преобразователь переменного напряжения в постоянное

Формула изобретения

Преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий два трехфазных трансформатора, на каждом из шести стержней магнитопроводов которых размещены одна первичная и две вторичные фазные обмотки, а также двенадцать вентильных ячеек с двумя вентилями в каждой ячейке, соединенными разноименными электродами, из вентильных ячеек сформированы две группы вентилей, по шесть вентильных ячеек в каждой, причем свободные электроды одного наименования половины вентилей в каждой из групп соединены, и в одной группе вентилей при этом образована анодная шестивентильная звезда, а в другой группе образована катодная шестивентильная звезда, отличающийся тем, что первичные фазные обмотки в одном трансформаторе соединены в звезду, а во втором - в треугольник, отношение чисел витков первичных фазных обмоток, соединенных в звезду, к числам витков первичных фазных обмоток, соединенных в треугольник, равно , отношение чисел витков вторичных фазных обмоток в парах обмоток, размещенных на каждом из стержней, равно



где

а соответствующие по относительным размерам вторичные фазные обмотки выполнены с одинаковыми числами витков, при этом шесть вторичных фазных обмоток в каждом трансформаторе соединены между собой встречно-последовательно, топологически образуя полуправильный шестиугольник, причем от средней точки каждой вторичной фазной обмотки выполнен отвод, при этом каждый из отводов от средних точек вторичных фазных обмоток одного трансформатора соединен с незадействованной точкой соединения разноименных электродов вентилей в вентильных ячейках одной группы вентилей, а каждый из отводов от средних точек вторичных фазных обмоток второго трансформатора соединен с незадействованной точкой соединения разноименных электродов вентилей в вентильных ячейках второй группы вентилей, причем свободные одноименные электроды второй половины вентилей в каждой из групп вентилей соединены, и в одной группе вентилей при этом образована катодная шестивентильная звезда, а в другой группе образована анодная шестивентильная звезда, а из групп вентилей соответственно сформированы два шестифазных вентильных моста с выводами постоянного тока от общих точек соединения вентилей в шестивентильных звездах, причем шестифазные вентильные мосты соединены парой разнополярных выводов постоянного тока последовательно, и свободные разнополярные выводы мостов образуют выходные выводы устройства.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и силовой преобразовательной технике и может быть использовано в качестве преобразователя переменного напряжения в постоянное для питания потребителей с повышенными требованиями к качеству выпрямленного напряжения, электромагнитной совместимости и массогабаритным показателям.

Известны преобразователи переменного напряжения в постоянное с повышенной фазностью преобразования, построенные на основе трехфазных вентильных мостов, которые запитаны от автономных симметричных трехфазных систем ЭДС, сдвинутых относительно друг друга на угол где m - фазность преобразования (Яценко А.А. Применение схемы «скользящего треугольника» в многофазных преобразователях. // Электричество. - 1982. - № 7. - С.17-24).

Независимо от схем построения данных преобразователей, основным их недостатком является снижение качества преобразования при несимметрии напряжений питающей сети, конструктивной и параметрической несимметриях трансформаторов, что ухудшает электромагнитную совместимость и даже, порой, ограничивает возможность применения многофазных преобразователей.

Известен преобразователь переменного напряжения в постоянное, обеспечивающий двадцатичетырехкратную частоту пульсации выпрямленного напряжения (Пат. РФ № 2219647, МКИ Н02М 7/08, опубл. 20.12.2003), содержащий два трехфазных трансформатора, вторичные фазные обмотки каждого трансформатора соединены в треугольник, причем каждая вторичная фазная обмотка снабжена двумя внутренними отводами, которые подключены к диагоналям переменного тока двух мостовых выпрямителей, включенных по входу параллельно, при этом указанные отводы от фазных обмоток выполнены от частей, находящихся в соотношении , считается от одноименного зажима каждой обмотки, причем первичные обмотки одного трансформатора соединены в звезду, а второго в треугольник, а выходы всех выпрямителей включены параллельно.

