Устройство для выпрямления трехфазного напряжения с четырехканальным преобразованием энергетического потока

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве выпрямителя трехфазного напряжения, обладающего высокой электромагнитной совместимостью с нагрузкой и сетью. Устройство содержит четыре канала преобразования, в каждый из которых входит трехфазный выпрямительный мост 1 (1, 3, 4) и трехфазный трансформатор. Цепи первичных обмоток 9, 10, 11, 12 всех трансформаторов соединены между собой согласно и последовательно, образуя три первичные фазные цепи, подключенные к сети. Три фазы цепей вторичных обмоток 5, 6, 7, 8, подключенные ко входам выпрямительных мостов с нечетными номерами, соединены между собой по схеме "звезда", а с нечетными номерами - по схеме "треугольник". Три первичные фазные цепи выполнены обеспечивающими формирование на входах выпрямительных мостов 1, 2, 3, 4 систем напряжений с последовательным фазовым сдвигом на угол δ=π/12. При выполнении устройства на двух трансформаторах в каждые из фаз цепей их вторичных обмоток, соединенных с парой выпрямительных мостов 1, 2 и 3, 4, включены пофазно обмотки соответствующих трансфильтров 19, 20. Технический результат заключается в том, что за счет нейтрализации негативных последствий, вызванных амплитудной несимметрией напряжений в каналах, устройство обеспечивает высокое качество выходного напряжения при хороших массогабаритных показателях. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к области силовой преобразовательной техники и может быть использовано в качестве выпрямителя, обеспечивающего оптимальную электромагнитную совместимость устройства с сетью и с нагрузкой.

Известно устройство для двухканального. преобразования энергетического потока, содержащее трехфазный фазосдвигающий трансформаторный узел, выполненный в виде одного или двух трансформаторов, трехфазные цепи вторичных обмоток которых подключены к входам двух трехфазных выпрямительных мостов. Одноименные по полярности выходные выводы этих мостов через обмотки уравнительного реактора (трансфильтра) подключены к выходным выводам устройства. Требуемый фазовый сдвиг напряжений, подаваемых на входы вентильных мостов, обеспечивается соединением цепей вторичных обмоток по схемам «звезда» и «треугольник» (1). Недостатками известного устройства (1) являются повышенный уровень пульсаций выпрямленного напряжения, разбаланс токов в каналах и перегрев обмоток трансформатора одного канала и вентилей одного из мостов. Это объясняется замагничиванием уравнительного реактора и потерей им своей функции выравнивания мгновенных значений напряжений на выходе мостов. Данные процессы являются следствием невозможности точной практической реализации требуемого отношения чисел витков двух трехфазных цепей обмоток, соединенных по схемам «звезда» и «треугольник», равного √3, и трудностью выполнения условия необходимой разницы в 3 раза активных (и индуктивных) сопротивлений этих обмоток. Введение зазора в двухобмоточный уравнительный реактор или замена его на два магнитно не связанных дросселя индуктивности с целью нейтрализации негативных последствий приводит к ухудшению массогабаритных показателей.

Кроме того, даже в идеализированном варианте, когда эти недостатки отсутствуют, проектно заложенное в устройство качество преобразования энергетического потока с пульсностью выпрямленного напряжения m_1Э=12 в случаях применения при повышенных мощностях оказывается недостаточно высоким.

Наиболее близким к данному изобретению решением является устройство для выпрямления трехфазного напряжения с четырехканальным преобразованием энергетического потока, содержащее четыре выпрямительных моста, входные выводы каждого из которых подключены к трем фазам цепей вторичных обмоток, входящих в состав фазосдвигающего трансформаторного узла, при этом одни из одноименных по полярности выходных выводов выпрямительных мостов объединены и образуют один из выходных выводов, предназначенных для подключения нагрузки (2).

