ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТРЕХФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ (ВАРИАНТЫ)
THREE-PHASE AC-TO-DC VOLTAGE TRANSDUCER (VERSIONS)

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для преобразования трехфазного переменного напряжения в постоянное, с купированием всех видов намагничивания трансформатора.
Все нижеприведенные аналоги являются аналогами для всех вариантов преобразователя.
Известен преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащий трехфазный трансформатор с первичной обмоткой, соединенной в звезду, и двумя трехфазными группами вторичных фазных обмоток, первая из которых соединена в звезду и подключена на одинарный зигзаг каждым свободным выводом к одноименному выводу смежной по фазе обмотки второй группы, вентили, подключенные к свободным выводам обмоток второй группы по лучевой схеме, общая точка одноименных электродов которых и нейтраль первой вторичной обмотки образуют выходные выводы (см. Г.А. Ривкин. Преобразовательные устройства. М., Энергия, 1970, стр. 92, рис. 4-21).
Недостатком этого преобразователя, который можно применять для трехфазного выпрямления по схеме звезда - одинарный зигзаг, является его непригодность для формирования при многопульсном выпрямлении результирующего напряжения с произвольным фазовым сдвигом, в том числе равным нулю относительно фазного напряжения соединенной в звезду первичной обмотки трансформатора.
Совокупность причин, препятствующих получению требуемого технического результата, заключается в том, что неравенство чисел витков между фазной обмоткой вторичной звезды и ветвью одинарного зигзага, для формирования результирующего напряжения с другим фазовым сдвигом, приводит к намагничиванию трансформатора постоянным магнитным потоком. Кроме того, магнитная система трансформатора становится неуравновешенной и по переменному магнитному потоку. При этом нулевой фазовый сдвиг результирующего напряжения относительно фазного напряжения первичной обмотки (звезды) не возможен в принципе, т.к. это исключает зигзаг.
Известен преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащий трехфазный трансформатор с первичной обмоткой, соединенной в звезду, и тремя трехфазными группами вторичных фазных обмоток, первая из которых соединена в звезду и подключена на двойной зигзаг каждым свободным выводом к одноименным выводам смежных по фазе обмоток других групп, вентили, подключенные к свободным выводам обмоток третьей группы по лучевой схеме, общая точка одноименных электродов которых и нейтраль первой вторичной обмотки образуют выходные выводы (см. Г.А. Ривкин. Преобразовательные устройства. М., Энергия, 1970, стр. 92, рис. 4-22).
Недостатком этого преобразователя, который можно применять для 6-пульсного выпрямления по схеме звезда - двойной зигзаг, является его непригодность для формирования при многопульсном выпрямлении результирующего напряжения с произвольным фазовым сдвигом, в том числе равным нулю относительно фазного напряжения соединенной в звезду первичной обмотки трансформатора.
Совокупность причин, препятствующих получению требуемого технического результата, заключается в том, что неравенство чисел витков между фазной обмоткой вторичной звезды и ветвью двойного зигзага, для формирования результирующего напряжения с другим фазовым сдвигом, приводит к намагничиванию трансформатора постоянным магнитным потоком. Кроме того, магнитная система трансформатора становится неуравновешенной и по переменному магнитному потоку. При этом нулевой фазовый сдвиг результирующего напряжения относительно фазного напряжения первичной обмотки (звезды) не возможен в принципе, т.к. это исключает зигзаг.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению (прототип) является преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащий трехфазный трансформатор с первичной обмоткой и тремя трехфазными группами вторичных фазных обмоток, первая из которых соединена в звезду и подключена промежуточным выводом каждой фазной обмотки на двойной зигзаг к одноименным выводам смежных по фазе обмоток второй и третьей групп, вентили, подключенные к свободным выводам вторичных обмоток по лучевой схеме, общая точка одноименных электродов которых и нейтраль первой упомянутой группы обмоток образуют выходные выводы (см. Б.М. Шляпошников. Игнитронные выпрямители. 1947, стр. 330, фиг. 238).
Недостатком этого преобразователя, обеспечивающего требуемое 9-пульсное однополупериодное выпрямление благодаря неравенству чисел витков каждой ветви двойного зигзага числу витков части фазной обмотки первой упомянутой группы, является намагничивание трансформатора постоянным магнитным потоком. Кроме того, магнитная система трансформатора не уравновешена по переменному магнитному потоку.
Совокупность причин, препятствующих получению требуемого технического результата, заключается в неравенстве чисел витков фазной обмотки вторичной звезды и ветви двойного зигзага. Это неравенство, хотя оно и является необходимым условием формирования на выходе преобразователя 9-пульсного напряжения, приводит к наличию всех видов намагничивания трансформатора. Кроме того, режим работы первой группы вторичных фазных обмоток - дополнительный фактор намагничивания.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, заключается в формировании нечетно-фазной (3-, 9-пульсной) системы результирующих напряжений с купированием всех видов намагничивания трехфазного трансформатора.
Эта задача в первом варианте решается тем, что в преобразователе трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащем трехфазный трансформатор с первичной обмоткой и тремя трехфазными группами вторичных фазных обмоток, первая из которых соединена в звезду и подключена на зигзаг каждым свободным выводом к одноименному выводу смежной по фазе обмотки второй группы, вентили, подключенные к выводам вторичных обмоток по лучевой схеме, вторая группа вторичных фазных обмоток подключена каждым свободным выводом к разноименному выводу фазной обмотки третьей группы, смежной по фазе относительно последовательно соединенных с ней фазных обмоток первой и второй группы, а общая точка одноименных электродов упомянутых вентилей, подключенных к свободным выводам фазных обмоток третьей группы, и общая точка одноименных выводов первой группы вторичных фазных обмоток образуют выходные выводы, при этом, сумма чисел витков обмоток второй и третьей группы равна числу витков обмоток первой группы.
