преобразователь однофазного переменного напряжения в постоянное
Классы МПК: | H02M7/08 включенных параллельно |
Автор(ы): | Бугреев Виктор Алексеевич (RU), Кириллов Николай Петрович (RU), Лободанова Анна Владимировна (RU) |
Патентообладатель(и): | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский государственный открытый технический университет путей сообщения" (РГОТУПС) (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2008-03-26 публикация патента:
10.04.2009 |
Преобразователь однофазного переменного напряжения в постоянное содержит шины переменного тока, преобразовательный трансформатор, содержащий первичную обмотку, сердечник и вторичную обмотку, схему выпрямления и шины постоянного тока, причем первичная обмотка выполнена из первой и второй секций, сдвинутых в пространстве под углом 90°, при этом первая секция подключена параллельно шинами переменного тока непосредственно, а вторая секция - с помощью конденсатора магнитопровод выполнен по типу электрической машины содержащим первый сердечник, набранный из листов электротехнической стали, с пазами, в которых размещена первичная обмотка и соосный ему второй сердечник, набранный из листов той же стали, с пазами, в которых уложена многофазная вторичная обмотка, схема выпрямления содержит n мостовых однофазных выпрямителей, каждый из которых подключен к соответствующей фазе вторичной обмотки, причем первичная обмотка выполнена формирующей, не пропускающей высшие гармоники напряжения шин переменного тока. Достижение требуемого технического результата осуществляется за счет использования эффекта кругового вращающегося магнитного поля и конструкции преобразовательного трансформатора. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.
Формула изобретения
1. Преобразователь однофазного переменного напряжения в постоянное, содержащий шины переменного тока, преобразовательный трансформатор, содержащий первичную обмотку, сердечник и вторичную обмотку, причем указанные обмотки размещены на сердечнике, схему выпрямления и шины постоянного тока, при этом первичная обмотка указанного трансформатора соединена с шинами переменного тока, вход схемы выпрямления соединен с вторичной обмоткой названного трансформатора, а выход указанной схемы подключен к шинам постоянного тока, отличающийся тем, что первичная обмотка преобразовательного трансформатора разделена на первую и вторую секции, причем вход и выход первой секции соединены с шинами переменного тока, вход второй секции соединен с выходом первой секции непосредственно, а вход второй секции соединен с входом первой секции через конденсатор; магнитопровод преобразовательного трансформатора выполнен по типу электрической машины, содержащим первый сердечник, в виде цилиндра набранный из листов электротехнической стали с пазами, число которых равно z1=2p-m1q, в которых размещены секции первичной обмотки, где р - число пар полюсов; m1 - число фаз, q - число пазов на полюс и фазу, и соосный ему второй сердечник в виде полого цилиндра, набранный из той же стали с пазами, число которых определяется выражением z2 4pq, вторичная обмотка преобразовательного трансформатора выполнена многофазной и размещена в пазах второго сердечника, причем число ее фаз равно m2=z2; схема выпрямления выполнена в виде вентильного блока, содержащего n мостовых однофазных выпрямителей, где n=m2.
2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что обмоточный коэффициент обеих секций первичной обмотки одинаков и определяется по формуле
а обмоточный коэффициент вторичной обмотки равен единице.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве источника постоянного тока с улучшенным качеством выпрямленного напряжения при однофазном напряжении сети.
Известен преобразователь однофазного переменного напряжения в постоянное, содержащий преобразовательный трансформатор, подключенный к однофазной промышленной сети, и мостовую схему выпрямления, соединенную с вторичной обмоткой указанного трансформатора [1].
Данный преобразователь имеет простую схему, поэтому нашел широкое применение в источниках вторичного электропитания, однако ему свойственны и недостатки, среди которых основным является низкое качество выпрямленного напряжения (коэффициент пульсаций равен 25%).
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является преобразователь однофазного переменного напряжения в постоянное, содержащий преобразовательный трансформатор, схему выпрямления, сглаживающий фильтр, к которому подключена нагрузка, при этом первичная обмотка названного трансформатора соединена с шинами однофазного переменного тока, схема выпрямления подключена к вторичной обмотке указанного трансформатора, сглаживающий фильтр соединен с выходом схемы выпрямления, а нагрузка подключена к выходу сглаживающего фильтра [2]. Данный преобразователь отличается высоким качеством выпрямленного напряжения, так как высшие гармоники нейтрализованы с помощью многофазного фильтра. Однако использование сглаживающего фильтра приводит к увеличению массы преобразователя и снижению его КПД. Кроме того, в многозвенных фильтрах могут возникать резонансные явления, сверхтоки и перенапряжения при переходных процессах.