Недостатками данного преобразователя являются большие массогабаритные показатели трансформаторов и применение вторичных обмоток, выполняемых с использованием трех значений чисел витков. При малых числах витков, что характерно, например, при изготовлении мощных и сверхмощных трансформаторов, это ограничивает возможность обеспечить требуемые расчетные соотношения между этими числами и тем самым снижает эффективность преобразования электрической энергии.

Известен также преобразователь переменного напряжения в постоянное (А.с. СССР № 817923, МКИ Н02М 7/06, опубл. 30.03.1981), обеспечивающий двадцатичетырехкратную частоту пульсации выпрямленного напряжения, содержащий два шестифазных вентильных моста, включенных последовательно, и трехфазный трансформатор с четырьмя вторичными обмотками (n=4), соединенными в звезды при соотношении чисел витков вторичных обмоток, определяемых функцией , причем k-я и (n+1-k)-я пара обмоток (k=1, 2, 3, 4) образуют одну шестилучевую звезду, а оставшаяся пара другую, при этом фазы одной шестилучевой звезды подключены к входам переменного тока одного моста, фазы второй к входам другого моста, а крайние анодная и катодная группы мостов образуют выходные выводы устройства.

Недостатками данного преобразователя являются относительно большая типовая мощность трансформатора (S_T=1,165 P_d, где Р_d - мощность нагрузки) при исполнении на одном трансформаторе; необходимость применения четырех значений чисел витков для выполнения вторичных обмоток, что усложняет технологию изготовления и затрудняет ограничение конструктивной несимметрии на допустимом уровне; наличие потоков вынужденного подмагничивания в стержнях трансформатора, что, в совокупности, снижает качество преобразования.

Наиболее близким к изобретению, принятым за прототип, является преобразователь переменного напряжения в постоянное (RU № 2321149, ПМК Н02М 7/08, опубл. 27.03.2008), содержащий двадцать четыре вентиля, соединенных в двенадцать вентильных ячеек с двумя вентилями в каждой ячейке, соединенными разноименными электродами, из которых сформированы две группы вентилей, по шесть вентильных ячеек в каждой, причем свободные электроды одного наименования половины вентилей в каждой из групп соединены, и в одной группе вентилей при этом образована анодная шестивентильная звезда, а в другой группе катодная шестивентильная звезда, и два трехстержневых трехфазных трансформатора, первичные обмотки которых соединены по схеме «скользящих треугольников», отношение частей обмоток, составляющих треугольники в которых, к частям обмоток, составляющих продолженные стороны, равно 1: , а два вывода первичной обмотки одного из трансформаторов присоединены к трехфазной сети с транспозицией по отношению к присоединению идентичных выводов первичной обмотки другого трансформатора, при этом из частей вторичных обмоток, имеющих по две вторичные фазные обмотки на каждом стержне магнитопроводов трансформаторов, в каждом трансформаторе сформирован источник шестифазной системы ЭДС, образованный звездой и обратной звездой, соединенными нулевыми точками, причем части обмоток звезды и части обмоток обратной звезды находятся в соотношении , а из шести вентилей сформировано вентильное кольцо, вентили которого соединены между собой только одноименными электродами, при этом каждая из трех точек соединения, образованных электродами одного наименования, подключена к одному из выводов звезды одного источника, а каждая из трех точек соединения, образованных электродами другого наименования, подключена к одному из выводов звезды другого источника, причем каждая точка соединения вентилей кольца, подключенная к выводу звезды одного из источников, подключена также к точке соединения разноименных электродов двух вентилей, образующих вентильную ячейку, один крайний электрод которой, имеющий наименование, отличное от наименования электродов вентилей кольца в точке соединения с кольцом данной ячейки, соединен с выводом обратной звезды другого источника, причем этот вывод имеет наименование, аналогичное наименованию вывода звезды источника, подключенного к данной точке кольца, а второй крайний электрод ячейки подключен к соответствующему выходному выводу устройства, при этом каждый из выводов обратных звезд, к которому присоединен электрод вентиля ячейки, соединен с электродом другого наименования незадействованного вентиля, второй электрод которого присоединен к соответствующему выходному выводу, причем выводы звезд, имеющие одинаковое наименование, подключены к диаметрально противоположным точкам соединения вентилей кольца.

