ОДНОФАЗНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В ПОСТОЯННЫЙ

Предлагаемое изобретение относится к полупроводниковым преобразователям электрической энергии, предназначенным для преобразования переменного тока в постоянный, и может быть использовано в источниках постоянного тока с регулируемым напряжением.
Известен однофазный преобразователь переменного тока в постоянный (Плакс А.В. Системы управления электрическим подвижным составом. Учебник для вузов ж.-д. транспорта. - М.: Маршрут, 2005, С. 140), являющийся аналогом, содержащий однофазный трансформатор с первичной обмоткой и с группой вторичных обмоток, состоящей из двух частей, одна из которых имеет отпайку от средней точки, а вторая часть соединена с первой согласно, причем числа витков обеих частей группы вторичных обмоток равны, и четырехфазный вентильный мост с восемью тиристорами, входы переменного тока которого подключены к выводам от начала и конца всей вторичной обмотки, образованной соединением двух частей, и к выводам от отпайки первой части и от точки соединения частей группы вторичных обмоток, а выходы постоянного тока подключены к нагрузке. Преобразователь обеспечивает четырехзонное плавное регулирование напряжения.
Недостатком преобразователя является низкий коэффициент мощности, что обусловлено необходимостью осуществлять раздельную коммутацию токов по большому и малому контурам в начальной стадии формирования каждой пульсации, что приводит к дополнительному сдвигу начало формирования пульсаций выпрямленного напряжения относительно «нулевых» фаз питающего напряжения более чем на 20 эл. град., а следовательно к искажению сетевого тока, который дополнительно требует усложнением алгоритмов управление тиристоров необходимыми ограничениями.
Так же известно устройство, представляющее собой преобразователь переменного тока в постоянный, принятое за прототип (патент 2398344, МПК H02M 7/155 27.08.2010, бюллетень №24, Однофазный преобразователь переменного тока в постоянный), которое содержит восемь тиристоров и однофазный трансформатор с первичной обмоткой и группой вторичных обмоток, состоящей из двух частей, первая из которых имеет отпайку от средней точки, причем числа витков обеих частей группы вторичных обмоток равны, при этом от середины второй части группы вторичных обмоток выполнена отпайка с выводом, из шести тиристоров сформированы две, обратные друг другу, трехвентильные звезды, общие точки соединения вентилей которых образуют выходные выводы устройства, причем свободные электроды тиристоров одной звезды соединены с началом, средней точкой и концом первой части группы вторичных обмоток, а свободные электроды тиристоров второй звезды соединены с началом, средней точкой и концом второй части группы вторичных обмоток, при этом один из незадействованных тиристоров соединяет начало (конец) первой части с концом (началом) второй части группы вторичных обмоток, а второй незадействованный тиристор соединяет конец (начало) первой части с началом (концом) второй части группы вторичных обмоток, причем оба тиристора включены согласно с тиристорами трехвентильных звезд.
Недостатком данного преобразователя является относительно низкий коэффициент мощности из-за наличия высших гармоник в потребляемом сетевом токе и сдвига между основной гармоникой сетевого тока и напряжения.
Задачей предлагаемой полезной модели является получение более высокого значения коэффициента мощности.
Указанная задача достигается тем, что в устройстве однофазного преобразователя переменного тока в постоянный, содержащем однофазный трансформатор с первичной обмоткой и группой вторичных обмоток, состоящей из двух частей, каждая из которых имеет отпайку от средней точки, причем числа витков обеих частей группы вторичных обмоток равны, сформированы две, обратные друг другу трехвентильные звезды, общие точки соединения вентилей которых образуют выходные выводы устройства. Причем, в отличие от прототипа, первая звезда образована двумя тиристорами, свободные электроды которых соединены с началом и концом первой части группы вторичных обмоток и одним диодом, свободный электрод которого соединен со средней точкой первой части группы вторичных обмоток, а вторая звезда образована двумя транзисторами, свободные электроды которых соединены с началом и концом второй части группы вторичных обмоток и одним диодом, свободный электрод которого соединен со средней точкой второй части группы вторичных обмоток. При этом один дополнительный тиристор соединяет начало первой части группы вторичных обмоток с концом второй части группы вторичных обмоток, а другой дополнительный тиристор соединяет конец первой части группы вторичных обмоток с началом второй части группы вторичных обмоток. Кроме того, один дополнительный диод соединяет средние точки частей первой и второй групп вторичных обмоток, причем дополнительный диод и оба дополнительных тиристора включены согласно с тиристорами, транзисторами и диодами трехвентильных звезд.
На Фиг. 1 приведена схема предлагаемого однофазного преобразователя переменного тока в постоянный с четырьмя тиристорами, тремя диодами и двумя транзисторами.
На Фиг. 2 в табличной форме приведен алгоритм управления как тиристорами путем подачи отпирающих импульсов с углом регулирования α=0°, изображенных как «o» на их управляющие электроды, так и транзисторами путем подачи серии открывающих импульсов, изображенных как «•», с варьируемой шириной и частотой модуляции на базы (затворы) транзисторов. Знаки (+) и (-) в столбце «Фаза» обозначают, соответственно, положительный и отрицательный полупериод синусоиды сетевого напряжения, для которого следует подавать управляющие сигналы.