Во втором варианте эта задача решается тем, что в преобразователе трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащем трехфазный трансформатор с первичной обмоткой и тремя трехфазными группами вторичных фазных обмоток, первая из которых соединена в звезду и подключена промежуточным выводом каждой фазной обмотки на двойной зигзаг к одноименным выводам смежных по фазе обмоток второй и третьей групп, вентили, подключенные к выводам вторичных обмоток по лучевой схеме, содержащем две дополнительные и четыре вспомогательные трехфазные группы вторичных фазных обмоток, каждый свободный вывод фазной обмотки второй и аналогично третьей группы соединен с одноименным выводом смежной по фазе обмотки вспомогательной группы, которая соединена каждым свободным выводом к разноименному с ним выводу фазной обмотки другой вспомогательной группы, смежной по фазе относительно последовательно соединенных с ней фазных обмоток, каждый свободный вывод фазной обмотки первой группы аналогично соединен с выводами фазных обмоток дополнительных групп, а общая точка одноименных электродов упомянутых вентилей, подключенных к свободным выводам фазных обмоток дополнительной и соответствующей из вспомогательных групп, и общая точка одноименных выводов первой группы вторичных фазных обмоток образуют выходные выводы, при этом число витков фазной обмотки первой группы равно 1,688·w, число витков фазной обмотки каждой дополнительной группы равно 0,844·w, число витков фазной обмотки каждой из второй и третьей групп равно 1,5862·w, число витков фазной обмотки каждой вспомогательной группы равно 0,2931·w, где w - число витков фазной обмотки первой группы между ее промежуточным выводом и общей точкой ее одноименных выводов.
В третьем варианте эта задача решается тем, что в преобразователе трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащем трехфазный трансформатор с первичной обмоткой и тремя трехфазными группами вторичных фазных обмоток, первая из которых соединена в звезду и подключена промежуточным выводом каждой фазной обмотки на двойной зигзаг к одноименным выводам смежных по фазе обмоток второй и третьей групп, вентили, подключенные к выводам вторичных обмоток по лучевой схеме, содержит две дополнительные и две вспомогательные трехфазные группы вторичных фазных обмоток, каждый свободный вывод фазной обмотки второй и аналогично третьей группы соединен с одноименным выводом той фазной обмотки вспомогательной группы, которая совместно с фазной обмоткой первой группы образует последовательную цепь из указанных обмоток трех разных фаз, каждый свободный вывод фазной обмотки первой группы аналогично соединен с выводами фазных обмоток дополнительных групп, а общая точка одноименных электродов упомянутых вентилей, подключенных к свободным выводам фазных обмоток дополнительной и вспомогательных групп, и общая точка одноименных выводов первой вторичной обмотки образуют выходные выводы, при этом число витков фазной обмотки первой группы равно 1,688·w, число витков фазной обмотки каждой дополнительной группы равно 0,844·w, число витков фазной обмотки каждой из второй и третьей групп равно 1,5862·w, число витков фазной обмотки каждой вспомогательной группы равно 0,2931·w, число витков фазной обмотки первой группы между ее промежуточным выводом и нейтралью равно 1,2931·w, где w - разность чисел витков фазной обмотки первой группы между ее промежуточным выводом и общей точкой одноименных выводов и фазной обмотки вспомогательной группы.
В четвертом варианте эта задача решается тем, что в преобразователе трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащем трехфазный трансформатор с первичной обмоткой и тремя трехфазными группами вторичных фазных обмоток, первая из которых соединена в звезду, например, с общим выводом от разноименных выводов каждой пары одноименных фазных обмоток первой и второй групп, вентили, подключенные к выводам вторичных обмоток, например, по лучевой схеме, содержащем две дополнительные и две вспомогательные трехфазные группы вторичных фазных обмоток, разноименные фазные обмотки второй и дополнительных групп, совместно с упомянутым вентилем, образуют три трехфазных последовательных разветвлений зигзагов, подключенных каждое одним крайним выводом к фазной обмотке первой группы, а другим - к первому выводу нагрузки, второй вывод которой соединен с общей точкой одноименных выводов первой группы обмоток, разноименные фазные обмотки третьей и вспомогательных групп образуют три трехфазных последовательных разветвлений зигзагов, подключенных каждое одним крайним выводом к первому выводу нагрузки, а другим - к одноименным электродам вентилей, другие электроды которых подключены к выводам фазных обмоток первой группы, разноименных с соединяемой фазной обмоткой третьей группы, при этом фазные обмотки первой, второй и вспомогательных групп включены встречно относительно фазных обмоток третьей и дополнительных групп, число витков фазной обмотки второй группы равно 0,688·w, число витков фазной обмотки каждой дополнительной группы равно 0,844·w, число витков фазной обмотки третьей группы равно 1,5862·w, число витков фазной обмотки каждой вспомогательной группы равно 0,2931·w, где w - число витков фазной обмотки первой группы.
В пятом варианте эта задача решается тем, что в преобразователе трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащем трехфазный трансформатор с первичной обмоткой и четырьмя трехфазными группами вторичных фазных обмоток, первая из которых соединена в звезду с общим выводом от разноименных выводов каждой пары одноименных фазных обмоток первой и второй групп и, например, подключена на зигзаг к одноименному выводу разноименной фазной обмотки третьей группы, вентили, подключенные к выводам вторичных обмоток по лучевой схеме, содержит одну дополнительную и четыре вспомогательные трехфазные группы вторичных фазных обмоток и промежуточный вывод в каждой фазной обмотке второй группы, подключенный на зигзаг к последовательной цепи, состоящей из упомянутого вентиля и разноименной обмотки дополнительной группы вторичных фазных обмоток, общий вывод которых подключен к первому выводу нагрузки, второй вывод которой соединен с общей точкой одноименных выводов первой группы обмоток, разноименные фазные обмотки третьей и двух вспомогательных групп, совместно с упомянутым вентилем, образуют три трехфазных последовательных разветвлений зигзагов, подключенных каждое одним крайним выводом к соответствующему упомянутому общему выводу фазных обмоток первой и второй групп, а другим - к первому выводу нагрузки, каждая пара одноименных фазных обмоток первой и второй групп с разноименными с ними фазными обмотками четвертой и двух вспомогательных групп совместно с упомянутым вентилем образуют трехфазное последовательное разветвление зигзага, подключенное свободным крайним выводом к первому выводу нагрузки, при этом фазные обмотки первой, второй и одной пары вспомогательных групп включены относительно соединенных с ними фазных обмоток третьей группы и относительно четвертой и другой пары вспомогательных групп встречно, а все зигзаги однонаправленные, число витков фазной обмотки второй группы между промежуточными выводами равно 1,8794·w, число витков фазной обмотки второй группы между промежуточным и крайним выводами равно 0,3949·w, число витков фазной обмотки дополнительной группы равно 2,8794·w, число витков фазной обмотки третьей группы равно 3,2743·w, число витков фазной обмотки каждой вспомогательной группы равно 1,13715·w, где w - число витков фазной обмотки первой, а также четвертой группы.