Теоретически (в идеале, то есть без учета практически неизбежной амплитудной несимметрии) данное решение обеспечивает более высокое качество преобразования по сравнению с устройством (1). Под качеством преобразования имеются в виду такие показатели, как уровень и частота пульсаций выпрямленного напряжения и коэффициент гармоник потребляемого из сети тока. Однако вышеуказанные недостатки при этом не исчезают и проявляются в такой же степени.

Положительным результатом, которого можно достичь при использовании данного изобретения, является улучшение массогабаритных показателей и повышение качества выходного напряжения путем нейтрализации негативных последствий, вызванных амплитудной несимметрией напряжений в каналах.

Положительный результат достигается тем, что в устройстве для выпрямления трехфазного напряжения с четырехканальным преобразованием энергетического потока, содержащем четыре выпрямительных моста, входные выводы каждого из которых подключены к трем фазам цепей вторичных обмоток, входящих в состав фазосдвигающего трансформаторного узла, при этом одни из одноименных по полярности выходных выводов выпрямительных мостов объединены и образуют один из выходных выводов, предназначенных для подключения нагрузки (2), три фазы цепей вторичных обмоток, подключенные к входам выпрямительных мостов с нечетными номерами, соединены между собой по схеме «звезда», а с четными номерами - по схеме «треугольник», при этом одноименные по фазе цепи первичных обмоток соединены между собой согласно и последовательно, образуя три первичные фазные цепи, которые подключены к входным выводам сети и соединены между собой по схеме «звезда» либо «треугольник», причем первичные фазные цепи выполнены обеспечивающими формирование на входах выпрямительных мостов систем напряжений с последовательным фазовым сдвигом на угол δ=π/12, а другие выходные выводы выпрямительных мостов также объединены и образуют второй выходной вывод. Кроме того, фазосдвигающий трансформаторный узел может быть выполнен в виде четырех трансформаторов, цепи первичных обмоток трех из которых являются фазосдвигающими, при этом три фазы цепей первичных обмоток всех трансформаторов, связанные с соответствующими парами выпрямительных мостов с четным и нечетным номером, попарно идентичны друг другу по числу витков и топологии выполнения. Фазосдвигающий трансформаторный узел может быть также выполнен в виде двух трансформаторов, каждый из которых имеет три фазы цепей первичных обмоток и пару трех фаз цепей вторичных обмоток, связанных со входами пары выпрямительных мостов, имеющих четный и нечетный номер, при этом в каждую из фаз пары цепей вторичных обмоток, соединенных с выпрямительным мостом с нечетным номером, включена пофазно согласно и последовательно либо встречно и последовательно соответствующая первая обмотка трехфазного двухобмоточного трансфильтра, вторая обмотка которого включена встречно и последовательно либо согласно и последовательно в одноименную с ней по фазе цепь вторичных обмоток, подключенных ко входам выпрямительного моста с нечетным номером этой же пары.

На Фиг.1 представлена схема устройства с выполнением трансформаторного узла на четырех трансформаторах.

На Фиг.2 и 3 представлены схемы устройств с выполнением трансформаторного узла на двух трансформаторах.

На Фиг.4-6 изображены диаграммы токов и напряжений, иллюстрирующие работу устройства.

