ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В ПОСТОЯННЫЙ С 18-КРАТНОЙ ЧАСТОТОЙ ПУЛЬСАЦИИ
AC-TO-DC CONVERTER WITH 18-FOLD RIPPLE FREQUENCY

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может найти применение для питания потребителей постоянного тока с повышенными требованиями к качеству преобразования при различных уровнях выпрямленного напряжения.
Известен преобразователь переменного тока в постоянный с 18-кратной частотой пульсации, построенный по схеме параллельного соединения трехфазных вентильных мостов, которые запитаны от автономных симметричных трехфазных систем ЭДС, сдвинутых по фазе последовательно друг относительно друга на угол , где р=18 - фазность преобразования (Размадзе Ш.М. Преобразовательные схемы и системы. - М.: Высшая школа, 1967. - С.264).
Такой преобразователь обеспечивает получение на выходе выпрямленного напряжения с канонической формой его кривой на одном уровне.
Недостатком данного преобразователя является то, что схемное решение обеспечивает на выходе преобразователя только один уровень выпрямленного напряжения (не принимая во внимание возможность фазового регулирования с помощью управляемых вентилей, приводящего к уменьшению коэффициента мощности, или амплитудное регулирование напряжений источников трехфазных напряжений, требующее сложного построения вторичных обмоток трансформаторов и применяемое, главным образом, в однофазных выпрямителях электровозов переменно-постоянного тока). Таким образом, ограничена область применения преобразователя.
Известен также преобразователь переменного тока в постоянный с 18-кратной частотой пульсаций, принятый за прототип, содержащий три трехфазных симметричных источника питания, одноименные напряжения которых последовательно сдвинуты по фазе на 2π/p=20 эл. град., и три трехфазных вентильных моста, соединенных последовательно, входы переменного тока каждого из которых соединены с фазами одного из свободных источников питания, а анодный выход одного вентильного моста, соединенного с фазами одного из крайних источников питания, и катодный выход другого вентильного моста, соединенного с фазами второго из крайних источников питания, образуют выходные выводы устройства, соответственно анодный и катодный, к которым подключена нагрузка (Размадзе Ш.М. Преобразовательные схемы и системы. - М.: Высшая школа, 1967. - С.265).
В силу того что преобразователь построен методом последовательного агрегирования трех шестифазных преобразователей с трехфазными вентильными мостами, в случае использования в качестве выходного напряжения суммы напряжений двух шестифазных преобразователей форма кривой выпрямленного напряжения искажается, так как указанные выше фазовые сдвиги между напряжениями трехфазных источников питания каскадов не позволяют получить даже 12-пульсной кривой выпрямленного напряжения. Таким образом, использование в преобразователе промежуточного выхода от двух шестифазных преобразователей приводит к ограничению функциональных возможностей преобразователя.
Задача изобретения - расширение функциональных возможностей преобразователя.
Указанная задача достигается тем, что в преобразователь переменного тока в постоянный с 18-кратной частотой пульсаций, содержащий три трехфазных симметричных источника питания, одноименные напряжения которых последовательно сдвинуты по фазе на 2π/p=20 эл. град., и три трехфазных вентильных моста, входы переменного тока каждого из которых соединены с фазами одного из свободных источников питания, а анодный выход одного вентильного моста, соединенного с фазами одного из крайних источников питания, и катодный выход другого вентильного моста, соединенного с фазами второго из крайних источников питания, образуют выходные выводы устройства, соответственно анодный и катодный, к которым подключена нагрузка, дополнительно введены пять управляемых вентилей, первый из которых соединен катодом с анодным выходом вентильного моста, соединенного со средним источником питания, а анодом - со свободным катодным выходом одного из мостов, соединенных с крайними источниками питания, второй управляемый вентиль соединен анодом с катодным выходом вентильного моста, соединенного со средним источником питания, а катодом - со свободным анодным выходом второго из мостов, соединенных с крайними источниками питания, третий управляемый вентиль соединен анодом с анодом первого управляемого вентиля, а катодом с катодом второго управляемого вентиля, четвертый управляемый вентиль анодом подключен к анодному выходу устройства, а катодом - к анодному выходу среднего моста, пятый неуправляемый вентиль подключен катодом к катодному выходу устройства, а анодом - к катодному выходу среднего моста.
