ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТРЕХФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2012 года по МПК H02M7/12 

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано для преобразования трехфазного переменного напряжения в постоянное, с постоянным уровнем высших гармоник во всем диапазоне регулирования.

Все нижеприведенные аналоги являются аналогами для всех вариантов преобразователя.

Известен преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащий 6-фазный мостовой выпрямитель и трехфазный трансформатор с двумя вторичными обмотками, каждая из которых соединена в звезду и подключена к входным выводам этого моста, вторичные обмотки соединены между собой встречно, а их числа витков выбраны в соотношении (см. А.С. №540334, кл. H02M от 20.10.1972).

Недостатком этого преобразователя является низкое качество преобразования, т.к. с увеличением угла отпирания тиристоров увеличиваются и амплитуды канонических высших гармоник на стороне как постоянного, так и переменного тока. Несимметрия сети и преобразовательного тракта приводит к появлению в форме выпрямленного напряжения неканонической гармоники с частотой напряжения питающей сети. Неравные углы коммутации - причина того, что с увеличением нагрузки смежные по фазе пульсации выпрямленного напряжения становятся неравными по амплитуде и тем самым создают возрастающую по амплитуде неканоническую гармонику с частотой 300 Гц. Неравенство углов коммутации сопряжено с неравенством импедансов между смежными интервалами дискретности, что, в свою очередь, связано с неравенством алгебраических сумм приведенных чисел витков обмоток, участвующих в формировании смежных пульсаций. Стремление к точному выполнению соотношения чисел витков вторичных обмоток при понижающем коэффициенте трансформации может приводить к увеличению расчетной мощности и габаритов трансформатора. Несоблюдение предельно допустимых отклонений этого соотношения от оптимального значения приводит к вырождению формы кривой выпрямленного напряжения от 12-пульсной к 6-пульсной. Аналогичный результат, даже при строгом соблюдении соотношения чисел витков вторичных обмоток, наблюдается при увеличении тока нагрузки из-за неравных углов коммутации. Управление преобразователем может осуществляться с вторичной стороны. При этом с увеличением угла отпирания управляемых вентилей наблюдается рост величин всех гармоник, присущих 12-пульсному выпрямителю.

Совокупность причин, препятствующих получению желаемого технического результата, заключается в ограниченных возможностях преобразователя и его сильной зависимости от влияния параметров сети и преобразовательного тракта.

Известен преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащий на вторичной стороне трехфазного трансформатора 12-пульсный выпрямитель (см. А.С. №972638, кл. H02M от 17.12.1979), с двумя идентичными основными и двумя идентичными дополнительными трехфазными группами вторичных обмоток, диоды, основные упомянутые группы соединены каждая в звезду, нулевыми выводами которых образованы выходные выводы, вывод каждой фазы первой основной упомянутой группы подключен к анодам двух диодов, катоды которых соединены с одноименными выводами разноименных фаз второй основной упомянутой группы и к первому выводу последовательной цепи, состоящей из одноименной фазной обмотки первой дополнительной группы фазных обмоток и подключенного в проводящем направлении диода, второй вывод которой подключен к нулевому выводу второй основной группы фазных обмоток, вывод каждой фазы второй основной группы фазных обмоток подключен к первому выводу последовательной цепи, состоящей из одноименной фазной обмотки второй дополнительной группы фазных обмоток и подключенного в непроводящем направлении диода, второй вывод которой подключен к нулевому выводу первой основной группы фазных обмоток, при этом в первых и вторых парах упомянутых групп одноименные фазные обмотки соединены согласно последовательно, а соотношение их чисел витков выбрано равным .

Недостатком этого преобразователя является низкое качество преобразования, аналогичное вышеуказанному аналогу.

Совокупность причин, препятствующих получению желаемого технического результата, заключается в ограниченных возможностях преобразователя и его сильной зависимости от влияния параметров сети и преобразовательного тракта.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению (прототип) является преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащий нулевой входной вывод, трехфазный управляемый вентильный мост, два дополнительных вентиля, каждый полюс упомянутого моста соединен с крайним выводом обмотки соответствующего уравнительного реактора, другой крайний вывод которой соединен с электродом соответствующего дополнительного вентиля, при этом дополнительные вентили и вентили упомянутого моста соединены с крайними выводами обмотки одного и того же уравнительного реактора одноименными электродами, между общей точкой свободных электродов дополнительных вентилей и нулевым входным выводом образована первичная соединительная цепь, а промежуточные выводы обмоток уравнительных реакторов образуют выходные выводы упомянутого моста, причем промежуточный вывод обмотки каждого уравнительного реактора делит ее число витков на части в отношении, равном 1:√3, меньшая из которых отсчитывается от упомянутых дополнительных вентилей, кроме того, преобразователь содержит трехфазный трансформатор с первой группой фазных обмоток, одна группа одноименных выводов которых подключена к входным выводам упомянутого моста, а другая - к фазным входным выводам, со второй группой фазных обмоток, соединенных в звезду и подключенных фазными выводами к входным выводам дополнительного диодного моста с двумя выходными и свободным входным выводами, а общей точкой одноименных фазных выводов к выводу вторичной соединительной цепи, другой вывод которой подключен к упомянутому свободному входному выводу дополнительного диодного моста, с третьей группой фазных обмоток, соединенных в разомкнутый треугольник, в виде которого выполнена соединительная цепь, например первичная, с числом витков, меньшим числа витков гальванически связанной с ним группы фазных обмоток (см. патент №2340073 на «Преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное» (варианты) от 10.09.2007, опубл. 27.11.2008, Бюл. №33).

