ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
ALTERNATING VOLTAGE CONVERTER (VERSIONS)

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в первом варианте для преобразования однофазного переменного напряжения в переменное или/и постоянное, с опережающим углом отсечки регулируемого напряжения естественно коммутируемыми тиристорами с первичной стороны трансформатора, выполненного на двух витых ленточных магнитопроводах кольцевидной формы, а во втором варианте для преобразования трехфазного переменного напряжения в постоянное, также на двух магнитопроводах, но произвольного исполнения с двумя или четырьмя равномерно нагружаемыми выпрямляющими диодами при регулировании напряжения тиристорами с отстающим углом отсечки с первичной стороны трансформатора.
В настоящее время среди преобразователей переменного напряжения не существует устройства с возможностью получения опережающего угла отсечки преобразуемого напряжения естественно коммутируемыми тиристорами, т.е. получения такого режима коммутации, когда ток с тиристора, заканчивающего свою работу, переходит на очередной тиристор до наступления момента естественной коммутации. В частном случае преобразования однофазного переменного напряжения не существует устройства, в котором ток нагрузки проводящего тиристора естественным образом прерывается в неразомкнутой цепи до отключения на нем прямого напряжения.
Совокупность причин, препятствующих получению требуемого технического результата, заключается в том, что до наступления момента естественной коммутации напряжение на тиристоре, заканчивающем свою работу, превосходит напряжение на тиристоре, вступающем в работу. Соответственно в случае однофазного преобразования спад тока нагрузки проводящего тиристора до нуля не может произойти естественным образом до отключения или перехода через нуль прямого напряжения на тиристоре.
Известен преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное (аналог второго варианта), содержащий два однофазных трансформатора с вторичными обмотками, подключенными к входам однофазных выпрямителей, выходы которых соединены параллельно, образуя выпрямитель с числом вентилей, кратным четырем, с двумя первичными фазными обмотками, подключенными промежуточными выводами, делящими витки каждой из них на равные части, к выводам первой пары встречно-параллельно включенных управляемых вентилей, одной парой разноименных крайних выводов обеих обмоток - к разноименным фазным входным выводам, а другой парой разноименных крайних выводов - к выводам второй и третьей пар встречно-параллельно включенных управляемых вентилей, свободные выводы которых подключены к свободному фазному входному выводу (см. А.с. №1457124, Кл. Н02М, 7/17, от 01.06.87).
Недостатком трехфазного преобразователя является необходимость промежуточного вывода в каждой первичной обмотке, делящего ее на равные части для равномерного распределения нагрузки между диодами и трансформаторами. Наличие указанных промежуточных выводов приводит к формированию неравных углов коммутации при переключениях между тиристорами, подключенными к промежуточным и крайним выводам первичных фазных обмоток, а возможная замена промежуточных выводов крайними для подключения той же пары тиристоров создает неравные углы проводимости диодов.
Совокупность причин, препятствующих получению требуемого технического результата, заключается в неравных условиях проводимости тиристоров, подключенных к разнотипным выводам, и, как следствие, в неравных токах диодов в двух из шести интервалов дискретности, проявляющихся в виде биений в форме выпрямленного напряжения.
Наиболее близким техническим решением (прототип - аналог обоих вариантов) является преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий два однофазных трансформатора с первичными и вторичными обмотками, например секционированными, подключенными каждая первичная одним выводом к первой общей точке основных встречно-параллельно включенных управляемых вентилей, вторая общая точка которых соединена с фазным входным выводом, а свободным выводом - непосредственно к входному выводу смежной фазы, дополнительными встречно-параллельно включенными управляемыми вентилями, подключенными первой общей точкой к крайнему выводу одной первичной обмотки, две вторичные обмотки, одна пара разноименных выводов которых образует общий вывод, а другая подключена к одноименным электродам диодов, соединенных другой парой электродов с первым выходным выводом, второй выходной вывод, в любой полости, образованной вторичной обмоткой, размещен один стержень с первичной обмоткой каждого трансформатора, вторая общая точка дополнительных управляемых вентилей подключена к соответствующему выводу цепи, содержащей совместно с парой основных управляемых вентилей другую первичную обмотку, и замыкает последовательную цепь, состоящую из всех управляемых вентилей и одной из первичных обмоток, а общий вывод вторичных обмоток подключен ко второму выходному выводу (см. патент №2358379, Кл. Н02М, 7/155, от 08.05.2008).