Качество преобразования переменного напряжения в постоянное этим преобразователем существенно снижается при несимметрии питающих напряжений, конструктивной несимметрии фазных напряжений вторичных обмоток и параметрической несимметрии трансформаторов. Типовая мощность трансформаторов относительно большая.

Задача изобретения - создание преобразователя переменного напряжения в постоянное с лучшим качеством преобразования при несимметрии питающих напряжений, конструктивной несимметрии фазных напряжений вторичных обмоток и параметрической несимметрии трансформаторов, имеющего меньшую типовую мощность трансформаторов.

Указанная задача достигается тем, что преобразователь переменного напряжения в постоянное содержит два трехфазных трансформатора, на каждом из стержней магнитопроводов которых размещены одна первичная и две вторичные фазные обмотки, а также двенадцать вентильных ячеек с двумя вентилями в каждой ячейке, соединенными разноименными электродами, из вентильных ячеек сформированы две группы вентилей, по шесть вентильных ячеек в каждой, причем свободные электроды одного наименования половины вентилей в каждой из групп соединены, и в одной группе вентилей при этом образована анодная шестивентильная звезда, а в другой группе образована катодная шестивентильная звезда, первичные фазные обмотки в одном трансформаторе соединены в звезду, а во втором в треугольник, отношение чисел витков первичных фазных обмоток, соединенных в звезду, к числам витков первичных фазных обмоток, соединенных в треугольник, равно , отношение чисел витков вторичных фазных обмоток в парах обмоток, размещенных на каждом из стержней, равно

где µ= [6, ],

а соответствующие по относительным размерам вторичные фазные обмотки выполнены с одинаковыми числами витков, при этом шесть вторичных фазных обмоток в каждом трансформаторе соединены между собой встречно-последовательно, топологически образуя полуправильный шестиугольник, причем от средней точки каждой вторичной фазной обмотки выполнен отвод, при этом каждый из отводов от средних точек вторичных фазных обмоток одного трансформатора соединен с незадействованной точкой соединения разноименных электродов вентилей в вентильных ячейках одной группы вентилей, а каждый из отводов от средних точек вторичных фазных обмоток второго трансформатора соединен с незадействованной точкой соединения разноименных электродов вентилей в вентильных ячейках второй группы вентилей, причем свободные одноименные электроды второй половины вентилей в каждой из групп вентилей соединены, и в одной группе вентилей при этом образована катодная шестивентильная звезда, а в другой группе образована анодная шестивентильная звезда, а из групп вентилей, соответственно, сформированы два шестифазных вентильных моста с выводами постоянного тока от общих точек соединения вентилей в шестивентильных звездах, причем шестифазные вентильные мосты соединены парой разнополярных выводов постоянного тока последовательно и свободные разнополярные выводы мостов образуют выходные выводы устройства.

На Фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого преобразователя с последовательным соединением шестифазных вентильных мостов и с первичными обмотками, соединенными в одном трансформаторе в звезду, а во втором в треугольник; на Фиг.2 для преобразователей с различными параметрами µ приведены векторные диаграммы напряжений, представленные в виде перемещаемых относительно друг друга амплитудно-фазовых портретов напряжений вторичных обмоток и векторов результирующих выпрямляемых напряжений, образующих пульсации s_i; на Фиг.3 приведены развернутые векторные диаграммы, поясняющие принцип формирования векторов результирующих напряжений на примере преобразователя с параметром µ=8; на Фиг.4 приведены временные диаграммы выходных напряжений шестифазных вентильных мостов (а) и кривая выпрямленного напряжения преобразователя при µ=24 (б); на Фиг.5 даны примеры топологической реализации систем ЭДС вторичных обмоток трансформаторов преобразователя; на Фиг.6 приведена зависимость рассогласования амплитуд смежных векторов результирующих выпрямляемых напряжений преобразователя от числа µ в процентах; на Фиг.7 приведены временные диаграммы анодных токов и обратных напряжений вентилей мостов преобразователя с параметром µ=24; на Фиг.8 приведена временная диаграмма выпрямленного напряжения преобразователя с параметром µ=24 при конструктивной несимметрии фазных напряжений вторичных обмоток К_H=10%; на Фиг.9 показаны переменные составляющие выпрямленных напряжений предлагаемого преобразователя при µ=24 (а) и прототипа, системы ЭДС вторичных обмоток трансформаторов которого сдвинуты относительно друг друга на 15 эл. град. (б) при К_H=10%; показаны также переменные составляющие выпрямленных напряжений предлагаемого преобразователя (в) и прототипа (г) при несимметрии напряжений сети U=2%; на Фиг.10 - приведена кривая сетевого тока фазы А, потребляемого преобразователем с µ=24.

