ТРЕХФАЗНОЕ ТРАНСФОРМАТОРНО-ВЫПРЯМИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО С ДВУХКАНАЛЬНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2006 года по МПК H02M7/02 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к силовой преобразовательной технике, и может быть использовано при проектировании выпрямителей, обладающих улучшенной электромагнитной совместимостью с нагрузкой и сетью.

Известно трехфазное трансформаторно-выпрямительное устройство с двухканальным преобразованием (1), содержащее два соединенных параллельно по выходу трехфазных выпрямительных моста и трансформаторный узел в виде двух трехфазных трансформаторов, первичная и вторичная трехфазные обмотки у одного из которых выполнены по схемам одной топологии, например «звезда-звезда», а первичная и вторичная трехфазные обмотки у другого - по схемам различной топологии: «треугольник»-«звезда» соответственно. Вторичные трехфазные обмотки каждого из трансформаторов подключены к входам одного из двух трехфазных выпрямительных мостов и выполняются одинаковыми по числу витков (1). Уравнительный реактор, включенный в выходные цепи выпрямителей, обеспечивает одновременную параллельную работу двух мостов с временем проводимости каждого вентиля мостов 120 эл. градусов, что обеспечивает снижение в действующего значения тока в обмотках трансформаторов и, как следствие, снижение их установленной (габаритной) мощности в сравнении с вариантом, когда уравнительный реактор отсутствует.

Недостатком этого решения является несимметричная токовая загрузка каналов (т.е. выпрямительных мостов с их трансформаторами), обусловленная практической невозможностью точного выполнения принципиально необходимой разницы в между коэффициентами трансформации трансформаторов, а также практически имеющейся разницей во внутренних сопротивлениях каналов из-за различных сопротивлений вторичных обмоток. Возникающая при этом амплитудная несимметрия во входных напряжениях мостов в единицы или даже доли % трансформируется в более значительный разбаланс токов в каналах, который может достигать нескольких десятков % или даже нескольких раз. При этом возрастают также и пульсации выпрямленного напряжения, а в его спектре появляются гармоники более низкой частоты, что означает существенное снижение качества выпрямленного напряжения. Исключить эти негативные факторы можно за счет увеличения установленной мощности трансформаторов и выпрямительных мостов, а также введения выходного сглаживающего фильтра, что неизбежно приведет к ухудшению массогабаритных показателей устройства.

Наиболее близким к изобретению устройством является трехфазное трансформаторно-выпрямительное устройство с двухканальным преобразованием, содержащее соединенные параллельно по выходу два выпрямительных моста, входы каждого из которых присоединены к вторичным трехфазным обмоткам трансформатора, первые из которых соединены по схеме «треугольник», а вторые - по схеме «звезда», причем отношение чисел витков первых вторичных обмоток ко вторым должно быть равным . В выходной цепи устройства также установлен двухобмоточный уравнительный реактор (2).

Вышеуказанные недостатки устройства (1) имеют место и в известном устройстве (2), причем проявляются они еще в большей мере при работе трансформатора на повышенной частоте, например 400 Гц с первичным напряжением 115/200 В при формировании выпрямленного напряжения низкого уровня, например порядка 30 В. В этом случае вторичные обмотки трансформатора характеризуются малым числом витков (значениями порядка 10-20), а необходимое условие соблюдения требуемого отношения между числами их витков здесь выполняется еще хуже: даже небольшая амплитудная несимметрия менее 1% приводит к разбалансу токов в каналах до нескольких десятков % и к существенному увеличению пульсаций выпрямленного напряжения. Такой характер процессов, в конечном счете, ухудшает массогабаритные показатели устройства.

Положительным результатом, которого можно достичь при использовании обоих вариантов данного изобретения, является улучшение массогабаритных показателей устройства за счет устранения разбаланса токов в каналах и улучшения качества выпрямленного напряжения.

