МНОГОФАЗНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ
MULTI-PHASE RECTIFIER

Изобретение относится к области электротехники, в частности преобразовательной техники, и может быть использовано при проектировании вторичных источников электропитания различного назначения.
Известны и широко применяются различные многофазные выпрямители: шестифазные, двенадцатифазные, восемнадцатифазные и др. [1]. Выпрямители состоят из одного или нескольких трехфазных или одной или нескольких групп однофазных трансформаторов, первичные и вторичные обмотки которых соединены в треугольник, звезду или зигзаг, комплекта диодов и дросселя фильтра. Существенным недостатком этих выпрямителей являются большие объем и масса трансформаторов и большие потери мощности в диодах из-за большой амплитуды импульсов протекающего через них тока.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению, которое принято за прототип, являются многофазные выпрямители с несколькими независимыми дросселями фильтра, которые образованы по одному принципу и состоят из нескольких простых выпрямителей, работающих совместно на общую нагрузку через собственный дроссель фильтра [2-6].
По сравнению с выпрямителями с одним дросселем фильтра, выпрямители с несколькими дросселями имеют меньшие объем и массу трансформаторов и диодов с теплоотводящими радиаторами и более высокий КПД. Однако, объем и масса комплекта дросселей больше, чем одного дросселя, что является недостатком выпрямителей с несколькими дросселями.
Большие удельные объем и маса дросселей фильтра (на единицу электромагнитной мощности), работающих в составе выпрямителей в режиме подмагничивания их магнитопровода постоянным магнитным потоком, обусловлены низкой эффективной магнитной проницаемостью магнитопровода вследствие наличия воздушного зазора [7, 8, 10].
В предлагаемых многофазных выпрямителях с несколькими дросселями фильтра решается задача устранения подмагничивания магнитопровода, входящих в них дросселей и существенного уменьшения их электромагнитной мощности, а также обеспечивается возможность исключить в нем немагнитный (воздушный зазор). Исключение воздушного зазора позволяет существенно увеличить магнитную проницаемость магнитопровода, а также собирать дроссели фильтра на тороидальных магнитопроводах с прямоугольной формой петли гестерезиса. Эти изменения в конструкции дросселей фильтра приводят к значительному снижению их объема и массы.
Для достижения технического результата в каждый дроссель фильтра, входящий в выпрямитель, введена дополнительная компенсирующая обмотка, число витков которой равно числу витков основной обмотки. Компенсирующая обмотка одного дросселя включена встречно с основной обмоткой другого дросселя, что обеспечивает взаимную компенсацию постоянного магнитного потока в обоих дроссселях.
Дроссели фильтра с компенсирующей обмоткой могут быть применены практически в любом составном выпрямителе, в котором содержится не менее двух простых выпрямителей и соответственно не менее двух дросселей, количество которых равно либо кратно двум или трем.
На фиг. 1 и фиг. 2 представлены структурные схемы выпрямителей с количеством дросселей фильтра два или три. Каждый выпрямитель содержит комплект трансформаторов 1, n простых выпрямителей 2 и p дросселей фильтра 3. Количество дросселей равно числу простых выпрямителей, n=р. Каждый дроссель 3 подключен к параллельно соединенным выходному конденсатору 4 и общей нагрузке 5 через основную обмотку 6 собственного дросселя 3 и компенсирующую обмотку 7 другого дросселя. Число витков компенсирующей обмотки 7 равно числу витков основной обмотки 6. Конец основной обмотки 6 каждого первого дросселя 3 соединен с концом компенсирующей обмотки 7 каждого второго дросселя 3.
При количестве дросселей, кратным двум (фиг. 1), конец основной обмотки 6 каждого второго дросселя 3 соединен с концом компенсирующей обмотки 7 каждого первого дросселя 3.
При количестве дросселей, кратном трем (фиг. 2), конец основной обмотки 6 каждого второго дросселя 3 соединен с концом компенсирующей обмотки 7 каждого третьего дросселя 3, конец основной обмотки 6 каждого третьего дросселя 3 соединен с концом компенсирующей обмотки 7 каждого первого дросселя 3.
Начала компенсирующих обмоток 7 всех дросселей 3 подключены к выходному конденсатору 4 и нагрузке 5 (фиг. 1, фиг. 2). Предлагаемые многофазные выпрямители, как и известные, могут быть выполнены с числом фаз выпрямления m=6, 12, 18, 24 и т.д. [5, 6].
0
0
В качестве простых выпрямителей могут быть применены выпрямители с числом фаз m=2, 3 и 6, т.е. однофазный двухполупериодный, трехфазный и шестифазный со средней точкой. Количество дросселей фильтра равно числу фаз составного выпрямителя, деленному на число фаз простого выпрямителя, p=m/m.
