ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С 24-КРАТНОЙ ЧАСТОТОЙ ПУЛЬСАЦИИ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ

Полезная модель относится к электротехнике и силовой преобразовательной технике и может быть использована в системах электроснабжения электрифицированных железных дорог, городского электрического транспорта и метрополитена, а также в электролизных, электрогальванических и других электротехнологических установках.
Известен 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 Н02М 7/08 2006/01 опубл. 10.02.2010).
Недостатком данного преобразователя является недостаточно высокий КПД из-за потерь мощности в 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 трансформаторов, имеющие два значения чисел витков, соединены на каждом трансформаторе между собой в звезду и треугольник, при этом вторичные обмотки одного трансформатора подключены к одной шестивентильной кольцевой схеме выпрямления, а вторичные обмотки второго трансформатора подключены к другой шестивентильной кольцевой схеме выпрямления, причем шестивентильные кольцевые схемы выпрямления обоих трансформаторов соединены между собой парой разнополярных выводов постоянного тока последовательно, и свободные разнополярных выводы кольцевых схем выпрямления образуют выходные выводы устройства. (пат. РФ № 144525, МПК Н02М 7/12 2006/01 опубл. 27.08.2014).
Недостатком данного преобразователя является недостаточно высокий КПД из-за потерь мощности в вентилях, последовательно обтекаемых током нагрузки.
Задача (технический результат) полезной модели - создание преобразователя с 24-кратной частотой пульсации переменного напряжения в постоянное, имеющего более высокий КПД.
Указанная задача достигается тем, что в известном устройстве преобразователя с 24-кратной частотой пульсации переменного напряжения в постоянное, заключающееся в том, что он содержит два трехфазных трансформатора, на каждом из шести стержней магнитопроводов размещены первичная обмотка, состоящая из двух частей: сетевой и фазосдвигающей отношение чисел витков которых составляет соответственно 1:(sin 30°+sin 7°30), две вторичные обмотки, отношение чисел витков которых равно  на каждом трансформаторе, части первичных обмоток сетевой и фазосдвигающей соединены между собой по схеме «неравноплечий зигзаг», беспечивая фазовый сдвиг между трансформаторами в 15 эл. градусов, а вторичные обмотки соединены между собой по три обмотки, меющие большее число витков - в «треугольник» и по три обмотки, имеющие меньшее число витков - в «звезду», создавая симметричные шестифазные системы, которые при этом подключены к соответствующим шестивентильным кольцевым схемам выпрямления, отличающемся тем, что шестивентильные кольцевые схемы выпрямления обоих трансформаторов соединены между собой парами однополярных выводов постоянного тока параллельно и 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, сдвинутые между собой по фазе на 15 эл. градусов и представленные выводами источников а, b, с; х, у, z и a, b, c; х, у, z, а также 24 вентиля 3…26, из которых сформированы две шестивентильные кольцевые схемы выпрямления, вентили 3…14 составляют первую кольцевую схему выпрямления, а вентили 15…26 составляют вторую кольцевую схему выпрямления, вентили одной кольцевой схемы выпрямления 3, 4, 5 соединены между собой анодами, образуя анодную группу, а катодами соединены с выводами источника а, b, с, вентили 12, 13, 14 соединены между собой катодами, образуя катодную группу, а анодами соединены с выводами источника х, у, z, вентили 6…11 образуют кольцевую группу вентилей, которые анодами попарно 6 и 9, 7 и 10, 8 и 11 соединены с выводами источника а, b, с соответственно, а их катоды попарно 7 и 11, 8 и 9, 6 и 10 соединены с выводами источника х, у, z соответственно, вентили другой кольцевой схемы выпрямления 15, 16, 17 соединены между собой анодами, образуя анодную группу, а катодами соединены с выводами источника a, b, c, вентили 24, 25, 26 соединены между собой катодами, образуя катодную группу, а анодами соединены с выводами источника х, у, z, вентили 18…23 образуют кольцевую группу вентилей, которые анодами попарно 18 и 21, 19 и 22, 20 и 23 соединены с выводами источника a, в, c соответственно, а их катоды попарно 19 и 23, 20 и 21, 18 и 22 соединены с выводами источника х, у, z соответственно. Параллельное соединение выпрямительных схем обеспечивается соединением в общий узел с точкой 27 всех катодных групп вентилей 3, 4, 5 первой кольцевой схемы и 15, 16, 17 второй кольцевой схемы, а в общий узел с точкой 28 всех анодных групп вентилей 12, 13, 14 первой кольцевой схемы и 24, 25, 26 второй кольцевой схемы. Эти точки образуют выходные выводы преобразователя, к которым подключена нагрузка 29.
c
ф
Принцип работы преобразователя (фиг. 1) основан на двухкаскадной схеме, соединенной параллельно, каждый каскад содержит трансформаторный источник и вентильную схему выпрямления. Источники трансформаторные 1; 2 создают две шестифазные симметричные системы ЭДС, первичные обмотки которых состоят из двух частей: сетевой w и фазосдвигающей w с соотношением чисел витков 1: (sin 30°+sin 7°30') соответственно, их соединение между собой по схеме «неравноплечий 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, равным , 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 (aиг. 2).
Векторные диаграммы (фиг. 2) показывают амплитудно-фазовые характеристики каждой из применяемых шестифазных систем ЭДС. Соотношения чисел витков вторичных фазных обмоток равны , и фазовый сдвиг напряжений 15 эл. градусов между шестифазными симметричными системами обеспечивает динамичное формирование результирующих напряжений, модули векторов которых равны и сдвинуты относительно друг друга на фазовой плоскости на 15 эл. град. Условно зафиксировав в каждой шестифазной системе векторную диаграмму напряжений одной трехфазной системы и перемещая вокруг нее векторную диаграмму напряжений другой трехфазной системы, за период сетевого напряжения получим 24 вектора результирующих напряжений (фиг. 2). В каждом положении систем на фазовой плоскости определяются элементы вентильных связей, порядок работы вторичных обмоток и вентилей, которые сведены в таблицу.
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, формируется из наибольших величин векторов линейных напряжений, индексы которых указаны во втором столбце таблицы, складываемых из векторов фазных напряжений bc*х, подключенных к первой кольцевой схеме выпрямления. В третьем столбце приведены номера вентилей, включаемых при действии указанных напряжений, вентили 4, 8, 14 первой кольцевой схемы выпрямления. Далее нумерация вентилей в таблице 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 три вентиля.
У прототипа вентильная схема выпрямления представляет собой две шестивентильные кольцевые схемы, соединенные последовательно, где в любой момент времени в цепи протекания тока шесть вентилей последовательно обтекаются током нагрузки. По сравнению с прототипом схемные связи в предлагаемой схеме обеспечивают сокращение числа вентилей, последовательно обтекаемых током нагрузки с шести вентилей до трех. Что является техническим результатом, который для потребителей может оказаться оптимальным решением, так как потери мощности в вентильной конструкции можно снизить на 50%, увеличив тем самым КПД преобразователя в целом не менее чем на 0,5%.
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 шести вентилей до трех последовательно обтекаемых током нагрузки.