Недостатком трехфазного преобразователя является препятствующее унификации магнитопроводов, неодинаковое распределение нагрузки между первичными обмотками.
Кроме того, недостатком этого преобразователя в случае однофазного режима работы является невозможность получения опережающего угла отсечки преобразуемого напряжения естественно коммутируемыми тиристорами.
Совокупность причин, препятствующих получению требуемого технического результата, заключается в том, что угол проводимости одной из первичных обмоток равен 240 эл.град., а другой - 120 эл.град., т.е. вдвое меньше. Кроме того, спад тока нагрузки тиристора до нуля, в случае однофазного режима работы, не может произойти естественным образом до отключения или перехода через нуль прямого напряжения на этом тиристоре.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, заключается в оптимизации режимов работы путем создания в первом варианте однофазного преобразователя с повышенным коэффициентом мощности, работающего в качестве регулятора переменного напряжения или/и выпрямителя с опережающим углом отсечки преобразуемого напряжения естественно коммутируемыми тиристорами с первичной стороны группового трансформатора или в получении во втором варианте одинакового распределения нагрузки между первичными обмотками магнитопроводов, с учетом соблюдения равенства углов коммутации и независимо от конструктивного исполнения трансформаторов.
Эта задача в первом варианте решается тем, что в преобразователе переменного напряжения, содержащем трансформатор на двух витых ленточных магнитопроводах кольцевидной формы с первичными и, по крайней мере, одной вторичной обмотками, размещенными путем охвата любой полостью вторичной обмотки обоих магнитопроводов, подключенными вторичная обмотка к выходным выводам, каждая первичная обмотка одним выводом к первому выводу двухполюсника, второй вывод которого соединен с входным выводом, а свободным выводом - непосредственно к другому входному выводу, обе первичные обмотки совместно с упомянутыми двухполюсниками подключены к одной и той же паре входных выводов, при этом одинаковым направлениям намотки первичных обмоток относительно общей оси магнитопроводов соответствует взаимообратная очередность следования наименований выводов первичных обмоток от одного и того же входного вывода к другому.
Каждый двухполюсник может быть выполнен в виде встречно-параллельно включенных управляемых вентилей, общие точки которых образуют его выводы.
Один двухполюсник может быть выполнен короткозамкнутым, а другой - в виде встречно-параллельно включенных управляемых вентилей, общие точки которых образуют его выводы.
Вторичная обмотка может быть подключена к входу выпрямителя с числом вентилей, кратным двум.
Преобразователь может содержать две вторичные обмотки, соединенные согласно-последовательно и подключенные крайними выводами к одноименным электродам диодов, свободные электроды которых образуют первый выходной вывод, а общая точка вторичных обмоток - второй выходной вывод.
Во втором варианте эта задача решается тем, что в преобразователе переменного напряжения, содержащем трансформатор на двух магнитопроводах с первичными и вторичными обмотками, размещенными, например, путем охвата любой полостью вторичной обмотки одного стержня с первичной обмоткой каждого магнитопровода, вторичными обмотками, соединенными по схеме однополупериодного выпрямителя с числом диодов, кратным двум, подключенными каждая первичная обмотка одним выводом к первой общей точке основных встречно-параллельно включенных управляемых вентилей, вторая общая точка которых соединена с фазным входным выводом, а свободным выводом - непосредственно к входному выводу смежной фазы, одной парой дополнительных встречно-параллельно включенных управляемых вентилей, подключенных общими точками к одной паре выводов первичных обмоток, и замыкающих последовательную цепь, состоящую из основных управляемых вентилей и соответствующей первичной обмотки, содержит вторую пару дополнительных встречно-параллельно включенных управляемых вентилей, подключенных общими точками к другой паре выводов первичных обмоток, и замыкающих последовательную цепь, состоящую из основных управляемых вентилей и другой первичной обмотки, при этом отношение частоты включения основных управляемых вентилей к частоте включения дополнительных управляемых вентилей за четное число периодов напряжения сети равно двум.
