ВОСЕМНАДЦАТИФАЗНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТРЕХФАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ
EIGHTEEN-PHASE CONVERTER OF THREE-PHASE VOLTAGE INTO DIRECT-CURRENT VOLTAGE

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 восемнадцатифазный преобразователь трехфазного напряжения в постоянное, построенный на основе трех последовательно соединенных преобразовательных секций, содержащих трехфазные вентильные мосты, подключенные к автономным источникам симметричных трехфазных систем ЭДС, сдвинутых по фазе последовательно друг относительно друга на угол  где m - фазность преобразования (Размадзе Ш.М. Преобразовательные схемы и системы. - М.: Высшая школа, 1967. - С.265).
Такой каскадный преобразователь обеспечивает получение на выходах напряжений трех уровней (при дополнительных выходных выводах от точек соединения каскадов).
Недостатком данного преобразователя является большая мощность потерь в вентилях. В силу того, что восемнадцатифазный преобразователь построен методом последовательного агрегирования трех шестифазных преобразовательных секций с трехфазными вентильными мостами, выходные напряжения от одной преобразовательной секции в данном преобразователе имеют только 6-кратную частоту пульсаций, а в случае использования в качестве выходного напряжения суммы напряжений двух секций форма кривой выпрямленного напряжения будет сильно искажена. Таким образом, качество преобразования при подключении к нагрузке меньшего, чем исходное, числа преобразовательных секций, в частности двух, существенно снижается.
Наиболее близким к изобретению, принятым за прототип, является восемнадцатифазный преобразователь трехфазного напряжения в постоянное (Пат. РФ №2368997. Преобразователь трехфазного напряжения в постоянное / С.А.Евдокимов, Бюл. №27, 2009 г.), содержащий при кратности частоты пульсации выпрямленного напряжения р=18 р/6=3 трехфазных источника питания, одноименные напряжения которых последовательно сдвинуты по фазе на 2π/ρ=20 эл.град., и n=(р/6)+1=4 последовательно расположенных вентильных групп, крайние из которых содержат по три вентиля, соединенных в анодную и катодную вентильные звезды, общие точки которых образуют выходные выводы устройства, а остальные две группы представляют собой шестивентильные кольца с тремя парами диаметрально расположенных точек соединения одноименных электродов вентилей, крайние вентильные группы соединены со смежными группами в трех узлах, каждый их которых образован свободным электродом анодной (катодной) вентильной звезды и свободной точкой соединения электродов вентилей смежного вентильного кольца, образованной электродами другого наименования, смежные вентильные кольца соединены в трех узлах, каждый из которых образован свободной парой точек соединения электродов вентилей смежных колец, при этом в данных узлах электроды вентилей одного смежного кольца имеют одно наименование, а электроды вентилей второго кольца другое, причем к каждому узлу соединения смежных вентильных групп подключена одна из фаз одного из трехфазных источников питания, причем каждая из фаз любого источника питания соединена через вентили колец только с фазами смежных источников питания, имеющими фазовые сдвиги  эл. град. относительно данной фазы.
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, ограничены функциональные возможности преобразователя.
Задача изобретения - расширение функциональных возможностей преобразователя.
Указанная задача достигается тем, что восемнадцатифазный преобразователь трехфазного напряжения в постоянное содержит три трехфазных источника питания, одноименные напряжения которых последовательно сдвинуты по фазе на 2π/р=20 эл.град., и n=(р/6)+1=4 последовательно расположенные вентильные группы, крайние из которых содержат по три вентиля, соединенных в анодную и катодную вентильные звезды, общие точки которых образуют выходные выводы устройства, соответственно, анодный и катодный, а остальные две группы представляют собой шестивентильные кольца с тремя парами диаметрально расположенных точек соединения одноименных электродов вентилей, крайние вентильные группы соединены со смежными группами в трех узлах, каждый их которых образован свободным электродом анодной (катодной) вентильной звезды и свободной точкой соединения электродов вентилей смежного вентильного кольца, образованной электродами другого наименования, смежные вентильные кольца соединены в трех узлах, каждый из которых образован свободной парой точек соединения электродов вентилей смежных колец, при этом в данных узлах электроды вентилей одного смежного кольца имеют одно наименование, а электроды вентилей второго кольца - другое, причем к каждому узлу соединения смежных вентильных групп подключена одна из фаз одного из трехфазных источников питания, причем каждая из фаз любого источника питания соединена через вентили колец только с фазами смежных источников питания, имеющими фазовые сдвиги  эл.град. относительно данной фазы, при этом преобразователь снабжен девятью дополнительными вентилями, вентили шестивентильных колец выполнены полностью управляемыми, а остальные неуправляемыми, из шести дополнительных вентилей сформирован трехфазный вентильный мост, выходы постоянного тока которого соединены с одноименными выходными выводами устройства, а к каждому входу переменного тока трехфазного вентильного моста подключена одна из фаз трехфазного источника питания, расположенного между крайними относительно выходных выводов источниками, при этом каждый из трех других дополнительных вентилей соединен свободным катодом с одной из фаз одного крайнего трехфазного источника питания, к которым подключена катодная вентильная звезда, а свободным анодом - с фазой другого крайнего трехфазного источника питания, отстающей на
эл. град. от фазы источника, к которым данный вентиль присоединен катодом.
