Преобразование постоянного тока в переменный. Преобразователь постоянного тока в переменный.

Cтраница 1

Преобразователи переменного тока и преобразователи частоты, при помощи которых переменный ток (одно - или многофазный) преобразуется в ток другой частоты или напряжения.  

Преобразователи переменного тока выпускаются современной электротехнической промышленностью в двух основных конструктивных исполнениях: в виде преобразователей частоты, питающихся от сети переменного трехфазного напряжения, и в виде автономных инверторов напряжения, питающихся от сети постоянного напряжения. Преобразователи частоты включают в себя блок силового выпрямителя, звено постоянного тока и автономный инвертор напряжения. Как правило, преобразователи частоты применяются в системах однодвигательного привода. На базе автономных инверторов напряжения, питающихся от общего блока выпрямления (выпрямления / рекуперации) реализуются экономически эффективные системы многодвигательного привода.  

Преобразователь переменного тока в постоянный, двигатель постоянного тока.  

Преобразователи переменного тока в постоянный по принципу их действия можно разделить на две группы: а) вращающиеся преобразователи, как-то мотор-генераторы и одноякорные умформеры, и Ь) стационарные - ртутные выпрямители.  

Преобразователями переменного тока в постоянный в последние годи почти повсеместно служат малогабаритные, наиболее экономичные кремниевые выпрямители.  

ВЫПРЯМИТЕЛЬ, преобразователь переменного тока в ток одного направления, состоящий из одного или нескольких вентилей.  

Схема мостового цифрового омметра.

Прибор имеет преобразователь переменного тока в постоянный. Имеется выход двоично-десятичного кода.  

Станции представляют собой регулируемый однофазный тиристор-ный преобразователь переменного тока в постоянный ток.  

В качестве преобразователей переменного тока в постоянный применяют ртутные или полупроводниковые вентили. Ртутные вентили бывают обычно игнитронного типа с водяным охлаждением и автоматическим регулированием температуры. Для нормальной работы вентиля температура его стенок должна поддерживаться в пределах 45 - 50 С.  

Остановимся сначала на выпрямительных измерительных преобразователях. Они предназначаются для выпрямления (детектирования) переменного тока, превращая его в пульсирующий ток, среднее значение которого представляет собой выходную величину и может быть пропорционально пиковому (амплитудному), среднеквадратическому или средневыпрямленному значениям входной величины. В соответствии с этим сами преобразователи классифицируются следующим образом: по параметру переменного напряжения U x~ , которому соответствует напряжение выходной цепи детектора: преобразователь пикового значения, преобразователи среднеквадратического и средневыпрямленного значений напряжения; по схеме входа: преобразователи с открытым и закрытым входом по постоянному напряжению; по характеристике преобразования: линейные и квадратичные преобразователи.

Преобразователь пикового значения - это преобразователь, выходное напряжение которого непосредственно соответствует U max или U min (U в или U н). Преобразователь пикового значения относится к линейным, и может иметь открытый (рисунок 2.1, а) или закрытый (рисунок 2.1, б) вход по постоянному напряжению.

Принцип работы преобразователей пикового значения напряжения заключается в заряде конденсатора C через диод V до максимального (пикового) значения U x~ , которое затем запоминается, если постоянная времени разряда конденсатора C (через резистор R) значительно превышает постоянную времени заряда. Полярность включения диода V определяет соответствие выходного напряжения U x= либо U max (U в), либо U min (U н), а возможные пульсации U x= сглаживаются цепочкой R ф, C ф. Если детектор имеет открытый вход, U x= определяется суммой`U и U в (U н), т.е. соответствует U max (U min). При закрытом входе U x= соответствует U в (U н). Если же U x~ не содержит постоянной составляющей, то схемы, изображенные на рис.2.1,а,б, идентичны, а U x= соответствует U m . В некоторых случаях применяют двухполупериодные пиковые детекторы с удвоением напряжения, позволяющие прямо измерять значение размаха напряжения.

Рисунок 2.1 Схемы преобразователя пикового значения напряжения:

а) - с открытым входом; б) - с закрытым входом.

Существенным достоинством преобразователей пикового значения напряжения являются большое входное сопротивление (равное R/2 для схемы на рисунок 2.1, а и R/3 - для схемы на рисунок 2.1, б) и наилучшие по сравнению с другими типами преобразователей частотные свойства.

Преобразователь среднеквадратического значения - это преобразователь переменного напряжения в постоянный ток (напряжение), пропорциональный U 2 ск. Характеристика преобразования в этом случае должна быть квадратичной, а при наличии постоянной составляющей необходим детектор с открытым входом.

Преобразователь среднеквадратического значения позволяет осуществить преобразование в постоянное напряжение среднеквадратического значения переменных напряжений несинусоидальной формы, поскольку

, гдеU 2 - среднеквадратическое значение напряжения несинусоидальной формы, U k - среднеквадратическое значение гармонических составляющих.

В качестве нелинейного элемента преобразователя, имеющего квадратичную вольтамперную характеристику (ВАХ), можно, например, использовать начальный участок ВАХ полупроводникового диода. Однако участок этот имеет очень малую протяженность, а полупроводниковые приборы имеют большой разброс параметров на этом участке характеристики. Поэтому такие преобразователи строятся на основе диодной цепочки. Такая цепочка позволяет получить ВАХ в результате кусочно-линейной аппроксимации параболической кривой. Схема квадратичного преобразователя с диодной цепочкой показана на рисунке 2.2.

