Устройство для выпрямления трехфазного напряжения с трехканальным преобразованием энергетического потока (варианты)

Изобретение относится к электротехнике, в частности силовой преобразовательной технике, и может быть использовано в качестве выпрямителя, имеющего улучшенную электромагнитную совместимость с нагрузкой и сетью за счет максимального использования потенциальных возможностей трехканального преобразования энергетического потока. Устройство содержит три канала преобразования, каждый из которых выполнен в виде выпрямительного моста (10), (11), (12), входы которого подключены к трем фазам цепей вторичных обмоток (7), (8), (9) соответствующего трансформатора (1), (2), (3). По первому варианту выполнения одноименные по фазе цепи первичных обмоток (4), (5), (6) трансформаторов соединены между собой согласно и последовательно, образуя три первичные фазы цепи, соединенные по схеме "звезда" либо "треугольник". Первичные либо вторичные цепи обмоток трансформаторов выполнены обеспечивающими формирование на входах выпрямительных мостов (10), (11), (12) систем напряжений с последовательным фазовым сдвигом на угол δ=π/9. По второму варианту выполнения каждые из фаз цепей первичных обмоток (4), (5), (6) каждого трансформатора подключены непосредственно к входным выводам сети и содержат по одной из обмоток трехфазного трансфильтра (13), (14), (15). Формирование указанного фазового сдвига реализуется так же, как и в первом варианте, т.е. на первичной либо на вторичной стороне трансформаторов. Технический результат: устройство обеспечивает высокое качество преобразования с пульсностью напряжения, равной 18, при строго равномерной токовой загрузке каналов и минимальных искажениях токов в трансформаторах. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 7 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, проектно не предусмотренный 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 , 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 ряде случаев применения (при повышенных мощностях) оказывается недостаточно высоким.

Наиболее близким к обоим вариантам данного изобретения решением является устройство для выпрямления трехфазного напряжения с трехканальным преобразованием энергетического потока, содержащее три выпрямительных моста, входные выводы каждого из которых подключены к трем фазам цепей вторичных обмоток соответствующих трансформаторов, которые выполнены обеспечивающими формирование на входах выпрямительных мостов систем напряжений с последовательным фазовым сдвигом на угол δ=π/9, 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 каждого из вариантов данного изобретения, является улучшение массогабаритных показателей и повышение качества выходного напряжения путем нейтрализации негативных последствий, вызванных амплитудной несимметрией напряжений в каналах.

Положительный результат по первому варианту изобретения достигается тем, что в устройстве для выпрямления трехфазного напряжения с трехканальным преобразованием энергетического потока, содержащем три выпрямительных моста, входные выводы каждого из которых подключены к трем фазам цепей вторичных обмоток соответствующих трансформаторов, которые выполнены обеспечивающими формирование на входах выпрямительных мостов систем напряжений с последовательным фазовым сдвигом на угол δ=π/9, при этом одни из одноименных по полярности выходных выводов выпрямительных мостов объединены и образуют один из выходных выводов, предназначенных для подключения нагрузки (2), одноименные по фазе цепи первичных обмоток всех трансформаторов соединены между собой согласно последовательно, образуя три первичные фазные цепи, подключенные к входным выводам сети и соединенные между собой по схеме «звезда» либо «треугольник», при этом другие выходные выводы выпрямительных мостов также объединены и образуют второй выходной вывод. Кроме того, при понижающем коэффициенте трансформации трансформаторов каждые из фаз цепей их вторичных обмоток выполнены идентичными по числу витков и по топологии соединения, а первичные фазные цепи выполнены обеспечивающими указанное формирование на входах выпрямительных мостов систем напряжений с последовательным фазовым сдвигом на угол δ=π/9.

При повышающем коэффициенте трансформации трансформаторов каждые из фаз цепей их первичных обмоток выполнены одинаковыми по топологии и по числу витков, а цепи вторичных обмоток трансформаторов выполнены обеспечивающими указанное формирование на входах выпрямительных мостов систем напряжений с последовательным фазовым сдвигом на угол δ=π/9.

