ТРЕХФАЗНОЕ ТРАНСФОРМАТОРНО-ВЫПРЯМИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО С ДВУХКАНАЛЬНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ Российский патент 2006 года по МПК H02M7/08 

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

Известно трехфазное трансформаторно-выпрямительное устройство с двухканальным преобразованием, содержащее два выпрямительных моста, соединенных параллельно по выходу. Входы каждого из мостов присоединены к вторичным трехфазным обмоткам трансформатора, соединенным по схемам различной топологии: «треугольник» - «звезда», причем отношение чисел витков упомянутых обмоток друг к другу равно . В выходной цепи устройства установлен двухобмоточный уравнительный реактор (1). Известное устройство характеризуется низкими массогабаритными показателями, обусловленными наличием громоздкого фильтра, необходимого для обеспечения заданного качества выпрямленного напряжения.

Наиболее близким к данному изобретению является трехфазное трансформаторно-выпрямительное устройство с двухканальным преобразованием, содержащее два трехфазных выпрямительных моста, выходные цепи которых, предназначенные для подключения нагрузки, соединены параллельно. Входные выводы трехфазных мостов подсоединены к трехфазным вторичным обмоткам трансформаторов, соединенным по схеме «звезда». Первичные обмотки трансформаторов соединены по схемам различной топологии, с обязательным выполнением соотношения между числами их витков в √3 раз. Уравнительный реактор, служащий для снижения действующего значения тока в обмотках трансформаторов, включен в выходные цепи выпрямительных мостов, обеспечивая их одновременную параллельную работу с временем проводимости каждого вентиля в 120 эл. град.

Недостатком известного решения (2) является несимметричная токовая загрузка каналов, в состав каждого из которых входит выпрямительный мост с соответствующим трансформатором. Это обусловлено практической невозможностью точного выполнения разницы в √3 раз между коэффициентами трансформации трансформаторов и разницей во внутренних сопротивлениях каналов из-за различных сопротивлений вторичных обмоток. Возникающая при этом амплитудная несимметрия во входных напряжениях мостов ведет к разбалансу токов в каналах. При этом возрастают пульсации выпрямленного напряжения, а в его спектре появляются гармоники более низкой частоты, что означает снижение качества выпрямленного напряжения. Устранение этих недостатков возможно лишь путем введения дополнительных узлов, например, фильтров, уравнительных реакторов и т.д., следствием чего является ухудшение массогабаритных показателей.

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

Положительный результат достигается тем, что в трехфазном трансформаторно-выпрямительном устройстве с двухканальным преобразованием, содержащем два трехфазных выпрямительных моста, выходные цепи которых, предназначенные для подключения нагрузки, соединены параллельно, входные выводы трехфазных выпрямительных мостов подсоединены к трехфазным вторичным обмоткам соответствующих трансформаторов, цепи трехфазных первичных обмоток первого из которых, соединенные между собой по схеме «звезда», подключены к соответствующим выводам трехфазной сети [2], трехфазные первичные обмотки второго трансформатора включены пофазно согласно и последовательно в соответствующие цепи трехфазных первичных обмоток первого трансформатора, трехфазные вторичные обмотки первого и второго трансформаторов соединены по схемам различной топологии при соотношении числа витков трехфазных вторичных обмоток, соединенных по схеме «треугольник» к числу витков трехфазных вторичных обмоток, соединенных по схеме «звезда», в пределах от 1,6 до 1,8, при этом числа витков трехфазных первичных обмоток обоих трансформаторов одинаковы.

На Фиг.1 изображена электрическая схема устройства. На Фиг.2 и Фиг.3 приведены временные диаграммы, поясняющие работу схемы при чисто активной нагрузке.

