ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ОДНОФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ
CONVERTER OF SINGLE-PHASE ALTERNATE VOLTAGE TO DIRECT VOLTAGE

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве источника постоянного тока с улучшенным качеством выпрямленного напряжения при однофазном напряжении сети.
Известен преобразователь однофазного переменного напряжения в постоянное, содержащий преобразовательный трансформатор, подключенный к однофазной промышленной сети, и мостовую схему выпрямления, соединенную с вторичной обмоткой указанного трансформатора [1].
Данный преобразователь имеет простую схему, поэтому нашел широкое применение в источниках вторичного электропитания, однако ему свойственны и недостатки, среди которых основным является низкое качество выпрямленного напряжения (коэффициент пульсаций равен 25%).
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является преобразователь однофазного переменного напряжения в постоянное, содержащий преобразовательный трансформатор, схему выпрямления, сглаживающий фильтр, к которому подключена нагрузка, при этом первичная обмотка названного трансформатора соединена с шинами однофазного переменного тока, схема выпрямления подключена к вторичной обмотке указанного трансформатора, сглаживающий фильтр соединен с выходом схемы выпрямления, а нагрузка подключена к выходу сглаживающего фильтра [2]. Данный преобразователь отличается высоким качеством выпрямленного напряжения, так как высшие гармоники нейтрализованы с помощью многофазного фильтра. Однако использование сглаживающего фильтра приводит к увеличению массы преобразователя и снижению его КПД. Кроме того, в многозвенных фильтрах могут возникать резонансные явления, сверхтоки и перенапряжения при переходных процессах.
Техническим результатом изобретения является повышение качества выпрямленного напряжения.
1
1
1
2
2
2
2
Поставленный технический результат достигается тем, что в преобразователе однофазного переменного напряжения в постоянное, содержащем шины переменного тока, преобразовательный трансформатор, содержащий первичную обмотку, сердечник и вторичную обмотку, причем указанные обмотки размещены на сердечнике, схему выпрямления и шины постоянного тока, при этом первичная обмотка указанного трансформатора соединена с шинами переменного тока, вход схемы выпрямления соединен с вторичной обмоткой названного трансформатора, а выход указанной схемы подключен к шинам постоянного тока, первичная обмотка преобразовательного трансформатора разделена на первую и вторую секции, причем вход и выход первой секции соединены с шинами переменного тока, вход второй секции соединен с выходом первой секции непосредственно, а выход второй секции соединен с входом первой секции через конденсатор; магнитопровод преобразовательного трансформатора выполнен по типу электрической машины, содержащий первый сердечник в виде цилиндра, набранный из листов электротехнической стали с пазами, число которых равно z=2pmq, в которых размещены секции первичной обмотки, где p - число пар поездов; m - число фаз; q - число пазов на полюс и фазу, и соосный ему второй сердечник в виде полого цилиндра, набранный из той же стали с пазами, число которых определяется выражением z≥4pq; вторичная обмотка преобразовательного трансформатора выполнена многофазной и размещена в пазах второго сердечника, причем число ее фаз равно m=z; схема выпрямления выполнена в виде вентильного блока, содержащего n мостовых однофазных выпрямителей, где n=m. Кроме того, обмоточный коэффициент обеих секций первичной обмотки одинаков и определяется по формуле
,
а обмоточный коэффициент вторичной обмотки равен единице.
i
di
dΣ
На фиг.1 представлена структурная схема преобразователя однофазного переменного напряжения в постоянное. На фиг.2 показана развертка второго магнитопровода сердечника с витками фаз многофазной вторичной обмотки. На фиг.3 изображена кривая напряжения (U) i-й фазы вторичной обмотки. На фиг.4 представлен график выпрямленного напряжения (U) i-й фазы. На фиг.5 показана кривая суммарного выпрямленного напряжения (U) на шинах постоянного тока.
