ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТРЕХФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2017 года по МПК H02M7/00 H02M7/06 H01F30/12 

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

Все нижеприведенные аналоги являются аналогами для всех вариантов преобразователя.

Известен преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащий трехфазный трансформатор с одной 3-секционной группой вторичных фазных обмоток, две вспомогательные трехфазные группы вторичных фазных обмоток, свободные крайние выводы первой группы крайних секций с одинаковым числом витков подключены к входным выводам трехфазного вентильного моста, к выходным выводам которого подключена нагрузка, одноименные фазные обмотки вспомогательных групп, каждая с последовательно соединенным с ней и выполненным управляемым упомянутым вентилем, подключены к разным промежуточным выводам разноименных с ними фазных обмоток, при этом указанные одноименные фазные обмотки включены каждая согласно последовательно относительно фазной обмотки первой крайней секции, между каждой парой промежуточных выводов от второй и третьей секций разноименных фаз включен управляемый вентиль, причем полярность его подключения соответствует полярности подключения других управляемых вентилей, число витков смежной с первой второй секции равно 0,7422⋅w, число витков смежной со второй третьей секции равно 0,3949⋅w, число витков фазной обмотки каждой вспомогательной группы равно 1,1371⋅w, число витков первой секции фазной обмотки равно 2,1371⋅w, где w - разность чисел витков первой секции фазной обмотки и фазной обмотки вспомогательной группы (патент №2569929 от 27.08.2014).

Недостатком этого преобразователя является нерациональность построения его схемы, которая, несмотря на относительно низкий коэффициент превышения расчетной мощности трансформатора Р_т=1,2012 и отсутствие всех видов его намагничивания, при количестве групп вторичных фазных обмоток, не превышающем 5-и, заключается в повышенном количестве вентилей и необходимости выполнения 9-и из 15-и вентилей управляемыми.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению (прототип) является преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащий трехфазный трансформатор с шестью трехфазными группами вторичных фазных обмоток, первая из которых соединена в звезду и подключена каждым свободным выводом на разнонаправленные зигзаги к одноименным выводам смежных по фазе обмоток второй и третьей группы, четвертая и пятая группы соединены друг с другом в зигзаг, однонаправленный с соединением в зигзаг первой и третьей групп, разноименные выводы одноименных фазных обмоток второй и пятой групп подключены общими точками к одноименным электродам вентилей, общая точка других электродов которых подключена к выводу нагрузки, свободные выводы четвертой группы и одноименные с ними выводы шестой группы подключены к одноименным электродам вентилей, другие электроды которых подключены к другому выводу нагрузки, третья и шестая группы соединены в зигзаг, однонаправленный относительно соединения в зигзаг первой и второй групп, причем приведенные числа витков первой, второй, третьей, четвертой, пятой и шестой групп фазных обмоток соответственно равны 0,6527, 0,6527,1, 0,574, 0,574 и 0,3473. См. Евдокимов С.А., Щуров Н.И., Волкова О.Л., Степанов А.А. Повышение энергоэффективности трехфазных преобразователей напряжения с помощью метода Штейнера. Электротехника. 2011. №6. С. 3-9.

Недостатком этого преобразователя является нерациональность построения его схемы, которая, несмотря на то, что общее количество вентилей не превышает 9-и, которые, к тому же, не требуют управления, заключается в повышенной расчетной мощности трансформатора (Р_т=1,27). Кроме того, конструктивное исполнение трансформатора усложнено тремя группами непосредственных зигзагов.

Совокупность причин, препятствующих получению требуемого технического результата, заключается в нерациональном функционировании четвертой группы фазных обмоток трансформатора по мощности.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в уменьшении расчетной мощности трансформатора без увеличения количества вентилей, а также в упрощении.

