Преобразователь трехфазного напряжения в постоянное Советский патент 1992 года по МПК H02M7/06 

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

Известны преобразователи трехфазного напряжения в постоянное, содержащие трансформаторы и многофазнь-е вентильные мосты, присоединенные к вторичным обмоткам этих трансформаторов. В состав устройства входят преобразователи, содержащие трехфазный вентильный мост в цепи вторичной обмотки соответствующего трансформатора.

При этом каждый такой трансформатор является двухобмоточным, а единственная вторичная обмотка отдельного трансформатора соединена только треугольником, в месте подключения первичной обмотки трансформатора к питающей сети используется уравнительный реактор. Вследствие этого все высшие гармоники тока, рождаемые на входе переменного тока вентильного моста такого устройства, беспрепятственно переходят в цепь первичной обмотки соответствующего двухобмо- точного трансформатора и обусловливают вызываемые этим относительно большие тепловые потери. Указанные схемные особенности известного устройства исключают возможность ограничивать с его помощью уровень высших гармоник тока в питающей сети от других параллельно подключенных к ней нелинейных многофазных потребителей.

Известен также преобразователь трехфазного напряжения в постоянное, содержащий два трансформатора, на магнитопроводе каждого из которых расположены трехфазная первичная обмотка, со- единенная с входными выводами для подключения питающей сети, и две соединенные соответственно в звезду и треугольник вторичные обмотки, каждая из которых подключена к входу одного из выпрямительных мостов, соединенных по выходу последовательно и подключенных к выходным выводам для подключения общей нагрузки,

К схемным особенностям известного преобразователя относятся наличие двух трансформаторов, каждый из которых содержит две вторичные обмотки, нагруженные своими многофазными вентильными мостами, соединение одной из вторичных обмоток звездой, а другой треугольником, соединение первичной обмотки первого трансформатора по схеме первого зигзага, а второго -- по схеме левого зигзага. К преимуществам относятся возможность ограждения питающей сети и подключенных к ней

первичных обмоток каждого трансформатора от проникновения из цепи вторичных обмоток большой группы высших гармоник тока с номерами, на единицу отличающимися от произведения нечетного числа на шесть - пятой, седьмой, семнадцатой и т.д.; соответствующее уменьшение тепловых потерь и улучшение энергетических показателей; возможность оградить питающую сеть

0 от проникновения из цепи вторичных обмоток трансформаторов другой группы высших гармоник тока с номерами,на единицу отличающимися от произведения нечетного числа на двенадцать - одиннадцатой, три5 надцатой, тридцать пятой, тридцать седьмой и т.д.

При оценке устройства, предназначенного для улучшения качества электроэнергии питающей сети, важно учесть его

0 возможности; оградить питающую сеть от проникновения в нее наибольшего числа высших гармоник тока, рождаемых входящими в устройство многофазными мостовыми вентильными (например, диодными)

5 выпрямителями; существенно ограничить высшие гармоники в питающей сети, пришедшие в нее от других нелинейных потребителей, например многофазных дуговых электропечей или диодных мостовых выпря0 мителей, подключенных к сети через посредство трансформаторов по наиболее распространенным схемам соединения. Если в первом случае требований свойства известного устройства можно считать до5 статочно хорошими, то во втором случае - явно неудовлетворительными.

Цель изобретения - улучшение качества электроэнергии питающей сети путем ограничения уровня высших гармоник тока от

0 присоединенных к ней других многофазных нелинейных потребителей.

Первичная обмотка одного трансформатора соединена звездой, а другого - треугольником с продолженными сторонами,

5 причем отношение чисел витков стороны треугольника и его продолжение выбрано равным корню квадратному из трех.

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

0 диаграммы напряжений на первичной обмотке одного и на отдельных частях первичной обмотки другого трансформаторов.

Устройство (фиг. 1) содержит два трансформатора 1 и 2, первичные обмотки 3 и 4

5 которых присоединены к выводам 5-7 трехфазной питающей сети, соединенные звездой и треугольником вторичные обмотки 8 и 9 трансформатора 1 присоединены к входу переменного тока вентильных мостов 10 и 11, а аналогично соединенные вторичные

обмотки 12 и 13 трансформатора 2 - к вентильным мостам 14 и 15 Пара вентильных мостов 10 и 11, как и вентильных мостов 14 и 15, соединена стороной постоянного тока последовательно. Катодные группы вентильных мостов 11 и 14 соединены дросселем 16, средняя точка 17 обмотки которого является одним выходным выводом устройства, между тем как общая точка 18 непосредственного соединения анодных групп вентильных мостов 10 и 15 образует другой выходной вывод устройства. К этим выходным выводам присоединена нагрузка 19.

