ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ОДНОФАЗНОГО ТОКА В ПОСТОЯННЫЙ
SINGLE-PHASE AC TO DC 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 тока в постоянный (Каганов И.Л. Электронные и ионные преобразователи. - Ч.III. - M.: ГЭИ, 1956, 258 с.), содержащий трансформатор - преобразователь однофазного напряжения в двухфазное с секционированными вторичными обмотками, к выводам которых подключены управляемые вентили, образующие катодную (анодную) группу вентилей преобразователя однофазного тока в постоянный.
Поскольку преобразователь собран по однополупериодной схеме, он характеризуется большими массогабаритными показателями и плохим использованием вентилей по обратному напряжению, достигающему в π раз большего значения, чем среднее значение выпрямленного напряжения.
Кроме того, известен преобразователь однофазного тока в постоянный (Засорин С.Н., Мицкевич В.А., Кучма К.Г. Электронная и преобразовательная техника. - M.: 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.
Недостатком данного преобразователя является относительно невысокий КПД из-за большого числа вентилей, последовательно включаемых в цепи тока нагрузки.
Задачей предлагаемого изобретения является создание преобразователя однофазного тока в постоянный с более высоким КПД.
Поставленная задача достигается тем, что преобразователь однофазного тока в постоянный содержит шесть управляемых вентилей и однофазный трансформатор с первичной обмоткой и группой вторичных обмоток, состоящей из трех гальванически развязанных частей, причем числа витков всех частей группы вторичных обмоток равны, а в преобразователь введен дополнительный управляемый вентиль, при этом первая и вторая части группы вторичных обмоток соединены согласно и от точки их соединения выполнен отвод, из шести вентилей сформированы две трехвентильные ячейки, каждая из которых состоит из трех последовательно согласно соединенных вентилей, причем одноименные крайние электроды вентилей ячеек соединены между собой, образуя выходные выводы устройства, к одной паре равноудаленных от выходных выводов устройства точек соединения вентилей ячеек подключены конец и начало вторичной обмотки, состоящей из первой и второй частей группы вторичных обмоток, а ко второй паре равноудаленных от выходных выводов устройства точек соединения вентилей ячеек подключены конец и начало третьей части группы вторичных обмоток противофазно с подключением обмотки, составленной из двух частей, при этом незадействованный вентиль одним электродом подключен к точке соединения двух частей группы вторичных обмоток, а вторым электродом к ближней точке соединения крайних вентилей вентильных ячеек, причем электродом, одноименным с электродами, соединенными в данной точке.
На Фиг.1 приведена схема предлагаемого преобразователя; на Фиг.2 приведены временные диаграммы выпрямленного напряжения для трех поддиапазонов регулирования.
Преобразователь однофазного тока в постоянный (Фиг.1) содержит однофазный трансформатор, имеющий первичную обмотку (на фигуре не показана) и группу вторичных обмоток, имеющую две гальванически согласно связанные части 1 и 2 и одну, гальванически не связанную с первыми двумя, часть 3, причем числа витков всех частей равны, и семь управляемых вентилей 4-10, катоды вентилей 4, 7 и 8 соединены соответственно с началом, средней точкой и концом вторичной обмотки, состоящей из двух частей, катоды данных вентилей образуют один выходной вывод 11 устройства, аноды вентилей 5 и 9 соединены соответственно с началом и концом вторичной обмотки, состоящей из 1 и 2 частей группы вторичных обмоток, а их катоды соединены, соответственно, с концом и началом третьей части группы вторичных обмоток, к которым подключены также, соответственно, аноды вентилей 6 и 10, катоды которых образуют второй выходной вывод 12 устройства. К выходным выводам 11 и 12 подключена нагрузка 13.
Работа устройства (Фиг.1) по формированию плавно изменяющегося выпрямленного напряжения в разных поддиапазонах (зонах) обеспечивается при нескольких способах подачи управляющих сигналов на управляющие электроды вентилей.
1
Весь диапазон регулирования выпрямленного напряжения разделен на 3 поддиапазона (зоны), которые представлены временными диаграммами выпрямленного напряжения на Фиг.2 для углов регулирования α≈90°. Для примера рассмотрим второй поддиапазон (зона II).
1
1
1
Во втором поддиапазоне (зона II) при положительной полуволне питающего напряжения, положительную полярность которого примем соответствующей более высоким потенциалам начал секций, сначала включаются вентили 7, 5, 6 с углом α=0°; при этом на нагрузке 13 формируется напряжение секции 1. Затем с углом α>0° включается вентиль 10 и на нагрузке 13 формируется суммарное напряжение секций 1 и 3. Ток при этом протекает сначала по контуру: вывод 12 - нагрузка 13 - вывод 11 - вентиль 7 - секция 1 - вентиль 5 - вентиль 6 - вывод 12, а после включения с углом α>0° вентиля 10 ток из вентиля 6 в силу естественной коммутации переходит в цепь, состоящую из вентиля 10 и секции вторичной обмотки 3. Мгновенное значение выпрямленного напряжения на нагрузке 13 возрастает от 1/3 полного напряжения всех секций вторичной обмотки трансформатора до значения 2/3, как это показано на Фиг.2 (зона II) при угле регулирования α>0°.
1
1
При отрицательной полуволне питающего напряжения сначала с углами α=0° включается вентиль 7, 9, 10, а затем с варьируемым углом α>0° вентиль 6. Форма выпрямленного напряжения в этой полуволне будет такой же двухступенчатой, как и в предыдущей полуволне, показанной на Фиг.2 (зона II). С уменьшением угла α среднее значение выпрямленного напряжения плавно возрастает.
Зона
Фаза
Углы отпирания вентилей
4
5
6
7
8
9
10
I
+
●
●
●
-
●
●
●
II
+
○
○
○
●
-
●
○
○
○
III
+
○
○
○
●
-
○
●
○
○
0
1
Аналогично прослеживается работа преобразователя во всех остальных поддиапазонах (зонах) плавного регулирования. В приведенной таблице представлен один из нескольких возможных вариантов алгоритма подачи управляющих сигналов на управляющие электроды управляемых вентилей преобразователя (Фиг.2), где ○ - нулевой сигнал (α) и ● - регулирующий сигнал (α). Знаки (+) и (-) в столбце «Фаза» обозначают полупериод подачи на вентили управляющих сигналов.
Кривые выпрямленного напряжения на Фиг.2 получены на компьютерной модели с применением индуктивных сопротивлений.
В предлагаемом преобразователе в цепи протекания тока нагрузки включены последовательно только три вентиля, а в прототипе 6 вентилей. Это способствует снижению мощности потерь в вентилях и повышает КПД.
Таким образом, предлагаемое изобретение: преобразователь однофазного тока в постоянный имеет более высокий КПД.