ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С 24-КРАТНОЙ ЧАСТОТОЙ ПУЛЬСАЦИИ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ

Полезная модель относится к электротехнике и силовой преобразовательной технике и может быть использована в качестве преобразователя переменного напряжения в постоянное высоковольтное напряжение для питания тяговых нагрузок электрического транспорта и получения высоких напряжений для линий электропередачи постоянного тока.
Известен преобразователь с 24-кратной частотой пульсации переменного напряжения в постоянное, содержащий трехфазный трансформатор, первичные обмотки которого соединены в звезду или треугольник, а вторичные обмотки имеющих четыре значения чисел витков создают четыре трехфазных источника, которые присоединены к четырем последовательно соединенным трехфазным выпрямительным мостам (А.с. СССР № 1638779, МПК H02M 7/12, опубл. 30.03.1991, Бюл. №12).
Недостатком данного преобразователя является относительно невысокий КПД из-за потерь мощности на восьми вентилях, последовательно обтекаемых током нагрузки.
Наиболее близким к полезной модели, принятым за прототип, является преобразователь с 24-кратной частотой пульсации переменного напряжения в постоянное, содержащий два трехфазных трансформаторных источника, первичные обмотки которых соединены в «неравноплечий зигзаг» создающие фазовый сдвиг 15 эл. градусов между трансформаторами, а вторичные обмотки каждого трансформатора, имеющие два значения числа витков соединены в звезду и треугольник, линейные напряжения которых от соответствующих трансформаторов прикладываются к четырем последовательно соединенным трехфазным выпрямительным мостам (Пат. РФ № 91486, МПК H02M 7/08 2006/01, опубл. 10.02.2010).
Недостатком данного преобразователя является относительно невысокий КПД из-за потерь мощности на восьми вентилях, последовательно обтекаемых током нагрузки.
Задача полезной модели - создание преобразователя с 24-кратной частотой пульсации переменного напряжения в постоянное, имеющего более высокий КПД.
1
1
1
Указанная задача достигается тем, что в известном преобразователе с 24-кратной частотой пульсации переменного напряжения в постоянное, содержащим два трехфазных трансформаторных источника, первичные обмотки которых соединены в «неравноплечий зигзаг» создающие фазовый сдвиг 15 эл. градусов между трансформаторами, а вторичные обмотки на каждом стержне трансформаторов имеют только два значения чисел витков, соединены на каждом трансформаторе между собой в звезду и треугольник, отличающееся тем, что соединение вторичных обмоток обоих трансформаторов подключены к двум шестифазным кольцевым схемам выпрямления, которые соединены между собой последовательно тремя параллельными вентильными ячейками, каждая ячейка образована тремя вентилями аноды которых соединены между собой образовав три анодные группы которые соединены с выводами источника первой кольцевой схемы выпрямления x, y, z катоды этих вентильных групп соединены между собой перекрестно образуя три катодные группы которые соединены с выводами источника второй кольцевой схемы выпрямления a, b, c а разнополярные выводы кольцевых схем выпрямления образуют выходные выводы устройства.
На Фиг. 1  приведена схема предлагаемого преобразователя с 24-кратной частотой пульсации переменного напряжения в постоянное.
На Фиг. 2 приведены амплитудно-фазовые портреты напряжений вторичных фазных обмоток, формирующих результирующие напряжения.