На Фиг. 3 приведены диаграммы напряжений на выходе преобразователя и диаграмма сетевого тока.
Однофазный преобразователь переменного тока в постоянный (Фиг. 1) содержит однофазный трансформатор, имеющий две гальванически развязанные части групп вторичных обмоток с равными числами витков, одна разделена отпайкой от середины на секции 1 и 2, вторая разделена отпайкой от середины на секции 3 и 4, вентильную часть, состоящую из тиристоров 5-8, транзисторов 9, 10 и диодов 11-13; тиристоры 5, 6, диод 11 и транзисторы 9, 10, диод 13 образуют обратные друг другу анодные и катодные трехвентильные звезды, общие точки соединения которых образуют выходные выводы устройства - анодный 15 и катодный 14, к которым подключена нагрузка 16. Катоды тиристоров 5, 6 соединены, соответственно, с началом (секция 1) и концом (секция 2) первой части группы вторичных обмоток, катод диода 11 соединен со средней точкой первой части группы вторичных обмоток. Эмиттеры транзисторов 9, 10 соединены, соответственно, с концом (секция 3) и началом (секция 4) второй части группы вторичных обмоток, анод диода 13 соединен со средней точкой второй части группы вторичных обмоток. Дополнительный тиристор 7 подключен анодом к началу (секция 1) первой части группы вторичных обмоток, а катодом к концу (секция 3) второй части группы вторичных обмоток. Другой дополнительный тиристор 8 подключен анодом к концу (секция 2) первой части группы вторичных обмоток, а катодом к началу (секция 4) второй части группы вторичных обмоток. Дополнительный диод 12 подключен анодом к средней точке первой части группы вторичных обмоток, а катодом к средней точке второй части группы вторичных обмоток.
Предлагаемый преобразователь работает следующим образом. Для примера рассмотрим второй поддиапазон (зона II). При положительной полуволне питающего напряжения, положительную полярность которого примем соответствующей более высоким потенциалам начал секций, сначала на тиристор 6 подается импульс управления с углом регулирования α=0° и открываются диоды 12, 13; при этом на нагрузке 16 формируется напряжение секции 2. Затем, с варьируемой частотой модуляции, обеспечивающей плавную регулировку величины выпрямленного напряжения, открывается транзистор 10 и на нагрузке 16 формируется суммарное напряжение секций 2, 4. Ток при этом протекает сначала по контуру: вывод 14 - нагрузка 16 - вывод 15 - тиристор 6 - секция 2 - диод 12 - диод 13 - вывод 14, а после открытия транзистора 10 ток из диода 13 в силу естественной коммутации переходит в цепь, состоящую из транзистора 10 и секции 4 вторичной обмотки. Мгновенное значение выпрямленного напряжения на нагрузке 16 возрастает от 1/4 полного напряжения всех секций вторичной обмотки трансформатора до значения 1/2, как это показано для поддиапазона II на фиг. 3.
При отрицательной полуволне питающего напряжения сначала на тиристор 5 подается импульс управления с углом регулирования α=0° и открываются диоды 12, 13, а затем с варьируемой частотой модуляций открывается транзистор 9. Форма выпрямленного напряжения в этой полуволне будет такой же двухступенчатой, как и в предыдущей полуволне, показанной на фиг. 3 (поддиапазон II). С увеличением ширины импульсов управления транзисторами 9 и 10 среднее значение выпрямленного напряжения плавно возрастает в пределах рассмотренного поддиапазона.
Аналогично прослеживается работа преобразователя во всех остальных поддиапазонах (зонах) плавного регулирования. Кривые выпрямленного напряжения на Фиг. 3 получены для активно-индуктивной нагрузки. В предлагаемом преобразователе плавное регулирование достигается во всех четырех поддиапазонах при согласном включении обмоток и при достаточно простой реализации схемы управления.
d
Работа устройства (Фиг. 1) по формированию плавно изменяющегося выпрямленного напряжения обеспечивается подачей управляющих сигналов на управляющие электроды тиристоров и транзисторов. Амплитудное регулирование осуществляется подачей отпирающих импульсов на тиристоры, а фазовое регулирование осуществляется подачей открывающих импульсов на транзисторы (Фиг. 2). При выбранном равенстве чисел витков всех секций вторичных обмоток (1:1:1:1) весь диапазон регулирования выпрямленного напряжения разделен на 4 поддиапазона (зоны), которые (зоны I, II, III, IV) представлены временными диаграммами выпрямленного напряжения u (Фиг. 3).
Структура построения однофазного преобразователя остается «лестничной», как в варианте прототипа, что обеспечивает проведение раздельной коммутации тиристоров, «рассовмещенной» на большие и малые контуры коммутации. По сравнению с прототипом в предлагаемой схеме допускается одновременное амплитудное регулирование, которое осуществляется подачей отпирающих импульсов на тиристоры и фазовое широтно-импульсное регулирование, которое осуществляется подачей серии импульсов различной ширины на транзисторы. Использование транзисторов позволяет улучшить форму выпрямленного напряжения, ликвидировать сдвиг между основной гармоникой сетевого тока и напряжения, снизить процентный состав высших гармоник в потребляемом сетевом токе - а значит, в целом повысить коэффициент мощности преобразователя.
Таким образом, техническим результатом предлагаемой полезной модели является получение более высокого значения коэффициента мощности.