ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ОДНОФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В ПОСТОЯННЫЙ
SINGLE-PHASE ALTERNATING-TO-DIRECT CURRENT CONVERTER

Предлагаемое изобретение относится к полупроводниковым преобразователям электрической энергии, предназначенным для преобразования переменного тока в постоянный, и может быть использовано в источниках постоянного тока с регулируемым напряжением.
Известен преобразователь однофазного переменного тока в постоянный (Плакс А.В. Системы управления электрическим подвижным составом. Учебник для вузов ж.-д. транспорта. - М.: Маршрут, 2005, С.140), содержащий однофазный трансформатор с вторичной фазной обмоткой, имеющей две отпайки, делящие обмотку на три секции с соотношением чисел витков секций 1:1:2, и четырехфазный вентильный мост с управляемыми вентилями, входы переменного тока которого подключены к выводам от начала и конца вторичной обмотки и выводам от отпаек, а выходы постоянного тока подключены к нагрузке. Преобразователь обеспечивает четырехзонное плавное регулирование напряжения.
Недостатком преобразователя является относительно невысокий коэффициент мощности из-за ограниченного числа зон регулирования и плохое качество выпрямленного напряжения из-за искажения его формы, недостаточно близкой к идеальной.
Кроме того, известен преобразователь однофазного переменного тока в постоянный (С.Н.Засорин, В.А.Мицкевич, К.Г.Кучма. Электронная и преобразовательная техника. М.: Транспорт, 1981, С.162), являющийся прототипом, содержащий три последовательно согласно соединенных однофазных вентильных моста, в каждом из которых два последовательно включенных вентильных плеча оснащены управляемыми вентилями, два других плеча неуправляемыми вентилями, а к полярным выходам крайних мостов подключена нагрузка, и однофазный трансформатор с первичной обмоткой и тремя гальванически развязанными вторичными обмотками, каждая из которых соединена с одним из мостов, причем начала (концы) обмоток подключены к соответствующим точкам соединения управляемых вентилей, концы (начала) подключены к соответствующим точкам соединения неуправляемых вентилей, а числа витков вторичных обмоток равны или находятся в определенном соотношении между собой. При равенстве чисел витков вторичных обмоток число зон регулирования равно трем. Используя разные соотношения напряжений вторичных обмоток, можно получить число зон регулирования выпрямленного напряжения большее, чем число мостов. Так, при трех вторичных обмотках и соотношении между числами витков 1:2:3 или 1:2:4 число зон регулирования может быть равным, соответственно, шести или семи.
Недостатком преобразователя является низкий КПД, что обусловлено большим числом последовательно включенных в цепи тока нагрузки вентилей.
Задачей предлагаемого изобретения является создание преобразователя однофазного переменного тока в постоянный с более высоким КПД.
Поставленная задача достигается тем, что преобразователь однофазного переменного тока в постоянный, содержащий шесть управляемых и три неуправляемых вентиля и однофазный трансформатор с первичной обмоткой и тремя гальванически развязанными вторичными обмотками, дополнительно снабжен четырьмя управляемыми вентилями, две вторичных обмотки соединены последовательно согласно, образуя двухсекционную обмотку с выводами от начала, от точки соединения секций и от конца данной обмотки, в третьей обмотке выполнена отпайка, разделяющая обмотку на две секции, и от последней двухсекционной обмотки выполнены выводы от начала, от отпайки, образующей точку соединения секций, и от конца, причем из шести управляемых вентилей сформировано шестивентильное кольцо с соединениями вентилей одноименными электродами, остальные управляемые вентили и два неуправляемых вентиля соединены в две трехвентильные обратные друг другу звезды, в каждой из которых один из вентилей неуправляемый, а общие точки соединения одноименных электродов вентилей трехвентильных звезд образуют два разнополярных выхода устройства, к которым подключена нагрузка, при этом одноименные выводы двухсекционных обмоток подключены к диаметрально расположенным в вентильном кольце точкам соединения электродов вентилей, причем два управляемых вентиля, диаметрально расположенные в вентильном кольце, связывают крайние разноименные выводы двухсекционных обмоток, к которым подключены свободными электродами согласно последовательно с указанными вентилями кольца по одному из управляемых вентилей трехвентильных звезд, при этом свободные электроды неуправляемых вентилей трехвентильных звезд подключены к точкам соединения секций тех двухсекционных обмоток, к крайним выводам которых подключены одноименные с ними электроды управляемых вентилей трехвентильных звезд, и согласно последовательно с неуправляемыми вентилями трехвентильных звезд к средним выводам двухсекционных обмоток подключен оставшийся неуправляемый вентиль.
На Фиг.1 приведена схема предлагаемого преобразователя; на Фиг.2 приведена схема реализации преобразователя с нагрузкой в виде обмотки возбуждения (ОВ) двигателя постоянного тока и сглаживающего реактора (CP) при соотношениях чисел витков секций в каждой из вторичных обмоток 1:1 и общем соотношении чисел витков всех секций в порядке их последовательного расположения, равном 2:2:1:1; на Фиг.3 приведены временные диаграммы выпрямленного напряжения для шести поддиапазонов регулирования, поясняющие принцип работы преобразователя.