Преобразователь может содержать межфазный распределитель тока, выполненный на дополнительном трансформаторе, фазные обмотки которого подключены одними выводами и общей точкой других выводов соответственно к фазным и нулевому входному выводам.

Недостатком этого преобразователя является ограниченность его эксплуатационных возможностей, заключающаяся в том, что работа преобразователя в 12-пульсном режиме выпрямления предусматривает единственное значение для соотношения чисел витков обмоток уравнительных реакторов. Другим ограничением его эксплуатационных возможностей является необходимость выполнения на вторичной стороне мостовой схемы выпрямления, что, в отличие от однополупериодной схемы выпрямления, увеличивает потери мощности на вентилях.

Совокупность причин, препятствующих получению желаемого технического результата, заключается в том, что при других соотношениях преобразователь не обеспечивает 12-пульсного выпрямления достаточно высокого качества на вторичной стороне. Кроме того, не существует однополупериодной 6-вентильной (или 8-вентильной без уравнительного реактора) схемы выпрямителя, обеспечивающего 12-пульсное выпрямление при его выполнении на вторичной стороне преобразователя.

Межфазный распределитель тока может быть выполнен, кроме трехфазного трансформатора, на двух или трех однофазных трансформаторах, обмотки которых соединены по схеме соответственно открытого или замкнутого треугольника с отводами.

В первом случае две фазные обмотки соединены последовательно и подключены крайними выводами к фазным входным выводам, а отводами, делящими обмотки на неравные части, число витков вдвое больших из которых отсчитывается от общего фазного входного вывода, - к нулевому входному выводу (Патент №2365019 от 04.07.2008 г.).

Во втором случае три фазных обмотки соединены в замкнутое последовательное соединение и подключены крайними выводами к фазным входным выводам, а отводами, делящими обмотки на равные части, - к нулевому входному выводу (Патент №2379818 от 15.07.2008 г.).

Основная задача, на решение которой направлены оба варианта предлагаемого технического решения, заключается в расширении эксплуатационных возможностей преобразователя. Задачей, реализуемой в дополнении к основной во втором варианте преобразователя, является уменьшение потерь на вентилях.

Основная задача в первом варианте решается тем, что в преобразователе трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащем нулевой входной вывод, трехфазный управляемый вентильный мост, два дополнительных вентиля, каждый полюс упомянутого моста соединен с крайним выводом обмотки соответствующего уравнительного реактора, другой крайний вывод которой соединен с электродом соответствующего дополнительного вентиля, при этом дополнительные вентили и вентили упомянутого моста соединены с крайними выводами обмотки одного и того же уравнительного реактора одноименными электродами, между общей точкой свободных электродов дополнительных вентилей и нулевым входным выводом образована первичная соединительная цепь, а промежуточные выводы обмоток уравнительных реакторов образуют выходные выводы упомянутого моста, причем промежуточный вывод обмотки каждого уравнительного реактора делит ее число витков на неравные части, меньшая из которых отсчитывается от упомянутых дополнительных вентилей, кроме того, преобразователь содержит трехфазный трансформатор с первой группой фазных обмоток, одна группа одноименных выводов которых подключена к входным выводам упомянутого моста, а другая - к фазным входным выводам, со второй группой фазных обмоток, соединенных в звезду и подключенных фазными выводами к входным выводам дополнительного диодного моста с двумя выходными и свободным входным выводами, а общей точкой одноименных фазных выводов к выводу вторичной соединительной цепи, с дополнительной группой фазных обмоток, соединенных в разомкнутый треугольник, в виде которого выполнена, соединительная цепь, например первичная, с числом витков, меньшим числа витков гальванически связанной с ним группы фазных обмоток, дополнительный диодный мост содержит два дополнительных свободных входных вывода, а трехфазный трансформатор - третью группу фазных обмоток, соединенных в звезду и подключенных фазными выводами к свободным входным выводам дополнительного диодного моста, а общей точкой одноименных выводов, разноименных с общей точкой одноименных выводов второй группы фазных обмоток, - к свободному выводу вторичной соединительной цепи, при этом числа витков обмоток каждого уравнительного реактора выбраны в соотношении , где S - отношение меньшего числа витков третьей к большему чисел витков второй групп фазных обмоток трехфазного трансформатора.

Преобразователь может содержать межфазный распределитель тока, выполненный на дополнительном трансформаторе, фазные обмотки которого подключены одними выводами и общей точкой других выводов соответственно к фазным и нулевому входному выводам.

