Полупроводниковый выпрямитель

Изобретение относится к преобразовательной технике, а именно к многофазным полупроводниковым выпрямителям, и применимо в линиях электропередач постоянного тока, а также для питания мощной промышленной нагрузки, например в металлургии. В изобретении обеспечивается наличие двадцати четырех пульсаций на выходе и их симметрия, что достигается за счет дополнительного фазового сдвига между двумя трансформаторами, при использовании в одном из них первичной обмотки звездой, в другом треугольником. Трансформаторы имеют по две вторичные обмотки каждый при соотношении числа витков в них, приближенно равном произведению натурального числа е (2,72) на квадратный корень из двух. К выходам вторичных обмоток подключены четыре выпрямительных моста, включенных последовательно, причем к обмоткам с большим числом витков подключены неуправляемые (диодные) мосты, а к обмоткам с малым числом витков - управляемые мосты. Упомянутые мосты объединяются в пары с равным числом витков, причем выпрямительные мосты в парах включаются параллельно, а пары мостов между собой - согласно последовательно. Сдвиг фаз между трансформаторами достигается включением первичной обмотки одного из них в треугольник, другого в звезду. Трансформаторы отличаются друг от друга только схемой включения первичной обмотки и наличием фазового сдвига напряжений на выходе. Основным достигаемым техническим результатом является уменьшение требуемого числа витков обмоток трансформаторов, соответствующее уменьшение массы и габаритов. Также происходит некоторое улучшение электромагнитной совместимости полупроводникового выпрямителя за счет коммутации отводов обмоток с существенно меньшим числом витков. 9 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к преобразовательной технике, и предназначено для питания линий электропередач постоянного тока и промышленной нагрузки.

Уровень техники. Известен трехфазный регулируемый преобразователь переменного напряжения в постоянное [патент РФ на изобретение №2331960], содержащий трехфазный преобразовательный трансформатор с первичной обмоткой, соединенной в «звезду», и двумя трехфазными вторичными обмотками, одна из которых соединена в «звезду», другая в «треугольник». Решение содержит также вольтодобавочный трансформатор, имеющий одну трехфазную первичную и две трехфазные вторичные обмотки, соединенные в каждой фазе последовательно с соответствующими вторичными обмотками преобразовательного трансформатора, и два идентичных и соединенных последовательно трехфазных выпрямительных моста, при этом оба вентильных выпрямителя предназначены для подключения нагрузки и выполнены в виде трехфазного моста. К каждой фазе вторичной обмотки преобразовательного трансформатора, соединенной в «звезду», подключена вторичная обмотка вольтодобавочного трансформатора, последовательно с которой включен управляемый реактор, образующий совместно с вторичной обмоткой вольтодобавочного трансформатора цепь, параллельно которой включен неуправляемый реактор, концы обмоток которого образуют с концами цепей, содержащих последовательно соединенную вторичную обмотку вольтодобавочного трансформатора и обмотку управляемого реактора общие точки, соединенные с первым выпрямительным мостом. Вторая вторичная обмотка вольтодобавочного трансформатора соединена по схеме зигзаг и подключена ко второй вторичной обмотке преобразовательного трансформатора, соединенной в «треугольник». Концы каждой фазы вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора, соединенной по схеме зигзаг, соединяются с управляемыми реакторами. Неуправляемые реакторы соединяются параллельно цепи, состоящей из вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора, соединенной по схеме зигзаг, и последовательно с ней соединенной обмоткой управляемого реактора, при этом концы обмоток управляемого и неуправляемого реакторов образуют в каждой фазе общую точку, соединенную со вторым вентильным мостом.

К недостаткам такого решения можно отнести наличие дополнительного вольтодобавочного трансформатора и сглаживающих реакторов, что увеличивает массу и габариты установки; кроме этого регулирование выходного напряжения за счет соответствующего управляемого реактора ведет к снижению КПД преобразователя.