Положительный результат по первому варианту исполнения устройства достигается тем, что в трехфазном трансформаторно-выпрямительном устройстве с двухканальным преобразованием, содержащем два трехфазных выпрямительных моста, параллельно соединенные выходные цепи которых предназначены для подключения нагрузки, входные выводы трехфазных выпрямительных мостов подсоединены к цепям входящих в состав трансформаторного узла трехфазных вторичных обмоток, соединенных по схемам «треугольник» и «звезда» соответственно, цепи трехфазных первичных обмоток трансформаторного узла подключены к соответствующим выводам трехфазной сети, а также уравнительный реактор (2), уравнительный реактор выполнен трехфазным и имеет по две обмотки в каждой из фаз, соответствующие первые обмотки уравнительного реактора включены последовательно в соответствующие им по фазе цепи трехфазных вторичных обмоток, соединенных по схеме «треугольник», а соответствующие вторые обмотки уравнительного реактора включены последовательно в соответствующие им по фазе цепи трехфазных вторичных обмоток, соединенных по схеме «звезда», причем направление намотки первых и вторых обмоток уравнительного реактора относительно соединенных с ними трехфазных вторичных обмоток выбрано согласным и соответственно встречным либо встречным и соответственно согласным, при этом отношение числа витков трехфазных вторичных обмоток, соединенных по схеме «треугольник» к числу витков трехфазных вторичных обмоток, соединенных по схеме «звезда», так же как и отношение числа витков каждой из первых обмоток к числу витков каждой из вторых обмоток уравнительного реактора, выбрано в диапазоне от 1,6 до 1,8. Трансформаторный узел может быть выполнен в виде одного трансформатора либо двух трансформаторов, цепи трехфазных первичных и вторичных обмоток которых являются соответствующими цепями трансформаторного узла, причем соединение цепей трехфазных первичных обмоток обоих трансформаторов выполнено по схемам одной топологии.

Положительный результат по второму варианту выполнения устройства достигается тем, что в трехфазном трансформаторно-выпрямительном устройстве с двухканальным преобразованием, содержащем два трехфазных выпрямительных моста, параллельно соединенные выходные цепи которых предназначены для подключения нагрузки, а их входные выводы подключены к соответствующим цепям трехфазных вторичных обмоток, входящих в состав трансформаторного узла, цепи трехфазных первичных обмоток которого присоединены к соответствующим выводам трехфазной сети, а также уравнительный реактор (2), трансформаторный узел выполнен в виде двух трансформаторов, цепи трехфазных первичных и вторичных обмоток которых являются упомянутыми аналогичными цепями трансформаторного узла, при этом цепи трехфазных вторичных обмоток обоих трансформаторов соединены по схемам одной топологии, при этом уравнительный реактор выполнен трехфазным и содержит в каждой из фаз по две обмотки, соответствующие первые из которых включены последовательно в соответствующие им по фазе цепи трехфазных первичных обмоток первого трансформатора, соединенных по схеме «треугольник», а вторые обмотки уравнительного реактора включены последовательно в соответствующие им по фазе цепи первичных трехфазных обмоток второго трансформатора, соединенных по схеме «звезда», причем направление намотки первых и вторых обмоток уравнительного реактора относительно соединенных с ними трехфазных первичных обмоток выбрано согласным и соответственно встречным либо встречным и соответственно согласным, при этом отношение числа витков каждой из трехфазных первичных обмоток первого трансформатора к числу витков каждой из трехфазных первичных обмоток второго трансформатора, так же, как и отношение числа витков каждой из первых обмоток к числу витков каждой из вторых обмоток уравнительного реактора выбрано в диапазоне от 1,6 до 1,8.

В обоих вариантах исполнения устройства первые и вторые обмотки уравнительного реактора могут быть размещены пофазно на соответствующих трех отдельных магнитопроводах либо на кернах трехстержневого магнитопровода.

