Источник постоянного напряжения с 8-кратной частотой пульсации

Источник постоянного напряжения с 8-кратной частотой пульсации предназначен для преобразования переменного напряжения в постоянное для питания тяговых нагрузок электрического транспорта и электротехнологических установок на постоянном токе. Содержит два трансформаторных источника переменных ЭДС 1 и 2, сдвинутых по фазе ортогонально друг к другу, и восемь вентилей 3...10; оба источника имеют по две вторичных обмотки 11, 12 и 13, 14 со средними точками 15, 16 и 17, 18; выводы обмоток в каждом источнике соединены с двумя собственными цепочками из двух последовательно и согласно включенных вентилей 3, 4 и 5, 6 в первом источнике, 7, 8 и 9, 10 во втором; выводы обмотки 11 подключены к началам вентильных цепочек 3, 4 и 5, 6, а выводы обмотки 13 подключены к началам вентильных цепочек 7, 8 и 9, 10, имеющих противоположное направление включения вентилей; выводы обмоток 12 и 14 соединены с парами точек последовательного соединения вентилей 3, 4; 5, 6 и 7, 8; 9, 10 таким образом, что разноименные электроды каждого первого вентиля цепочек соединены с противофазными выводами обмоток, при этом крайние и одноименные электроды последних вентилей цепочек 4, 6 и 8, 10, соединенные попарно, образуют выходные выводы устройства, катодный 19 и анодный 20, к которым подключена нагрузка 21, и каждый из которых соединен со средней точкой обмотки, выводы которой связаны с началами вентильных цепочек, образующих противоположный выходной вывод устройства, то есть вывод 19 подключен к средней точке 17 обмотки 13, а вывод 20 соединен со средней точкой 15 обмотки 11, средние точки 16 и 18 обмоток, соответственно, 12 и 14 соединены между собой. Предложенный источник постоянного напряжения имеет меньшие потери электрической энергии и более высокий КПД.

Полезная модель относится к электротехнике и силовой преобразовательной технике и предназначается для преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение для питания тяговых нагрузок электрического транспорта и электротехнологических установок на постоянном токе.

Известен источник постоянного напряжения с n-кратной (рассматривается только n=8) частотой пульсации, содержащий В=8 вентилей и два источника исходных переменных ЭДС, сдвинутых по фазе ортогонально друг к другу, каждая из которых поделена средними точками на две равные части и каждая из этих частей снабжена одинаковым числом к_х=к'_x =ⁿ/₄ отводов, а средние точки образуют выходные выводы устройства с подключенной к ним нагрузкой, обладающий определенной общностью, позволяя получить ряд частных схемных реализации с соответствующей частотной кратностью пульсаций [1].

Недостатком этого устройства являются большие массогабаритные показатели и установленная мощность вторичных обмоток, которые имеют высокое суммарное витковое число показывающее отношение

общего (суммарного) числа витков W всех частей вторичных обмоток к базовому числу витков W_Б - принятому равным числу витков с амплитудой напряжения на них равной амплитуде u_d0 выходного напряжения в режиме холостого хода устройства, которое для рассматриваемого прототипа при n=8 равно W _в2=4.

Наиболее близким к полезной модели, принятым за прототип, является источник постоянного напряжения с 8-кратной частотой пульсации [2], содержащий восемь вентилей и два трансформаторных

источника переменных ЭДС, сдвинутых по фазе ортогонально друг к другу, при этом трансформаторы содержат по две вторичных обмотки, каждая из которых разделена средними точками на две равные полуобмотки, общее число таких полуобмоток в каждом источнике переменной фазосдвинутой ЭДС равно к=к'=4, а средние точки обеих обмоток одного переменного источника образуют перекрестные соединения со средними точками двух обмоток другого источника переменной фазосдвинутой ЭДС, крайние выводы из числа (к-2) и (к'-2) полуобмоток каждого источника переменной ЭДС соединены с одноименными электродами двух вентилей, причем одноименные электроды этих вентилей являются разнополярными для полуобмоток каждого из источников переменной фазосдвинутой ЭДС, противоположные электроды этих вентилей образуют узловые соединения с крайними выводами других полуобмоток из оставшегося числа (к-2) и (к'-2), также в каждом из источников переменной ЭДС, остальные четыре вентиля соединены попарно одноименными электродами и образуют два выходных вывода с подключенной нагрузкой, причем одноименные электроды этих пар вентилей, образующих выходные выводы, являются разнополярными для каждого из источников переменной фазосдвинутой ЭДС, а противоположные электроды каждого из этих пар вентилей подключены к уже образованным узловым соединениям.