Во втором варианте основная и дополнительная задачи решаются тем, что в преобразователе трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащем нулевой входной вывод, трехфазный управляемый вентильный мост, два дополнительных вентиля, каждый полюс упомянутого моста соединен с крайним выводом обмотки соответствующего уравнительного реактора, другой крайний вывод которой соединен с электродом соответствующего дополнительного вентиля, при этом дополнительные вентили и вентили упомянутого моста соединены с крайними выводами обмотки одного и того же уравнительного реактора одноименными электродами, между общей точкой свободных электродов дополнительных вентилей и нулевым входным выводом образована первичная соединительная цепь, а промежуточные выводы обмоток уравнительных реакторов образуют выходные выводы упомянутого моста, причем промежуточный вывод обмотки каждого уравнительного реактора делит ее число витков на неравные части, меньшая из которых отсчитывается от упомянутых дополнительных вентилей, кроме того, преобразователь содержит трехфазный трансформатор с первой группой фазных обмоток, одна группа одноименных выводов которых подключена к входным выводам упомянутого моста, а другая - к фазным входным выводам, со второй группой фазных обмоток, соединенных в звезду, нулевой вывод которой подключен к выводу вторичной соединительной цепи, по крайней мере, с одной дополнительной группой фазных обмоток, соединенных в разомкнутый треугольник, в виде которого выполнена соединительная цепь, например первичная, с числом витков, меньшим числа витков гальванически связанной с ним группы фазных обмоток, диоды, трехфазный трансформатор содержит идентичную второй группе фазных обмоток третью группу фазных обмоток с аналогичной вторичной соединительной цепью, подключенной к ее нулевому выводу, нулевыми выводами которых образованы выходные выводы вторичной стороны преобразователя, и четвертую, пятую идентичные трехфазные группы фазных обмоток, вывод каждой фазы второй группы фазных обмоток подключен к анодам двух диодов, катоды которых подключены к одноименным выводам разноименных фаз третьей группы фазных обмоток и к первому выводу последовательной цепи, состоящей из одноименной фазной обмотки четвертой группы фазных обмоток и подключенного в проводящем направлении диода, второй вывод которой подключен к свободному выводу соединительной цепи третьей группы фазных обмоток, вывод каждой фазы третьей группы фазных обмоток подключен к первому выводу последовательной цепи, состоящей из одноименной фазной обмотки пятой группы фазных обмоток и подключенного в непроводящем направлении диода, второй вывод которой подключен к свободному выводу соединительной цепи второй группы фазных обмоток, при этом во второй с четвертой и третьей с пятой парах упомянутых групп одноименные фазные обмотки соединены согласно последовательно, а числа витков обмоток каждого уравнительного реактора выбраны в соотношении , где S - отношение меньшего числа витков четвертой и пятой к большему числу витков соответственно второй и третьей групп фазных обмоток.

Преобразователь может содержать межфазный распределитель тока, выполненный на дополнительном трансформаторе, фазные обмотки которого подключены одними выводами и общей точкой других выводов соответственно к фазным и нулевому входному выводам.

Технический результат, достигаемый в обоих вариантах преобразователя, заключается в возможности его работы, помимо неосновных режимов работы в диапазоне 0<S<1, в двух (вместо одного в прототипе) основных режимах 12-пульсного выпрямления. В одном основном режиме на вторичной стороне формируется симметричное 12-пульсное выпрямленное напряжение, а на первичной - несимметричное 12-пульсное выпрямленное напряжение, т.е. выпрямление, при котором смежные по фазе пульсации симметрично смещены относительно друг друга на угол, меньший или больший, чем 30 эл. град. В другом основном режиме на первичной стороне формируется симметричное 12-пульсное выпрямленное напряжение, а на вторичной - несимметричное 12-пульсное выпрямленное напряжение. В неосновных режимах работы на каждой стороне преобразователя формируется несимметричное 12-пульсное выпрямленное напряжение. Во всех случаях форма выпрямленного напряжения не зависит от угла отпирания α тиристоров, т.к. регулирование, вследствие воздействия на эту форму такой же переменной составляющей ЭДС, наводимой в обмотке соединенной в разомкнутый треугольник, происходит только за счет изменения амплитуды каждой пульсации в функции от этого угла. При этом включение на первичной стороне сглаживающего реактора полностью устраняет какие-либо теоретически возможные пульсации на нагрузке, включенной на той же стороне, в том числе и канонические за счет дополнительных вентилей управляемого моста, выполняющих попутно функцию обратных диодов. Включение сглаживающего реактора на вторичной стороне приводит к обычному для 12-пульсного неуправляемого выпрямителя сглаживанию на нагрузке, включенной на той же стороне, но без каких-либо неканонических гармоник, свойственных 12-пульсному симметричному или несимметричному выпрямлению. При этом амплитуда переменной составляющей и форма выпрямленного напряжения при изменении угла отпирания α тиристоров практически остается неизменной. Данный эффект наблюдается во всем диапазоне регулирования всего на шести тиристорах и двух диодах управляемого моста при фазовом воздействии на тиристоры одиночными управляющими импульсами.