Устройство (Фиг.1-3) содержит четыре выпрямительных моста 1, 2, 3, 4, входные выводы каждого из которых подключены к трем фазам цепей вторичных обмоток 5, 6, 7, 8, входящих в состав фазосдвигающего трансформаторного узла, одноименные по фазе цепи первичных обмоток которого соединены между собой согласно и последовательно, образуя три первичные фазные цепи, которые подключены к входным выводам сети и соединены между собой по схеме «звезда» либо «треугольник». Первичные фазные цепи фазосдвигающего трансформаторного узла выполнены обеспечивающими формирование на входах выпрямительных мостов 1, 2, 3, 4 систем напряжений с последовательным фазовым сдвигом на угол δ=π/12. На Фиг.1 представлено устройство, в котором трансформаторный узел выполнен в виде четырех трехфазных трансформаторов, три из которых выполнены фазосдвигающими по первичной стороне. Каждый из трансформаторов содержит по три фазы цепей первичных (9, 10, 11, 12) и вторичных (5, 6, 7, 8) обмоток. Одноименные по полярности выходные выводы мостов 1, 2, 3, 4 объединены непосредственно и образуют выходные выводы устройства, служащие для подключения к ним нагрузки постоянного тока. Каждый трансформатор со своим выпрямительным мостом образует канал преобразования энергетического потока. Три фазы цепей вторичных обмоток 5 и 7, подключенных к выпрямительным мостам с нечетными номерами (1, 3), соединены между собой по схеме «звезда», а обмотки 6 и 8, подключенные к мостам с четными номерами (2, 4), - по схеме «треугольник» и имеют соответственно попарно одинаковое число витков W₅=W₇ и W₆=W₈ в каждой фазе. Отношение чисел витков вторичных обмоток нечетных каналов, соответствующих выпрямительным мостам с нечетными номерами, к числу витков обмоток четных каналов равно . Цепи первичных обмоток 9, 10 и 11, 12 попарно выполнены одинаковыми по топологии и по числу витков. Цепи первичных обмоток 11 и 12 соединены по одной и той же схеме, например, "прямой зигзаг" (либо обратный зигзаг). Требуемый последовательный фазовый сдвиг на угол δ=π/12 между основными гармониками четырех трехфазных систем напряжений каналов обеспечивается следующими соотношениями чисел витков между главными W_11Г, W_12Г и дополнительными W_11Д, W_12Д частями цепей первичных обмоток 11 и 12 относительно чисел витков цепей первичных обмоток W₉, W₁₀:

На Фиг.2 и 3 представлены схемы устройств, у которых фазосдвигающий трансформаторный узел выполнен в виде двух трансформаторов. При определенном мощностном диапазоне такое решение может иметь лучшие массогабаритные показатели в сравнении с решением по Фиг.1. Устройство содержит два трехфазных фазосдвигающих трансформатора, каждый из которых имеет три фазы цепей первичных обмоток 13, 14 и пару трех фаз цепей вторичных обмоток 15, 16 и 17, 18, связанных со входами соответствующей пары выпрямительных мостов 1, 2 и 3, 4, имеющих четный и нечетный номер. В каждые из фаз пары цепей вторичных обмоток 15 (17) включены пофазно согласно и последовательно (либо встречно и последовательно) первые обмотки трехфазного двухобмоточногр трансфильтра 19 (20). Вторые обмотки этого же трансфильтра включены встречно и последовательно (либо согласно и последовательно) в одноименные с ними по фазе цепи вторичных обмоток 16 (18) этой же пары. Количество витков первых обмоток трансфильтров 19, 20, включенных в цепи вторичных обмоток, соединенных по схеме «звезда», отличаются от количества витков вторых обмоток, включенных в цепи, соединенные по схеме «треугольник», в раз. Одна пара преобразующих каналов (1-й и 2-й) выполнена на базе одного общего трансформатора, а вторая пара каналов (3-й и 4-й) - на базе другого общего трансформатора. Первая и вторая обмотки каждой фазы трансфильтра 19 (20), расположены на одном стержне трехфазного (трехстержневого) магнитопровода. Причем в первом (третьем) канале первые обмотки включены согласно (либо встречно) и последовательно в одноименные с ними по фазе цепи вторичных обмоток 15 (17), а во втором (четвертом) канале - встречно (либо согласно).

