ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТРЕХФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ Российский патент 2016 года по МПК H02M7/02 H02M7/155 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для преобразования трехфазного переменного напряжения в постоянное, 9-пульсное с купированием всех видов намагничивания трансформатора и равными углами коммутации вентилей.

Известен трехфазный однотактный преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий трехфазный трансформатор, первичная и вторичная обмотки которого, каждая, соединены в звезду, группу вентилей, соединенных в звезду и подключенных к вторичной обмотке, и дополнительную трехфазную обмотку, соединенную в разомкнутый треугольник, один конец которой подключен к общей точке звезды вторичной обмотки, а другой - к одному из выходных выводов, причем выходной вывод образован общей точкой вентильной группы, витки каждой фазы указанной дополнительной обмотки расположены на соответствующем стержне указанного трансформатора встречно виткам вторичной обмотки, причем число витков дополнительной обмотки в каждой фазе относится к числу витков вторичной обмотки этой же фазы как 1:3 (см. А.С. №797023, кл. H02M 7/12, 1978).

Недостатком этого преобразователя является то, что через обмотку трансформатора, соединенную в разомкнутый треугольник, в течение периода напряжения замыкается весь ток нагрузки, что увеличивает сечение и, тем самым, мощность этой обмотки.

Совокупность причин, препятствующих получению требуемого технического результата, заключается в том, что преобразователь имеет неразветвленную относительно нагрузки систему выпрямляемых токов при периодичности выпрямления m=3.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению (прототип) является преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащий трехфазный трансформатор с тремя группами вторичных фазных обмоток, соединенных первая в трехфазную звезду, а вторая и третья - в шестифазную звезду, свободный вывод каждой фазной обмотки первой группы подключен к одноименным электродам вентилей, другие электроды которых соединены с одноименными свободными выводами разноименных фазных обмоток второй группы и с разноименным свободным выводом одноименной фазной обмотки третьей группы, упомянутые свободные выводы первой и второй с третьей групп обмоток подключены соответственно к катодам анодной и анодам катодной групп вентилей, общие точки электродов которых образуют выходные выводы, причем число витков фазной обмотки второй группы равно 1,8794·w, а число витков фазной обмотки третьей группы - 1,5321·w, где w - число витков фазной обмотки первой группы (см. А.С. №520678, кл. H02M 7/08, 1973).

Недостатком этого преобразователя, обеспечивающего двухполупериодное 18-пульсное выпрямление, является неуравновешенность магнитной системы трансформатора по переменному магнитному потоку, в случае соединения его первичной обмотки в звезду. Особенностью эксплуатации этого преобразователя является возможность получения 9-пульсного однополупериодного выпрямления путем простого переключения его выходных выводов от общих точек электродов катодной и анодной групп вентилей к общим точкам трехфазной и шестифазной звезд. В этом случае имеет место неуравновешенность магнитной системы трансформатора не только по переменному, но и по постоянному магнитному потоку. Кроме того, преобразователь характеризуется неравными углами коммутации вентилей, т.к. имеет неравные реактансы вентильных цепей, один из которых в 9-пульсном (18-пульсном) исполнении участвует в случае замыкания выпрямленного тока через обмотки первой и второй групп, а другой - через обмотки первой и третьей (всех) групп.

Совокупность причин, препятствующих получению требуемого технического результата, заключается в противоречии между стремлением получить указанное выпрямление с минимально возможным количеством вторичных обмоток на одном трансформаторе с одной стороны и отсутствием всех видов его намагничивания при равенстве углов коммутации вентилей с другой.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, заключается в формировании 9-фазной системы выпрямляемых напряжений с купированием всех видов намагничивания трехфазного трансформатора и равенстве углов коммутации вентилей.

Эта задача решается тем, что в преобразователе трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащем трехфазный трансформатор с тремя группами вторичных фазных обмоток, соединенных каждая в звезду, вывод каждой фазной обмотки первой из которых подключен к одноименным электродам вентилей, другие электроды которых подключены к свободным одноименным с ним выводам разноименных фазных обмоток второй группы и свободному разноименному с ним выводу одноименной фазной обмотки третьей группы, причем число витков фазной обмотки второй группы равно 1,8794·w, а число витков фазной обмотки третьей группы - 1,5321·w, где w - число витков фазной обмотки первой группы, трансформатор дополнительно содержит четвертую и пятую группы вторичных фазных обмоток, соединенных каждая в разомкнутый треугольник, общая точка одноименных выводов второй группы фазных обмоток соединена с одноименным с ней крайним выводом фазной обмотки четвертой группы, общая точка одноименных выводов третьей группы фазных обмоток соединена с одноименным с ней крайним выводом фазной обмотки пятой группы, общая точка свободных крайних выводов фазных обмоток четвертой и пятой групп и общая точка одноименных выводов фазных обмоток первой группы образуют выходные выводы, причем фазная обмотка четвертой группы состоит из основной и дополнительной части, число витков фазной обмотки пятой группы и основной части фазной обмотки четвертой группы соответственно равно 0,844·w и 0,2931·w, а дополнительная часть фазной обмотки четвертой группы состоит из пары равных встречно последовательно соединенных частей, число витков каждой из которых равно 0,21756·w.