На Фиг.1 приведена электрическая схема предлагаемого преобразователя; на Фиг.2 показаны векторные диаграммы трехфазных источников питания, представленные амплитудно-фазовыми портретами (АФП) трехфазных систем напряжений, изображенными в виде треугольников, и совмещенные АФП при формировании результирующих выпрямляемых напряжений от трех источников (трехуровневое включение); на Фиг.3 показаны совмещенные АФП при формировании результирующих выпрямляемых напряжений от двух источников; на Фиг.4 показана форма выпрямленного напряжения преобразователя при трехуровневом включении; на Фиг.5 приведены временные диаграммы напряжений источников ЭДС с указанием участков кривых фазных напряжений при формировании результирующих выпрямляемых напряжений от трех источников ЭДС; на Фиг.6 показана форма выпрямленного напряжения преобразователя при двухуровневом включении; на Фиг.7 приведены временные диаграммы напряжений источников ЭДС с указанием участков кривых фазных напряжений при формировании результирующих выпрямляемых напряжений от двух источников ЭДС и алгоритм работы управляемых вентилей.
Преобразователь (Фиг.1) содержит источники 1, 2, 3 трехфазных симметричных систем ЭДС, двадцать три вентиля 4-26, вентили 20, 11, 26, 17, 10, 23; вентили 21, 6, 5, 18, 14, 24 и вентили 22, 9, 8, 19, 16, 25 соединены в трехфазные вентильные мосты, соединенные входами переменного тока соответственно с источниками 1, 2, 3. Управляемый вентиль 13 анодом подключен к катодному выходу моста, соединенного с источником 1, а катодом к анодному выходу моста, соединенного с источником 2. Управляемый вентиль 7 анодом подключен к катодному выходу моста, соединенного с источником 2, а катодом к анодному выходу моста, соединенного с источником 3. Управляемый вентиль 12 анодом подключен к катодному выходу моста, соединенного с источником 1, а катодом к анодному выходу моста, соединенного с источником 3. Управляемый вентиль 4 катодом подключен к анодному выходу моста, соединенного с источником 2, а анодом подключен к анодному выходу моста, соединенного с источником 1, при этом точка данного соединения образует анодный выход 27 устройства. Управляемый вентиль 15 анодом подключен к катодному выходу моста, соединенного с источником 2, а катодом подключен к катодному выходу моста, соединенного с источником 3, при этом точка данного соединения образует катодный выход 28 устройства. К выходам устройства 27 и 28 подключена нагрузка 29.
Принцип работы устройства (Фиг.1) иллюстрируется векторными диаграммами напряжений, представленными (на Фиг.2 для трехуровневого соединения источников трехфазных ЭДС; на Фиг.3 для двухуровневого соединения систем) в виде амплитудно-фазовых портретов напряжений вторичных фазных обмоток, составляющих три симметричные трехфазные системы ЭДС источников 1, 2, 3, сдвинутые последовательно по фазе на 20 эл. град., и развернутыми на потенциальной плоскости векторными диаграммами результирующих напряжений. Из векторных диаграмм видно, что при трехуровневом соединении источников в формировании каждого результирующего выпрямляемого напряжения участвуют линейные напряжения каждой из трех трехфазных систем, а при двухуровневом соединении только двух систем, причем каждая из трех систем в этом случае задействована в формировании 12 результирующих напряжений, так как системы циклично сменяют друг друга.
Для организации двух- или трехуровневого соединения источников систем пять вентилей, не принадлежащих вентильным мостам, должны быть выполнены только управляемыми. Последовательность управляемого и естественного включения вентилей при формировании выпрямленного напряжения, соответствующего включению трех источников, приведена в табл.1. Нумерация вентилей начиная с вентиля 4 соответствует порядку их включения в работу при двухуровневом включении преобразователя.
