Источник постоянного напряжения с 12-кратной частотой пульсации

Полезная модель относится к электротехнике и к силовой преобразовательной технике и предназначается для преобразования переменного напряжения в постоянное для питания тяговых нагрузок электрического транспорта и электротехнологических установок на постоянном токе.
Известен источник постоянного напряжения с 12-кратной частотой пульсации, содержащий  вентилей и два источника исходных переменных ЭДС, каждый из двух частей с отводами, сдвинутых по фазе ортогонально друг к другу и формирующихся на обмотках двух однофазных трансформаторов, выходные выводы которого выполнены от средних точек связанных между собой обмоток вышеуказанных частей 1.
Недостатком этого устройства является большое количество отдельных, гальванически соединенных между собой, вторичных обмоток трансформаторов и большое число их витков, что обуславливает значительную величину установленной мощности, плохие массогабаритные показатели и, как следствие, возможность применять устройство для питания только маломощных и низковольтных потребителей.
Наиболее близким к полезной модели, принятым за прототип, является источник постоянного напряжения с 12-кратной частотой пульсации «система электропитания A.M. Репина, содержащий двенадцать вентилей и два источника ортогональных ЭДС, каждый из которых состоит из двух отдельных частей, соединенных попарно с разноименными частями другого источника ЭДС, образуя две ортогонально сдвинутые по фазе Т-образные
схемы, свободные выводы которых при помощи шести линий связаны с точками соединения соответств)аощей пары последовательно согласно включенных вентилей, при этом свободные аноды трех вентилей в первой Т-образной схеме объединены между собой, образуя выходные выводы, при этом остальные шесть вентилей соединены между собой последовательно попарно одноименными электродами, образуя шестивентильное кольцо, к объединенным анодам вентилей которого подключены линии первой Тобразной схемы, а к объединенным катодам вентилей кольца подключены линии второй Т-образной схемы, причем обе Т-образные схемы связаны между собой разноименными выводами через вентили кольца, а все соединения образуют основную структуру 2.
Недостатком этого устройства является относительно высокая установленная мощность вторичных обмоток трансформаторов.
Задача полезной модели - создание источника постоянного напряжения с 12-кратной частотой пульсации, имеюшего относительно меньшую установленную мощность вторичных обмоток трансформатора.
Указанная задача достигается тем, что источник постоянного напряжения с 12-кратной частотой пульсации содержит два исходных трансформаторных источника переменных ЭДС, сдвинутых по фазе ортогонально друг к другу, и двенадцать  вентилей, каждый источник фазосдвинутых (ФС) ЭДС имеет две вторичные обмотки со средними точками, причем выводы обмоток в каждом источнике ФС ЭДС соединены с двумя собственными однонаправленными цепочками, состоящими из трех последовательно и согласно включенных вентилей, при этом каждая пара выводов каждой обмотки соединена с парой точек последовательного соединения вентилей, равноудаленных от концов цепочек таким образом, что к разноименным электродам средних вентилей цепочек подключены противофазные выводы обмоток, при этом крайние одноименные электроды крайних вентилей в каждой паре цепочек соединены и в одной паре цепочек одна точка соединения одноименных электродов образует
один из выходных выводов устройства, а в другой паре цепочек точка соединения электродов противоположного наименования образует второй выходной вывод устройства, причем незадействованные точки соединения крайних электродов каждой пары цепочек соединены взаимоперекрестно со средними точками обмоток противоположных цепочкам источников ФС ЭДС, соединенных своими выводами с вентилями собственных цепочек, электроды которых образуют выходные выводы устройства, незадействованные средние точки двух других обмоток соединены между собой.
На Фиг.1 приведена принципиальная схема модели; на Фиг.2 волновые диаграммы; на Фиг.З - векторная диаграмма; на Фиг.4 эквивалентные схемы модели; на Фиг.5 - алгоритмы работы вторичных обмоток трансформаторов модели и алгоритмы включения вентилей.
Источник постоянного напряжения с 12-кратной частотой пульсации (Фиг.1) содержит два исходных трансформаторных источника переменной ЭДС 1 и 2 (первичные обмотки трансформаторов на схеме не показаны), сдвинутых по фазе ортогонально друг к другу, и двенадцать вентилей 3...14, оба источника фазосдвинутых ЭДС имеют по две вторичные обмотки 15, 16 и 17, 18, соответственно, со средними точками 19, 20 и 21, 22, причем в одном источнике ФС ЭДС обмотки 15, 16 соединены своими выводами с двумя собственными однонаправленными цепочками, состоящими из трех последовательно и согласно соединенных вентилей 3, 5, 7 и 4, 6, 8, а в другом источнике ФС ЭДС обмотки 17, 18 соединены своими выводами с двумя собственными однонаправленными цепочками, состоящими из трех последовательно и согласно соединенных вентилей 9, 11, 13 и 10, 12, 14. Выводы обмотки 15 подключены в точках последовательного соединения вентилей 3 и 5 - один вывод, 4 и 6 - второй вывод; выводы обмотки 16 подключены в точках последовательного соединения вентилей 5 и 7 - один вывод, 6 и 8 - второй вывод, противофазно подключению к вентилям 5 и 6 выводов обмотки 15.
