ДВАДЦАТИЧЕТЫРЕХФАЗНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТРЕХФАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ
TWENTY FOUR-PHASE CONVERTER OF THREE-PHASE-VOLTAGE-TO-CONSTANT 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.
Известны двадцатичетырехфазные преобразователи трехфазного напряжения в постоянное, построенные на основе четырех 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 (1. Яценко А.А. Применение схемы «скользящего треугольника» в многофазных преобразователях. // Электричество. - 1982. - №7. - С.17-24. 2. A.c. SU №801204, МПК Н02М 7/06, опубл. 30.01.1981, Бюл. №4). Такие каскадные преобразователи обеспечивают получение на выходах четырех различных уровней выпрямленного напряжения при последовательных схемах построения (от соответствующих отводов преобразовательных секций).
Недостатком данных преобразователей при последовательных схемах построения является большая мощность потерь в вентилях. В силу того, что двадцатичетырехфазные преобразователи последовательного типа построены методом последовательного агрегирования четырех шестифазных преобразовательных секций с трехфазными вентильными мостами и источниками трехфазных симметричных систем ЭДС, имеющих сдвиг 15 эл. град. между одноименными напряжениями, при использовании суммы напряжений трех секций в схеме последовательного типа форма кривой выпрямленного напряжения будет существенно искажена. Таким образом, качество преобразования при использовании трех преобразовательных секций, по сравнению с использованием четырех секций, существенно снижается. При использовании суммы напряжений двух секций при сдвиге 30 эл. град. между одноименными напряжениями выпрямленное напряжение будет иметь 12 пульсаций за период, т.е. качество преобразования также снизится. Еще более существенное снижение качества преобразования произойдет при использовании в качестве выходного выпрямленного напряжения выходного напряжения от одной из секций, так как в его кривой будет только шесть пульсаций.
Наиболее близким к изобретению, принятым за прототип, является двадцатичетырехфазный преобразователь трехфазного напряжения в постоянное (Пат. РФ №2368997. Преобразователь трехфазного напряжения в постоянное / С.А.Евдокимов, Бюл. №27, 2009), содержащий при кратности частоты пульсации выпрямленного напряжения р=24 p/6=4 симметричных трехфазных источника питания, одноименные напряжения которых последовательно сдвинуты по фазе на 2π/p=15 эл. град., и n=(p/6)+1=5 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 три 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 вентиля 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.
Данный преобразователь, реализующий последовательную схему соединения трехфазных источников питания, в любой фазе преобразования имеет всего 5 вентилей, последовательно обтекаемых током нагрузки, что снижает мощность потерь в вентилях относительно мостовых схем, имеющих при данных источниках питания 8 вентилей в цепи тока.
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, приводящее 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 двадцатичетырехфазный преобразователь трехфазного напряжения в постоянное содержит четыре симметричных трехфазных источника питания, одноименные напряжения которых последовательно сдвинуты по фазе на 2π/p=15 эл. град., и n=(p/6)+1=5 последовательно расположенных вентильных групп, крайние из которых содержат по три вентиля, соединенных в анодную и катодную трехвентильные звезды, общие точки которых образуют выходные выводы устройства, соответственно, анодный и катодный, а остальные три 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 вентиля 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 двадцать одним дополнительным вентилем, вентили шестивентильных колец выполнены управляемыми, три дополнительных вентиля также выполнены управляемыми, а остальные - неуправляемыми, из девяти неуправляемых дополнительных вентилей сформирована анодная, а из девяти оставшихся дополнительных неуправляемых вентилей катодная девятивентильные звезды, соединенные общими точками соединения одноименных электродов с соответствующими им по наименованию выходными выводами устройства, а каждый из девяти свободных электродов вентилей в каждой из сформированных звезд соединен с одной из фаз трехфазных источников питания, не соединенных ранее с одноименными данным девятивентильным звездам трехвентильными звездами, три дополнительных управляемых вентиля соединены анодами с фазами одного крайнего трехфазного источника питания, к которым подключена катодная трехвентильная звезда, при этом свободные катоды данных вентилей соединены с фазами другого крайнего трехфазного источника питания, опережающими на  эл. град. фазы источника, к которым данные вентили присоединены анодами.
