Источник постоянного напряжения с 48-кратной частотой пульсации
Источник постоянного напряжения с 48-кратной частотой пульсации предназначен для преобразования переменного напряжения в постоянное для питания тяговых нагрузок электрического транспорта, питания электротехнологических установок и получения высоких напряжений для линий электропередачи постоянного тока. Содержит трансформаторный источник переменных ЭДС 1, первичные обмотки 2, 3, 4 соединены в звезду (в треугольник), вторичные обмотки 6, 7; 9, 10; 15, 16; 18, 19; 21, 22; 24, 25; 27, 28; 30, 31; 33, 34; 36, 37; 39, 40 соединены парами встречно-последовательно и являются источниками ЭДС ортогональны к которым ЭДС обмоток 8; 11; 14; 17; 20; 23; 26; 29; 32; 35; 38, соответственно, и 96 вентилей 41...13 6 образующих двенадцатиступенчатый выпрямитель из двенадцати четырехячейковых вентильных мостов, соединенных последовательно разнополярными выходами, причем каждый мост соединен по переменному входу с парой ортогональных ЭДС, а свободные выходы крайних мостов образуют катодный 137, образованный вентилями 41...44 и анодный 138, образованный вентилями 133...136 выходные выводы устройства, к которым подключена нагрузка 139. Источник постоянного напряжения с 48-кратной частотой пульсации имеет расширенную область применения, так как состоит из трех 16-пульсных выпрямителей.
Полезная модель относится к электротехнике и силовой преобразовательной технике и предназначается для преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение для питания тяговых нагрузок электрического транспорта, электротехнологических установок и получения высоких напряжений для линий электропередачи постоянного тока.
Известен источник постоянного напряжения с m-кратной частотой пульсации (рассматривается m=48) последовательного типа, содержащий восемьдесят один вентиль и восемь симметричных трехфазных источников переменных ЭДС, линейные напряжения которых сдвинуты по фазе на 7,5 эл. град. относительно друг друга [1] и известен также источник с многофазным вентильным мостом и трехфазным трансформатором с вторичной обмоткой, соединенной в треугольник с отпайками [2].
Недостатками этих источников является наличие гальванической связи между частями фаз вторичных обмоток трансформаторов, соединенных в звезды, треугольники, треугольники с отводами, неравносторонние зигзаги, что при высоковольтном исполнении источника требует дополнительных расходов на изоляцию и относительно большие обратные напряжения, прикладываемые к вентильным плечам мостов.
Наиболее близким к полезной модели, принятым за прототип, является источник постоянного напряжения с 48-кратной частотой пульсации [3], содержащий М источников произвольных ЭДС, неуправляемые И-ИЛИ, управляемые вентили, образующие N вентильных ячеек, причем ЭДС и вентили имеют одинаковое направление включения во всех источниках и вентильных ячейках и совместно с
соответствующими линиями образуют ячейки преобразования, объединенные в ступени, содержащие определенное число ячеек преобразования, вентильные ячейки которых соединены между собой параллельно и образуют многоячейковые вентильные мосты, которые соединены между собой последовательно разнополярными выходами, а к свободным выходам первого и последнего многоячейковых вентильных мостов подключена нагрузка, при этом все ступени при числе N равном или не равном М, и равном n X
XИ, объединены в n X звеньев, каждое n-е звено содержит 
X групп с ix ступенями в каждой -й группе, а каждая i-я ступень содержит xi ячеек преобразования, где 
- число ячеек преобразования в n-м звене; 
- число ячеек преобразования в i-й группе любого звена; xi - число ячеек преобразования в i-й ступени -й группы, М, N, n, , i, - целые положительные числа.
Недостатком этого устройства является невозможность трехканального шестнадцатипульсного выпрямления.
Задача полезной модели - создание источника постоянного напряжения с 48-кратной частотой пульсации, обеспечивающего трехканальное шестнадцатипульсное выпрямление.
Указанная задача достигается тем, что источник постоянного напряжения с 48-кратной частотой пульсации, содержит двадцать четыре источника переменных ЭДС, девяносто шесть вентилей, образующих сорок восемь вентильных ячеек, причем ЭДС источников и вентили имеют одинаковое направление включения во всех источниках и вентильных ячейках, и совместно с соединительными линиями образуют шестнадцать ячеек преобразования, при этом ячейки преобразования разделены на двенадцать ступеней, содержащих по две ячейки преобразования, вентильные ячейки которых соединены между собой параллельно и
образуют четырехячейковые вентильные мосты, причем ступени разбиты на три равные части, каждая из четырех последовательно расположенных смежных мостов, при этом мосты каждой части соединены по переменным входам с четырьмя парами источников ЭДС, образующих систему ортогональных ЭДС, сдвинутую на треть периода относительно аналогичных систем ортогональных ЭДС, источники которых соединены со смежными мостами других ступеней, а между собой вентильные мосты соединены последовательно разнополярными выходами, причем к свободным выходам первого и последнего вентильных мостов подключена нагрузка.
На Фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого источника; на Фиг.2 векторная диаграмма, поясняющая формирование токообразующих ЭДС в первых четырех ступенях выпрямителя; на Фиг.3 - волновые диаграммы шестнадцатипульсного выпрямленного напряжения первых четырех ступеней выпрямителя и кривая сорокавосьмипульсного выходного выпрямленного напряжения; на Фиг.4 - алгоритмы работы обмоток и включения вентилей.
Источник постоянного напряжения с 48-кратной частотой пульсации (Фиг.1) содержит трансформаторный источник переменных ЭДС 1 с первичными обмотками 2, 3, 4 соединенными в звезду (в треугольник), вторичными обмотками 6, 7 и 5, образующими источник ортогональных ЭДС, причем обмотки 6, 7 соединены встречно последовательно и другими вторичными обмотками, соединенными в соответствующие пары 9, 10 и 8; 12, 13 и 11; 15, 16 и 14; 18, 19 и 17; 21, 22 и 20; 24, 25 и 23; 27, 28 и 26; 30, 31 и 29; 33, 34 и 32; 36, 37 и 35; 39, 40 и 38, ЭДС которых ортогональны и девяносто шесть вентилей 41...136, образующих двенадцатиступенчатый выпрямитель из двенадцати четырехячейковых вентильных мостов, соединенных последовательно разнополярными выходами в точках, образованных вентилями 45...48 и 49...52; 53...56 и 57...60; 61...64 и 65...68; 69...72 и 73...76; 77...80 и 81...84; 85...88 и 89...92; 93...96 и
97...100; 101...104 и 105...108; 109...112 и 113...116; 117...120 и 121...124; 125...128 и 129...132, причем свободные выходы крайних мостов образуют катодный 137, образованный вентилями 41...44 и анодный 138, образованный вентилями 133...136 выходные выводы устройства, к которым подключена нагрузка 139, при этом к вентильным ячейкам из вентилей 41, 45 и 42, 46 присоединяются выводы обмотки 5, а к вентильным ячейкам из вентилей 43, 47 и 44, 48 присоединяются общие выводы обмоток 6, 7, образуя одну ступень преобразования; к вентильным ячейкам из вентилей 49, 53 и 50, 54 присоединяются выводы обмотки 8, а к вентильным ячейкам из вентилей 51, 55 и 52, 56 присоединяются общие выводы обмоток 9, 10, образуя вторую ступень преобразования; к вентильным ячейкам из вентилей 57, 61 и 58, 62 присоединяются выводы обмотки 11, а к вентильным ячейкам из вентилей 59, 63 и 60, 64 присоединяются общие выводы обмоток 12, 13, образуя третью ступень преобразования; к вентильным ячейкам из вентилей 65, 69 и 66, 70 присоединяются выводы обмотки 14, а к вентильным ячейкам из вентилей 67, 71 и 68, 72 присоединяются общие выводы обмоток 15, 16, образуя четвертую ступень преобразования; к вентильным ячейкам из вентилей 73, 77 и 74, 78 присоединяются выводы обмотки 17, а к вентильным ячейкам из вентилей 75, 79 и 76, 80 присоединяются общие выводы обмоток 18, 19, образуя пятую ступень преобразования; к вентильным ячейкам из вентилей 81, 85 и 82, 86 присоединяются выводы обмотки 20, а к вентильным ячейкам из вентилей 83, 87 и 84, 88 присоединяются общие выводы обмоток 21, 22, образуя шестую ступень преобразования; к вентильным ячейкам из вентилей 89, 93 и 90, 94 присоединяются выводы обмотки 23, а к вентильным ячейкам из вентилей 91, 95 и 92, 96 присоединяются общие выводы обмоток 24, 25, образуя седьмую ступень преобразования; к вентильным ячейкам из вентилей 97, 101 и 98, 102 присоединяются выводы обмотки 26, а к вентильным ячейкам из вентилей 99, 103 и 100, 104 присоединяются общие выводы обмоток 27, 28, образуя
восьмую ступень преобразования; к вентильным ячейкам из вентилей 105, 109 и 106, 110 присоединяются выводы обмотки 29, а к вентильным ячейкам из вентилей 107, 111 и 108, 112 присоединяются общие выводы обмоток 30, 31, образуя девятую ступень преобразования; к вентильным ячейкам из вентилей 113, 117 и 114, 118 присоединяются выводы обмотки 32, а к вентильным ячейкам из вентилей 115, 119 и 116, 120 присоединяются общие выводы обмоток 33, 34, образуя десятую ступень преобразования; к вентильным ячейкам из вентилей 121, 125 и 122, 126 присоединяются выводы обмотки 35, а к вентильным ячейкам из вентилей 123, 127 и 124, 128 присоединяются общие выводы обмоток 36, 37, образуя одиннадцатую ступень преобразования; к вентильным ячейкам из вентилей 129, 133 и 130, 134 присоединяются выводы обмотки 38, а к вентильным ячейкам из вентилей 131, 135 и 132, 136 присоединяются общие выводы обмоток 39, 40, образуя двенадцатую ступень преобразования.