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Преобразователь с 24-кратной частотой пульсации переменного напряжения в постоянное (Фиг. 1) содержит два трехфазных трансформатора 1 и 2 формирующих две шестифазные системы ЭДС, представленные выводами источников a, b, c; x, y, z и a, b, c; x, y, z, сдвинутые между собой по фазе на пятнадцать электрических градусов, а также двадцать семь вентилей 3…29, из которых сформированы две шестифазные кольцевые схемы выпрямления, вентили 3…11 составляют первую кольцевую схему выпрямления, а вентили 21…29 составляют вторую кольцевую схему выпрямления, эти схемы соединены между собой тремя параллельными вентильными ячейками состоящих из вентилей 12…20, вентили одной кольцевой схемы выпрямления 3, 4, 5 соединены между собой анодами образуя анодную группу, а катодами соединены с выводами источника a, b, c, а вентили 6…11 образуют кольцевую группу вентилей которые анодами попарно 6 и 9, 7 и 10, 8 и 11 соединены с выводами источника a, b, c соответственно, а их катоды попарно 7 и 11, 8 и 9, 6 и 10, соединены с выводами источника x, y, z соответственно, вентили другой кольцевой схемы вентили 27, 28, 29 соединены между собой катодами образуя катодную группу, а анодами соединены с выводами источника x, y, z вентили 21…26 образуют кольцевую группу вентилей которые анодами попарно 21 и 24, 22 и 25, 23 и 26 соединены с выводами источника a, b, c соответственно, а их катоды попарно 22 и 26, 23 и 24, 21 и 25 соединены соответственно с выводами источника x, y, z последовательное соединение кольцевых схем выпрямления между собой обеспечивается тремя параллельными вентильными ячейками, каждая ячейка образована тремя вентилями их аноды соединены между собой и образуют первую анодную группу вентили 12, 13, 14; вторую вентили 15, 16, 17.и третью вентили 18, 19, 20 которые соединены с выводами источника первой кольцевой схемы выпрямления y, z, x соответственно, катоды этих вентильных групп соединены между собой перекрестно по три вентиля и образуют первую катодную группу вентили 14, 16, 18 вторую вентили 12, 17, 19 и третью вентили 13, 15, 20 которые соединены с выводами источника второй кольцевой схемы выпрямления a, b, c соответственно. Общие точки 30 и 32 соединения вентилей анодной и катодной групп соответственно первой и второй кольцевых схем выпрямления образуют выходные выводы преобразователя, к которым подключена нагрузка 31.
Принцип работы преобразователя (Фиг. 1) основан на двухкаскадной последовательно соединенной схеме, каждый каскад содержит шестифазную симметричную систему ЭДС и вентильную схему выпрямления. Трансформаторы 1; 2, создают две шестифазные симметричные системы ЭДС первичные обмотки которых состоят из двух частей сетевой и фазосдвигающей с соотношением чисел витков 1:  соответственно, их соединение между собой по схеме «неравноплечии зигзаг» создает фазовый сдвиг 15 эл. градусов между шестифазными симметричными системами, формируемыми вторичными обмотками трансформаторов, которые размещены по две на каждом стержне трансформатора с отношением чисел витков равно , соединение между собой трех обмоток имеющих большее число витков в треугольник, а трех обмоток имеющих меньшее число витков в звезду создает равенство величин линейных напряжений складываемых из фазных напряжений и равный фазовый сдвиг 30 эл. градусов. Иллюстрация работы преобразователя отображена векторными диаграммами напряжений, представленными в виде амплитудно-фазовых портретов напряжений фазных обмоток, составляющих две шестифазные системы напряжений групп вторичных обмоток, и развернутыми на фазовой плоскости векторными диаграммами, поясняющими принцип формирования результирующих напряжений, представленных векторами S1…S24 (Фиг. 2).
Векторные диаграммы (Фиг. 2) показывают амплитудно-фазовые характеристики каждой из применяемых шестифазных систем ЭДС. Соотношения чисел витков вторичных фазных обмоток равных  и фазовый сдвиг напряжений 15 эл. градусов между шестифазными симметричными системами обеспечивает динамичное формирование результирующих напряжений, модули векторов которых равны и сдвинуты друг относительно друга на фазовой плоскости на 15 эл. град. Условно зафиксировав векторную диаграмму напряжений одной системы и перемещая вокруг нее векторную диаграмму напряжений другой системы, за период сетевого напряжения получим 24 вектора результирующих напряжений (Фиг. 2). В каждом положении систем на фазовой плоскости определяются элементы вентильных связей, последовательность работы вторичных обмоток и вентилей, которые сведены в таблицу.