В шестом варианте эта задача решается тем, что в преобразователе трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащем трехфазный трансформатор с первичной обмоткой и четырьмя трехфазными группами вторичных фазных обмоток, первая из которых соединена в звезду с общим первым выводом от разноименных выводов каждой пары одноименных фазных обмоток первой и второй групп и, например, подключена на зигзаг к выводу разноименной фазной обмотки другой группы, вентили, подключенные к выводам вторичных обмоток по однополупериодной схеме, содержащем две вспомогательные трехфазные группы вторичных фазных обмоток и промежуточный второй вывод в каждой фазной обмотке второй группы, четвертая группа вторичных фазных обмоток соединена в звезду с общим первым выводом от разноименных выводов каждой пары одноименных фазных обмоток третьей и четвертой групп и в каждой фазной обмотке третьей группы содержит промежуточный второй вывод, вторые выводы разноименных фазных обмоток второй и третьей групп подключены друг к другу через упомянутый вентиль на зигзаг, одноименные фазные выводы двух разноименных фазных обмоток групп, нумерация которых однотипна по признаку четности, подключены друг к другу на зигзаг через последовательно соединенные упомянутый вентиль и разноименную с этими обмотками фазную обмотку вспомогательной группы, включенную встречно относительно наибольшей суммы чисел витков последовательно соединенных фазных обмоток групп с четной и нечетной нумерацией, все зигзаги однонаправленные, между общими точками одноименных выводов первой и четвертой групп обмоток включена нагрузка, число витков фазной обмотки первой, четвертой группы равно 2,13715·w, число витков фазной обмотки второй, третьей группы между промежуточными выводами равно 0,74225·w, число витков фазной обмотки второй группы между промежуточным и крайним выводами равно 0,3949·w, число витков фазной обмотки каждой вспомогательной группы равно 1,13715·w, где w - разность чисел витков фазных обмоток первой и вспомогательной групп.
В седьмом варианте эта задача решается тем, что в преобразователе трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащем трехфазный трансформатор с первичной обмоткой и двумя трехфазными группами вторичных фазных обмоток, первая из которых содержит промежуточный вывод в каждой фазной обмотке, вентили, подключенные к выводам вторичных обмоток, содержащем две вспомогательные трехфазные группы вторичных фазных обмоток, каждая фазная обмотка второй трехфазной группы подключена к крайнему выводу фазной обмотки первой трехфазной группы и образует с ней три согласно последовательно соединенные секции, крайние выводы одной группы крайних секций с одинаковым числом витков подключены к входным выводам трехфазного вентильного моста, к выходным выводам которого подключена нагрузка, каждый свободный крайний вывод другой группы крайних фазных секций соединен с одноименным выводом смежной по фазе обмотки первой вспомогательной группы, которая соединена свободным выводом с разноименным с ним выводом фазной обмотки второй вспомогательной группы, смежной по фазе относительно последовательно соединенных с ней других фазных обмоток трехфазного разветвления зигзага между входным выводом вентильного моста и свободным выводом фазной обмотки второй вспомогательной группы, который подключен к разноименным электродам выполненных управляемыми упомянутых вентилей, свободные электроды которых подключены к отсчитываемым от нулевых входных выводов вентильного моста первым выводам фазных секций двух других аналогичных трехфазных разветвлений зигзагов, между каждой парой вторых выводов фазных секций упомянутых разветвлений зигзагов включен выполненный управляемым упомянутый вентиль, причем полярность его подключения соответствует полярности подключения других управляемых вентилей, число витков смежной с первой второй секции равно 1,8794·w, число витков смежной со второй третьей секции равно 0,3949·w, число витков фазной обмотки каждой вспомогательной группы равно 1,13715·w, где w - число витков крайней секции фазной обмотки, подключенной к входным выводам вентильного моста.
Кроме того, в этом преобразователе встречно параллельно с каждым управляемым вентилем можно дополнительно подключить управляемый вентиль.
В восьмом варианте эта задача решается тем, что в преобразователе трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащем трехфазный трансформатор с первичной обмоткой и двумя трехфазными группами вторичных фазных обмоток, первая из которых содержит промежуточный вывод в каждой фазной обмотке, вентили, подключенные к выводам вторичных обмоток, содержащем две вспомогательные трехфазные группы вторичных фазных обмоток, каждая фазная обмотка второй трехфазной группы подключена к крайнему выводу фазной обмотки первой трехфазной группы и образует с ней три согласно последовательно соединенные секции, свободные крайние выводы первой группы крайних секций с одинаковым числом витков подключены к входным выводам трехфазного вентильного моста, к выходным выводам которого подключена нагрузка, одноименные фазные обмотки вспомогательных групп, каждая с последовательно соединенным с ней и выполненным управляемым упомянутым вентилем, подключены к выводам разноименных с ними фазных обмоток, один из которых упомянутый промежуточный вывод, а другой - свободный крайний вывод второй группы крайних секций, при этом указанные одноименные фазные обмотки включены каждая согласно последовательно относительно фазной обмотки первой крайней секции, между каждой парой смежных с промежуточными выводов разноименных средних фазных секций включен выполненный управляемым упомянутый вентиль, причем полярность его подключения соответствует полярности подключения других управляемых вентилей, число витков смежной с первой второй секции равно 0,74225·w, число витков смежной со второй третьей секции равно 0,3949·w, число витков фазной обмотки каждой вспомогательной группы равно 1,13715·w, число витков крайней секции фазной обмотки, подключенной к входным выводам вентильного моста, равно 2,13715·w, где w - разность чисел витков подключенной к входным выводам вентильного моста крайней секции фазной обмотки и фазной обмотки вспомогательной группы.