Технический результат заключается в формировании 9-фазной системы выпрямляемых напряжений с купированием всех видов намагничивания трехфазного трансформатора и равенстве углов коммутации вентилей. Дополнительный технический результат заключается в уменьшении сечения и, тем самым, суммарной мощности обмоток разомкнутых треугольников относительно аналога (А.С. №797023) за счет формирования разветвленной относительно нагрузки системы выпрямляемых напряжений и токов при периодичности выпрямления m=9.

На чертеже приведена принципиальная схема преобразователя трехфазного переменного напряжения в 9-пульсное.

Преобразователь содержит вентили 1-9 и выполнен на трехфазном трансформаторе 10, первичная обмотка 11 которого соединена в звезду и подключена к фазным входным выводам A, B, C. Трансформатор 10 содержит пять вторичных групп трехфазных обмоток 12-16, первая из которых 12 с числом витков w₁=w соединена в звезду с общей точкой начал. Концы фаз a ₁, b₁, c₁ обмотки 12 подключены соответственно к анодам вентилей 1, 2, 9; 3, 4, 5 и 6, 7, 8. Общие точки катодов вентилей 5, 6; 8, 9 и 2, 3 подключены соответственно к концам фаз a ₂, b₂, c₂ обмотки 13 (вторая группа с числом витков w₂), а катоды вентилей 1, 4, 7 - к началам фаз a ₃, b₃, c₃ обмотки 14 (третья группа с числом витков w₃). Общая точка начал обмотки 13 соединена с началом фазы a ₄ основной части обмотки 16 (четвертая группа с числом витков w₄), конец которой соединен с парой равных встречно последовательно соединенных дополнительных частей и той же фазы обмотки 16, т.е. конец (начало) фазы соединен с концом фазы a ₄ (началом фазы ). Основные и дополнительные части обмотки 16 соединены в общий разомкнутый треугольник. Общая точка концов обмотки 14 соединена с концом фазы c₅ обмотки 15 (пятая группа с числом витков w₅), соединенной в разомкнутый треугольник. Конец фазы обмотки 16 и начало фазы a ₅ обмотки 15 образуют плюсовой выходной вывод 17 преобразователя, а общая точка начал обмотки 12 - минусовой выходной вывод 18. Число витков фазной обмотки второй группы 13 равно 1,8794·w, число витков фазной обмотки третьей группы 14 равно 1,5321·w, число витков фазной обмотки пятой группы 15 и основной части фазной обмотки четвертой группы 16 соответственно равно 0,844·w и 0,2931·w. Дополнительная часть фазной обмотки четвертой группы 16 состоит из пары равных встречно последовательно соединенных частей, число витков каждой из которых равно 0,21756·w, где w=w₁ - число витков фазной обмотки первой группы 12.

Очередность работы вентилей соответствует их нумерации. В случае замыкания тока нагрузки через вентили 1, 4, 7 каждое из трех выпрямляемых напряжений формируется суммированием напряжений двух одноименных фаз обмоток 12 и 14. В случае замыкания тока нагрузки через вентили 2, 3, 5, 6, 8, 9 каждое из шести выпрямляемых напряжений формируется суммированием напряжений двух разноименных фаз обмоток 12 и 13. Поэтому в первом случае число витков обмотки 15 равно трети от суммы чисел витков обмоток 12 и 14, а во втором - число витков основной части обмотки 16 равно трети от разности чисел витков обмоток 13 и 12. Тем самым создаются условия для компенсирующего воздействия обмотки 15 и основной части обмотки 16 на потоки постоянного и переменного намагничивания трансформатора, т.к. при этом обеспечивается равенство нулю суммы ампер-витков первичных фазных обмоток в каждом интервале дискретности, а также среднего значения магнитного потока в каждом стержне магнитопровода.

Поверочный расчет мощности обмоток 15 и 16 показывает, что мощность обмотки 15 пропорциональна $$\mathrm{2,5321}\cdot \sqrt{\frac{3}{9}}\cdot w\cdot I_d$$ , а мощность основной части обмотки 16 пропорциональна $$\mathrm{0,8794}\cdot \sqrt{\frac{6}{9}}\cdot w\cdot I_d$$ , где знаменатель подкоренной дроби учитывает число тактов выпрямления, числитель - угол проводимости обмотки, а I_d - ток нагрузки.

