Преобразователь многофазного переменного напряжения в постоянное Советский патент 1992 года по МПК H02M7/08 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в различных отраслях промышленности, где применяются многофазные нелинейные потребители.

Известны преобразователи многофазного переменного напряжения в постоянное, содержащие трансформаторы и многофазные вентильные мосты, присоединенные к вторичным обмоткам этих трансформаторов.

Известные преобразователи являются источниками высших гармоник тока на входе этих мостов и в обмотках трансформаторов, вследствие чего существенно ухудшается форма кривой тока питающей сети и качество электроэнергии в ней. Обычный способ ограничения уровня высших гармоник тока в питающей сети при использовании таких преобразователей состоит в применении индуктивно-емкостных резонансных фильтров, каждый из которых должен быть рассчитан на отдельную гармонику.

Известны также преобразователи многофазного переменного напряжения в постоянное, содержащие трансформаторы, трехфазные первичные обмотки которых соединены с входными выводами для подключения питающей сети, а каждая из четырех трехфазных вторичных обмоток соединена с входом одного из четырех трехфазных вентильных мостов, соединенных по выходу последовательно, причем свободные выводы этой последовательной цепи образуют выходные выводы для подключения нагрузки, одна из вторичных обмоток соединена в звезду, а другая - в треугольник.

Однако известные преобразователи имеют ограниченные возможности защитить питающую сеть от одиннадцатой, тринадцатой, тридцать пятой и других высших гармоник тока этой группы, рождаемых на стороне переменного тока его вентильных мостов - для этого требуется выполнение целого ряда условий, не всегда достижимых. Кроме того, преобразователь не способен ограничить в питающей среде уровень большой группы высших гармоник тока, которые генерируются в нее другими нелиней- ными потребителями - мостовыми выпрямителями, дуговыми многофазными электропечами и т. д.

Недостаток прототипа состоит в непомерной сложности, обусловленной наличием как восьми вторичных трехфазных обмоток питающего трансформатора, так и восьми присоединенных к ним трехфазных вентильных мостов. Такая сложность прототипа обусловливает существенное ограничение возможных областей его применения.

Целью изобретения является упрощение и расширение области применения.

Поставленная цель достигается тем, что третья и четвертая трехфазные вторичные

обмотки соединены каждая по схеме треугольника с продолженными сторонами и взаимно противоположны чередованием фаз относительно друг друга, причем соотношение числа витков в сторонах треуголь0 ника и в их продолжениях выбрано таким, при котором системы линейных напряжений на выходах третьей и четвертой обмоток имеют поворот на угол плюс или минус пятнадцать градусов по отношению к системе

5 линейных напряжений на выходе указанной вторичной обмотки, соединенной в звезду, являющейся первой.

На фиг, 1 изображена принципиальная схема устройства; на фиг. 2 - векторные

0 диаграммы напряжений на отдельных частях четырех вторичных обмоток его трехфазного трансформатора.

Устройство (фиг. 1) содержит трансформатор 1, первичная обмотка 2 которого при5 соединена входными выводами 3-5 к трехфазной питающей сети, к вторичным обмоткам 6-9 присоединены вентильны мосты 10-13, соединенные своей стороной постоянного тока, например, последова0 тельно. К выходным выводам 14 и 15 такого соединения устройства присоединена активно-индуктивная нагрузка 16.

Вентильный мост 10 стороной переменного тока присоединен к соединенной звез5 дои вторичной обмотке 6 трансформатора вентильный мост 11 - к соединенной треугольником вторичной обмотке 7, вентильные мосты 12 и 13 - к соединенным треугольником с продолженными сгорона0 ми вторичным обмоткам 8 и 9, причем чередования фаз соединения этих обмоток взаимно противоположны.