Дополнительным техническим результатом, достигаемым в обоих вариантах преобразователя, является расширение допустимых пределов, в которых может быть изменено соотношение чисел витков вторичных обмоток трехфазного трансформатора 12-пульсного выпрямителя (аналога) до значений 0<S<1. В результате введения высокотехнологичного управления качество преобразования неуправляемого выпрямителя становится лучше при любом из этих значений S.

Техническим результатом, достигаемым в дополнении к основному во втором варианте преобразователя, является уменьшение потерь на вентилях.

Наиболее интересным представляется случай, когда S=0,3162, при котором, несмотря на то, что на вторичной стороне преобразователя формируется симметричное 12-пульсное выпрямленное напряжение, форма первичных токов не подчиняется ни известной закономерности, когда сумма первичных фазных токов не равна нулю - см. Абдулаев А.А., Аслан-заде А.Г. Анализ многопульсного выпрямления. - «Электричество». 1977. №8. табл.1., ни известному закону, когда сумма первичных фазных или линейных токов равна нулю - Чернышев М.А. Закон первичных токов многофазных мутаторов. - «Электричество». 1940. №6. Объясняется это прямой зависимостью амплитуды тока нулевой последовательности от параметра S, т.е. от соотношения чисел витков обмоток уравнительных реакторов и вторичных обмоток трансформатора. Возможность отклонения от установленных правил формирования первичных токов подтверждается различными экспериментальными приложениями. Теоретически эти приложения объединяет возможность принудительного изменения величины и формы тока нулевой последовательности преобразователя с сохранением его работоспособности или приданием ему работоспособности в полном объеме. Варианты предлагаемого преобразователя отвечают первому из этих условий.

В преобразователе имеет место явление замещения управляющей функции недостающего комплекта из двух тиристоров (вместо этих тиристоров в управляемом мосте используются два диода) током нулевой последовательности. Это происходит за счет создания имеющимися тиристорами с обычным управлением, уравнительными реакторами и группой обмоток, соединенных в разомкнутый треугольник, управляемой электромагнитной среды. В этой среде с тройной частотой напряжения питающей сети и независимо от конкретного значения угла отпирания α тиристоров происходит естественное переключение направления протекания первичного тока нулевой последовательности от одного неуправляемого вентиля управляемого моста к другому неуправляемому вентилю того же моста, что и замещает функционально работу двух недостающих тиристоров. Таким образом, вредный по своей природе ток нулевой последовательности выполняет в преобразователе целый комплекс полезных действий.

На фиг.1 приведена принципиальная схема 12-пульсного преобразователя с первичной соединительной цепью, выполненной в виде разомкнутого треугольника на трансформаторе с двумя вторичными обмотками, подключенными к выпрямителю по мостовой схеме. На фиг.2 - совмещенная векторная диаграмма (S=0,3162) двух пар результирующих выпрямляемых напряжений U_r1 и U_r2 соответственно на первичной (несимметричное выпрямление) и вторичной (симметричное выпрямление) стороне. На фиг.3 - временные диаграммы токов при S=0,3162, где I₀ - ток в нулевом проводе, I₀/3 - ток каждой первичной фазной обмотки дополнительного трансформатора межфазного распределителя токов (МРТ), I_ф - фазный ток первичной обмотки преобразовательного трансформатора, I₁₁, I₁₂ и I₁₃, I₁₄ - токи в обмотках с одноименной нумерацией уравнительных реакторов 9 и 10, I_л - линейный ток питающей сети. На фиг.4 - совмещенная векторная диаграмма (S=0,732) двух пар результирующих выпрямляемых напряжений U_r1 и U_r2 соответственно на первичной (симметричное выпрямление) и вторичной (несимметричное выпрямление) стороне. На фиг.5 - временные диаграммы токов при S=0,732. На временных диаграммах фиг.3 и фиг.5 приведены числовые значения амплитуд ступеней токов в относительных единицах, где, для удобства соотнесения их с соотношением чисел витков обмоток уравнительного реактора, за единицу принято значение амплитуды меньшей ступени первичного фазного тока. На фиг.6 - временные диаграммы выпрямленного напряжения U_dα, при S=0,3162 и S=0,732 и некотором значении угла отпирания α тиристоров, на активной нагрузке, включенной между выходными выводами на первичной или вторичной стороне преобразователя, где U_mr1 и U_mr2 - амплитудные значения результирующего выпрямляемого напряжения соответственно на первичной и вторичной стороне преобразователя. На фиг.7 - принципиальная схема 12-пульсного преобразователя с вторичной соединительной цепью, выполненной в виде разомкнутого треугольника на трансформаторе с двумя вторичными обмотками, подключенными к выпрямителю по мостовой схеме. На фиг.8 - принципиальная схема 12-пульсного преобразователя с первичной соединительной цепью, выполненной в виде разомкнутого треугольника на трансформаторе с четырьмя вторичными обмотками, соединенными по однополупериодной схеме выпрямления. На фиг.9 - принципиальная схема 12-пульсного преобразователя с двумя вторичными соединительными цепями, выполненными каждая в виде разомкнутого треугольника на трансформаторе с четырьмя вторичными обмотками, соединенными по однополупериодной схеме выпрямления.