Сумма мощностей обмотки 15 и основной части обмотки 16 пропорциональна 2,1799·w·I_d. Это на ~14% меньше, чем если бы в преобразователе с разомкнутым треугольником с числом витков каждой его фазной обмотки 0,844·w, составляющим треть от числа витков условной вторичной фазной обмотки, отсутствовало формирование разветвленной относительно нагрузки системы выпрямляемых напряжений и токов при условной периодичности m=9. Мощность обмотки этого треугольника была бы пропорциональна $$\mathrm{2,5321}\cdot \sqrt{\frac{9}{9}}\cdot w\cdot I_d=\mathrm{2,5321}\cdot w\cdot I_d$$ . При указанном разветвлении на долю основной части обмотки 16 приходится купирование только меньшей части мощности, отдаваемой в нагрузку обмотками 12, 13, т.к. ее большая часть (пропорциональная $$\sqrt{\frac{6}{9}}\cdot w\cdot I_d$$ ) не приводит к неуравновешенности магнитной системы трансформатора.

Наличие дополнительной части обмотки 16 предназначено только для компенсации неравенства реактансов и, вследствие встречно последовательного соединения ее равных по числу витков составных частей, на основных соотношениях схемы, относящихся к купированию всех видов намагничивания, не отражается. Дополнительная часть обмотки 16 вносит в работу преобразователя качественно новую функцию по устранению неравенства углов коммутации вентилей.

Обмотка 15 и основная часть обмотки 16, т.е. без ее дополнительной части, с тем же соотношением чисел витков и с таким же подключением между общими точками обмоток 13, 14 могут быть применены для компенсации переменного потока намагничивания в вышеуказанном прототипе, в случае 18-пульсного двухполупериодного режима выпрямления. Для этого, как и в прототипе, концы обмотки 12 подключаются к катодам анодной группы вентилей, а концы обмотки 13 и начала обмотки 14 - к анодам катодной группы вентилей, общие точки разноименных электродов которых образуют другую пару выходных выводов. Это позволяет соединить первичную обмотку трансформатора в звезду, а не в треугольник, но еще больше увеличивает неравенство углов коммутации вентилей без возможности его обнуления дополнительной частью обмотки 16, использование которой в этом случае создает обратный эффект.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в преобразователях трехфазного переменного напряжения в постоянное 9-пульсное с купированием всех видов намагничивания трансформатора и равными углами коммутации вентилей. Технический результат - отсутствие всех видов намагничивания трансформатора и равные углы коммутации вентилей. Преобразователь содержит трехфазный трансформатор с тремя группами вторичных фазных обмоток, соединенных каждая в звезду. Вывод каждой фазной обмотки первой подключен к одноименным электродам вентилей, другие электроды которых подключены к свободным одноименным с ним выводам разноименных фазных обмоток второй группы и свободному разноименному с ним выводу одноименной фазной обмотки третьей группы. Число витков фазной обмотки второй группы равно 1,8794·w, а число витков фазной обмотки третьей группы - 1,5321·w, где w - число витков фазной обмотки первой группы. Трансформатор дополнительно содержит четвертую и пятую группы вторичных фазных обмоток, соединенных каждая в разомкнутый треугольник. Общая точка одноименных выводов второй группы фазных обмоток соединена с одноименным с ней крайним выводом фазной обмотки четвертой группы. Общая точка одноименных выводов третьей группы фазных обмоток соединена с одноименным с ней крайним выводом фазной обмотки пятой группы. Общая точка свободных крайних выводов фазных обмоток четвертой и пятой групп и общая точка одноименных выводов фазных обмоток первой группы образуют выходные выводы. Фазная обмотка четвертой группы состоит из основной и дополнительной частей. Число витков фазной обмотки пятой группы и основной части фазной обмотки четвертой группы соответственно равно 0,844·w и 0,2931·w. Дополнительная часть фазной обмотки четвертой группы состоит из пары равных встречно последовательно соединенных частей, число витков каждой из которых равно 0,21756·w. 1 ил.

Преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащий трехфазный трансформатор с тремя группами вторичных фазных обмоток, соединенных каждая в звезду, вывод каждой фазной обмотки первой из которых подключен к одноименным электродам вентилей, другие электроды которых подключены к свободным одноименным с ним выводам разноименных фазных обмоток второй группы и свободному разноименному с ним выводу одноименной фазной обмотки третьей группы, причем число витков фазной обмотки второй группы равно 1,8794·w, а число витков фазной обмотки третьей группы - 1,5321·w, где w - число витков фазной обмотки первой группы, отличающийся тем, что трансформатор дополнительно содержит четвертую и пятую группы вторичных фазных обмоток, соединенных каждая в разомкнутый треугольник, общая точка одноименных выводов второй группы фазных обмоток соединена с одноименным с ней крайним выводом фазной обмотки четвертой группы, общая точка одноименных выводов третьей группы фазных обмоток соединена с одноименным с ней крайним выводом фазной обмотки пятой группы, общая точка свободных крайних выводов фазных обмоток четвертой и пятой групп и общая точка одноименных выводов фазных обмоток первой группы образуют выходные выводы, причем фазная обмотка четвертой группы состоит из основной и дополнительной частей, число витков фазной обмотки пятой группы и основной части фазной обмотки четвертой группы соответственно равно 0,844·w и 0,2931·w, а дополнительная часть фазной обмотки четвертой группы состоит из пары равных встречно последовательно соединенных частей, число витков каждой из которых равно 0,21756·w.