Недостатком этого устройства являются относительно большие потери электрической энергии, так как полный ток нагрузки в любой момент времени протекает через три последовательно включенных вентиля, что снижает КПД устройства.

Задача полезной модели - создание источника постоянного напряжения с 8-кратной частотой пульсации, обладающего меньшими потерями электрической энергии и более высоким КПД.

Указанная задача достигается тем, что источник постоянного напряжения с 8-кратной частотой пульсации содержит два источника переменных ЭДС, сдвинутых по фазе ортогонально друг к другу, и восемь В=8 вентилей, каждый источник фазосдвинутой (ФС) ЭДС имеет по две вторичные обмотки со средними точками, причем выводы обмоток в каждом источнике ФС ЭДС соединены с двумя собственными цепочками, состоящими из двух последовательно и согласно включенных вентилей, при этом выводы одной из обмоток в каждом источнике ФС ЭДС подключены к началам собственных цепочек вентилей, которые имеют одно направление включения по отношению к обмоткам в одном источнике ФС ЭДС и противоположное направление включения в другом источнике ФС ЭДС, а каждая пара выводов незадействованных обмоток соединена с парой точек последовательного соединения вентилей собственных цепочек таким образом, что разноименные электроды каждого первого вентиля цепочек соединены с противофазными выводами обмоток, при этом крайние и одноименные электроды последних вентилей цепочек, соединенные попарно образуют выходные выводы устройства, каждый из которых дополнительно соединен со средней точкой обмотки, выводы которой связаны с началами вентильных цепочек, образующих противоположный выходной вывод устройства, причем незадействованные средние точки обмоток источников соединены между собой.

На Фиг.1 приведена схема предлагаемого источника; на Фиг.2 - волновые диаграммы напряжений на вторичных обмотках трансформаторов и кривая выпрямленного напряжения; на Фиг.3 - векторная диаграмма формирования токообразующих ЭДС на комплексной плоскости; на Фиг.4 - эквивалентные схемы, раскрывающие алгоритмы работы обмоток трансформаторов и включения вентилей в разные моменты периода сетевого напряжения; на Фиг.5 - алгоритмы работы обмоток трансформаторов и включения вентилей.

Источник постоянного напряжения с 8-кратной частотой пульсации (Фиг.1) содержит два трансформаторных источника переменных ЭДС 1 и 2 (первичные обмотки трансформаторов на схеме не показаны), сдвинутых по фазе ортогонально друг к другу, и восемь вентилей 3...10, при этом оба источника фазосдвинутых переменных ЭДС имеют по две вторичных обмотки 11, 12 и 13, 14, соответственно, каждая из которых разделена средними точками 15, 16 и 17, 18 на две полуобмотки, причем выводы обмоток в каждом источнике ФС ЭДС соединены с двумя собственными цепочками, состоящими из двух последовательно и согласно включенных вентилей 3, 4 и 5, 6 в первом источнике, 7, 8 и 9, 10 во втором, при этом выводы обмотки 11 подключены к началам вентильных цепочек 3, 4 и 5, 6, а выводы обмотки 13 подключены к началам вентильных цепочек 7, 8 и 9, 10, имеющих противоположное направление включения вентилей; каждая пара выводов незадействованных обмоток 12 и 14 соединена с парами точек последовательного соединения вентилей 3, 4; 5, 6 и 7, 8; 9, 10 таким образом, что разноименные электроды каждого первого вентиля цепочек соединены с противофазными выводами обмоток, при этом крайние и одноименные электроды последних вентилей цепочек 4, 6 и 8, 10, соединенные попарно, образуют выходные выводы устройства, катодный 19 и анодный 20, к которым подключена нагрузка 21 и каждый из которых дополнительно соединен со средней точкой обмотки, выводы которой связаны с началами вентильных цепочек, образующих противоположный выходной вывод устройства, то есть вывод 19 подключен к средней точке 17 обмотки 13, а вывод 20 соединен со средней точкой 15 обмотки 11, причем незадействованные средние точки 16 и 18 обмоток 12 и 14 соединены между собой.