Кроме того, в этом преобразователе встречно параллельно с каждым управляемым вентилем можно дополнительно подключить управляемый вентиль.
T
T
T
T
Технический результат заключается в формировании нечетно-фазной системы результирующих напряжений с купированием всех видов намагничивания трехфазного трансформатора. Этот результат для первого варианта достижим независимо от изменения соотношения чисел витков между фазными обмотками внутренней и внешней ветвей предлагаемого двойного последовательного зигзага, при условии, что их сумма равна числу витков вторичных фазных обмоток, соединенных в звезду. Дополнительный технический результат, достигаемый в седьмом или восьмом варианте, заключается в уменьшении коэффициента превышения расчетной мощности трансформатора до величины соответственно k=1, 2342 или k=1, 2012, а также в уменьшении количества групп вторичных обмоток до пяти. Кроме того, отсутствие всех видов намагничивания трансформатора имеет место и в 18-пульсном выпрямителе, при k=1, 2135 или k=1, 1831 - модификации соответственно седьмого или восьмого варианта 9-пульсного выпрямителя с удвоенным количеством управляемых вентилей.
На фиг. 1 приведена принципиальная схема первого варианта преобразователя трехфазного переменного напряжения в 3-пульсное с вторичными обмотками трехфазного трансформатора, соединенными в двойной последовательный зигзаг; на фиг. 2, 3 и 4 - соответственно второго, третьего и четвертого варианта преобразователя трехфазного переменного напряжения в 9-пульсное с вторичными обмотками трансформатора, соединенными с использованием двойного последовательного зигзага; на фиг. 5 - одна из схемных разновидностей четвертого варианта преобразователя, иллюстрирующая возможность взаимного перемещения элементов схемы для изменения ее конфигурации; на фиг. 6, 7, 8 и 9 - соответственно пятого, шестого, седьмого и восьмого варианта преобразователя трехфазного переменного напряжения в 9-пульсное с вторичными обмотками трансформатора, соединенными с использованием двойного последовательного зигзага.
а
а
a
а
а
1
1
1
2
2
2
2
2
2
3
3
3
3
3
3
Преобразователь (фиг. 1) выполнен на трехфазном трансформаторе 1, первичная обмотка 2 которого соединена в звезду и подключена к фазным входным выводам A, В, С. Трансформатор 1 содержит три вторичные группы трехфазных обмоток 3, 4, 5, первая из которых 3 соединена в звезду с общей точкой начал. Концы фаз , b, c обмотки 3 подключены соответственно к концам фаз b, с,  обмотки 4. Начала фаз , b, с, обмотки 4 подключены соответственно к концам фаз b, с,  обмотки 5. Начала фаз , b, с обмотки 5 подключены к анодам вентилей соответственно 6, 7, 8. Между общей точкой катодов вентилей и нейтралью вторичной обмотки 3 включена нагрузка 9. Сумма чисел витков обмоток 4 и 5 равна числу витков обмотки 3.
2
3
1
1
1
2
3
Если число витков w обмотки 4 равно числу витков w обмотки 5, при заданном условии равенства суммы их чисел витков числу витков обмотки w, то вектор каждого из трех напряжений симметричной системы выпрямляемых напряжений совпадает по фазе с вектором напряжения одной из фаз обмотки 3, а амплитуда выпрямляемого напряжения равна 3/2 от амплитуды фазного напряжения обмотки 3. Поэтому для сохранения равенства амплитуд фазного напряжения обмотки 3 и выпрямляемого необходимо уменьшить на треть число витков w обмотки 3. В каждом интервале дискретности ток нагрузки 9 замыкается через одно из трехфазных разветвлений двойного последовательного зигзага, включающего три разноименные фазы обмоток 3, 4, 5 и один вентиль. Например, ток фазы a обмотки 3, ток фазы b обмотки 4, ток фазы с обмотки 5, вентиль 8, нагрузка 9, нейтраль обмотки 3. Соответственно на первичной стороне трансформатора полуволна тока замыкается через обмотку фазы A, затем в нейтрали разветвляется на две равные части, одна из которых замыкается через обмотку фазы B, а другая - через обмотку фазы С. Аналогичное разветвление полуволны первичного тока на другие пары фаз происходит в каждом интервале дискретности. Поэтому сумма ампер-витков первичных фазных обмоток в каждом интервале дискретности равна нулю. В течение периода выпрямленного напряжения сумма ампер-витков одноименных фаз вторичных обмоток 3,4, 5 также равна нулю, т.е. среднее значение магнитного потока в каждом стержне магнитопровода равно нулю. В результате отсутствуют как постоянная, так и переменная составляющие магнитного потока намагничивания трансформатора.
Изменение соотношения чисел витков обмоток 4 и 5, при постоянстве суммы их чисел витков относительно числа витков обмотки 3, сдвигает каждое выпрямляемое напряжение по фазе до 30 эл.град. в сторону опережения или отставания от соответствующего фазного напряжения обмотки 3 и к увеличению его амплитуды до в √3 раза большего значения. Теоретический предел этого изменения - правый или левый односторонний зигзаг. Промежуточное значение соотношения изменяет форму первичных токов (разные амплитуды ступеней разветвленной части первичного тока), но не приводит к появлению ни постоянного, ни переменного намагничивания трансформатора, т.к. сохраняется равенство нулю и среднего значения магнитного потока в каждом стержне магнитопровода и суммы его мгновенных значений в любой момент времени.
Вследствие изложенного оказывается возможным соединение первичной обмотки 2 трансформатора 1 в звезду без нулевого провода независимо от изменения в заданных пределах соотношения чисел витков обмоток 4 и 5.