Также известен статический выпрямитель [патент РФ на полезную модель №144830], предназначенный для питания силовых промышленных электроустановок и линий электропередач постоянного тока, и содержащий два последовательно включенных трехфазных выпрямительных моста, один из которых выполняется на неуправляемых вентилях, другой выполнен на управляемых вентилях, оба выпрямительных моста подключаются к отдельным трехфазным вторичным обмоткам трансформатора. Вторичные трехфазные обмотки имеют коэффициенты трансформации, соотносящиеся между собой как 1:2,8 и имеют одинаковую схему включения звездой. Управляемый выпрямительный мост формирует 6 пульсаций выпрямленного напряжения, состоящих из фрагментов фронтов полуволн, коммутируемых в моменты равенства фронтов модулей полуволн напряжения разных фаз, при этом нарастающий и спадающий фронты чередуются. В результате пульсации неуправляемого и управляемого выпрямительных мостов оказываются сдвинуты на угол π/6, а на выходе выпрямителя образуется суммарное напряжение, имеющее 12 симметричных пульсаций за период питающей сети.

К недостаткам такого решения можно отнести низкое для ряда областей качество выходного напряжения из-за наличия двенадцати пульсаций выпрямленного напряжения при питании от трехфазной силовой сети переменного тока.

Раскрытие изобретения.

Полупроводниковые выпрямители являются одним из первых видов статических преобразователей электроэнергии, и широко используются в промышленности и электроэнергетике. Для решений малой и средней мощности все чаще используются импульсные преобразователи, в том числе активные выпрямители - обеспечивающие лучший гармонический состав токов, потребляемых из сети и регулировку коэффициента мощности. Однако в области больших мощностей - особенно, в линиях электропередач постоянного тока, применяются классические схемы выпрямления.

В основе всех классических выпрямителей лежит использование трехфазного выпрямительного моста, либо комбинации из нескольких трехфазных выпрямительных мостов - включенных последовательно или параллельно. В таком случае пульсации выпрямленного напряжения мостов суммируются, при условии наличия фазового сдвига между вторичными обмотками трансформаторов, питающих мосты.

Используют следующие виды включения обмоток трансформаторов: звезда (фигура 1), треугольник (фигура 2), зигзаг (фигура 3). Звезда и треугольник имеют симметричный взаимный фазовый сдвиг, равный 30 электрическим градусам. Обмотка зигзаг позволяет получить дополнительное фазовое смещение, обычно равное 15 электрических градусов. Однако использование обмоток по схеме треугольник и зигзаг требует в 1,72 и 1,18 раза большее число витков, чем для обмотки звездой. Данный факт предопределяет ухудшение массогабаритных показателей при увеличении качества выходного напряжения, то есть числа пульсаций.

Известно, что сумма двух синусоидальных функций дает в результате также синусоидальную функцию с амплитудой и фазой, определяемыми амплитудами и фазами слагаемых. Подобный способ получения фазового сдвига используется в схеме соединения обмоток трехфазного трансформатора "зигзагом", где результирующее фазное напряжение образуется геометрической суммой напряжений двух частей обмотки трансформатора, находящихся в разных его фазах. Как правило, в силовых трансформаторах общего назначения в этом случае обе части обмотки на каждом стержне имеют равное число витков, а фазное напряжение образуется суммой равных напряжений двух частей обмотки, а общее число витков обмотки на одном стержне при этом будет больше, чем при соединении обмотки в «звезду».

Также большее число витков содержит обмотка, включенная по схеме «треугольника», а именно в раз (1,72) больше витков, чем у обмотки с включением «звездой» с таким же выходным напряжением. Обмотка треугольником применяется в классическом двенадцатипульсном выпрямителе, показанном на фигуре 2, и вместе с другой вторичной обмоткой звездой - образует 6-фазную систему напряжений, которая при выпрямлении дает двенадцать пульсаций. Как правило, используется параллельное включение мостов, показанное на фигуре 4 - что требует установки уравнительных реакторов на выходе каждого моста для выравнивания токов нагрузки. Возможно также и последовательное включение, которое также требует большего числа витков для получения двенадцати пульсации, из-за использования обмотки треугольник.

