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 2 трансформаторных источника 1 и 2 переменных ЭДС, сдвинутых по фазе ортогонально друг к другу, и 24 вентиля 3...26, при этом оба источника переменных ЭДС имеют по 3 вторичные обмотки 27...29 и 30...32, соответственно, причем из 12 вентилей сформированы 4 однонаправленные вентильные цепочки из вентилей 3, 5, 7, 9; 4, 6, 8, 10; 11, 13, 15, 17; 12, 14, 16, 18; одноименные электроды крайних вентилей соединены, образуя катодный 33, и анодный 34 выводы устройства к нагрузке 35; к равноудаленным точкам соединения вентилей первых двух цепочек присоединены выводы обмоток 27, 28, 29, а к равноудаленным точкам соединения вентилей двух других цепочек присоединены выводы обмоток 30, 31, 32; из 8-ми вентилей сформированы 2 четырехвентильных кольца, причем анодные выходы одного кольца, образованные вентилями 19, 22 и 20, 21, соединены с парой точек соединения средних вентилей первой пары цепочек, а катодные выходы этого кольца, образованных вентилями 19, 20 и 21, 22, соединены с парой точек соединения вентилей второй пары цепочек, два из которых образуют катодным выход 33; катодные выходы другого кольца, образованные вентилями 23, 24 и 25, 26, соединены с парой точек соединения средних вентилей второй пары цепочек, а анодные выходы этого кольца, образованные вентилями 23, 26 и 24, 25, соединены с парой точек соединения вентилей второй пары цепочек, два из которых образуют анодный выход 34.

Источник постоянного напряжения с 12 - 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 12-кратной частотой пульсации, содержащий два источника переменных ЭДС, сдвинутых по фазе ортогонально друг к другу, и двенадцать вентилей, причем каждый источник фазосдвинутых (ФС) ЭДС имеет по три вторичных обмотки со средними точками, при этом выводы обмоток в каждом источнике ФС ЭДС соединены с двумя собственными цепочками, состоящими из трех последовательно и согласно включенных вентилей [1].

Недостатком этого источника является большая установленная мощность трансформаторов.

Наиболее близким к полезной модели, принятым за прототип, является источник постоянного напряжения с 12-кратной частотой пульсации [2], содержащий два трансформаторных источника переменных ЭДС, сдвинутых по фазе ортогонально друг к другу и двадцать четыре вентиля, образующих шесть однофазных вентильных мостов, каждый источник фазосдвинутых ЭДС имеет по три вторичных обмотки, причем каждая вторичная обмотка в каждом источнике фазосдвинутых ЭДС соединена со своим однофазным вентильным мостом, при этом мосты в каждом источнике соединены последовательно, а незадействованные однополярные электроды крайних вентилей мостов соединены попарно и образуют выходные выводы устройства, при этом точки

последовательного соединения мостов, равноудаленные от выходных выводов, соединены между собой.

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

Задача полезной модели - создание источника постоянного напряжения с 12-кратной частотой пульсации с более высоким КПД, за счет снижения потерь энергии в вентилях.

Указанная задача достигается тем, что источник постоянного напряжения с 12-кратной частотой пульсации, содержит двадцать четыре вентиля и два трансформаторных источника переменных ЭДС, сдвинутых по фазе ортогонально друг к другу, причем каждый источник переменных ЭДС имеет по три вторичные обмотки, а из вентилей устройства сформированы четыре однонаправленные цепочки из четырех вентилей каждая и два вентильных кольца, каждое из четырех однонаправленных с вентилями цепочек вентилей, соединенных между собой одноименными электродами, при этом вторичные обмотки каждого источника переменных ЭДС, соединены с двумя собственными вентильными цепочками, причем каждая вторичная обмотка в каждом источнике фазосдвинутых ЭДС соединена своими выводами с точками последовательного соединения вентилей цепочек, одинаково удаленными от концов цепочек, таким образом, что обеспечивается противофазность подключения выводов обмоток к разноименным электродам каждого из средних вентилей цепочек, а одноименные электроды крайних вентилей цепочек соединены, образуя выходные выводы устройства, при этом каждая точка соединения средних вентилей одной пары цепочек соединена парой однонаправленных вентилей одного вентильного кольца с ближней к одному из выходных выводов парой точек соединения вентилей другой пары цепочек, а каждая точка соединения средних вентилей другой пары цепочек соединена парой однонаправленных вентилей второго вентильного кольца с ближней ко

второму выходному выводу парой точек соединения вентилей первой пары цепочек.