Входное напряжение u вх подводится к широкополосному трансформатору Т1. С помощью диодов V1 и V2 во вторичной обмотке осуществляется двухполупериодное выпрямление. Выпрямленное напряжение воздействует на цепь, состоящую из диодной цепочки V1...V8, делителей напряжения R3...R14 и резистора нагрузки R15. Падение напряжения на нагрузке через фильтр нижних ч

астот Z1 подается на выход преобразователя.

Рисунок 2.2 Структурная схема преобразователя

среднеквадратического значения на основе диодной цепочки.

Выходное напряжение пропорционально среднему значению тока диодной цепочки. Диодная цепочка имеет близкую к параболической вольтамперную характеристику. Поэтому среднее значение выходного напряжения оказывается пропорциональным квадрату среднеквадратического значения входного напряжения.

Как получается квадратичная вольтамперная характеристика? Делители напряжения R3 ... R14 подключены к общему стабилизированному источнику напряжения Е. Делители подобраны так, что напряжения смещения U i , подаваемые на диоды, удовлетворяют соотношению U 1 < U 2 < ... < U 6 . Пока входное напряжение цепочки U не достигнет U 1 , все диоды закрыты и начальная часть ВАХ является прямой линией с наклоном, зависящем от сопротивлений резисторов R1, R2 и R15. Когда напряжение U превысит напряжение U 1 , откроется диод V3 и параллельно R2 подключится делитель R3, R4. Крутизна ВАХ на участке от U 1 до U 2 возрастает, ток в цепи станет i  = i o + i 1 . Когда выполнится условие U > U 2 , в цепи преобразователя будет протекать ток i  = i o + i 1 + i 2 . Крутизна ВАХ будет увеличиваться с ростом U. Выбирая соответствующим образом сопротивления делителей, можно получить ВАХ в виде ломанной линии, приближающейся к квадратичной параболе. Таким образом, квадратичная характеристика синтезируется из начальных участков характеристик ряда диодных ячеек.

Коэффициент преобразования такого преобразователя по току К" v = I/U 2 , где I - среднее значение тока на выходе преобразователя, U - среднеквадратическое значение входного напряжения.

В современных приборах применяются в основном квадратичные детекторы с термопреобразователями, аналогичными преобразователям термоэлектрических амперметров. Такой преобразователь представляет собой сочетание одной или нескольких термопар и нагревателя. Основным недостатком их является квадратичный характер функции преобразования. Этот недостаток устраняется применением дифференциальной схемы включения двух (или более) термопреобразователей, как показано на рис унке 2.3.

При подаче на термопреобразователь ТП 1 измеряемого напряжения U x~ выходное напряжение ТП 1 U 1 = k T U 2 ск.

Кроме термопреобразователя ТП 1 , в схеме имеется второй термопреобразователь ТП 2 , включенный встречно с ТП 1 . На ТП 2 подается напряжение обратной связи, поэтому его выходное напряжение U 2 = k T U 2 3 .

Таким образом на входе УПТ имеет место результирующее напряжение

U 1 - U 2 = k T (U 2 ск - U 2 3), (2.1)

чему соответствует

U 3 = k УПТ k T (U 2 ск - U 2 3). (2.2)

Если параметры схемы выбрать так, чтобы

k УПТ k T U 2 3 >>U 3 , (2.3)

т

о тогда окончательно U 3  U ск, т.е. функция преобразования будет равномерной.

Рисунок 2.3 Структурная схема преобразователя

среднеквадратического значения напряжения

Преобразователь средневыпрямленного значения - это преобразователь переменного напряжения в постоянный ток, пропорциональный U св. Вольтамперная характеристка такого преобразователя должна иметь линейный участок в пределах диапазона входных напряжений. Примером подобного преобразователя может служить двухполупериодный полупроводниковый выпрямитель с фильтром нижних частот. Наиболее распространенными являются мостовые схемы (рис. 2.4). В схеме рис. 2.4,а ток через диагональ моста протекает в одном и том же направлении в течение обоих полупериодов переменного напряжения. В положительный полупериод ток протекает по цепи: верхний входной зажим - диод V1 - диагональ моста - диод V4 - нижний входной зажим; в отрицательный: нижний зажим - диод V3 - диагональ моста - диод V2 - верхний входной зажим.

Направление тока соответствует проводящему направлению указанных диодов. Характеристики реальных диодов не имеют строго линейного участка, как это требуется условиями преобразования. Ток, протекающий через диод при положительном значении входного напряжения

, (2.5)

где R v (U) - сопротивление открытого диода, зависящее от приложенного напряжения, R - сопротивление нагрузки.

Начальный участок характеристики близок к квадратичному. Поэтому будет иметь место погрешность, которая будет тем меньше, чем ближе к линейной будет характеристика диода.

Рисунок 2.4 Структурная схема преобразователя

средневыпрямленного значения напряжения.

Для улучшения линейности вольт-амперной характеристики в диагональ моста последовательно с резистором R включают резистор R доб, сопротивление которого намного больше сопротивления открытого диода R v (U).

В этом случае

. (2.6)

Зависимость прямого тока от напряжения будет близка к линейной. Уменьшение чувствительности, обусловленное включением R доб, можно компенсировать введением дополнительного усиления.

Схема, представленная на рисунке 2.4,б, отличается от предыдущей тем, что вместо диодов V3 и V4 включены резисторы R1 и R2. В положительный полупериод напряжения ток протекает через диод V1 и резистор R1. Через резистор R2 в этот полупериод ток не протекает, на его зажимах напряжение равно нулю. В отрицательный полупериод напряжения ток протекает через диод V2 и резистор R2.