На Фиг.1 приведена электрическая схема предлагаемого преобразователя; на Фиг.2 показаны векторные диаграммы напряжений трехфазных источников питания, представленные амплитудно-фазовыми портретами (АФП) трехфазных систем напряжений, изображенными в виде треугольников, и совмещенные группы 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 (двухуровневое включение); на Фиг.4 приведены временные диаграммы напряжений источников питания с указанием участков кривых фазных напряжений при формировании результирующих выпрямляемых напряжений от трех источников питания и алгоритм работы управляемых вентилей; на Фиг.5 показана форма выпрямленного напряжения преобразователя при трехуровневом включении; на Фиг.6 приведены временные диаграммы напряжений источников питания с указанием участков кривых фазных напряжений при формировании результирующих выпрямляемых напряжений от двух источников питания и алгоритм работы управляемых вентилей; на Фиг.7 показана форма выпрямленного напряжения преобразователя при двухуровневом включении.
Преобразователь (Фиг.1) содержит симметричные трехфазные источники 1, 2, 3 питания, двадцать семь вентилей 4-30, двенадцать из которых управляемые и образуют два шестивентильных кольца: одно кольцо из вентилей 8, 10, 14, 16, 20, 5 объединенными анодами пар вентилей 8, 5; 10, 14; 16, 20 соединено, соответственно, с фазами a, b, с источника 1, а объединенными катодами пар вентилей 14, 16; 20, 5; 8, 10 соединено, соответственно, с фазами а, b, с источника 2; второе кольцо из вентилей 17, 21, 9, 6, 15, 11 объединенными анодами пар вентилей 9, 6; 15, 11; 17, 21 соединено, соответственно, с фазами а, b, с источника 2, а объединенными катодами пар вентилей 17, 15; 21, 6; 9, 11 соединено, соответственно, с фазами а, b, с источника 3.
Три неуправляемых вентиля 23, 26, 29 анодами подключены, соответственно, к фазам а, b, с источника 1, а катодами подключены, соответственно, к фазам b, с, а источника 3. Три неуправляемых вентиля 13, 19, 4 катодами подключены, соответственно, к фазам а, b, с источника 1, а три неуправляемых вентиля 28, 22, 25 катодами подключены, соответственно, к фазам a, b, с источника 2, при этом аноды вентилей 13, 19, 4, 28, 22, 25 объединены и образуют один выходной вывод 31 устройства. Три неуправляемых вентиля 7, 12, 18 анодами подключены, соответственно, к фазам а, b, с источника 3, а три неуправляемых вентиля 24, 27, 30 анодами подключены, соответственно, к фазам а, b, с источника 2, при этом катоды вентилей 7, 12, 18, 24, 27, 30 объединены и образуют второй выходной вывод 32 устройства. К выходным выводам 31 и 32 устройства подключена нагрузка 33.
Принцип работы устройства (Фиг.1) иллюстрируется векторными диаграммами напряжений, представленными (на Фиг.2 для трехуровневого соединения систем; на Фиг.3 для двухуровневого соединения систем) в виде амплитудно-фазовых портретов напряжений вторичных фазных обмоток, составляющих три симметричные трехфазные системы напряжений источников 1, 2, 3, сдвинутые последовательно по фазе на 20 эл.град., и развернутыми на потенциальной плоскости векторными диаграммами результирующих выпрямляемых 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 участвуют линейные напряжения только двух источников, причем каждый из трех источников в этом случае задействован в формировании 12 результирующих напряжений, так как источники циклично сменяют друг друга.
Для организации двух- или трехуровневого соединения систем вентили шестивентильных колец выполнены управляемыми. Последовательность управляемого и естественного включения вентилей при формировании выпрямленного напряжения, соответствующего сумме напряжений трех источников, приведена в таблице 1. Сопоставление алгоритма включения управляемых вентилей с временными диаграммами фазных напряжений источников питания приведено на Фиг.4. Скругленные прямоугольники на временной диаграмме охватывают пары фазных напряжений систем питания, которые участвуют в формировании текущей пульсации. На Фиг.5 приведена кривая выпрямленного напряжения при трехуровневом включении.
Номера управляемых вентилей в таблице отмечены жирным шрифтом. Моменты включения данных вентилей соответствуют началу формирования соответствующей пульсации s.
Таблица 1
s1
4
5
6
7
s7
13
10
11
12
s13
19
16
17
18
s2
4
8
6
7
s8
13
14
11
12
s14
19
20
17
18
s3
4
8
9
7
s9
13
14
15
12
s15
19
20
21
18
s4
4
10
9
7
s10
13
16
15
12
s16
19
5
21
18
s5
4
10
11
7
s11
13
16
17
12
s17
19
5
6
18
s6
4
10
11
12
s12
13
16
17
18
s18
19
5
6
7
Продолжительность включения вентилей 8, 9, 14, 15, 20, 21 соответствует двум длительностям пульсации, т.е. 40 эл.град., а продолжительность включения вентилей 5, 6, 10, 11, 16, 17 соответствует четырем длительностям пульсации, т.е. 80 эл.град.
Последовательность управляемого и естественного включения вентилей устройства при формировании выпрямленного напряжения, соответствующего сумме напряжений двух источников, приведена в таблице 2.
Таблица 2
s1
22
6
7
s7
25
11
12
s13
28
17
18
s2
4
23
7
s8
13
26
12
s14
19
29
18
s3
4
8
24
s9
13
14
27
s15
19
20
30
s4
25
9
7
s10
28
15
12
s16
22
21
18
s5
4
26
7
s11
13
29
12
s17
18
23
18
s6
4
10
27
s12
13
16
30
s18
19
5
24
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. Сопоставление алгоритма включения управляемых вентилей с временными диаграммами фазных напряжений источников питания приведено на Фиг.6. Скругленные прямоугольники на временной диаграмме охватывают пары фазных напряжений систем ЭДС, которые участвуют в формировании текущей пульсации.
На Фиг.7 приведена кривая выпрямленного напряжения при двухуровневом включении.
а
В качестве временной привязки выбраны моменты формирования пульсаций при двухуровневом преобразовании, так как начало пульсации s15 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 восемнадцатифазный преобразователь трехфазного напряжения в постоянное 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.