Фазные первичные цепи обоих трансформаторов выполнены по схеме, обеспечивающей формирование указанных систем напряжений с последовательным фазовым сдвигом δ=π/12. Выполнение этого условия осуществляется за счет соединения главных W_14Г и дополнительных W_14Д частей цепей обмоток 14, например, по схеме "зигзаг" (как прямой, так и обратный). Отношение чисел витков этих частей в долях от чисел витков W₁₃ цепей обмоток 13 такое же, как и в (2):

Габаритная мощность каждого трехфазного трансфильтра 19, 20, приведенная к сетевой частоте, составляет 1,5% от выходной мощности устройства.

В упрощенно представленном на Фиг.3 варианте устройства показана модификация схемы по Фиг.2. Отличие заключается в том, что требуемый фазовый сдвиг двух трехфазных систем напряжений на первичной стороне трансформаторов на угол δ=π/12 осуществляется путем выполнения трех фаз цепей первичных обмоток 21 и 22 по схемам "прямой зигзаг" и "обратный зигзаг" соответственно. Этим достигается определенная унификация: по структуре катушек и по числу витков в них цепи первичных обмоток 21 и 22 изготавливаются одинаковыми. Различие между ними, как сказано выше, лишь в топологии соединения главных (W_21Г=W_22Г) и дополнительных (W_21Д=W_22Д) частей обмоток. С помощью "прямого зигзага" осуществляется фазовый сдвиг системы напряжений цепями обмоток 21 относительно напряжения сети в сторону опережения на угол δ=π/24, а с помощью "обратного зигзага" - в сторону отставания на этот же угол. Для сопоставления модификаций по габаритной мощности необходимо учитывать взаимосвязь числа витков обмоток 21 и 22 W_21Г=W_22Г и W_21Д=W_22Д в устройстве по Фиг.3 относительно числа витков обмотки W₁₃ обмоток 13 в устройстве по Фиг.2, а именно:

Проведенная оценка показывает, что свойство унификации покупается увеличением габаритной мощности трансформаторов в сравнении с модификацией по Фиг.2 всего лишь на 0,45%.

Во всех модификациях устройства по Фиг.1-3 имеют место следующие значения параметров: при пульсности m_1Э=24, пульсации выпрямленного напряжения ΔU^* _d/2=0,15% коэффициент гармоник потребляемого из сети тока K_Г(i)<8%, а порядок высших гармоник потребляемого из сети тока определяется номером 24k±1, где k=1, 2, 3, ...8 любое целое число.

Работа устройства

Работа устройства выпрямления с 4-канальным преобразованием по Фиг.4 (с пульсностью выпрямленного напряжения m_1Э=24) поясняется временными диаграммами, изображенными на Фиг.4 и 5, где показаны: 23, 24 - напряжение одной фазы сети и потребляемый от нее устройством выпрямления ток соответственно; 25, 26, 27, 28 - напряжения на последовательно включенных цепях первичных обмоток 9, 10, 11, 12, которые подключены к одной фазе сети; потребляемый из сети фазный ток 29 и 30 - напряжение на активной нагрузке (с R_d=0,15 Ом) выпрямительного устройства при наличии в его выходной цепи сглаживающей индуктивности (L_d=0,1 мГн); 31, 32, 33, 34 - токи в одноименных по фазе цепях вторичных обмоток 5-8. Равномерная токовая загрузка всех 4-х преобразующих каналов на любом этапе преобразования в данном устройстве обеспечивается за счет протекания общего для всех каналов тока в фазных первичных цепях.