Уравнение преобразования для рассмотренных схем можно выразить следующим образом:

Для схемы (рисунок 2.4,а)

U o = К v св U св =

, при R v1 = R v2 = R v3 = R v4 = R v (2.7)

Если R >> R v , то U = U св;

Для схемы (рисунок 2.4,б)

U o = К v св U св =

, при R v1 = R v2 = R v ; R1 = R2 = R, (2.8)

Если R >> R v , то U = U св.

Погрешность преобразования обусловлена, главным образом, нелинейностью вольтамперной характеристики диода и влиянием прямого сопротивления диода на ток, протекающий через выпрямительный мост.

Необходимо, однако, добавить, что линейность характеристики таких детекторов будет тем лучше, чем больше U x~ (при малых U x~ детектор становится квадратичным). Поэтому детекторы средневыпрямленного значения, как правило, применяют в вольтметрах второй модификации .

Преобразователь – это электротехническое устройство, преобразующее электроэнергию одних параметров или в электроэнергию с другими значениями параметров или показателей качества. Параметрами электрической энергии могут являться род тока и напряжения, их частота, число фаз, фаза напряжения.

По степени управляемости преобразователи электрической энергии подразделяются на неуправляемые и управляемые . В управляемых преобразователях выходные переменные: напряжение, ток, частота - могут регулироваться.

По элементной базе преобразователи электроэнергии подразделяются на электромашинные (вращающиеся) и полупроводниковые (статические) . Электромашинные преобразователи реализуются на основе применения электрических машин и в настоящее время находят относительно редкое применение в электроприводах. Полупроводниковые преобразователи могут быть диодными, тиристорными и транзисторными.

По характеру преобразования электроэнергии силовые преобразователи подразделяются на выпрямители, инверторы, преобразователи частоты, регуляторы напряжения переменного и постоянного тока, преобразователи числа фаз напряжения переменного тока.

В современных автоматизированных электроприводах применяются главным образом полупроводниковые тиристорные и транзисторные преобразователи постоянного и переменного тока.

Достоинствами полупроводниковых преобразователей являются широкие функциональные возможности управления процессом преобразования электроэнергии, высокие быстродействие и КПД, большие сроки службы, удобство и простота обслуживания при эксплуатации, широкие возможности по реализации защит, сигнализации, диагностирования и тестирования как самого электрического привода, так и технологического оборудования.

Вместе с тем, для полупроводниковых преобразователей характерны и определенные недостатки. К ним относятся: высокая чувствительность полупроводниковых приборов к перегрузкам по току, напряжению и скорости их изменения, низкая помехозащищенность, искажение синусоидальной формы тока и напряжения сети.

Выпрямителем называется преобразователь напряжения переменного тока в напряжение постоянного (выпрямленного) тока.

Неуправляемые выпрямители не обеспечивают регулирование напряжения на нагрузке и выполняются на полупроводниковых неуправляемых приборах односторонней проводимости - .

Управляемые выпрямители выполняются на управляемых диодах - тиристорах и позволяют регулировать свое выходное напряжение за счет соответствующего управления .

Управляемый выпрямитель

Выпрямители могут быть нереверсивными и реверсивными. Реверсивные выпрямители позволяют изменять полярность выпрямленного напряжения на своей нагрузке, а нереверсивные - нет. По числу фаз питающего входного напряжения переменного тока выпрямители подразделяются на однофазные и трехфазные, а по схеме силовой части - на мостовые и с нулевым выводом.

Называется преобразователь напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока. Эти преобразователи используются в составе преобразователей частоты в случае питания электропривода от сети переменного тока или в виде самостоятельного преобразователя при питании электропривода от источника постоянного напряжения.

В схемах электроприводов наибольшее применение нашли автономные инверторы напряжения и тока, реализуемые на тиристорах или транзисторах.

Автономные инверторы напряжения (АИН) имеют жесткую внешнюю характеристику, представляющую собой зависимость выходного напряжения от тока нагрузки, вследствие чего при изменении тока нагрузки их выходное напряжение практически не изменяется. Тем самым инвертор напряжения по отношению к нагрузке ведет себя как .

Автономные инверторы тока (АИТ) имеют «мягкую» внешнюю характеристику и обладают свойствами источника тока. Тем самым инвертор тока по отношению к нагрузке ведет себя как источник тока.

Преобразователем частоты (ПЧ) называется преобразователь напряжения переменного тока стандартных частоты и напряжения в напряжение переменного тока регулируемой частоты. Полупроводниковые преобразователи частоты подразделяются на две группы: преобразователи частоты с непосредственной связью и преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока.

Преобразователи частоты с непосредственной связью позволяют изменять частоту напряжения на нагрузке только в сторону ее уменьшения по сравнению с частотой напряжения источника питания. Преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока не имеют подобного ограничения и находят более широкое применение в электроприводе.

Промышленный преобразователь частоты для управления электроприводом

Регулятором напряжения переменного тока называется преобразователь напряжения переменного тока стандартных частоты и напряжения в регулируемое напряжение переменного тока той же частоты. Они могут быть одно- и трехфазными и используют в своей силовой части, как правило, однооперационные тиристоры.

Регулятором напряжения постоянного тока называется преобразователь нерегулируемого напряжения источника постоянною тока в регулируемое напряжение на нагрузке. В таких преобразователях используются силовые полупроводниковые управляемые ключи, работающие в импульсном режиме, а регулирование напряжения в них происходит за счет модуляции напряжения источника питания.

Наибольшее распространение получил , при котором изменяется длительность импульсов напряжения при неизменной частоте их следования.