Номера управляемых вентилей в табл.1 отмечены жирным шрифтом. При формировании суммарного выпрямленного напряжения от трех источников задействованы только два из управляемых вентилей - 13 и 7, которые должны быть включены весь период сетевого напряжения. На Фиг.4 приведена кривая выпрямленного напряжения при трехуровневом включении.
Временные диаграммы фазных напряжений источников питания, приведенные на Фиг.5, поясняют последовательность работы отдельных фазных источников напряжений.
Таблица 1
s1
10
11
13
5
6
7
8
9
s7
20
17
13
14
18
7
16
19
s13
26
23
13
21
24
7
22
25
s2
10
11
13
14
6
7
8
9
s8
20
17
13
21
18
7
16
19
s14
26
23
13
5
24
7
22
25
s3
10
11
13
14
6
7
16
9
s9
20
17
13
21
18
7
22
19
s15
26
23
13
5
24
7
8
25
s4
10
17
13
14
6
7
16
9
s10
20
23
13
21
18
7
22
19
s16
26
11
13
5
24
7
8
25
s5
10
17
13
14
18
7
16
9
s11
20
23
13
21
24
7
22
19
s17
26
11
13
5
6
7
8
25
s6
10
17
13
14
18
7
16
19
s12
20
23
13
21
24
7
22
25
s18
26
11
13
5
6
7
8
9
Скругленные прямоугольники на временной диаграмме охватывают пары фазных напряжений систем ЭДС, которые участвуют в формировании текущей пульсации. Продолжительность включения вентилей мостов, при исполнении их неуправляемыми, составляет 120 эл. град.
Последовательность управляемого и естественного включения вентилей устройства при формировании выпрямленного напряжения, соответствующего включению двух источников, приведена в табл.2. Номера управляемых вентилей отмечены жирным шрифтом. Моменты включения данных вентилей соответствуют началу формирования соответствующей пульсации s. Продолжительность включения управляемых вентилей соответствует одной длительности пульсации, т.е. 20 эл. град.
Таблица 2
s1
4
5
6
7
8
9
s7
4
14
18
7
16
19
s13
4
21
24
7
22
25
s2
10
11
12
-
8
9
s8
20
17
12
-
16
19
s14
26
23
12
-
22
25
s3
10
11
13
14
6
15
s9
20
17
13
21
18
15
s15
26
23
13
5
24
15
s4
4
14
6
7
16
9
s10
4
21
18
7
22
19
s16
4
5
24
7
8
25
s5
10
17
12
-
16
9
s11
20
23
12
-
22
19
s17
26
11
12
-
8
25
s6
10
17
13
14
18
15
s12
20
23
13
21
24
15
s18
26
11
13
5
6
15
Частота повторения импульсов управления равна 300 Гц. На Фиг.6 приведена кривая выпрямленного напряжения при двухуровневом включении.
Сопоставление алгоритма включения управляемых вентилей с временными диаграммами фазных напряжений источников питания приведено на Фиг.7. Скругленные прямоугольники на временной диаграмме охватывают пары фазных напряжений систем ЭДС, которые участвуют в формировании текущей пульсации.
а
В качестве временной привязки во всех случаях выбраны моменты формирования пульсаций при двухуровневом преобразовании, так как начало пульсации s 15 при этом совпадает с нулевой фазой напряжения фазы  трехфазной системы напряжений источника 1.
Предложенный преобразователь по сравнению с прототипом позволяет формировать дополнительный уровень выпрямленного напряжения канонической 18-пульсной формы (соответствующий сумме выпрямляемых напряжений двух источников), не прибегая к известным методам фазового или амплитудного регулирования.
Таким образом, предлагаемый преобразователь переменного тока в постоянный с 18-кратной частотой пульсации имеет более широкие функциональные возможности.
Кроме того, чередование применяемых алгоритмов включения преобразователя на двух- или трехуровневый режим дает возможность плавного регулирования выпрямленного напряжения между вторым и третьим уровнем.