а
a
а
а
а
a
а
a
a
а
a
а
a
a
a
a
а
1
1
1
2
2
2
2
2
2
3
3
3
3
3
3
1
1
4
4
7
7
1
4
7
5
5
5
4
4
4
5
5
5
6
6
6
6
6
6
8
8
8
7
7
7
8
8
8
9
9
9
9
9
9
1
4
7
2
3
5
6
8
9
Преобразователь (фиг. 2) выполнен на трехфазном трансформаторе 1, первичная обмотка 2 которого (на чертеже не показана) соединена в звезду и подключена к фазным входным выводам A, B, С. Концы фаз , b, c обмотки 3 подключены соответственно к концам фаз b, c,  обмотки 4. Начала фаз , b, c, обмотки 4 подключены соответственно к концам фаз b, с,  обмотки 5. Начала фаз , b, c обмотки 5 подключены к анодам вентилей соответственно 6, 7, 8. Между общей точкой катодов вентилей 6, 7, 8 и нейтралью вторичной обмотки 3 включена нагрузка 9. Промежуточный вывод фазы  (с) обмотки 3 подключен к концам разноименных фаз b, с (, b) обмотки 10 (11). Промежуточный вывод фазы b обмотки 3 подключен к концу  обмотки 10 и к концу c, обмотки 11. Начала фаз , b, c обмотки 12 соединены соответственно с началами фаз c, , b обмотки 10, а концы фаз , b, c обмотки 12 - соответственно с началами фаз b, с,  обмотки 13. Концы фаз а, b, с обмотки 13 подключены к анодам вентилей соответственно 14, 15, 16, катоды которых соединены с катодами вентилей 6, 7, 8. Начала фаз , b, c обмотки 17 соединены соответственно с началами фаз с, , b обмотки 11, а концы фаз , b, c обмотки 17 - соответственно с началами фаз b, c,  обмотки 18. Концы фаз , b, с обмотки 18 подключены к анодам вентилей соответственно 19, 20, 21, катоды которых соединены с катодами вентилей 6, 7, 8. Числа витков вторичных обмоток трансформатора 1 выбраны в следующем соотношении: w=1,688·w; w=w=1,5862·w; w=w=0,844·w; w=w=w=w=0,2931·w, где w - число витков фазной обмотки 3 между ее промежуточным выводом и нейтралью.
4
7
1
Для формирования 9-пульсного выпрямленного напряжения с очередностью включения вентилей 8, 15, 20, 6, 16, 21, 7, 19, 14 необходимо, чтобы наличие в схеме дополнительных (4 и 5) и вспомогательных (12, 13 и 17, 18) обмоток не оказало воздействия ни на амплитуду, ни на фазу выпрямляемых напряжений. Функция этих обмоток заключается, в том числе в устранении всех видов намагничивания трансформатора. Поэтому число витков каждой фазы обмотки 3 необходимо уменьшить на величину, равную росту напряжения за счет добавления обмоток 4 и 5, т.е. на треть от первоначального числа витков. Аналогично число витков каждой фазы обмотки 10 или 11 необходимо уменьшить на величину, равную росту напряжения за счет добавления обмоток соответственно 12, 13 или 17, 18, тоже на треть, но от разности первоначального числа витков обмоток 10 или 11 и числа витков фазной обмотки 3 между ее промежуточным выводом и нейтралью. Включение в расчеты указанной разности связано с тем, что именно она, при отсутствии обмоток 12, 13 и 17, 18, создает намагничивание трансформатора. Это является обоснованием вышеприведенных соотношений, с учетом того, что, при отсутствии обмоток 4, 5, 12, 13, 17, 18, числа витков вторичных обмоток определяются соотношениями w=w=2·cos20°·w и w-w=2·cos40°·w.
В процессе работы преобразователя, благодаря распределению токов по фазам дополнительными и вспомогательными обмотками, обеспечивается равенство нулю среднего значения магнитного потока в каждом стержне трансформатора, а также суммы магнитных потоков в трех стержнях магнитопровода в каждом интервале дискретности, т.е. отсутствие всех видов намагничивания. Это позволяет соединить первичную обмотку трансформатора 1 в звезду без нулевого провода.
а
а
а
а
a
a
а
a
a
a
а
a
а
a
1
1
1
2
2
2
2
2
2
3
3
3
3
3
3
1
1
4
4
7
7
1
4
7
5
4
5
6
6
4
4
6
6
8
8
7
7
8
8
9
7
9
1
4
7
2
3
5
6
8
9
Преобразователь (фиг. 3) выполнен на трехфазном трансформаторе 1, первичная обмотка 2 которого (на чертеже не показана) соединена в звезду и подключена к фазным входным выводам A, В, С. Концы фаз , b, c обмотки 3 подключены соответственно к концам фаз b, c,  обмотки 4. Начала фаз , b, c обмотки 4 подключены соответственно к концам фаз b, с,  обмотки 5. Начала фаз , b, c обмотки 5 подключены к анодам вентилей соответственно 6, 7, 8. Между общей точкой катодов вентилей 6, 7, 8 и нейтралью вторичной обмотки 3 включена нагрузка 9. Промежуточный вывод фазы  (с) обмотки 3 подключен к концам разноименных фаз b, c (, b) обмотки 10 (11). Промежуточный вывод фазы b обмотки 3 подключен к концу  обмотки 10 и к концу с обмотки 11. Начало фазы с обмотки 12 соединено с началом фазы b обмотки 10, а конец фазы с обмотки 12 - с анодом вентиля 14. Начала фаз b, c обмотки 13 соединены соответственно с началами фаз с,  обмотки 10, а концы фаз b, c обмотки 13 подключены к анодам вентилей соответственно 15, 16, катоды которых соединены с катодами вентилей 6, 7, 8. Начала фаз , b, обмотки 17 соединены соответственно с началами фаз с,  обмотки 11, а концы фаз , b обмотки 17 подключены к анодам вентилей соответственно 20, 21, катоды которых соединены с катодами вентилей 6, 7, 8. Начало фазы  обмотки 18 соединено с началом фазы b обмотки 11, а конец фазы  обмотки 18 подключен к аноду вентиля 19, катод которого соединен с катодами вентилей 20, 21. Числа витков вторичных обмоток трансформатора 1 выбраны в следующем соотношении: w=1,688·w; w=w=1,5862·w; w=w=0,844·w; w=w=w=w=0,2931·w, где w - разность чисел витков фазной обмотки 3 между ее промежуточным выводом и нейтралью w′′ и фазной обмотки вспомогательной группы. Следовательно, w′′=w+0,2931·w=1,2931·w.
