ДВЕНАДЦАТИФАЗНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СУЧКОВА
TWELVE-PHASE SUCHKOV'S CONVERTER

Предлагаемое изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при создании регулируемых электроприводов постоянного тока для станков для повышения их быстродействия, а также на преобразовательных подстанциях для питания электрифицированных железных дорог, в электрометаллургической и химической промышленности для уменьшения величины пульсаций выпрямленного напряжения и уменьшения содержания высших гармонических составляющих в кривой переменного тока.
Наиболее близким решением из уровня техники к предлагаемому является преобразователь, используемый как элемент более сложного двадцатичетырехфазного преобразователя, состоящего из трехфазного трехобмоточного трансформатора и двух трехфазных вентильных мостов. Трансформатор имеет сетевую (первичную) обмотку и две одинаковые по мощности вентильные (вторичные) обмотки, одна из которых соединена по схеме «треугольник», а вторая - по схеме «звезда». Линейные напряжения и токи вентильных обмоток одинаковые, но схемы разные. Поэтому параметры обмоток разные - разное число витков и разное сечение провода обмоток. Каждый трехфазный вентильный мост состоит из шести вентилей, из которых в каждом мосту одновременно работают два вентиля: один из анодной и другой из катодной группы. Оба моста работают одновременно. Поэтому одновременно работают четыре вентиля. Вентильные мосты преобразователя соединяются между собой либо последовательно, либо параллельно. Но при параллельном соединении мостов требуется еще и реактор (индуктивность) со средней точкой. Так как у предлагаемого преобразователя реактора не требуется, то вариант прототипа с реактором из дальнейшего рассмотрения исключается (патент РФ №2119711, Н02М 7/12, 1998).
Недостатками известного преобразователя являются сложность конструкции трансформатора и большие затраты на его производство.
Технической задачей заявленного решения является обеспечение уменьшения прямого тока вентилей при работе преобразователя, что в конечном итоге позволяет повысить КПД преобразователя, а также снизить его габариты, вес и стоимость.
Поставленная задача решается посредством того, что в двенадцатифазном преобразователе, содержащем трехфазный трансформатор с двойным комплектом вторичных обмоток и вентили, согласно изобретению вторичные обмотки всех фаз трансформатора соединены в один контур в виде «шестиугольника» таким образом, что напряжения между вершинами «шестиугольника» образуют шестифазную систему напряжений, а вентили соединены в две группы - анодную и катодную, при этом в анодной группе вентилей аноды соединены в один узел, представляющий собой один полюс на стороне постоянного тока, а в катодной группе вентилей катоды соединены в один узел, представляющий другой полюс на стороне постоянного тока, причем каждый вентиль катодной группы своим анодом подсоединен, к средней точке одной из вторичных обмоток трансформатора, а каждый вентиль анодной группы своим катодом подсоединен к одной из вершин «шестиугольника» вторичных обмоток трансформатора.
Предлагаемое изобретение поясняется графическими материалами, где:
- на фиг.1 представлена схема многофазного преобразователя напряжения;
- на фиг.2 - векторная диаграмма потенциалов на вентилях.
Двенадцатифазный преобразователь Сучкова состоит из трехфазного трансформатора, имеющего три катушки 1, 2, 3 первичной обмотки, соединенных по схеме «звезда» и подключаемых к фазам сети 1, 2, 3 и соединенных между собой шести катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичных обмоток и соединенных с вентилями преобразователя. Одноименные зажимы (начала) всех катушек помечены знаком «звездочка» (*). При этом начало катушки 4 вторичной обмотки соединено с началом катушки 9 вторичной обмотки, конец катушки 9 вторичной обмотки - с концом катушки 6 вторичной обмотки, начало катушки 6 вторичной обмотки - с началом катушки 5 вторичной обмотки, конец катушки 5 вторичной обмотки - с концом катушки 8 вторичной обмотки, начало катушки 8 вторичной обмотки - с началом катушки 7 вторичной обмотки, конец катушки 7 вторичной обмотки - с концом катушки 4 вторичной обмотки, замыкая контур катушек вторичных обмоток. Каждая катушка вторичных обмоток трансформатора является стороной «шестиугольника».
Вентили 10, 11, 12, 13, 14, 15 анодной группы - своими катодами подсоединены к узлам, связывающим катушки вторичных обмоток трансформатора. Вентили 16, 17, 18, 19, 20, 21 катодной группы преобразователя - своими анодами подсоединены к отпайкам от половины витков катушек вторичных обмоток трансформатора.
На векторной диаграмме представлены векторы потенциалов на анодах вентилей катодной группы и на катодах вентилей анодной группы относительно центра «шестиугольника» - точки О, потенциал которой принят равным нулю.
Двенадцатифазный преобразователь работает следующим образом.