Преобразователь переменного тока в постоянный может найти применение для питания потребителей постоянного тока, в частности, в системах электроснабжения электрифицированных железных дорог. Предложенный преобразователь содержит трехфазный трансформатор (1) с двумя вторичными обмотками, каждая из которых содержит по две обмотки, одну, выполненную по схеме звезды, вторую - по схеме обратной звезды, соединенных нулевыми точками в шестифазную звезду, и двенадцать вентилей (2…13). Числа витков фазных обмоток, составляющих обратные звезды (или звезды), и числа витков фазных обмоток, составляющих звезды (или обратные звезды), находятся в соотношении. Каждый из шести вентилей (3, 5, 7, 9, 11, 13) соединяет пару противофазных выводов фазных обмоток двух шестифазных звезд. В данном случае аноды вентилей (3, 7, 11, 9, 13, 5) подключены соответственно к выводам фаз а, в, с, х, у, z одной шестифазной звезды, а катоды соответственно к выводам фаз х′, у′, z′, а′, в′, с′ второй шестифазной звезды. Группы вентилей (2, 6, 10) и (8, 12, 4) образуют соответственно анодную и катодную вентильные звезды; катоды вентилей анодной звезды соединены соответственно с фазами х, у, z одной шестифазной звезды, а аноды катодной звезды, соответственно, с фазами х′, у′, z′ другой шестифазной звезды. Общие точки анодной и катодной вентильных звезд образуют выходные выводы устройства соответственно (14) и (15), к которым присоединена нагрузка (16). Предложенный преобразователь переменного тока в постоянный обеспечивает технический результат - более высокое качество преобразования. 4 ил.

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может найти применение для питания потребителей постоянного тока, в частности, в системах электроснабжения электрифицированных железных дорог.

Известен преобразователь переменного тока в постоянный, обеспечивающий двенадцатипульсное выпрямленное напряжение, содержащий 12 вентилей, образующих две мостовые схемы и трансформатор, вторичная обмотка которого, поделенная в каждой фазе на три секции, соединена в двухсторонний встречно-встречный неравносторонний зигзаг - трехлучевую звезду (А.с. SU №1282291, МПК Н02М 7/162. Мостовой преобразователь электроэнергии / A.M.Репин. Бюл. №1, 1987).

Данный преобразователь имеет невысокие энергетические показатели, что обусловлено параметрической несимметрией цепей протекания тока нагрузки при формировании смежных пульсаций. Наличие частей обмоток с тремя численными значениями витков этих частей усложняет технологию равномерного размещения частей на стержнях трансформатора, а в ряде случаев приводит к конструктивной несимметрии результирующих напряжений вторичных обмоток, что снижает качество преобразования электроэнергии.

Известен преобразователь переменного тока в постоянный, обеспечивающий двенадцатипульсное выпрямленное напряжение, содержащий трехфазный трансформатор с вторичной обмоткой, части которой образуют правильный замкнутый шестиугольник, к трем, чередующимся через одну, вершинам которого подключены дополнительные обмотки встречно с соответствующей им парой смежных по фазе основных частей и шестиячейковый вентильный мост (А.с. SU №1347133, МПК Н02М 7/08. Мостовой источник постоянного напряжения (его варианты) / A.M.Репин. Бюл. №39, 1987).

Данный преобразователь также подвержен снижению энергетических показателей, обусловленному параметрической несимметрией цепей тока при формирования смежных пульсаций. Кроме того, большое различие количества витков частей обмоток усложняет технологию равномерного размещения их на стержнях трансформатора, а в ряде случаев приводит к конструктивной несимметрии напряжений обмоток, снижающей качество преобразования параметров электроэнергии.

Наиболее близким к изобретению, принятым за прототип, является преобразователь переменного тока в постоянный (Репин A.M. Новые базовые технические решения и классификация вентильных преобразователей энергии // Вопросы радиоэлектроники. Серия ОВР, 1985. - Вып.6. - С.71, рис.10, з), обеспечивающий двенадцатипульсное выпрямление и содержащий двенадцать вентилей, соединенных в два трехфазных вентильных моста, образующих шестифазный вентильный мост из шести вентильных ячеек с двумя последовательно согласно соединенными вентилями в каждой, и трехфазный трансформатор с вторичной обмоткой, выполненной по схеме несимметричной шестифазной звезды, состоящей из симметричных обратных друг другу звезд, соединенных нулевыми точками, с отношением чисел витков фазных обмоток обратных друг другу звезд, равным , входы переменного тока шестифазного вентильного моста, образованные точками соединения вентилей в ячейках, соединены с фазными выводами шестифазной звезды, а выводы постоянного тока шестифазного моста, каждый из которых образован общими точками соединения одноименных электродов двух вентильных звезд (анодных звезд для одного вывода и катодных - для другого) образуют выходные выводы устройства.

Недостатком данного преобразователя является относительно невысокое качество преобразования, снижение которого обусловлено параметрической несимметрией цепей протекания тока нагрузки в смежных циклах образования пульсаций выпрямленного напряжения, приводящей к появлению неканонических гармоник в спектре выпрямленного напряжения.

Задача изобретения - создание преобразователя переменного тока в постоянный, имеющего более высокое качество преобразования.

