ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТРЕХФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ
THREE-PHASE AC VOLTAGE CONVERTER INTO THE DC VOLTAGE

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для преобразования трехфазного переменного напряжения в постоянное с повышенным коэффициентом мощности и рекуперацией энергии.
Известен преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное (по основному авт. свидетельству №752681, СССР, кл. Н02М 7/12 от 04.02.1976), содержащий основной трехфазный трансформатор, первичные обмотки которого совместно с последовательно 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 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 12-пульсного выпрямителя, в который (по дополнительному авт. свидетельству №860238, СССР, кл. Н02М 7/12 от 02.08.1979) введен дополнительный трехфазный трансформатор, первичные обмотки которого соединены в «звезду», общая точка которой соединена с нулевым входным выводом, с возможностью соединения дополнительной обмотки в «треугольник».
Тиристоры на первичной стороне этого преобразователя обеспечивают 12-пульсное регулирование 12-пульсного выпрямленного напряжения, при соотношении 1:(√3-1) чисел витков вторичных обмоток основного трансформатора. Однако повышенная величина несинусоидальности формы первичного тока преобразователя существенно снижает его энергетические показатели.
Недостатком этого преобразователя с магнитно неуравновешенным основным трансформатором является сложность, обусловленная наличием тиристоров на первичной стороне и низкие энергетические показатели. Кроме того, наличие соединенной в «треугольник» дополнительной обмотки дополнительного трехфазного трансформатора малоэффективно отражается на качестве преобразования.
Совокупность причин, препятствующих получению требуемого технического результата, заключается в наличии тиристоров на первичной стороне, а также повышенная величина несинусоидальности формы первичного тока.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению (прототип) является преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащий трехфазный трансформатор с первичной обмоткой и тремя группами вторичных фазных обмоток, соединенных каждая в «звезду», вывод каждой фазной обмотки первой из которых подключен к одноименным электродам первых вентилей, другие электроды которых подключены к одноименным с ним выводам разноименных фазных обмоток второй группы и разноименному с ним выводу одноименной фазной обмотки третьей группы, общая точка обмотки второй группы подключена к первому крайнему выводу двух идентичных встречно последовательно соединенных одноименных фазных обмоток четвертой группы, фазные выводы обмоток второй и третьей групп подключены к одноименным электродам вторых вентилей, общая точка которых образует первый полюс, а фазные выводы обмоток первой группы подключены к одноименным электродам третьих вентилей, общая точка которых образует второй полюс, причем число витков фазной обмотки второй группы равно 1,8794⋅w, а число витков фазной обмотки третьей группы - 1,5321⋅w, где w - число витков фазной обмотки первой группы, второй крайний вывод обмоток четвертой группы подключен к общей точке обмотки третьей группы, число витков каждой фазной обмотки четвертой группы равно частному от деления на два разности чисел витков обмоток второй и третьей групп, а первичная обмотка соединена в «треугольник» (заявка на изобретение №2016119947 от 23.05.2016, опубликованная 20.09.2016, Бюл. №26).
Недостатком этого 18-пульсного преобразователя с магнитно неуравновешенным трансформатором является низкий коэффициент мощности, обусловленный соединением его первичной обмотки в «треугольник», при котором имеет место повышенная разность между действующими значениями линейного тока и его первой гармоники.
Совокупность причин, препятствующих получению требуемого технического результата, заключается в том, что при соединении первичной обмотки трансформатора в «треугольник» отсутствует возможность дальнейшего повышения коэффициента мощности, при ее соединении в «звезду» (без выведенного нуля) трансформатор и окружающую среду пронизывает магнитный поток тройной частоты, а при соединении в «звезду» с выведенным нулем происходит загрязнение сети током нулевой последовательности. Что касается возможности включения тиристоров на первичной стороне, то оно не совместимо с режимом 18-пульсного выпрямления.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, заключается в повышении коэффициента мощности (за счет коэффициента искажения) преобразователя с магнитно неуравновешенным трансформатором без соединения его первичной обмотки в «треугольник», а также без тиристоров на первичной стороне.
Эта задача решается тем, что в преобразователе трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащем основной магнитно неуравновешенный трансформатор, например, с тремя первичными фазными обмотками, подключенными первой группой одноименных выводов к фазным входным выводам, с тремя вторичными обмотками с неравными числами витков, соединенными каждая в «звезду», двумя встречно включенными фазными обмотками на одном из его стержней, число витков каждой из которых равно частному от деления на два разности чисел витков обмоток второй и третьей «звезд», а одноименные выводы подключены к разноименным общим точкам второй и третьей «звезд», вентили, соединяющие последовательно первую «звезду» с каждой из двух других «звезд», причем вывод каждой фазной обмотки первой «звезды» подключен к одноименным электродам трех вентилей, свободные электроды которых подключены к выводам разноименных фазных обмоток второй «звезды» и к выводу одноименной фазной обмотки третьей «звезды», выходные выводы между общими точками электродов других вентилей, объединенных в две разноименные группы, к соответствующим электродам одной из которых подключены выводы первой «звезды», а к другой - второй и третьей «звезд», содержит дополнительный трехфазный трансформатор, обмотка которого соединена в «звезду» и подключена одной группой одноименных выводов к фазным входным выводам, а общей точкой других выводов непосредственно ко второй группе одноименных выводов первичных фазных обмоток основного трансформатора.
Технический результат заключается в возможности повышения коэффициента мощности за счет нейтрализации кратных трем нечетных высших гармоник потребляемого тока и уменьшения разности между действующими значениями линейного тока и его первой гармоникой, а также рекуперации энергии за счет ее части, циркулирующей между основным и дополнительным трансформаторами без подключения тиристоров на первичной стороне.
