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 секциях, 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. А.с. SU №801204, МПК H02M 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.
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 p=24 p/6=4 симметричных трехфазных источников 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 вентильные 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 двенадцатью дополнительными вентилями, вентили шестивентильных колец выполнены полностью управляемыми, а остальные неуправляемыми, из шести дополнительных вентилей сформированы анодная и катодная трехвентильные звезды, соединенные общими точками соединения одноименных электродов с соответствующими им по наименованию выходными выводами устройства, а каждый из трех свободных электродов вентилей в каждой из сформированных звезд соединен с одной из фаз трехфазного источника питания, смежного с источником, к которому присоединена одноименная трехвентильная звезда, три дополнительных вентиля соединены анодами с фазами одного крайнего трехфазного источника питания, к которым подключена анодная вентильная звезда, при этом свободные катоды данных вентилей соединены с фазами одного промежуточного трехфазного источника питания, отстающими на 5π/6 эл. град. от фаз источника, к которым данные вентили присоединены анодами, а три других дополнительных вентиля соединены катодами с фазами другого крайнего трехфазного источника питания, к которым подключена катодная вентильная звезда, при этом свободные аноды данных вентилей соединены с фазами другого промежуточного трехфазного источника питания, опережающими на 5π/6 эл. град. фазы источника, к которым данные вентили присоединены катодами.
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 приведены временные диаграммы напряжений источников питания с указанием участков кривых фазных напряжений, формирующих результирующие выпрямляемые напряжения от четырех источников питания и алгоритм работы управляемых вентилей; на Фиг.5 показана форма выпрямленного напряжения преобразователя при четырехуровневом включении; на Фиг.6 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.7 показаны формы выпрямленного напряжения преобразователя при трехуровневом включении; на Фиг.8 показаны формы выпрямленного напряжения при одном из вариантов перехода с трехуровневого на четырехуровневый режим работы преобразователя.
Преобразователь (Фиг.1) содержит симметричные трехфазные источники 1, 2, 3, 4 питания, тридцать шесть вентилей 5-40, восемнадцать 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, с 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 неуправляемых вентиля 30, 34, 38 анодами подключены, соответственно, к фазам a, b, c источника 1, а катодами подключены, соответственно, к фазам b, c, a источника 3. Три неуправляемых вентиля 31, 35, 39 анодами подключены, соответственно, к фазам a, b, c источника 2, а катодами подключены, соответственно, к фазам b, c, a источника 4. Три неуправляемых вентиля 17, 25, 5 катодами подключены, соответственно, к фазам a, b, c источника 1, а три неуправляемых вентиля 37, 29, 33 катодами подключены, соответственно, к фазам a, b, c источника 2, при этом аноды вентилей 17, 25, 5, 37, 29, 33 объединены и образуют один выходной вывод 41 устройства. Три неуправляемых вентиля 9, 16, 24 анодами подключены, соответственно, к фазам a, b, c источника 4, а три неуправляемых вентиля 32, 36, 40 анодами подключены, соответственно, к фазам a, b, c источника 3, при этом катоды вентилей 9, 16, 24, 32, 36, 40 объединены и образуют второй выходной вывод 42 устройства. К выходным выводам 41 и 42 подключена нагрузка 43.
Принцип работы преобразователя (Фиг.1) иллюстрируется векторными диаграммами напряжений, представленными на Фиг.2 для четырехуровневого соединения трехфазных источников питания, а на Фиг.3 для трехуровневого соединения источников 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 в формировании каждого результирующего выпрямляемого напряжения участвуют линейные напряжения каждой из четырех трехфазных систем, а при трехуровневом соединении напряжения только трех систем, причем каждая из четырех систем задействована в формировании восемнадцати результирующих напряжений, так как системы циклично сменяют друг друга.
Для организации трех- или четырехуровневого соединения источников вентили шестивентильных колец выполнены управляемыми. Последовательность управляемого и естественного включения вентилей при формировании выпрямленного напряжения, соответствующего включению четырех источников питания, приведена в таблице 1. Номера управляемых вентилей отмечены жирным шрифтом. 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.4.
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.5 приведена кривая выпрямленного напряжения при четырехуровневом включении.
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.
d
d
Сопоставление алгоритма включения управляемых вентилей с временными диаграммами фазных напряжений трехфазных источников питания приведено на Фиг.6. Скругленные прямоугольники на временной диаграмме охватывают пары фазных напряжений трехфазных источников питания, которые участвуют в формировании текущей пульсации. На Фиг.7 приведены кривые выпрямленного напряжения при трехуровневом включении преобразователя с идеализированными и реальными параметрами его элементов (цепи постоянного тока R, L; в анодной цепи La). На Фиг.8 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. Порядок включения управляемых вентилей для этого случая приведен в таблице 3.
В качестве временной привязки выбраны моменты формирования пульсаций при четырехуровневом преобразовании, так как начало пульсации 519 при этом совпадает с нулевой фазой напряжения фазы а трехфазной системы напряжений источника 1.
Предложенный преобразователь по сравнению с прототипом позволяет изменять уровень выпрямленного напряжения, не прибегая к известным методам фазового или амплитудного регулирования. Заданное чередование применяемых алгоритмов включения на три или четыре уровня дает возможность регулирования выпрямленного напряжения между его уровнями, соответствующими включению трех или четырех преобразовательных секций.
Таким образом, предлагаемый двадцатичетырехфазный преобразователь трехфазного напряжения в постоянное имеет более широкие функциональные возможности.