Указанная задача достигается тем, что в преобразователе переменного тока в постоянный, содержащем двенадцать вентилей, образующих две вентильные группы, каждая из которых содержит по три вентильных ячейки из двух последовательно согласно соединенных вентилей, а одноименные свободные электроды половины вентилей первой вентильной группы и свободные электроды другого наименования, принадлежащие половине вентилей второй группы, соединены, образуя при этом анодную и катодную вентильные звезды, общие точки соединения электродов вентилей в которых образуют выходные выводы устройства, и трехфазный трансформатор с вторичной обмоткой, выполненной по схеме несимметричной шестифазной звезды, состоящей из симметричных обратных друг другу звезд, соединенных нулевыми точками, а отношение чисел витков фазных обмоток обратных друг другу звезд равно , причем каждый вывод фазной обмотки звезды (обратной звезды), имеющей большее число витков, присоединен к незадействованной точке соединения вентилей ячейки, принадлежащей первой вентильной группе, трансформатор преобразователя снабжен дополнительной аналогичной вторичной обмоткой, каждый вывод фазной обмотки звезды (обратной звезды) которой, имеющей большее число витков, соединен с незадействованной точкой соединения вентилей ячейки, принадлежащей второй вентильной группе, причем каждый свободный вывод фазной обмотки, принадлежащей одной шестифазной звезде, соединен со свободным электродом одного из вентилей вентильных групп, второй электрод которого соединен с противофазным данному выводу выводом фазной обмотки, принадлежащей другой шестифазной звезде.

На Фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого преобразователя; на фиг.2 - векторные диаграммы напряжений, представленные в виде амплитудно-фазовых портретов напряжений фазных обмоток, и развернутые векторные диаграммы, поясняющие принцип формирования векторов результирующих напряжений; на фиг.3 - схема работы вторичных обмоток и вентилей преобразователя; на фиг.4 - временные диаграммы выпрямленного напряжения, обратных напряжений и токов вентилей.

Преобразователь (фиг.1) содержит трехфазный трансформатор 1 с двумя вторичными обмотками, каждая из которых содержит по две обмотки, одну, выполненную по схеме звезды, вторую - по схеме обратной звезды, соединенных нулевыми точками в шестифазную звезду, и двенадцать вентилей 2…13. Числа витков фазных обмоток, составляющих обратные звезды, и числа витков фазных обмоток, составляющих звезды, находятся в соотношении . Каждый из шести вентилей 3, 5, 7, 9, 11, 13 соединяет пару противофазных выводов фазных обмоток двух шестифазных звезд. В данном случае аноды вентилей 3, 7, 11, 9, 13, 5 подключены соответственно к выводам фаз а, в, с, х, у, z одной шестифазной звезды, а катоды соответственно к выводам фаз х′, у′, z′, а′, в′, с′ второй шестифазной звезды. Группы вентилей 2, 6, 10 и 8, 12, 4 образуют соответственно анодную и катодную вентильные звезды; катоды вентилей анодной звезды соединены соответственно с фазами х, у, z одной шестифазной звезды, а аноды катодной звезды соответственно с фазами х′, у′, z′ другой шестифазной звезды. Общие точки анодной и катодной вентильных звезд образуют выходные выводы устройства соответственно 14 и 15, к которым присоединена нагрузка 16.

Принцип работы преобразователя (фиг.1) иллюстрируется векторными диаграммами напряжений, представленными в виде амплитудно-фазовых портретов напряжений фазных обмоток (фиг.2, а)), составляющих две несимметричные (по амплитудам фазных напряжений) шестифазные системы напряжений вторичных обмоток, и развернутой на фазовой плоскости совмещенной векторной диаграммой, показывающей принцип формирования результирующих напряжений, представленных векторами S1…S12 (фиг.2, б)). В каждой вторичной обмотке, состоящей из гальванически связанных между собой нулевыми точками прямой и обратной звезд, отношение чисел витков фазных обмоток, составляющих (в данном случае) обратные звезды, к числам витков фазных обмоток, составляющих звезды, равно . При таком соотношении чисел витков обеспечивается равенство результирующих напряжений по амплитуде и фазовых сдвигов между ними в 30 эл. градусов.

Формирование двенадцатипульсного выпрямленного напряжения на нагрузке поясняется векторными диаграммами, которые на фиг.2 совмещены с текущими композициями соединения фазовых портретов напряжений вторичных обмоток. Так, первый вектор результирующего напряжения S1 является суммой коллинеарных векторов фазных напряжений вторичных обмоток фаз х, а, х′ и отстающего на 60 эл. град. вектора фазного напряжения фазы z′ трансформатора. В формировании вектора S12 вместо вектора напряжения фазы z′ участвует опережающий вектор напряжения фазы у′. Таким образом, можно убедиться, что данная и каждая последующая пара векторов результирующих напряжений формируется равными по модулю векторами фазных напряжений. За период формируется двенадцать одинаковых результирующих напряжений, образующих двенадцатифазную систему результирующих выпрямляемых напряжений. Обе шестифазные системы напряжений при этом синфазны друг относительно друга. Как пример, на фиг.2, в) приведен другой, из множества возможных, вариант исполнения вентильных обмоток, основу которого составляет правильный шестигранник.

Схема работы обмоток и вентилей (фиг.3), полученная из анализа диаграмм на фиг.2, б), позволяет определить, что все фазные обмотки, образующие обратные звезды, проводят ток 180 эл. град. за период сетевого напряжения, а обмотки, образующие прямые звезды - 60 эл. град. (без учета коммутации). Вентили анодной и катодной вентильных звезд имеют угол проводимости 120 эл. град. Остальные вентили имеют угол проводимости 60 эл. град. Ток нагрузки в интервале пульсации обтекает три вентиля. Порядок вступления вентилей 2…13 в работу отражен в их нумерации на схеме фиг.1.

