способ преобразования трехфазного переменного напряжения в постоянное и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ преобразования трехфазного переменного напряжения в постоянное напряжение путем выпрямления основного и дополнительного напряжений, суммирования полученных в результате выпрямления напряжений и последующей фильтрации результирующего напряжения, отличающийся тем, что фазное напряжение одной из фаз сети преобразуют в два отличных по амплитуде в 2 - 2,5 раза импульсных знакопеременных напряжения с огибающей фазного напряжения и частотой, в пять или более раз большей и кратной нечетному числу частоты сетевого напряжения, вместе с тем линейное напряжение двух других фаз преобразуют в два отличных по амплитуде огибающей в 2 - 2,5 раза импульсных знакопеременных напряжения такой же повышенной частоты с огибающей линейного напряжения, при этом амплитуды огибающих полученных четырех напряжений попарно равны, а импульсную модуляцию фазного и линейного напряжений производят синфазно, основное напряжение получают путем суммирования двух полученных импульсных знакопеременных напряжений с большими амплитудами огибающих, а дополнительное - путем вычитания из одного полученного импульсного знакопеременного напряжения с меньшей амплитудой огибающей другого полученного напряжения с такой же амплитудой огибающей. 2. Устройство для преобразования трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащее преобразующие ячейки, каждая из которых включает в себя однофазный инверторный мост, выполненный на управляемых ключах с двусторонней проводимостью и подключенный выходом к первичной обмотке трансформатора, силовые входы однофазных инверторных мостов образуют две пары силовых входных выводов, одна из которых предназначена для подключения на линейное напряжение двух фаз сети, а вторая пара - для подключения на напряжение третьей фазы сети, трансформаторы выполнены с отношением коэффициентов трансформации 1 : 3, основные вторичные обмотки трансформаторов соединены согласно последовательно, блок управления ключевыми элементами преобразующих ячеек, отличающееся тем, что каждый трансформатор содержит дополнительную вторичную обмотку, введены два последовательно соединенные по постоянному току однофазных мостовых выпрямителя, причем выводы последовательно соединенных основных вторичных обмоток трансформаторов подключены к входу первого выпрямителя, дополнительные вторичные обмотки трансформаторов соединены встречно последовательно и подключены к входу второго выпрямителя, выходной сглаживающий LC-фильтр, подключенный входом к выходу последовательно соединенных выпрямителей, а выходом соединенный с выходным выводом устройства для подключения нагрузки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при построении преобразователей трехфазного переменного напряжения в постоянное напряжение различного назначения.

Известен способ преобразования переменного трехфазного напряжения в постоянное напряжение путем выпрямления сетевого напряжения и его последующей фильтрации [1] .

К его недостаткам следует отнести несинусоидальность тока, потребляемого от входного источника в устройствах, реализующих способ, и наличие достаточно большого угла сдвига между основной гармоникой первичного тока и напряжения в каждой фазе, что приводит к увеличению полной мощности, потребляемой устройством из сети.

Известен способ преобразования переменного напряжения в постоянное, заключающийся в том, что переменное напряжение выпрямляют, затем преобразуют в напряжение повышенной частоты, из которого формируют ступенчато-прямоугольное напряжение, мгновенное значение которого равно разности между напряжением постоянного тока, равном амплитудному значению выпрямленного напряжения, и самим выпрямленным напряжением, а затем суммируют это напряжение с выпрямленным [2] .

Несмотря на улучшение формы тока, потребляемого от питающей сети в устройстве, реализующем этот способ, в спектре такого тока присутствуют высшие гармонические составляющие достаточно большой амплитуды, кратные частоте сетевого напряжения. Кроме того, устройство, реализующее такой способ, имеет низкие массогабаритные показатели из-за достаточно сложной реализации в силовой преобразовательной технике процесса получения ступенчато-прямоугольного напряжения требуемой формы (особенно при повышении частоты преобразования). При реализации такого способа принципиально невозможно получение различных номиналов выходного напряжения без использования сетевого низкочастотного трансформатора; отсутствует гальваническая развязка выходного напряжения с питающей сетью.

Наиболее близким к предлагаемому является способ преобразования трехфазного напряжения в постоянное напряжение, состоящий в том, что сетевое трехфазное напряжение преобразуют в пульсирующее постоянное напряжение с числом пульсаций n = 6 за период путем его выпрямления, кроме того, осуществляют сдвиг каждой из фаз сетевого напряжения на 30^о, преобразование новой трехфазной системы напряжений в пульсирующее постоянное напряжение с числом пульсаций n = 6 за период, затем полученные пульсирующие напряжения суммируют и фильтруют. Известен способ позволяет снизить амплитуду пульсаций в кривой выпрямленного напряжения и уменьшить содержание высших гармоник в кривой тока, потребляемого от питающей сети [3] .