Принцип работы устройства (Фиг.1) иллюстрируется волновыми (Фиг.2) и векторными (Фиг.3) диаграммами. Из волновых и векторных диаграмм видно, как формируются напряжения на вторичных обмотках

каждого источника фазосдвинутых ЭДС. Относительное число витков полуобмоток определяется по формуле W=sin где - угол пульсации, =1...n - омера обмоток в каждом источнике ФС ЭДС при их счете, начинающемся с обмоток, подключенных выводами к последним вентилям цепочек, n=mq/4, a mq - кратность пульсации. Угол работы каждой из обмоток при =1...(n-1) может быть определен как 4, а для n-ной обмотки он равен (2n-1).

Базовое число витков W_Б, можно определить из соотношения;

W_Б =2(W₁+...+W_n-1)+W _n

Продолжительность проводящего состояния каждого вентиля определяется, как (2"-1), где "=1...n - номер вентиля в каждой цепочке вентилей при их счете от конца цепочек.

Эквивалентные схемы (Фиг.4) раскрывают алгоритмы работы вентилей и вторичных обмоток трансформаторов и поясняют принцип формирования токообразующих ЭДС для интервалов времени, определенных периодом смены фаз ортогональных ЭДС, то есть 90 эл. градусов. Алгоритмы работы полуобмоток источников ФС ЭДС и включения вентилей выпрямителя за каждый интервал времени, соответствующий одной пульсности выпрямленного напряжения, и равный 45-ти эл. градусам, представлены на Фиг.5.

Из расчетных соотношений и алгоритмов (Фиг.5) видно, что обмотка 11 в первом и обмотка 13 во втором источнике ФС ЭДС участвуют в преобразовательном процессе 135 эл. град. за период Т, обмотки 12 и 14-180 эл. град. Относительное число витков равно: для полуобмоток На, б и 13а, б - 1,0; для полуобмоток 12а, б и 14а, б - 0,7071. Суммарное число витков равно W=6,828. С учетом относительных чисел витков полуобмоток можно определить суммарное витковое число вторичных обмоток источников ФС ЭДС W_В2=W/W_Б, показывающее, как и в прототипе, отношение общего суммарного числа витков Wвсех частей

вторичных обмоток к базовому числу витков W_Б, которое равно числу витков с амплитудой напряжения на них, равной амплитуде U _do выходного напряжения в режиме холостого хода устройства. Базовое число витков для данного устройства W _Б= 2,4142. Соответственно, суммарное витковое число будет равно W_В2=2,828.

Из алгоритма включения вентилей, приведенного на Фиг.5 и эквивалентных схем, показанных на Фиг.4, видно, что в любой момент времени протекания тока нагрузки в его цепи включены только два вентиля, что на одну треть сокращает потери электрической энергии в вентильных цепях по сравнению с прототипом, где в любой момент времени ток протекает через три последовательно включенных вентиля.

Таким образом, устройство имеет меньшие потери энергии и более высокий КПД.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. А.с. СССР №1086524. Источник постоянного напряжения с n - кратной частотой пульсации / A.M. Репин - №3. 3440785/24-07; Заявл. 21.05.82, опубл. 1.04.84; Бюл. №14.

2. Свидетельство РФ №27759. Источник постоянного напряжения с 8-кратной частотой пульсации / Ворфоломеев Г.Н., Щуров Н.И., Евдокимов С.А., Мятеж С.В. - Заяв. №2002116514/20; Заявл. 19.06.02; Опубл. 10.02.03; Бюл. №4.

Источник постоянного напряжения с 8-кратной частотой пульсации, содержащий восемь вентилей и два трансформаторных источника переменных ЭДС, сдвинутых по фазе ортогонально друг к другу, каждый источник фазосдвинутых ЭДС имеет по две вторичные обмотки со средними точками, причем выводы обмоток в каждом источнике соединены с двумя собственными цепочками, состоящими из двух последовательно и согласно включенных вентилей, при этом выводы одной из обмоток в каждом источнике фазосдвинутых ЭДС подключены к началам собственных цепочек вентилей, которые имеют одно направление включения по отношению к обмоткам в одном источнике и противоположное направление включения в другом источнике, а каждая пара выводов незадействованных обмоток соединена с парой точек последовательного соединения вентилей собственных цепочек таким образом, что разноименные электроды каждого первого вентиля цепочек соединены с противофазными выводами обмоток, при этом крайние и одноименные электроды последних вентилей цепочек, соединенные попарно, образуют выходные выводы устройства, отличающийся тем, что каждый из выходных выводов дополнительно соединен со средней точкой обмотки, выводы которой связаны с началами вентильных цепочек, образующих противоположный выходной вывод устройства, причем незадействованные средние точки обмоток источников соединены между собой.