Положительный результат согласно второму варианту изобретения достигается за счет того, что устройство для выпрямления трехфазного напряжения с трехканальным преобразованием энергетического потока, содержащее три выпрямительных моста, входные выводы каждого из которых подключены к трем фазам цепей вторичных обмоток соответствующих трансформаторов, три фазы цепей первичных обмоток каждого из которых присоединены к входным выводам сети, причем трансформаторы выполнены обеспечивающими формирование на входах выпрямительных мостов систем напряжений с последовательным фазовым сдвигом на угол δ=π/9, а одни из одноименных по полярности выходных выводов выпрямительных мостов объединены и образуют один из выходных выводов, предназначенных для подключения нагрузки (2), снабжено тремя трехфазными трансфильтрами, обмотки каждого из которых включены соответственно согласно и последовательно в одноименные с ними по фазе цепи первичных обмоток трансформаторов, при этом другие выходные выводы выпрямительных мостов объединены и образуют второй выходной вывод. При понижающем коэффициенте трансформации трансформаторов предпочтительнее, чтобы каждые из фаз цепей их вторичных обмоток были выполнены идентичными по числу витков и топологии соединения, а цепи первичных обмоток выполнены обеспечивающими указанное формирование на входах выпрямительных мостов систем напряжений с последовательным фазовым сдвигом на угол δ=π/9. При повышающем коэффициенте трансформации трансформаторов каждые из фаз цепей их первичных обмоток выполнены одинаковыми по числу витков и топологии соединения, а цепи вторичных обмоток выполнены обеспечивающими указанное формирование на входах выпрямительных мостов систем напряжений с последовательным фазовым сдвигом на угол δ=π/9.

На Фиг.1 представлена схема устройства по первому варианту выполнения при понижающем коэффициенте трансформации трансформаторов.

На Фиг.2 - то же при повышающем коэффициенте трансформации трансформаторов.

На Фиг.3 представлена схема устройства по второму варианту выполнения.

На Фиг.4 представлена векторная диаграмма напряжений по второму варианту выполнения устройства.

На Фиг.5-7 приведены временные диаграммы основных рабочих процессов, поясняющие работу схем по Фиг.1, 2, 3 соответственно.

Устройство (Фиг.1-3) содержит три трансформатора 1, 2, 3, каждый из которых содержит три фазы цепей первичных обмоток 4, 5, 6, подключенных к входным выводам сети, и три фазы цепей вторичных обмоток 7, 8, 9, соединенных с входными выводами соответствующих выпрямительных мостов 10, 11, 12, одноименные по полярности выходные выводы которых объединены и образуют выходные выводы устройства. Трансформаторы выполнены обеспечивающими формирование на входах выпрямительных мостов систем напряжений с последовательным фазовым сдвигом на угол δ=π/9.

По первому варианту выполнения (Фиг.1, 2) одноименные по фазе цепи первичных обмоток всех трансформаторов 1, 2, 3 соединены между собой согласно и последовательно, образуя три первичные фазные цепи, подключенные к входным выводам сети и соединенные между собой по схеме «звезда» либо «треугольник».

Первый вариант выполнения устройства предназначен для применения его в том случае, когда одновременно с операцией выпрямления сетевого напряжения осуществляется понижение его уровня (Фиг.1) либо его повышение (Фиг.2). При понижающем коэффициенте трансформации трансформаторов (Фиг.1) каждые из фаз цепей их вторичных обмоток выполнены идентичными по числу витков и по топологии соединения («звезда» либо «треугольник»). Формирование на входах выпрямительных мостов систем напряжений с последовательным сдвигом на угол δ=π/9 осуществляется на первичной стороне трансформаторов 1, 2, 3, три фазы цепей первичных обмоток 4, 5, 6 которых выполнены, например, по схемам «открытая звезда» - «прямой зигзаг» - «обратный зигзаг» соответственно. Трехфазные напряжения, формируемые на обмотках 4, 6, оказываются сдвинутыми по фазе относительно трехфазной системы напряжений, формируемой цепями первичных обмоток 5 на угол δ=π/9 в сторону опережения и отставания соответственно. Фазы цепей первичных обмоток 4 и 6 по числу витков W выполнены одинаковыми и состоят из двух частей - главных W_4Г=W_6Г и дополнительных W_4Д=W_6Д. Требуемый последовательный фазовый сдвиг на угол δ=π/9 между напряжениями трех каналов, каждый из которых образован выпрямительным мостом с соответствующим трансформатором, обеспечивается выполнением следующих соотношений между их числами витков:

где W₅ - число витков в одной фазе цепи первичной обмотки 5.

Формирование указанного фазового сдвига на входах мостов 10, 11, 12 с помощью первичных фазных цепей целесообразно потому, что из-за большего напряжения на первичной стороне и, как следствие, из-за большего числа витков в сравнении с числами витков цепей вторичных обмоток 7...9 условие (1) выполняется более точно. Следовательно, неравномерность распределения токов в каналах также будет меньшей.

На Фиг.2 представлено устройство, в котором использованы трансформаторы с повышающим коэффициентом трансформации. Здесь требуемый последовательный фазовый сдвиг трехфазных систем напряжений реализован на вторичной стороне за счет того, что три фазы цепей вторичных обмоток 7 и 9 выполнены по схемам "прямой зигзаг" и "обратный зигзаг" соответственно, а цепи вторичных обмоток 8 выполнены без реализации фазового сдвига (по схеме «открытая звезда»). Каждые из фаз цепей первичных обмоток 4, 5, 6 выполнены одинаковыми по числу витков и топологии построения.