a
а
1
4
5
6
Отличие преобразователя на фиг. 3 от преобразователя на фиг. 2 заключается в том, что в цепи каждого трехфазного разветвления зигзага между промежуточным выводом обмотки 3 и общей точкой катодов вентилей 14, 15, 16 или 19, 20, 21 отсутствует одна из фазных обмоток соответствующей вспомогательной группы. Например, в цепи трехфазного разветвления зигзага, включающей промежуточный вывод фазы  обмотки 3, фазу b обмотки 10, фазу c обмотки 12 и вентиль 14, отсутствует фаза  обмотки 13. Отсутствие этой обмотки восполняется увеличением на ту же величину числа витков обмотки 3 между промежуточным выводом и нейтралью. Такое совмещение функций обмоток не отражается на магнитной системе трансформатора - также отсутствуют все виды намагничивания. Число вспомогательных обмоток уменьшается вдвое, но их нагрузку берет на себя часть обмотки 3 между промежуточными выводами и нейтралью. Очередность включения вентилей та же, что и во втором преобразователе: 8, 15, 20, 6, 16, 21, 7, 19, 14.
a
a
а
а
а
a
a
a
a
a
a
а
1
1
1
2
2
2
2
2
2
3
3
3
3
3
3
1
1
1
4
4
4
5
5
5
4
4
4
5
5
5
6
6
6
6
6
6
1
4
2
3
5
6
Преобразователь (фиг. 4) выполнен на трехфазном трансформаторе 1, первичная обмотка 2 которого (на чертеже не показана) соединена в звезду и подключена к фазным входным выводам A, В, С. Концы фаз , b, c обмотки 3 подключены соответственно к концам фаз b, c,  обмотки 4. Начала фаз , b, с обмотки 4 подключены соответственно к концам фаз b, с,  обмотки 5. Начала фаз , b, c обмотки 5 подключены к анодам вентилей соответственно 6, 7, 8. Между общей точкой катодов вентилей 6, 7, 8 и нейтралью вторичной обмотки 3 включена нагрузка 9. Промежуточные выводы фаз , b, cобмотки 3 подключены к общей точке анодов вентилей соответственно 14 и 15, 16 и 20, 19 и 21. Концы фаз , b, cобмотки 10 подключены к общей точке катодов вентилей соответственно 16 и 21, 14 и 19, 15 и 20. Начала фаз , b, c обмотки 12 соединены соответственно с началами фаз c, , b обмотки 10, а концы фаз , b, c обмотки 12 - соответственно с началами фаз b, с,  обмотки 13. Концы фаз , b, c обмотки 13 соединены с катодами вентилей 6, 7, 8. Числа витков вторичных обмоток трансформатора 1 выбраны в следующем соотношении: w=1,688·w; w=1,5862·w; w=w=0,844·w; w=w=0,2931·w, где w - число витков фазной обмотки 3 между ее промежуточным выводом и нейтралью.
Отличие преобразователя на фиг. 4 от преобразователя на фиг. 2 заключается в отсутствии вторичной обмотки третьей группы 11 и вспомогательных обмоток 17, 18. Это сокращение обмоток достигается за счет перемещения вентилей 14, 15, 16 (19, 20, 21) относительно обмоток 13, 12, 10 (18, 17, 11) до соединения их анодов с промежуточными выводами обмотки 3 и совмещением дублирующих функций обмоток 11 и 10. Следствием этого является соединение вентилей 14, 15, 16 и 19, 20, 21 в кольцевую схему. Такое совмещение функций обмоток не отражается на магнитной системе трансформатора - также отсутствуют все виды намагничивания. Число обмоток с числом витков 1,5862·w и 0,2931·w уменьшается вдвое, а их угол проводимости увеличивается вдвое. Это уменьшает в √2 раз расчетную мощность обмоток с указанным числом витков. Режим работы обмотки 3 не изменяется. Очередность включения вентилей та же, что и в предыдущих преобразователях: 8, 15, 20, 6, 16, 21, 7, 19, 14.
a
a
0
0
0
1
1
1
1
Отличие приведенной на фиг. 5 схемной разновидности четвертого варианта преобразователя от преобразователя на фиг. 4 заключается только в изменении ее конфигурации, учитывающей возможность перемещения относительно обмоток 4, 5 и части обмотки 3 вентилей 6, 7, 8 до подключения их анодов к концам фаз , b, cпервой части обмотки 3 между ее промежуточными выводами и нейтралью, а катодов - к началам фаз , b, c второй части обмотки 3 между ее промежуточными и крайними выводами, с числом витков соответственно w и w-w, образованных в результате рассечки обмотки 3 на участке размещения ее промежуточных выводов. Такое перемещение вентилей позволяет создать на трансформаторе 1 шестифазное соединение второй части обмотки 3 и обмотки 10, образующих с обмотками соответственно 4, 5 и 12, 13 двойной последовательный зигзаг. Это достигается взаимным перемещением обмоток 4, 5 и второй части обмотки 3 (второй группы вторичных фазных обмоток) в одном из трехфазных разветвлений зигзага и обмоток 10 и 12, 13 в другом (на чертеже не показано). Режим работы обеих частей обмотки 3 не изменяется. Отсутствуют все виды намагничивания трансформатора.