Техническим результатом изобретения является повышение качества выпрямленного напряжения.
Поставленный технический результат достигается тем, что в преобразователе однофазного переменного напряжения в постоянное, содержащем шины переменного тока, преобразовательный трансформатор, содержащий первичную обмотку, сердечник и вторичную обмотку, причем указанные обмотки размещены на сердечнике, схему выпрямления и шины постоянного тока, при этом первичная обмотка указанного трансформатора соединена с шинами переменного тока, вход схемы выпрямления соединен с вторичной обмоткой названного трансформатора, а выход указанной схемы подключен к шинам постоянного тока, первичная обмотка преобразовательного трансформатора разделена на первую и вторую секции, причем вход и выход первой секции соединены с шинами переменного тока, вход второй секции соединен с выходом первой секции непосредственно, а выход второй секции соединен с входом первой секции через конденсатор; магнитопровод преобразовательного трансформатора выполнен по типу электрической машины, содержащий первый сердечник в виде цилиндра, набранный из листов электротехнической стали с пазами, число которых равно z1=2pm1q, в которых размещены секции первичной обмотки, где p - число пар поездов; m1 - число фаз; q - число пазов на полюс и фазу, и соосный ему второй сердечник в виде полого цилиндра, набранный из той же стали с пазами, число которых определяется выражением z2 4pq; вторичная обмотка преобразовательного трансформатора выполнена многофазной и размещена в пазах второго сердечника, причем число ее фаз равно m2=z2; схема выпрямления выполнена в виде вентильного блока, содержащего n мостовых однофазных выпрямителей, где n=m2. Кроме того, обмоточный коэффициент обеих секций первичной обмотки одинаков и определяется по формуле
,
а обмоточный коэффициент вторичной обмотки равен единице.
На фиг.1 представлена структурная схема преобразователя однофазного переменного напряжения в постоянное. На фиг.2 показана развертка второго магнитопровода сердечника с витками фаз многофазной вторичной обмотки. На фиг.3 изображена кривая напряжения (Ui) i-й фазы вторичной обмотки. На фиг.4 представлен график выпрямленного напряжения (Udi ) i-й фазы. На фиг.5 показана кривая суммарного выпрямленного напряжения (Ud ) на шинах постоянного тока.
Преобразователь (фиг.1) содержит шины переменного тока 1, преобразовательный трансформатор 2, содержащий первичную обмотку 3, содержащую первую секцию 3-1 и вторую секцию 3-2, магнитопровод 4, содержащий первый сердечник в виде цилиндра (не обозначен), набранный из листов электротехнической стали с пазами (не обозначены), и второй соосный первому сердечник в виде полого цилиндра (не показан), набранный из листов той же стали с пазами (не показаны), вторичную обмотку 5 с секциями фаз 5-1, 5-2, 5-m2, схему выпрямления 7, выполненную в виде вентильного блока, содержащего n мостовых однофазных выпрямителей 7-1, 7-2, 7-n и шины постоянного тока 8, причем шины переменного тока 1 соединены с первой секцией 3-1 первичной обмотки 3, размещенной в пазах первого сердечника 4, начало второй секции 3-2 указанной обмотки соединено с концом первой секции 3-1 непосредственно, а конец ее соединен с началом первой секции 3-1 с помощью конденсатора 6, секции фаз 5-1, 5-2, 5-m2 вторичной обмотки 5, размещенной в пазах сердечника магнитопровода 4, подключены к соответствующим мостовым однофазным выпрямителям 7-1, 7-2, 7-n вентильного блока 7, при этом выходы названных выпрямителей подключены параллельно к шинам постоянного тока 8. Выполнение первичной обмотки 3 из двух секций 3-1 и 3-2 и включение конденсатора 6, а также пространственное размещение второй секции 3-2 под углом, равным 90°, по отношению к первой, позволяет образовать круговое вращающееся магнитное поле (КВМП) при однофазной сети на входе преобразователя, при этом условия образования КВМП имеют вид:
которые читаются следующим образом: витки первой секции 3-1 сдвинуты по отношению к виткам 3-2 второй секции на угол, равный 90° в пространстве, ток, протекающий по виткам первой секции I 3-1 сдвинут по отношению к току, протекающему по виткам второй секции I3-2, на угол, равный 90° во времени, намагничивающая сила первой секции F1=I3-1 · 3-1 равна намагничивающей силе F2 =I3-2· 3-2 в любой момент времени. Поскольку диаметр D2 второго сердечника больше диаметра первого сердечника D1, так как для всех соосных конструкций
