ВОСЬМИФАЗНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ
EIGHT-PHASE VOLTAGE CONVERTER

Предлагаемое изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при создании регулируемых преобразователей напряжения для электроприводов постоянного тока для станков для повышения их быстродействия, а также на преобразовательных подстанциях для питания электрифицированных железных дорог, в электрометаллургической и химической промышленности для уменьшения величины пульсаций выпрямленного напряжения и уменьшения содержания высших гармонических составляющих в кривой переменного тока.
Наиболее близким решением из уровня техники к предлагаемому, принятым за прототип, является источник постоянного напряжения с 8-кратной частотой пульсации [Патент на полезную модель №53082. Источник постоянного напряжения с 8-кратной частотой пульсации [Ворфоломеев Г.Н., Щуров Н.И., Нейман Л.А., - Заяв. №2005132895; заявл. 25.10.2005; опубл. 27.04.2006; бюл. №12], содержащий два трансформаторных источника переменных ЭДС, сдвинутых по фазе ортогонально друг к другу, и шестнадцать вентилей; при этом каждый источник имеет по две вторичные обмотки, снабженные дополнительными отводами, связанными друг с другом и с вентилями, соединенными в четыре четырехвентильных моста. Таким образом, прототип требует для своей реализации трехфазную сеть, два однофазных трансформатора, первичные обмотки которых подключены к трехфазной сети по схеме Скотта, и шестнадцать вентилей.
Недостатком такого устройства является наличие довольно большого числа вентилей, что значительно усложняет конструкцию преобразователя, так как каждый вентиль должен сопровождаться блоком, формирующим сигнал, управляющий вентилем.
Задача предлагаемого изобретения - создание источника постоянного напряжения с восьмикратной частотой пульсации, обладающего вдвое меньшим числом вентилей и достаточно простой конструкцией и технологией устройства.
Поставленная задача решается посредством того, что в восьмифазном преобразователе, содержащем трехфазный трансформатор с двойным комплектом катушек основных вторичных обмоток с двумя катушками вспомогательных обмоток на стержне одной из фаз и восемь вентилей, основные вторичные обмотки соединены узлами в один контур в виде «шестиугольника» таким образом, что напряжения между вершинами «шестиугольника» образуют шестифазную систему напряжений, при этом один из выводов вспомогательной обмотки подсоединен к узлу контура «шестиугольника», не связанному с основными вторичными обмотками той фазы, на стержне которой находятся вспомогательные обмотки, а каждый другой из выводов совместно с шестью отпайками от катушек основных вторичных обмоток представляет собой один из выходов восьмифазной системы напряжений, причем вентили соединены в две группы - анодную и катодную, при этом в анодной группе вентилей аноды соединены в один узел, представляющий собой один полюс на стороне постоянного тока, а в катодной группе вентилей катоды соединены в один узел, представляющий другой полюс на стороне постоянного тока, кроме того, каждый вентиль катодной группы своим анодом подсоединен к четной фазе восьмифазной системы напряжений, а каждый вентиль анодной группы своим катодом подсоединен к нечетной фазе восьмифазной системы напряжений.
Предлагаемое изобретение поясняется графическими материалами, где:
- на фиг.1 представлена схема восьмифазного преобразователя напряжения;
- на фиг.2 - векторная диаграмма потенциалов на вентилях;
- на фиг.3-10 - представлены эквивалентные схемы, образующиеся в преобразователе, для каждого из восьми интервалов времени.