На Фиг.3 представлен второй вариант выполнения устройства, в котором осуществляется выпрямление и понижение уровня сетевого напряжения. Требуемый фазовый сдвиг между основными гармониками напряжений трех систем напряжений каналов на угол δ=π/9 здесь обеспечивается на первичной стороне соответствующим (аналогичным Фиг.1) выполнением трех фаз цепей первичных обмоток 4, 5, 6 с той лишь разницей, что из-за параллельного (а не последовательного) их подключения к сети число витков во всех трех фазах первичных обмоток здесь должно быть больше в 3 раза. Способ формирования фазового сдвига между трехфазными системами напряжений каналов {U_А1, U_В1, U_C1}, {U_A2, U_В2, U_C2} и {U_А3, U_В3, U_C3) обеспечивается путем геометрического суммирования двух напряжений (векторов) соответствующих фаз и поясняется векторной диаграммой на Фиг.4. Каждые из фаз цепей вторичных обмоток 7, 8, 9 выполняют одинаковыми по числу витков и по топологии соединения. Устройство содержит три трехфазных однообмоточных трансфильтра 13, 14, 15. Каждые из трех обмоток каждого трансфильтра включены согласно и последовательно в одноименные с ними по фазе цепи первичных обмоток 4, 5, 6 трансформаторов, соединенных между собой по схеме «звезда» либо «треугольник» и подключенных соответственно к входным выводам сети.

При повышающем коэффициенте трансформации трансформаторов каждые из фаз цепей их первичных обмоток 4, 5, 6 выполнены одинаковыми по числу витков и топологии соединения, а цепи вторичных обмоток выполнены обеспечивающими указанное формирование систем напряжений с последовательным фазовым сдвигом путем их соединения по аналогии с Фиг.3.

В отличие от модификаций схем по первому варианту данный вариант устройства обладает свойством унификации. Каждый из трех каналов может использоваться как независимо, обеспечивая выпрямление напряжения с пульсностью m_1Э=6, так и совместно с двумя другими, обеспечивая при этом в три раза большую мощность и значительно более высокое качество преобразования энергетического потока: при одноканальном исполнении m_1Э=6, уровень пульсаций выпрямленного напряжения ΔU^* _d/2=2,25%, коэффициент гармоник потребляемого из сети тока - К_Г(i)=31%, а при трехканальном исполнении эти параметры принимают значения: m_1Э=18, ΔU^* _d/2=0,25%, К_Г(i)=10%. Порядок высших гармоник потребляемого из сети тока определяется при одноканальном преобразовании номером 6k±1, а при трехканальном преобразовании номером 18k±1, где k=1, 2, 3, ...∞ любое целое число.

Работа устройства для выпрямления трехфазного напряжения, выполненного по Фиг.1 и 2 (с трехканальным преобразованием и пульсностью выпрямленного напряжения m_1Э=18), поясняется временными диаграммами на Фиг.5, 6, которые получены на основе имитационного компьютерного макромоделирования, при котором такие мелкие детали, как паразитные индуктивности в канале преобразования, учитывать нецелесообразно.

На фиг.5 показаны: 16 - фазное напряжение сети; 17 - потребляемый выпрямительным устройством из сети фазный ток (при его активной нагрузке); 18 - 18-пульсное выпрямленное напряжение (на выходе устройства); 19, 20, 21 - линейные напряжения на одноименных входах выпрямительных мостов 10, 11, 12; 22, 23, 24 - одноименные по фазе («А», например) напряжения на цепях вторичных обмоток каналов; 25, 26, 27 - одноименные по фазе («А») токи каналов. На фиг.6 представлены: 28, 29, 30 - токи на выходе выпрямительных мостов 10...12; 31 - ток в нагрузке (суммарный ток каналов); 32, 33 - токи через диоды одной стойки моста 10; 34, 35 - токи через диоды одной стойки моста 11; 36, 37 - токи через диоды одной стойки моста 12.

Из рассмотрения диаграмм следует, что токи в каналах одинаковы как по форме, так и по значению, а коэффициент гармоник потребляемого из сети тока имеет значение, практически равное расчетному К_Г(i)=10%.