Первичная обмотка 3 трансформатора 1 соединена звездой, а секционированная первичная обмотка 4 трансформатора 2 - треугольником с продолженными сторонами, т.е. из двух частей 20 и 21, разделенных промежуточными выводами 22-24. Секция 21 первичной обмотки 4 соединена треугольником, продолжениями сторон которого являются отрезки лучей звезды, образующие секцию 20 этой обмотки. На фиг. 2а приведены векторные диаграммы напряжений на первичной обмотке 3 трансформатора 1, а на фиг 26 - на отдельных частях секционированной первичной обмотки 4 трансформатора 2

Векторная диаграмма (фиг. 2а) напряжений на отдельных лучах соединенной звездой первичной обмотки 3 известна, система тех же векторов напряжений показана пунктиром на фиг. 26 для оценки угла сдвига по фазе между системами фазных напряжений на первичной обмотке 3 и элементах секционированной обмотки 4 трансформаторов 1 и 2. Из этих векторных диаграмм следует, что при выборе отношения чисел витков сторон треугольника обмотки 4 и ее продолжения равным корню из трех имеет место сдвиг по фазе между системами фазных напряжений на первичных обмотках 3 и 4 на угол пятнадцать градусов; также на пятнадцать градусов взаимно сдвинуты системы линейных напряжений на соединенных звездой вторичных обмотках 8 и 12 трансформаторов 1 и 2 или на соединенных треугольником вторичных обмотках 9 и 13 тех же трансформаторов; на такой же угол взаимно сдвинуты системы входных напряжений вентильных мостов 10 и 14 или 11 и 15. Поэтому на угол пятнадцать градусов взаимно сдвинуты системы линейных токов основной частоты в указанных обмотках.

При описании работы уст ройства следует учитывать особенности электромагнитных процессов в обмотках трансформаторов, обусловленные несинусоидальностью токов п них взаимным сдвигом между системами основных составляющих линейных токов этих обмоток на угол пятнадцать градусов, соответствующими уг лами сдвига между системами той или иной высшей гармоники токов этих обмоток, различием формы кривых несинусоидальных (фазных) токов в расположенных на одном стержне магнитопровода обмотках трансформаторов, соединенных звездой и треу0 гольником, возможностью образования с помощью первичных обмоток обоих трансформаторов контуров короткого замыкания для отдельных высших гармоник тока, возможностью такого взаимодействия магни5 тодвижущих сил от несинусоидэльных потоков в расположенных на общем стержне магнитопровода обмотках, при котором оказываются вытесненными на пути потоков рассеяния отдельные высшие гармони0 ки соответствующих магнитных потоков

Угол сдвига между системами фазных напряжений вторичных обмоток 8 и 9, расположенных на общих им стержнях магнитопровода трансформатора 1 равен нулю,

5 поскольку эти напряжения совпадают по фазе с соответствующими фазными напряжениями первичной обмотки 3 этого трансформатора, то же самое можно сказать о системах фазных напряжений вторичных

0 обмоток 12 и 13 трансформатора 2.

Системы линейных напряжений вторичных обмоток 8 и 9 трансформатора 1 взаимно сдвинуты на угол тридцать градусов и потому на тот же угол сдвинуты как системы

5 линейных напряжений на входе мостов 10 и 11, так и системы основной составляющей линейных токов на входе этих мостов, аналогичные замечания можно сделать относительно систем линейных напряжений

0 вторичных обмоток 12 и 13, т.е. на входе мостов 14 и 15, а также основных гармоник несинусоидальных входных токов этих мостов.

В этих условиях магнитодвижущие силы

5 фаз обмоток 8 и 9, расположенных на общем стержне магнитопровода трансформатора 1, характеризуются совпадением по фазе их первых гармоник; взаимным сдвигом на сто восемьдесят градусов пятых или седьмых, а

0 также семнадцатых и так далее гармоник этих МДС; совпадением по фазе одиннадцатых или тринадцатых, двадцать третьих, двадцать пятых, тридцать пятых и так далее высших гармоник таких МДС: взаимно про5 тивоположным направлением пятых или седьмых, семнадцатых и так далее высших гармоник магнитных потоков, создаваемых МДС этих обмоток; вытеснением этих составляющих магнитного потока ня пути потоков рассеяния, вследствие чего они не

проходят по стальному сердечнику и потому не пронизывают первичную обмотку 3 и не наводят в ней соответствующие составляющие ЭДС.

Аналогичный вид соединения вторичных обмоток 12 и 13 другого трансформатора 2 обусловливает подобное взаимодействие как МДС этих обмоток, так и создаваемых ими магнитных потоков. Поэтому аналогичны электромагнитные про цессы в трансформаторе 2, первичная обмотка 4 которого ограждена от каждой из высших гармоник, номер которой на единицу отличается от произведения нечетного числа на шесть, т.е. пятой, седьмой, семнадцатой и т.д. Поскольку известное устройство содержит трансформаторы с таким же соединением вторичных обмоток, нагруженных вентильными мостами, то такие же электромагнитные процессы характерны также и для него.