Преобразователь (фиг.1) содержит трехфазный управляемый вентильный мост на тиристорах 1-6 и диоды 7, 8, уравнительный реактор 9 (10) с обмотками 11, 12 (13, 14), общие точки разноименных выводов которых соединены с выходными выводами 15 (16) упомянутого моста, начало обмотки 11 (13) соединено с катодами (анодами) тиристоров 1, 3, 5 (2, 4, 6), конец обмотки 12 (14) соединен с катодом (анодом) диода 7 (8). Общие точки разноименных электродов тиристоров 1-6 подключены к началам первичных фазных обмоток трансформатора 17, концы которых подключены к фазным входным выводам A, B, C. Вторичная обмотка 18 (19) трансформатора 17 соединена в звезду и подключена концами (началами) к входу моста на диодах 20-25 (26-31) с выходными выводами 32 и 33. Общие точки начал (концов) обмоток 18 (19) соединены друг с другом. Отношение числа витков обмотки 19 к числу витков обмотки 18 равно S. Отношение числа витков обмотки 12 или 14 к числу витков обмотки 11 или 13 равно , где 0<S<1. На трансформаторе 17 выполнена обмотка 34, соединенная в разомкнутый треугольник и подключенная началом крайней фазной обмотки к нулевому входному выводу 0, а концом - к общей точке разноименных электродов диодов 7 и 8. Дополнительный трансформатор 35 МРТ, обмотка которого соединена в звезду и подключена группой одноименных выводов к фазным входным выводам A, B, C, а общей точкой других выводов - к нулевому входному выводу 0.

Допустим, что число витков обмотки 18 трансформатора 17 равно числу витков его первичной обмотки. Допустим, что между каждой парой выводов 32, 33 и 15, 16 включены одинаковые активные нагрузки. Допустим также, что S=0,3162, открыты тиристоры 1, 4 и к ним прикладывается результирующее выпрямляемое напряжение U_r1 (фиг.2), модуль положительного потенциала фазы A больше модуля отрицательного потенциала фазы B, а величина первичного тока достаточна для вхождения уравнительных реакторов 9, 10 в нормальный режим работы. Тогда первичный ток замыкается по цепи: входной вывод фазы A, фазная обмотка трансформатора 17, тиристор 1, обмотка 11 реактора 9, выводы 15, 16 с нагрузкой между ними. Далее ток разветвляется на две неравные части, одна из которых замыкается через обмотку 13 реактора 10, тиристор 4, фазную обмотку трансформатора 17, входной вывод фазы B, а другая через обмотку 14 реактора 10, диод 8, разомкнутый треугольник 34, входной вывод 0. При этом ток в обмотке 14 в 1,3162 раза больше, чем в обмотке 13, а их сумма равна току в обмотке 11. Одновременно вторичный ток замыкается по цепи: от начала к концу фазы a ₁ обмотки 18 трансформатора 17, диод 21, выводы 33, 32 с нагрузкой между ними. Далее ток разветвляется на две неравные части, одна из которых замыкается через диод 22, от конца к началу фазы b₁ обмотки 18 трансформатора 17, а другая через диод 26, от начала к концу фазы a₂ обмотки 19 трансформатора 17. При этом ток в фазе a ₂ обмотки 19 в 1,3162 раза больше, чем в фазе b₁ обмотки 18, а их сумма равна току в фазе a ₁ обмотки 18. Тем самым обеспечивается баланс ампер-витков между первичной и вторичной сторонами преобразователя.

Через 30 эл. град. отпирается тиристор 6, а тиристор 4 запирается обратным напряжением и первичный ток замыкается аналогично предыдущему интервалу дискретности, но вместо фазы b₁ обмотки 18 и входного вывода фазы В соответствующие токи замыкаются через фазу c₁ обмотки 18 и входной вывод фазы C.

Следующий интервал дискретности начинается с изменения направления первичного тока нулевой последовательности. Независимо от угла отпирания тиристоров это самопроизвольно происходит через 30 эл. град. и, тем самым, поддерживается тройная частота этого тока, переключающегося с диода 8 на диод 7. Инициирующими этот процесс элементами преобразователя являются уравнительные реакторы, взаимная индуктивность обмоток которых обеспечивает изменение направления тока нулевой последовательности (полярности одноименной ЭДС) точно посередине между смежными по фазе (сдвинутыми по фазе на 60 эл. град.) управляющими импульсами тиристоров. Необходимую крутизну переключения тока обеспечивает соединенная в разомкнутый треугольник обмотка 34 трансформатора 17, в которой индуцируется ЭДС той же формы, но противоположной полярности. Но от этого диод 8 не выключается. То же самое происходит и при переключении тока нулевой последовательности с диода 7 на диод 8. Объясняется это также взаимной индуктивностью обмоток 11, 12 и 13, 14, вследствие которой, при протекании суммарного тока через обмотку 11 или 13, в обмотках соответственно 12 или 14 индуцируется ЭДС, под действием которой через диоды 7, 8 и выходные выводы 15, 16 замыкается дополнительный ток (фиг.3).

