Преобразователь переменного напряжения (его варианты) Советский патент 1986 года по МПК H02M7/17 H02M5/257 

Изобретение относится к преобра- зовательной технике и может быть использовано для выпрямления трехфазного переменного напряжения, а также преобразования этого напряжения в трехфазное несинусоидальное той же частоты с качественным гармоническим составом.

Цель изобретения - улучшение мае- СО-габаритных и энергетических показателей.

На фиг,1-6 приведены принципиальные схемы первого варианта преобразователя; на фиг.7 - схема второго варианта; на фиг.8 - временные диаграммы работы преобразователя при угле отпирания тиристоров об 30 эл. град

Преобразователь (см, фиг,1) содержит вентили (тиристоры) 1-12 и уравнительный реактор 13 с обмотками 14, 15, 16, совместно образующими схему регулятора 17, шестиполюсник 18, выполненный в виде трехфазного трансформатора 19, первичные обмотки 20, 21, 22 которого началами образую входные выводы 23,24, 25, а концами- выходные выводы 26, 27, 28, вторичны обмотки 29, 30, 31 соединены в звезду и подключены к входу выпрямитель- кого моста на.диодах 32-37 с выходными вьгоодами 38, 39. Входные вьшоды 23, 24, 25 шестиполюсника 18 подключены к фазным входным выводам А, В, С, трехфазного источника 40 питания, Выходной вывод 26 /27,28/ шестипо- 18 через встречно-параллельно включенные пары тиристоров 1,2 /-5,6,9,10/ подключен к промежуточном выводу обмотки 14/15,16 реактора 13, конец которой соединен с выходным выводом ,26/ шестиполюсника 18j Выходные выводы 26, 27, 28 через встречно-параллельно включенные пары тиристоров соответственно 3, 4, 7, 8, 11, 12 подключены к началам обмоток соответственно 14, 15, 16 уравнительного реактора 13.

Работа преобразователя осуществляется следующим образом.

Разностное напряжение (ЭДС) каждо обмотки уравнительного реактора 13 имеет частоту 3f, где f - частота сети, и в любой момент времени равно разности мгновенных значений линей- ных напряжений сети, т.е. магнитный поток реактора изменяется с частотой 3f и имеет относительно небольшую амплитуду.

0

5

0 5 0 зс О 5

0

Коммутация тиристоров при отстающем угле отпирания об в диапазоне осуществляется естественно за счет сильной индуктивной связи между обмотками 14, 15, 16 реактора 13, а также автотрансформаторной связи между секциями кажд.ой из этих обмоток, соотношение чисел питков которых равно W 1:-4Т.

Очередность включения тиристоров: 1-12,10-3,10-7,5-12,5-4,2-7,2-11,9-4, 9-8,6-11,6-3,1-8 и соответственно диодов: 33-34-36,33-34-36,33-35-36, 33-35-36,32-35-36,32-35-36,32-35-37, 32-35-37,32-34-37,32-34-37,33-34-37, 33-34-37.

Допустим, что в некоторьй момент времени потенциал фазы С более положителен, чем потенциал фазы А относительно отрицательного потенциала фазы В, т.е. мгновенное значение напряжения сети Vcg, между фазными входными вьгоодами С и В превьщшет мгновенное значение напряжения сети дь между фазными входными выводами А и В (см. фиг.8). Тогда управляющие импульсы должны быть поданы на тиристоры 6 ч 3 с тем, чтобы большее из указанных напряжений V оказалось приложенным к части обмотки 15 реактора 13с числом витков W,, а меньшее из указанных напряжений Аь - ко всей обмотке 14 реактора 13 с числом витков W,+V7.