Высшие гармоники тока, проникающие в первичные обмотки трансформаторов известного устройства из цепи их вторичных обмоток, можно разделить на две группы: гармоники с номерами, отличающимися на единицу от произведения нечетного числа на двенадцать - одиннадцатая, тринадцатая, тридцать пятая, тридцать седьмая и т.д.; гармоники с номерами, отличающимися на единицу от произведения целого числа на двадцать четыре. Существенное ограничение или исключение вредного воздействия на питающую сеть первой группы высших гармоник тока достигается в предлагаемом устройстве, как и в известном,об- разовзнием контуров наименьшего электрического сопротивления в цепи первичных обмоток их трансформаторов и при ближением таким образом этих трансформаторов к режиму короткого замыкания для каждой из этих гармоник.

Соединение звездой первичной обмотки 3 трансформатора 1, а также наличие такой секционированной первичной обмотки 4 дополнительного трансформатора, которая обеспечивает сдвиг на пятнадцать градусов как между системами входных напряжений вентильных мостов 10 и 14 или 11 и 15, так и между системами основных гармоник входных токов этих мостов, приводит к следующим особенностям электромагнитных процессов в элементах данного устройства: совпадение по фазе систем основных гармоник линейных токов первичных обмоток 3 и 4 трансформаторов 1 и 2, сдвиг на сто восемьдесят градусов между системами высшей гармоники линейных токов в первичных обмотках 3 и 4 трансформаторов, номер которой на единицу отличается от

произведения нечетного числа на двенадцать - одиннадцатой, тринадцатой, тридцать пятой и т.д.; образование этими первичными обмотками короткоээмкнутого

контура для каждой из указанных высших гармоник тока: обусловленный этим перевод обоих трансформаторов в режим короткого замыкания для указанных высших гармоник тока

0 Аналогичный эффект ограничения или исключения вредного воздействия на питающую сеть этой (одиннадцатая, тринадцатая, тридцать пятая и т.д.) группы высших гармоник тока достигнуто в известном уст5 ройстве также благодаря взаимному сдвигу на угол пятнадцать градусов между системами фазных напряжений первичных обмоток трансформаторов. Вместе с тем имеется разница в средствах достижения такого угла

0 сдвига между системами фазных напряжений первичных обмоток трансформаторов предлагаемого и известного устройств.

В предлагаемом устройстве первичная обмотка одного трансформатора соединена

5 звездой, а секционированная обмотка другого трансформатора - треугольником с продолженными сторонами, в известном первичные обмотки обоих трансформаторов выполнены секционированными и сое0 динены соответственно в правый и левый зигзаг. 8 предлагаемом устройстве система фазных напряжений на первичной обмотке первого трансформатора совпадает с системой фазных напряжений сети, т.е. вообра5 ж емого источника при его соединении звездой, в известном система фазных напряжений на первичных обмотках обоих «рйнсформаторов повернута на угол плюс или минус семь с половиной градусов отно0 сительно системы фазных напряжений такой питающей сети.

В случае известного устройства это приведет к тому, что отличается от нуля или ста восьмидесяти градусов угол сдвига между

5 начальными фазами тех одноименных гармоник тока в расположенных на общем стержне магнитопровода фаз вторичных i/i первичной обмотки любого из трансформаторов Также отличается от ста восьмидеся0 ти градусов угол сдвига по фазе между гармониками одинакооого номера во вторичной обмотке трансформатора известного устройства и присоединенного к той же сети другого выпрямительного устройства.

5Следствием отличия от ста восьмидесяти градусов угла сдвига между одноименными высшими гармониками токз в обмотках трансформатора известного устройства и генерируемых в сеть дополнительным выпрямителем является то, что с помощью известного устройства не удается создать цепи с наименьшим электрическим сопротивлением на первичной стороне трансформатора для гармоник, номер каждой из которых на единицу отличается от произведения нечетного числа на шесть по- этомус помощью первичных обмоток трансформаторов известного устройства, по которым протекают генерируемые дополнительным выпрямителем высшие гармоники тока, не удается получить такие составляющие МДС, которые противодействуют соответствующим составляющим МДС вторичных обмоток, хотя известное устройство не может шунтировать те высшие гар- моникитока.генерируемые

дополнительным выпрямителем в питающую сеть, номер каждой из которых на единицу отличается от произведения нечетного числа на шесть, не может выполнить роль активного фильтра для этой группы гармоник тока, генерируемых в питающую сеть другими неуправляемыми выпрямительными устройствами

Рассмотрим условия совместной работы предлагаемого устройства и присоединенных к той же фазной сети других нелинейных потребителей, генерирующих в эту сеть высшие гармоники тока Одним из таких мощных потребителей может быть, например, многофазная дуговая сталеплавильная печь, подключенная к питающей сети через посредство трансформатора-, вторичная обмотка которого обычно соединена треугольником, а первичная - звездой.