На Фиг.1 и Фиг.2 представлены электрические схемы устройства по первому варианту исполнения с одним трансформатором и двумя трансформаторами соответственно.

На Фиг.3 изображена электрическая схема устройства по второму варианту исполнения.

На Фиг.4 и Фиг.5 приведены временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Трехфазное трансформаторно-выпрямительное устройство с двухканальным преобразованием (Фиг.1, 2, 3) содержит трансформаторный узел 1, входящие в его состав цепи трехфазных первичных обмоток 2 подключены к выводам трехфазной сети, а цепи трехфазных вторичных обмоток 3 - к входам соответствующих трехфазных выпрямительных мостов 4, 5, выходные цепи которых, служащие для подключения нагрузки, присоединены параллельно друг другу. В каждую из фаз цепей трехфазных обмоток трансформаторного узла 1 включены первые 6 и вторые 7 обмотки трехфазного уравнительного реактора.

По первому варианту выполнения устройства трансформаторный узел 1 выполнен в виде одного трансформатора (Фиг.1) и двух трансформаторов (Фиг.2). Цепи трехфазных вторичных обмоток 3, соответствующие выпрямительным мостам 4, 5, соединены по схемам с различной топологией: «звезда»-«треугольник» либо «треугольник»-«звезда». Первые обмотки 6 уравнительного реактора включены последовательно в соответствующие им по фазе цепи трехфазных вторичных обмоток трансформаторного узла 1, соединенных по схеме «треугольник». Вторые обмотки 7 уравнительного реактора включены последовательно в соответствующие им по фазе цепи трехфазных вторичных обмоток 3 трансформаторного узла 1, соединенные по схеме «звезда». При выполнении трансформаторного узла в виде двух трансформаторов (Фиг.2) соединение цепей их трехфазных первичных обмоток 2 выполнено по идентичным по топологии схемам.

По второму варианту выполнения устройства (Фиг.3) трансформаторный узел 1 выполнен в виде двух трехфазных трансформаторов, цепи трехфазных вторичных обмоток 3 которых соединены по идентичным по топологии схемам, а цепи первичных обмоток 2 - по различным. Первые из обмоток 6 уравнительного реактора включены последовательно в соответствующие им по фазе цепи трехфазных первичных обмоток 2 первого трансформатора, соединенные по схеме «треугольник» а вторые обмотки 7 - последовательно в цепи первичных обмоток второго трансформатора, соединенные по схеме «звезда». Направление намотки первых 6 и вторых 7 обмоток уравнительного реактора относительно соединенных с ними трехфазных вторичных 3 (по первому варианту) и первичных 2 (по второму варианту) обмоток выбрано встречным и соответственно согласным либо согласным и соответственно встречным. Отношение чисел витков трехфазных вторичных 3 (для первого варианта) и первичных (для второго варианта) обмоток трансформаторного узла, соединенных по схеме «треугольник» к числу витков аналогичных цепей, соединенных по схеме «звезда», так же, как и отношение чисел витков каждой из первых обмоток к числу витков каждой из вторых обмоток в каждой из фаз уравнительного реактора выбрано в диапазоне от 1,6 до 1,8. В обоих вариантах исполнения обмотки 6, 7 каждой из фаз уравнительного реактора, могут располагаться на отдельных (однофазных) магнитопроводах или на кернах трехстержневого (трехфазного) магнитопровода.

