МНОГОФАЗНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ
MULTI-PHASE RECTIFIER

Изобретение относится к области электротехники, в частности преобразовательной техники, и может быть использовано при проектировании вторичных источников электропитания различного назначения.
Известны и широко применяются различные многофазные выпрямители: шестифазные, двенадцатифазные, восемнадцатифазные и др. [1]. Выпрямители состоят из одного или нескольких трехфазных трансформаторов, одной или нескольких групп однофазных трансформаторов, первичные и вторичные обмотки которых соединены в треугольник, звезду или зигзаг, комплекта диодов и дросселя фильтра с одной обмоткой. Существенными недостатками этих выпрямителей являются большие объем и масса трансформаторов и диодов с теплоотводящими радиаторами и низкий КПД, вследствие большой амплитуды и малой длительности импульсов тока, протекающего через обмотки трансформаторов и диоды. Условно назовем эти многофазные выпрямители выпрямителями I типа.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению, которое принято за прототип, являются многофазные выпрямители с несколькими независимыми дросселями фильтра, которые образованы по одному принципу и состоят из нескольких простых выпрямителей, работающих совместно на общую нагрузку через собственный дроссель фильтра (выпрямители II типа) [2-6].
По сравнению с выпрямителями I типа, выпрямители II типа имеют меньшие объем и массу трансформаторов и диодов и более высокий КПД. Однако, объем и масса комплекта дросселей больше, чем одного дросселя, что является недостатком выпрямителей с несколькими дросселями.
В предлагаемых выпрямителях (III типа) объем и масса комплекта трансформаторов и диодов такие же, как и в выпрямителях II типа, и существенно меньшие, чем в выпрямителях I типа, а объем и масса комплекта дросселей фильтра меньше, чем в выпрямителях II типа.
В выпрямителях III типа обеспечивается снижение объема и массы комплекта дросселей фильтра за счет применения одного многообмоточного дросселя вместо нескольких дросселей с одной обмоткой путем замены группы дросселей с одной обмоткой на один многообмоточный дроссель.
o
Выпрямители III типа, как и известные выпрямители, могут быть выполнены с числом фаз выпрямления m=6, 12, 18, 24 и т.д. Они состоят из 2-12 простых выпрямителей. В качестве простых выпрямителей могут быть применены выпрямители с числом фаз m=6, 3, 2, т.е. шестифазный, трехфазный и двухполупериодный со средней точкой.
Для достижения технического результата в каждом выпрямителе использовано от одного до четырех дросселей с несколькими обмотками. Вследствие этого, количество дросселей в выпрямителях III типа, по сравнению с выпрмителями II типа, снижается в 2-4 раза в зависимости от числа фаз выпрямителя.
В материалах заявки приняты следующие обозначения:
m - число фаз многофазного (составного, сложного) выпрямителя со средней точкой, m=6-24;
o
o
m - число фаз простого выпрямителя, из которых состоит многофазный выпрямитель, m=6, 3, 2;
o
n - количество простых выпрямителей, n=m, n=2, 3, 4, 6, 8, 9, 12;
р - количество независимых дросселей фильтра, р=1-4;
k - количество обмоток дросселя фильтра, k=n/р, k=2, 4, 6, 8, 9, 12;
Т - период напряжения питающей сети, Т=360°;
Tg - гармонических составляющих напряжения, Tg=T/g;
g - порядок гармоник, g=2, 3, 4, 6, 8, 9, 12 ….
o
o
o
o
На фиг. 1 и фиг. 2 представлены структурные схемы предлагаемых выпрямителей. Выпрямители, схема которых приведена на фиг.1, имеют следующие параметры: m=12, m=3, n=4, р=2, k=2 или m=24, m=6, n=4, p=2, k=2. На фиг. 2 - m=12, m=2, n=6, p=2, k=3 или m=18, m=3, n=6, p=2, k=3. Каждый многофазный выпрямитель содержит комплект трансформаторов 1, п простых выпрямителей 2, р дросселей фильтра 3. Каждый дроссель фильтра 3 подключен к нагрузке 4 через к обмоток 5. Все обмотки дросселей 4 включены согласно. Начало каждой обмотки подключено к выходу простого выпрямителя 2, а их концы подключены к нагрузке 4. Количество дросселей фильтра и количество их обмоток связаны соотношением n=pk. Параллельно нагрузке 4 включен выходной конденсатор 6.
Количество трансформаторов, входящих в комплект 1, и схема соединения их первичных обмоток соответствуют числу фаз многофазного выпрямителя, а вторичные обмотки трансформаторов соединены в многофазную лучевую звезду. Первичные обмотки трансформаторов соединены непосредственно в треугольник или звезду или предварительно соединены в зигзаг, а затем в треугольник или звезду. Выпрямители с числом фаз m=18, 24 могут быть реализованы только при разбиении первичных обмоток трансформаторов в зигзаг, а затем в треугольник или звезду. Первичные обмотки трансформаторов, входящих в комплект 1, соединены таким образом, что их вторичные обмотки образуют систему векторов напряжений, сдвинутых относительно друг друга, на угол 360°/m. Предлагаемые выпрямители, как и известные выпрямители, могут быть выполнены с использованием трехфазных трансформаторов с общим для всех фаз магнитопроводом или групп из трех однофазных трансформаторов.