Эта задача в первом варианте решается тем, что в преобразователе трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащем трехфазный трансформатор с шестью трехфазными группами вторичных фазных обмоток, первая из которых соединена в звезду и подключена каждым свободным выводом на разнонаправленные зигзаги к одноименным выводам смежных по фазе обмоток второй и третьей групп, четвертая и пятая группы соединены друг с другом в зигзаг, однонаправленный с соединением в зигзаг первой и третьей групп, разноименные выводы одноименных фазных обмоток второй и пятой групп подключены общими точками к электродам вентилей, общая точка одноименных электродов которых подключена к выводу нагрузки, свободные выводы четвертой группы подключены каждый к первому одноименному крайнему электроду одной из трех пар встречно последовательно соединенных вентилей, одноименные выводы шестой группы подключены к вентилям, причем приведенные числа витков первой, второй, третьей, пятой и шестой групп фазных обмоток соответственно равны 0,6527, 0,6527,1, 0,574 и 0,3473, шестая группа соединена в звезду, взаимообратную со звездой первой группы и подключена общей точкой к другому выводу нагрузки, а свободными выводами к общим точкам упомянутых встречно последовательно соединенных пар вентилей, каждый второй крайний электрод которых подключен к одноименному со свободными выводами шестой группы, выводу разноименной фазной обмотки третьей группы, третья и шестая группы с подключенными между ними вентилями образуют соединение через вентили на зигзаг, однонаправленный с соединением в зигзаг первой и второй групп, причем приведенное число витков четвертой группы фазных обмоток равно 0,2267.

Во втором варианте эта задача решается тем, что в преобразователе трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащем трехфазный трансформатор с шестью трехфазными группами вторичных фазных обмоток, первая из которых соединена в звезду и подключена каждым свободным выводом на разнонаправленные зигзаги к одноименным выводам смежных по фазе обмоток второй и третьей групп, одноименные выводы четвертой группы фазных обмоток подключены к одноименным электродам первой группы вентилей, одноименные выводы пятой группы фазных обмоток подключены к общим точкам одноименных свободных выводов второй группы фазных обмоток и одноименных электродов второй группы вентилей, общая точка других электродов которых подключена к выводу нагрузки, шестая группа фазных обмоток подключена одной группой одноименных выводов к одноименным электродам третьей группы вентилей, а другой - на зигзаг к свободным выводам третьей группы фазных обмоток, однонаправленный с соединением в зигзаг первой и второй групп, каждый вентиль первой группы соединен с вентилем третьей групп встречно последовательно, причем приведенные числа витков первой, второй, четвертой, пятой и шестой групп фазных обмоток соответственно равны 0,6527, 0,6527, 0,574, 0,574 и 0,3473, одноименные выводы разноименных фаз второй и пятой групп фазных обмоток соединены на зигзаг, однонаправленный с соединением в зигзаг первой и третьей групп, четвертая группа фазных обмоток соединена в звезду, идентичную звезде первой группы, и подключена общей точкой одноименных выводов к другому выводу нагрузки, а каждым свободным выводом к общей точке одной из трех пар упомянутых встречно последовательно соединенных вентилей, крайние электроды первой группы которых подключены к свободным выводам пятой группы фазных обмоток так, что одноименные выводы разноименных фаз четвертой и пятой групп образуют между собой соединение через вентили на зигзаг, однонаправленный с соединением в зигзаг первой и третьей групп, одноименные выводы разноименных фаз четвертой и шестой групп образуют между собой соединение через вентили на зигзаг, однонаправленный с соединением в зигзаг первой и второй групп, причем приведенное число витков третьей группы фазных обмоток равно 0,426, где сумма приведенных чисел витков фазных обмоток первой и третьей групп равна единице.

Технический результат заключается в упрощении и уменьшении коэффициента превышения расчетной мощности трансформатора до Р_т=1,2405 в первом варианте и Р_т=1,221 во втором варианте с сохранением возможности выпрямления на 9-и неуправляемых вентилях и отсутствии всех видов намагничивания трансформатора.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема первого варианта преобразователя; на фиг. 2 - таблица с результатами суммирования приведенных чисел витков вторичных фазных обмоток в интервалах проводимости соответствующих пар вентилей; на фиг. 3 - принципиальная схема второго варианта преобразователя.