Работа устройства

Преобразование энергетического потока с использованием двух выпрямительных мостов характеризует техническое решение как выпрямительное устройство с двухканальным преобразованием, каждый канал которого образован системой «трансформатор - выпрямительный мост» и проектируется на половинную мощность нагрузки. Отличительной положительной особенностью такого устройства является особый режим работы выпрямительных мостов 4, 5, обеспечиваемый уравнительным реактором. Мосты работают не только в традиционном двухвентильном, но и в трехвентильном режимах. Это означает, что в любой момент времени в проводящем состоянии в каждом из мостов находятся или два, или три вентиля. Состояния эти одинаковы по длительности и чередуются, причем, если в первом мосте 4 двухвентильный режим, то во втором мосте 5 - трехвентильный. Длительность проводящего состояния каждого из вентилей в каждом из мостов 4, 5 в сравнении с прототипом увеличена с 2π/3 до 5π/6. Результатом этого является уменьшение среднего значения тока через вентили на 5,7%. Форма токов во вторичных обмотках трансформаторного узла 1 при этом так же улучшена: их коэффициент гармоник снижен в 2 раза. В результате чего действующее значение тока во вторичной трехфазной обмотке, соединенной по схеме «звезда», уменьшен на 7,7%, что привело к снижению ее габаритной мощности. Благодаря введению обмоток 6, 7 трехфазного уравнительного реактора во вторичные обмотки 3 (Фиг.1) происходит:

- во-первых, сведение двух различных форм токов в обмотках 3 каналов к одной форме с меньшими отклонениями от синусоидальной формы и, как следствие, снижение в одной из обмоток действующего значения тока. По сути, здесь реализуется функция фильтрации, откуда и происходит используемое в последнее время более адекватное название уравнительного реактора - «трансфильтр» или фильтр-трансформатор (см., например, Мыцык Г.С. Основы структурно-алгоритмического синтеза источников вторичного электропитания. М.: МЭИ, - 1989. - 109 с.);

- во-вторых, выравнивание фазных токов в каналах (с учетом проектно заложенной в эти токи разницы в раз). Причиной разбаланса токов в каналах является практическая невозможность точного выполнения требуемой разницы в раз между числами витков трехфазных обмоток 3 в каналах, а также естественная разница в активных сопротивлениях каналов, в результате чего и возникает амплитудная несимметрия напряжений на входе двух мостов и, как следствие, указанный разбаланс токов;

- в-третьих, значительное снижение уровня пульсаций выпрямленного напряжения, что позволяет отказаться от установки выходного сглаживающего фильтра, который ухудшает массогабаритные показатели устройства (Фиг.4, Фиг.5).

Использование уравнительного реактора на вторичной стороне трансформаторного узла (по первому варианту) предпочтительнее для тех случаев применения, когда требуется выпрямление сетевого напряжения с существенным повышением его уровня, например, применительно к промышленной сети выше 600 В. При необходимости понижения выпрямленного напряжения, например, для авиационных сетей до напряжения порядка 30 В реактор целесообразно устанавливать на первичной стороне (по второму варианту). Это объясняется тем, что осуществлять намотку катушек более тонким проводом технологичнее и, кроме того, в этом случае более точно выполняется требуемое соотношение между числами витков в каналах.

В данном изобретении осуществляется одновременная в любой момент времени работа мостов. Благодаря этому происходит точное равномерное деление токов в каналах, и на этапе проектирования нет необходимости предусматривать переразмеривание установленной мощности элементов.

На Фиг.4 и 5 приведены осциллограммы работы устройства. Для обоих вариантов процессы качественно идентичные.

На Фиг.4а показаны: фазное - 8 и линейное - 9 напряжения, а также фазный (он же линейный) ток 10, протекающий через одну из обмоток 3 и обмотку 6 в первом канале, выполненном на базе мостового выпрямителя 4 и соответствующих обмоток трансформаторного узла.

На Фиг.4б приведены: фазное (оно же линейное) напряжение - 11, а также фазный - 12 и линейный - 13 токи, протекающие через обмотки 3 и 7 во втором канале, выполненном на базе мостового выпрямителя 5 и соответствующих обмоток трансформаторного узла. Токи имеют одинаковую форму.

На Фиг.4в представлены: ток в нагрузке - 14 и ток - 15 на выходе выпрямительного моста 4 первого канала. Особенностью тока 15 является то, что он промодулирован частотой, равной частоте пульсаций выпрямленного тока 14.

