управляемый выпрямитель

Формула изобретения

Управляемый выпрямитель, содержащий входной силовой трансформатор, вторичные обмотки которого подключены к входу вентильного блока, выполненного на неуправляемых полупроводниковых вентилях с дросселями насыщения с тремя обмотками, тиристоры и блок импульсно-фазового управления, отличающийся тем, что содержит дополнительный выпрямитель, образованный неуправляемыми полупроводниковыми вентилями, подключенными к третьим обмоткам соответствующих дросселей насыщения, первые обмотки которых включены последовательно с соответствующими неуправляемыми полупроводниковыми вентилями вентильного блока, вторые обмотки всех дросселей насыщения соединены последовательно и подключены к источнику тока смещения, третьи обмотки дросселей насыщения подключены к силовым электродам соответствующих тиристоров, управляющие электроды которых соединены с соответствующими выходами блока импульсно-фазового управления, причем выход постоянного тока дополнительного выпрямителя подключен согласно параллельно к выходу постоянного тока управляемого выпрямителя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике и может быть использовано в мощных выпрямителях с ограниченным диапазоном регулирования выходного напряжения, в частности, для питания электролизеров и гальванических ванн.

Известны управляемые выпрямители с регулированием выходного напряжения дросселями насыщения (См. Толстов Ю.Г., Мосткова Г.П., Ковалев В.И. Силовые полупроводниковые выпрямители, управляемые дросселями насыщения. М.: Наука, 1968, с. 80, 153, 224).

Недостатками данных управляемых выпрямителей являются низкое значение коэффициента сдвига (cos ), обусловленное линейной зависимостью cos от глубины регулирования напряжения, высокий уровень пульсаций выходного напряжения и, как следствие, завышенная типовая мощность силового трансформатора (определяемая произведением максимального выпрямленного напряжения на максимальный выпрямленный ток. Так, при изменении выпрямленного напряжения Ud от максимального значения Udmax до 0,75 Udmax cox, без учета угла коммутации, изменяется от 1,00 до 0,75, а отношение амплитуды основной гармонической составляющей к максимальному выпрямленному напряжению изменяется от 0,25 до 0,50 для трехпульсных схем выпрямления и от 0,047 до 0,25 для шестипульсных схем выпрямления (см. Справочник по проектированию электропривода, силовых и осветительных установок. Под ред. Большама Я.М., Круповича В.И., Самовера М. Л. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Энергия, 1974 г., с. 245, с. 253).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является управляемый выпрямитель, содержащий входной силовой трансформатор, вентильный блок, выполненный на неуправляемых полупроводниковых вентилях с дросселями насыщения с тремя обмотками, тиристоры и блок импульсно-фазового управления (см. патент РФ N 1781793, МКИ⁶ 5 Н 02 М 7/04, опубл. БИ N 46, 1992 г.). Вторичные обмотки входного силового трансформатора данного управляемого выпрямителя подключены к входу вентильного блока, первые обмотки дросселей насыщения включены последовательно с соответствующими вентилями вентильного блока, вторые обмотки дросселей насыщения соединены последовательно и подключены к источнику тока смещения, а к третьим обмоткам дросселей насыщения подключены силовые электроды тиристоров, управляющие электроды которых соединены с соответствующими выходами блока импульсно- фазового управления, к выходам постоянного тока управляемого выпрямителя подключена нагрузка.

Недостатками данного управляемого выпрямителя являются низкое значение коэффициента сдвига (cos ), обусловленное линейной зависимостью cos от глубины регулирования напряжения, высокий уровень пульсаций выходного напряжения и, как следствие, завышенная типовая мощность силового трансформатора (определяемая произведением максимального выпрямленного напряжения на максимальный выпрямленный ток). Так, при изменении выпрямленного напряжения U_d от максимального значения U_dmax до 0,75 U_dmax cos , без учета угла коммутации, изменяется от 1,00 до 0,75, а отношение амплитуды основной гармонической составляющей к максимальному выпрямленному напряжению изменяется от 0,25 до 0,5 для трехпульсных схем выпрямления и от 0,047 до 0,25 для шестипульсных схем выпрямления (См. Справочник по проектированию электропривода, силовых и осветительных установок. Под ред. Большама Я.М., Круповича В.И., Самовера М. Л. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Энергия, 1974 г., с. 245, с. 253).

Технической задачей, решаемой заявляемым изобретением, является увеличение значения коэффициента сдвига (cos), снижение уровня пульсаций и типовой мощности силового трансформатора за счет исключения задержки начала протекания тока по вступающему в работу полупроводниковому вентилю.