Преобразователь (фиг. 1) содержит 6 трехфазных групп вторичных фазных обмоток 1-6 на трансформаторе 7, первичная обмотка которого (на чертеже не показана) соединена в звезду и подключена к фазным входным выводам А, В, С. Первая группа 1 соединена в звезду с общей точкой начал. Концы фаз a₁, b₁, c₁ обмотки 1 подключены соответственно к концам фаз b₂, с₂, a₂ обмотки 2 и к концам фаз c₃, a₃, b₃ обмотки 3. Начала фаз a₄, b₄, с₄ обмотки 4 подключены соответственно к началам фаз b₅, с₅, a₅ обмотки 5. Начала фаз а₂, b₂, с₂ обмотки 2 подключены соответственно к концам фаз a₅, b₅, c₅ обмотки 5. Шестая группа 6 соединена в звезду с общей точкой концов. Начала фаз a₆, b₆, c₆ обмотки 6 подключены к анодам вентилей соответственно 7, 8, 9 и 10, 11, 12. Катоды вентилей 10, 11, 12 подключены соответственно к началам c₃, a₃, b₃ обмотки 3. Начала фаз a₂, b₂, с₂ обмотки 2 подключены к анодам вентилей соответственно 13, 14, 15, между общей точкой катодов которых и общей точкой концов обмотки 6 включена нагрузка 16.

В первом интервале дискретности открываются вентили, например, 14, 9 и выпрямленный ток замыкается по цепи: от начала к концу фазы а₁ обмотки 1, от конца к началу фазы b₂ обмотки 2, вентиль 14, нагрузка 16, от конца к началу фазы a₆ обмотки 6, вентиль 9, от конца к началу фазы c₄ обмотки 4, от начала к концу фазы a₅ обмотки 5, от начала к концу фазы a₂ обмотки 2, от конца к началу с₁ обмотки 1. При этом результат суммирования приведенных чисел витков вторичных фазных обмоток можно определить из следующего выражения: (0,6527+0,574+0,6527)⋅a-0,6527⋅b-(0,6527+0,574)⋅с=1,8794⋅а-0,6527⋅b-1,2267⋅с.

Через 40 эл. град. открывается вентиль 15, вентиль 14 запирается обратным напряжением и выпрямленный ток замыкается по цепи: от начала к концу фазы b₁ обмотки 1, от конца к началу фазы с₂ обмотки 2, вентиль 15, нагрузка 16, от конца к началу фазы с₂ обмотки 6, вентиль 9, от конца к началу фазы с₆ обмотки 4, от начала к концу фазы a₅ обмотки 5, от начала к концу фазы обмотки 2, от конца к началу с₁ обмотки 1. При этом результат суммирования приведенных чисел витков вторичных фазных обмоток можно определить из следующего выражения: 0,6527⋅b+(0,574+0,6527)⋅а-(0,6527+0,6527+0,574)⋅с=0,6527⋅b+1,2267⋅а-1,8794⋅с.

В начале следующего третьего интервала дискретности открывается вентиль 12, вентиль 9 запирается обратным напряжением и выпрямленный ток замыкается по цепи: от начала к концу фазы b₁ обмотки 1, от конца к началу фазы с₂ обмотки 2, вентиль 15, нагрузка 16, от конца к началу фазы c₆ обмотки 6, вентиль 12, от начала к концу фазы b₃ обмотки 3, от конца к началу фазы c₁ обмотки 1. При этом результат суммирования приведенных чисел витков вторичных фазных обмоток можно определить из следующего выражения: (0,6527+1)⋅b-(0,6527+0,6527+0,3473)⋅c=1,6527⋅b-1,6527⋅с.