На чертеже, в качестве одного из возможных примеров преобразователя с магнитно неуравновешенным трансформатором, приведена принципиальная схема преобразователя трехфазного переменного напряжения в постоянное 18-пульсное напряжение.
1
4
1
1
1
2
2
2
3
3
3
4
4
1
1
1
2
2
2
3
3
3
а
a
а
а
а
а
Преобразователь содержит вентили 1-9 и выполнен на трехфазном трансформаторе 10, первичная обмотка 11 которого соединена в «звезду» и подключена к фазным входным выводам А, В, С. Трансформатор 10 содержит три трехфазные группы обмоток 12, 13, 14, первая из которых 12 с числом витков w=w соединена в «звезду» с общей точкой начал, вторая из которых 13 с числом витков 1,8794⋅w также соединена в «звезду» с общей точкой начал, третья из которых 14 с числом витков 1,5321⋅w соединена в «звезду» с общей точкой концов. Трансформатор 10 содержит четвертую группу из двух встречно последовательно соединенных фазных обмоток 15, 16, с числом витков w каждой, равной частному от деления на два разности чисел витков обмоток второй и третьей групп, т.е. 0,1736⋅w. Выходные выводы преобразователя 17 и 18 соответственно подключены к общей точке анодов вентилей 19, 20, 21 и к общей точке катодов вентилей 22-27. Концы фаз , b и с обмотки 12 подключены соответственно к анодам вентилей 1, 2, 9; 3, 4, 5 и 6, 7, 8. Общие точки катодов вентилей 5, 6; 8, 9 и 2, 3 подключены соответственно к концам фаз , b, c обмотки 13, а катоды вентилей 1, 4, 7 - к началам фаз , b, с обмотки 14. Общая точка начал обмотки 13 соединена с началом фазной обмотки 15 с числом витков w, конец которой соединен с концом фазной обмотки 16 с тем же числом витков w, начало которой соединено с общей точкой концов обмотки 14. Концы фаз , b, c обмотки 12 подключены к катодам вентилей 19, 20, 21. Концы фаз , b, с обмотки 13 подключены соответственно к анодам вентилей 24, 23, 22. Начала фаз , b, с подключены соответственно к анодам вентилей 25, 26, 27. Преобразователь содержит дополнительный трехфазный трансформатор 28, обмотка 29 которого подключена концами к фазным входным выводам А, В, С, а общей точкой начал - к общей точке начал обмотки 11 трехфазного трансформатора 10.
Шесть из 18-и векторов выпрямляемых напряжений формируются суммой совпадающих по фазе пар линейных напряжений обмоток первой (12) и второй (13) групп. Эти 6 векторов формируют первую симметричную 6-пульсную систему выпрямляемых напряжений. Остальные 12 из 18-и векторов выпрямляемых напряжений формируются суммой линейного напряжения обмотки первой (12) группы и напряжений одноименных фаз обмоток второй (13) и третьей (14) групп, совпадающих по фазе с одним из двух суммируемых напряжений упомянутого линейного напряжения. Эти 12 векторов размещаются на топографической векторной диаграмме попарно между каждой парой смежных векторов 6-пульсной системы и формируют вторую несимметричную 12-пульсную систему выпрямляемых напряжений. В результате функционирования этих двух систем формируется результирующая 18-пульсная система выпрямляемых напряжений.
2
3
Однако число витков обмоток в цепи тока второй системы меньше числа витков обмоток в цепи тока первой системы на величину w-w=2⋅cos20°⋅w-2⋅cos40°⋅w=1,8794⋅w-1,5321⋅w=0,3473⋅w. Для устранения образующейся вследствие этого в форме выпрямленного напряжения низкочастотной составляющей (300 Гц) необходимо уравнять реактансы в цепях этих двух систем путем уравнивания чисел витков обмоток, участвующих в замыкании токов в этих цепях. Но уравнивание реактансов не должно оказать влияние на величину или/и фазу ни одного из выпрямляемых напряжений. Поэтому между общими точками обмоток 13 и 14 включены встречно последовательно на одном из стержней трансформатора 10 две идентичные обмотки 15 и 16, сумма чисел витков которых равна 0,3473⋅w. В результате сумма напряжений этих обмоток равна нулю, а их реактанс компенсирует недостающую величину реактанса в цепи тока второй системы выпрямляемых напряжений. Таким образом, результирующая 18-пульсная система выпрямляемых напряжений становится симметричной.
Согласно расчетам предлагаемое решение незначительно увеличивает коэффициент превышения расчетной мощности трансформатора с 1,137 до 1,172, т.е. всего на 3%.
1
2
3
2
3
Однако на практике такой результат может быть получен только при повышенных значениях коэффициента трансформации, т.к. минимально точные целые числа витков вторичных обмоток w, w и w трансформатора 10 равны 4, 7 и 6. Для получения четной разности w-w эти числа витков необходимо удвоить.
В процессе работы преобразователя ток нулевой последовательности магнитно неуравновешенного трехфазного трансформатора 10 циркулирует с тройной частотой между общими точками обмоток 11 и 29. Для положительного полупериода этого тока направление показано стрелками на чертеже. Для отрицательного полупериода этого тока его направление взаимообратное. Линейный ток сети, определяемый геометрической разностью фазных токов обмоток 11 и 29, уменьшается. Отношение линейного тока в случае с дополнительным трансформатором к линейному току первичной обмотки в случае соединения ее в «треугольник» равно ~42,3%. Во столько же раз меньше и необходимая для работы преобразователя мощность питающей сети. В предлагаемом техническом решении и прототипе коэффициент мощности (коэффициент искажения) достигает одинаково высокого значения 0,99. Ток нулевой последовательности в линейном токе сети отсутствует.