0
0
0
0
Из этого следует, что шестифазные выпрямители могут быть реализованы при m=2, 3 и p=3, 2; двенадцатифазные - при m=2, 3, 6 и p=6, 4, 2; восемнадцатифазные - при m=2, 3, 6 и p=9, 6, 3; двадцатичетырехфазные - при m=2, 3, 6 и p=12, 8, 4.
Комплект трансформаторов содержит 1, 2, 3 или 4 трехфазных трансформатора при числе фаз многофазного выпрямителя m=6, 12, 18, 24 соответственно. Первичные обмотки трансформаторов шестифазных выпрямителей могут быть соединены в треугольник или звезду, двенадцатифазных - при соединении одного трансформатора в треугольник, а другого - в звезду. Выпрямители с числом фаз 18, 24 и т.д. могут быть реализованы только при разбиении первичных обмоток на две части и соединении их в зигзаг, а затем в треугольник или звезду. Первичные обмотки трансформаторов соединены таким образом, что вторичные обмотки, соединенные в многофазную лучевую звезду, образуют систему векторов напряжений, сдвинутых относительно друг друга на угол 360°/m [5].
Предлагаемые многофазные выпрямители могут быть выполнены с использованием трехфазных трансформаторов с общим для всех фаз магнитопроводом или групп из трех однофазных трансформаторов.
На фиг. 3 и фиг. 4 в качестве примера приведены электрические схемы шестифазных выпрямителей с двумя и тремя дросселями фильтра, содержащими компенсирующую обмотку.
Дроссели фильтра с компенсирующей обмоткой могут быть применены также в однофазном (двухполупериодном) и трехфазном выпрямителях со средней точкой с двумя и тремя дросселями фильтра, предложенных в [3]. Схемы этих выпрямителей изображены на фиг. 5 и фиг. 6. В этих выпрямителях простым выпрямителем является диод, подключенный к выводу вторичной обмотки однофазного или трехфазного трансформатора. Указанные выпрямители соответствуют всем основным признакам, приведенным в формуле изобретения.
Предлагаемый выпрямитель работает следующим образом.
Рассмотрим принцип работы предлагаемых многофазных выпрямителей на примере шестифазного выпрямителя с двумя дросселями фильтра, схема которого приведена на фиг. 1.
Выпрямленные напряжение и ток с выхода каждого простого выпрямителя 2 через основную 6 и компенсирующую 7 обмотки соответствующего дросселя фильтра 3 поступают на выходной конденсатор 4 и нагрузку 5.
Кривая выпрямленного напряжения простых выпрямителей может быть разложена в ряд Фурье, состоящий из постоянной и гармонических составляющих (гармоник) напряжения, по известным формулам разложения [9]. Обусловленные ими составляющие тока создают в магнитопроводе дросселя соответствующие составляющие магнитного потока.
Постоянные составляющие магнитного потока основной обмотки 6 первого дросселя 3 и компенсирующей обмотки 7 второго дросселя 3, а также постоянные составляющие основной обмотки 6 второго дросселя 3 и компенсирующей обмотки 7 первого дросселя 3 взаимно компенсируются в магнитопроводе каждого дросселя 3, т.к. их обмотки имеют одинаковое число витков и включены встречно.
Третья и девятая гармоники тока, протекающего по основной обмотке 6 первого дросселя 3 и по компенсирующей обмотке 7 второго дросселя 3, и третья и девятая гармоники тока, протекающего по основной обмотке 6 второго дросселя 3 и по компенсирующей обмотке 7 первого дросселя 3, находятся в противофазе и взаимно уничтожаются в выходном конденсаторе 4.
Шестые гармоники магнитного потока основной обмотки 6 первого дросселя 3 и компенсирующей обмотки 7 второго дросселя 3, а также шестые гармоники основной обмотки 6 второго дросселя 3 и компенсирующей обмотки 7 первого дросселя 3 находятся в противофазе в магнитопроводе каждого дросселя и там взаимно уничтожаются.
Остальные гармоники, входящие в ряд разложения, имеют небольшую величину и интереса не представляют.
Выпрямители, имеющие количество дросселей фильтра, кратное трем, схемы которых приведены на фиг. 3 и фиг. 4, работают аналогично с выпрямителем с количеством дросселей, кратном двум.
Приведем обоснование получения положительного эффекта в предлагаемых выпрямителях. Снижение объема и массы дросселей обеспечивается за счет:
- уменьшения их электромагнитной мощности вследствие устранения подмагничивания магнитопровода;
- исключения немагнитного зазора в их магнитопроводе;
- увеличения эффективной магнитной проницаемости.
Устранение постоянного магнитного потока в магнитопроводе дросселя обеспечивает возможность исключения из него немагнитного зазора и существенное снижение, за счет этого, электромагнитной мощности дросселя и его объема и массы.
В обычные дроссели с постоянной составляющей тока в обмотке немагнитный зазор вводится для увеличения ее максимально допустимого значения, а также для уменьшения зависимости магнитной проницаемости и индуктивности дросселя от тока подмагничивания при необходимости обеспечить стабильность индуктивности во всех режимах работы.