Для повышения качества выходного напряжения, и уменьшения гармонического состава токов потребляемых из питающей сети, применяют двадцатичетырехпульсные выпрямители, содержащие четыре трансформатора с комбинацией включения обмоток звезда-треугольник-зигзаг, дающей 12-фазную систему переменного напряжения, выпрямляемую четырьмя трехфазными мостами. Подобное решение приведено на фигуре 5, для случая параллельного включения мостов.

Из уровня техники известен также двенадцатипульсный выпрямитель с "боковыми" пульсациями, выбранный за основной прототип, и имеющий улучшенные массогабариты благодаря отказу от использования обмотки треугольник. В упомянутом решении используются две вторичные обмотки звездой, при определенном соотношении их витков равном натуральному числу е (приближенно 2,72) и коммутации боковых фронтов полуволн вспомогательного выпрямительного моста с меньшим числом витков. Принципиальная схема такого решения приведена на фигуре 6. На фигуре 7 приведен график напряжений выпрямительных мостов упомянутого выпрямителя с боковыми пульсациями.

К достоинствам такого решения относится простота, и экономия числа витков для того же выходного напряжения, что позволяет уменьшить габариты и стоимость решения. Однако качество выходного напряжения соответствует классическим двенадцатипульсным схемам.

Принципиальная схема предлагаемого варианта выпрямителя представлена на фигуре 8. Решение направлено на реализацию двадцатичетырехпульсной схемы выпрямления, с уменьшенным расходом числа витков и соответствующим улучшенными габаритными показателями. Для этого предлагается соединить все четыре вторичных обмотки по схеме звезда, и расположить на двух трансформаторах (по две вторичные обмотки на каждом), данные вторичные обмотки объединяются в пары, смещенные относительно друг друга - за счет использования комбинации двух первичных обмоток: звездой (на первом трансформаторе) и треугольником (на втором трансформаторе). В таком случае, происходит сокращение числа обмоток трансформатора по схеме треугольник с двух до одной, и отказ от использования двух обмоток по схеме зигзаг (относительно классической схеме, представленной на фигуре 5).

В предлагаемом решении, показанном на фигуре 8, два трехфазных силовых трансформатора, питаемых от общей трехфазной сети, имеет по две вторичные обмотки каждый с соотношением витков в них как (приближенно равно 1:3,85). Выпрямительные трехфазные мосты, подключенные к вторичным обмоткам, объединяются в пары -подключенные к обмоткам с одинаковым числом витков. Выпрямительные трехфазные мосты в парах включаются параллельно, пары выпрямительных мостов между собой - включаются последовательно и согласно.

Особенность работы мостов в таком случае заключается в следующем. Вторичные обмотки с большим числом витков - образуют пару, расположенную на разных трансформаторах, и участвуют в формировании пульсаций большего напряжения. Также и вторичные обмотки с меньшим (в 3,85 раз) числом витков располагаются на разных трансформаторах, и образуют пару, формирующую "боковые пульсации". При этом максимумы выходного напряжения пары мостов с меньшим напряжением совпадают с минимумами пары основных мостов (с большим напряжением), и наоборот. На выходе выпрямителя после суммирования напряжения обоих пар трехфазных мостов образуется напряжение с 24 симметричными пульсациями за период питающей сети (фигура 9).

Отличие предлагаемого выпрямителя от прототипа заключается, главным образом, в наличии 24 пульсаций выпрямленного напряжения, достигаемого только при определенном соотношении числа витков, равном приближенно 3,85 (точное значение ). Точное соблюдение этой

пропорции обеспечивает симметрию пульсаций выходного напряжения, однако по технологическим причинам допустимо приближенное значение, обеспечивающее приемлемое качество взаимной симметрии пульсаций.

При предлагаемом варианте выпрямителя половина силовых полупроводниковых вентилей может быть неуправляемыми диодами, другая - должна быть управляемыми полупроводниковыми приборами (например, полностью управляемыми тиристорами типа IGCT). Замена половины вентилей на диоды снижает стоимость полупроводниковых приборов в составе затрат на изготовление преобразователя и обеспечивает минимальное тепловыделение. В случае если не требуется регулирования выходного напряжения, можно использовать в управляемом мосте обычные тиристоры, подавая сигнал на их открытие с некоторым опережением для обеспечения коммутации тока с вентиля на вентиль. При использовании полностью управляемых вентилей возможна плавная регулировка выходного напряжения выпрямителя, а индуктивность вторичной обмотки, питающей управляемый мост, уменьшено, предлагаемому выпрямителю свойственна улучшенная электромагнитная совместимость с питающей сетью.