В частности, разделенная на две части 17 и 18 вторичная обмотка 8 одной своей

5 частью 17 соединена треугольником путем присоединения промежуточных выводов 19-21 одних фаз этой обмотки к крайним выводам ее соседних фаз, между тем как крайние одноименные выводы противопо0 -юй полярности части 18 вторичной обмотки 8 присоединены к стороне переменного тока вентильного моста 12. Аналогично разделенная на две части 22 и 23 вторичная обмотка 9 одной своей частью

5 22 соединена треугольником путем присоединения промежуточных выводов 24-26 одних фаз этой обмотки к крайним выводам ее соседних фаз, между тем как крайние одноименные выводы противоположной полярности части 23 вторичной обмотки 9

присоединены к входу вентильного моста 13.

На фиг. 2а приведена векторная диаграмма напряжений на вторичной обмотке б трансформатора; на фиг. 26 - обмотки 7 этого трансформатора; на фиг. 2в - на отдельных частях 17 и 18 секционированной вторичной обмотки 8; на фиг. 2г - на отдельных частях 22 и 23 секционированной вторичной обмотки 9.

Описание работы устройства связано с векторными диаграммами напряжений фиг. 2, поскольку они характеризуют электромагнитные процессы во многих элементах устройства.

Из векторных диаграмм фиг. 2 следует, что системы векторов фазных напряжений соответствующих частей вторичных обмоток не имеют взаимного сдвига по фазе, поскольку векторы этих напряжений должны совпадать по фазе с векторами напряжений тех фаз первичной обмотки 2. которые расположены на общем стержне магнито- провода трехфазного трансформатора; системы линейных напряжений обмоток 6 и 7 взаимно сдвинуты на угол 30е и потому на тот же угол сдвинуты системы линейных напряжений на входе вентильных мостов 10 и 11; при рациональном выборе соотношения чисел витков частей 17 и 18 обмотки 8 система линейных напряжений на входе вентильного моста 12 будет сдвинута на 151 по отношению к системе линейных напряжений на входе вентильного моста 10; при таком же соотношении чисел витков частей 22 и 23 обмотки 9 система линейных напряжений на входе вентильного моста 13 будет сдвинута относительно системы линейных напряжений на входе вентильного моста 10 на тот же угол 15, но в противоположную сторону; вследствие изложенного будет иметь место взаимный сдвиг на 30 между системами линейных напряжений на входе вентильных мостов 12 и 13.

Особенности работы устройства обусловлены как активно-индуктивным характером его нагрузки, так связанными с этим электромагнитными процессами в элементах устройства. Эти особенности выражаются, например, во взаимодействии отдельных составляющих несинусоидальных токов, магнитодвижущих сил и создава- емых ими потоков в обмотках трансформатора. В этих условиях решающее значение имеет форма тока в отдельных частях обмоток и обусловленные этим совпадения или определенный сдвиг по фазе той или иной гармонической составляющеймагнитодвижущейсилывзаимодействующих обмоток трансформатора. Именно потому при описании работы важно учитывать особенности гармонического состава несинусоидальных токов в обмотках трансформатора и соответствующих

им магнитодвижущих сил, определяющих картину взаимодействия соответствующих составляющих магнитного потока в общем для обмоток стержне магнитной системы трансформатора.

0 Известно, что входной ток вентильного трехфазного моста имеет форму меандра, характеризуемого чередованием положительных и отрицательных полуволн неизменной величины в течение третьей части

5 периода, перемежаемых интервалами нулевого значения в продолжение шестой части периода. Согласно принципиальной схеме устройс i ва входной ток каждого из вентил ь- ных мостов должен совпадать с линейным

0 током присоединенной к нему вторичной обмотки трансформатора. Из изложенного следует взаимный сдвиг на двадцать четвертую часть периода кривых несинусоидального входного тока на входе, например,

5 вентильного моста 10 по сравнению с вентильными мостами 12 или 13.