Технический результат, достигаемый в первом варианте, заключается в реализации возможности преобразования однофазного переменного напряжения в переменное или/и в постоянное с опережающим углом отсечки преобразуемого напряжения на естественно коммутируемых тиристорах (см., например, Ю.К.Розанов. Основы преобразовательной техники. М., Энергия, 1979, стр.116), т.е. повышении коэффициента мощности при отсутствии узлов коммутации с емкостными накопителями энергии. Во втором варианте техническим результатом является одинаковое распределение нагрузки между первичными обмотками, с учетом соблюдения равенства углов коммутации и независимо от конструктивного исполнения трансформаторов, чем достигается возможность унификации трансформаторного оборудования.
Дополнительный технический результат, достигаемый во втором варианте, относительно вышеуказанного аналога (А.с. №1457124) заключается в отсутствии промежуточных выводов первичных обмоток трансформаторов, равных углах коммутации и одинаковом распределении нагрузки между диодами.
w
dα
y
На фиг.1 приведена принципиальная схема преобразователя однофазного переменного напряжения, на витых ленточных магнитопроводах трансформаторов кольцевидной формы, с возможностью формирования на выходе как переменного, так и выпрямленного напряжения с опережающим углом отсечки естественно коммутируемых тиристоров обоих двухполюсников; на фиг.2 - то же для случая, когда один из двухполюсников короткозамкнут; на фиг.3 - временные диаграммы напряжений на вторичной обмотке трансформатора U и на выходе выпрямителя U при различных углах отпирания α тиристоров одного из двух двухполюсников, другой из которых выполнен короткозамкнутым, а также временные диаграммы управляющих импульсов U тиристоров с указанной нумерацией; на фиг.4 - то же при различных углах отпирания α тиристоров (с приведенной нумерацией) обоих двухполюсников; на фиг.5 - то же, что и на фиг.2, но с взаимообратным направлением намотки первичных обмоток; на фиг.6 приведена принципиальная схема преобразователя трехфазного переменного напряжения в постоянное, на витых ленточных магнитопроводах трансформаторов кольцевидной формы и на двух выпрямляющих диодах; на фиг.7 - то же, на стержневых магнитопроводах трансформаторов и четырех выпрямляющих диодах.
Преобразователь на фиг.1 содержит встречно-параллельно включенную пару тиристоров 1 и 2 (3 и 4), объединенную в первый (второй) двухполюсник с выводами 5 и 6 (7 и 8), два витых ленточных магнитопровода кольцевидной формы 9, 10, с идентичными первичными обмотками соответственно 11, 12, с вторичной обмоткой 13, между крайними выводами 14, 15 которой может быть выведен средний вывод 16. Входной вывод фазы А подключен к концу (началу) первичной обмотки 12 (11), начало (конец) которой подключено к выводу 8 (6) второго (первого) двухполюсника на тиристорах 3, 4 (1, 2). Входной вывод фазы С подключен к выводам 5 и 7 указанных двухполюсников. Соответствующие из выходных выводов 14, 15, 16 могут быть подключены к одноименным входным выводам цепи нагрузки 17 непосредственно, по схеме однофазного однополупериодного выпрямителя на диодах 18, 19 или по схеме однофазного мостового выпрямителя на диодах 18-21.
