ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2340073

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТРЕХФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ (ВАРИАНТЫ)

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТРЕХФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ (ВАРИАНТЫ)

Имя изобретателя: Аслан-заде Ариф Гасан оглы (RU)
Имя патентообладателя: Аслан-заде Ариф Гасан оглы (RU)
Адрес для переписки: 357703, Ставропольский край, г. Кисловодск, ул. Дзержинского, 45, до востребования, Аслан-заде Ариф Гасан оглы
Дата начала действия патента: 2007.09.10

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для преобразования трехфазного переменного напряжения в постоянное с постоянным уровнем высших гармоник во всем диапазоне регулирования. Преобразователь содержит нулевой входной вывод, основной трехфазный управляемый вентильный мост, основные уравнительные реакторы, основные дополнительные вентили, основной двухполюсник, трехфазный трансформатор, первичные фазные обмотки которого подключены одними выводами к входным выводам этого моста, а другими - к фазным входным выводам, вторичная обмотка соединена в звезду с нулевым выводом и подключена фазными выводами к входным выводам вторичного вентильного моста со свободным входным выводом, полюсами которого образованы его выходные выводы, и дополнительно содержит N-1 (где N=2,3,4,...) групп выводов первичной обмотки трехфазного трансформатора, подключенных i-я из указанных N-1 групп выводов от обмотки с числом витков w i, отсчитываемым от фазных входных выводов, к входным выводам i-го из N-1 дополнительных трехфазных управляемых вентильных мостов, аналогично соединенных с N-1 парами уравнительных реакторов и дополнительных вентилей, к общим точкам свободных электродов которых подключены входные выводы N-1 дополнительных двухполюсников, общая точка выходных выводов которых подключена к выходному выводу основного двухполюсника, а входной вывод последнего к общей точке основных дополнительных вентилей, все подключенные к двухполюсникам дополнительные вентили выполнены в виде диодов, соединительная цепь на вторичной стороне трехфазного трансформатора выполнена короткозамкнутой, а на первичной - содержит обмотку, соединенную в разомкнутый треугольник, число витков которой меньше числа витков наибольшего участка первичной обмотки между ее смежными группами выводов, число витков первичной обмотки, от которых выполнен ее i-й отвод, равно wi

а промежуточный вывод обмотки уравнительного реактора каждого моста делит ее число витков на части в отношении, равном

где i=1,2,3,..., N - порядковый номер моста; k=f(i)=2i-1,...,2N-1 - коэффициент. При N=1 основной двухполюсник выполнен короткозамкнутым, нагрузка включена между выходными выводами первичного или/и вторичного вентильного моста, а свободные выходные выводы замкнуты накоротко. Техническим результатом предлагаемого является простое в управлении и качественное преобразование трехфазного переменного напряжения в постоянное, 12N-пульсное, с постоянным уровнем гармонического состава и обратной зависимостью амплитуд высших гармонических потребляемого тока от угла отпирания тиристоров.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для преобразования трехфазного переменного напряжения в постоянное с постоянным уровнем высших гармоник во всем диапазоне регулирования.

Широко известна схема включения добавочного вентиля, шунтирующего активно-индуктивную нагрузку в однополупериодных или двухполупериодных выпрямителях (см. Каганов И.Л. Электронные и ионные преобразователи. Ч.3, 1956 г., стр.19 (выпрямление тока при наличии шунтирующего вентиля).

Недостатком этой схемы является необходимость использования дополнительного вентиля, а получение непрерывного тока в цепи нагрузки сопряжено с наличием значительной по величине катодной индуктивности.

Совокупность причин, препятствующих получению требуемого технического результата, заключается в необходимости использования усложняющего преобразователь дополнительного вентиля, а его предназначение не предусматривает возможности повышения энергетических показателей в требуемом объеме.

Известен преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащий трехфазный трансформатор, первичная обмотка которого соединена в звезду и подключена к фазным входным выводам, две вторичные обмотки, соединенные каждая в звезду, подключенную фазными выводами к входным выводам трехфазного управляемого вентильного моста, выходные выводы которых соединены последовательно с общей нагрузкой, диод, включенный между нейтралями упомянутых вторичных обмоток встречно с шунтирующим диодом, включенным параллельно с упомянутой нагрузкой (см. А.С. №898572, кл. Н02М от 08.01.1979).

Недостатком этой схемы является необходимость использования дополнительного вентиля, шунтирующего индуктивную энергию нагрузки и тем самым позволяющего получить дополнительное к возможностям самого преобразователя сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения. Однако с увеличением угла отпирания тиристоров амплитуда этих пульсаций заметно возрастает. Присутствуют и неканонические гармоники.

Совокупность причин, препятствующих получению требуемого технического результата, заключается в необходимости использования усложняющего преобразователь дополнительного вентиля, а его предназначение не предусматривает возможности повышения энергетических показателей в требуемом объеме.

Известен преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащий трехфазный трансформатор, первичная обмотка которого соединена в звезду и подключена к фазным входным выводам, а вторичная обмотка соединена в звезду с промежуточными выводами, подключенными к входным выводам моста с катодной группой тиристоров и основной анодной группой диодов, между полюсами которого включена нагрузка, дополнительную анодную группу тиристоров, подключенных анодами к анодам упомянутых диодов, а катодами к крайним выводам вторичной обмотки упомянутого трансформатора, дополнительную анодную группу диодов, аноды которых подключены к выводу нормально открытого контакта, другой вывод которого подключен к анодам основной анодной группы диодов, а катод каждого к одному концу цепочки из двух резисторов, другой конец которой - к соответствующему крайнему выводу упомянутой вторичной обмотки, причем управляющий электрод каждого тиристора подключен к общей точке соответствующей пары резисторов (см. Технический отчет ОАЖ, 129. 202. АзНИЭТИ. г.Баку. 1969 г. «Тиристорный возбудитель электромагнитного тормоза (ЭМТ) для электропривода буровой лебедки».

Недостатком этого преобразователя, в котором дополнительные группы вентилей используются для форсировки напряжения путем включения естественно коммутируемых тиристоров без применения системы управления, является невозможность регулирования напряжения с использованием указанной дополнительной группы тиристоров.

Совокупность причин, препятствующих получению требуемого технического результата, заключается в том, что конфигурация преобразователя предназначена только для форсировки напряжения с вторичной стороны трансформатора и не предусматривает возможности повышения энергетических показателей в требуемом объеме.

Известен трехфазный однотактный преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий трехфазный трансформатор, первичная и вторичная обмотки которого, каждая, соединены в звезду, группу вентилей, соединенных в звезду и подключенных к вторичной обмотке, и дополнительную трехфазную обмотку, соединенную в разомкнутый треугольник, один конец которой подключен к общей точке звезды вторичной обмотки, а другой - к одному из выходных выводов, причем выходной вывод образован общей точкой вентильной группы, витки каждой фазы указанной дополнительной обмотки расположены на соответствующем стержне указанного трансформатора встречно виткам вторичной обмотки, причем число витков дополнительной обмотки в каждой фазе относится к числу витков вторичной обмотки этой же фазы, как 1:3 (см. А.С. №797023, кл. Н02М 7/12, 1978).

Недостатком этого преобразователя, в котором разомкнутый треугольник используется для компенсации потока вынужденного намагничивания, является низкое качество преобразования, заключающееся в том, что с увеличением угла отпирания тиристоров увеличиваются и амплитуды канонических высших гармоник. Несимметрия сети и преобразовательного тракта приводит к появлению в форме выпрямленного напряжения неканонической гармоники с частотой напряжения питающей сети.

Совокупность причин, препятствующих получению требуемого технического результата, заключается в том, что схема преобразователя, в которой один из выводов разомкнутого треугольника подключен к выходному выводу, образованному общей точкой вентильной группы, предназначена только для компенсации потока вынужденного намагничивания, т.к. компенсационная обмотка проводит ток 3-й гармоники в цепи, проводящей токи, и других гармоник, и поэтому не может нести иных функций.