В предлагаемых выпрямителях количество трансформаторов и схемы соединения их первичных и вторичных обмоток такие же, как и в известных выпрямителях. Отличия предлагаемых выпрямителей заключаются в количестве дросселей фильтра и количестве их обмоток.
Многофазные выпрямители с числом фаз m=6, 12, 18, 24 и количеством дросселей фильтра р=1-4, выполненные по изображенным на фиг. 1 и фиг. 2 структурным схемам, имеют основные параметры, приведенные в таблице 1.
Как видно из таблицы 1, схемы выпрямителей имеют большое число модификаций, вследствие чего обеспечивается возможность выбора оптимальной схемы из всех схем, параметры которых приведены в этой таблице. Оптимальная схема выпрямителя обеспечивает минимальные объем и массу его элементов при заданных исходных данных и выходных характеристиках.
Кривая выпрямленного напряжения выпрямителя, как и любая периодическая функция, может быть разложена в ряд Фурье, состоящий из постоянной и гармонических составляющих косинусного ряда (гармоник) по известным формулам разложения [7-9].
o
o
o
o
Кривые выпрямленного напряжения выпрямителей, которые названы простыми и из которых состоят сложные многофазные выпрямители, раскладываются в ряды, состоящие из следующих гармоник: шестифазный со средней точкой - 6, 12, 18, 24 …; трехфазный - 3, 6, 9, 12, …; двухполупериодный - 2, 4, 6, 8, …. Для простых выпрямителей эти гармоники делятся на основную (ОГ), частота которой равна числу фаз выпрямителя m=2, 3, 6, и высшие (ВЧ), частота которых выше частоты ОГ - 2m,3m, 4m ….
Для сложных многофазных выпрямителей гармонический ряд состоит из ОГ, частота которой равна числу его фаз m, низших гармоник (НЧ), частота которых ниже частоты ОГ - m/n, 2m/n, 3m/n … и высших (ВЧ), частота которых выше частоты ОГ - m (n+1), m (n+2), m(n+3) ….
Амплитуда основной гармоники определяет коэффициент пульсаций впрямленного напряжения.
o
Гармонический состав кривых выпрямленного напряжения простых и некоторых многофазных выпрямителей с m=6, m=3, n=2; m=6, =2, n=3; m=12, =3, n=4 и m=12, =2, n=6 приведен в таблице 2.
Шестифазные выпрямители применяются как простые, так и как сложные, состоящие из двух трехфазных или трех двухполупериодных выпрямителей со средней точкой с одним дросселем с двумя или тремя обмотками.
Предлагаемый выпрямитель работает следующим образом.
Выпрямленные напряжение и ток с выхода каждого простого выпрямителя 2 через соответствующую обмотку 5 дросселей фильтра 3 поступают на нагрузку 4. Из постоянной и гармонических составляющих формируется среднее значение и переменная составляющая (пульсации) выпрямленного напряжения многофазного выпрямителя. Среднее значение напряжения равно среднему значению напряжений образующих его простых выпрямителей.
Амплитудное и среднее значение импульсов тока, протекающего через диоды и вторичные обмотки трансформаторов соответственно в n и m раз меньше тока нагрузки, а длительность этих импульсов равна 360°/m.
Формирование пульсаций выходного напряжения осуществляется суммированием гармоник напряжения всех образующих его простых выпрямителей. Вследствие того, что в многофазных выпрямителях кривые напряжения на вторичных обмотках трансформаторов сдвинуты относительно друг друга на соответствующий угол, гармонические составляющие выходного напряжения простых выпрямителей также имеют сдвиг по фазе. НЧ и ВЧ гармоники, которые имеют одинаковую амплитуду и одинаковую частоту, находятся в противофазе или имеют сдвиг по фазе относительно друг друга на угол 60° (2/3 Tg) и взаимно уничтожаются на дросселях фильтра или на нагрузке. Основные гармоники, также имеющие одинаковые амплитуду и частоту, совпадают по фазе, сглаживаются эквивалентным индуктивно-емкостным фильтром с соответствующим коэффициентом фильтрации и поступают на нагрузку.
Более подробно процесс суммирования гармоник выходного напряжения простых выпрямителей рассмотрим на конкретных примерах.