Вследствие этого имеет место взаимный сдвиг (например,, отставание) на двадцать четвертую часть периода: системы

0 линейных токов в соединенной звездой вторичной обмотке 6 относительно системы линейных токов в продолжениях сторон 23 треугольника комбинированной вторичной обмотки 9; системы линейных токов в про5 должениях сторон 18 треугольника комбинированной вторичной обмотки 8 относительно системы линейных токов в соединенной звездой обмотке 6; системы линейных токов в соединенной треугольником

0 вторичной обмотке 7 относительно системы линейных токов в продолжениях сторон 13 треугольника комбинированной вторичной обмотки 8; системы линейных токов в продолжениях сторон 23 треугольника комби5 нированной вторичной обмотки 9 относительно системы линейных токов в соединенной треугольником вторичной обмотке 7.

При описанной форме несинусоидаль0 ного линейного тока форма кривой фазного тока соединения обмотки (или ее элементов) треугольником выражается прямоугольный синусоидой, средняя часть каждой полуволны которой имеет удвоенное значение по

5 сравнению с соседними, причем продолжительность каждой из частей одинакова - составляет шестую часть периода.

Сравнительный анализ гармонического

состава такой формы кривой фазного тока в

части обмотки, составляющей сторону треугольника и имеющей форму меандра кривой линейного тока в соответствующих обмотках или их частях, показывает, что при совпадении по фазе основных гармоник тока этих несинусоидальных кривых будет иметь место взаимный сдвиг на 180° той их высшей гармоники тока, номер которой на единицу отличается от произведения шести на нечетное число, т. е. пятой, седьмой, семнадцатой, девятнадцатой и т. д.; совпадение по фазе любой другой высшей гармоники тока этих сравниваемых несинусоидальных кривых

Поэтому при описании работы устройства целесообразно учитывать отмеченные особенности электромагнитных процессов, происходящих на стороне переменного тока используемых многофазных вентильных мостов, каждый из которых присоединен к своей вторичной обмотке многофазного многообмоточного трансформатора.

При аналогичном (соответствует одинаковому углу сдвига в каждом из управляемых вентильных мостов) законе управления вентилями трехфазных мостов 10-13 будет иметь место взаимный сдвиг на 30° между системами первых гармоник линейных токов на входе вентильных мостов 10 и 11 или вентильных мостов 12 и 13; взаимный сдвиг на пятнадцать градусов между системами первых гармонических линейных (совпадают с фазными в продолжениях 18 и 23 сторон треугольников 17 и 22 обмоток 8 и 9) токов на входе вентильных мостов 10 и 12 и минус 15° - мостов 10 и 13; совпадение по фазе систем первых гармонических фазных токов в обмотках 6 и 7; противоположность по фазе систем той высшей гармоники фазных токов в обмотках 6 и 7, номер которой отличается на единицу от произведения шести на нечетное число- пятая, седьмая, семнадцатая и т. д.; взаимный сдвиг на IS4 между системами первых гармонических фазных токов в обмотках 6 и 17 или в обмотках 6 и 22, причем знак этого угла взаимного сдвига в паре обмоток 6 и 22 противоположен знаку в паре обмоток 6 и 17; взаимный сдвиг на между первыми гармониками фазных токов в расположенных на общем сердечнике магнитопровода частях 17 и 18 обмотки 8 и в частях 22 и 23 обмотки 9 той же фазы, совладение по фазе первых гармоник фазных токов в расположенных на общем сердечнике магнитопровода частях 17 и 23 и в частях 18 и 22 обмоток 8 и 9, противоположность начальных фаз составляющих той высшей гармоники фазных токов в расположенных на общем сердечнике частей 17 и 23 или частей 18 и 22 обмоток 8 и 9, номер которой на единицу отличается от

произведения шести на нечетное число - пятая, седьмая, семнадцатая и т. д.; совпадение по фазе первой гармоники суммы токов или магнитодвижущих сил в

расположенных на общем стержне магнитопровода частях 17 и 22 или 18 и 23 обмоток 8 и 9 с теми же величинами в соответствующей фазе обмотки 6 или 7; противоположность начальных фаз составляющих той

0 высшей гармоники суммы токов или магнитодвижущих сил в расположенных на общем стержне магнитопровода частях 17 и 22 или 18 и 23 обмоток 8 и 9 по отношению к обмоткам 6 и 7, номер которой на единицу отлича5 ется от произведения двенадцати на нечетное число,т. е. одиннадцатой, тринадцатой, тридцать пятой и т. д.