По дополнительному авт. св. №860238, кл. Н02М 7.12 от 02.08.79 г. к основному авт. св. №752681, кл. Н02М 7/06, от 04.02.76 г. известен преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащий трехфазный трансформатор, первичные обмотки которого совместно с последовательно соединенными с ними парами встречно-параллельно включенных управляемых вентилей образуют звезду, связанную с фазными входными выводами, а вторичные обмотки соединены в звезду и подключены к выпрямительному мосту, при этом дополнительно введен комплект вторичных обмоток, выпрямительный мост и управляемые вентили, причем первичные обмотки через дополнительные встречно-параллельно включенные вентили соединены с нулевым входным выводом, а дополнительный комплект вторичных обмоток и дополнительный выпрямительный мост вместе с основными вторичными обмотками и основным выпрямительным мостом соединены по схеме двенадцатипульсного выпрямителя, дополнительно введенный трехфазный трансформатор, первичные обмотки которого соединены в звезду, общая точка которой соединена с нулевым входным выводом, а группа вторичных обмоток соединена в треугольник.

Недостатком этого преобразователя является сложность: 8 тиристоров, 12 вентилей и 2 обмотки на вторичной стороне. Необходимо также отметить и низкое качество преобразования, заключающееся в том, что с увеличением угла отпирания тиристоров увеличиваются и амплитуды канонических высших гармоник на стороне как постоянного, так и переменного тока. Несимметрия сети и преобразовательного тракта приводит к появлению в форме выпрямленного напряжения неканонической гармоники с частотой напряжения питающей сети. Неравные углы коммутации - причина того, что с увеличением нагрузки смежные по фазе пульсации выпрямленного напряжения становятся неравными по амплитуде и тем самым создают возрастающую по амплитуде неканоническую гармонику с частотой 300 Гц. Кроме того, общее количество управляющих импульсов, подаваемых на тиристоры через каждые 30 эл. град, равно 18-и вследствие необходимости обеспечить работу преобразователя в режиме прерывистых токов, что усложняет систему управления преобразователем.

Совокупность причин, препятствующих получению требуемого технического результата, заключается в том, что конфигурация схемы преобразователя предназначена только для обычного преобразования (с низкими энергетическими показателями) трехфазного переменного напряжения в постоянное, 12-пульсное, с управлением по первичной стороне и возможностью компенсации вредного воздействия на сеть тока нулевой последовательности, без получения больших значений периодичности выпрямления, кратных 12-и.

Известен преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащий трехфазный трансформатор, концы первичных фазных обмоток которого подключены к входным выводам, а начала - к входу мостового выпрямителя, выполненного на управляемых вентилях, выводы постоянного тока которого соединены с одними выводами двух уравнительных реакторов, выполненных каждый в виде двух последовательно соединенных обмоток, причем общие точки соединения обоих реакторов связаны между собой, а другие выводы реакторов подключены к разноименным электродам вентилей, свободные электроды которых объединены и подключены к нулевому входному выводу, вторичные фазные обмотки соединены в шестилучевую звезду и подключены ко второму и третьему неуправляемым трехфазным мостовым выпрямителям, соединенным параллельно по выходу, между общими точками соединения уравнительных реакторов включен сглаживающий дроссель (см. А.С. №1014109, кл. Н02М 7/17, 1981).

Недостатком этого преобразователя, позволяющего использовать схожую по внешним признакам с предлагаемым схему соединения элементов, два уравнительных реактора с промежуточными выводами на первичной стороне, является сложность: 8 тиристоров, 12 вентилей и 2 обмотки на вторичной стороне. Необходимо также отметить и низкое качество преобразования, заключающееся в том, что с увеличением угла отпирания тиристоров увеличиваются и амплитуды канонических высших гармоник на стороне как постоянного, так и переменного тока, а получение значений периодичности выпрямления, кратных 12-и, невозможно. Несимметрия сети и преобразовательного тракта приводит к появлению в форме выпрямленного напряжения неканонической гармоники с частотой напряжения питающей сети. Кроме того, необходимость большого количества управляющих импульсов, подаваемых на тиристоры через каждые 30 эл. град, усложняет систему управления преобразователем.

Совокупность причин, препятствующих получению требуемого технического результата, заключается в том, что промежуточный вывод обмотки каждого уравнительного реактора делит ее на две равные части. Преобразование с большей периодичностью невозможно.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащий нулевой входной вывод, трехфазный управляемый вентильный мост, каждый полюс которого соединен с крайним выводом обмотки соответствующего уравнительного реактора, другой крайний вывод которой - с одноименным электродом дополнительного вентиля, между общей точкой свободных электродов которых и нулевым входным выводом образована первичная соединительная цепь, включающая первичную обмотку дополнительного однофазного трансформатора, а между промежуточными выводами обмоток уравнительных реакторов включен сглаживающий реактор, трехфазный трансформатор, первичные фазные обмотки которого подключены соответствующими выводами к входным выводам этого моста, а другими - к фазным входным выводам, вторичная обмотка соединена в звезду с нулевым выводом и подключена фазными выводами к входным выводам вторичного вентильного моста со свободным входным выводом, полюсами которого образованы его выходные выводы, а между упомянутыми свободным входным и нулевым выводами образована вторичная соединительная цепь, включающая вторичную обмотку упомянутого однофазного трансформатора (см. А.С. №1014109, кл. Н02М 7/17, 1981).

Недостатком этого преобразователя, позволяющего использовать схожую по внешним признакам с предлагаемым схему соединения элементов, два уравнительных реактора с промежуточными выводами на первичной стороне, является сложность: 8 тиристоров и 2 трансформатора. Необходимо также отметить низкое качество преобразования и невозможность получения 12-кратных значений периодичности выпрямления: m=24; m=36.

Совокупность причин, препятствующих получению требуемого технического результата, заключается в том, что промежуточный вывод обмотки каждого уравнительного реактора делит ее на две равные части. Преобразование с большей периодичностью невозможно.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, заключается в повышении энергетических показателей и упрощении.

Эта задача в первом варианте предлагаемого решается тем, что в преобразователе трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащем нулевой входной вывод, трехфазный управляемый вентильный мост, два дополнительных вентиля, каждый полюс трехфазного управляемого вентильного моста соединен с крайним выводом обмотки соответствующего уравнительного реактора, другой крайний вывод которой соединен с электродом соответствующего дополнительного вентиля, при этом дополнительные вентили и вентили вентильного моста соединены с крайними выводами обмотки одного и того же уравнительного реактора одноименными электродами, между общей точкой свободных электродов дополнительных вентилей и нулевым входным выводом образована первичная соединительная цепь, а промежуточные выводы обмоток уравнительных реакторов образуют выходные выводы упомянутого моста, кроме того, преобразователь содержит трехфазный трансформатор, первичные фазные обмотки которого подключены одними выводами к входным выводам трехфазного управляемого вентильного моста, а другими - к фазным входным выводам, вторичная обмотка трехфазного трансформатора соединена в звезду с нулевым выводом и подключена фазными выводами к входным выводам вторичного вентильного моста со свободным входным выводом, полюсами которого образованы его выходные выводы, а между упомянутыми свободным входным и нулевым выводом вторичной обмотки трехфазного трансформатора образована вторичная соединительная цепь, промежуточный вывод обмотки каждого уравнительного реактора делит ее число витков на части в отношении, равном 1:Ц3, меньшая из которых отсчитывается от дополнительных вентилей, выполненных в виде диодов, вторичная соединительная цепь выполнена короткозамкнутой, а первичная соединительная цепь содержит обмотку, соединенную в разомкнутый треугольник, число витков котором меньше числа витков первичной обмотки трехфазного трансформатора.

Вентили вторичного вентильного моста, к которым подключены фазные выводы вторичной обмотки трехфазного трансформатора, выполнены управляемыми, согласно параллельно каждому из них между его анодом и управляющим электродом подключена последовательная цепь, содержащая переменный резистор и диод, между выходными выводами вторичного вентильного моста включены нагрузка и сглаживающий реактор, а выходные выводы трехфазного управляемого вентильного моста замкнуты накоротко.

Преобразователь содержит дополнительный трехфазный трансформатор, первичная обмотка которого соединена в звезду и подключена одними выводами общей точкой других выводов соответственно к фазным и нулевому входным выводам.