Система фазных напряжений первичной обмотки печного трансформатора совпадает с системой фазных напряжений той первичной обмотки одного из трансформаторов предлагаемого устройства, которая соединена звездой Гармонический состав токов в первичной обмотке печного трансформатора практически полностью совпадает с гармоническим составом входного тока трехфазного диодного мостового выпрямителя, гармоническим составом тока во вторичных обмотках того трансформатора предлагаемого устройства первичная обмотка которого соединена звездой

Каждая из высших гармоник тока, номер которой отличается на единицу от произведения шести на нечетное число, образует составляющую магнитного потока рассеяния, замыкающуюся главным образом по воздуху Вследствие параллельного соединения печного трасформатора с трансформатором предлагаемого устройства гармоники тока печного трансформатора также замыкаются через ту первичную обмотку трансформаторов предлагаемого устройства которая соединена звездой, это приводит к появлению составляющих магнитодвижущей силы этой обмотки, начальные фазы которых противоположные начальным фазам соответствующих магнитодвижущих сил в одной из его вторичных обмоток

К этой группе гармоник тока относятся такие номера которых отличаются на еди0 ницу от произведения шести на нечетное целое число Взаимное противодействие этих гармонических составляющих магнитодвижущей силы первичной обмотки этого трансформатора предлагаемого устройства

5 с гармоническими составляющими того же номера магнитодвижущей силы одной из вторичных обмоток этого трансформатора обусловливает взаимное противодействие тех же составляющих магнитного потока от

0 соответствующих высших гармоник тока; прохождение этих составляющих магнитного потокя только по пути потоков рассеяния; наименьшую величину входного сопротивления первичной обмотки трансформатора

5 предлагаемого устройства для указанной группы высших гармоник тока, генерируемых в питающую сеть параллельно подклю- ченным многофазным нелинейным потребителям, например дуговой электро0 печью или другим мостовым диодным выпрямителем, существенное уменьшение уровня этой группы высших гармоник тока в питающей сети и присоединенных к ней линейных цепей, соответствующее улучшение

5 качества электроэнергии питающей сети

Из рассмотренных электромагнитных процессов в предлагаемом и известном устройствах следует практически одинаковая способность ограничить проникновение в

0 питающую сеть высших гармоник тока, возникающих на стороне переменного тока трехфазных диодных выпрямительных мостов, т е в цепи вторичных обмоток их трансформаторов, существенное преимущество

5 предлагаемого устройства в отношении качества электроэнергии питающей сети в тех типичных ситуациях, когда к ней оказываются подключенными также другие нелинейные потребители - дуговые электропечи,

0 диодные мостовые выпрямители и т д.

Формула изобретения Преобразователь трехфазного напряжения в постоянное, содержащий два 5 трансформатора, на магнитопроводе каждого из которых расположены трехфазная первичная обмотка соединенная с входными выводами дЯя подключения питающей сети, и две соединенные соответственно в звезду и треугольник вторичные обмотки,

каждая из которых подключена к входу одного из выпрямительных мостов, соединен- ных по выходу последовательно и подключенных к выходным выводам для подключения общей нагрузки, отличающийся тем, что, с целью улучшения качества электроэнергии питающей сети путем ограничения уровня высших гармоник тока

от присоединенных к ней других многоф; ных нелинейных потребителей, первичн обмотка одного трансформатора соединенi звездой, а другого - треугольником с про долженными сторонами, причем отношении чисел витков стороны треугольника и о продолжения выбрано равным

Использование: в качестве источника питания многофазных мостовых выпрямительных агрегатов. Сущность изобретения: устройство содержит два трансформатора 1 и 2, первичная обмотка 3 одного из них соединена в звезду, а первичная обмотка 4 другого - в треугольник с продолженными сторонами. Вторичные обмотки 8 и 9 транс Г ; форматора 1 соединены |;з в езду и треуг оль-- : ник и соединены с входами в йпрямите ль- ных мостов 10 и 11. Вторичные обмотки Т2 и 13 тра нсформатора 2 соединены в звезду и треугрЛьник и пЬдклкМенЫ к выпря итель- ным мЬстам 14 и 15. Выпрямительные мосты; указанных пар по выхойусрединены последовательно, а мёжду србрй эти пары по выходу соединены паралле льнр. .При э;том сорт нршение чисел :витуё сторо нь г треугольника обмотки 4 и его продолжение вы-, брано равным VJ Указанное выполнение -устройства позволяет улучшить качество электроэнергии питакнцей сети путем приближения тока сети к синусоидальной фор- :ме без испрльзоваййя резонансных индуктйвно:емкрстных фильтров. 2 ил. а XJ О 8

и™.

т