В результате, разность мгновенных значений напряжений V и Уд приобретает плюсовую полярность относитель но концов обмоток 15 и 14. ЭДС, наводимая в обмотке 14, суммируется с напряжением Vfte ЭДС, наводимая в обмотке 15, уменьшает напряжение . Происходит выравнивание мгновенных значений напряжений V и дц, при этом формируемая на обмотках 20, 21, 22 трансформатора 19 полуволна результирующего напряжения с амплитудой, равной 2-J3 sin15° V (где амплитуда линейного напряжения сети) отстает по фазе от напряжения V на 15 эл.град. Под действием трансформируемого на вторичные обмотки 29, 30, 31 трансформатора 19 результирующего напряжения ток нагрузки замыкается через диоды 33, 37, 34. Так как алгебраическая сумма токов., протекающих через диод 33, обмотку 29 и диод 37, обмотку 31, равна току, протекающему через диод 34 и обмотку 30,

то алгебраическая сумма токов в первичных обмотках 2-0 и 22 трансформатора 19 равна току в его обмотке 21. Так как соотношение числа витков обтекаемой током части обмотки 15 и всей обмотки 14 реактора 13 равно liC-H +l) то для Соблюдения баланса ампер-витков в реакторе 13 соотношение токов в обмотках 20, 23 и 29, 31 (в дно- io дах 33, 37) также равно 1:(4з +1).

Через 30 эл.град, от естественного угла отпирания тиристоров 3 и 6, потенциал фазы А становится более положительным, чем потенциал фазы С от-15 носительно отрицательного потенциала фазы В. Однако вышеуказанная полуволна результирующего напряжения через открытые тиристоры 3 и 6 продолжают

формировать на выходе соответствующую 20 а меньшее ко всей обмотке

пульсацию напряжения до момента отпирания тиристоров 1 и 8. Так как при включении тиристоров 1, 8 через 30 эл.град. после включения тиристоров 3, 6 мгновенное значение напряжеНИН сети V.p. превышает V

ев

то

их разность приобретает плюсовую полярность относительно начал обмоток 14 и 15. Под.действием этой разностной ЭДС на части обмоток 14, 15 с числом витков W, тиристоры 3 и 6 запираются. Тогда большее из указанных напряжений Удц прикладывается к части обмотки 14 реактора 13 с числом витков W,, а меньшее V - ко всей обмотке 15 реактора 13 с числом витков W, + W.

Разностная ЗДС на обмотке 14 уменьшает напряжение Уд, а на обмотке 15 суммируется с напряжением V . Происходит выравнивание мгновенных значений напряжений V и VCB, при этом формируется на обмотках 20, 21, 22 трансформатора 19 очередная полуволна результирующего напряжения с амплитудой, также ра.вной 2-j3sin15 v которая опережает по фазе напряжение на 15 эл.град. и одновременно отстает по фазе на 30 эл.град. от предыдущей полуволны результирующего напряжения. Аналогично предыдущему интервалу в 30 эл.град. в очередном интервале, также в 30 эл.град., ток проводят те же диоды 33, 34, 37 чере обмотки 29, 30, 31. Однако соотношение токов в обмотках 29, 31 (в диодах 33, 37) и 20, 22 меняется на обратное, т.е. становится равным

Ш+1).

Через 30 эл.град. от естественног угла отпирания тиристоров 1 и 8 потенциал фазы С становится отрицательным, но менее, чем потенциал фазы В относительно положительного потенциала фазы А. Поэтому при включении тиристора 12 через 30 эл.град. после включения тиристоров 1 и 8, мгновенное значение напряжения сети Vf превышает V., , а разность мгновенных значений напряжений дв и приобретает плюсовую полярность относительно начал обмоток 14 и 16. Под действием разности напряжений и V,; на обмотке 15 тиристор 8 запирается. Тогда большее из напряжений VAB прикладывается к части обмотки 1-4 реактора 13 с числом витков