Преобразователь переменного напряжения в постоянное (Фиг.1) содержит два трехфазных трансформатора: трансформатор 1 с первичными обмотками, соединенными в звезду, и трансформатор 2 с первичными обмотками, соединенными в треугольник. Соответствующие вторичные обмотки трансформаторов выполнены в виде полуправильных шестиугольников 3 и 4, а соответствующие фазные отводы от средних точек a, z, b, х, с, у сторон полуправильного шестиугольника 3 и отводы от средних точек a , z b , х , с , у сторон шестиугольника 4 соединены с входами переменного тока шестифазных вентильных мостов 5 и 6, соединенных последовательно. Общая точка 7 анодной группы вентилей моста 5 и общая точка 8 катодной группы вентилей моста 6 соединены с нагрузкой 9.

Принцип работы устройства (Фиг.1) иллюстрируется векторными диаграммами напряжений источников ЭДС, представленных в виде перемещаемых относительно друг друга амплитудно-фазовых портретов напряжений вторичных обмоток при различных значениях параметра µ (Фиг.2), и развернутыми векторными диаграммами, поясняющими принцип формирования векторов результирующих выпрямляемых напряжений (Фиг.3) на примере преобразователя с параметром µ=8. В любой фазе цикла преобразования пульсации выпрямленного напряжения s_i образуются в результате сложения максимальных на данный момент линейных ЭДС в каждой из шестифазных систем ЭДС, формируемых между средними точками вторичных фазных обмоток (сторон) шестиугольников. В соответствии с полярностью линейных ЭДС в открытое состояние в каждом шестифазном мосту переходит та пара вентилей, которая подключена к отводам от фаз, между которыми в данный момент линейная ЭДС максимальна. Особенностью преобразователя является то, что смежные линейные ЭДС между фазными отводами в шестиугольниках отличаются по амплитуде (за исключением случая, когда µ=12). В результате этого на выходе каждого из шестифазных вентильных мостов формируются неканонические по форме 12-пульсные выпрямленные напряжения u_d(5) и u_d(6) (Фиг.4, а). Так как эти напряжения сдвинуты по фазе относительно друг друга на 30 эл. град., в результате сложения их мгновенных значений на нагрузке формируется напряжение u_d (б) с канонической формой кривой, имеющей 24 пульсации за период сетевого напряжения. На Фиг.4 приведены кривые напряжений для преобразователя с µ=24 при близком к идеальному соотношении чисел витков малых и больших вторичных фазных обмоток трансформаторов.

В приведенной ниже таблице даны относительные топологические размеры малых вторичных фазных обмоток (при размерах больших, принятых за 1,0), рассчитанные для различных значений µ и углового топологического параметра .

Каноническая 24-пульсная форма выпрямленного напряжения (при неканонических формах фазность преобразования в таблице выделена курсивом) обеспечивается только при топологических параметрах µ=8 и µ=24. При µ=6 получен треугольник. При двух сдвинутых относительно друг друга на 30 эл. град. амплитудно-фазовых портретах такого вида обеспечивается 12-фазный режим преобразования. При µ получена симметричная шестифазная система ЭДС (правильный шестиугольник). При двух сдвинутых на 30 эл. град. амплитудно-фазовых портретах такого вида также обеспечивается только 12-фазный режим преобразования. Последние топологии являются известными.