Во втором варианте предлагаемого эта задача решается тем, что в преобразователе трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащем нулевой входной вывод, основной трехфазный управляемый вентильный мост, основную пару дополнительных вентилей, каждый полюс основного трехфазного управляемого вентильного моста соединен с крайним выводом обмотки соответствующего уравнительного реактора основной пары уравнительных реакторов, другой крайний вывод которой соединен с электродом основного дополнительного вентиля, при этом указанные дополнительные вентили и вентили указанного вентильного моста соединены с крайними выводами обмотки одного и того же уравнительного реактора одноименными электродами, между общей точкой свободных электродов указанных дополнительных вентилей и нулевым входным выводом образована первичная соединительная цепь с последовательно включенным с ней основным двухполюсником, а промежуточные выводы обмоток уравнительных реакторов образуют замкнутые накоротко выходные выводы упомянутого управляемого трехфазного выпрямительного моста, кроме того, преобразователь содержит трехфазный трансформатор, первичные фазные обмотки которого подключены одними выводами к входным выводам указанного трехфазного управляемого вентильного моста, а другими - к фазным входным выводам, вторичная обмотка трехфазного трансформатора соединена в звезду с нулевым выводом и подключена фазными выводами к входным выводам вторичного вентильного моста со свободным входным выводом, полюсами которого образованы его выходные выводы, а между упомянутыми свободным входным выводом и нулевым выводом вторичной обмотки трехфазного трансформатора образована вторичная соединительная цепь, дополнительно содержит N-1 (где N=2,3,4,...) дополнительных управляемых трехфазных вентильных мостов, пар уравнительных реакторов, пар дополнительных вентилей и групп выводов первичной обмотки трехфазного трансформатора, при этом i-я из указанных N-1 групп выводов первичной обмотки трехфазного трансформатора от числа витков wi , отсчитываемых от фазных входных выводов, подключена к входным выводам i-го из N-1 дополнительного трехфазного управляемого вентильного моста, каждый из которых соединен с соответствующими из N-1 парами уравнительных реакторов и дополнительных вентилей, аналогично соединению основного трехфазного управляемого вентильного моста с основными папами уравнительных реакторов и дополнительных вентилей, при этом к общим точкам свободных электродов дополнительных вентилей из N-1 пар подключены входные выводы N-1 дополнительных двухполюсников, общая точка выходных выводов которых подключена к выходному выводу основного двухполюсника, а входной вывод последнего - к общей точке основных дополнительных вентилей, каждый двухполюсник содержит пару встречно параллельно включенных вентилей, один из которых выполнен управляемым с одинаковым относительно нулевого входного вывода направлением подключения электродов, все подключенные к двухполюсникам дополнительные вентили выполнены в виде диодов, вторичная соединительная цепь выполнена короткозамкнутой, а первичная соединительная цепь содержит обмотку, соединенную в разомкнутый треугольник, число витков которой меньше числа витков наибольшего участка первичной обмотки трехфазного трансформатора между ее смежными группами выводов, при этом число витков от которых выполнен ее i-й вывод, равно wi

а промежуточный вывод обмотки уравнительного реактора каждого моста делит ее число витков на части в отношении, равном

где wN - число витков первичной обмотки трехфазного трансформатора между ее крайними выводами, w1 - число витков обмотки уравнительного реактора между электродом дополнительного вентиля и промежуточным выводом, w2 - число витков обмотки уравнительного реактора между промежуточным выводом и полюсом управляемого вентильного моста, i=1,2,3,..., N - порядковый номер трехфазного управляемого вентильного моста, N - общее количество этих мостов, k=f(i)=2i-1,...,2N-1 - коэффициент соотношения чисел витков обмоток уравнительного реактора i-го моста, а также участков первичной обмотки трехфазного трансформатора между i-ми и фазными входными выводами.

Вентили вторичного вентильного моста, к которым подключены фазные выводы вторичной обмотки трехфазного трансформатора, выполнены управляемыми согласно параллельно каждому из них, а также каждому управляемому вентилю двухполюсника между его анодом и управляющим электродом подключена последовательная цепь, содержащая переменный резистор и диод, а между выходными выводами вторичного вентильного моста включены нагрузка и сглаживающий реактор.

Преобразователь содержит дополнительный трехфазный трансформатор, первичная обмотка которого соединена в звезду и подключена одними выводами и общей точкой других выводов соответственно к фазным и нулевому входным выводам.

Технический результат, достигаемый в первом варианте предлагаемого, количественно заключается в использовании одного трансформатора вместо двух, наличии 6-и тиристоров и двух диодов вместо 8-ми тиристоров, возможности управления всеми тиристорами всего 6-ю импульсами, подаваемыми на тиристоры через каждые 60 эл. град. и обеспечивающими 12-пульсное регулирование выпрямленного напряжения в полном диапазоне за счет отсутствия режима прерывистых токов. Качественный технический результат заключается в том, что при изменении угла отпирания a тиристоров во всем диапазоне регулирования наблюдается отсутствие периодично повторяющихся канонических и неканонических провалов в форме выпрямленного напряжения, которое при любом угле отпирания a тиристоров имеет вид 12-пульсного выпрямленного напряжения при полностью открытых тиристорах (a =0), причем амплитуда пульсаций при отсутствии сглаживающего реактора с увеличением a даже несколько снижается. При этом амплитуды высших гармонических потребляемого тока с увеличением a также уменьшаются, что объясняется постоянством формы выпрямленного напряжения, изменяющейся только по амплитуде, подобно механическому регулированию напряжения автотрансформатором. При включении сглаживающего реактора на выходе вторичного управляемого вентильного моста с двумя шунтирующими диодами из имеющихся восьми основных вентилей форма выпрямленного напряжения на нагрузке в его цепи преобразуется в параллельную оси абсцисс абсолютно прямую линию, величина смешения которой относительно оси ординат зависит от a тиристоров. Во всех случаях обеспечивается возможность компенсации вредного воздействия на сеть тока нулевой последовательности преобразователя за счет введения в соответствующую цепь преобразовательного тракта дополнительного маломощного трехфазного трансформатора, обмотка которого соединена в звезду с нулевым выводом.

Технический результат, достигаемый во втором варианте предлагаемого, заключается в возможности получения выпрямления с периодичностью m, кратной 12-и, т.е. m=24, m=36 и т.д. При этом сохраняются основные свойства первого варианта, т.е особая сглаженность формы выпрямленного напряжения, обратная зависимость амплитуд высших гармонических потребляемого тока от a тиристоров, малое число вентилей, в том числе управляемых, на первичной стороне трансформатора, упрощение системы управления.

принципиальная схема 12-пульсного преобразователя с вторичным диодным мостом и разомкнутым треугольником в первичной соединительной цепи

На фиг.1 приведена принципиальная схема 12-пульсного преобразователя с вторичным диодным мостом и разомкнутым треугольником в первичной соединительной цепи, на фиг.2 - временные диаграммы 12-пульсного выпрямленного напряжения Uda на выходе вторичного диодного моста со сглаживающим реактором Ld 0 и без него Ld=0, при различных углах отпирания a тиристоров на первичной стороне в соответствии с картой импульсов, нумерация на которой соответствует нумерации этих тиристоров, на фиг.3 - векторная диаграмма напряжений 12-пульсного преобразователя, приведенная к вторичной обмотке трехфазного трансформатора, где на примере первого квадранта, U ab и U0b, Uа0 - соответственно вектора линейных и фазных напряжений питающей сети, Uc02, Ua02, U0b2 и Uc01, U a01, U0b1 - соответственно вектора уравнительных напряжений и их меньших частей, пропорциональных участкам с меньшим числом витков обмоток уравнительных реакторов, Ur - вектор результирующего выпрямляемого напряжения; на фиг.4 - временные диаграммы токов, протекающих через управляемые вентили и обмотки уравнительных реакторов (1-й вариант), где I 1 и I11, I12 , I13, I14 - токи тиристора и в участках обмоток уравнительных реакторов с указанной нумерацией; на фиг.5 - временные диаграммы токов в нулевом проводе I0, в фазных обмотках дополнительного (компенсационного) трансформатора I0/3 , линейный ток сети Iл с подключенным компенсационным трансформатором и фазный ток первичной обмотки трехфазного трансформатора Iф; на фиг.6 - принципиальная схема 12-пульсного преобразователя с вторичными тиристорным мостом и разомкнутым треугольником в первичной соединительной цепи; на фиг 7 - принципиальная схема 24-пульсного преобразователя с вторичным диодным мостом и разомкнутым треугольником в первичной соединительной цепи; на фиг.8 - временные диаграммы 24-пульсного выпрямленного напряжения Uda на выходе вторичного диодного моста со сглаживающим реактором Ld 0 и без него Ld=0, при различных углах отпирания a тиристоров на первичной стороне в соответствии с картой импульсов, нумерация на которой соответствует нумерации этих тиристоров; на фиг.9 - векторная диаграмма напряжений 24-пульсного выпрямителя, приведенная к вторичной обмотке трехфазного трансформатора, где на каждом векторе результирующего выпрямляемого напряжения Ur указана соответствующая его образованию нумерация тиристоров и диодов управляющей части, а в скобках - диодов вторичного моста, где Ua1b1, Ua 1c1, Ub1c 1, Ub1a1, Uc 1a1, Uc1b 1 - вектора линейных напряжений питающей сети, прикладываемых к выводам, a1, b1 , с1 от части витков w1 первичной обмотки трехфазного трансформатора при их отношении к числу витков вторичной обмотки, равном единице, а точки а 2, b2, с2 соответствуют прикладыванию тех же напряжений к большему числу витков w 2 первичной обмотки трехфазного трансформатора между выводами а2, b2, с 2 и фазными входными выводами А, В, С; на фиг.10 - временные диаграммы линейного тока сети Iл при подключении компенсационного трансформатора, фазного тока основного трансформатора Iw1 между фазным входным и смежным с ним промежуточным выводами, линейных токов первого Iл 1 и второго Iл2 управляемых мостов, в общем нулевом проводе I0 и в нулевых проводах первого I01 и второго I 02 управляемых мостов, токов I11, I12 и I62, I 63 (попарно на 2-х общих осях абсцисс) в обмотках уравнительных реакторов с указанной нумерацией (2-й вариант); на фиг.11 - принципиальная схема 24-пульсного преобразователя с вторичным тиристорным мостом и разомкнутым треугольником в первичной соединительной цепи; на фиг.12 - детализированные фрагменты векторных диаграмм, показывающие получение результирующих векторов выпрямляемых напряжений Ur, при N=1 (m=12), N=2 (m=24) и N=3 (m=36) и коэффициенте трансформации, равном единице. На временных диаграммах 24-пульсного выпрямителя по оси абсцисс масштаб вдвое больше, чем для 12-пульсного выпрямителя.