Исходя из геометрического построения диаграмм векторов результирующих напряжений (фиг.2) определено максимальное значение выпрямленного напряжения при идеальной коммутации и соответственно его среднее значение. Приняв за относительную единицу (о.е.) амплитуду напряжения на вторичной фазной обмотке, имеющей наибольшее число витков, в соответствии с векторными диаграммами на фиг.2 получено среднее значение выпрямленного напряжения U do =3,308 о.е.

По результатам анализа работы вторичных обмоток (фиг.3) определена мощность вторичных обмоток трансформатора преобразователя, составившая 1,29 P d (P d - мощность нагрузки). Расчетная типовая мощность трансформатора предлагаемого преобразователя равна 1,15 P d , но этот показатель при исполнении обмоток по схеме шестифазной звезды возрастает на 5-6% из-за необходимости компенсации переменного потока намагничивания. Однако при выполнении обмоток по схемам замкнутого типа данный показатель улучшается. Например, при выполнении обмоток по варианту, приведенному на диаграммах Фиг.2,в), типовая мощность трансформатора равна 1,083 Р d , но технология его изготовления усложняется

На Фиг.4, а) показана временная диаграмма выпрямленного напряжения, полученная при схемотехническом моделировании и подтверждающая двенадцатипульсный режим работы преобразователя. Моделирование показало, что при нарушении принятого соотношения между числами витков разновеликих вентильных обмоток более чем на 15%, например, при соотношении

значительного искажения кривой выпрямленного напряжения от канонической формы не происходит. Отсутствие амплитудной несимметрии в пульсациях выпрямленного напряжения в этом случае обусловлено принятой для преобразователя топологией цепей формирования результирующих напряжений (фиг.2). Наблюдается лишь незначительное рассогласование фазовых сдвигов между результирующими напряжениями (максимумами пульсаций). На фиг.4, б) приведены диаграммы кривых тока и обратного напряжения для одного из вентилей катодной группы (вентиль 8), а на фиг.4, в) - аналогичные диаграммы для вентиля группы, соединяющей шестифазные звезды (вентиль 5). При сравнении последних временных диаграмм (или из анализа векторных диаграмм) видно, что максимальные обратные напряжения вентилей анодной и катодной групп составляют 0,524 от среднего значения выпрямленного напряжения, а к остальным вентилям приложено напряжение в 1,0472 раза превышающее среднее значение выпрямленного напряжения.

Весьма существенен тот факт, что, даже с учетом применения разных по площади сечения проводов при выполнении фазных обмоток звезд и обратных звезд, активные сопротивления цепей тока при формировании всех результирующих напряжений равны, а реактивные сопротивления при однотипности размещения обмоток по стержням трансформатора также будут равны (без учета поправки, связанной с применением плоского стержневого магнитопровода). Технологичности выполнения обмоток, лучшему потокосцеплению и минимизации индуктивности рассеяния способствует относительно небольшая разность чисел витков фазных обмоток, принадлежащих звездам и обратным звездам. Все это позволяет уменьшить параметрическую несимметрию и, кроме того, в ряде случаев (при различных мощностях преобразователя и (или) разных уровнях выпрямленного напряжения) появляется возможность более точного выполнения принятого расчетного соотношения между числами витков обмоток при их целочисленном исполнении. Таким образом, качество преобразования улучшается.

Данный преобразователь можно строить на основе двух однотипных трансформаторов, а дополнив его аналогичным преобразователем с первичной обмоткой в трансформаторе, осуществляющей сдвиг линейных напряжений вторичных обмоток в 30 эл. град. относительно линейных напряжений вторичных обмоток исходного трансформатора, можно удвоить кратность частоты пульсаций выпрямленного напряжения.

Таким образом, предлагаемый преобразователь переменного тока в постоянный имеет более высокое качество преобразования, чем прототип.

Преобразователь переменного тока в постоянный, содержащий двенадцать вентилей, образующих две вентильные группы, каждая из которых содержит по три вентильных ячейки из двух последовательно согласно соединенных вентилей, а одноименные свободные электроды половины вентилей первой вентильной группы и свободные электроды другого наименования, принадлежащие половине вентилей второй группы соединены, образуя при этом анодную и катодную вентильные звезды, общие точки соединения электродов вентилей в которых образуют выходные выводы устройства, и трехфазный трансформатор с вторичной обмоткой, выполненной по схеме несимметричной шестифазной звезды, состоящей из симметричных обратных друг другу звезд, соединенных нулевыми точками, а отношение чисел витков фазных обмоток обратных друг другу звезд равно , причем каждый фазный вывод обмотки звезды (обратной звезды), имеющей большее число витков, присоединен к незадействованной точке соединения вентилей ячейки, принадлежащей первой вентильной группе, отличающийся тем, что трансформатор преобразователя снабжен дополнительной аналогичной вторичной обмоткой, каждый вывод фазной обмотки звезды (обратной звезды) которой, имеющей большее число витков, соединен с незадействованной точкой соединения вентилей ячейки, принадлежащей второй вентильной группе, причем каждый свободный вывод фазной обмотки, принадлежащей одной шестифазной звезде, соединен со свободным электродом одного из вентилей вентильных групп, второй электрод которого соединен с противофазным данному выводу выводом фазной обмотки, принадлежащей другой шестифазной звезде.