В выпрямительном устройстве по Фиг.2 используются два фазосдвигающих трансформатора. Задача равномерной токовой загрузки четырех каналов решается двумя путями: использованием двух трансфильтров 19, 20, обеспечивающих выравнивание токов внутри первой и второй пары каналов, соответственно, и последовательным пофазно согласным соединением цепей первичных обмоток 13 и 14, обеспечивающих выравнивание токов между парами каналов. На временных диаграммах Фиг.6 показаны: 35 - сетевое фазное напряжение и 36 - потребляемый устройством из этой фазы сети ток; 37, 38 - напряжения на одноименных по фазе цепях первичных обмоток 13, 14, которые иллюстрируют деление между этими обмотками сетевого напряжения; 39, 40 - (два) напряжения на главной и дополнительной частях одной фазы цепей первичных обмоток 14 (выполненных по схеме «зигзаг»), из которых формируется результирующее фазное напряжение 38. Входные и выходные характеристики устройств по Фиг.2 и 3 одинаковы. Последняя модификация обладает свойством унификации. Она может быть использована как в «половинном» (50%), 2-канальном варианте, обеспечивая пульсность выпрямленного напряжения m_1Э=12 и коэффициент гармоник потребляемого тока K_Г(i)=15%, так и в полном, четырехканальном варианте, обеспечивая параметры m_1Э=24 и К_Г(i)=8%.

Таким образом, данные модификации трансформаторно-выпрямительных устройств обеспечивают строго равномерную токовую загрузку каналов при одновременном снижении искажений токов в обмотках трансформаторного узла, благодаря чему достигается снижение габаритной мощности трансформаторного узла и установленной мощности выпрямительных мостов. Эти положительные качества и особенно с учетом вариантов, обладающих свойством унификации, существенно расширяют области целесообразного применения такого рода выпрямительных устройств.

Источники информации

1. Розанов Ю.К. «Основы силовой преобразовательной техники», М., Энергия, с.392, 1979 г.

2. Размадзе Ш.М. «Преобразовательные схемы и системы», М., «Высшая школа», с.274, 1967 г.

1. Устройство для выпрямления трехфазного напряжения с четырехканальным преобразованием энергетического потока, содержащее четыре выпрямительных моста, входные выводы каждого из которых подключены к соответствующим трем фазам цепей вторичных обмоток, входящих в состав фазосдвигающего трансформаторного узла, при этом одни из одноименных по полярности выходных выводов выпрямительных мостов объединены и образуют один из выходных выводов, предназначенных для подключения нагрузки, отличающееся тем, что три фазы цепей вторичных обмоток, подключенные ко входам выпрямительных мостов с нечетными номерами, соединены между собой по схеме "звезда", а с четными номерами - по схеме "треугольник", при этом одноименные по фазе цепи первичных обмоток соединены между собой согласно и последовательно, образуя три первичные фазные цепи, которые подключены к входным выводам сети и соединены между собой по схеме "звезда" либо "треугольник", при этом первичные фазные цепи выполнены обеспечивающими формирование на входах выпрямительных мостов систем напряжений с последовательным фазовым сдвигом на угол δ=π/12, а другие выходные выводы выпрямительных мостов также объединены и образуют второй выходной вывод.

2. Устройство для выпрямления трехфазного напряжения с четырехканальным преобразованием энергетического потока по п.1, отличающееся тем, что фазосдвигающий трансформаторный узел выполнен в виде четырех трансформаторов, цепи первичных обмоток трех из которых являются фазосдвигающими, при этом цепи первичных обмоток трансформаторов, связанные с соответствующей парой выпрямительных мостов с четным и нечетным номером, идентичны друг другу по числу витков и топологии выполнения.

3. Устройство для выпрямления трехфазного напряжения с четырехканальным преобразованием энергетического потока по п.1, отличающееся тем, что фазосдвигающий трансформаторный узел выполнен в виде двух трансформаторов, каждый из которых имеет три фазы цепей первичных обмоток и пару трех фаз цепей вторичных обмоток, связанных со входами пары выпрямительных мостов, имеющих четный и нечетный номер, при этом в каждые из фаз пары цепей вторичных обмоток, соединенных с выпрямительным мостом с нечетным номером, включены пофазно согласно и последовательно либо встречно и последовательно соответствующие первые обмотки трехфазного двухобмоточного трансфильтра, вторые обмотки которого включены встречно и последовательно либо согласно и последовательно в одноименные с ними по фазе цепи вторичных обмоток, подключенных ко входам выпрямительного моста с четным номером этой же пары.