Преобразователь (фиг.1) содержит трехфазный управляемый вентильный мост на тиристорах 1-6 и диоды 7, 8, уравнительный реактор 9 (10) с обмотками 11, 12 (13, 14), общие точки разноименных выводов которых соединены с замкнутыми накоротко выходными выводами 15 (16) упомянутого моста, начало обмотки 11 (13) соединено с катодами (анодами) тиристоров 1, 3, 5 (2, 4, 6), конец обмотки 12 (14) соединен с катодом (анодом) диода 7 (8), причем число витков обмотки 12 (14) в Ц"> 3 раз меньше числа витков обмотки 11 (13). Общие точки разноименных электродов тиристоров 1-6 подключены к началам первичных фазных обмоток трансформатора 17, концы которых подключены к фазным входным выводам А, В, С. Вторичная обмотка трансформатора 17 соединена в звезду и подключена концами и общей точкой начал к входу моста на диодах 18-25, между выходными выводами 26 и 27 которого включена нагрузка 28. На трансформаторе 17 выполнена обмотка 29, соединенная в разомкнутый треугольник и подключенная началом к нулевому входному выводу 0, а концом - к общей точке разноименных электродов диодов 7 и 8, т.е. согласно последовательно в контуре с первичной фазной обмоткой трансформатора 17. Дополнительный трансформатор 30, обмотка которого соединена в звезду и подключена группой одноименных выводов к фазным входным выводам А, В, С, а общей точкой других выводов - к нулевому входному выводу 0.

Получение при некоторой величине нагрузки, достаточной для нормальной работы уравнительных реакторов, на входных выводах каждого из мостов преобразователя 12-й равных по амплитуде и сдвинутых друг относительно друга по фазе на 30 эл. град выпрямляемых напряжений, формирующих 12-пульсное выпрямленное напряжение (фиг.2) достигается соотношением 1:Ц"> 3 чисел витков обмоток уравнительного реактора 9 или 10. Это показано на векторной диаграмме (фиг 3), где каждый вектор выпрямляемого напряжения Ur - это результат суммирования на одном из уравнительных реакторов смежных и сдвинутых по фазе относительно друг друга на 30 эл. град, линейного и фазного напряжений сети. При этом величина выпрямляемого напряжения, определяемая из косоугольных треугольников, равна:

Ur=1,2241·Uф ·kTP,

где Uф - фазное напряжение сети, kТР - коэффициент трансформации.

В каждом интервале дискретности один из уравнительных реакторов формирует выпрямляемое напряжение Ur, под действием которого выпрямляемый ток разветвляется, с учетом баланса ампер-витков, на две его обмотки, а также протекает по цепи, включающей обмотку с большим числом витков другого уравнительного реактора, выполняющего функцию катодной индуктивности. В любой момент времени токи смежных по фазе обмоток трансформатора 17 отличаются друг от друга по величине в (Ц"> 3+1) раз. Во столько же раз отличаются друг от друга и величины создаваемых ими магнитных потоков. Разность этих токов ответвляется в нулевой провод. Под действием неравных по величине и противофазных суммируемых э.д.с. смежных фаз (третья фаза в это время выполняет функцию дополнительной анодной индуктивности) в обмотке 29 трансформатора 17 наводится регулируемая тиристорами результирующая разностная э.д.с тройной частоты, направленная встречно переменной составляющей выпрямляемого напряжения и имеющая с ней одинаковую форму меньшей амплитуды. Под действием этой противоЭДС уменьшается амплитуда переменной составляющей выпрямленного напряжения, а в обмотке 12 или 14 реактора, выполняющего функцию катодной индуктивности, формируется ток подпитки, препятствующий выключению соответствующего диода 7 или 8. Вместе с тем наблюдается и отсутствие режима прерывистых токов, вследствие чего оказывается возможной замена вентилей 7, 8 на диоды. Форма тока подпитки в каждом интервале дискретности представляет собой кривую с возрастающими ординатами мгновенных значений (см. I12 и I14 на фиг.4) в отличие от ниспадающей формы исходной кривой основного выпрямляемого тока. Результирующая форма тока на всех остальных элементах схемы преобразователя с увеличением числа витков обмотки 29 и независимо от угла отпирания тиристоров приближается к прямоугольно-ступенчатой. Амплитуда тока подпитки прямо пропорциональна величине противоЭДС, а ее пологость - анодной индуктивности, определяемых выбором числа витков обмотки 29.

Необходимо учесть, что для нормальной работы преобразователя между общей точкой разноименных электродов диодов 7, 8 и нулевым входным выводом 0 должен протекать ток нулевой последовательности. Для этого число витков обмотки 29 должно быть меньше числа витков первичной обмотки трансформатора 17 и практически может не превышать значения 25% от этого числа с учетом требований к достаточному подавлению пульсаций и допустимому ограничению диапазона регулирования, имеющих прямую зависимость от величины противоЭДС обмотки 29 (величина 25% - это величина в относительных единицах максимальной разности значения ординаты переменной составляющей выпрямленного напряжения и ее среднего значения при некотором угле отпирания a тиристоров). Характер воздействия противоЭДС обмотки 29 на форму выпрямленного тока выглядит как уплощение верхушек полуволн синусоид, а степень этого уплощения, при прочих равных условиях, возрастает с увеличением угла отпирания a тиристоров от значения, превышающего 78 эл. град, до близкого к предельному в 105 эл. град. Иными словами, уменьшение амплитуды переменной составляющей сопровождается увеличением доли постоянной составляющей в форме выпрямленного напряжения. Дальнейшее увеличение числа витков обмотки 29 до предельно допустимого значения возможно, однако приращение воздействия на форму выпрямленного напряжения становится при этом все менее заметным.

Уравнительные реакторы 9 и 10, попеременно обеспечивая одновременное преобразование линейных и фазных напряжений, устраняют исходное неравенство коммутационных сопротивлений смежных пульсаций путем их усреднения, т.е. препятствуют формированию разных углов коммутации, а именно: образованию неканонической гармоники с частотой 300 Гц.

Моменты переключения участков синусоид, формирующих в обмотке 29 противоЭДС частотой 150 Гц, а на выходе выпрямителя - 12-пульсное выпрямленное напряжение, задаются в ее положительном и отрицательном полупериоде системой управления, а точки свободного перехода через ноль - образуются строго симметрично относительно пульсаций, соседних с этими точками, вследствие взаимной индуктивности обмоток уравнительных реакторов, обеспечивающих фазовый сдвиг 60 эл. град, между переключениями диодов 7 и 8.

Отсутствие в форме выпрямленного напряжения неканонической гармоники частотой 50 Гц объясняется тем, что уравнительные реакторы обеспечивают в каждом такте преобразования участие тока нулевой последовательности, который по определению не может содержать гармоник, не кратных трем.