Восьмифазный преобразователь напряжения состоит из трехфазного трансформатора, имеющего три катушки 1, 2, 3 первичной обмотки, соединенных по схеме «звезда» и подключенных к трехфазной сети, шесть соединенных между собой катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 основных вторичных обмоток, имеющих отпайки от витков 10, 11, 12, 13, 14, 15, соединенные с вентилями преобразователя, и две вспомогательные катушки вторичной обмотки 16 и 17, также соединенные с вентилями. Одноименные зажимы (начала) всех катушек помечены знаком «звездочка» (*). При этом начало катушки 4 вторичной обмотки соединено с началом катушки 9 вторичной обмотки, конец катушки 9 вторичной обмотки - с концом катушки 6 вторичной обмотки, начало катушки 6 вторичной обмотки - с началом катушки 5 вторичной обмотки, конец катушки 5 вторичной обмотки - с концом катушки 8 вторичной обмотки, начало катушки 8 вторичной обмотки - с началом катушки 7 вторичной обмотки, конец катушки 7 вторичной обмотки - с концом катушки 4 вторичной обмотки, замыкая контур катушек вторичных обмоток. Каждая катушка основных вторичных обмоток трансформатора является стороной «шестиугольника». Вспомогательные вторичные обмотки подсоединяются каждая к одной вершине «шестиугольника», с которой не связаны основные вторичные обмотки того же стержня, на котором находятся вспомогательные обмотки.
Вентили 18, 19, 20, 21 анодной группы своими катодами подсоединены к выходам восьмифазной системы напряжений (отпайкам от витков катушек основных вторичных обмоток) соответственно 12, 13, 14, 15. Вентили 22, 23, 24, 25 катодной группы преобразователя своими анодами подсоединены к выходам восьмифазной системы напряжений соответственно 16, 10, 17, 11.
На векторной диаграмме представлены векторы потенциалов на анодах вентилей катодной группы и на катодах вентилей анодной группы относительно центра «шестиугольника» и «восьмиугольника» - точки 0, потенциал которой принят равным нулю.
Восьмифазный преобразователь напряжения работает следующим образом.
Восьмифазный преобразователь напряжения может работать в двух режимах: в режиме выпрямителя и в режиме инвертора. Работа в режиме неуправляемого выпрямителя при использовании в качестве вентилей полупроводниковых диодов происходит следующим образом: всегда работают два вентиля - один из четырех вентилей катодной группы, потенциал на аноде которого наибольший, и один из четырех вентилей анодной группы, потенциал на катоде которого наименьший (фиг.3, фиг.4). Поэтому среднее значение тока, протекающего через вентиль - Iв, равно одной четвертой части среднего значения тока нагрузки - Io:Iв=1/4Io. Каждый вентиль за период включается один раз.
1
1
Во времени потенциалы на вентилях изменяются по гармоническому закону, определяемому изменением проекции вектора потенциала на ось ординат при вращении векторов против часовой стрелки с угловой скоростью ω=2πf, где f - частота питающего преобразователь напряжения. Векторная диаграмма потенциалов узлов преобразователя представлена для момента времени, когда вентиль 19 анодной группы меняет работавший до этого момента времени вентиль 21 анодной группы, так как потенциал на катоде вентиля 21 стал меньше. Таким образом, напряжение на выходе выпрямителя, определявшееся проекцией отрезка 22-21 (см. фиг.2) на ось ординат, меняется на равное ему напряжение, определяемое проекцией отрезка 22-19, и будет определяться этой проекцией до того момента, когда вентиль 22 катодной группы будет заменен другим вентилем 25 катодной группы - в тот момент времени, когда потенциал на аноде вентиля 25 станет больше потенциала на аноде вентиля 22 катодной группы.
В восьмифазном преобразователе напряжения каждый период питающего напряжения разделяется на восемь интервалов времени. В каждом последующем интервале времени закон изменения напряжения на выходе повторяет закон изменения напряжения предыдущего интервала. Введем следующие обозначения: Ni - порядковый номер интервала; Ti - момент времени начала i-го интервала (мс); Ba - работающий вентиль анодной группы; Вк - работающий вентиль катодной группы. Циклограмма работы вентилей катодной и анодной групп приведена в таблице 1.
6m
Выразим величину среднего выпрямленного напряжения на выходе преобразователя через амплитуду фазного напряжения на выходе шестифазного преобразователя числа фаз U, равную амплитуде напряжения на катушке основной вторичной обмотки фазы.