Устройство (Фиг.1) содержит два канала преобразования, первый из которых выполнен на первом трансформаторе 1, трехфазные цепи первичных обмоток 2 которого, соединенные между собой по схеме «звезда», подключены к соответствующим выводам трехфазной сети, а трехфазные вторичные обмотки 3, также соединенные между собой по схеме «звезда», подсоединены к входным выводам выпрямительного моста 4. Второй канал преобразования содержит второй трансформатор 5, трехфазные первичные обмотки 6 которого пофазно согласно и последовательно включены в цепи трехфазных первичных обмоток 2 первого трансформатора 1, а трехфазные вторичные 7 обмотки, соединенные между собой по схеме «треугольник», подключены к входным выводам второго выпрямительного моста 8. Оба выпрямительных моста 4 и 8 соединены по выходу параллельно. Следует отметить, что несущественно, вторичные обмотки трансформатора какого из преобразовательных каналов выполнены по схеме «звезда» или «треугольник», важно то, что они выполнены по схемам разной топологии.

Работа устройства поясняется временными диаграммами.

На Фиг.2 показаны:

9 - фазные напряжения питающей сети;

10 - потребляемые из сети фазные токи;

11 - фазные напряжения на первичной обмотке 2 трансформатора 1;

12 - фазные напряжения на первичной обмотке 6 трансформатора 5;

На Фиг.3 показаны:

13 - выпрямленное 12-пульсное напряжение (на нагрузке);

14, 15 - токи на выходе выпрямительных мостов 4, 8;

16, 17 - один из линейных токов вторичных обмоток 3, 7 (входных токов соответствующих мостов);

18 - один из фазных токов вторичной обмотки 7.

В процессе работы каждый из выпрямительных мостов попеременно (через интервал π/6) работает не только в двухвентильном, но и в трехвентильном режиме, при котором на интервалах длительностью π/6 в проводящем состоянии находятся три вентиля. Причем, если один выпрямительный мост находится в двухвентильном режиме, то второй мост - в трехвентильном режиме и наоборот. Диоды мостов на периоде питающего напряжения работают 150 эл. град. При полностью сглаженном выпрямленном токе нагрузки устройства (при наличии в выходной цепи значительной индуктивности) токи 14 на выходе каждого из мостов (Фиг.3) оказываются промодулированными прямоугольными импульсами (со скважностью 2) с частотой 6f, где f - частота сетевого напряжения, и глубиной модуляции 0,134. Потребляемый из сети ток 10 имеет коэффициент гармоник 0,152. Благодаря последовательному соединению первичных обмоток 2, 6 их токи одинаковы, поэтому вторичные фазные токи в обоих каналах (обмотках 3 и 7) синфазны, имеют такую же форму (ступенчатую с тремя ступенями на четверти периода, не считая нулевой паузы, с отношением ступеней 0,5:0,866:1,0), а по уровню отличаются между собой в √3 раз, причем в первом канале фазный ток 16 больше, чем ток 18 во втором канале. Во втором канале линейный ток 17 имеет одинаковую с фазным током 18 форму, причем по уровню линейный ток больше фазного тока в √3 раз и опережает его на угол π/6. Все шесть линейных токов имеют одинаковую ступенчатую форму, такую же, как и фазные токи. Все шесть линейных напряжений на входах мостов имеют одинаковую «квазитрапецеидальную» форму 12 (Фиг.2) и сдвинуты друг относительно друга на угол π/6. Когда выпрямительный мост 8 в пределах интервала квантования (π/6) находится в двухвентильном (естественном) режиме, при котором один из линейных токов равен 0, а в мосте 8 в проводящем состоянии находятся два вентиля, два других линейных тока имеют уровень 0,866, при этом из-за фазового сдвига π/6 между линейными и фазными токами 17, 18 (Фиг.3) ни один из трех фазных токов не равен 0. При этом токи имеют следующие уровни ступеней (в долях от ступеней линейных токов):

0,5/√3; 0,866√3; 1√3.

Соответствующие фазные токи 10 первого канала имеют те же относительные уровни ступеней, но по абсолютному значению больше фазных токов 18 второго канала в √3 раз. Одновременное протекание токов во всех трех фазах первого канала означает, что в мосте 4 в проводящем состоянии находятся три вентиля, то есть мост 4 находится в трехвентильном (вынужденном) режиме. Трансформатор 1 находится в режиме «квазикороткого замыкания», при котором одно из трех линейных напряжений 12 на входе моста 4 равно нулю (Фиг.2).

