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 1 и 2 переменных ЭДС, сдвинутых по фазе ортогонально друг к другу, и шестнадцать вентилей 3...18, при этом источники переменных ЭДС имеют по две вторичные обмотки 19,20 и 21,22, соответственно, причем из 12 вентилей сформированы четыре однонаправленные вентильные цепочки из вентилей 3, 5, 7; 4, 6, 8; 9, 11, 13; 10, 12, 14; одноименные электроды крайних вентилей цепочек соединены, образуя катодный 23, и анодный 24 выводы устройства к которым подключена нагрузка 25; к точкам последовательного соединения вентилей первых двух цепочек, равноудаленным от одного из концов цепочек присоединены выводы обмоток 19, 20, а к точкам последовательного соединения вентилей двух других цепочек, равноудаленным от одного из концов цепочек присоединены выводы обмоток 21, 22, при этом из оставшихся 4-х вентилей сформировано вентильное кольцо, состоящее из четырех однонаправленных с вентилями цепочек вентилей, не имеющих между собой соединений разнополярными электродами, причем оба анодных выхода вентильного кольца, образованных вентилями 15, 18 и 16, 17, соединены с парой точек соединения вентилей первой пары вентильных цепочек, два из которых соединены с анодным выходом устройства 24, а оба катодных выхода этого кольца, образованных вентилями 15, 16 и 17, 18, соединены с парой точек соединения вентилей второй пары цепочек, два из которых соединены с катодным выходом устройства 23. Источник постоянного напряжения с 8-кратной частотой пульсации имеет более высокий КПД за счет снижения потерь энергии в вентилях.

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 8-кратной частотой пульсации, содержащий двенадцать вентилей и два источника исходных переменных ЭДС, сдвинутых по фазе ортогонально друг к другу [1].

Недостатком этого источника является большая установленная мощность трансформаторов.

Наиболее близким к полезной модели, принятым за прототип, является источник постоянного напряжения с 8-кратной частотой пульсации [2], содержащий два трансформаторных источника переменных ЭДС, сдвинутых по фазе ортогонально друг к другу, каждый источник фазосдвинутых ЭДС имеет по две вторичных обмотки, при этом устройство содержит шестнадцать вентилей, а каждая вторичная обмотка в каждом источнике фазосдвинутых ЭДС соединена со своим однофазным вентильным мостом, причем мосты в каждом источнике соединены последовательно и точки последовательного соединения мостов связаны между собой, а незадействованные однополярные электроды крайних вентилей мостов соединены попарно и образуют выходные выводы устройства.

Недостатками этого источника являются относительно низкий его КПД из-за потерь энергии в вентилях.

Задача полезной модели - создание источника постоянного напряжения с 8-кратной частотой пульсации с более высоким КПД за счет снижения потерь энергии в вентилях.

Указанная задача достигается тем, что источник постоянного напряжения с 8-кратной частотой пульсации, содержит шестнадцать вентилей и два трансформаторных источника переменных ЭДС, сдвинутых по фазе ортогонально друг к другу, причем каждый источник переменных ЭДС имеет по две вторичные обмотки, а из вентилей устройства сформированы четыре однонаправленные цепочки из трех вентилей каждая и вентильное кольцо из четырех однонаправленных с вентилями цепочек вентилей, соединенных между собой однополярными электродами, при этом вторичные обмотки каждого источника переменных ЭДС, соединены с парой собственных вентильных цепочек, причем каждая вторичная обмотка в каждом источнике фазосдвинутых ЭДС соединена своими выводами с точками последовательного соединения вентилей цепочек, одинаково удаленными от одного из концов цепочек таким образом, что обеспечивается противофазность соединения выводов обмоток к разноименным электродам вентилей цепочек, а одноименные электроды крайних вентилей цепочек соединены, образуя выходные выводы устройства, при этом каждая точка соединения последовательно включенных вентилей одной пары цепочек вентилей, два из которых соединены с одним из выходных выводов устройства, соединена через пару вентилей вентильного кольца с точками соединения вентилей противоположной пары цепочек вентилей, два из которых соединены с другим выходным выводом устройства.

На Фиг.1 приведена схема предлагаемого источника; на Фиг.2 - волновые диаграммы напряжений на вторичных обмотках трансформаторов и кривой выпрямленного напряжения; на Фиг.3 - векторная диаграмма формирования токообразующих ЭДС на комплексной плоскости; на Фиг.4 - эквивалентные схемы, раскрывающие

алгоритмы работы обмоток и включения вентилей в разные моменты периода сетевого напряжения; на Фиг.5 - алгоритмы работы обмоток и включения вентилей.