Вместо одного из фазных входных выводов может быть использован нулевой входной вывод (см. фиг.2). В каждой согласно-последовательной цепи, содержащей первичную обмотку и двухполюсник, допустима различная очередность соединения указанных элементов относительно входных выводов. Однако, если первичная обмотка 12 подключена к входному выводу фазы А концом, то первичная обмотка 11 должна быть подключена к входному выводу той же фазы началом. Это правильно, если направления намотки первичных обмоток 11 и 12 относительно общей оси магнитопроводов совпадают, как это показано на фиг.1 и на фиг.2. Если же направления намотки первичных обмоток 11 и 12 относительно общей оси магнитопроводов не совпадают, т.е. взаимообратны, то обе первичные обмотки 11 и 12 должны быть подключены к одному и тому же входному выводу одноименными выводами (см. фиг.5). Таким образом, к взаимообратно разноименным выводам первичных обмоток 11 и 12 одновременно подключается одно и то же напряжение. Это создает в каждом магнитопроводе относительно другого встречное направление магнитного потока. В этом случае результирующее напряжение общей вторичной обмотки 13 становится равным нулю. Если же переменное напряжение подключено только к одной из первичных обмоток 11 или 12, то напряжение вторичной обмотки 13 не равно нулю, и через нагрузку 17 по одной из приведенных на фиг.1 и фиг.2 схем подключения нагрузки 17 протекает переменный или выпрямленный ток под действием трансформируемого первичного напряжения.
Преобразователь по фиг.2 отличается от преобразователя по фиг.1 тем, что второй двухполюсник выполнен короткозамкнутым, а для иллюстрации разнообразия возможностей один из входных выводов выполнен нулевым.
Допустим, что выводы 7 и 8 второго двухполюсника короткозамкнуты (см. фиг.2), а углы отпирания тиристоров 1 и 2 первого двухполюсника регулируются в диапазоне 0≤α≤180°. Форма напряжения на вторичной обмотке и нагрузке при указанных на фиг.3 углах отпирания тиристоров представлена утолщенными линиями и свидетельствует о том, что первичная обмотка 11 магнитопровода 9, в отличие от первичной обмотки 12 магнитопровода 10, не проводит нагрузочный ток ни до, ни после включения тиристоров 1 или 2. При включении одного из указанных тиристоров он проводит только намагничивающий ток, создающий в соответствующем магнитопроводе противофазный магнитный поток. Выключаются тиристоры при естественной смене полярности прикладываемого к ним напряжения сети. Таким образом, расчетные мощности первичных обмоток 11 и 12 существенно отличаются друг от друга, однако преобразователь содержит всего два тиристора.
Допустим, что углы отпирания всех тиристоров 1-4 обоих двухполюсников (см. фиг.1) регулируются в диапазоне 0≤α≤180°. В этом случае форма напряжения на вторичной обмотке и нагрузке 17 при указанных на фиг.4 углах отпирания тиристоров также представлена утолщенными линиями и свидетельствует о том, что первичные обмотки 11 и 12 проводят нагрузочный ток попеременно, каждая в течение одного из двух смежных по фазе периодов напряжения сети. Намагничивающий ток тиристоры проводят в течение каждого периода, т.е. с частотой напряжения сети. Выключаются тиристоры аналогично. Таким образом, расчетные мощности первичных обмоток 11 и 12 равны друг другу за счет их усреднения, однако преобразователь содержит на два тиристора больше.
Преобразователь по фиг.5 отличается от преобразователя по фиг.2 взаимообратным направлением намотки первичных обмоток относительно общей оси магнитопроводов и соответственно (в соответствии с правилом буравчика) одинаковой очередностью следования наименований выводов первичных обмоток от одного и того же входного вывода к другому (на фиг.5 обе первичные обмотки подключены к одному и тому же входному выводу одноименными выводами). Временные диаграммы (см. фиг.3) работы преобразователя по фиг.2 полностью соответствуют и преобразователю по фиг.5, т.к. изменение направления намотки приводит к необходимости изменения очередности следования наименований, и поэтому результат не изменяется.