Топологические размеры, приведенные таблице, можно преобразовать в топологические размеры шестифазных звезд (выражение длины малого луча звезды l_M через длину большого луча l_Б ) по формуле

(Фиг.5, а). Здесь использован угловой топологический параметр , значения которого приведены в таблице.

Топология преобразователя с µ=12 позволяет получить каноническое 24-фазное преобразование только на основе двух систем ЭДС, сдвинутых относительно друг друга на =15 эл. град., т.е. по известной схеме с недостатками, присущими прототипу. При сдвиге же =30 эл. град. рассогласование амплитуд смежных векторов результирующих напряжений K_S в предлагаемом варианте преобразователя с µ=12 превышает 3% (Фиг.6).

Углы проводимости вентилей шестифазных мостов зависят от топологической реализации (µ). При этом вентили любого из двух мостов (Фиг.1), подключенные к средним точкам больших вторичных фазных обмоток, имеют меньший угол проводимости, чем вентили, подключенные к средним точкам малых вторичных фазных обмоток. Так, при µ=24 все вентили в мостах, подключенные к большим вторичным фазным обмоткам проводят ток 45 эл. град., а вентили, подключенные к малым вторичным фазным обмоткам - 75 эл. град. (Фиг.7). В случае реализации преобразователя при µ=8 углы проводимости вентилей равны, соответственно, 15 эл. град. и 105 эл. град. Максимальные обратные напряжения (Фиг.7), прикладываемые к вентилям шестифазных мостов, во всех случаях равны U_{ОБР МАКС}=0,512 U _d0 (U_d0 - среднее значение выпрямленного напряжения на холостом ходу).

Среднее значение выпрямленного напряжения преобразователя (Фиг.1) на холостом ходу при сдвиге между шестифазными системами =30 эл. град. определяется по формулам (за о.е. принято действующее значение напряжения половины большой вторичной фазной обмотки):

для преобразователей с µ [6, 12] - U^* _d0=1,664· +2,678;

для преобразователей с µ больше 12-ти - U^* _d0=2,143· +2,495, где

Отличие приведенных формул связано со сменой позиций взаимного расположения амплитудно-фазовых портретов вторичных обмоток при переходе параметра µ через значение µ=12, что показано на примере значений µ=48 и µ=9 на Фиг.2, а; г.

Преобразователь сохраняет относительно хорошее качество преобразования даже при большой конструктивной несимметрии фазных напряжений вторичных обмоток, особенно при параметре µ=24. На Фиг.8 показана кривая выпрямленного напряжения преобразователя с µ=24 при конструктивной несимметрии вторичных обмоток К_H=10%. Характерным является то, что конструктивная несимметрия не приводит к появлению шестой гармоники в кривой выпрямленного напряжения. График, приведенный на Фиг.6, показывает зависимость (в процентах) амплитудной асимметрии смежных векторов (пульсации s_i-1,s_i; s_i,s _i+1; s_i+1,s_i+2 и т.д.) результирующих выпрямляемых напряжений в преобразователе при различных числах µ. При µ=8 или µ=24 смежные векторы имеют одинаковую длину, т.е. выпрямленное напряжение каноническое. Однако более стабилен преобразователь, построенный по топологии µ=24, так как наклон кривой зависимости в точке µ=24 существенно меньше, чем в точке µ=8, т.е. влияние конструктивной несимметрии минимально. Поэтому в окрестности точки µ=24 (Фиг.6), можно выбирать те топологические размеры вторичных обмоток трансформаторов преобразователя, при которых не будет превышен заданный уровень конструктивной несимметрии (заметим, что рассогласование длин смежных векторов результирующих выпрямляемых напряжений (K _S) даже при значительной конструктивной несимметрии существенно меньше последней в процентном выражении).

На Фиг.9 (а) и (б) дано сравнение переменных составляющих выпрямленного напряжения предлагаемого преобразователя с µ=24 и прототипа, шестифазные системы которого сдвинуты относительно друг друга на угол =15 эл. град. Рассогласование длин векторов результирующих напряжений предлагаемого преобразователя составило всего K _S=0,77% при конструктивной несимметрии фазных напряжений вторичных обмоток К_H=10%, в то время как у прототипа такая несимметрия практически приводит к шестипульсному выпрямлению. При этом амплитуда переменной составляющей выпрямленного напряжения у прототипа в 2,25 раза больше соответствующего искажения у предлагаемого преобразователя.