Номинальный режим работы преобразователя обеспечивается и при взаимообратном изменении величин нагрузок до нуля или максимума между выходными выводами 15, 16 и 32, 33 трансформатора 17.

Дополнительный трансформатор 35 МРТ служит для равного распределения тока нулевой последовательности между фазными входными выводами A, B, C, чем достигается равенство нулю суммы токов этих фаз. При этом линейный ток питающей сети формируется в результате суммирования не смежных фазных токов, а тока каждой фазы с третью тока нулевой последовательности. Поэтому линейный ток совпадает по фазе с соответствующим фазным током, отличаясь от него только формой, длительностью и меньшим значением амплитуды. Однако, как это следует из соотношений амплитуд ступеней фазных и линейных токов на фиг.3, форма этих токов не подчиняется ни закономерности для первичных фазных токов, когда их сумма не равна нулю, ни закону для первичных линейных или фазных токов, когда их сумма равна нулю.

Необычным в преобразователе является отсутствие идентичности формы 12-пульсного выпрямленного напряжения на его первичной и вторичной стороне. И это даже несмотря на 12-пульсный, при S=0,732, выпрямитель на вторичной стороне и управление им с первичной стороны с 12-кратной частотой. При S=0,732 форма выпрямленного напряжения преобразователя на первичной стороне совпадает с прототипом. Генерируемый с вторичной стороны ток нулевой последовательности распределяется на первичной стороне в соответствии с соотношением чисел витков обмоток уравнительных реакторов.

Величину первичного выпрямляемого напряжения U_r1 можно определить из Δ-ка 0ba₁(фиг.2), где U_ab и U_0a1 - соответственно линейное и фазное напряжения сети, а a ₁x₁/bx₁=1/(1+S). Величину вторичного выпрямляемого напряжения U_r2 можно определить из Δ-ка 0x₂ a ₂ (фиг.2), где U_0a2 - сумма одноименных фазных напряжений обмоток 18 и 19, a ₁ a ₂/0a ₁=S, a ₂x₂/bx₂=1/(1+S). Задавшись условием равноугольного сдвига по фазе 12-и напряжений , равного 30 эл. град, можно установить β₂=15 эл. град. Решением соответствующих уравнений можно определить, что, при S=0,3162, β₃≅17 эл. град., B₁≅18 эл. град, U_r1=1,2721·U_ф, U_r2=1,4448·U_ф, где U_ф - фазное напряжение первичной обмотки трансформатора 17.

В общем виде уравнения преобразователя можно записать:

При всех значениях 0<S<1, величина U_r2>U_r1, β₃>β₂, a β₁ тем больше, чем больше S.

Задавшись условием (фиг.4) равноугольного сдвига по фазе 12-и напряжений U_r1, равного 30 эл. град., аналогично можно установить β₃=15 эл. град. и определить, что, при S=0, 732, β₂≅11 эл. град, U_r1=1,225·U_ф,U_r2=1,68·U_ф. Как видно из соотношения амплитуд ступеней первичных токов на фиг.5, эти токи, при симметричной форме 12-пульсного выпрямленного напряжения на первичной стороне преобразователя (фиг.6), не нарушают известные закономерности формирования первичных токов многопульсных выпрямителей. Объясняется это каноническим соотношением амплитуд ступеней первичных токов при S=0,732. Независимо от значения 0<S<1, дополнительный трансформатор 35 МРТ выполняет одну и ту же функцию межфазного распределения токов.

Преобразователь на фиг.7 отличается от преобразователя на фиг.1 тем, что вторичная соединительная цепь между нейтралями вторичных обмоток 18, 19 трансформатора 17 выполнена в виде обмотки 34, соединенной в разомкнутый треугольник. Начало крайней фазной обмотки треугольника соединено с нейтралью обмотки 18. При этом первичная соединительная цепь между разноименными электродами дополнительных вентилей 7, 8 управляемого моста и нулевым входным выводом короткозамкнута.

Уравнительные реакторы 9, 10 осуществляют обмен энергией между фазными и нулевым входным выводами. В трансформаторе 17 формируется результирующий магнитный поток, под действием которого в его обмотках, в том числе в обмотке 34, индуцируется одна и та же ЭДС. Поэтому перевод обмотки 34 в состав вторичной соединительной цепи, в которой циркулирует ток нулевой последовательности, не отражается на физике процессов. Однако при понижающем коэффициенте трансформации и пропорционально ему, это позволяет уменьшить число витков обмотки 34.