Трансформатор 17, напряжения и токи которого на вторичной стороне повторяют их на первичной стороне, служит не только для согласования напряжений, но и для создания в обмотке 29 противоЭДС, которая совместно с анодной индуктивностью, попеременно подключаемой ее неактивной фазы обеспечивает работу преобразователя в режиме непрерывных токов во всем диапазоне регулирования, что упрощает его управление.

Дополнительный маломощный трансформатор 30 предназначен для разделения тока нулевой последовательности преобразователя на 3 одинаковые части, каждая из которых одновременно протекает между нулевым входным выводом 0 и соответствующим фазным входным выводом. В результате устраняется вредное воздействие на сеть тока нулевой последовательности, т.к. в потребляемом линейном токе он отсутствует.

Рассмотрим работу преобразователя на фиг.1 более детально. В соответствии с картой импульсов (фиг.2), подаваемых на тиристоры 1-6, они отпираются в следующей последовательности: 1, 6, 3, 2, 5, 4 и работают с диодами 7, 8 в очередности: 1-4-7; 1-4-8,1-6-8, 1-6-7; 3-6-7; 3-6-8; 3-2-8; 3-2-7; 5-2-7; 5-2-8; 5-4-8; 5-4-7. Очередность работы диодов на вторичной стороне в точности повторяет работу вентилей и диодов на первичной стороне.

Допустим, что управляющий импульс подан на тиристор 4, он открыт от прикладываемого к нему напряжения U ob и через него протекает ток по цепи, включающей нулевой входной вывод 0, обмотку 29 трансформатора 17, диод 7, обмотку 12 реактора 9, выходные выводы 15, 16, обмотку 13 реактора 10, анод-катод тиристора 4, первичную фазную обмотку трансформатора 17, фазный входной вывод В. На вторичной стороне ток проводят диоды 20, 25. Описанный запускающий цикл (возможный при подаче импульса на любой тиристор) предваряет вхождение преобразователя в нормальный режим работы. Через 60 эл. град. управляющий импульс подается на тиристор 1, он открывается от прикладываемого к нему выпрямляемого напряжения Ur - результирующего от суммирования на уравнительном реакторе 9 линейного напряжения Uab на его обмотке 11 и фазного напряжения U0b на его обмотке 12 и преобразователь входит в нормальный режим работы. Амплитуда напряжения Ur является результатом его равноугольного фазового сдвига относительно суммируемых напряжений, определяемого выбранным соотношением 1:Ц"> 3 чисел витков обмоток уравнительного реактора 9, обратно пропорционального (с учетом соблюдения баланса ампер-витков) соотношению токов в этих обмотках. Отсюда следует неравенство токов в загруженных обмотках смежных фаз трансформатора 17. Одновременно с этим напряжение Ur меньшей величины обмотки 29 формирует в обмотке 14 ток подпитки, представляющий собой кривую с возрастающими ординатами мгновенных значений. В результате наложения кривой тока подпитки на исходную кривую основного выпрямляемого тока форма результирующей кривой выпрямляемого тока остается практически неизменной при всех углах отпирания тиристоров. Первый интервал дискретности может быть получен и без предварительного вышеописанного запускающего цикла, если управляющие импульсы подать одновременно на тиристоры 1 и 4, т.е. в общем случае на два соответствующих тиристора разноименных групп управляемого моста, что однако, потребует подачи в первом интервале дополнительного запускающего импульса, который затем может быть снят.

Через 30 эл. град. после включения тиристора 1 ток первичной цепи переключается с диода 7 на диод 8 без дополнительного вмешательства системы управления за счет того, что заданный системой угол отпирания тиристора 1 является фактическим углом отпирания диода 8, т.к. последний включен в цепь обмотки 14 уравнительного реактора 10, которая связана взаимной индуктивностью с его обмоткой 13. Соответственно ток вторичной цепи переключается с диода 25 на диод 24, и ток нагрузки протекает по цепи, включающей диоды 19, 20, 24. Теперь уравнительный реактор 10 формирует следующий с фазовым сдвигом 30 эл. град. вектор выпрямляемого напряжения Ur, а реактор 9 выполняет функцию катодной индуктивности.

Далее, через 30 эл. град., когда потенциал анода тиристора 6 становится более отрицательным, чем потенциал тиристора 4, происходит переключение с тиристора 4 на тиристор 6, а реакторы 9 и 10 работают в прежнем режиме, формируя на уравнительном реакторе 10 следующий по фазе вектор напряжения Ur.

Затем, еще через 30 эл. град., аналогично вышеописанному, ток первичной цепи без вмешательства системы управления переключается с диода 8 на диод 7, реакторы 9 и 10 вновь изменяют свой режим работы, формируя следующий по фазе вектор напряжения Ur на уравнительном реакторе 9.

При экспериментах было замечено, что включение сглаживающего реактора между выходными выводами 15, 16 не влияет на уровень пульсаций выпрямленного напряжения на нагрузке 28, включенной между выходными выводами 26, 27 на вторичной стороне, что объясняется шунтированием энергии сглаживающего реактора диодами 7, 8. Вместе с тем, перенос нагрузки на первичную сторону (между выходными выводами 15, 16) приводит к полному устранению пульсаций на этой нагрузке вследствие того же шунтирующего действия диодов 7, 8. Для реализации обнаруженного эффекта с включением сглаживающего реактора на вторичной стороне преобразователя между выходными выводами 26 и 27 необходимо выполнить вентили 18-23 управляемыми, с тем чтобы энергия сглаживающего реактора могла шунтироваться в свободном контуре основными диодами 24 и 25. При этом выходные выводы 15, 16 управляемого моста могут быть замкнуты накоротко или содержать другую нагрузку.

Преобразователь (Фиг.6) содержит трехфазный управляемый вентильный мост на тиристорах 1-6 и диоды 7, 8, уравнительный реактор 9 (10) с обмотками 11, 12 (13, 14), общие точки разноименных выводов которых соединены с замкнутыми накоротко выходными выводами 15 (16) упомянутого моста, начало обмотки 11 (13) соединено с катодами (анодами) тиристоров 1, 3, 5 (2, 4, 6), конец обмотки 12 (14) соединен с катодом (анодом) диода 7(8), причем число витков обмотки 12 (14) в Ц"> 3 раз меньше числа витков обмотки 11 (13). Общие точки разноименных электродов тиристоров 1-6 подключены к началам первичных фазных обмоток трансформатора 17, концы которых подключены к фазным входным вывода А, В, С. Вторичная обмотка трансформатора 17 соединена в звезду и подключена концами и общей точкой начал к входу моста на тиристорах 31-36 и диодах 24, 25, между выходными выводами 26 и 27 которого включены нагрузка 28 и сглаживающий реактор 37. На трансформаторе 17 выполнена обмотка 29, соединенная в разомкнутый треугольник и подключенная началом к нулевому входному выводу 0, а концом - к общей точке разноименных электродов диодов 7 и 8, т.е. согласно последовательно в контуре с первичной фазной обмоткой трансформатора 17. Дополнительный трансформатор 30, обмотка которого соединена в звезду и подключена концами к фазным входным выводам А, В, С, а общей точкой начал - к нулевому входному выводу 0. Согласно параллельно каждому тиристору 32 (34 и 36) между его анодом и управляющим электродом включена цепочка, содержащая последовательно соединенные диод и переменный резистор соответственно 18, 38 (20, 39 и 22, 40). Согласно параллельно каждому тиристору 31 (33 и 35) между его анодом и управляющим электродом включена цепочка, содержащая последовательно соединенные диод и переменный резистор соответственно 19, 41 (21, 42 и 23, 43). При этом движки переменных резисторов 38-40 и 41-43 соединены с управляющими электродами соответствующих тиристоров 32, 34, 36 и 31, 33, 35.

Преобразователь на фиг.6 отличается от преобразователя на фиг.1 только конфигурацией вторичной стороны. Поэтому работа преобразователя на Фиг.6 отличается от работы преобразователя на Фиг.1 только теми особенностями, которые вносят дополнительные элементы вторичной стороны.