Симметричная система трехфазного напряжения на соединенной треугольником

0 вторичной обмотке 7 трансформатора обусловливает взаимный сдвиг на тридцать градусов между системами первых гармоник фазных и линейных токов в соединен ной так вторичной обмотке, чему соответствует

5 сдвиг во времени на двенадцатую часть периода сравниваемых систем несинусоидального периодического тока.

Аналогичное замечание уместно по отношению к комбинированным обмоткам 8 и

0 9, одни части 17 и 22 которых соединены треугольником, а другие - 18 и 23 являются продолжением сторон этих треугольников Учитывая сдвиг на плюс и минус 15° систем напряжений на входе вентильных мостов 12

5 и 13 относительно системы линейных напряжений обмотки 6 трансформатора, можно отметить сдвиг на плюс и минус двадцать четвертую часть периода систем токов в частях 18 и 23 комбинированных обмоток 8 и

0 9 относительно системы токов в обмотке 6; взаимный сдвиг на двенадцатую часть периода систем токов в частях 17 и 18 комбинированной обмотки 8 или в частях 22 и 23 комбинированной обмотки 9; сдвиг на плюс

5 и минус двадцать четвертую часть периода систем токов в частях 17 и 18 обмотки 8 относительно системы токов в обмотке 6 и на минус и плюс двадцать четвертую часть периода систем токов в частях 22 и 23 обмот0 ки Г- относительно системы токов в обмогке 6 Если учесть также различные формы кривых несинусоидальных токов в частях 17 и 18 обмотки 8 или в частях 22 и 23 обмотки 9, то в этих условиях можно отметить для маг5 нитодвижущих сил тех фаз вторичных обмоток 6-9, которые расположены на общем стержне магнитной системы трансформатора и выражаются произведением числа витков соответствующей фазы обмотки 6 либо 7, а также суммой произведений чисел витков частей 17,18,22 и 23 секционированных обмоток 8 и 9 на величину протекающего тока в соответствующей обмотке или ее части, совпадение по фазе первых гармонических магнитодвижущих сил обмоток 6 и 7 как между собой, так и с суммарными магнитодвижущими силами частей 17 и 22 или 18 и 23 секционированных обмоток 8 и 9; взаимный сдвиг на 180У пятой или седьмой, семнадцатой и т. д. гармоники магнитодвижущей силы обмотки 6 по сравнению с обмоткой 7 или суммарных магнитодвижущих сил частей 17 и 22 по отношению частей 18 и 23 секционированных обмоток 8 и 9; взаимный сдвиг на 180° одиннадцатой или тринадцатой, тридцать пятой и т. д. гармоники обмотки 6 или 7 по сравнению с той же гармоникой суммарной магнитодвижущей силы частей 17 и 22 или частей 18 и 23 секционированных обмоток 8 и 9. Пропорциональность между магнитодвижущей силой какой-либо обтекаемой током обмотки 6 и 7 и соответствующим потокосцеплением, а также между суммарной магнитодвижущей силой частей 17 и 22 или частей 18 и 23 секционированных обмоток 8 и 9 и соответствующим потокосцеплением обусловливает совпадение по фазе возбуждаемых этими обмотками первых гармоник магнитного потока, замыкающегося при этом по стальному сердечнику магнитопровода; вытеснение на пути потоков рассеяния каждой из высших гармоник магнитного потока, номер которой на единицу отличается от произведения нечетного числа на шесть, т. е. пятой, седьмой, семнадцатой, девятнадцатой и т. я; вытеснение на пути потоков рассеяния каждой из высших гармоник магнитного потока, номер которой на единицу отличается от произведения нечетного числа на двенадцать, т. е. одиннадцатой, тринадцатой, тридцать пятой, тридцать седьмой и т. д.; исключение возможности проникновения этих составляющих м.д.с. вторичных обмоток трансформатора 1 в его первичную обмотку 2; вытеснение на пути потоков рассеяния тех же составляющих магнитного потока, создаваемого несинусоидальным током в первичной обмотке 2 трансформатора 1, вызванного такими составляющими несинусоидального тока, генерируемыми в питающую сеть другими присоединенными к ней нелинейными потребителями - дуговая многофазная печь,