5

0

5

0

5

0

5

16 реактора 13 с числом витков Wf+Wg. Разностная ЭДС на обмотке 14 уменьшает напряжение V, а на обмотке 16 суммируется с напряжением . -Происходит выравнивание мгновенных значений напряжений V/ и V с формированием очередной полуволны результирующего напряжения, отстающей по фазе от предыдущей полуволны на 30 эл.град. Далее процессы повторяются. При этом на выходе выпрямительного моста формируется двенадцатипульсное выпрямленное напряжение Vj (см.фиг.8), в первичных и вторичных фазных обмотках трансформатора 19 формируются две шестиступенчатые полуволны несинусоидального переменного тока 1д с соотношением амплитуд ступенек, соответствующим содержанию высших гармоник с порядковым номером 6п+1, где п 2,3,4... (каждая полуволна соответствует току одного диода),, а в обмотках W( и W реактора 13 - токи 1 W, и ,Проведенные эксперименты показали нормальную работоспособность преобразователя и в случае соединения вторичных обмоток трансформатора в треугольник, при той же очередности включения тиристоров 1-12 регуля.ра 17. Однако при соединении в звезду форма тока диода получается качественно лучше.

Преобразователь (см. фиг.2) содержит регулятор 17, подключенный к выходным выводам 26, 27, 28 шестиполюс- ника 18, входные выводы 23, 24, 25 которого подключены к фазным входным выводам А, В, С трехфазного источника

АО питания. Шестиполюсник 18 выполнен в виде трехфазного трансформатора 19, первичные обмотки 20, 21, 22 которого соединены в звезду и образуют началами его входные выводы. Вторичные обмотки 29, 30, 31 трансформатора 19 началами образуют выходные выводы шестиполюсника 18, а концами подключены к входу выпрямительного моста на диодах 32-37 с выходными выводами 38, 39.

Очередность включения тиристоров 1-12 регулятора 17 сохраняется прежней. Процесс преобразования напряже- ния аналогичен вышеописанному (как на фиг,1). На выходе выпрямительного моста формируется двенадцатипульсное выпрямленное напряжение Vj, остальные формы кривых также не отличаются от представленных на фиг.8.

Преобразователь (см, фиг.З) содержит регулятор 17, подключенный к выходным выводам 26, 27, 28 шестиполюсника 18, входные вьгеоды 23, 24, 2525 как в случае соединения нагрузки в

которого подключены к фазным входным выводам А, В, С трехфазного источника 40 питания, Шестиполюсник 18 выполнен в виде трансформатора 19, первичные обмотки 20, 21, 22 которого началами образуют входные выводы, а концами - выходные выводы шестиполюсника. Вторичные обмотки 29, 30, 31 трансформатора 19 соединены в звезду конць которой подключены к фазам 41, 42, 43 нагрузки, соединенной в звез- ДУ. ,

Очередность включения тиристоров 1-12 регулятора 17 сохраняется прежней (как на фиг.1). При этом форма тока в каждой фазе нагрузки с соответствующим Аазовым сдвигом повторяе форму тока 1д (см, фиг.8) во вторичной (первичной) фазной обмотке трансформатора, т.е. токи в нагрузке не содержат выспшх гармоник ниже одиннадцатой.

Проведенные эксперименты, как и в вышеуказанном случае, (см, фиг.1), показали нормальную работоспособност преобразователя и в случае соединения вторичных обмоток трансформатора в треугольник. Кроме того, независимо от схемы соединения вторичных обмоток трансформатора, нагрузка может быть соединена как в звезду, так и в треугольник.

Преобразователь (см, фиг,4) содержит регулятор 17, подключенный к

выходным выводам 26, 27, 28 шестиполюсника 18, входные выводы 23, 24, 25 которого подключены к фазным входам выводам А, В, С трехфазного источника 40 питания. Шестиполюсник 18 выполнен в виде трехфазного трансформатора 19, первичные обмотки 20, 21, 22 которого соединены в звезду и образуют началами его входные выводы. Вторич ные обмотки 29, 30, 31 трансформатора 19 началами образуют выходные выводы шестиполюсника 18, а концами подключены к фазам 41, 42, 43 нагрузки, соединенной в звезду.