В отличие от этого дроссели, применяемые в сглаживающих фильтрах выпрямителей, должны иметь максимальную индуктивность во всем диапазоне изменения тока нагрузки выпрямителя при их минимальных объеме и массе.
Это объясняется следующим образом.
0
0
~
~
0
~
0
~
В обычных сглаживающих дросселях магнитная индукция В и напряженность магнитного поля H складываются из двух составляющих -постоянной В, Н и переменной В, Н: В=В+В, H=Н+Н.
~
~
В дросселях предлагаемых выпрямителей В и H дросселя имеют только переменную составляющую В и H, величина которых определяется амплитудой и частотой пульсаций напряжения и тока, подаваемых на их обмотки, размерами магнитопровода и числом витков обмотки.
~
~
0
0
э
В связи с тем, что переменные составляющие В и Н значительно меньше, чем постоянные составляющие В и Н, дроссель без зазора работает на средней кривой намагничивания магнитопровода. Вследствие этого, его эффективная магнитная проницаемость μ в десятки раз больше, чем магнитопровода с оптимальным немагнитным зазором при их одинаковых конфигурации и геометрических размерах.
э
э
э
Индуктивность дросселя L прямо пропорционально зависит от μ, т.е. при постоянных размерах магнитопровода дросселя и параметров его обмотки при увеличении μ пропорционально увеличивается его индуктивность или, как в нашем случае, при постоянной индуктивности L и увеличении μ объем и масса дросселя снижаются.
Таким образом, в предлагаемых выпрямителях дроссели фильтра при компенсации постоянной составляющей тока в их обмотках и исключении немагнитного зазора в магнитопроводе имеют существенно меньшие объем и массу, чем обычные дроссели, вследствие того, что имеют меньшую электромагнитную мощность, значительно улучшенные удельные объемно-массовые показатели и более высокую эффективную магнитную проницаемость магнитопровода.
Дроссели фильтра без немагнитного зазора могут быть собраны на тороидальных магнитопроводах, выполненных из ферромагнитных сплавов с прямоугольной формой петли гистерезиса. Такие магнитопроводы имеют значительно большую магнитную проницаемость, чем магнитопроводы типа ШЛ и ПЛ, изготовленные из обычной электротехнической стали, и, следовательно, дроссели фильтра без зазора, собранные на тороидальных магнитопроводах, имеют существенно меньшие удельные объем и массу на единицу индуктивности и электромагнитной мощности.
Таким образом, в предлагаемых выпрямителях с несколькими независимыми дросселями фильтра, каждый из которых имеет основную и компенсирующую обмотки, при отсутствии немагнитного зазора в их магнитопроводе, обеспечивается существенное снижение объема и массы комплекта дросселей и, следовательно, всего выпрямителя в целом.
Новым в изобретении является введение в каждый дроссель фильтра известных многофазных выпрямителей с несколькими независимыми дросселями фильтра компенсирующей обмотки и включение ее встречно с основной обмоткой, а таже исключение из магнитопровода дросселя фильтра немагнитного зазора.
На основании изложенного может быть сделан вывод, что предлагаемое устройство позволяет получить положительный эффект.
Изобретение является новым, т.к. при анализе доступных источников информации не выявлено аналогов с подобной совокупностью существенных признаков.
На основании изобретения может быть начато серийное производство дросселей фильтра без немагнитного зазора по типу двухобмоточных дросселей Д ОЮ0.475.013 ТУ.
Литература
1. Полупроводниковые выпрямители. Под ред. Ф.И. Ковалева и Г.П. Мостковой. М.: Энергия, 1978, с. 36-118.
2. Многофазный выпрямитель. А.с. 547017, Н02М 7/06/ Шуваев Ю.Н., Виленкин А.Г.
3. Выпрямитель. А.с. 547016, Н02М 7/06/ Шуваев Ю.Н., Виленкин А.Г.
4. Шуваев Ю.Н. Новые схемы многофазных выпрямителей - Вопросы радиоэлектроники. Сер. общетехническая, 1975, вып. 1, с. 79 - 90.
5. Источники вторичного электропитания, под. ред. Ю.И. Конева. - М.: Радио и связь, 1983, с. 223-246.
6. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / Г.С. Найвельт, К.Б. Мазель, Ч.И. Хусаинов и др.: Под. ред. Г.С. Найвельта. - М.: Радио и связь, 1986, с. 136-143.
7. Розенблат М.А. Магнитные усилители и модуляторы. М.: Госэнергоиздат, 1963, с. 7-29.
8. Векслер Г.С. Расчет электропитающих устройств. Киев: Техника, 1978, с. 48-72.
9. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. М.: Высшая школа, 1973. с. 268-271.
10. Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи. - М.: Энергоатомиздат, 1986, с. 30-38.