Изобретение относится к устройству для выработки постоянного напряжения из переменного напряжения с параллельно включенными диодными мостами, преимущественно, для энергопитания железных дорог

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при создании регулируемых электроприводов постоянного тока для станков для повышения их быстродействия, а также на преобразовательных подстанциях для питания электрифицированных железных дорог в электрометаллургической и химической отраслях промышленности для уменьшения величины пульсаций выпрямленного напряжения и уменьшения содержания высших гармонических составляющих в кривой переменного тока

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при создании регулируемых электроприводов постоянного тока, не предъявляющих повышенных требований к быстродействию, а также для питания различных электротехнических установок, не предъявляющих повышенных требований к пульсации выпрямленного напряжения

Область деятельности(техники), к которой относится описываемое изобретение

Ноу-хау разработки, а именно данное изобретение автора относится к энергетике, в частности к преобразовательной технике, предназначенной для преобразования постоянного тока в переменный (инвертирования), в том числе при утяжеленных условиях эксплуатации (вакуумная среда, повышенная температура, радиация и т.п.) и повышенных требованиях к надежности эксплуатации, например, в высокотемпературных космических ядерно-энергетических установках (ЯЭУ).

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Известно множество инверторов общепромышленного и специального исполнения.

Задача инвертирования электроэнергии в настоящее время решается преимущественно так называемыми статическими преобразователями, наиболее эффективными среди которых по КПД и массогабаритным показателям являются полупроводниковые преобразователи , а.с. N584418 (МПК 6 H 02 М, 7/537), заявка Великобритании N1569836 (МПК 6 H 02 М, 1/06).

Аналогом изобретения может быть любой из известных инверторов, например любой из статических полупроводниковых преобразователей, выполняемый по мостовой или дифференциальной схеме однофазного двухполупериодного преобразования .

Все известные инверторы (как статические, так и механические) имеют общий физический недостаток: физика инвертирования в них основана на коммутации (размыкании и замыкании) электрических цепей постоянного тока с заданной частотой теми или иными коммутируемыми или ключевыми элементами (транзисторами, тиристорами, для электрических машин - коллекторами). Причем высокочастотный процесс замыкания и размыкания цепи постоянного тока сопровождается комплексом принципиальных проблем коммутации (искрение, пробой и т.д.), ограничивающих условия и ресурс эксплуатации устройств.

Особенно остро этот недостаток проявляется в утяжеленных условиях эксплуатации. Например, в космическом вакууме с ухудшенными условиями теплосброса, при радиоактивном облучении в ЯЭУ, при которых происходит повышение рабочей температуры и возможны пробои ключевых элементов. Тем самым выявляется второй взаимосвязанный недостаток практически всех известных инверторных установок: они удовлетворительно работают преимущественно при нормальных температурах, а в случае повышения температур имеют ограниченный ресурс эксплуатации. Так, промышленные полупроводники работают до 70-100 o C, промышленные электрические машины - до 200 o C (от класса электроизоляции).

Анализ принципов построения всех электротехнических устройств приводит к следующему выводу. Для того, чтобы избавиться от природного недостатка инверторов, заложенного в их принципе действия, необходимо взамен электрической коммутации цепей искать решение в использовании иного принципа. Например, в коммутации магнитных цепей или просто в магнитной коммутации. В этом случае электрическая цепь, охватывающая магнитную цепь, оказывается неразрывной, постоянно замкнутой на нагрузку, но в этой цепи индуцируется ЭДС или противоЭДС с помощью изменяющегося магнитного потока.

Наиболее близкой к изобретению является конструкция преобразователя постоянного тока в переменный с двигателем постоянного тока и индукторным генератором (, стр.378, фиг.5.1б, в). Заложенная в принципе действия индукторного генератора магнитная коммутация осуществляет индуктирование (наведение) в статоре переменного тока путем использования неоднородности магнитной проницаемости зубцовой зоны ротора (зубец - паз) при возбуждении от катушки постоянного тока или от постоянных магнитов. Однако исчезнувшая коммутация электрических цепей в индукторных генераторах в системе Д-Г перенесена на коллектор первичного двигателя постоянного тока со всеми проблемами коммутации, а общая эффективность связки двух агрегатов оказывается достаточно низкой: произведение КПД двигателя и генератора. В качестве прототипа рассматривается система двигателя-генератора (Д-Г) в целом, так как индукторные генераторы являются генерирующей частью этой системы и не являются по прямому назначению инверторами.

Индукторные генераторы устроены так, что непосредственно в них никакого преобразования постоянного тока в переменный не происходит. В них осуществляется преобразование механической энергии, подведенной электродвигателями постоянного тока, в электрическую переменного тока, а постоянный ток используется для поддержания магнитного потока возбуждения. В ряде случаев катушки возбуждения заменяются постоянными магнитами. Величина генерируемой электроэнергии в индукторных генераторах (с учетом КПД) близка той механической энергии, которая подведена к валу от электродвигателя (паровой или гидравлической турбины), а не к обмотке возбуждения.

В системе Д-Г индукторный генератор не является инвертором также и по той причине, что замеченная в нем коммутация магнитного потока происходит только в рабочем зазоре машины, а исходное (суммарное) магнитное поле и намагничивающая сила обмотки возбуждения остаются постоянными. При этом в соответствии с законом электромагнитной индукции принципиально невозможно преобразовать в переменный ток незначительную часть энергии, которая привнесена постоянным током возбуждения. Более того, от переменной составляющей в цепи возбуждения, если таковая возникает, стремятся избавляться и рассматривают ее источником дополнительных потерь мощности.

Таким образом, прототип обладает двумя недостатками: неспособностью генерировать электроэнергию без подведенной механической энергии, и неспособностью инвертировать при этом энергию постоянного тока в силу постоянства (суммарного) магнитного потока.