Общая очередность включения вентилей: 14-9,15-9, 15-12,15-7, 13-7, 13-10, 13-8,14-8, 14-11. В соответствии с этой очередностью ток нагрузки 16 замыкается через вторичные фазные обмотки с соответствующим результирующим приведенным числом витков. Так как мгновенные значения токов на всех участках схемы преобразователя одинаковы, то результирующие значения приведенных чисел витков вторичных фазных обмоток (фиг. 2) можно условно принять соответствующими мгновенным величинам намагничивающих сил стержней (н.с). Из приведенной таблицы видно, что сумма н.с. в каждой строке и в каждом столбце равна нулю. Первое означает равенство нулю переменной составляющей магнитного потока трансформатора равенство нулю суммы мгновенных значений магнитных потоков трех стержней). Второе - равенство нулю постоянной составляющей магнитного потока трансформатора (равенство нулю среднего значения магнитного потока каждого стержня трансформатора). Знак плюс или минус перед значением результирующего приведенного числа витков в таблице соответствует направлению магнитного потока в стержне трансформатора или, то же самое, направлению тока во вторичной фазной обмотке (от начала к концу или наоборот).

Кроме того, согласно, например, первой строке таблицы (фиг. 2), когда ток нагрузки замыкается через вентили 14-9, приведенные числа витков вторичных фазных обмоток можно условно представить в виде следующей последовательности векторных равенств:

Эти взаимные преобразования векторных равенств указывают на наличие в схеме преобразователя в неявном виде (часть конечного выражения в квадратных скобках) соединения обмоток в двойной последовательный зигзаг, одним из основных предназначений которого является устранение всех видов намагничивания трехфазного трансформатора. Для этого сумма чисел витков средней и крайней последовательно соединенных разноименных ветвей зигзага должна быть равна числу витков разноименной и соединенной с ними фазной обмотки «звезды» (первый вариант патента №2569929). В общем случае эти обмотки могут быть выполнены в виде распределенного последовательного соединения. Часть конечного выражения векторного равенства в квадратных скобках является математической иллюстрацией такого соединения. Что касается другой части конечного выражения, то оно иллюстрирует в рассматриваемом интервале дискретности нагрузку только двух из трех стержней трансформатора с равными ампер витками и равной нулю суммой фазных токов. Приведенные аргументы являются доказательством полной магнитной уравновешенности трансформатора.

Можно заметить, что шестая группа и часть четвертой группы вторичных фазных обмоток прототипа имеют одинаковое приведенное число витков, равное 0,3473, при одинаковом направлении замыкания в них токов от концов к началам. Эти дублирующие свойства обмоток позволяют совместить в обмотке шестой группы равную ей часть обмотки четвертой группы путем перемещения шестой группы обмоток относительно вентилей 10,11,12, с пересоединением ее в звезду с общей точкой концов. Тем самым уменьшается на 0,3473 приведенное число витков четвертой группы от 0,574 до 0,2267, что, несмотря на рост угла проводимости обмотки шестой группы от 40 эл. град. до 120 эл. град., уменьшает коэффициент превышения расчетной мощности трансформатора преобразователя до Р_т=1,2405. Кроме того, упрощается соединение между третьей и шестой группами вторичных фазных обмоток за счет упрощения зигзага между ними путем соединения этих обмоток через вентили на зигзаг. Если принять за единицу приведенное число витков пятой группы обмоток, равное 0,574, то получим значения приведенных чисел витков первой, второй, третьей, четвертой и шестой групп обмоток, соответственно 1,1371; 1,1371; 1,742; 0,395 и 0,605. Эти другого вида значения и их производные - основа построения схемы аналога (патент №2569929). Отличие предлагаемого решения в разности 0,395 (0,2267) между значением в аналоге, равном 1 (0,574) и вычитаемом значении 0,605 (0,3473), т.е. 0,395=1-0,605 или, в другом виде, 0,2267=0,574-0,3473, т.е. разность чисел витков обмоток 4 и 6 аналога.