Преобразователь однофазного переменного тока в постоянный (Фиг.1) содержит однофазный трансформатор 1, имеющий первичную обмотку и две вторичные секционированные обмотки, одна с секциями 2 и 3, вторая с секциями 4 и 5, вентильную часть, состоящую из управляемых вентилей 6-15 и неуправляемых вентилей 16-18, вентили 7, 10, 12-15 в которой образуют шестивентильное кольцо, а вентили 6, 9, 16 и вентили 8, 11, 18 образуют обратные друг другу трехвентильные звезды, общие точки соединения вентилей в которых образуют соответственно выходные выводы устройства - анодный 19 и катодный 20, к которым подключена нагрузка 21. Точка соединения анодов вентилей 7, 13 шестивентильного кольца соединена с началом секции 2 и катодом вентиля 6 трехвентильной звезды. Точка соединения анодов вентилей 12, 15 шестивентильного кольца соединена с точкой соединения секций 2 и 3, катодом вентиля 16 трехвентильной звезды и анодом вентиля 17. Точка соединения анодов вентилей 10, 14 шестивентильного кольца соединена с концом секции 3 и катодом вентиля 9 трехвентильной звезды. Точка соединения катодов вентилей 7, 12 шестивентильного кольца соединена с концом секции 4 и анодом вентиля 8 трехвентильной звезды. Точка соединения катодов вентилей 13, 14 шестивентильного кольца соединена с точкой соединения секций 4 и 5, анодом вентиля 18 трехвентильной звезды и катодом вентиля 17. Точка соединения катодов вентилей 10, 15 шестивентильного кольца соединена с началом секции 5 и анодом вентиля 11 трехвентильной звезды.
Устройство (Фиг.1) работает следующим образом. При равенстве чисел витков всех секций вторичных обмоток (1:1:1:1) число зон регулирования (поддиапазонов регулирования) равно только четырем. Поэтому принцип работы устройства в общем случае лучше объяснить при использовании разных соотношений напряжений (чисел витков) секций вторичных обмоток. Например, можно получить число зон плавного регулирования выпрямленного напряжения, равное 6. Приняв соотношения между числами витков секций 2, 3, 4, 5 вторичных обмоток, соответственно, 2:2:1:1, рассмотрим работу преобразователя (Фиг.1) при данной (Фиг.2) его реализации.
1
Весь диапазон регулирования выпрямленного напряжения разделен на 6 поддиапазонов (зон), представленных временными диаграммами выпрямленного напряжения на Фиг.3 для угла регулирования α=90°. Для примера рассмотрим третий поддиапазон (зона III).
1
1
1
В третьем поддиапазоне при положительной полуволне питающего напряжения, положительную полярность которого примем соответствующей более высоким потенциалам начал секций, сначала включается вентиль 9 с углом α=0°; при этом на нагрузке 21 формируется напряжение секции 3. Затем, с углом α>0°, включается вентиль 11 и на нагрузке 21 формируется суммарное напряжение секций 3 и 5. Ток при этом протекает сначала по контуру: вывод 20 - нагрузка 21 - вывод 19 - вентиль 9 - секция 3 - вентиль 17 - вентиль 18 - вывод 20, а после включения с углом α>0° вентиля 11 ток из вентиля 18 в силу естественной коммутации переходит в цепь, состоящую из вентиля 11 и секции вторичной обмотки 5 трансформатора. Мгновенное значение выпрямленного напряжения на нагрузке 21 возрастает от 2/6 полного напряжения всех секций вторичной обмотки трансформатора до значения 3/6, как это показано на Фиг.3 (зона III) при α=90°.
°
1
1
1
При отрицательной полуволне питающего напряжения сначала с углами α=0 включается вентиль 6, а затем с варьируемым углом α>0° вентиль 8. Форма выпрямленного напряжения в этой полуволне будет такой же двухступенчатой, как и в предыдущей полуволне, показанной на Фиг.3 (зона III) для случая, когда α=90°. С уменьшением угла α среднее значение выпрямленного напряжения плавно возрастает.
0
1
Аналогично прослеживается работа преобразователя во всех остальных поддиапазонах (зонах) плавного регулирования. Ниже представлен порядок выдачи управляющих сигналов на управляющие электроды управляемых вентилей, где НС - нулевой сигнал (α) и PC - регулирующий сигнал (α). Знаки (+) и (-), стоящие перед номерами вентилей, обозначают полупериод подачи на них управляющих сигналов
Зона I (от 0 до 1/6)………………………………………C: +11; -8
Зона II (от 1/6 до 2/6)…НС: +12; -1…………PC: +11; -8
Зона III (от 2/6 до 3/6)…НС: +9; -6………PC: +11; -8
Зона IV (от 3/6 до 4/6)…НС: +7; -10…………PC: +11; -8
Зона V (от 4/6 до 5/6)…НС: +9, +13; -6, -14…РС: +11; -8
Зона VI (от 5/6 до 1)……НС: +9, +7; -6, -10…РС: +11; -8
Кривые выпрямленного напряжения, приведенные на Фиг.3, получены на компьютерной модели. Вентильное кольцо выполняет распределительную функцию и дает возможность использовать другие варианты распределения управляющих сигналов при различных топологических размерах исполнения вторичных обмоток.
В предлагаемом преобразователе плавное регулирование достигается во всех шести поддиапазонах, в отличие от прототипа, причем при согласном включении обмоток и при достаточно простой реализации схемы управления. В прототипе в цепи тока нагрузки включены 6 вентилей, в предлагаемом устройстве только 3 вентиля, что снижает мощность потерь в вентильной части в два раза и приводит к повышению КПД.
Таким образом, предлагаемое изобретение: преобразователь однофазного переменного тока в постоянный имеет более высокий КПД.