Предлагаемое техническое решение является новым, имеющим следующие принципиальные отличия от прототипа:

- для получения полностью симметричных пульсаций выходного выпрямленного напряжения используется особое соотношение числа витков обмоток, равное приближенно ;

- применением четырех вторичных обмоток, соединенных звездой, обеспечивается получение двадцатичетырех пульсаций выпрямленного напряжения;

- вторичные обмотки объединяются в пары с одинаковым числом витков, подключенные к упомянутым парам обмоток выпрямительные трехфазные мосты включаются параллельно, при последовательном согласном соединении пар включенных параллельно выпрямительных мостов между собой;

- нейтральный отвод в парах вторичных обмоток объединяется.

Таким образом, совокупность существенных признаков полезной модели приводит к новому техническому результату - получению выпрямленного напряжения с двадцатичетырьмя пульсациями, при одновременном упрощении конструкции обмоток и уменьшении габаритов. Кроме того, объединение нейтралей вторичных обмоток позволяет избежать необходимости в уравнительных реакторах на выходе мостов.

Краткое описание чертежей. На фигуре 1 изображена схема соединений обмоток трехфазных трансформаторов звездой. На фигуре 2 изображена схема соединений обмоток трехфазных трансформаторов по схеме треугольником. На фигуре 3 изображена схема соединений обмоток трехфазных трансформаторов по схеме зигзаг. На фигуре 4 изображена принципиальная схема классического двенадцатипульсного выпрямителя с параллельным включением мостов. На фигуре 5 изображена принципиальная схема классического двадцатичетырехпульсного выпрямителя с параллельным включением мостов. На фигуре 6 изображена принципиальная схема двенадцатипульсного выпрямителя с "боковыми" пульсациями. На фигуре 7 изображен график работы двенадцатипульсного выпрямителя с "боковыми" пульсациями. Здесь 4 – напряжение, формируемое вспомогательным мостом, 5 - напряжение формируемое основным мостом, 6 -выходное напряжение. На фигуре 8 изображена принципиальная схема двадцатичетырехпульсного выпрямителя с "боковыми" пульсациями. На фигуре 9 изображен график работы двадцатичетырехпульсного выпрямителя с "боковыми" пульсациями. Здесь 4 – напряжение, формируемое вспомогательной парой мостов, 5 - напряжение формируемое основной парой мостов, 6 - выходное напряжение.

Список использованной литературы

1. Зиновьев Г.С. Силовая электроника. / Г.С. Зиновьев. - М.: Изд-во Юрайт, 2012. 667 с.

2. Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов. / П.М. Тихомиров - М.: Изд-во Альянс, 2013. 528 с.

3. С.С. Абрамов, Е.Н. Коптяев Двенадцатипульсный выпрямитель // Патент России №144830; 2014. Бюл. №25.

4. Е.Н. Коптяев, В.М. Балашевич, С.С. Абрамов Выпрямитель с боковыми пульсациями для силовой энергетики // Электричество. - 2017. - №7. с. 55-59.

Полупроводниковый выпрямитель, содержащий два трехфазных стержневых трансформатора, первичные трехфазные обмотки которых подключены к питающей сети, первичная обмотка одного трансформатора имеет соединение звездой, первичная обмотка другого трансформатора имеет соединение в треугольник, все вторичные обмотки подключены к выпрямительным мостам, и отличающийся тем, что каждый трансформатор имеет две вторичные обмотки звездой, при соотношении числа витков упомянутых вторичных обмоток в каждом трансформаторе, приближенно равном произведению натурального числа е на квадратный корень из двух, вторичные обмотки с равным числом витков объединяются в пару с общей нейтралью, выпрямительные мосты упомянутой пары включаются параллельно и согласно, при последовательном и согласном соединении между парами выпрямительных мостов.