Поставленная техническая задача решается за счет того, что в управляемом выпрямителе, содержащем входной силовой трансформатор, вторичные обмотки которого подключены ко входу вентильного блока, выполненного на неуправляемых полупроводниковых вентилях с дросселями насыщения с тремя обмотками, тиристоры и блок импульсно- фазового управления, согласно изобретению содержится дополнительный выпрямитель, образованный неуправляемыми полупроводниковыми вентилями, подключенными соответственно к третьим обмоткам дросселей насыщения, первые обмотки которых включены последовательно с соответствующими неуправляемыми полупроводниковыми вентилями вентильного блока, вторые обмотки всех дросселей насыщения соединены последовательно и подключены к источнику тока смещения, третьи обмотки дросселей насыщения подключены к силовым электродам соответствующих тиристоров, управляющие электроды которых соединены с соответствующими выходами блока импульсно-фазового управления, причем выходы постоянного тока дополнительного выпрямителя подключены согласно-параллельно к выходам постоянного тока управляемого выпрямителя.

В заявляемом управляемом выпрямителе содержание дополнительного выпрямителя, образованного неуправляемыми полупроводниковыми вентилями, обеспечивает коммутацию неуправляемых вентилей вентильного блока в точках естественной коммутации, т.е. без задержки относительно напряжения сети, при этом регулируется только часть напряжения, величина которого определяется отношением витков третьей и первой обмоток дросселя.

Таким образом, в заявляемом управляемом выпрямителе реализован фазоступенчатый способ регулирования напряжения, обеспечивающий высокий коэффициент сдвига (cos) - при ограниченном диапазоне регулирования обеспечивается значение cos, равное 1 в крайних точках диапазона при незначительном уменьшении значения cos в середине диапазона, а также низкий уровень пульсаций выпрямленного напряжения - уровень пульсаций в крайних точках диапазона соответствует уровню пульсаций неуправляемого выпрямителя при незначительном повышении значения в середине диапазона.

На чертеже дана схема управляемого выпрямителя.

Управляемый выпрямитель включает входной силовой трансформатор 1, вторичные обмотки которого подключены к входу вентильного блока 2, выполненного на неуправляемых полупроводниковых вентилях 3 с дросселями насыщения 4, первые обмотки 5 которых включены последовательно с соответствующими неуправляемыми полупроводниковыми вентилями 3, вторые обмотки 6 всех дросселей насыщения 4 соединены последовательно и подключены к источнику тока смещения 7, третьи обмотки 8 дросселей насыщения 4 подключены к силовым электродам тиристоров 9, управляющие электроды которых соединены с соответствующими выходами блока импульсно-фазового управления 10, к третьим обмоткам 8 дросселей насыщения 4 подключены соответственно неуправляемые полупроводниковые вентили 11, образуя дополнительный выпрямитель 12, выходы постоянного тока 13, 14 которого подключены согласно-параллельно к выходам постоянного тока управляемого выпрямителя 15, 16, к выходам постоянного тока управляемого выпрямителя подключена нагрузка 17.

Управляемый выпрямитель работает следующим образом.

Перед началом коммутации тока вентилями 3 выпрямительного блока 2 источником тока смещения 7 при запертом тиристоре 9 задается исходное состояние дросселя 4 вступающей в работу фазы, определяемое максимальным значением индукции насыщения - В_m. С началом протекания тока в вентиле 3 вступающей в работу фазы, совпадающим с точкой естественной коммутации, дроссель 4 выводится из отрицательного насыщения и в обмотку 8 дросселя трансформируется напряжение, которое выпрямляется соответствующим вентилем 11 дополнительного выпрямителя 12. Напряжение на нагрузке 17 снижено на величину падения напряжения на обмотке 5 дросселя 4, задаваемого соотношением витков обмоток 8 и 5 дросселя 4: К_т = W₈/W₅. При открытых тиристорах 9 дроссели 4 шунтируются, и все напряжение силового трансформатора через вентили 3 выпрямительного блока 2 подается на нагрузку 17.

Максимальное напряжение на нагрузке равно:

U_dmax = K_cxU_2ф,

где К_cx - коэффициент схемы выпрямления;

U_2ф - фазное вторичное напряжение силового трансформатора.

Минимальное напряжение на нагрузке определяется следующими соотношениями:

U_dmin = K_cxU₈;

U_dmin = К_cx(U_2ф - U₅),

где U₅, U₈ - напряжение на соответствующих обмотках дросселя.

Так как К_т = W₈/W₅ = U₈/U₅, то U_dmin = K_тU_dmax/1 + К_т.

Изменяя посредством блока импульсно-фазового управления 10 время открытого состояния тиристоров 9 в проводящий период вентилей 3, можно регулировать напряжение на нагрузке 17 от _dmin до U_dmax.

Использование заявляемого управляемого выпрямителя обеспечивает следующие технико-экономические преимущества:

- увеличение значения коэффициента сдвига (cos) - при ограниченном диапазоне регулирования обеспечивается значение cos , равное 1 в крайних точках диапазона при незначительном уменьшении значения cos в середине диапазона,

- снижение уровня пульсаций выходного напряжения - уровень пульсаций в крайних точках диапазона соответствует уровню пульсаций неуправляемого выпрямителя при незначительном повышении значения в середине диапазона,

- снижение типовой мощности силового трансформатора,

- сокращение потерь в распределительных электрических сетях,

- сокращение стоимости силовых трансформаторов и сглаживающих реакторов,

- подключение большего числа токоприемников к имеющимся электрическим сетям,

- высокое быстродействие управляемого выпрямителя.