Преобразователь (фиг. 3) содержит 6 трехфазных групп вторичных фазных обмоток 1-6 на трансформаторе 7, первичная обмотка которого (не показана) соединена в звезду и подключена к фазным входным выводам А, В, С. Первая группа 1 соединена в звезду с общей точкой начал. Концы фаз a₁, b₁, c₁ обмотки 1 подключены соответственно к концам фаз b₂, c₂, а₂ обмотки 2 и к концам фаз с₃, а₃, b₃, обмотки 3. Начала фаз а₂, b₂, c₂ обмотки 2 подключены соответственно к началам фаз с₅, a₅, b₅, обмотки 5 и к анодам вентилей 13, 14, 15, катоды которых подключены к выводу нагрузки 16, другой вывод которой подключен к общей точке начал обмотки 4. Концы фаз а₄, b₄, c₄ обмотки 4 подключены к общим точкам анодов вентилей соответственно 7 и 10, 8 и 11, 9 и 12. Катоды вентилей 7, 8, 9 подключены соответственно к концам фаз с₅, a₅, b₅, обмотки 5. Катоды вентилей 10, 11, 12 подключены соответственно к концам, b₆, с₆, а₆ обмотки 6. Начала фаз а₆, b₆, c₆ обмотки 6 подключены соответственно к началам с₃, а₃, b₃ обмотки 3.

Очередность включения вентилей: 14-7, 15-7, 15-11, 15-8, 13-8, 13-12, 13-9, 14-9, 14-10. Можно заметить, что пятая группа и часть третьей группы вторичных фазных обмоток прототипа имеют одинаковое приведенное число витков, равное 0,574, при одинаковом направлении замыкания в них токов от начал к концам. Эти дублирующие свойства обмоток позволяют совместить в обмотке четвертой группы (взамен идентичной ей пятой) равную ей часть обмотки третьей группы путем перемещения четвертой группы обмоток относительно ближайших к ней вентилей 7, 8, 9, с пересоединением ее в звезду с общей точкой начал. Возможность этого определяется тем, что четвертая и пятая группы фазных обмоток имеют одинаковое приведенное число витков, а направление зигзага между ними можно сохранить неизменным. Тем самым уменьшается на 0,547 приведенное число витков третьей группы от 1 до 0,426, что, несмотря на рост угла проводимости обмотки четвертой группы от 80 эл. град. до 120 эл. град., уменьшает коэффициент превышения расчетной мощности трансформатора до Р_т=1,221. Кроме того, упрощается соединение между четвертой и пятой группами вторичных фазных обмоток за счет упрощения зигзага между ними путем соединения этих обмоток через вентили на зигзаг.