В следующем по времени интервале квантования выпрямительный мост 4 первого канала находится в двухвентильном режиме, а мост 8 второго канала - в трехвентильном. При этом два фазных (линейных) тока 10 (16) в первом канале имеют относительные уровни ступеней 0,866, ток третьей фазы равен нулю и в проводящем состоянии находятся два вентиля. Фазные токи во втором канале такие же, как и в первом, но по уровню меньше в √3 раз. Линейные токи имеют уровни ступеней: 0,5; 0,866; 1,0. В проводящем состоянии находятся три вентиля моста 8, а трансформатор 5 работает в режиме «чистого» однофазного короткого замыкания. Однако полного однофазного короткого замыкания для всего устройства не происходит, т.к. в этот момент все фазное напряжение сети прикладывается к первичной фазной обмотке 2. В результате этих процессов фазные напряжения 11, 12 трансформаторов 1 и 5 имеют разную форму (Фиг.2). Две описанные ситуации чередуются и определяют весь процесс преобразования трехфазного напряжения. Благодаря равномерной токовой загрузке каналов схема практически нечувствительна к амплитудной несимметрии напряжений в каналах, может обеспечивать высокий уровень качества выпрямленного напряжения даже при соотношении чисел витков вторичных обмоток двух каналов 1,6 до 1,8 и позволяет избежать неоправданного переразмеривания установленной мощности элементов. Кроме того, устройство технологично и имеет оптимальные массогабаритные показатели, что делает его предпочтительным для использования в качестве выпрямителя, обладающего улучшенной электромагнитной совместимостью с нагрузкой и сетью.

Источники информации

1. Розанов Ю.К. «Основы силовой преобразовательной техники», М., Энергия, с.392, 1979 г.

2. «Полупроводниковые выпрямители» под ред. Ковалева Ф.И. и Мостковой Г.П., М., Энергия, с.480, 1967 г.

Изобретение может быть использовано в электротехнике в качестве трехфазного выпрямителя, имеющего улучшенную электромагнитную совместимость с нагрузкой и сетью за счет максимального использования потенциальных возможностей двухканального преобразования энергетического потока при оптимальных массогабаритных показателях. Устройство содержит два соединенных параллельно по выходу выпрямительных моста (4), (8), входы которых подключены соответственно к вторичным трехфазным обмоткам (3) и (7) трансформаторов (1), (5). Топология выполнения схем указанных обмоток различная. Первичные обмотки (2) и (6) трансформаторов (1) и (5) соединены друг с другом пофазно согласно и последовательно. Благодаря организации чередования работы мостов (4) и (8) в двухвентильном и соответственно трехвентильном режимах появилась возможность достижения технического результата - улучшения качества выходного напряжения за счет исключения разбаланса токов, вызванного амплитудной несимметрией напряжений в каналах. 3 ил.

Трехфазное трасформаторно-выпрямительное устройство с двухканальным преобразованием, содержащее два трехфазных выпрямительных моста, выходные цепи которых, предназначенные для подключения нагрузки, соединены параллельно, входные выводы трехфазных выпрямительных мостов подсоединены к трехфазным вторичным обмоткам соответствующих трансформаторов, цепи трехфазных первичных обмоток первого из которых, соединенные между собой по схеме "звезда", подключены к соответствующим выводам трехфазной сети, отличающийся тем, что трехфазные первичные обмотки второго трансформатора включены пофазно согласно и последовательно в соответствующие цепи трехфазных первичных обмоток первого трансформатора, трехфазные вторичные обмотки первого и второго трансформаторов соединены по схемам различной топологии при соотношении числа витков трехфазных вторичных обмоток, соединенных по схеме "треугольник", к числу витков трехфазных вторичных обмоток, соединенных по схеме "звезда", в пределах от 1,6 до 1,8, при этом числа витков трехфазных первичных обмоток обоих трансформаторов одинаковы.