Для составного шестифазного выпрямителя (m=6, =3, n=2, k=2, р=1), схема которого приведена на фиг. 3, нечетные гармоники двух простых выпрямителей (д=3, 9, 15 …) находятся в противофазе (их угол сдвига по фазе равен 60° (1/2 Tg) подаются на обмотки дросселя фильтра и создают в его магнитопроводе соответствущие гармоники магнитного потока, которые взаимно уничтожаются.
o
Для составного шестифазного выпрямителя (m=6, m=2, n=3, k=3, р=1) по фиг. 4, четные гармоники напряжения трех простых выпрямителей (g=2, 4, 8 …) сдвинуты по фазе относительно друг друга на угол 60° (1/3 Tg), подаются на обмотки дросселя фильтра и создают в его магнитопроводе соответствующие гармоники магнитного потока, которые взаимно компенсируются. Основные гармоники и кратные им четные гармоники напряжения (g=6, 12, 18 …) для обоих шесифазных выпрямителей совпадают по фазе и сглаживаются индуктивно-емкостным фильтром.
o
Для двенадцатифазного выпрямителя, состоящего из двух трехфазных трансформаторов, первичные обмотки которых соединены в треугольник и звезду, четырех простых выпрямителей 1-4 и двух дросселей фильтра 1,2 с двумя обмотками (m=12, m=3, n=4, k=2, р=2), структурная схема которого изображена на фиг.1, заключается в следующем. Нечетные гармоники напряжения 3, 9, 15,выпрямителей 1, 2 находятся в противофазе, подаются на дроссель 1; выпрямителей 3, 4 - на дроссель 2 и взаимно уничтожаются.
Шестые гармоники напряжения выпрямителей 1 и 2, а также выпрямителей 3 и 4 совпадают между собой по фазе. При этом шестые гармоники выпрямителей 1, 2 и выпрямителей 3, 4, подключенных к разным дросселям, находятся в противофазе, подаются в нагрузку и там компенсируются.
Основная гармоника напряжения (g=12) и четные гармоники напряжения 18, 24, 30, … всех простых выпрямителей совпадают по фазе, сглаживаются фильтром и поступают на нагрузку.
o
Для двенадцатифазного выпрямителя (фиг. 2), (m=12, m=2, n=6, k=3, р=2) четные гармоники напряжения 2, 4, 8, 10, … выпрямителей 1-3 сдвинуты по фазе на угол 60° (1/3Tg), подаются на дроссель 1; выпрямителей 4-6 на дроссель 2 и взаимно уничтожаются. Шестые гармоники напряжения выпрямителей 1-3, а также выпрямителей 4-6 совпадают между собой по фазе. При этом шестые гармоники напряжения выпрямителей 1-3 и выпрямителей 4-6, подключенных к разным дросселям, находятся в противофазе, подаются в нагрузку и там компенсируются.
Основные гармоники (g=12) и четные гармоники 18, 24, 30, … совпадают по фазе, сглаживаются фильтром и поступают на нагрузку.
Таким образом в предлагаемых многофазных выпрямителях обеспечивается компенсация в дросселях фильтра или в нарузке, а также сглаживание эквивалентным индуктивно - емкостным фильтром с соответствующим коэффициентом фильтрации всех гармонических составляющих напряжения простых выпрямителей.
Новым в изобретении является применение в многофазных выпрямителях с несколькими дросселями фильтра многообмоточных дросселей и подключение каждого простого выпрямителя, входящего в многофазный выпрямитель, к нагрузке через отдельную обмотку дросселя.
На основании изложенного может быть сделан вывод, что предлагаемое устройство позволяет получить положительный эффект.
Изобретение является новым, т.к. при анализе доступных источников информации не выявлено аналогов с подобной совокупностью существенных признаков.
Литература
1. Полупроводниковые выпрямители. Под ред. Ф.И. Ковалева и Г.П. Мостковой. М.: Энергия, 1978, с. 36-118.
2. Многофазный выпрямитель. А.с. 547017, Н02М 7/06. Шуваев Ю.Н., Виленкин А.Г.
3. Шуваев Ю.Н. Новые схемы многофазных выпрямителей - Вопросы радиоэлектроники. Сер. общетехническая, 1975, вып. 1, с. 79-90.
4. Шуваев Ю.Н. Выбор оптимальной схемы многофазного низковольтного выпрямителя по габаритно - массовым и энергетическим показателям. - Вопросы радиоэлектроники. Сер. общетехническая, 1978, вып. 3, с. 77-89.
5. Источники вторичного электропитания, под ред. Ю.И. Конева - М: Радио и связь, 1983, с. 223 - 246.
6. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / Г.С. Найвельт, К.Б. Мазель, Ч.И. Хусаинов и др.: Под. ред. Г.С. Найвельта. - М: Радио и связь, 1986, с. 136-143.
7. Нетушил А.В., Страхов С.В. Основы электротехники, ч. 2, Госэнергоиздат, 1955, 211 с.
8. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. М.: Высшая школа, 1973, с. 225 -231.
9. Теоретические основы электротехники. Т. 1. Основы теории линейных цепей. Под ред. П.А. Ионкина. М.: Высшая школа, 1976, с. 544.