Источник постоянного напряжения с 12-кратной частотой пульсации

Источник постоянного напряжения с 12-кратной частотой пульсации предназначен для преобразования переменного напряжения в постоянное для питания тяговых нагрузок электрического транспорта и электротехнологических установок на постоянном токе. Содержит источники ортогональных ЭДС 1 и 2, двенадцать вентилей 3...14; источники имеют по три вторичных обмотки 15... 17 и 18... 20, со средними точками 21... 23 и 24... 26, соединенными попарно и взаимоперекрестно: 21-26, 22-25, 23-24; в источнике 1 обмотки 15... 17 соединены выводами с двумя цепочками однонаправленных вентилей 3...5 и 6... 8, а в источнике 2 обмотки 18... 20 соединены с цепочками вентилей 9...11 и 12...14; обмотки 15 и 18 подключены к началам цепочек, имеющих одно направление включения в одном и противоположное в другом источнике. Обмотки 16,17 и 19,20 подключены к цепочкам в точках последовательного соединения вентилей с соблюдением правила противофазности подключения выводов обмоток к электродам вентилей. Выводы обмоток 16, 17 источника 1 присоединены между 3, 4 и 6, 7; 4, 5 и 7, 8 вентилями, соответственно; выводы обмоток 19, 20 источника 2 присоединены между вентилями 9, 10 и 12, 13; 10, 11 и 13, 14, соответственно. Одноименные электроды крайних вентилей цепочек 5, 8 и 11, 14 соединены между собой попарно и образуют выходные выводы устройства, катодный 27 и анодный 28, к которым подключена нагрузка 29. Предложенный источник постоянного напряжения с 12-кратной частотой пульсации обладает меньшими массогабаритными показателями и установленной мощностью за счет снижения числа витков вторичных обмоток и эффективного их использования в выпрямительном процессе.

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

Известен источник постоянного напряжения с 12-кратной частотой пульсации, содержащий В=12 вентилей и два источника переменных ЭДС с отводами, сдвинутых по фазе ортогонально друг к другу и формирующихся на обмотках двух однофазных трансформаторов. Это устройство обладает определенной общностью, позволяя получить ряд частных схемных реализации с соответствующей частотной кратностью пульсаций [1].

Недостатком данного устройства является большое количество отдельных частей вторичных обмоток и большое число их витков, что обуславливает значительные массогабаритные показатели и высокую установленную мощность устройства.

Наиболее близким к полезной модели, принятым за прототип, является источник постоянного напряжения с n-кратной (здесь рассматривается только n=12) частотой пульсации [2], содержащий В=12 вентилей и два источника исходных переменных ЭДС, сдвинутых по фазе ортогонально друг к другу, каждый из двух частей, точки соединения которых образуют средние точки и являются выходными выводами устройства, при этом каждая из этих частей выполнена с одинаковым числом отводов, которое равно V=3, к каждому из попарно взятых отводов одного источника фазосдвинутой (ФС) ЭДС одноименными электродами подключены 12

вентилей, каждая четверка которых образует закрытые мостики. Эти мостики своими входами соединены с парами отводов, упомянутых частей другого источника ФС ЭДС, а все их вентили имеют одинаковое направление включения относительно отводов данной ФС ЭДС. При этом амплитудно-фазовая симметрия токообразующих ЭДС S (=1...12) обеспечивается выполнением всех отводов на топологическом расстоянии от средних точек, равном sin(2k-1) относительно амплитуды выходного напряжения в режиме холостого хода. В этом случае суммарное витковое число w_B, равное 4·cos, составляет W_B=3,86.

Недостатком прототипа являются большие массогабаритные показатели и установленная мощность вторичных обмоток, которые имеют высокое суммарное витковое число W_B=W/W_Б=3,86.

Задача полезной модели -создание источника постоянного напряжения с 12-кратной частотой пульсации, обладающего меньшими массогабаритными показателями и меньшей установленной мощностью за счет снижения общего числа витков вторичных обмоток трансформаторных источников ФС ЭДС.

