ДВЕНАДЦАТИФАЗНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК H02M7/155 

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано на подстанциях трехфазного напряжения (промышленных, тяговых, специального назначения) для питания электропотребителей постоянным током.

Известны 12-фазные выпрямители, содержащие вентили, подключенные к вторичным обмоткам одного или двух трехфазных трансформаторов. Схемы таких выпрямителей приведены, например, в [1] на фиг.265 и 278. В настоящее время наибольшее применение имеют 12-фазные выпрямители, содержащие два трехфазных вентильных моста, которые питаются от двух двухобмоточных трансформаторов или одного трехобмоточного трансформатора. При этом 12-фазное преобразование достигается за счет соединения одной вторичной обмотки звездой, а другой - треугольником. На стороне постоянного тока вентильные мосты соединяются либо параллельно через уравнительный реактор, либо последовательно. Недостатком этих известных 12-фазных выпрямителей является возникновение при пробое одного вентиля больших аварийных токов, в десятки раз превышающих токи номинального режима. Такие аварийные токи приводят к повреждению других ("здоровых") вентилей выпрямителя.

Наиболее близким к изобретению является 12-фазный выпрямитель, содержащий два трехфазных трансформатора, первичные обмотки которых соединены между собой последовательно, и вентильные мосты, подключенные ко вторичным обмоткам обоих трансформаторов, причем первичные обмотки выполнены у первого трансформатора, подключенного к шинам трехфазного напряжения, по схеме "звезда" с изолированными нулевыми выводами фаз, а у второго трансформатора по схеме "треугольник", вентильные мосты, относящиеся к первому и второму трансформаторам, включены на стороне постоянного тока параллельно или последовательно [2] . Этот 12-фазный выпрямитель, принятый за прототип, обладает глубоким ограничением аварийных токов при пробое одного из его вентилей. Этот недостаток так же, как и других известных 12-фазных выпрямителей [1], состоит в том, что при снижении выпрямленного напряжения (углом регулирования) увеличивается потребление реактивной мощности и происходит уменьшение коэффициента мощности, примерно пропорционально выпрямленному напряжению.

Задачей изобретения является повышение коэффициента мощности 12-фазного выпрямителя, обладающего свойством глубокого ограничения аварийных токов, при работе с выпрямленным напряжением, пониженным изменением угла регулирования ниже 0,7 номинального.

Сущность изобретения состоит в том, что у предлагаемого 12-фазного выпрямителя, имеющего два трехфазных трансформатора с последовательным соединением первичных обмоток (так же как и у прототипа [2]), к каждой фазе вторичных обмоток первого и второго трансформатора подключен однофазный вентильный мост, мосты каждого трансформатора соединены последовательно, два вентиля каждого моста, соединенные с одним из выводов фазы вторичной обмотки, управляемые, например, тиристорные, а два других вентиля каждого моста неуправляемые, например, диодные. Вентильные мосты, относящиеся к первому и второму трансформаторам, включены на стороне постоянного тока параллельно или последовательно.

Наличие в однофазных мостах двух неуправляемых вентилей приводит к тому, что при снижении выпрямленного напряжения путем увеличения угла регулирования управляемых вентилей постоянный ток часть каждого полупериода переменного напряжения проходит через оба неуправляемых вентиля, минуя фазу вторичной обмотки. Это дает требуемый положительный эффект - повышение коэффициента мощности выпрямителя.

На фиг.1 приведена схема предлагаемого двенадцатифазного выпрямителя; на фиг. 2 - графики, показывающие достигаемый эффект - повышение коэффициента мощности.

К шинам трехфазного напряжения 1 (фиг.1) подключен трехфазный трансформатор 2, через первичную обмотку которого питается трехфазный трансформатор 3 с первичной обмоткой, соединенной треугольником. Первичные обмотки трансформаторов 2 и 3 рассчитаны на одинаковые линейные напряжения, равные половине линейного напряжения на шинах 1. Фазы вторичных обмоток обоих трансформаторов имеют по два вывода - фазный и нулевой. Вторичные напряжения трансформаторов 2 и 3 одинаковые по величине, но сдвинуты по фазе на 30^o. К фазам вторичной обмотки трансформатора 2 подключены однофазные вентильные мосты 4,5 и 6, к фазам вторичной обмотки трансформатора 3 - однофазные вентильные мосты 7,8 и 9.

Мосты 4-6 соединены последовательно и на стороне постоянного тока образуют выводы 10 и 11, имеющие соответственно полярности минус и плюс. Аналогично мосты 7-9, соединенные последовательно, образуют выводы 12 и 13. Выпрямленные напряжения мостов 4-6 и мостов 7-9 содержат по шесть пульсаций за период переменного напряжения на шинах 1. Пульсации выпрямленных напряжений мостов 4-6 и мостов 7-9 содержат по шесть пульсаций за период переменного напряжения на шинах 1. пульсация выпрямленных напряжений мостов 4-6 и мостов 7-9 сдвинуты между собой на 30^o.