Очередность включения тиристоров- 1-12 регулятора 17 сохраняется прежней (как на фиг.1), при этом форма тока в каждой фазе нагрузки с соответствующим фазовым сдвигом повторяет форму тока (см, фиг.8) во вторичной (первичной) обмотке трансформатора.

Проведенные эксперименты показали высокое качество регулирования.

5

0

0

j

0

5

звезду, так и в треугольник.

Преобразователь (см. фиг,5) содержит регулятор 17, подключенный к выходным вывддам 26, 27, 28 шестиполюсника 18, входные выводы 23, 24, 25 которого подключены к фазным входным выводам А, В, С трехфазного источника 40 питания, Шестиполюсник 18 выполнен в виде трехфазной нагрузки, фазы 41 (42, 43) которой одним выводом подключены к входному выводу -23 (24, 25), а другим - к выходному выводу 26 (27,28),

Очередность включения тиристоров 1-12 регулятора 17 сохраняется прежней, (как на фиг,1). При этом форма тока в каждой фазе нагрузки также не содержит высшей гармоники ниже одиннадцатой. В качестве нагрузки может быть использована, например, двигательная нагрузка..

Преобразователь (см, фиг,6) содержит регулятор 17, подключенный к выходным выводам 26, 27, 28 шестиполюсника 18, входные вьгооды 23, 24, 25 которого подключены к фазным входным выводам А, В, С трехфазного источника 40 питания.

Шестиполюсник 18 выполнен в виде автотрансформатора 44, обмотки 45, 46, 47 которого соединены в звезду и подключены началами к входным выводам 23, 24, 25, а отпайками - к фазам

41, 42, 43 трехфазной нагрузки, чере которые соединены, с выходными выводами 26, 27, 28.

Очередность включения тиристоров 1-12 регулятора 17 сохраняется прежней (как на фиг.1). Преобразователь обеспечивает возможность согласовани напряжений между источником и нагрузкой при меньших габаритах трансформаторного оборудования.

Важной особенностью всех разновидностей первого варианта преобразователя является возможность работы с - половинным числом тиристоров, подключенных либо только к промежуточным, либо только к крайним выводам обмотЬк уравнительного реактора. В этом случае на выходе выпрямителя формируется шестипульсное вьтрямлен- ное напряжение при повышенном использовании по току диодов, а в каждой фазе трехфазной нагрузки формируются две трехступенчатые полуволны неси- нусоидального переменного тока с длительностью каждой ступени 60 эл.град., где амплитуда средней ступени равна амплитуде тока нагрузки и сумме амплитуд крайних ступеней.

Преобразователь (см. фиг.7) содержит тиристоры 48-59 и диоды 60-65, трехобмоточньй уравнительный реактор 66 и трехфазный трансформатор 67. Вторичные обмотки 68, 69, 70 трансформатора 67 соединены в треугольник и подключены к входу трехфазного выпрямительного моста на диодах 60-65, к выходу которого подключена нагрузка 71. Первичные обмотки 72, 73, 74 трансформатора 67 соединены в треугольник и подключены к фазным входным вьшодам, при этом конец обмотки 72 (73, 74) соединен с подключенным к фазному входному выводу В (С, А) началом обмотки 73 (74, 72) через последовательную цепь, образованную встречно-параллельно включенными тиристорами 54 и 55 (58 и 59, 50 и 51) и обмоткой 75 (76, 77) уравнительного реактора 66, которая подключена началом к указанной паре тиристоров, а концом - к концу обмотки 72 (73, 74). Кроме того, промежуточный вьшод обмотки 75 (76, 77) реактора 66 подключен к началу обмотки 73 (74,72) трансформатора 67 через встречно-параллельно включенную пару тиристоров 52 и 53 (56 и 57, 48 и 49).