Однако, устройство, реализующее такой способ, должно содержать по крайней мере один сетевой низкочастотный трансформатор, обеспечивающий требуемый сдвиг фаз и амплитуду трехфазного напряжения, поступающего на один из выпрямителей. Это приводит к низким массогабаритным показателям такого устройства. Кроме того, в кривой результирующего тока, потребляемого от каждой фазы, содержатся гармоники высоких порядков (11-, 13-, 23-, 25-я и т. д. ) сравнительно большой амплитуды.

Цель изобретения - улучшение формы кривой тока, потребляемого от каждой фазы, для уменьшения потребляемых реактивной мощности и мощности искажений и улучшения массогабаритных показателей устройства, реализующего способ.

Это достигается тем, что фазное напряжение одной из фаз трехфазной сети преобразуют в два отличающихся друг от друга по амплитуде огибающей в 2-2,5 раза импульсных знакопеременных напряжения повышенной частоты, равной частоте в пять или более раз большей частоты сетевого напряжения и кратной нечетному числу частоты сетевого напряжения, с огибающей фазного напряжения, одновременно с этим линейное напряжение двух других фаз, сдвинутое по фазе относительно фазного напряжения на 90^о, преобразуют в два отличающихся друг от друга по амплитуде огибающей в 2-2,5 раза импульсных знакопеременных напряжений такой же повышенной частоты с огибающей линейного напряжения, причем преобразование осуществляется таким образом, что амплитуды огибающих полученных четырех напряжений попарно равны, а высокочастотная модуляция фазного и линейного напряжений производится синфазно, затем осуществляют суммирование двух полученных напряжений с большими амплитудами огибающих и выпрямление результирующего напряжения, вместе с тем производят вычитание из одного полученного напряжения с меньшей амплитудой огибающей другого полученного напряжения с такой же амплитудой огибающей, выпрямление результирующего напряжения, а полученные выпрямленные напряжения суммируют и фильтруют.

Новыми существенными признаками изобретения по сравнению с известными способами являются: формирование основного импульсного знакопеременного напряжения путем суммирования импульсных знакопеременных напряжений с равными по амплитуде огибающими фазного и линейного напряжений; формирование дополнительного импульсного знакопеременного напряжения путем вычитания из импульсного знакопеременного напряжения с огибающей фазного напряжения импульсного знакопеременного напряжения с огибающей линейного напряжения (амплитуды огибающих этих напряжений также равны и в 2-2,5 раза меньше амплитуд огибающих импульсных знакопеременных напряжений, из которых формируют основное напряжение); суммирование модулей основного и дополнительного напряжений.

Технический результат, который может быть получен при реализации изобретения, выражается в уменьшении реактивной мощности и мощности искажений за счет улучшения формы тока, потребляемого из сети, и в улучшении массогабаритных показателей устройства, реализующего предлагаемый способ.

На фиг. 1 представлена совокупность операций, составляющих существо предлагаемого способа; на фиг. 2 - электрическая схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Фазное напряжение U_а преобразуют в импульсные знакопеременные напряжения U_м1.1 и U_м1.2, отличающиеся по амплитуде огибающей в 2-2,5 раза. Линейное напряжение U_вс преобразуют в импульсные знакопеременные напряжения U_м2.1 и U_м2.2, также отличающиеся по амплитуде огибающей в 2-2,5 раза. Амплитуды огибающих напряжений U_м1.1 и U_м2.1, а также напряжений U_м1.2 и U_м2.2 равны между собой. Далее осуществляют суммирование напряжений U_м1.1 и U_м2.1. Результирующее напряжение U₁ получается после выпрямления полученного суммарного напряжения. Кроме того, производят вычитание из напряжения U_м1.2 напряжения U_м2.2. После выпрямления полученного напряжения формируется напряжение U₂. Затем суммируют U₁ и U₂ и получают результирующее напряжение U₃, которое фильтруют и подают в нагрузку. В спектре напряжения U₃ содержатся составляющие на частотах 4f_с, 8f_с, 12f_c и т. д. достаточно малой амплитуды. Гармоника на частоте 4f_с имеет амплитуду в 4 раза меньшую амплитуды основной гармоники частоты 8f_c. Коэффициент пульсаций напряжения U₃ по основной гармонике составляет не более 4% . Поэтому потребные значения реактивностей выходного сглаживающего фильтра и его массогабаритные показатели будут малы.