Принцип работы устройства (Фиг.1) иллюстрируется векторной (Фиг.2) и волновой (Фиг.3) диаграммами и алгоритмами работы обмоток и включение вентилей (Фиг.4). Относительные числа витков обмоток, обеспечивающие формирование ортогональных ЭДС, приняты равными для обмоток 5, 17, 29 - «0,199»; для обмоток 6, 7, 18, 19, 30, 31 - «0,577»; для обмоток 8, 20, 32 - «0,567»; для обмоток 9, 10, 21, 22, 33, 34 - «0,489»; для обмоток 11, 23, 35 - «0,848»; для обмоток 12, 13, 24, 25, 36, 37 - «0,327»; для обмоток 14, 26, 38 - «1,0»; для обмоток 15, 16, 27, 28, 39, 40 - «0,115». На выходе каждой из трех частей выпрямителя формируются кривые выпрямленного напряжения с 16-кратной частотой пульсации, фрагмент такого преобразования показан в векторном виде на Фиг.2, а в волновом варианте - на Фиг.3. Результат последовательного сложения выходных напряжений двенадцати ступеней выпрямителя также приведен на Фиг.3. Видно, что на выходных выводах источника формируется выпрямленное напряжение с 48-кратной частотой пульсации. Алгоритм работы обмоток 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11, 12, 13, 14, 15, 16 (Фиг.4) поясняет порядок
протекания через обмотки тока нагрузки; из него и аналогичных алгоритмов для остальных обмоток следует, что обмотки 5, 15, 16, 17, 27, 28, 29, 39, 40 работают по 45 эл. град., обмотки 6, 7, 14, 18, 19, 26, 30, 31, 38 работают по 315 эл. град., обмотка 8, 12, 13, 20, 24, 25, 32, 36, 37 работает 135 эл. град., обмотки 9, 10, 11, 21, 22, 23, 33, 34, 35 работают 225 эл. градусов. Из алгоритма включения вентилей 41...72 (Фиг.4) и аналогичных алгоритмов для остальных вентилей следует, что вентили 41, 46, 42, 45, 67, 72, 68, 71, 73, 74, 77, 78, 99, 100, 103, 104, 105, 106, 109, 110, 131, 132, 135, 136 проводят ток 22,5 эл. град.; вентили 43, 48, 44, 47, 65, 70, 66, 69, 75, 76, 79, 80, 97, 98, 101, 102, 107, 108, 111, 112, 129, 130, 133, 134 проводят ток 157,5 эл. град.; вентили 49, 54, 50, 53, 59, 64, 60, 63, 81, 82, 85, 86, 91, 92, 95, 96, 113, 114, 117, 118, 123, 124, 127, 128, проводят ток 67,5 эл. град., вентили 58, 61, 57, 62, 52, 55, 51, 56, 83, 84, 87, 88, 89, 90, 93, 94, 115, 116, 119, 120, 121, 122, 125, 126 проводят ток 112,5 эл. град за период сетевого напряжения. Обратное напряжение, прикладываемое к плечам мостов, не превышает 0,13 Ud.
Установленная мощность вторичных обмоток трансформатора (Фиг.1) равна 1,186, а коэффициент установленной мощности трансформатора - 1,094.
Таким образом, при использовании ортогональных ЭДС для питания мостов, устройство с 48-кратной частотой пульсации выпрямленного напряжения состоит из трех, последовательно включенных выпрямителей с 16-кратной частотой пульсации, то есть обеспечивает трехканальное 16-пульсное выпрямление.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:
1. А.С. СССР №729777. Преобразователь m-фазного переменного напряжения в постоянное / Ю.В.Потапов - 1966796/24-07; Заявл. 25.10.73; Опубл. 25.04.80; Бюл. №15.
2. А.с. СССР №748728. (54) m-пульсный вентильный преобразователь / А.И.Петляков, Е.М.Глух - 2424508/24-07; Заявл. 29.11.76; Опубл. 15.07.80; Бюл. №26.
3. А.с. СССР №917280. Вентильный преобразователь переменного напряжения в постоянное / А.М.Репин - Заяв. №2938434/24-07; Заявл. 11.06.80; Опубл. 30.03.82; Бюл.№12.
Источник постоянного напряжения с 48-кратной частотой пульсации, содержащий двадцать четыре источника ЭДС, девяносто шесть вентилей, образующих сорок восемь вентильных ячеек, причем ЭДС источников и вентили имеют одинаковое направление включения во всех источниках и вентильных ячейках, и совместно с соединительными линиями образуют шестнадцать ячеек преобразования, отличающийся тем, что ячейки преобразования объединены в двенадцать ступеней, содержащих по две ячейки преобразования, вентильные ячейки которых соединены между собой параллельно и образуют четырехячейковые вентильные мосты, причем ступени разбиты на три равные части, каждая из которых состоит из четырех последовательно расположенных смежных мостов, при этом мосты каждой части соединены по переменным входам с четырьмя парами источников ЭДС, образующих систему ортогональных ЭДС, сдвинутую на треть периода относительно аналогичных систем ортогональных ЭДС, источники которых соединены со смежными мостами других ступеней, а между собой вентильные мосты соединены последовательно разнополярными выходами, причем к свободным выходам первого и последнего вентильных мостов подключена нагрузка.