10

5

0

5

0

5

0

5

0

5

Каждая обмотка уравнительного реактора 66 разделена промежуточным выводом в соотношении чисел витков,, равном W,:W 1 : 4з.

Преобразователь (см. фиг.7) имеет следующую очередность включения тиристоров: 57-54,52-59,52-51,49-54, 49-58,56-51,56-55,53-58,53-50,48-55, 48-59,57-50.

Преобразователь-на фиг.7 структурно отличается от преобразователя на фиг.1 тем, что первичные обмотки трансформатора, являющегося в данном варианте необходимым элементом преобразования, включены не в линии, а в фазы треугольника, образованного в регуляторе 17 обмотками реактора и тиристорами. Поэтому очередность включения тиристоров в преобразователях по фиг.7 и 1 совпадает. При этом аналогично первому варианту вторичные обмотки трансформатора могут быть соединены в звезду. Кроме того, независимо от их группы соединения они могут быть подключены к трехфазной нагрузке, соединенной в звезду или треугольник.

Однако форма фазного тока первичной обмотки трансформатора совпадает .с iwi а линейного - с 1д (см. фиг.8). В целом качественные показатели второго варианта преобразователя независимо от числа тиристоров регулятора уступают первому варианту.

.Упрощение схемы регулятора 17 облегчает возможность реализации.качественно нового приема взаимообратного переключения тиристоров на индуктивности, позволяющего за счет индуктивной связи между обмотками маломощного уравнительного реактора обойти необходимость перехода к искусственной коммутации при отстающем угле управления.

Эффективность предложенного преобразователя заключается в упрощении конструктивного исполнения и умень- . шении габаритов уравнительного реактора за счет сокращения количества его обмоток наряду с повьш1ением использования по току. Снижение потерь в реакторе и тиристорах повышает КПД преобразователя. Кроме того, в связи с улучшением форм тока тиристоров повышается их нагрузочная способность по току, а в результате уменьшения общего количества требуемых импульЧ.

сов, упрощается система управления тиристорами за счет уменьшения числа распределительных элементов.

Формула изобретения

1. Преобразователь переменного напряжения, содержащий две группы управляемых вентилей, уравнительный реактор с тремя индуктивно связанными обмотками, каждая из которых по крайней мере первым крайним выводом, промежуточным выводом, делящим ее витки на части в отношении-1 , меньшая из которых отсчитывается от второго крайнего вывода, соединена через управляемый вентиль первой группы с одним из трех выходных выводов шестиполюсника, входные вьгооды которого подключены к трехфазному источнику питания, отличающий с я тем, что, с далью улучшения мас согабаритных и энергетических показателей, встречно-параллельно каждом управляемому вентилю первой группы включен управляемьш вентиль второй группы, второй крайний вьгеод каждой обмотки уравнительного реактора соединен через соответствующую пару ука занных вентилей с первым крайним выводом смежной обмотки, при этом соединение обмоток уравнительного реак- с вентилями образует

тора ник,

треуголь

2,Преобразователь по п.1, от - личающийся тем, что шести- полюсник выполнен в виде трансформатора, начала первичных обмоток которого подключены.к входным выводам, концы - к выходным выводам, а вторичные oбмotки соединены в трехфазную группу и подключены к входу переменного тока вьшрямительного моста.

3.Преобразователь по п.1, о т - личающийс я тем, что шести- полюсник выполнен в виде трансформатора, первичные обмотки которого- соединены в звезду и подключены к входным выводам, начала вторичных обмоток подключены к выходным выводам, а концы - к входу переменного тока выпрямительного моста.

А. Преобразователь по п.1, о т - личающийся тем, что шести- полюсник выполнен в виде трансформатора, начала первичных обмоток которого подключены к входным выводам, KOHIOJ - к выходным выводам, а вто5

25 30

20

35

40

45

50

55

ричные обмотки соединены в трехфазную группу, образуя выводы для подключения трехфазной нагрузки.

5. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что шести- полюсник выполнен.в виде трансформатора, первичные обмотки которого соединены в звезду и подключены к ,входным вьшодам, начала вторичных обмоток подключены к .выходным выводам, а концы образуют выводы для подключения трехфазной нагрузки.

6.Преобразователь по п.1,- о т - личающий-ся тем, что входные вьшоды шестиполюсника образуют совместно с его соответствующими выходными выводами выводы для подключения трехфазной нагрузки.

7.Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что шести- полюсник выполнен в виде автотрансформатора, обмотки которого соединены в звезду и подключены началами к входным выводам, а промежуточные выводы обмоток образуют совместно с выходными выводами выводы для подключения трехфазной нагрузки.

8.Преобразователь, содержащий две группы управляемых вентилей, уравнительный реактор с тремя индуктивно связанными обмотками, каждая из которых, по крайней мере, первым крайним выводом, промежуточным выводом, делящим ее витки на части

в отношении 1:4з, меньшая из которых отсчитывается от второго, крайнего вывода, соединена с управляемым вентилем первой группы, трехфазный трансформатор, одноименные выводы первичных фазных обмоток которого образуют входные выводы для подключения к трехфазному источнику питания, а вторичные фазные обмотки соединены в трехфазную группу и подключены тремя одноименными выводами к входу переменного тока выпрямительного моста, выход постоянного тока которого образует выходные выводы, отличающийся тем, что, с делью улучшения массогабаритных и энергетических показателей, встречно-параллельно каждому управляемому вентилю первой группы включен управляемый вентиль второй группы, каждый свободный вьшод указанных объединенных групп подключен к началу первичной фазной обмотки трансформатора, а второй

крайний вывод каждой обмотки уравни- первичной обмотки смежной фазы транстельного реактора соединен с концом форматора.

О „Л „В. „с

25

2i

25

20С 2 IC 22

18

9

29С ЗОС 3

IOH

Ы- 38

155Ь

5

3

5

адЬ

фиг.1

9йг.З

ЙТУ

234 2

25

20С 2

22

119

26

. 2

17

29С ЗОС 315

111 211 3

ФигЛ

,в ,с

23

2М

25

гП 43

18

26

27

28

17

Oj оВ оС

мП гП 45П

18

Фи1.5

26i 27 28

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для выпрямления трехфазного переменного напряжения, а также преобразования этого напряжения в трехфазное- несинусоидальное той же частоты с качественным гармоническим составом. Цель изобретения - улучшение массо-габаритньк и энергетических показателей. Первый вариант преобразователя обеспечивает работу с половинным числом тиристоров,подключенных либо только к промежуточным,либо только к крайним выводам .обмоток уравнительного реактора. При этом на выходе устройства формируется шестипульсное выпрямленное напряжение при повышен ном использовании по току диодов, а в каждой фазе трехфазной нагрузки формируются две трехступенчатые полуволны несинусоидального переменного тока с длительностью каждой ступени 60 эл.град. Второй вариант отличается тем, что первичные обмотки трансформатора включены не в линии, а в фазы треугольника, .образованного в регуляторе обмотками реактора и тиристорами. Упрощение конструкции и уменьшение габаритов уравнительного реактора происходит за счет сокращения количества обмоток наряду с повышением использования их по току. Снижение потерь в реакторе и тиристорах повышает КПД. 2 с. и 6 з.п. ф-лы. 8 ил. I СП

Л

uzfcxyjif

jyfTh-« 5 .yjji

f

77 l/t

U

/

r

Я

U

/Ой/гг

Uc

XV

X „-N-, г хХ - - чХ ЧХ Х / чХV Ч,

L/ / - Х /л/ч / / - А Сч/ ч / / уА/

X / X х V/ ч/ чу ч ч :

:

/

,Г

Редактор П.Горькова

Составитель Е.Мельникова

Техред Л.Сердюкова Корректор А.Обручар

Заказ 1431Тираж 665Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

et/t