Конструктивно прототип состоит из цилиндрической замкнутой магнитной системы, расположенных на ней обмоток возбуждения постоянного тока и однофазной или многофазной обмотки для индуцирования переменного тока, а также вращающего ротора с приводом в виде коллекторного электродвигателя постоянного тока, снабженного средством коммутации магнитного потока (зубцовой зоной) - неоднородной по магнитной проницаемости поверхностью.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение надежности преобразователя постоянного тока в переменный и увеличение его ресурса за счет исключения электрической коммутации цепей. Эта задача достигается тем, что преобразователь постоянного тока в переменный, содержащий магнитопровод с обмоткой постоянного тока и обмоткой переменного тока, а также ротор с неоднородными по магнитной проводимости участками и приводом, реализуется в виде по крайней мере двух магнитопроводов, каждый из которых снабжен обмоткой постоянного тока с общей для них обмоткой переменного тока, при этом первичная обмотка постоянного тока возбуждает в магнитопроводах разнонаправленные магнитные потоки, участки с неоднородными проводимостями ротора расположены между полюсами каждой пары полюсов каждого магнитопровода, а число участков с неоднородными проводимостями при симметричном расположении магнитопроводов по окружности ротора пропорционально величине 2(p+1), где p - число пар полюсов всех магнитопроводов.

Изобретение поясняется чертежами:
фиг.1 - общий вид; фиг.2 - разрез по AA, где:
1,2-магнитопровод;
3,4 - обмотки постоянного тока;
5 - общая обмотка переменного тока;
6 - ротор;
7,8 - неоднородные по проводимости участки ротора;
9 - привод.

Конструкция предлагаемого изобретения (фиг. 1) состоит по крайней мере из двух магнитопроводов (1,2), на каждом из которых расположены обмотки постоянного тока (3,4), общей для магнитопроводов обмотки переменного тока (5), вращающего ротора (6) с неоднородными по магнитной проводимости участками (7,8) и его привода (9).

Принцип действия предлагаемого инвертора основан на использовании коммутации магнитного потока и заключается в следующем. Если в зазорах двух магнитопроводов (1,2) с разнонаправленным магнитным потоком возбуждения от первичных обмоток с инвертируемым постоянным током, запитанных от источника постоянного тока (3,4), вращать ротор (6) с магнитопроводными и немагнитопроводными участками (7,8), в магнитопроводах (1,2) возникнут чередующиеся пульсации магнитного потока и в соответствии с законом электромагнитной индукции в общей (вторичной) обмотке (5) будет наводиться смещенная по фазе переменная ЭДС, а в первичных обмотках (3,4) - противо-ЭДС.

Электрическая коммутация цепей, осуществляемая коллектором первичного двигателя в прототипе, заменена коммутацией магнитной цепи или магнитной коммутацией ротора (6), реализуемого неоднородными по магнитопроводности участками (7,8).

Обмотки постоянного тока (3,4) выполняют не вспомогательную (для возбуждения), а силовую роль - для подвода инвертируемой энергии постоянного тока и одновременного поддержания однонаправленного возбуждения магнитной цепи. С этой целью они располагаются в зоне пульсации магнитного потока и в ней наводится смещенная по фазе переменная составляющая (противо-ЭДС), которая попеременно используется в качестве ключевого-запирающего элемента электрической цепи источника постоянного тока. Перенос (преобразование) части энергии постоянного тока от обмоток постоянного тока осуществляется энергией пульсирующего магнитного потока.

Чередующиеся магнитопроводные и немагнитопроводные участки располагаются на роторе по определенному закону, а именно таким образом, что число участков с неоднородной проводимостью при симметричном расположении магнитопроводов по окружности ротора пропорционально 2(p+1), где p - число пар полюсов всех магнитопроводов. При этом выход магнитопроводного участка из одного магнитопровода сопровождается входом аналогичного участка в другой, обеспечивая за счет прочности и инерции жесткого ротора взаимную компенсацию втягивающего и удерживающего усилий, а следовательно, минимальный, практически нулевой, момент на валу ротора.

Предлагаемая конструкция не требует специально разработанного оборудования и может быть широко использована в установках с повышенными требованиями эксплуатации.

ЛИТЕРАТУРА

1. Источники электропитания на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет. Под ред. С.Д.Додика и Е.И.Гальперина. - M.: Советское радио, 1969, с. 282, рис. V. 16.

2. Авиационные электрические генераторы. А.И.Бертинов. М.: Гос. изд. оборонной промышленности, 1959, (глава 5, с. 377-378).

Формула изобретения

Преобразователь постоянного тока в переменный, содержащий магнитопровод с обмоткой постоянного тока и обмоткой переменного тока, ротор с неоднородными по магнитной проводимости участками, привод, отличающийся тем, что каждый из, по крайней мере, двух магнитопроводов имеет первичную обмотку постоянного тока и общую для них вторичную обмотку переменного тока, при этом первичные обмотки возбуждают в магнитопроводах разнонаправленные магнитные потоки, участки с неоднородными проводимостями ротора расположены между полюсами каждый пары полюсов каждого магнитопровода, а число участков с неоднородными проводимостями при симметричном расположении магнитопроводов по окружности ротора пропорционально величине 2(р+1), где р - число пар полюсов всех магнитопроводов.

Имя изобретателя: Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева"
Имя патентообладателя: Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева" Адрес для переписки: 141070, Московская обл., г. Королев, ул. Ленина 4а, ОАО "РКК "Энергия" им. С.П. Королева", отдел промышленной собственности и инноватики
Почтовый адрес для переписки: 141070, Московская обл., г. Королев, ул. Ленина 4а, ОАО "РКК "Энергия" им. С.П. Королева", отдел промышленной собственности и инноватики
Дата начала отсчета действия патента: 1999.05.11