Преобразователь на фиг.8 отличается от преобразователя на фиг.1 исполнением его вторичной стороны. Трансформатор 17 содержит идентичные вторичные обмотки 18, 19, соединенные каждая в звезду, нейтрали которых подключены к выходным выводам 32, 33. Конец фазы a ₁ (b₁ и c₁) вторичной обмотки 18 подключен к анодам диодов 24, 25 (22, 23 и 20, 21), катоды которых соединены с концами фаз соответственно c₂, b₂ (a ₂, c₂ и b₂, a ₂) вторичной обмотки 19. Конец фазы a ₁ (b₁, c₁) вторичной обмотки 18 подключен к началу фазы a ₃ (b₃, c₃) вторичной обмотки 36, конец которой подключен к аноду диода 26 (27, 28), катод которого подключен к выходному выводу 33. Конец фазы a ₂ (b₂, c₂) вторичной обмотки 19 подключен к началу фазы a ₄ (b₄, с₄) вторичной обмотки 37, конец которой подключен к катоду диода 29 (30, 31), анод которого подключен к выходному выводу 32. Отношение числа витков обмотки 36 (37) к числу витков обмотки 18 (19) равно S.

Работа преобразователя на фиг.8 аналогична преобразователю на фиг.1. Отличие заключается в том, что потери в вентилях преобразователя на фиг.8 меньше, т.к. в каждом интервале дискретности вторичные токи замыкаются через 2, а не 3 диода. В схеме этого преобразователя возможно перемещение диодов 26, 27, 28 (29, 30, 31) и фаз a ₃, b₃, c₃ (a ₄, b₄, с₄) обмотки 36 (37) относительно друг друга. Конечно, простая перестановка последовательно соединенных элементов электрической цепи, как результат элементарных инженерных преобразований, не может внести никаких изменений ни в качественные, ни в количественные показатели выпрямления. Но она иллюстрирует возможность преобразования двух 3-фазных звезд с отводами в две 6-фазные звезды без отводов. В этом случае целесообразно, чтобы в виде разомкнутого треугольника была выполнена первичная соединительная цепь, т.к. в противном случае, включение его в рассечку между нейтралями вторичных обмоток препятствует соединению этих обмоток в 6-фазную звезду.

Преобразователь на фиг.9 отличается от преобразователя на фиг.8 тем, что одна (другая) вторичная соединительная цепь между общей точкой катодов (анодов) диодов 26, 27, 28 (29, 30, 31) и выходным выводом 33 (32) выполнена в виде соединенной в разомкнутый треугольник обмотки 34 (38) трансформатора 17. Начало крайней фазной обмотки треугольника 34 (38) соединено с выходным выводом 33 (32). Отношение числа витков обмотки 36 (37) к числу витков обмотки 18 (19) равно S. При этом первичная соединительная цепь между разноименными электродами дополнительных вентилей 7, 8 управляемого моста и нулевым входным выводом короткозамкнута.

Работа преобразователя на фиг.9 аналогична преобразователю на фиг.8. Уравнительные реакторы 9, 10 осуществляют обмен энергией между фазными и нулевым входным выводами. В трансформаторе 17 формируется результирующий магнитный поток, под действием которого в его обмотках, в том числе в обмотках 34 и 38 индуцируется одна и та же ЭДС. Поэтому перевод обмотки 34 из первичной соединительной цепи (фиг.8), с предварительным ее расщеплением на две идентичные обмотки 34 и 38, в состав двух вторичных соединительных цепей, в каждой из которых циркулирует одна из полуволн тока нулевой последовательности, не отражается на физике процессов. Однако при понижающем коэффициенте трансформации и пропорционально ему, это позволяет, несмотря на удвоение количества соединенных в разомкнутый треугольник обмоток, уменьшить суммарное число витков обмоток 34 и 38.

Преобразователи на фиг.7, фиг.8 и фиг.9 так же, как и преобразователь на фиг.1, и с тем же результатом допускают возможность выпрямления на обеих сторонах между выходными выводами 15, 16 и 32, 33.

