 30.03.82; Бюл. №12.