2
2
Преобразователь (фиг.1) содержит шины переменного тока 1, преобразовательный трансформатор 2, содержащий первичную обмотку 3, содержащую первую секцию 3-1 и вторую секцию 3-2, магнитопровод 4, содержащий первый сердечник в виде цилиндра (не обозначен), набранный из листов электротехнической стали с пазами (не обозначены), и второй соосный первому сердечник в виде полого цилиндра (не показан), набранный из листов той же стали с пазами (не показаны), вторичную обмотку 5 с секциями фаз 5-1, 5-2, 5-m, схему выпрямления 7, выполненную в виде вентильного блока, содержащего n мостовых однофазных выпрямителей 7-1, 7-2, 7-n и шины постоянного тока 8, причем шины переменного тока 1 соединены с первой секцией 3-1 первичной обмотки 3, размещенной в пазах первого сердечника 4, начало второй секции 3-2 указанной обмотки соединено с концом первой секции 3-1 непосредственно, а конец ее соединен с началом первой секции 3-1 с помощью конденсатора 6, секции фаз 5-1, 5-2, 5-m вторичной обмотки 5, размещенной в пазах сердечника магнитопровода 4, подключены к соответствующим мостовым однофазным выпрямителям 7-1, 7-2, 7-n вентильного блока 7, при этом выходы названных выпрямителей подключены параллельно к шинам постоянного тока 8. Выполнение первичной обмотки 3 из двух секций 3-1 и 3-2 и включение конденсатора 6, а также пространственное размещение второй секции 3-2 под углом, равным 90°, по отношению к первой, позволяет образовать круговое вращающееся магнитное поле (КВМП) при однофазной сети на входе преобразователя, при этом условия образования КВМП имеют вид:
3-1
3-2
3-1
3-2
1
3-1
3-1
2
3-2
3-2
2
1
которые читаются следующим образом: витки первой секции ω сдвинуты по отношению к виткам ω второй секции на угол, равный 90° в пространстве, ток, протекающий по виткам первой секции I сдвинут по отношению к току, протекающему по виткам второй секции I, на угол, равный 90° во времени, намагничивающая сила первой секции F=I·ω равна намагничивающей силе F=I·ω в любой момент времени. Поскольку диаметр D второго сердечника больше диаметра первого сердечника D, так как для всех соосных конструкций
2-1
2
di
то число пазов, расположенных по длине окружности второго магнитопровода, будет больше числа пазов, расположенных на первом магнитопроводе, что позволяет выполнить вторичную обмотку 5 многофазной, причем каждая фаза намотана на собственный зубец, как показано на фрагменте развертки второго магнитопровода (фиг.2), где изображены витки фаз: 5-1, 5-2, … 5-m, 5-m вторичной обмотки 5. Форма выходного напряжения i-й фазы (фиг.3) вторичной обмотки 5 является синусоидальной, поэтому выпрямленное напряжение U указанной фазы будет иметь вид, изображенный на фиг.4, однако параметры выходного напряжения преобразователя можно определить только при условии, что в кривой напряжения шин переменного тока 1 будут отсутствовать высшие гармоники полностью или будут отсутствовать высшие гармоники с нежелательными номерами. Достижение заданной цели возможно за счет особой конструкции первичной обмотки 3, так как ЭДС в секциях равна
i
oi
где w - число витков i-й секции; f - частота напряжения; Ф - основной магнитный поток в сердечнике 4; К - обмоточный коэффициент i-й секции, при этом обмоточный коэффициент по любой из высших гармоник равен
pv
yv
ckv
1
где K, K, K - коэффициенты распределения, укорочения и скоса пазов; ν - номер высшей гармоники. Так как указанные коэффициенты зависят от числа пазов z, то можно показать, что все гармоники кроме первой группы
ё
где к=1,2,…; N - число лучей звезды располагаемых ЭДС, зависящее от числа пазов. Можно показать, что при произвольном числе пазов обмоточный коэффициент любой секции первичной обмотки 3 определяется по формуле
где p - число пар полюсов.
dΣ
n
dΣ
2
2
2
Нейтрализация высших гармоник в кривой напряжения сети позволит получить квазипостоянное напряжение (фиг.5). Расчеты показывают, что коэффициент пульсаций суммарного напряжения U на шинах постоянного тока в принятом на фиг.5 масштабе уменьшается в 50 раз по сравнению с К напряжения фиг.4 (при условии, что амплитуда переменной составляющей составляет 0,1 В, а выпрямленное напряжение U=20Â). Расчет выполнен при условии, что число фаз вторичной обмотки равно, m=18, а угол сдвига между соседними фазами равен 18° (при z=20). Если учесть возможности делительной головки, используемой в машиностроении, то число пазов магнитопровода, в пазах которого размещена вторичная обмотка 5, может быть доведено до z=360, а коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения уменьшится более чем на два порядка.
Преобразователь однофазного переменного напряжения в постоянное работает следующим образом.
2
2
При наличии напряжения на шинах переменного тока 1 по секциям 3-1 и 3-2 первичной обмотки 3 преобразовательного трансформатора 2 протекают токи, причем ток секции 3-2 сдвинут во времени по отношению к току первой секции 3-1 на 90° благодаря конденсатору 6. Ввиду того, что витки первой секции 3-1 и витки второй секции сдвинуты по отношению друг друга на 90° в пространстве и намагничивающие силы обеих секций равны, то результирующий ток первичной обмотки 3 образует в магнитопроводе 4 круговое вращающееся магнитное поле, подобно КВМП, создаваемое в управляемых асинхронных конденсаторных двигателях, и сердечники магнитопровода будут намагничиваться. Магнитный поток указанного поля пересекает витки всех фаз: 5-1, 5-2, …, 5-m вторичной обмотки и создает в них соответствующие ЭДС. Так как каждая из фаз вторичной обмотки 5 соединена с соответствующим мостовым однофазным выпрямителем 7-1, 7-2, …, 7-n схемы выпрямления 7, то ЭДС фазы 5-1 выпрямится в выпрямителе 7-1, ЭДС фазы 5-2 выпрямится в выпрямителе 7-2, а ЭДС фазы 5-m преобразуется в постоянное напряжение в выпрямителе 7-n и на шинах постоянного тока 8 возникает квазипостоянное напряжение, коэффициент пульсаций которого зависит от числа фаз вторичной обмотки 5.
Таким образом, в предлагаемом преобразователе однофазного переменного напряжения в постоянное преобразовательный трансформатор выполняет функции: распределения фаз, формирования синусоидальной кривой и умножения числа выпрямляемых фаз, что позволяет получить постоянное напряжение с практически любым качеством, чем и достигается поставленный технический результат.
Источники информации
1. Ромаши Э.М. Источники вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры. М., Радио и связь, 1981, стр.60, рис.4.1,в.
2. Багуц В.П., Ковалев Н.П., Костроминов A.M. Электропитание устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи. М., Транспорт, 1991, стр.38, рис.3.1.