Использование: в области электротехники. Технический результат - уменьшение расчетной мощности трансформатора без увеличения количества вентилей. Преобразователь по первому варианту содержит трехфазный трансформатор с шестью группами вторичных фазных обмоток и вентили, первая группа образует звезду, концы которой соединены с концами второй группы в левый зигзаг, а с концами третьей - в правый, пятая группа соединена началами с началами четвертой группы в правый зигзаг, а концами - с началами одноименных фаз второй группы, шестая группа соединена в звезду, концы которой подключены к одному выводу нагрузки, другой вывод которой подключен к катодам первой группы вентилей, к анодам которых подключены начала второй группы обмоток, начала третьей и шестой групп соединены через вентили второй группы на левый зигзаг, начала шестой группы подключены к анодам вентилей третьей группы, катоды которых подключены к концам одноименных фаз четвертой группы, причем приведенные числа витков групп обмоток в порядке возрастания их нумерации равны: 0,6527; 0,6527; 1; 0,2267; 0,574; 0,3473. Преобразователь по второму варианту содержит трехфазный трансформатор с шестью группами вторичных фазных обмоток и вентили, первая группа образует звезду, концы которой соединены с концами второй в левый зигзаг, а с концами третьей - в правый, четвертая группа соединена в звезду, подключенную началами к одному выводу нагрузки, другой вывод которой подключен к катодам первой группы вентилей, к анодам которых подключены начала второй группы обмоток, начала пятой группы соединены с началами второй группы в правый зигзаг, а концы подключены к катодам вентилей третьей группы, аноды которых соединены с концами четвертой группы, образующей с пятой группой соединение через вентили на правый зигзаг, концы четвертой группы подключены к анодам вентилей третьей группы, катоды которых подключены к концам шестой группы, образующей с четвертой группой соединение через вентили в левый зигзаг, начала третьей группы соединены с началами шестой группы в левый зигзаг, причем приведенные числа витков групп обмоток в порядке возрастания их нумерации равны: 0,6527; 0,6527; 0,426; 0,574; 0,574; 0,3473. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащий трехфазный трансформатор с шестью трехфазными группами вторичных фазных обмоток, первая из которых соединена в звезду и подключена каждым свободным выводом на разнонаправленные зигзаги к одноименным выводам смежных по фазе обмоток второй и третьей групп, четвертая и пятая группы соединены друг с другом в зигзаг, однонаправленный с соединением в зигзаг первой и третьей групп, разноименные выводы одноименных фазных обмоток второй и пятой групп подключены общими точками к электродам вентилей, общая точка одноименных электродов которых подключена к выводу нагрузки, свободные выводы четвертой группы подключены каждый к первому одноименному крайнему электроду одной из трех пар встречно последовательно соединенных вентилей, одноименные выводы шестой группы подключены к вентилям, причем приведенные числа витков первой, второй, третьей, пятой и шестой групп фазных обмоток соответственно равны 0,6527, 0,6527, 1, 0,574 и 0,3473, отличающийся тем, что шестая группа соединена в звезду, взаимообратную со звездой первой группы, и подключена общей точкой к другому выводу нагрузки, а свободными выводами к общим точкам упомянутых встречно последовательно соединенных пар вентилей, каждый второй крайний электрод которых подключен к одноименному со свободными выводами шестой группы, выводу разноименной фазной обмотки третьей группы, третья и шестая группы с подключенными между ними вентилями образуют соединение через вентили на зигзаг, однонаправленный с соединением в зигзаг первой и второй групп, причем приведенное число витков четвертой группы фазных обмоток равно 0,2267.

2. Преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащий трехфазный трансформатор с шестью трехфазными группами вторичных фазных обмоток, первая из которых соединена в звезду и подключена каждым свободным выводом на разнонаправленные зигзаги к одноименным выводам смежных по фазе обмоток второй и третьей групп, одноименные выводы четвертой группы фазных обмоток подключены к одноименным электродам первой группы вентилей, одноименные выводы пятой группы фазных обмоток подключены к общим точкам одноименных свободных выводов второй группы фазных обмоток и одноименных электродов второй группы вентилей, общая точка других электродов которых подключена к выводу нагрузки, шестая группа фазных обмоток подключена одной группой одноименных выводов к одноименным электродам третьей группы вентилей, а другой - на зигзаг к свободным выводам третьей группы фазных обмоток, однонаправленный с соединением в зигзаг первой и второй групп,

каждый вентиль первой группы соединен с вентилем третьей групп встречно последовательно, причем приведенные числа витков первой, второй, четвертой, пятой и шестой групп фазных обмоток соответственно равны 0,6527, 0,6527, 0,574, 0,574 и 0,3473, отличающийся тем, что одноименные выводы разноименных фаз второй и пятой групп фазных обмоток соединены на зигзаг, однонаправленный с соединением в зигзаг первой и третьей групп, четвертая группа фазных обмоток соединена в звезду, идентичную звезде первой группы, и подключена общей точкой одноименных выводов к другому выводу нагрузки, а каждым свободным выводом к общей точке одной из трех пар упомянутых встречно последовательно соединенных вентилей, крайние электроды первой группы которых подключены к свободным выводам пятой группы фазных обмоток так, что одноименные выводы разноименных фаз четвертой и пятой групп образуют между собой соединение через вентили на зигзаг, однонаправленный с соединением в зигзаг первой и третьей групп, одноименные выводы разноименных фаз четвертой и шестой групп образуют между собой соединение через вентили на зигзаг, однонаправленный с соединением в зигзаг первой и второй групп, причем приведенное число витков третьей группы фазных обмоток равно 0,426, где сумма приведенных чисел витков фазных обмоток первой и третьей групп равна единице.