Таблица
Пульсация
Индексы линейных напряжений
Номера вентилей
S1
-ca∗z→-c<sub>1</sub>a<sub>1</sub>∗z<sub>1</sub>
5, 6, 15, 18, 26
S2
-ca∗z→-c<sub>1</sub>a<sub>1</sub>∗y<sub>1</sub>
5, 6, 15, 21, 25
S3
-ca∗y→-c<sub>1</sub>a<sub>1</sub>∗z<sub>1</sub>
5, 9, 13, 18, 26
S4
-ca∗y→-c<sub>1</sub>a<sub>1</sub>∗y<sub>1</sub>
5, 9, 13, 21, 25
S5
-cb∗x→-c<sub>1</sub>b<sub>1</sub>∗x<sub>1</sub>
5, 7, 20, 19, 24
S6
-cb∗x→-c<sub>1</sub>b<sub>1</sub>∗z<sub>1</sub>
5, 7, 20, 22, 26
S7
-cb∗z→-c<sub>1</sub>b<sub>1</sub>∗x<sub>1</sub>
5, 10, 15, 19, 24
S8
-cb∗z→-c<sub>1</sub>b<sub>1</sub>∗z<sub>1</sub>
5, 10, 15,22, 26
S9
-bc∗y→-b<sub>1</sub>c<sub>1</sub>∗y<sub>1</sub>
4, 8, 12, 20, 25
S10
-bc∗y→-b<sub>1</sub>c<sub>1</sub>∗x<sub>1</sub>
4, 8, 12, 23, 24
S11
-bc∗x→-b<sub>1</sub>c<sub>1</sub>∗y<sub>1</sub>
4, 11, 19, 20, 25
S12
-bc∗x→-b<sub>1</sub>c<sub>1</sub>∗x<sub>1</sub>
4, 11, 19, 23, 24
S13
-ba∗z→-b<sub>1</sub>a<sub>1</sub>∗z<sub>1</sub>
4, 6, 17, 18, 26
S14
-ba∗z→-b<sub>1</sub>a<sub>1</sub>∗y<sub>1</sub>
4, 6, 17, 21, 25
S15
-ba∗y→-b<sub>1</sub>a<sub>1</sub>∗z<sub>1</sub>
4, 9, 12, 18, 26
S16
-ba∗y→-b<sub>1</sub>a<sub>1</sub>y∗y<sub>1</sub>
4, 9, 12, 21, 25
S17
-ab∗x→-a<sub>1</sub>b<sub>1</sub>∗x<sub>1</sub>
3, 7, 18, 19, 24
S18
-ab*x→-a<sub>1</sub>b<sub>1</sub>∗z<sub>1</sub>
3, 7, 18, 22, 26
S19
-ab∗z→-a<sub>1</sub>b<sub>1</sub>∗x<sub>1</sub>
3, 10, 16, 19, 24
S20
-ab∗z→-a<sub>1</sub>b<sub>1</sub>∗z<sub>1</sub>
3, 10, 16, 22, 26
S21
-ac∗y→-a<sub>1</sub>c<sub>1</sub>∗y<sub>1</sub>
3, 8, 14, 20, 25
S22
-ac∗y→-a<sub>1</sub>c<sub>1</sub>∗x<sub>1</sub>
3, 8, 14, 23, 24
S23
-ac∗x→-a<sub>1</sub>c<sub>1</sub>∗y<sub>1</sub>
3, 8, 18, 20, 25
S24
-ac∗x→-a<sub>1</sub>c<sub>1</sub>∗x<sub>1</sub>
3, 8, 18, 23, 24
1
1
1
Исследование состояний систем напряжений во времени по векторным диаграммам (Фиг. 2) позволяет определить порядок чередования рабочих интервалов шестифазных симметричных систем напряжений, подключенных к вентильной конструкции. Например, при формировании результирующего напряжения первой пульсации S1 указанного в первом столбце таблицы наибольшую величину векторов линейных напряжений складываемых из векторов фазных напряжений имеют ca∗z и ca∗z, подключенных к первой и второй кольцевым схемам выпрямления соответственно. Эти индексы линейных напряжений указаны во втором столбце таблицы, а в третьем столбце приведены номера вентилей, включенных при действии данных напряжений вентили 3 и 5 первой кольцевой схемы выпрямления, вентиль 15 соединяющий с вентилями 18 и 26 второй кольцевой схемы выпрямления. Нумерация вентилей на принципиальной схеме (Фиг. 1) соответствует порядку их включения в преобразовательный процесс. Исходя из алгоритма включения вентилей, приведенного в таблице, при идеальной коммутации в любой момент времени в цепи протекания тока нагрузки последовательно включено только пять вентилей.
У прототипа вентильная схема выпрямления представляет собой четыре трехфазных моста последовательно типа, где в любой момент времени в цепи протекания тока восемь вентилей последовательно обтекаются током нагрузки. По сравнению с прототипом схемно-топологические связи в предлагаемой схеме, обеспечивают сокращение числа вентилей, последовательно обтекаемых током нагрузки с восьми вентилей до пяти. Что является техническим результатом, который для потребителей может оказаться оптимальным решением, так как при высоких классах вентилей потери мощности в вентильной конструкции позволяет снизить на 37%, тем самым увеличив КПД преобразователя в целом, не менее, чем на 0,37%.
Таким образом, предлагаемый преобразователь с 24-кратной частотой пульсации переменного напряжения в постоянное, имеет по сравнению с прототипом, более высокий КПД, за счет уменьшения потерь мощности связанного с сокращением числа вентилей с восьми вентилей до пяти последовательно обтекаемых током нагрузки.