На Фиг.4г показаны: ток в нагрузке - 14 и ток - 16 на выходе выпрямительного моста 5 второго канала. Здесь ток 16 также промодулирован той же частотой, но в противофазе с током 15.

На Фиг.5 представлены: фазное - 17 и линейное - 18 напряжения в первом канале до уравнительного реактора; линейное напряжение - 19 после уравнительного реактора (на входе моста 4) и разность напряжений 19 и 18, которая «оседает» на двух обмотках 6 уравнительного реактора.

Таким образом, введение уравнительного реактора во входные цепи выпрямительных мостов обеспечивает идеальную компенсацию амплитудной несимметрии напряжений между цепями трехфазных вторичных обмоток обоих каналов. В результате чего даже при отклонениях коэффициента трансформации в пределах от 1,6 до 1,8 полностью устраняется разбаланс токов в каналах. Кроме того, уменьшение уровня пульсаций и улучшение формы токов во вторичных обмотках трансформаторного узла позволило исключить выходной сглаживающий фильтр и минимизировать сечение обмоток трансформатора.

Данное решение может быть использовано в случаях, когда при выпрямлении трехфазного напряжения переменного тока требуется улучшенная электромагнитная совместимость выпрямителя с нагрузкой и сетью.

Источники информации

1. Полупроводниковые выпрямители, под ред. Ковалева Ф.И. и Мостковой Г.П. - М.: Энергия, с.480, 1967 г.

2. Розанов Ю.К. Основы силовой преобразовательной техники - М.: Энергия, с.392, 1979 г.