Предлагаемый 12-фазный выпрямитель выполняется в двух вариантах: в первом варианте мосты 4-6 и мосты 7-9 включаются параллельно (соединяются между собой выводы 10 и 12 и выводы 11 и 13, образуя соответственно выводы минус и плюс 12-фазного выпрямителя), во втором варианте они включаются последовательно (соединяются выводы 11 и 12). Выпрямленное напряжение в обоих вариантах имеет благодаря сдвигу пульсаций в напряжениях мостов 4-6 и 7-9 двенадцать пульсаций.

В токах вторичных обмоток обоих трансформаторов содержатся первая гармоника и высшие гармоники, имеющие порядки n = 12k±1 и n = 3k, где k = 1, 2, 3... Высшие гармоники, кратные трем, замыкаются в первичной обмотке трансформатора 3 и в специально введенной для этого третичной обмотке трансформатора 2, соединенной треугольником. В результате сетевой ток на входе выпрямителя содержит, кроме первой гармоники, высшие гармоники порядка 12k±1, соответствующие 12-фазному преобразованию.

Благодаря последовательному соединению первичных обмоток трансформаторов предлагаемый выпрямитель, так же, как известный [2], обладает свойством глубокого ограничения аварийных токов при пробое вентиля и при других коротких замыканиях в зоне одного трансформатора.

Повышение коэффициента мощности у предлагаемого выпрямителя достигается благодаря применению в схеме каждого однофазного моста двух вентилей, соединенных с одним из выводов фазы вторичной обмотки, управляемых, а двух других - неуправляемых. В частности, как показано на фиг.1, вентили 14 - тиристоры, а вентили 15 - диоды.

При регулировании выпрямленного напряжения вентили работают несинхронно: тиристоры 14 включаются в момент подачи на них управляющих импульсов, а диоды 15 - в момент появления на них положительного напряжения. В результате до включения тиристоров однофазный мост шунтируется диодами, что приводит к снижению реактивной мощности, потребляемой выпрямителем из энергосистемы, и к увеличению коэффициента мощности выпрямителя.

Работа выпрямителя исследована на математической модели. Напряжение короткого замыкания трансформаторов 2 и 3, от которого зависит значение коэффициента мощности, принималось равным реальной величине 0,1.

График 16 на фиг.2 показывает зависимость коэффициента мощности К предлагаемого выпрямителя от относительного значения выпрямленного напряжения V = U_d/U_dном, где U_d - постоянная составляющая выпрямленного напряжения при различных углах регулирования, а U_dном - то же при угле регулирования, равном нулю. Постоянный ток выпрямителя в процессе регулирования U_d поддерживался неизменным, равным номинальному.

График 17 на фиг.2 показывает зависимость коэффициента мощности K от V для известного выпрямителя [2] (для прототипа). График 17 получен при тех же условиях, что и график 16: напряжение короткого замыкания трансформаторов равно 0,1, постоянный ток - номинальный.

Из сравнения графиков 16 и 17 следует:
- при напряжениях V [0.7; 1.0] коэффициенты K обоих выпрямителей имеют близкие значения,
- при V <0.7 коэффициент мощности предлагаемого выпрямителя имеет более высокие значения,
- при V [0; 0.4] коэффициент мощности у предлагаемого выпрямителя примерно в 1,5 раза выше, чем у известного.

Таким образом, задача изобретения выполнена: коэффициент мощности 12-фазного выпрямителя при работе с выпрямленным напряжением ниже 0,7 номинального повышен.

Источники информации
1. Шляпошников Б.М. Игнитронные выпрямители. М.: Трансжелдориздат, 1947.

2. А.с. СССР N 114549, кл. H 02 M 7/06, 1958.

Использование: на подстанциях трехфазного напряжения для питания электропотребителей постоянным током. Сущность: выпрямитель содержит два трансформатора, первичные обмотки которых соединены последовательно. Вторичные обмотки трансформаторов разомкнуты. К каждой фазе вторичных обмоток подключен однофазный мост, содержащий два неуправляемых и два управляемых вентиля. 2 ил.

Двенадцатифазный выпрямитель, содержащий два трехфазных трансформатора, первичные обмотки которых соединены между собой последовательно, и вентильные мосты, подключенные к вторичным обмоткам обоих трансформаторов, причем первичные обмотки выполнены у первого трансформатора, подключенного к шинам трехфазного напряжения, по схеме "звезда" с изолированными нулевыми выводами фаз, а у второго трансформатора по схеме "треугольник", вентильные мосты, относящиеся к первому и второму трансформаторам, включены параллельно или последовательно, отличающийся тем, что к каждой фазе вторичных обмоток обоих трансформаторов подключен однофазный вентильный мост, мосты каждого трансформатора соединены последовательно, два вентиля каждого моста, соединенные с одним из выводов вторичной обмотки, управляемые, например тиристорные, а два других вентиля каждого моста неуправляемые, например диодные, первый трансформатор выполнен с третичной обмоткой по схеме "треугольник".