Допустим, что открыты тиристоры 1 и 4 и диод 8 в рамках вышеуказанной очередности их включения. На вторичной стороне под действием выпрямляемого напряжения Ur управляющий ток протекает от конца фазы a вторичной обмотки трансформатора 17 по цепи, включающей диод 19, резистор 41, управляющий электрод и катод тиристора 31, выходной вывод 27, нагрузку 28, сглаживающий реактор 37, выходной вывод 26, далее разветвляется через диод 24 к нейтрали вторичной обмотки, а через диод 20, резистор 39, управляющий электрод - катод тиристора 34 к концу фазы b вторичной обмотки. Величина сопротивления резисторов выбирается из такого расчета, чтобы ток, протекающий через управляющие электроды тиристоров 31, 34, был достаточен для их отпирания. Тиристоры 31 и 34 отпираются от прикладываемого к ним выпрямляемого напряжения Ur и совместно с диодом 24 проводят номинальный ток нагрузки. Через 30 эл. град. отпирается тиристор 6, а тиристор 4 запирается обратным напряжением. Соответственно отпирается тиристор 36 от очередного по фазе выпрямляемого напряжения Ur, при протекании через его управляющий электрод и катод управляющего тока, тиристор 34 запирается обратным напряжением, а ток нагрузки вместо тиристора 34 протекает через тиристор 36. Так реализуется естественная коммутация тиристоров на вторичной стороне преобразователя без участия системы управления. (Эта возможность на примере управления электроприводом переменного тока представлена также на фиг.2, стр.92 издания «Руководство по методике предварительной и государственной научно-технической экспертизы изобретений», ВНИИПИ, Москва, 1985 г.). Тем самым обеспечивается выделение на нагрузке 28 энергии сглаживающего реактора 37 за счет шунтирующего контура, включающего основные диоды 24 и 25, т.е. без применения дополнительных шунтирующих диодов. При этом форма выпрямленного напряжения на нагрузке 28 преобразуется в параллельную оси абсцисс абсолютно прямую линию, величина смешения которой относительно оси ординат зависит от a тиристоров, что делает излишней необходимость использования конденсатора в схеме фильтра. Это позволяет уменьшить число витков соединенной в разомкнутый треугольник обмотки 29 трансформатора 17 относительно числа витков его первичной обмотки до достижения удовлетворительного компромисса между уменьшением числа витков обмотки 29 и увеличением индуктивности сглаживающего реактора 37. Возможность реализации режима непрерывных токов во всем диапазоне регулирования имеет прямую зависимость от величин противоЭДС и анодной индуктивности обмотки 29.

временные диаграммы 12-пульсного выпрямленного напряжения
векторная диаграмма напряжений 12-пульсного преобразователя
временные диаграммы токов, протекающих через управляемые вентили и обмотки уравнительных реакторов
временные диаграммы токов в нулевом проводе
принципиальная схема 12-пульсного преобразователя с вторичными тиристорным мостом и разомкнутым треугольником в первичной соединительной цепи
принципиальная схема 24-пульсного преобразователя с вторичным диодным мостом и разомкнутым треугольником в первичной соединительной цепи
векторная диаграмма напряжений 24-пульсного выпрямителя

Целесообразность применения 12-пульсного управляемого выпрямителя заключается в высоком качестве преобразования, при котором достигается нулевой уровень высших гармонических выпрямленного напряжения во всем диапазоне регулирования, и вследствие этого обратная зависимость амплитуд высших гармонических потребляемого тока от угла отпирания тиристоров, а также в простоте управления.

Преобразователь (фиг.7) содержит первый трехфазный управляемый вентильный мост на тиристорах 1-6 и диоды 7, 8, уравнительный реактор 9 (10) с обмотками 11, 12 (13, 14), общие точки разноименных выводов которых соединены с замкнутыми накоротко выходными выводами 15 (16) упомянутого моста, начало обмотки 11 (13) соединено с катодами (анодами) тиристоров 1, 3, 5 (2, 4, 6), конец обмотки 12 (14) соединен с катодом (анодом) диода 7 (8). Общие точки разноименных электродов тиристоров 1-6 подключены к промежуточным выводам а1, b1, с 1 первичной обмотки трансформатора 17, концы которой подключены к фазным входным выводам А, В, С. Вторичная обмотка трансформатора 17 соединена в звезду и подключена концами и общей точкой начал к выходу моста на диодах 18-25, между выходными выводами 26 и 27 которого включена нагрузка 28. Преобразователь содержит встречно параллельно включенные пары: диод 44 с тиристором 45 и диод 46 с тиристором 47, согласно последовательную включенную пару диодов 48 и 49. К аноду тиристора 45 (47) подключен анод диода 50 (51), катод которого соединен с одним выводом переменного резистора 52 (53), к движку которого подключен управляющий электрод тиристора 45 (47). Преобразователь содержит второй трехфазный управляемый вентильный мост на тиристорах 54-59, уравнительный реактор 60 (61) с обмотками 62, 63 (64, 65), общие точки разноименных выводов которых соединены с замкнутыми накоротко выходными выводами 66 (67) упомянутого моста, начало обмотки 62 (64) соединено с катодами (анодами) тиристоров 54, 56, 58 (55, 57, 59), конец обмоток 62 (65) соединен с катодом(анодом) диода 48 (49). Общие точки разноименных электродов тиристоров 54-59 подключены к крайним выводам начал первичных фазных обмоток трансформатора 17. Анод диода 44 (46) и катод тиристора 45 (47) подключены к общей точке диодов 7, 8 (48, 49). Катоды диодов 44, 46 и аноды тиристоров 45, 47 подключены к концу соединенной в разомкнутый треугольник обмотки 29 трансформатора 17, начало которой подключено к нулевому входному выводу 0, образованному общей точкой начал, соединенной в звезду обмотки дополнительного трансформатора 30, концы которой подключены к фазным входным выводам А, В, С.

В соответствии с формулой изобретения для получения периодичности выпрямления m=24 необходимо принять: N=2; i=1, 2; k=1,3.

Для каждого уравнительного реактора первого моста:

Для каждого уравнительного реактора второго моста:

Как видно, принятое соотношение чисел витков уравнительных реакторов обеспечивает требуемый фазовый угол сдвига неравных по величине выпрямляемых напряжений Ur1 и Ur2 соответственно первого и второго управляемых вентильных мостов. Для получения равенства этих напряжений результирующему выпрямляемому напряжению:

Ur 1=Ur2=Ur,

соотношение чисел витков всей первичной обмотки трехфазного трансформатора к числу витков между ее промежуточными выводами и фазными входными выводами А, В, С выбрано равным соотношению напряжений:

Ur 2/Ur1=1,4227·U ф/1,0916·Uф=1,3033.

Число витков обмотки 29 выбрано равным части числа витков первичной обмотки трехфазного трансформатора между промежуточными и фазными входными выводами.

В соответствии с картой импульсов (фиг.8), подаваемых на тиристоры 1-6 или 54-59, они проводят ток совместно с вентилями 7, 45 и 8, 44 или 48, 47 и 49, 46 в очередности, указанной на векторах результирующих выпрямляемых напряжений (фиг.9). При этом очередность включения соответствующих диодов вторичного моста приведена на тех же векторах в скобках.

Каждый управляемый вентильный мост поочередно проводит ток от двух смежных по фазе результирующих напряжений, а переключение мостов в моменты подачи управляющих импульсов на тиристоры происходит вследствие превышения по амплитуде результирующего напряжения, включающегося в работу моста относительно смежного по фазе результирующего напряжения выключающегося моста, что, в свою очередь, обеспечивается выбранным соотношением чисел витков уравнительных реакторов 9, 10 и 60, 61.

Каждый раз, от момента включения до момента выключения первого управляемого моста на тиристорах 1-6, ток проводят только вентили 7 и 45, или только вентили 8 и 44, т.е. в процессе работы этого моста ток в его нулевом проводе не изменяет своего направления, причем тиристор 45 включается автоматически при наличии напряжения соответствующей полярности между нулевым и фазным входными выводами. Поэтому тиристоры 1-6 самодостаточно обеспечивают управляемость первого моста.

Каждый раз, в процессе работы второго управляемого моста ток в его нулевом проводе изменяет свое направление на противоположное, и ток проводят либо вентили 49 и 46, либо вентили 47 и 48, причем тиристор 47 включается автоматически при наличии напряжения соответствующей полярности между нулевым и фазным входными выводами. Поэтому тиристоры 54-59 не могут самодостаточно обеспечить управляемость второго моста, которая, тем не менее, достигается благодаря треугольнику 29 и уравнительным реакторам 60, 61 аналогично первому варианту, а именно: под действием разностной ЭДС. треугольника 29 в обмотках 63, 65 уравнительных реакторов 60, 61 попеременно протекает ток подпитки, вентили 48, 49 не могут закрыться, их управляющие функции в соответствующие моменты времени берут на себя указанные реакторы, происходит подавление пульсаций выпрямленного напряжения до уровня примерно вдвое меньшего, чем в первом варианте предлагаемого при прочих равных условиях, режим прерывистых токов отсутствует (см. фиг.10).