Указанная задача достигается тем, что источник постоянного напряжения с 12-кратной частотой пульсации содержит два исходных трансформаторных источника переменных ЭДС, сдвинутых по фазе ортогонально друг к другу, и двенадцать вентилей, каждый источник ФС ЭДС имеет по три вторичных обмотки со средними точками, причем выводы обмоток в каждом источнике ФС ЭДС соединены с двумя собственными цепочками, состоящими из трех 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 равноудаленных точек последовательного

соединения вентилей собственных цепочек таким образом, что разноименные электроды каждого из двух первых вентилей цепочек соединены с противофазными выводами обмоток, при этом крайние и одноименные электроды последних вентилей цепочек, соединенные попарно образуют выходные выводы устройства, причем незадействованные средние точки обмоток одного источника ФС ЭДС соединены с незадействованными средними точками другого источника ФС ЭДС взаимоперекрестно, то есть каждая незадействованная средняя точка обмотки, подключенной к ближним от начала вентильных цепочек вентилям соединяется с незадействованной средней точкой обмотки другого источника ФС ЭДС, подключенной к дальним вентилям цепочек.

На Фиг.1 представлена принципиальная схема модели; на Фиг.2 -волновые, а на Фиг.3 - векторные диаграммы, которые вместе с эквивалентными схемами, приведенными на Фиг.4, и алгоритмами работы вторичных обмоток и вентилей, показанными на Фиг.5, поясняют принцип работы модели.

Источник постоянного напряжения с 12-кратной частотой пульсации (Фиг.1) содержит два трансформаторных источника переменной ЭДС 1 и 2 (первичные обмотки трансформаторов на схеме не показаны), сдвинутых по фазе ортогонально друг к другу, и двенадцать вентилей 3...14, оба источника ФС ЭДС имеют по три вторичных обмотки 15... 17 и 18... 20, соответственно, со средними точками 21... 23 и 24... 26, причем в одном источнике ФС ЭДС обмотки 15... 17 соединены своими выводами с двумя собственными цепочками, состоящими из трех последовательно включенных однонаправленных вентилей 3...5и6...8, а в другом источнике ФС ЭДС обмотки 18... 20 соединены своими выводами с двумя собственными цепочками, состоящими из трех последовательно включенных однонаправленных вентилей 9...11 и 12...14, при этом выводы обмотки 15 в первом и 18 во втором источниках ФС ЭДС подключены к началам указанных вентильных цепочек, которые имеют одно направление

включения вентилей в одном и противоположное направление включения вентилей в другом источнике. Две другие обмотки 16, 17 и 19, 20, соответственно, в каждом источнике ФС ЭДС подключены своими выводами к собственным цепочкам вентилей в точках их последовательного соединения. Выводы обмотки 16 присоединены между 3, 4 и 6, 7 вентилями противофазно подключению к вентилям 3, 6 выводов обмотки 15; выводы обмотки 17 присоединены между 4, 5 и 7, 8 вентилями противофазно подключению к вентилям 4, 7 выводов обмотки 16 и, в соответствии с этим правилом противофазности подключений, выводы обмоток другого источника ФС ЭДС 19,20 присоединены между вентилями 9, 10 и 12, 13; 10, 11 и 13, 14. Одноименные электроды крайних вентилей цепочек 5, 8 и 11, 14 соединены между собой попарно и образуют два выходных вывода устройства, катодный 27 и анодный 28, к которым подключена нагрузка 29. Средние точки 21, 22, 23 обмоток первого источника ФС ЭДС соединены, соответственно, со средними точками 26, 25, 24 обмоток второго источника ФС ЭДС попарно и взаимоперекрестно.

Принцип работы устройства (Фиг.1) иллюстрируется волновыми (Фиг.2), векторными (Фиг.3) диаграммами и эквивалентными схемами вторичных цепей (Фиг.4) для интервалов времени, определенных периодом смены фаз ортогональных ЭДС, то есть 90 эл.градусов. Волновые диаграммы и эквивалентные схемы показывают принцип формирования напряжений на вторичных обмотках трансформаторных источников ФС ЭДС при активной нагрузке за четверть периода выпрямительного процесса. На Фиг.5 представлен алгоритм работы всех полуобмоток источников ФС ЭДС и алгоритм включения вентилей за каждый интервал времени, соответствующий одной пульсности выпрямленного напряжения и равный 30 эл.градусов.