Подобный эффект проявляется и при несимметрии питающих напряжений. При несимметрии питающих напряжений U=2% переменная составляющая выпрямленного напряжения предлагаемого преобразователя не содержит шестой и кратных ей гармоник. На Фиг.9 сравниваются искажения выпрямленных напряжений в предлагаемом преобразователе (б) и искажения в прототипе (г).

Указанные эффекты объясняются нестандартным способом формирования кривой выпрямленного напряжения. Выходное напряжение каждой из выпрямительных секций не является каноническим 12-пульсным (Фиг.4). Оно как бы промодулировано шестой гармоникой, причем характер модуляции не меняется при увеличении конструктивной несимметрии, так как системы питания шестифазные и угол сдвига между условными фазами (лучами шестифазной звезды, вписанной в шестиугольник (Фиг.5,а)) равен 60 эл. град., т.е. периоду шестой гармоники. Вместе с тем, выходные напряжения выпрямительных секций предлагаемого преобразователя сдвинуты относительно друг друга на угол =30 эл. град. (половину периода шестой гармоники), а не угол =15 эл. град. (применяемый в прототипе и известных схемах с четырьмя трехфазными выпрямительными секциями). Поэтому шестые гармоники смежных секций взаимно компенсируются при любых причинах, их порождающих, в том числе при параметрической несимметрии цепей тока в фазах трансформаторов при формировании результирующих выпрямляемых напряжений и различиях углов коммутации. Что касается прототипа, то, даже при небольшой конструктивной несимметрии, в его выпрямленном напряжении появляется шестая гармоника, а при несимметрии питающих напряжений 2, 4, 6, гармоники.

Из формы кривой на диаграмме (Фиг.10) видно, что состав высших гармоник в токе, потребляемом предлагаемым преобразователем (на примере сетевого тока фазы А), невысок. Это обеспечивает высокий уровень электромагнитной совместимости преобразователя с питающей сетью и ее потребителями.

Немаловажно то, что части вторичных фазных обмоток трансформаторов преобразователя симметричны относительно средних точек (фазных отводов), а провода всех частей обмоток имеют одинаковое сечение. Так как при изготовлении обмоток по схемам полуправильных шестиугольников на каждую фазу трансформатора приходится по две обмотки с отводами от средних точек, упрощается технология изготовления. При необходимости вторичные обмотки трансформаторов преобразователя могут быть выполнены по другим схемам, например, приведенным на Фиг.5, а первичные обмотки по схемам скользящих треугольников. Применение первичных обмоток, соединенных по схемам скользящих треугольников или неравносторонних зигзагов, обеспечивающих фазовый сдвиг между вторичными системами =30 эл. град., способствует унификации оборудования преобразователя, но при определенном увеличении типовой мощности трансформаторов.

При параллельном соединении шестифазных мостов обязательным условием является применение уравнительного реактора. На нагрузке, подключенной к средней точке обмотки уравнительного реактора, относительно другого выходного вывода преобразователя выделяется полусумма мгновенных значений фазосдвинутых напряжений, формируемых на выходах вентильных мостов. Без применения уравнительного реактора режим преобразования в результате наложения кривых u_d(5) и u_d(6) (Фиг.4) будет только 12-фазным.

В трансформаторах преобразователя (Фиг.1) отсутствуют потоки вынужденного подмагничивания и типовая мощность трансформаторного оборудования преобразователя при µ=24 равна S_T =1,1394·Р_d, а при µ=8 равна S_T =1,078·Р_d. Эти показатели лучше показателя прототипа, типовая мощность трансформаторов которого S_T=1,217·Р _d.

Таким образом, предлагаемый преобразователь переменного напряжения в постоянное имеет, по сравнению с прототипом, более высокое качество преобразования при несимметрии питающих напряжений, конструктивной несимметрии фазных напряжений вторичных обмоток и параметрической несимметрии трансформаторов и меньшую типовую мощность трансформаторов.