Источник постоянного напряжения с 8-кратной частотой пульсации (Фиг.1) содержит два трансформаторных источника 1 и 2 переменных ЭДС (первичные обмотки трансформаторов на схеме не показаны), сдвинутых по фазе ортогонально друг к другу, и шестнадцать вентилей 3...18, при этом оба источника переменных ФС ЭДС имеют по две вторичные обмотки 19, 20 и 21, 22, соответственно, причем из 12 вентилей сформированы четыре однонаправленные вентильные цепочки из вентилей 3, 5, 7; 4, 6, 8; 9, 11, 13; 10, 12, 14; одноименные электроды крайних вентилей цепочек соединены, образуя катодный 23, и анодный 24 выводы устройства, к которым подключена нагрузка 25; к точкам последовательного соединения вентилей первых двух цепочек, равноудаленным от одного из концов цепочек, присоединены выводы обмоток 19, 20, а к точкам последовательного соединения вентилей двух других цепочек, равноудаленным от одного из концов цепочек, присоединены выводы обмоток 21, 22, при этом из оставшихся 4-х вентилей сформировано вентильное кольцо, состоящее из четырех однонаправленных с вентилями цепочек вентилей, соединенных однополярными электродами, причем оба анодных выхода вентильного кольца, образованных вентилями 15, 18 и 16, 17, соединены с парой точек соединения вентилей первой пары вентильных цепочек, два из которых соединены с анодным выходом устройства 24, а оба катодных выхода этого кольца, образованных вентилями 15, 16 и 17, 18, соединены с парой точек соединения вентилей второй пары цепочек, два из которых соединены с катодным выходом устройства 23.

Принцип работы устройства (Фиг.1) иллюстрируется волновыми (Фиг.2) и векторными (Фиг.3) диаграммами, эквивалентными схемами (Фиг.4) и алгоритмами работы обмоток и включения вентилей (Фиг.5). Из

волновых и векторных диаграмм видно, как формируются напряжения на вторичных обмотках каждого источника ФС ЭДС. Относительные числа витков обмоток, обеспечивающие 8-кратную частоту пульсации выпрямленного напряжения, приняты равными для обмоток 20 и 21: - «1,0», для обмоток 19 и 22 - «0,4142».

Продолжительность проводящего состояния вентилей цепочек, соединенных с обмотками 20, 21 равна 135 эл. град.; для остальных вентилей - 45 эл. градусов. Продолжительность проводящего состояния обмоток 20, 21 равна 270 эл. град., а обмоток 19, 22-90 эл. градусов.

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 обмоток источников ФС ЭДС и включения вентилей выпрямителя за каждый интервал времени, соответствующий одной пульсации выпрямленного напряжения и равный 45 эл. град., представлены на Фиг.5.

Суммарное число витков вторичных обмоток равно W=2,8284. С учетом относительных чисел витков обмоток можно определить суммарное витковое число вторичных обмоток источников ФС ЭДС W_B2=W/W_Б, показывающее, как и в прототипе, отношение общего суммарного числа витков W всех частей вторичных обмоток к базовому числу витков we, которое равно числу витков с амплитудой напряжения на них, равной амплитуде выходного напряжения u_do в режиме холостого хода источника. Базовое число витков для данного устройства W_Б=1,4142. Соответственно, суммарное витковое число будет равно W_В2 =2.

Установленная мощность вторичных обмоток трансформаторов равна 1,1012. Коэффициент установленной мощности трансформаторов устройства равен 1,067 (при соединении первичных обмоток трансформаторов по схеме Скотта - 1,103)

Таким образом, предлагаемый источник имеет такие же установленные мощности, как и прототип, но более высокий КПД за счет снижения потерь энергии в вентилях на 25%, обусловленного меньшим числом вентилей в цепи постоянного тока.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Свидетельство на полезную модель 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.

2. Патент РФ №39985. Источник постоянного напряжения с 8-кратной частотой пульсации / Евдокимов С.А., Ворфоломеев Г.Н., Щуров Н.И., Малоземов Б.В. - Заяв. №2004106948/20; Заявл. 09.03.04; Опубл. 20.08.04; Бюл.№23.

Источник постоянного напряжения с 8-кратной частотой пульсации, содержащий шестнадцать вентилей и два трансформаторных источника переменных ЭДС, сдвинутых по фазе ортогонально друг к другу, причем каждый источник переменных ЭДС имеет по две вторичные обмотки, отличающийся тем, что из вентилей устройства сформированы четыре однонаправленные цепочки из трех вентилей каждая и вентильное кольцо из четырех однонаправленных с вентилями цепочек вентилей, соединенных между собой однополярными электродами, при этом вторичные обмотки каждого источника переменных ЭДС, соединены с парой собственных вентильных цепочек, причем каждая вторичная обмотка в каждом источнике фазосдвинутых ЭДС соединена своими выводами с точками последовательного соединения вентилей цепочек, одинаково удаленными от одного из концов цепочек, таким образом, что обеспечивается противофазность соединения выводов обмоток к разноименным электродам вентилей цепочек, а одноименные электроды крайних вентилей цепочек соединены, образуя выходные выводы устройства, при этом каждая точка соединения последовательно включенных вентилей одной пары цепочек вентилей, два из которых соединены с одним из выходных выводов устройства, соединена через пару вентилей вентильного кольца с точками соединения вентилей противоположной пары цепочек вентилей, два из которых соединены с другим выходным выводом устройства.