а
а
а
а
а
а
а
а
а
а
а
а
a
а
а
а
1
1
1
2
2
2
3
3
3
2
2
2
4
4
4
1
1
1
5
5
5
6
6
6
6
6
6
7
7
7
7
7
7
3
3
3
8
8
8
9
9
9
10
10
10
10
10
10
2
3
4
5
6
8
9
7
1
10
2
3
4
1
2
7
1
2
3
Преобразователь (фиг. 6) выполнен на трехфазном трансформаторе 1, первичная обмотка 2 которого (на чертеже не показана) соединена в звезду и подключена к фазным входным выводам A, В, С. Концы фаз , b, c обмотки 3 подключены соответственно к началам фаз , b, c обмотки 4. Концы фаз обмотки 4 подключены соответственно к началам фаз , b, c обмотки 5. Промежуточные выводы , b, c между обмотками 4 и 5 соответственно подключены к концам фаз b, c,  обмотки 6, к началам которой подключены аноды вентилей 7, 8, 9. Между общей точкой катодов вентилей 7, 8, 9 и нейтралью вторичной обмотки 3 включена нагрузка 10. Промежуточные выводы , b, c между обмотками 3 и 4 соответственно подключены к началам фаз , b, c обмотки 11, концы которой подключены к началам фаз b, c,  обмотки 12. Концы фаз , b, c обмотки 12 соответственно подключены к концам b, с,  обмотки 13, к началам , b, c которой подключены аноды вентилей 14, 15, 16, катоды которых соединены с катодами вентилей 7, 8, 9. Концы фаз , b, c обмотки 5 соответственно подключены к концам фаз b, , c обмотки 17, начала которой подключены к концам фаз b,  с обмотки 18, начала которой подключены к концам фаз , b, c обмотки 19, к началам , b, c которой подключены аноды вентилей 20, 21, 22, катоды которых соединены с катодами вентилей 7, 8, 9. Числа витков вторичных обмоток трансформатора 1 выбраны в следующем соотношении: w=1,8794·w; w=0,3949·w; w=2,8794·w; w=w=w=w=1,13715·w; w=3,2743·w, где w=w=w - число витков обмотки 3 и 10. Обоснованием этих соотношений является то, что при отсутствии обмоток 11, 12 и 17, 18, числа витков вторичных обмоток определяются соотношениями w=2·cos20°·w; w=2·cos40°·w; w=w+w; w=w+w+w.
Отличие этого 9-пульсного преобразователя (и всех других на фиг. 7 - фиг. 9) от преобразователей на фиг. 2 - фиг. 5 в том, что его система выпрямляемых напряжений отстает по фазе на 10 эл.град. Это позволяет уменьшить с 9 до 6 число тактов работы вентильных обмоток, для которых требуется компенсация намагничивающих потоков трансформатора, т.к. работу вентилей 7, 8, 9 на фиг. 6 не сопровождают намагничивающие потоки. Вспомогательные обмотки 11, 12 и 17, 18 обеспечивают компенсацию потоков намагничивания при работе вентилей соответственно 14, 15, 16 и 20, 21, 22. Очередность включения вентилей в этом преобразователе: 8, 22, 16, 9, 20, 14, 7, 21, 15.
Преобразователь (фиг. 7) выполнен на трехфазном трансформаторе 1, первичная обмотка 2 которого (на чертеже не показана) соединена в звезду и подключена к фазным входным выводам A, В, С.
а
а
а
а
a
а
а
а
a
а
а
а
1
1
1
5
2
2
2
3
3
3
2
2
2
4
4
4
18
4
7
10
10
10
4
4
4
1
1
1
6
6
6
7
7
7
3
3
3
8
8
8
10
10
10
2
4
18
3
7
4
2
3
4
5
8
7
Концы фаз , b, c обмотки 3 с числом витков w+w=w′′ соответственно подключены к началам фаз , b, c обмотки 4. Концы фаз обмотки 4 соответственно подключены к началам фаз , b, c обмотки 5. Промежуточные выводы , b, c между обмотками 4 и 5 соответственно подключены к анодам вентилей 8, 9, 7, катоды которых соединены с концами фаз b, с,  обмотки 6. Между общими точками начал обмоток 3 и 19 включена нагрузка 10. Число витков обмотки 19 с числом витков w+w=w′′ составляет часть числа витков обмотки 6 с числом витков w, которая, в свою очередь, составляет часть числа витков обмотки 13 с числом витков w. Поэтому концы фаз , b, c обмотки 19 - это первая группа промежуточных выводов, отсчитываемых от общей точки начал этих обмоток, а концы фаз , b, c - вторая. Промежуточные выводы , b, c между обмотками 3 и 4 соответственно подключены к началам фаз b, с,  обмотки 12, концы которых подключены к анодам вентилей 16, 14, 15, катоды которых соединены с концами фаз с, а, b обмотки 13. Концы фаз , b, c обмотки 5 подключены соответственно к концам фаз b, c,  обмотки 17, начала которых подключены к анодам вентилей 22, 20, 21, катоды которых соединены с концами фаз , b, c обмотки 19. Число витков w обмотки 4 равно разности чисел витков w и w+w обмоток 13 и 6. Число витков w обмотки 5 равно разности чисел витков w и w обмоток 13 и 6. Таким образом, две вторичные обмотки трансформатора 1, каждая с двумя промежуточными выводами, идентичны друг другу. Числа витков этих вторичных обмоток выбраны в следующем соотношении: w=0,74225·w; w=0,3949·w; w=2,8794·w; w=w=1,13715·w; w=3,2743·w, где w - разность чисел витков фазной обмотки 3 между ее промежуточным выводом и нейтралью w′′ и фазной обмотки вспомогательной группы. Следовательно, w′′=w+1,13715·w=2,13715·w.
Отличие преобразователя на фиг. 7 от преобразователя на фиг. 6 заключается в отсутствии обмоток 11 и 18, функции которых совмещены в обмотках соответственно 3 и 19, путем увеличения, при постоянстве суммы, их числа витков. Кроме того, обмотки 6 и 19 совмещены с обмоткой 13 на фиг. 6, число витков которой равно сумме чисел витков обмоток 3, 4, 5. При этом использована возможность перемещения вентилей 14, 15, 16 относительно обмотки 13 и вентилей 20, 21, 22 относительно обмотки 19. В результате обмотка 13 обрела два промежуточных вывода на уровне чисел витков обмоток 19 и 6. Такое совмещение функций обмоток не отражается на магнитной системе трансформатора - так же отсутствуют все виды намагничивания. Число вспомогательных обмоток уменьшается вдвое, отсутствует дополнительная обмотка 6, а их нагрузку берут на себя части обмотки 13 между соответствующими промежуточными выводами и нейтралью. Очередность включения вентилей в этом преобразователе: 8, 22, 16, 9, 20, 14, 7, 21, 15.