то число пазов, расположенных по длине окружности второго магнитопровода, будет больше числа пазов, расположенных на первом магнитопроводе, что позволяет выполнить вторичную обмотку 5 многофазной, причем каждая фаза намотана на собственный зубец, как показано на фрагменте развертки второго магнитопровода (фиг.2), где изображены витки фаз: 5-1, 5-2, 5-m2-1, 5-m2 вторичной обмотки 5. Форма выходного напряжения i-й фазы (фиг.3) вторичной обмотки 5 является синусоидальной, поэтому выпрямленное напряжение U di указанной фазы будет иметь вид, изображенный на фиг.4, однако параметры выходного напряжения преобразователя можно определить только при условии, что в кривой напряжения шин переменного тока 1 будут отсутствовать высшие гармоники полностью или будут отсутствовать высшие гармоники с нежелательными номерами. Достижение заданной цели возможно за счет особой конструкции первичной обмотки 3, так как ЭДС в секциях равна
где wi - число витков i-й секции; f - частота напряжения; Ф - основной магнитный поток в сердечнике 4; Кoi - обмоточный коэффициент i-й секции, при этом обмоточный коэффициент по любой из высших гармоник равен
где Kpv, Kyv, K ckv - коэффициенты распределения, укорочения и скоса пазов; - номер высшей гармоники. Так как указанные коэффициенты зависят от числа пазов z1, то можно показать, что все гармоники кроме первой группы
где к=1,2, ; Nё - число лучей звезды располагаемых ЭДС, зависящее от числа пазов. Можно показать, что при произвольном числе пазов обмоточный коэффициент любой секции первичной обмотки 3 определяется по формуле
где p - число пар полюсов.
Нейтрализация высших гармоник в кривой напряжения сети позволит получить квазипостоянное напряжение (фиг.5). Расчеты показывают, что коэффициент пульсаций суммарного напряжения Ud на шинах постоянного тока в принятом на фиг.5 масштабе уменьшается в 50 раз по сравнению с Кn напряжения фиг.4 (при условии, что амплитуда переменной составляющей составляет 0,1 В, а выпрямленное напряжение Ud =20Â). Расчет выполнен при условии, что число фаз вторичной обмотки равно, m2=18, а угол сдвига между соседними фазами равен 18° (при z2=20). Если учесть возможности делительной головки, используемой в машиностроении, то число пазов магнитопровода, в пазах которого размещена вторичная обмотка 5, может быть доведено до z2=360, а коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения уменьшится более чем на два порядка.
Преобразователь однофазного переменного напряжения в постоянное работает следующим образом.
При наличии напряжения на шинах переменного тока 1 по секциям 3-1 и 3-2 первичной обмотки 3 преобразовательного трансформатора 2 протекают токи, причем ток секции 3-2 сдвинут во времени по отношению к току первой секции 3-1 на 90° благодаря конденсатору 6. Ввиду того, что витки первой секции 3-1 и витки второй секции сдвинуты по отношению друг друга на 90° в пространстве и намагничивающие силы обеих секций равны, то результирующий ток первичной обмотки 3 образует в магнитопроводе 4 круговое вращающееся магнитное поле, подобно КВМП, создаваемое в управляемых асинхронных конденсаторных двигателях, и сердечники магнитопровода будут намагничиваться. Магнитный поток указанного поля пересекает витки всех фаз: 5-1, 5-2, , 5-m2 вторичной обмотки и создает в них соответствующие ЭДС. Так как каждая из фаз вторичной обмотки 5 соединена с соответствующим мостовым однофазным выпрямителем 7-1, 7-2, , 7-n схемы выпрямления 7, то ЭДС фазы 5-1 выпрямится в выпрямителе 7-1, ЭДС фазы 5-2 выпрямится в выпрямителе 7-2, а ЭДС фазы 5-m2 преобразуется в постоянное напряжение в выпрямителе 7-n и на шинах постоянного тока 8 возникает квазипостоянное напряжение, коэффициент пульсаций которого зависит от числа фаз вторичной обмотки 5.
Таким образом, в предлагаемом преобразователе однофазного переменного напряжения в постоянное преобразовательный трансформатор выполняет функции: распределения фаз, формирования синусоидальной кривой и умножения числа выпрямляемых фаз, что позволяет получить постоянное напряжение с практически любым качеством, чем и достигается поставленный технический результат.
Источники информации
1. Ромаши Э.М. Источники вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры. М., Радио и связь, 1981, стр.60, рис.4.1,в.
2. Багуц В.П., Ковалев Н.П., Костроминов A.M. Электропитание устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи. М., Транспорт, 1991, стр.38, рис.3.1.
Класс H02M7/08 включенных параллельно