Рабочие процессы в выходной части устройства по второму варианту, соответствующему Фиг.3 (с трехканальным преобразованием и пульсностью выпрямленного напряжения m_1Э=18), не отличаются от процессов, представленных на фиг.6. Отличия имеют место лишь во входной части, где установлены три трехфазных однообмоточных трансфильтра 13, 14, 15. Каждая из трех обмоток в каждом из трансфильтров расположена на одном из стержней 3-х фазного (трехстержневого) магнитопровода. Трехстержневые магнитопроводы на Фиг.3 выделены жирными линиями. Процессы, происходящие здесь (во входной части устройства), иллюстрируются временными диаграммами на фиг.7, где представлены: 38, 39, 40 - фазные напряжения сети; 41, 42, 43 - соответствующие им фазные напряжения (U_А2, U_B2, U_C2) на обмотках 4 трансформатора 1; 44, 45, 46 - напряжения на обмотках трех трансфильтров 13, 14, 15. Задача равномерного распределения токов между каналами решается путем введения трех трансфильтров.

Таким образом, данные варианты трансформаторно-выпрямительных устройств обеспечивают строго равномерную токовую загрузку каналов при минимальном искажении токов в обмотках трансформаторного узла, благодаря чему достигается снижение габаритной мощности трансформаторного узла и установленной мощности выпрямительных мостов, что существенно расширяет области их целесообразного применения.

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.239, 1967.

1. Устройство для выпрямления трехфазного напряжения с трехканальным преобразованием энергетического потока, содержащее три выпрямительных моста, входные выводы каждого из которых подключены к трем фазам цепей вторичных обмоток соответствующих трансформаторов, которые выполнены обеспечивающими формирование на входах выпрямительных мостов систем напряжений с последовательным фазовым сдвигом на угол δ=π/9, 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 одноименные по фазе цепи первичных обмоток всех трансформаторов соединены между собой согласно и последовательно, образуя три первичные фазные цепи, подключенные к входным выводам сети и соединенные между собой по схеме «звезда» либо «треугольник», при этом другие выходные выводы выпрямительных мостов также объединены и образуют второй выходной вывод.

2. Устройство для выпрямления трехфазного напряжения с трехканальным преобразованием энергетического потока по п.1, отличающееся тем, что при понижающем коэффициенте трансформации трансформаторов каждые из фаз цепей их вторичных обмоток выполнены идентичными по числу витков и по топологии соединения, фазные цепи выполнены обеспечивающими указанное формирование на входах выпрямительных мостов систем напряжений с последовательным фазовым сдвигом на угол δ=π/9.

3. Устройство для выпрямления трехфазного напряжения с трехканальным преобразованием энергетического потока по п.1, отличающееся тем, что при повышающем коэффициенте трансформации трансформаторов каждые из фаз цепей их первичных обмоток выполнены одинаковыми по топологии и по числу витков, а три фазы цепей вторичных обмоток трансформаторов выполнены обеспечивающими указанное формирование на входах выпрямительных мостов систем напряжений с последовательным фазовым сдвигом на угол δ=π/9.

4. Устройство для выпрямления трехфазного напряжения с трехканальным преобразованием энергетического потока, содержащее три выпрямительных моста, входные выводы каждого из которых подключены к трем фазам цепей вторичных обмоток соответствующих трансформаторов, три фазы цепей первичных обмоток каждого из которых присоединены к входным выводам сети, причем трансформаторы выполнены обеспечивающими формирование на входах выпрямительных мостов систем напряжений с последовательным фазовым сдвигом δ=π/9, а одни из одноименных по полярности выходных выводов выпрямительных мостов объединены и образуют один из выходных выводов, предназначенных для подключения нагрузки, отличающееся тем, что оно снабжено тремя трехфазными фильтрами, каждый из которых содержит три обмотки, расположенные на соответствующих стержнях трехфазного магнитопровода, причем обмотки каждого из трехфазных фильтров включены соответственно согласно и последовательно в одноименные с ними по фазе цепи первичных обмоток трансформаторов, при этом другие выходные выводы выпрямительных мостов объединены и образуют второй выходной вывод.

5. Устройство для выпрямления трехфазного напряжения с трехканальным преобразованием энергетического потока по п.4, отличающееся тем, что при понижающем коэффициенте трансформации трансформаторов каждые из фаз цепей их вторичных обмоток выполнены идентичными по числу витков и топологии соединения, а три фазы цепей первичных обмоток выполнены обеспечивающими указанное формирование на входах выпрямительных мостов систем напряжений с последовательным фазовым сдвигом на угол δ=π/9.

6. Устройство для выпрямления трехфазного напряжения с трехканальным преобразованием энергетического потока по п.4, отличающееся тем, что при повышающем коэффициенте трансформации трансформаторов каждые из фаз цепей их первичных обмоток выполнены одинаковыми по числу витков и топологии соединения, а три фазы цепей вторичных обмоток выполнены обеспечивающими указанное формирование на входах выпрямительных мостов систем напряжений с последовательным фазовым сдвигом на угол δ=π/9.