другие выпрямительные агрегаты и т. д.; выполнение таким образом первичной обмоткой 2 трансформатора 1 роли активного фильтра для упомянутых многочисленных

высших гармоник тока, существенно ограничивающего их уровень в питающей трехфазной сети и таким образом улучшающего качество электроэнергии питающей сети. что существенно расширяет область возможного применения устройства.

Отмеченные особенности преобразователя обусловлены активно-индуктивным ха рактером нагрузки; связанной с этим ролью высших гармоник тока на стороне переменного тока вентильных мостов как источников .тока; многосторонним характером питания вторичных обмоток трансформатора для каждой из высших гармоник тока; вызываемым этим вытеснением практически всех высших гармоник магнитного потока на пути потоков рассеяния в результате взаимодействия этих составляющих м.д.с. хотя бы двух обмоток на общем стержне магнитопровода.

Формула изобретения

Преобразователь многофазного переменного напряжения в постоянное, содержащий трансформатор, трехфазная первичная обмотка которого соединена с

входными выводами для подключения питающей сети, а каждая из его четырех трехфазных вторичных обмоток соединена с входом одного из четырех трехфазных вентильных мостов, соединенных по выходу последовательно, причем свободные выводы этой последовательной цепи образуют выходные выводы для подключения нагрузки, одна из вторичных обмоток соединена в звезду, а другая - в треугольник, отличающийся

тем, что, с целью упрощения и расширения области применения, третья и четвертая трехфазные вторичные обмотки соединены каждая по схеме треугольника с продолженными сторонами и взаимно противоположным чередованием фаз относительно друг друга, причем соотношение числа витков в сторонах треугольника и их продолжениях выбрано таким, при котором системы линейных напряжений на выходах третьей и

четвертой обмоток имеют поворот на угол плюс или минус пятнадцать градусов по отношению к системе линейных напряжений на выходе указанной вторичной обмотки, соединенной в звезду, являющейся первой

а

/

и,.

7-3

(/7,

Использование: устройство может быть использовано в качестве источника питания многофазных нелинейных потребителей. Сущность изобретения: устройство состоит J 4 5 из трансформатора 1, первичная обмотка 2 которого соединена с трехфазной питающей сетью, и вторичные обмотки 6-9 соединены с входами вентильных мостов 10-13, соединенных по входу последовательно К выходным выводам 14, 15 подключена активно-индуктивная нагрузка 16. Вторичные обмотки 6, 7 соединены соответственно в звезду и треугольник. Вторичные обмотки 8, 9 соединены в треугольник с продолженными сторонами, причем чередование фаз соединения этих обмоток взаимно противоположно, а соотношение числа витков в сторонах треугольника и в их продолжениях выбрано обеспечивающим поворот на угол ± 15 эл. град, по отношению к обмотке, соединенной звездой. Указанное выполнение устройства позволяет улучшить качество электроэнергии питающей сети за счет исключения нежелательных гармоник тока, упростить используемое оборудование и расширить область применения. 2 ил. (Л С Щ R : , N х| Ю

Uft-21

I

Ms

/ /

U18-20 2ИҐ

Фиг 2

45

23-25