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 12-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 двадцать четыре вентиля 3...26, при этом оба источника переменных ФС ЭДС имеют по три вторичных обмотки 27...29 и 30...32, соответственно, причем из 16 вентилей сформированы четыре однонаправленные вентильные цепочки из вентилей 3, 5, 7, 9; 4, 6, 8, 10; 11, 13, 15, 17; 12, 14, 16, 18; одноименные электроды крайних вентилей цепочек соединены, образуя катодный 33, и анодный 34 выводы устройства к которым подключена нагрузка 35; к точкам последовательного соединения вентилей первых двух цепочек, равноудаленным от концов цепочек присоединены выводы обмоток 27, 28, 29, а к точкам последовательного соединения вентилей двух других цепочек, равноудаленным от концов цепочек, присоединены выводы обмоток 30, 31, 32, при этом из оставшихся 8 вентилей сформированы 2 вентильных кольца, каждое из четырех однонаправленных с вентилями цепочек вентилей, соединенных между собой однополярными электродами, причем оба анодных выхода одного вентильного кольца, образованных вентилями 19, 22 и 20, 21, соединены с парой точек соединения средних вентилей первой пары вентильных цепочек, а оба

катодных выхода этого кольца, образованных вентилями 19, 20 и 21, 22, соединены с парой точек соединения вентилей второй пары цепочек, два из которых соединены с катодным выходом 33, при этом оба катодных выхода другого вентильного кольца, образованных вентилями 23, 24 и 25, 26, соединены с парой точек соединения средних вентилей второй пары вентильных цепочек, а оба анодных выхода этого кольца, образованных вентилями 23, 26 и 24, 25, соединены с парой точек соединения вентилей второй пары цепочек, два из которых соединены с анодным выходом 34.

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 12 - кратную частоту пульсации выпрямленного напряжения, приняты равными для обмоток 29 и 30: -«1,0», для обмоток 28 и 31 - «0,732», для обмоток 27 и 32 - «0,268».

Продолжительность проводящего состояния вентилей цепочек, соединенных с обмотками 27, 32, равна 30 эл.град., причем ток по этим обмоткам проходит в течение 60 эл.град., продолжительность проводящего состояния вентилей цепочек, соединенных с обмотками 29, 30 равна 90 эл.град. для внутренних вентилей и 150 эл.град. для вентилей анодной и катодной групп, причем ток по этим обмоткам проходит в течение 300 эл.град., продолжительность проводящего состояния вентилей вентильных колец равна 30 эл.град., а обмотки 28, 31 проводят ток 180 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 30 эл. град., представлены на Фиг.5.

Суммарное число витков вторичных обмоток равно W=4,0. 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 w_б, 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=2,0. Соответственно, суммарное витковое число будет равно W_B2 =2.

Установленная мощность вторичных обмоток трансформаторов равна 1,1013, как у прототипа. Коэффициент установленной мощности трансформаторов устройства равен 1,056 (при соединении первичных обмоток трансформаторов по схеме Скотта - 1,095)

Таким образом, предлагаемый источник имеет более высокий КПД за счет снижения потерь энергии в вентилях на 33,33% по сравнению с прототипом из-за меньшего числа вентилей в цепи постоянного тока.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Патент РФ №39984. Источник постоянного напряжения с 12-кратной частотой пульсации / Евдокимов С.А., Ворфоломеев Г.Н., Щуров Н.И., Мятеж С.В., Малоземов Б.В. - Заяв. №2004104860/22; Заявл. 19.02.04; Опубл. 20.08.04; Бюл.№23.

2. Патент РФ №41208. Источник постоянного напряжения с 12-кратной частотой пульсации / Евдокимов С.А., Ворфоломеев Г.Н., Щуров Н.И. -Заяв. №2004112388/20; Заявл. 26.04.04; Опубл. 10.10.04; Бюл. №28.

Источник постоянного напряжения с 12-кратной частотой пульсации, содержащий двадцать четыре вентиля и два трансформаторных источника переменных ЭДС, сдвинутых по фазе ортогонально друг к другу, причем каждый источник переменных ЭДС имеет по три вторичные обмотки, отличающийся тем, что из вентилей устройства сформированы четыре однонаправленные цепочки из четырех вентилей каждая и два вентильных кольца, каждое из четырех однонаправленных с вентилями цепочек вентилей, соединенных между собой одноименными электродами, при этом вторичные обмотки каждого источника переменных ЭДС, соединены с двумя собственными вентильными цепочками, причем каждая вторичная обмотка в каждом источнике фазосдвинутых ЭДС соединена своими выводами с точками последовательного соединения вентилей цепочек, одинаково удаленными от концов цепочек, таким образом, что обеспечивается противофазность подключения выводов обмоток к разноименным электродам каждого из средних вентилей цепочек, а одноименные электроды крайних вентилей цепочек соединены, образуя выходные выводы устройства, при этом каждая точка соединения средних вентилей одной пары цепочек соединена парой однонаправленных вентилей одного вентильного кольца с ближней к одному из выходных выводов парой точек соединения вентилей другой пары цепочек, а каждая точка соединения средних вентилей другой пары цепочек соединена парой однонаправленных вентилей второго вентильного кольца с ближней ко второму выходному выводу парой точек соединения вентилей первой пары цепочек.