Наиболее близким к устройству, реализующему предлагаемый способ, является преобразователь частоты с квазиоднополосной модуляцией, содержащей преобразующие ячейки, каждая из которых включает в себя однофазный инверторный мост, выполненный на управляемых ключах с двухсторонней проводимостью, нагруженный на первичную обмотку трансформатора, один конец вторичной обмотки которого образует первый выходной вывод преобразующей ячейки, а силовые входы однофазных инверторных мостов образуют две пары силовых входных выводов, причем одна из этих пар предназначена для подключения на линейное напряжение двух фаз сети, вторая пара - для подключения на напряжение третьей фазы сети, трансформаторы выполнены с отношением коэффициентов трансформации 1: , выход преобразователя образован последовательно соединенными выходными выводами преобразующих ячеек, при этом блок управления выполнен в виде последовательно соединенных задающего генератора, распределительного узла и усилительно-развязывающего узла, выходы которого соединены с управляющими входами ключей преобразующих ячеек [2] .

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит инвертор 1 повышенной частоты, выполненный на ключевых элементах с двухсторонней проводимостью и подключенный своим силовым входом к фазному напряжению U_а, инвертор 2 повышенной частоты, выполненный на ключевых элементах с двухсторонней проводимостью и подключенный своим силовым входом к линейному напряжению U_вс, силовой трансформатор 3, первичная обмотка 3.1 которого подключена к выходу инвертора 1, силовой трансформатор 4, имеющий коэффициент трансформации в раз меньший коэффициента трансформации трансформатора 3, первичная обмотка 4.1 трансформатора 4 подключена к выходу инвертора 2, выпрямитель 5, вход которого подключен к последовательно соединенным обмоткам 3.2 трансформатора 3 и 4.2 трансформатора 4, включенным согласно-последовательно, выпрямитель 6, входом подключенный к последовательно соединенным обмоткам 3.3 и 4.3, соединенным встречно-последовательно, выпрямители 5 и 6 соединены по выходу последовательно и подключены к входу выходного сглаживающего фильтра 7, выходом соединенного с нагрузкой 8, блок 9 управления ключевыми элементами инвертора 1 и 2 по командам от внешнего устройства или по величине напряжения на нагрузке.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При подключении устройства к соответствующим напряжениям сети и поступлении сигналов управления от блока 9 на силовые входы ключевых элементов инверторов 1 и 2, во вторичной обмотке 3.2 формируется импульсное знакопеременное напряжение U_м1.1, а во вторичной обмотке 4.2 - импульсное знакопеременное напряжение U_м2.1. Поскольку обмотки 3.2 и 4.2 соединены согласно-последовательно, на вход выпрямителя 5 поступает суммарное напряжение этих обмоток. В это время в обмотке 3.3 формируется импульсное знакопеременное напряжение U_м1.2, а в обмотке 4.3 - импульсное знакопеременное напряжение U_м2.2. Так как обмотки 3.3 и 4.3 включены встречно-последовательно, на вход выпрямителя 6 поступает напряжение, равное алгебраической разности напряжений U_м1.2 и U_м2.2. Последовательно включенные мостовые выпрямители выполняют операцию суммирования модулей входных напряжений выпрямителей. В результате на вход LC-фильтра 7 поступает напряжение U₃ с пониженными значениями амплитуд гармонических составляющих. Постоянное сглаженное напряжение с выхода фильтра 7 поступает в нагрузку 8. Поскольку встречно включенные обмотки 3.3 и 4.3 содержат меньшее в 2-2,5 раза число витков по сравнению с соответствующими согласно включенными обмотками 3.2 и 4.2, а через все обмотки обоих трансформаторов протекает суммарный результирующий ток, встречно включенные обмотки не оказывают запирающего действия на протекание тока в первичных обмотках трансформаторов. Передаваемая в нагрузку мощность делится поровну между двумя каналами преобразования. Ток, потребляемый устройством из каждой фазы первичной сети, близок к синусоидальному и не имеет интервалов отсечки. Применяя три таких преобразователя одинаковой мощности, получающих питание от соответствующих фаз и линейных напряжений трехфазной сети, можно обеспечить симметричный режим нагрузки фаз сети, уменьшая при этом полную мощность, потребляемую от первичного источника. (56) 1. Бас А. А. и др. Источники вторичного электропитания с бестрансформаторным входом. М. : Радио и связь, 1987, с. 26, рис. 2.2 а), б).

2. Авторское свидетельство СССР N 625296, кл. Н 02 М 7/06, 1978.

3. Электротехнический справочник, т. 2, электротехнические устройства. Под общ. ред. проф. МЭИ Герасимова В. Г. и др. , 6-е изд. М. : Энергоиздат, 1981, с. 573, рис. 26-14. (прототип способа).

4. Авторское свидетельство СССР N 790088, кл. Н 02 М 5/27, 1980.