Двенадцатифазный преобразователь может работать в двух режимах: в режиме выпрямителя и в режиме инвертора. Работа в режиме неуправляемого выпрямителя при использовании в качестве вентилей полупроводниковых диодов происходит следующим образом: всегда работают два вентиля - один из шести вентилей катодной группы, потенциал на аноде которого наибольший, и один из шести вентилей анодной группы, потенциал на катоде которого наименьший. Поэтому среднее значение тока, протекающего через вентиль - Iв, равно одной шестой части среднего значения тока нагрузки - Iо: Iв=1/6Iо. Каждый вентиль за период включается один раз. Работают одновременно два вентиля - один вентиль из анодной группы, другой из катодной группы, а не четыре, как это имеет место у прототипа. Поэтому среднее значение прямого тока вентиля, а также потери напряжения и мощности при работе преобразователя меньше, чем аналогичные величины у прототипа в два раза.
Следует также учесть, что вентили для преобразователя выбираются по прямому току. Поэтому их габариты, вес и стоимость, определяясь меньшим в два раза током, будут меньше, чем у прототипа.
Во времени потенциалы на вентилях изменяются по гармоническому закону, определяемому изменением проекции вектора потенциала на ось ординат при вращении векторов против часовой стрелки с угловой скоростью
1
ω=2πf,
1
где f- частота питающего преобразователь напряжения. Векторная диаграмма потенциалов узлов преобразователя представлена для момента времени, когда вентиль 17 катодной группы меняет работавший до этого момента времени вентиль 16 катодной группы, так как его потенциал на аноде стал больше. Таким образом, напряжение на выходе выпрямителя, определявшееся проекцией отрезка 11-16 (см. фиг.2) на ось ординат, меняется на равное ему напряжение, определяемое проекцией отрезка 11-17 и будет определяться этой проекцией до того момента, когда вентиль 11 анодной группы будет заменен другим вентилем 12 анодной группы - в тот момент времени, когда его потенциал на катоде станет меньше потенциала на аноде вентиля 11 анодной группы.
В двенадцатифазном преобразователе каждый период питающего напряжения разделяется на двенадцать интервалов времени. В каждом последующем интервале времени закон изменения напряжения на выходе повторяет закон изменения напряжения предыдущего интервала. Введем следующие обозначения: Ni - порядковый номер интервала; Ti - момент времени начала i-го интервала; Ва - работающий вентиль анодной группы; Вк - работающий вентиль катодной группы. Циклограмма работы вентилей катодной и анодной групп приведена в таблице 1.
Выразим величину среднего выпрямленного напряжения на выходе преобразователя через амплитуду фазного напряжения на выходе шестифазного преобразователя числа фаз U6m, равную амплитуде напряжения на катушке вторичной обмотки фазы. В пределах
Таблица 1
Ni
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Ti
0
1,7
3,3
5
6,7
8,3
10
11,7
13,3
15
16,7
18,3
Ba
11
12
12
13
13
14
14
15
15
10
10
11
Вк
17
17
18
18
19
19
20
20
21
21
16
16
одного интервала времени двенадцатифазного выпрямителя его напряжение на выходе изменяется по гармоническому закону. Обозначим амплитуду выходного напряжения Uom. Ее можно представить отрезком 11-17 на векторной диаграмме как гипотенузу прямоугольного треугольника при катетах:
6
6
2
0,5Um·Sin60° и Um(1+Sin60°).
Тогда Uom=1,803U6m.
В пределах интервала времени - Т/24<t<Т/24, где Т - период изменения трехфазного напряжения питающей сети, напряжение на выходе преобразователя изменяется по закону
Uo(t)=UomCosωt
Поэтому величина среднего выпрямленного напряжения на выходе преобразователя Uo определяется средним значением определенного интеграла от функции Uo(t) в пределах от -Т/24 до +Т/24 за одну двенадцатую часть периода
Uo=1,78U6m
В момент времени, когда происходит изменение структуры схемы из-за изменившихся потенциалов на вентилях, напряжение на выходе выпрямителя минимально. Определим его величину на примере перехода от первого ко второму временному интервалу, для которого построена векторная диаграмма. Величина выходного напряжения будет минимальна и будет определяться разностью проекций векторов потенциалов вентилей 11 и 17 на ось ординат, т.е. длиной отрезка D-11
2
Uomin=U6m(1+Sin60°)=1,75U6m
Выпрямленное напряжение пульсирует с двенадцатикратной частотой в промежутке напряжений 1,75U6m<Uo(t)<1,803U6m при среднем значении
Uo=1,78U6m
с амплитудой 0,0265U6m, что составляет ниже 1,5% от среднего значения.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет уменьшить прямые токи вентилей при работе преобразователя, что в конечном итоге позволяет повысить КПД преобразователя, а также снизить его габариты, вес и стоимость.
Анализ заявленного технического решения на соответствие требованиям условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности неизвестной на дату приоритета из уровня техники необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.
Свойства, регламентированные в заявленном соединении отдельными признаками, общеизвестны из уровня техники и не требуют дополнительных пояснений.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для использования при создании регулируемых электроприводов постоянного тока;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в материалах заявки известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствуют требованиям условиям патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.