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 четырех трехфазных источников питания (четырехуровневое включение); на Фиг.3 показаны совмещенные АФП при формировании результирующих выпрямляемых напряжений от трех трехфазных источников питания; на Фиг.4 показаны совмещенные АФП при формировании результирующих выпрямляемых напряжений от двух трехфазных источников питания; на Фиг.5 приведены временные диаграммы напряжений источников питания с указанием участков кривых фазных напряжений, формирующих результирующие выпрямляемые напряжения от четырех источников питания, совмещенные с таблицей (алгоритмом) работы управляемых вентилей; на Фиг.6 показаны формы выпрямленного напряжения преобразователя при четырехуровневом включении при идеальной модели и модели с реальными параметрами цепей; на Фиг.7 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.8 показаны формы выпрямленного напряжения преобразователя при трехуровневом включении при идеальной модели и модели с реальными параметрами; на Фиг.9 приведены сравнительные временные диаграммы выпрямленных напряжений при четырех режимах работы преобразователя: одноуровневом; двухуровневом; трехуровневом; четырехуровневом; на Фиг.10 показаны формы выпрямленного напряжения при одном из вариантов перехода с трехуровневого на четырехуровневый режим работы преобразователя для компьютерной модели с идеальными параметрами и модели с реальными параметрами.
Преобразователь (Фиг.1) содержит симметричные трехфазные источники 1, 2, 3, 4 питания, сорок пять вентилей 5-49, двадцать один из которых управляемые и образуют три шестивентильных кольца: одно кольцо из вентилей 10, 13, 18, 21, 26, 6, которое объединенными анодами пар вентилей 10, 6; 13, 18; 21, 26 соединено, соответственно, с фазами a, b, c источника 1, а объединенными катодами пар вентилей 18, 21; 26, 6; 10, 13 соединено, соответственно, с фазами a, b, c источника 2; второе кольцо из вентилей 22, 27, 11, 7, 19, 14, которое объединенными анодами пар вентилей 11, 7; 19, 14; 22, 27 соединено, соответственно, с фазами a, b, c источника 2, а объединенными катодами пар вентилей 22, 19; 27, 7; 11, 14 соединено, соответственно, с фазами a, b, c источника 3; третье кольцо из вентилей 12, 20, 23, 15, 8, 28, которое объединенными анодами пар вентилей 12, 8; 20, 15; 23, 28 соединено, соответственно, с фазами a, b, c источника 3, а объединенными катодами пар вентилей 20, 23; 8, 28; 12, 15 соединено, соответственно, с фазами a, b, c источника 4. Три управляемых вентиля 31, 41, 48 анодами подключены, соответственно, к фазам a, b, c источника 4, а катодами подключены, соответственно, к фазам c, a, b источника 1. Двенадцать неуправляемых вентиля соединены в анодную двенадцативентильную звезду, катоды вентилей 17, 25, 5 которой подключены, соответственно, к фазам a, b, c источника 1, катоды вентилей 29, 49, 36 подключены, соответственно, к фазам a, b, c источника 2, катоды вентилей 43, 30, 37 подключены, соответственно, к фазам a, b, c источника 3, катоды вентилей 45, 33, 38 подключены, соответственно, к фазам a, b, c источника 4, а общая точка соединения анодов образует анодный выходной вывод устройства 50. Двенадцать неуправляемых вентиля соединены в катодную двенадцативентильную звезду, аноды вентилей 9, 16, 24 которой подключены, соответственно, к фазам a, b, c источника 4, аноды вентилей 35, 40, 47 подключены, соответственно, к фазам a, b, c источника 3, аноды вентилей 34, 39, 46 подключены, соответственно, к фазам a, b, c источника 2, аноды вентилей 32, 42, 44 подключены, соответственно, к фазам a, b, c источника 1, а общая точка соединения катодов образует катодный выходной вывод устройства 51. К выводам 50 и 51 подключена нагрузка 52.
Принцип работы преобразователя (Фиг.1) иллюстрируется векторными диаграммами напряжений, представленными на Фиг.2 для четырехуровневого соединения трехфазных источников питания, на Фиг.3 для трехуровневого соединения источников, а на Фиг.4 для двухуровневого соединения в виде амплитудно-фазовых портретов напряжений вторичных фазных обмоток источников 1, 2, 3 и 4, формирующих четыре симметричные трехфазные системы, сдвинутые последовательно по фазе на 15 эл. град., и развернутыми на потенциальной плоскости векторными диаграммами результирующих напряжений. Из векторных диаграмм видно, что при четырехуровневом соединении источников (Фиг.2) в формировании каждого результирующего выпрямляемого напряжения участвуют линейные напряжения каждой из четырех трехфазных систем, а при трехуровневом соединении напряжения только трех систем (Фиг.3), причем каждая из четырех систем задействована в формировании 18 результирующих напряжений, так как системы циклично сменяют друг друга. При двухуровневом соединении источников (Фиг.4) каждая из четырех систем задействована в формировании 12 результирующих выпрямляемых напряжений. Одноуровневый режим работы не иллюстрируется, так как все 12 фаз источников питания соединены с неуправляемым 12-фазным вентильным мостом, работа которого при отсутствии сигналов управления на управляемые вентили, пояснений не требует. При этом каждая из систем участвует в формировании 6 результирующих выпрямляемых напряжений.
