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 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-параллельно соединенным трехфазным выпрямительным мостам через уравнительный реактор (авт.св. СССР № 1638779, МПК Н02М 7/12, опубл. 30.03.1991, Бюл. № 12).
Недостатком данного преобразователя является недостаточно высокий КПД из-за потерь мощности на уравнительном реакторе.
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 (патент 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.
Задача (технический результат) полезной модели - создание преобразователя с 24-кратной частотой пульсации переменного напряжения в постоянное, имеющего более высокий КПД.
c
ф
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 трансформаторных источника, вторичные обмотки которых, имеющие по два значения числа витков, равных  на каждом трансформаторе соединены между собой, причем три обмотки, имеющие большее число витков, соединены в «треугольник», а три обмотки, имеющие меньшее число витков, - в «звезду», создавая симметричные шестифазные системы, которые соединены с соответствующими шестифазными выпрямительными мостами, состоящими из двух последовательно соединенных трехфазных мостов, отличающийся тем, что первичные обмотки обоих трансформаторов соединены по схемам «скользящего треугольника», в котором соотношение частей обмоток, составляющих сетевую часть w и фазосдвигающую часть (w), равно 1:sin 11°24' соответственно, при этом два вывода первичных обмоток первого трансформатора присоединены с транспозицией к трехфазной сети по отношению к присоединению идентичных выводов первичных обмоток другого трансформатора, а шестифазные выпрямительные мосты каждого трансформатора соединены между собой парами однополярных выводов постоянного тока параллельно и образуют выходные выводы устройств.
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
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 пятнадцать электрических градусов и представленные выводами источников а, b, с; x, y, z и а, b, c; x, y, z, а также двадцать четыре вентиля 3…26, из которых сформированы две шестифазные мостовые схемы выпрямления, вентили 3…14 составляют первую шестифазную мостовую схему выпрямления, а вентили 15…26 составляют вторую шестифазную мостовую схему выпрямления. Вентили одной шестифазной мостовой схемы выпрямления 3, 4, 5 соединены анодами в анодную группу, а катодами подключены к выводам источника а, b, c и одновременно к анодам вентилей 6, 7, 8, катоды которых соединены в катодную группу, при этом вентили 9, 10, 11 соединены между собой анодами, образуя анодную группу, а катодами подключены к выводам источника x, y, z и одновременно к анодам вентилей 12, 13, 14, катоды которых соединены в катодную группу, при этом катодная группа вентилей 6, 7, 8 и анодная группа вентилей 9, 10, 11 соединены между собой. Вентили другой шестифазной мостовой схемы выпрямления 15, 16, 17 соединены анодами в анодную группу, а катодами подключены к выводам источника а, b, c и одновременно к анодам вентилей 18, 19, 20, катоды которых соединены в катодную группу при этом, вентили 21, 22, 23 соединены между собой анодами, образуя анодную группу, а катодами подключены к выводам источника х, y, z и одновременно к анодам вентилей 24, 25, 26, катоды которых соединены в катодную группу, при этом катодная группа вентилей 18, 19, 20 и анодная группа вентилей 21, 22, 23 соединены между собой. Соответственно параллельное соединение выпрямительных схем обеспечивается соединением в общие узлы с точкой 27 анодных групп вентилей и с точкой 28 катодных групп вентилей обоих шестифазных мостовых схем выпрямления, к которым подключена нагрузка 29.
c
ф
Принцип работы преобразователя (фиг. 1) основан на двухкаскадной параллельно соединенной схеме, каждый каскад содержит трансформаторный источник и вентильную схему выпрямления. Трансформаторные источники 1; 2, первичные обмотки которых соединены по схемам «скользящего треугольника», в котором соотношение частей обмоток, составляющих сетевую обмотку (w) и фазосдвигающую (w), равно 1:sin 11°24' соответственно, при этом два вывода первичных обмоток первого трансформатора присоединены с транспозицией к трехфазной сети по отношению к присоединению идентичных выводов первичных обмоток другого трансформатора и создают фазовый сдвиг в 15 эл. градусов между трансформаторами. Вторичные обмотки трансформаторов создают две шестифазные симметричные системы ЭДС, которые размещены по две на каждом стержне трансформатора с отношением чисел витков, равных , соединены между собой по три обмотки, имеющие большее число витков, в треугольник, три обмотки, имеющие меньшее число витков, в звезду, что создает равенство величин линейных напряжений, складываемых из фазных напряжений и фазового сдвига между ними в 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. Соотношение 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 относительно друг 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, 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*x, подключенных к первой кольцевой схеме выпрямления. В третьем столбце приведены номера вентилей, включаемых при действии указанных напряжений, - вентили 4, 8, 9, 13 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 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 четырех. 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, связанный с сокращением числа вентилей с восьми вентилей до четырех последовательно обтекаемых током нагрузки.