Изобретение относится к электротехнике, в частности силовой преобразовательной технике, и может быть использовано в качестве выпрямителя, имеющего улучшенную электромагнитную совместимость с нагрузкой и сетью за счет максимального использования потенциальных возможностей двухканального преобразования энергетического потока. Устройство содержит два соединенных параллельно по выходу трехфазных выпрямительных моста (4, 5) входы которых присоединены соответственно к цепям трехфазных вторичных обмоток (3) трансформаторного узла (1). В цепи вторичных обмоток (3) (по первому варианту) или первичных обмоток (по второму варианту), соединенные по схемам «треугольник» - «звезда» пофазно последовательно включены первые (6) и вторые (7) обмотки трехфазного уравнительного реактора. Направление намотки первых (6) и вторых (7) обмоток уравнительного реактора относительно соединенных с ними трехфазных обмоток выбрано встречным и соответственно согласным либо согласным и соответственно встречным. Введение уравнительного реактора, отношение числа витков обмоток которого такое же, что и отношение числа витков фазных обмоток, соединенных по схемам различной топологии (от 1,6 до 1,8) исключает разбаланс токов в каналах и компенсирует амплитудную несимметрию напряжений между вторичными трансформаторными обмотками каналов выпрямления. Технический результат - снижение уровня пульсаций выходного напряжения и улучшение массогабаритных и показателей. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Трехфазное трансформаторно-выпрямительное устройство с двухканальным преобразованием, содержащее два трехфазных выпрямительных моста, параллельно соединенные выходные цепи которых предназначены для подключения нагрузки, входные выводы трехфазных выпрямительных мостов подсоединены к цепям входящих в состав трансформаторного узла трехфазных вторичных обмоток, соединенных по схемам «треугольник» и «звезда» соответственно, при этом цепи трехфазных первичных обмоток трансформаторного узла подключены к соответствующим выводам трехфазной сети, а также уравнительный реактор, отличающийся тем, что уравнительный реактор выполнен трехфазным и имеет по две обмотки в каждой из фаз, соответствующие первые обмотки уравнительного реактора включены последовательно в соответствующие им по фазе цепи трехфазных вторичных обмоток, соединенных по схеме «треугольник», а соответствующие вторые обмотки уравнительного реактора включены последовательно в соответствующие им по фазе цепи трехфазных вторичных обмоток, соединенных по схеме «звезда», причем направление намотки первых и вторых обмоток уравнительного реактора относительно соединенных с ними трехфазных вторичных обмоток выбрано согласным и соответственно встречным либо встречным и соответственно согласным, при этом отношение числа витков трехфазных вторичных обмоток, соединенных по схеме «треугольник», к числу витков трехфазных вторичных обмоток, соединенных по схеме «звезда», так же, как и отношение числа витков каждой из первых обмоток к числу витков каждой из вторых обмоток уравнительного реактора, выбрано в диапазоне от 1,6 до 1,8.2. Трехфазное трансформаторно-выпрямительное устройство с двухканальным преобразованием по п.1, отличающееся тем, что трансформаторный узел выполнен в виде одного трансформатора.3. Трехфазное трансформаторно-выпрямительное устройство с двухканальным преобразованием по п.1, отличающееся тем, что трансформаторный узел выполнен в виде двух трансформаторов, цепи трехфазных первичных и вторичных обмоток которых являются соответствующими цепями трансформаторного узла, причем соединение цепей трехфазных первичных обмоток обоих трансформаторов выполнено по схемам одной топологии.4. Трехфазное трансформаторно-выпрямительное устройство с двухканальным преобразованием по п.1, отличающееся тем, что первые и вторые обмотки уравнительного реактора размещены пофазно на соответствующих трех отдельных магнитопроводах.5. Трехфазное трансформаторно-выпрямительное устройство с двухканальным преобразованием по п.1, отличающееся тем, что первые и вторые обмотки уравнительного реактора размещены пофазно на соответствующих кернах трехстержневого магнитопровода.6. Трехфазное трансформаторно-выпрямительное устройство с двухканальным преобразованием, содержащее два трехфазных выпрямительных моста, выходные цепи которых, предназначенные для подключения нагрузки, соединены между собой параллельно, а их входные выводы подключены к соответствующим цепям трехфазных вторичных обмоток, входящих в состав трансформаторного узла, цепи трехфазных первичных обмоток которого присоединены к соответствующим выводам трехфазной сети, а также уравнительный реактор, отличающееся тем, что трансформаторный узел выполнен в виде двух трансформаторов, цепи трехфазных первичных и вторичных обмоток которых являются упомянутыми аналогичными цепями трансформаторного узла, цепи трехфазных вторичных обмоток обоих трансформаторов соединены по схемам одной топологии, а уравнительный реактор выполнен трехфазным и содержит в каждой из фаз по две обмотки, соответствующие первые из которых включены последовательно в соответствующие им по фазе цепи трехфазных первичных обмоток первого трансформатора, соединенных по схеме «треугольник», а вторые обмотки уравнительного реактора включены последовательно в соответствующие им по фазе цепи первичных трехфазных обмоток второго трансформатора, соединенных по схеме «звезда», причем направление намотки первых и вторых обмоток уравнительного реактора относительно соединенных с ними трехфазных первичных обмоток соответствующих трансформаторов выбрано согласным и соответственно встречным либо встречным и соответственно согласным, при этом отношение числа витков каждого из трехфазных первичных обмоток первого трансформатора к числу витков каждой из трехфазных первичных обмоток второго трансформатора, так же, как и отношение числа витков каждой из первых обмоток к числу витков каждой из вторых обмоток уравнительного реактора выбрано в диапазоне от 1,6 до 1,8.7. Трехфазное трансформаторно-выпрямительное устройство с двухканальным преобразованием по п.6 отличающееся тем, что первые и вторые обмотки уравнительного реактора размещены пофазно на соответствующих трех отдельных магнитопроводах.8. Трехфазное трансформаторно-выпрямительное устройство с двухканальным преобразованием по п.6, отличающееся тем, что первые и вторые обмотки уравнительного реактора размещены пофазно на соответствующих кернах трехстержневого магнитопровода.