Вентильные пары 44, 45 и 46, 47 предназначены для того, чтобы обеспечить автономность протекания токов в нулевых проводах управляемых мостов, т.е. каждая указанная пара препятствует протеканию тока нулевого провода одного моста по цепи другого, чему содействует очередность включения этих вентилей (см. фиг.9).

Результирующий ток нулевой последовательности протекает между общей точкой вентилей 44-47, через обмотку 29, нулевой входной вывод, образованный общей точкой соединенной в звезду обмотки дополнительного трансформатора 30, далее разветвляется на 3 равные части, каждая из которых течет в сеть через один из фазных входных выводов А, В, С и также в обратном направлении попеременно через одну из вышеупомянутых вентильных пар. Ток, протекающий под действием разностной ЭДС. обмотки 29, всегда направлен встречно результирующему току нулевой последовательности, совпадает с ним по форме и подвергается общему регулирующему воздействию.

Все результирующие токи первичной стороны преобразователя с требуемым коэффициентом трансформации являются токами его вторичной стороны.

Выходные выводы 15, 16 и 66, 67 управляемых вентильных мостов в отличие от первого варианта всегда должны быть замкнуты накоротко (см. фиг.7).

Преобразователь (фиг.11) содержит первый трехфазный управляемый вентильный мост на тиристорах 1-6 и диоды 7, 8, уравнительный реактор 9 (10) с обмотками 11, 12 (13, 14), общие точки разноименных выводов которых соединены с замкнутыми накоротко выходными выводами 15 (16) упомянутого моста, начало обмотки 11 (13) соединено с катодами (анодами) тиристоров 1, 3, 5 (2, 4, 6), конец обмотки 12 (14) соединен с катодом (анодом) диода 7 (8). Общие точки разноименных электродов тиристоров 1-6 подключены к промежуточным выводам а1, b1, с 1 первичных фазных обмоток трансформатора 17, концы которых подключены к фазным входным выводам А, В, С. Вторичная обмотка трансформатора 17 соединена в звезду и подключена общей точкой начал и концами к входу моста на тиристорах 31-36 и диодах 24, 25, между выходными выводами 26 и 27 которого включены нагрузка 28 и сглаживающий реактор 37. К аноду тиристора 45 (47) подключен анод диода 50 (51), катод которого соединен с одним выводом переменного резистора 52 (53), к движку которого подключен управляющий электрод тиристора 45 (47). Преобразователь содержит второй трехфазный управляемый вентильный мост на тиристорах 54-59, уравнительный реактор 60 (61) с обмотками 62, 63 (64, 65), общие точки разноименных выводов которых соединены с замкнутыми накоротко выходными выводами 66 (67) упомянутого моста, начало обмотки 62 (64) соединено с катодами (анодами) тиристоров 54, 56, 58 (55, 57, 59), конец обмотки 63 (65) соединен с катодом (анодом) диода 48 (49). Общие точки разноименных электродов тиристоров 54-59 подключены к крайним выводам начал первичных фазных обмоток трансформатора 17. Анод диода 44 (46) и катод тиристора 45 (47) подключены к общей точке диодов 7, 8 (48, 49). Катоды диодов 44, 46 и аноды тиристоров 45, 47 подключены к концу соединенной в разомкнутый треугольник обмотки 29 трансформатора 17, начало которой подключено к нулевому входному выводу 0, образованному общей точкой начал соединенной в звезду обмотки дополнительного трансформатора 30, концы которой подключены к фазным входным выводам А, В, С. Согласно параллельно каждому тиристору 32 (34 и 36) между его анодом и управляющим электродом включена цепочка, содержащая последовательно соединенные диод и переменный резистор соответственно 18, 38 (20, 39 и 22, 40). Согласно параллельно каждому тиристору 31 (33 и 35) между его анодом и управляющим электродом включена цепочка, содержащая последовательно соединенные диод и переменный резистор соответственно 19, 41 (21, 42 и 23, 43). При этом движки переменных резисторов 38-40 и 41-43 соединены с управляющими электродами соответствующих тиристоров 32, 34, 36 и 31, 33, 35.

Преобразователь на фиг.11 отличается от преобразователя на фиг.7 только конфигурацией вторичной стороны. Поэтому работа преобразователя на фиг.11 отличается от работы преобразователя на фиг.7 только теми особенностями, которые вносят дополнительные элементы вторичной стороны. Эти особенности аналогичны первому варианту предлагаемого по фиг.6 и заключаются в том, что обеспечивается выделение на нагрузке 28 энергии сглаживающего реактора 37 за счет шунтирующего контура, включающего основные диоды 24 и 25, т.е. без применения дополнительных шунтирующих диодов. Работа шунтирующего контура подавляет небольшие по амплитуде неканонические гармоники с частотой 300 Гц (неодинаковые условия коммутации, а именно изменение или неизменность направления тока нулевой последовательности в процессе работы одного из первичных мостов) и 600 Гц (неравные углы коммутации), которые могут возникать на выходе преобразователя из-за неоднородности режимов работы управляемых вентильных мостов. При этом форма выпрямленного напряжения на нагрузке 28 преобразуется в линию с весьма малой волнистостью, величина смещения которой относительно оси ординат зависит от a тиристоров, что позволяет обойтись без использования конденсатора в схеме фильтра. Шунтирующий контур позволяет уменьшить число витков соединенной в разомкнутый треугольник обмотки 29 трансформатора 17 относительно числа витков его первичной обмотки до достижения удовлетворительного компромисса между уменьшением числа витков обмотки 29 и увеличением индуктивности сглаживающего реактора 37. Для достижения отмеченного результата в преобразователе по фиг.11 в отличие от преобразователя по фиг.6, при прочих равных условиях, требуется примерно вдвое меньшее число витков обмотки 29 трансформатора 17, что объясняется меньшей величиной переменной составляющей выпрямленного напряжения, не превышающей значения 13% - взятой в относительных единицах максимальной разности значения ординаты переменной составляющей выпрямленного напряжения и ее среднего значения при некотором угле отпирания a тиристоров. При этом вдвое уменьшается и величина сужения диапазона регулирования выпрямленного напряжения.

При превышении потенциала анода относительно катода одного из диодов 18-22 и 19-23 отпирается соответствующая пара диодов, ток протекает через пару соединенных с ними резисторов 38-43, отпирается соответствующая пара тиристоров 31-36, один в катодной, а другой в анодной группе и ток нагрузки протекает через эти тиристоры и один из диодов 24, 25. Величина сопротивления резисторов 39-43 выбирается из такого расчета, чтобы ток, протекающий через управляющие электроды тиристоров 31-36, был достаточен для их отпирания.

В соответствии с формулой изобретения для получения периодичности выпрямления m=36 необходимо принять: N=3; i=1, 2, 3; k=1, 3, 5.

Для каждого уравнительного реактора первого моста:

Для каждого уравнительного реактора второго моста:

Для каждого уравнительного реактора третьего моста:

Как видно, принятое соотношение чисел витков уравнительных реакторов обеспечивает требуемый фазовый угол сдвига неравных по величине выпрямляемых напряжений Ur1 , Ur2 и Ur3 соответственно первого, второго и третьего управляемых вентильных мостов. Для получения равенства этих напряжений результирующему выпрямляемому напряжению:

Ur1=Ur 2=Ur3=Ur,

соотношение чисел витков всей первичной обмотки трехфазного трансформатора к числу витков между первой группой промежуточных выводов и фазными входными выводами А, В, С равно соотношению напряжений:

Ur 3/Ur1=1,5098·U ф/1,0572·Uф=1,4281,

а соотношение чисел витков между второй группой промежуточных выводов и фазными входными выводами к числу витков между первой группой промежуточных выводов и фазными входными выводами равно соотношению напряжений:

Ur2/Ur 1=1,2247·Uф/1,0572·U ф=1,1584.