С соблюдением этого правила противофазности выводы обмотки 17 подключены к точкам последовательного соединения вентилей 9 и 11, 10 и 12, а выводы обмотки 18 подключены к точкам последовательного соединения вентилей 11 и 13, 12 и 14. Крайние вентили 3 и 4 одной пары цепочек вентилей и крайние вентили 13 и 14 другой пары цепочек вентилей соединены одноименными крайними электродами попарно и образуют два выходных вывода устройства, катодный 23 и анодный 24, к которым подключена нагрузка 25. Крайние вентили одной пары цепочек 7, 8 и крайние вентили другой пары цепочек 9, 10 соединены одноименными крайними электродами и точки этих соединений связаны, соответственно, со средней точкой 22 обмотки 18 и со средней точкой 19 обмотки 15, а средние точки 20, 21 обмоток 16 и 17, соединены между собой.
Принцип работы устройства (Фиг.1) иллюстрируется волновыми (Фиг.2), векторными (Фиг.З) диаграммами и эквивалентными схемами вторичных цепей (Фиг.4) для интервалов времени, определенных периодом смены фаз ортогональных ЭДС, то есть 90 эл. градусов. Волновые диаграммы и эквивалентные схемы иллюстрируют принцип формирования напряжений на вторичных обмотках трансформаторных источников ФС ЭДС и форму кривой выпрямленного напряжения при активной нагрузке за четверть периода переменного напряжения источников ФС ЭДС. На Фиг.5 представлены алгоритм работы полуобмоток источников ФС ЭДС и алгоритм включения вентилей за каждый интервал времени, соответствующий одной пульсности выпрямленного напряжения и равный 30 эл. градусов.
Из алгоритмов работы (Фиг.5) видно, что обмотка 15 в первом и обмотка 18 во втором источниках ФС ЭДС участвуют в преобразовательном процессе 302,32 эл. град, за период, а обмотка 16 в первом и обмотка 17 во втором источниках ФС ЭДС участвуют в преобразовательном процессе 180 эл. градусов за период.
Относительные числа витков равны: для полуобмоток 16а, б и 17а, б 1,0; для полуобмоток 15а, б и 18а, б - 0,816. Общая сумма относительных чисел витков равна Wj  7,264. 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 Wi. равна 235 эл. град., что характеризует высокую степень использования вторичных обмоток источников ФС ЭДС. На основании алгоритма работы вентилей (Фиг. 5) можно определить среднюю условную продолжительность проводящего состояния вентиля за один цикл выпрямления, которая для данного устройства составляет 120 эл. градусов.
С учетом относительных чисел витков полуобмоток, указанных ранее, можно определить суммарное витковое число вторичных обмоток источников ФС ЭДС WBZ  WI/WB, показывающее отнощение общего суммарного числа витков Ws всех частей вторичных обмоток к базовому числу витков WE, которое равно числу витков с амплитудой напряжения на них, равной амплитуде Udo выходного напряжения в режиме холостого хода устройства. Базовое число витков для данного устройства определено на основании волновых диаграмм (Фиг.2) и алгоритма работы обмоток (Фиг.5), и равно WB  3,722. Таким образом, суммарное витковое число предлагаемого устройства будет равно WB2  1,95 (у прототипа-1,93). Установленная мощность вторичных обмоток трансформаторов модели равна 1,118, то есть меньще, чем у прототипа (1,128). Лучше используются вентили, так как четыре из них проводят ток 180 эл. град., четыре 122,32 эл. град, и четыре 57,68 эл. град, за период, тогда как у прототипа щесть вентилей работают 120, три - 90 и три- 30 эл. градусов. Соответственно, средняя условная продолжительность проводящего состояния вентилей в модели равна 120,74 эл. град., а у прототипа - 90 эл. градусов. За счет близких значений относительных чисел витков полуобмоток (1,0 и 0,816)
улучшены условия электромагнитных связей, причем в каждом источнике ФС ЭДС имеется две пары полуобмоток, рациональное размещение которых позволяет минимизировать магнитные поля рассеяния (у прототипа в каждом источнике ФС ЭДС две полуобмотки и одна обмотка, соответственно, имеют относительные числа витков 0,577:0,577:1,0). Значительно улучшена структура построения токообразующих ЭДС в фазовой плоскости (Фиг.З).
Таким образом, модель позволяет снизить установленную мощность вторичных обмоток трансформаторов. При этом форма кривой выпрямленного напряжения соответствует 12-кратной частоте пульсации.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:
1.А.С.СССР №1086524. Источник постоянного напряжения с п-кратной частотой пульсации / А.М.Репин-3440785/24-07; Заявл. 21.05.82; Опубл. 15.04.84; Бюл.№14.
2.А.С.СССР №1157633. Система электропитания А.М.Репина / А.М.Репин-3587102/24-07; Заявл. 29.04.83; Опубл. 23.05.85; Бюл.№19.
Проректор НГТУЖ §° Й| л по научной рабо Д.Т.Н., профессор  А.Г.Вострецов