Таблица 1
Ni
1
2
3
4
5
6
7
8
Ti
0
2,5
5
7,5
10
12,5
15
17,5
Ba
19
19
20
20
18
18
21
21
Bk
22
25
25
24
24
23
23
22
0m
6m
6m
0m
6m
В пределах одного интервала времени восьмифазного выпрямителя его напряжение на выходе изменяется по гармоническому закону. Обозначим амплитуду выходного напряжения U. Ее можно представить отрезком 19-22 на векторной диаграмме как гипотенузу прямоугольного треугольника Е-19-22 при катетах: Е-19 и Е-22, равных соответственно U Sin60°Sin45° и U(1+Sin60°Sin45°). Тогда U=1,6U
В пределах интервала времени -T/16<t<T/16, где Т - период изменения трехфазного напряжения питающей сети, напряжение на выходе преобразователя изменяется по закону
0
0m
U(t)=UCosωt
0
0
0
6m
Поэтому величина среднего выпрямленного напряжения на выходе преобразователя U определяется средним значением определенного интеграла от функции U(t) в пределах от -Т/16 до +Т/16 за одну восьмую часть периода: U=1,56U.
В момент времени, когда происходит изменение структуры схемы из-за изменившихся потенциалов на вентилях, напряжение на выходе выпрямителя минимально. Определим его величину на примере момента времени перехода к первому временному интервалу, для которого построена векторная диаграмма. Величина выходного напряжения будет минимальной и будет определяться разностью проекций векторов потенциалов вентилей 22 и 19 на ось ординат, т.е. длиной отрезка Е-22:
0min
6m
6m
U=U(1+Sin60°Sin45°)=1,478U
6m
0
6m
0
6m
6m
Выпрямленное напряжение пульсирует с восьмикратной частотой в промежутке напряжений 1,478U<U(t)<1,6U при среднем значении U=1,56U с амплитудой 0,0265U, что составляет ниже 1,5% от среднего значения.
2
2
2
2
16
17
2
2
Определим теперь положение отпаек от витков основных вторичных обмоток. В катушках основных вторичных обмоток (4 и 5), расположенных на стержне, на котором находятся дополнительные вторичные обмотки (16 и 17), отпайки выводятся от половины витков. В катушках других фаз отпайка делит витки катушек на две части с соотношением витков (2Sin22,5°Sin67,5°):(1-2Sin22,5°Sin67,5°). Положение отпайки по отношению к началу обмотки показано на векторной диаграмме (Фиг.2). У катушек 7 и 8 число витков, отсчитанное от начала катушки до отпайки, составляет 0,707W, от отпайки до конца катушки - 0,293W. У катушек 6 и 9 наоборот: от начала до отпайки - 0,293W, а от отпайки до конца - 0,707W. Геометрический анализ векторной диаграммы (Фиг.2) дает следующее число витков вспомогательных вторичных обмоток: W=W=0,134W. Здесь W - число витков одной катушки главной вторичной обмотки.
0
Величину токов, протекающих по катушкам вторичных обмоток, определим исходя из того, что ток нагрузки в шестиугольнике вторичных обмоток разделяется по двум параллельным ветвям, состоящим из разного числа витков, которое в различные интервалы времени разное. Примем сопротивление одной полной катушки вторичной обмотки за единицу. Тогда сопротивление ее части до ответвления можно представить числами, приведенными выше по тексту, а сопротивление каждой ветви можно представить одним из четырех полученных ниже чисел: 1+1+1+0,707=3,707; 1+1+0,293=2,293; 1+0,707+0,5=2,207; 1+1+1+0,5+0,293=3,793. Состав параллельных ветвей для каждого интервала времени можно определить по Фиг.3 для первых четырех интервалов и по Фиг.4 для остальных интервалов. Токи в катушках в долях от тока нагрузки I при идеальном фильтре на выходе преобразователя приведены в таблице 2.
Здесь Nk - номер катушки, Ik/Io - ток катушки в долях от тока нагрузки,
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет уменьшить число вентилей преобразователя, что в конечном итоге позволяет снизить габариты, вес и стоимость преобразователя.
Анализ заявленного технического решения на соответствие требованиям условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, неизвестной на дату приоритета из уровня техники, достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.
Свойства, регламентированные в заявленном соединении отдельными признаками, общеизвестны из уровня техники и не требуют дополнительных пояснений.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для использования при создании регулируемых электроприводов постоянного тока;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в материалах заявки известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствует требованиям условиям патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.