а
а
а
а
а
a
a
а
а
1
1
1
1
2
2
2
2
3
3
3
3
0
0
0
3
3
3
4
4
4
5
5
5
5
5
5
1
1
1
2
3
4
5
1
Преобразователь (фиг. 8) выполнен на трехфазном трансформаторе 1, первичная обмотка 2 которого (на чертеже не показана) соединена в звезду и подключена к фазным входным выводам A, В, С. Концы фаз , b, c обмотки 3 с числом витков w=w подключены соответственно к началам фаз , b, c обмотки 4. Концы фаз обмотки 4 с числом витков w подключены соответственно к началам фаз , b, c обмотки 5 с числом витков w. Начала фаз , b, c обмотки 3 подключены к входным выводам трехфазного моста на диодах 23-28, к выходу которого подключена нагрузка 10. Концы фаз , b, c обмотки 5 подключены соответственно к концам фаз b, c,  обмотки 12, начала которых соединены с концами фаз с, , b обмотки 13. Начала фаз , b, c обмотки 13 подключены соответственно к анодам управляемых вентилей 20, 21 и 22 и к катодам управляемых вентилей 15, 16 и 14. Общие точки разноименных свободных электродов управляемых вентилей 20 и 16, 21 и 14, 22 и 15 подключены соответственно к концам фаз , b, c обмотки 3. Числа витков вторичных обмоток трансформатора 1 выбраны в следующем соотношении: w=1,8794·w; w=0,3949·w; w=w=1,13715·w, где w=w - число витков обмотки 3.
а
0
0
0
Отличие преобразователя на фиг. 8 от преобразователя на фиг. 7 заключается, прежде всего, в отсутствии тех участков вторичной обмотки 13, функции которых совмещены в идентичных с ними обмотках 3, 4, 5, и замене диодов, соединяющих фазные обмотки через вентили на зигзаг, на тиристоры. Другое отличие заключается в выборе соотношения чисел витков обмоток 3 и 4 таким же, как в преобразователе на фиг. 6, в соответствии с которым определяется конфигурация вспомогательных обмоток 12 и 13, совмещающих в себе, вследствие двухполупериодного режима работы, функции обмоток 17 и 18 на фиг. 6. Эти отличия реализуются путем размыкания нейтрали обмотки 3 и подключения к образовавшимся выводам , b, c обмотки 3 входных выводов трехфазного моста на диодах 23-28. В результате все вторичные обмотки переходят с однополупериодного режима работы на двухполупериодный. Замена диодов на тиристоры необходима для предотвращения короткого замыкания между обмотками, например, по цепи, включающей вентили 8 и 20. Очередность включения тиристоров в этом преобразователе: 8, 22, 16, 9, 20, 14, 7, 21, 15.
Работа тиристоров с углом отпирания, не превышающим естественный, может обеспечить максимально возможный коэффициент мощности этого преобразователя при заданной периодичности выпрямления. Для этого согласно параллельно каждому тиристору между его анодом и управляющим электродом можно подключить последовательную цепь, содержащую переменный резистор и диод. Величина сопротивления резистора выбирается из такого расчета, чтобы ток, замыкающийся через управляющий электрод тиристора, был достаточен для его отпирания (Эта возможность на примере управления электроприводом переменного тока представлена на рис. 2, стр. 92, издания «Руководство по методике предварительной и государственной научно-технической экспертизы изобретений», ВНИИПИ, Москва, 1985 г.).
Дополнительное подключение тиристоров встречно параллельно к основным тиристорам переводит преобразователь в 18-пульсный режим работы, в котором, также как и в 9-пульсном режиме, отсутствуют все виды намагничивания трансформатора.
а
а
а
а
а
a
а
a
а
1
1
1
1
2
2
3
2
3
3
3
3
0
0
0
3
3
3
4
4
4
1
1
1
5
5
5
3
3
3
2
3
4
5
1
Преобразователь (фиг. 9) выполнен на трехфазном трансформаторе 1, первичная обмотка 2 которого (на чертеже не показана) соединена в звезду и подключена к фазным входным выводам A, В, С. Концы фаз , b, c обмотки 3 с числом витков w=w подключены соответственно к началам фаз , b, c обмотки 4. Концы фаз обмотки 4 с числом витков w подключены соответственно к началам фаз , b, c обмотки 5 с числом витков w. Начала фаз , b, c обмотки 3 подключены к входным выводам трехфазного моста на диодах 23-28, к выходу которого подключена нагрузка 10. Концы фаз , b, c обмотки 5 соответственно подключены к концам фаз b, с,  обмотки 12, начала которых подключены к анодам управляемых вентилей 22, 20 и 21. Концы фаз , b, c обмотки 3 соответственно подключены к началам фаз b, c, , обмотки 13, концы которых подключены к анодам управляемых вентилей 16, 14, 15, катоды которых соединены с концами фаз с, , b обмотки 5. Числа витков вторичных обмоток трансформатора 1 выбраны в следующем соотношении: w=0,74225·w; w=0,3949·w; w=w=1,13715·w, где w=w - число витков обмотки 3.
а
а
0
0
0
2
2
2
2
2
Отличие преобразователя на фиг. 9 от преобразователя на фиг. 8 заключается в замещении группой вспомогательных фазных обмоток части витков одноименных фазных обмоток между началами , b, c обмотки 3 и промежуточными выводами , b, c. За счет этого уменьшается число витков обмотки 4 от w=1,8794·w до w=0,74225·w, а число витков обмотки w увеличивается до w′′=w+1,13715·w=2,13715·w, т.е. на величину числа витков вспомогательной обмотки (как на фиг. 7). Обмотки 3, 4, 5 (12, 13) работают в двухполупериодном (однополупериодном) режиме. Очередность включения тиристоров в этом преобразователе: 8, 22, 16, 9, 20, 14, 7, 21, 15.
Аналогично преобразователю на фиг. 8, согласно параллельно каждому тиристору между его анодом и управляющим электродом можно подключить последовательную цепь, содержащую переменный резистор и диод.
Дополнительное подключение тиристоров встречно параллельно к основным тиристорам переводит преобразователь в 18-пульсный режим работы, в котором, также как и в 9-пульсном режиме, отсутствуют все виды намагничивания трансформатора.