Изобретение относится к области преобразовательной техники. Первый вариант преобразователя содержит нулевой входной вывод, трехфазный управляемый вентильный мост, два уравнительных реактора и два дополнительных вентиля, между общей точкой свободных электродов которых и нулевым входным выводом образована первичная соединительная цепь, трехфазный трансформатор, первая обмотка которого подключена к фазным входным выводам и к входным выводам упомянутого моста, а вторая, с вторичной соединительной цепью, - к входным выводам дополнительного диодного моста с дополнительной группой фазных обмоток, соединенных в разомкнутый треугольник, в виде которого выполнена соединительная цепь, третья обмотка соединена в звезду и подключена фазными выводами к входным выводам упомянутого диодного моста, а общей точкой одноименных выводов, разноименных с общей точкой одноименных выводов второй группы фазных обмоток, - к свободному выводу вторичной соединительной цепи. Во втором варианте имеется две дополнительные вторичные обмотки трансформатора, соединенные с основными обмотками и 12-ю диодами в схему однополупериодного выпрямителя. Технический результат - расширение эксплуатационных возможностей за счет возможности работы, помимо неосновных режимов работы в диапазоне 0<S<1, в двух основных режимах 12-пульсного выпрямления. Технический результат в дополнении к основному во втором варианте преобразователя - уменьшение потерь на вентилях. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащий нулевой входной вывод, трехфазный управляемый вентильный мост, два дополнительных вентиля, каждый полюс упомянутого моста соединен с крайним выводом обмотки соответствующего уравнительного реактора, другой крайний вывод которой соединен с электродом соответствующего дополнительного вентиля, при этом дополнительные вентили и вентили упомянутого моста соединены с крайними выводами обмотки одного и того же уравнительного реактора одноименными электродами, между общей точкой свободных электродов дополнительных вентилей и нулевым входным выводом образована первичная соединительная цепь, а промежуточные выводы обмоток уравнительных реакторов образуют выходные выводы упомянутого моста, причем промежуточный вывод обмотки каждого уравнительного реактора делит ее число витков на неравные части, меньшая из которых отсчитывается от упомянутых дополнительных вентилей, кроме того, преобразователь содержит трехфазный трансформатор с первой группой фазных обмоток, одна группа одноименных выводов которых подключена к входным выводам упомянутого моста, а другая - к фазным входным выводам, со второй группой фазных обмоток, соединенных в звезду и подключенных фазными выводами к входным выводам дополнительного диодного моста с двумя выходными и свободным входным выводами, а общей точкой одноименных фазных выводов к выводу вторичной соединительной цепи, с дополнительной группой фазных обмоток, соединенных в разомкнутый треугольник, в виде которого выполнена соединительная цепь, например первичная, с числом витков меньшим числа витков гальванически связанной с ним группы фазных обмоток, отличающийся тем, что дополнительный диодный мост содержит два дополнительных свободных входных вывода, а трехфазный трансформатор - третью группу фазных обмоток, соединенных в звезду и подключенных фазными выводами к свободным входным выводам дополнительного диодного моста, а общей точкой одноименных выводов, разноименных с общей точкой одноименных выводов второй группы фазных обмоток, - к свободному выводу вторичной соединительной цепи, при этом числа витков обмоток каждого уравнительного реактора выбраны в соотношении , где S - отношение меньшего числа витков третьей к большему чисел витков второй групп фазных обмоток трехфазного трансформатора.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что содержит межфазный распределитель тока, выполненный на дополнительном трансформаторе, фазные обмотки которого подключены одними выводами и общей точкой других выводов соответственно к фазным и нулевому входному выводам.

3. Преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащий нулевой входной вывод, трехфазный управляемый вентильный мост, два дополнительных вентиля, каждый полюс упомянутого моста соединен с крайним выводом обмотки соответствующего уравнительного реактора, другой крайний вывод которой соединен с электродом соответствующего дополнительного вентиля, при этом дополнительные вентили и вентили упомянутого моста соединены с крайними выводами обмотки одного и того же уравнительного реактора одноименными электродами, между общей точкой свободных электродов дополнительных вентилей и нулевым входным выводом образована первичная соединительная цепь, а промежуточные выводы обмоток уравнительных реакторов образуют выходные выводы упомянутого моста, причем промежуточный вывод обмотки каждого уравнительного реактора делит ее число витков на неравные части, меньшая из которых отсчитывается от упомянутых дополнительных вентилей, кроме того, преобразователь содержит трехфазный трансформатор с первой группой фазных обмоток, одна группа одноименных выводов которых подключена к входным выводам упомянутого моста, а другая - к фазным входным выводам, со второй группой фазных обмоток, соединенных в звезду, нулевой вывод которой подключен к выводу вторичной соединительной цепи, по крайней мере, с одной дополнительной группой фазных обмоток, соединенных в разомкнутый треугольник, в виде которого выполнена соединительная цепь, например первичная, с числом витков меньшим числа витков гальванически связанной с ним группы фазных обмоток, диоды, отличающийся тем, что трехфазный трансформатор содержит идентичную второй группе фазных обмоток третью группу фазных обмоток с аналогичной вторичной соединительной цепью, подключенной к ее нулевому выводу, нулевыми выводами которых образованы выходные выводы вторичной стороны преобразователя, и четвертую, пятую идентичные трехфазные группы фазных обмоток, вывод каждой фазы второй группы фазных обмоток подключен к анодам двух диодов, катоды которых подключены к одноименным выводам разноименных фаз третьей группы фазных обмоток и к первому выводу последовательной цепи, состоящей из одноименной фазной обмотки четвертой группы фазных обмоток и подключенного в проводящем направлении диода, второй вывод которой подключен к свободному выводу соединительной цепи третьей группы фазных обмоток, вывод каждой фазы третьей группы фазных обмоток подключен к первому выводу последовательной цепи, состоящей из одноименной фазной обмотки пятой группы фазных обмоток и подключенного в непроводящем направлении диода, второй вывод которой подключен к свободному выводу соединительной цепи второй группы фазных обмоток, при этом во второй с четвертой и третьей с пятой парах упомянутых групп одноименные фазные обмотки соединены согласно последовательно, а числа витков обмоток каждого уравнительного реактора выбраны в соотношении , где S - отношение меньшего числа витков четвертой и пятой к большему числу витков соответственно второй и третьей групп фазных обмоток.

4. Преобразователь по п.3, отличающийся тем, что содержит межфазный распределитель тока, выполненный на дополнительном трансформаторе, фазные обмотки которого подключены одними выводами и общей точкой других выводов соответственно к фазным и нулевому входному выводам.