Из алгоритмов работы (Фиг.5) видно, что обмотка 17 в первом и обмотка 20 во втором источниках ФС ЭДС участвуют в преобразовательном процессе 300 эл.град. за период выпрямления Т, обмотки 16, 19-

180 эл.град., обмотки 15, 18-60 эл.град., что соответствует соотношению: _к'=(2к'-1)/4, где _к' - суммарный угол прохождения тока нагрузки через к'-ю обмотку за период, причем к'=1...3 - номера обмоток в каждом источнике ФС ЭДС при их счете, начинающемся с обмоток, подключенных выводами к началам вентильных цепочек.

Относительное число витков полуобмоток определяется по формуле Wк=sin к-sin (к-1), где - угол пульсации, а к=1...3 - номера обмоток в каждом источнике ФС ЭДС при их счете, начинающемся с обмоток, подключенных выводами к последним вентилям цепочек. Относительное число витков равно: для полуобмоток 17а, б и 20а, б -1,0; для полуобмоток 16а, б и 19а, б -0,732; для полуобмоток 15а, б и 18а, б - 0,268. Суммарное число витков равно W=8. Продолжительность проводящего состояния каждого вентиля за период можно определить из соотношения _к=-2(к-1), где к=1...3 - номер вентиля в цепочке при счете вентилей с конца цепочки.

С учетом относительных чисел витков полуобмоток, определенных ранее, 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 W всех частей вторичных обмоток к базовому числу витков W_Б, которое равно числу витков с амплитудой напряжения на них, равной амплитуде Udo выходного напряжения в режиме холостого хода устройства. Базовое число витков для данного устройства можно определить на основании волновых диаграмм (Фиг.2) и алгоритма работы обмоток (Фиг.5) или с помощью соотношения W_Б=1/sin (/2) и оно составляет W_Б=3,8637. Соответственно, суммарное витковое число вторичных обмоток в предлагаемом устройстве будет равно W_B2=2,07, что в 1,86 раза меньше суммарного виткового числа в сравниваемом прототипе, равного W_B2=3,86.

Таким образом, уменьшение числа витков вторичных обмоток источников ФС ЭДС и эффективное их использование позволяют улучшить массогабаритные показатели и снизить установленную мощность вторичных обмоток трансформаторов источника постоянного напряжения с 12-кратной частотой пульсации до значения 1,14, что приводит к снижению коэффициента установленной мощности предлагаемого устройства до значения 1,076.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. А.с. СССР №434546. Преобразователь двухфазного напряжения в многофазное/ Г.И.Шапкайц, В.Н.Оранский - Заяв. №1322713/27-7; Заявл. 07.04.69; Опубл. 30.06.74; Бюл. №24.

2. А.с. СССР №1086524. Источник постоянного напряжения с n-кратной частотой пульсации/ А.М.Репин - Заяв. №3440785/24-07; Заявл. 21.05.82; Опубл. 15.04.84; Бюл. №14.

Источник постоянного напряжения с 12-кратной частотой пульсации, содержащий два источника переменных ЭДС, сдвинутых по фазе ортогонально друг к другу, и двенадцать вентилей, отличающийся тем, что каждый источник фазосдвинутых ЭДС имеет по три вторичных обмотки со средними точками, причем выводы обмоток в каждом источнике соединены с двумя собственными цепочками, состоящими из трех последовательно и согласно включенных вентилей, при этом выводы одной из обмоток в каждом источнике подключены к началам собственных цепочек вентилей, которые имеют одно направление включения по отношению к обмоткам в одном и противоположное направление включения в другом источнике фазосдвинутых ЭДС, а каждая пара выводов незадействованных обмоток соединена с парой равноудаленных точек последовательного соединения вентилей собственных цепочек таким образом, что разноименные электроды каждого из двух первых вентилей цепочек соединены с противофазными выводами обмоток, при этом крайние и одноименные электроды последних вентилей цепочек, соединенные попарно, образуют выходные выводы устройства, причем незадействованные средние точки обмоток одного источника соединены с незадействованными средними точками другого источника так, что каждая незадействованная средняя точка обмотки одного источника, подключенной к ближним от начала вентильных цепочек вентилям, соединена с незадействованной средней точкой обмотки другого источника, подключенной к дальним вентилям цепочек.