Для организации двух-, трех- или четырехуровневого соединения источников вентили шестивентильных колец и трит дополнительных вентиля выполнены управляемыми. Последовательность управляемого включения вентилей при формировании выпрямленного напряжения, соответствующего включению четырех источников питания, приведена в таблице 1. Моменты включения данных вентилей соответствуют началу формирования соответствующей пульсации s. Сопоставление алгоритма включения управляемых вентилей с временными диаграммами фазных напряжений источников питания приведено на Фиг.5.
Таблица 1
s1
6
7
8
s7
13
14
15
s13
21
19
20
s19
26
27
23
s2
10
7
8
s8
13
14
15
s14
21
22
20
s20
26
27
28
s3
10
11
8
s9
13
14
15
s15
21
22
23
s21
6
27
28
s4
10
11
12
s10
18
14
15
s16
21
22
23
s22
6
7
28
s5
13
11
12
s11
18
19
15
s17
21
22
23
s23
6
7
8
s6
13
14
12
sl2
18
19
20
s18
26
22
23
s24
6
7
8
Скругленные прямоугольники на временной диаграмме охватывают пары фазных напряжений трехфазных источников питания, которые участвуют в формировании текущей пульсации. Продолжительность включения одной половины управляемых вентилей равна пяти длительностям пульсации: 75 эл. град., а другой половины - трем: 45 эл. град. На Фиг.6 приведены кривые выпрямленного напряжения при четырехуровневом включении: одна получена на компьютерной модели с идеализированными параметрами, другая при конечных значениях параметров (приведены на фигуре).
Последовательность управляемого и естественного включения вентилей устройства при формировании выпрямленного напряжения, соответствующего включению трех источников питания, приведена в таблице 2. Номера управляемых вентилей в таблице отмечены жирным шрифтом. Моменты включения данных вентилей соответствуют началу формирования соответствующей пульсации s, а продолжительность включения - двум длительностям пульсации, т.е. 30 эл. град.
Таблица 2
s1
49
7
8
9
s7
38
31
13
39
s13
29
19
20
16
s19
45
48
26
46
s2
30
8
31
32
s8
5
13
14
40
s14
43
20
41
44
s20
25
26
27
47
s3
33
31
10
34
s9
36
14
15
16
s15
45
41
21
46
s21
49
27
28
24
s4
5
10
11
35
s10
37
15
41
42
s16
17
21
22
47
s22
30
28
48
32
s5
36
11
12
9
s11
38
41
18
39
s17
29
22
23
24
s23
33
48
6
34
s6
37
12
31
42
s12
17
18
19
40
s18
43
23
48
44
s24
25
6
7
35
d
d
Сопоставление алгоритма включения управляемых вентилей с временными диаграммами фазных напряжений трехфазных источников питания приведено на Фиг.7. Скругленные прямоугольники на временной диаграмме охватывают пары фазных напряжений трехфазных источников питания, которые участвуют в формировании текущей пульсации. На Фиг.8 приведены кривые выпрямленного напряжения при трехуровневом включении преобразователя с идеализированными и реальными параметрами его элементов (в цепи постоянного тока R, L; в анодной цепи La).
Последовательность управляемого и естественного включения вентилей устройства при формировании выпрямленного напряжения, соответствующего включению двух источников питания, приведена в таблице 3.
Таблица 3
s1
30
8
9
s7
5
13
39
s13
43
20
16
s19
25
26
46
s2
33
31
32
s8
36
14
40
s14
45
41
44
s20
49
27
47
s3
5
10
34
s9
37
15
16
s15
17
21
46
s21
30
28
24
s4
36
11
35
s10
38
41
42
s16
29
22
47
s22
33
48
32
s5
37
12
9
s11
17
18
39
s17
43
23
24
s23
25
6
34
s6
38
31
42
s12
29
19
40
s18
45
48
44
s24
49
7
35
Сопоставление выпрямленных напряжений четырех уровней приведено на Фиг.9. На Фиг.10 показан один из вариантов перехода (длительность и пауза переходных импульсов равны двум длительностям пульсации) с трехуровневого на четырехуровневый режим работы в одном из периодов сетевого напряжения при идеальных параметрах элементов преобразователя и при учете реальных параметров. Заданное чередование применяемых алгоритмов включения на один - два; два - три; три - четыре уровня дает возможность плавного регулирования выпрямленного напряжения между его уровнями, соответствующими последовательному включению одной, двух, трех или четырех преобразовательных секций.
Предложенный преобразователь по сравнению с прототипом позволяет изменять уровень выпрямленного напряжения, не прибегая к известным методам фазового или амплитудного регулирования.
Таким образом, предлагаемый двадцатичетырехфазный преобразователь трехфазного напряжения в постоянное имеет более широкие функциональные возможности.