Величина в относительных единицах максимальной разности значения ординаты переменной составляющей выпрямленного напряжения и ее среднего значения при некотором угле отпирания a тиристоров для случая N=3 составляет порядка 9%. Поэтому для получения сглаженности выпрямления аналогичной 24-пульсному (12-пульсному) выпрямлению число витков обмотки трансформатора, соединенной в треугольник, может быть на четверть меньше (почти втрое меньше). Соответственно меньше и сужение диапазона регулирования. При этом наибольшим участком первичной обмотки, трансформатора относительно которого отсчитывается число витков разомкнутого треугольника, является участок между фазными входными выводами и смежными с ними промежуточными выводами

В общем случае 12N-пульсного выпрямления управление дополнительными вентилями в полном диапазоне только одного управляемого вентильного моста, подключенного к крайним (N-м) выводам первичной обмотки трансформатора, обеспечивается наличием его дополнительной обмотки, соединенной в треугольник, и уравнительными реакторами. Для управления остальными управляемыми вентильными мостами достаточно наличия 6-и тиристоров в каждом из них. Это видно из рассмотрения векторных диаграмм (см. фиг.12), т.к. во время работы только одного N-го управляемого моста, подключенного к N-м выводам первичной обмотки трансформатора (например, 3-го моста при N=3 или 2-го моста при N=2), переключение дополнительных вентилей происходит вследствие изменения направления результирующего тока нулевой последовательности.

Целесообразность общепромышленного применения 24-пульсного (N=2) управляемого выпрямителя заключается в относительной простоте, эффективности, а по сравнению с первым вариантом - вдвое меньшем сужении диапазона регулирования. Дальнейшее увеличение периодичности выпрямления целесообразно в случае необходимости защиты сети от высших гармоник более высокого порядка.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащий нулевой входной вывод, трехфазный управляемый вентильный мост, два дополнительных вентиля, каждый полюс трехфазного управляемого вентильного моста соединен с крайним выводом обмотки соответствующего уравнительного реактора, другой крайний вывод которой соединен с электродом соответствующего дополнительного вентиля, при этом дополнительные вентили и вентили вентильного моста соединены с крайними выводами обмотки одного и того же уравнительного реактора одноименными электродами, между общей точкой свободных электродов дополнительных вентилей и нулевым входным выводом образована первичная соединительная цепь, а промежуточные выводы обмоток уравнительных реакторов образуют выходные выводы упомянутого моста, кроме того, преобразователь содержит трехфазный трансформатор, первичные фазные обмотки которого подключены одними выводами к входным выводам трехфазного управляемого вентильного моста, а другими - к фазным входным выводам, вторичная обмотка трехфазного трансформатора соединена в звезду с нулевым выводом и подключена фазными выводами к входным выводам вторичного вентильного моста со свободным входным выводом, полюсами которого образованы его выходные выводы, а между упомянутыми свободным входным выводом и нулевым выводом вторичной обмотки трехфазного трансформатора образована вторичная соединительная цепь, отличающийся тем, что промежуточный вывод обмотки каждого уравнительного реактора делит ее число витков на части в отношении, равном 1:Ц3, меньшая из которых отсчитывается от дополнительных вентилей, выполненных в виде диодов, вторичная соединительная цепь выполнена короткозамкнутой, а первичная соединительная цепь содержит обмотку, соединенную в разомкнутый треугольник, число витков которой меньше числа витков первичной обмотки трехфазного трансформатора.

2. Преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное по п.1, отличающийся тем, что вентили вторичного вентильного моста, к которым подключены фазные выводы вторичной обмотки трехфазного трансформатора, выполнены управляемыми, согласно параллельно каждому из них, между его анодом и управляющим электродом подключена последовательная цепь, содержащая переменный резистор и диод, между выходными выводами вторичного вентильного моста включены нагрузка и сглаживающий реактор, а выходные выводы трехфазного управляемого вентильного моста замкнуты накоротко.

3. Преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное по п.1, отличающийся тем, что содержит дополнительный трехфазный трансформатор, первичная обмотка которого соединена в звезду и подключена одними выводами и общей точкой других выводов соответственно к фазным и нулевому входным выводам.

4. Преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащий нулевой входной вывод, основной трехфазный управляемый вентильный мост, основную пару дополнительных вентилей, каждый полюс основного трехфазного управляемого вентильного моста соединен с крайним выводом обмотки соответствующего уравнительного реактора основной пары уравнительных реакторов, другой крайний вывод которой соединен с электродом основного дополнительного вентиля, при этом указанные дополнительные вентили и вентили указанного вентильного моста соединены с крайними выводами обмотки одного и того же уравнительного реактора одноименными электродами, между общей точкой свободных электродов указанных дополнительных вентилей и нулевым входным выводом образована первичная соединительная цепь с последовательно включенным с ней основным двухполюсником, а промежуточные выводы обмоток уравнительных реакторов образуют замкнутые накоротко выходные выводы упомянутого управляемого трехфазного выпрямительного моста, кроме того, преобразователь содержит трехфазный трансформатор, первичные фазные обмотки которого подключены одними выводами к входным выводам указанного трехфазного управляемого вентильного моста, а другими - к фазным входным выводам, вторичная обмотка трехфазного трансформатора соединена в звезду с нулевым выводом и подключена фазными выводами к входным выводам вторичного вентильного моста со свободным входным выводом, полюсами которого образованы его выходные выводы, а между упомянутыми свободным входным выводом и нулевым выводом вторичной обмотки трехфазного трансформатора образована вторичная соединительная цепь, отличающийся тем, что дополнительно содержит N-1 (где N=2,3,4,...) дополнительных управляемых трехфазных вентильных мостов, пар уравнительных реакторов, пар дополнительных вентилей и групп выводов первичной обмотки трехфазного трансформатора, при этом i-я из указанных N-1 групп выводов первичной обмотки трехфазного трансформатора от числа витков wi, отсчитываемых от фазных входных выводов, подключена к входным выводам i-го из N-1 дополнительных трехфазных управляемых вентильных мостов, каждый из которых соединен с соответствующими из N-1 парами уравнительных реакторов и дополнительных вентилей, аналогично соединению основного трехфазного управляемого вентильного моста с основными парами уравнительных реакторов и дополнительных вентилей, при этом к общим точкам свободных электродов дополнительных вентилей из N-1 пар подключены входные выводы N-1 дополнительных двухполюсников, общая точка выходных выводов которых подключена к выходному выводу основного двухполюсника, а входной вывод последнего - к общей точке основных дополнительных вентилей, каждый двухполюсник содержит пару встречно параллельно включенных вентилей, один из которых выполнен управляемым с одинаковым относительно нулевого входного вывода направлением подключения электродов, все подключенные к двухполюсникам дополнительные вентили выполнены в виде диодов, вторичная соединительная цепь выполнена короткозамкнутой, а первичная соединительная цепь содержит обмотку, соединенную в разомкнутый треугольник, число витков которой меньше числа витков наибольшего участка первичной обмотки трехфазного трансформатора между ее смежными группами выводов, при этом число витков от которых выполнен ее i-й отвод равно wi

а промежуточный вывод обмотки уравнительного реактора каждого моста делит ее число витков на части в отношении, равном

где wN - число витков первичной обмотки трехфазного трансформатора между ее крайними выводами, w1 - число витков обмотки уравнительного реактора между электродом дополнительного вентиля и промежуточным выводом, w2 - число витков обмотки уравнительного реактора между промежуточным выводом и полюсом управляемого вентильного моста, i=1,2,3,..., N - порядковый номер трехфазного управляемого вентильного моста, N - общее количество этих мостов, k=f(i)=2i-1,...,2N-1 - коэффициент соотношения чисел витков обмоток уравнительного реактора i-го моста, а также участков первичной обмотки трехфазного трансформатора между i-ми и фазными входными выводами.

5. Преобразователь трехфазного переменного напряжения по п.4, отличающийся тем, что согласно параллельно каждому управляемому вентилю двухполюсника между его анодом и управляющим электродом подключена последовательная цепь, содержащая переменный резистор и диод.

6. Преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное по п.4, отличающийся тем, что вентили вторичного вентильного моста, к которым подключены фазные выводы вторичной обмотки трехфазного трансформатора, выполнены управляемыми, согласно параллельно каждому из них между его входным и управляющим электродом подключена последовательная цепь, содержащая переменный резистор и диод, а между выходными выводами вторичного вентильного моста включены нагрузка и сглаживающий реактор.

7. Преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное по п.4, отличающийся тем, что содержит дополнительный трехфазный трансформатор, первичная обмотка которого соединена в звезду и подключена одними выводами и общей точкой других выводов соответственно к фазным и нулевому входным выводам.

Версия для печати


вверх