Преобразователь на фиг.6 содержит встречно-параллельно соединенные пары тиристоров соответственно 1 и 2, 3 и 4, 22 и 23, 24 и 25, трансформаторы, выполненные на витых ленточных магнитопроводах 9, 10 с первичными обмотками соответственно 11, 12 и общей вторичной обмоткой 13, в полости которой размещены указанные магнитопроводы. Между крайними выводами 14, 15 вторичной обмотки 13 выведен ее средний вывод 16. Вывод 14 (15) вторичной обмотки 13 подключен к аноду диода 18 (19), а между общей точкой катодов диодов 18, 19 и средним выводом 16 обмотки 13 подключена нагрузка 17. Конец (начало) обмотки 12 (11) подключен к входному выводу фазы А (С), а начало (конец) - к общей точке тиристоров 22 и 23 (24 и 25), другие общие точки которых подключены к входному выводу фазы В. Тиристоры 1 и 2 (3 и 4) подключены между концами (началами) обмоток 11, 12.
Преобразователь работает в двухпериодном режиме, т.е. полный цикл выпрямления завершается в течение двух смежных по фазе периодов напряжения сети. Рассмотрим один из возможных вариантов его работы в течение условно названного первым периода напряжения сети.
Допустим, что открыт тиристор 22 от прикладываемого к нему линейного напряжения между входными выводами фаз А и В. Ток первичной обмотки 12 трансформатора 10 протекает по цепи: входной вывод фазы А, от конца к началу обмотки 12, тиристор 22, входной вывод фазы В. Ток общей вторичной обмотки 13 трансформаторов 9 и 10 протекает по цепи: конец обмотки 13, диод 19, нагрузка 17, средний вывод 16 обмотки 13, т.е. одна половина обмотки 13 проводит ток нагрузки 17, а другая остается обесточенной.
Через 60 эл.град., когда потенциал фазы С становится более отрицательным, чем потенциал фазы В, отпирается тиристор 3 от прикладываемого к нему линейного напряжения между фазными входными выводами А и С, а к тиристору 22 прикладывается обратное напряжение, и ток первичной обмотки 11 трансформатора 9 протекает по цепи: входной вывод фазы А, тиристор 3, от конца к началу обмотки 11, входной вывод фазы С. Ток общей вторичной обмотки 13 трансформаторов 9 и 10 продолжает протекать по той же цепи через диод 19, формируя следующую по фазе пульсацию, т.к. направление магнитного потока относительно вторичной обмотки не изменяется.
Далее, через 60 эл.град., когда потенциал фазы В становится больше, чем потенциал фазы А, отпирается тиристор 24 от прикладываемого к нему линейного напряжения между фазными входными выводами В и С, а к тиристору 3 прикладывается обратное напряжение, и ток первичной обмотки 11 трансформатора 9 протекает по цепи: входной вывод фазы В, тиристор 24, от конца к началу обмотки 11, входной вывод фазы С. Ток общей вторичной обмотки 13 трансформаторов 9 и 10 вновь продолжает протекать по той же цепи через диод 19, формируя очередную по фазе пульсацию.
В следующем интервале дискретности потенциал фазы А становится более отрицательным, чем потенциал фазы С, отпирается тиристор 23 от прикладываемого к нему линейного напряжения между входными выводами фаз В и А, а к тиристору 24 прикладывается обратное напряжение, и ток первичной обмотки 12 трансформатора 10 протекает по цепи: входной вывод фазы В, тиристор 23, от начала к концу обмотки 12, входной вывод фазы А. Одновременно потенциал анода относительно катода диода 18 становится больше, чем у диода 19, и последний запирается. Объясняется это тем, что направление магнитного потока относительно общей вторичной обмотки 11 изменяет свой знак. Напряжение, трансформируемое в обмотку 13, также изменяет свой знак, вследствие чего происходит коммутационный процесс между диодами 19 и 18. В процессе выключения тиристора 24 происходит трансформирование в обмотку 13 разностного коммутационного напряжения между отстающей и опережающей полуволнами линейных напряжений, которое прикладывается к выключающемуся диоду 19 в обратном направлении, а к включающемуся диоду 18 в прямом направлении. Запирание диода 19 обесточивает от нагрузочного тока тиристор 24, а напряжение на нагрузке 17, формируемое открытым диодом 18, возрастает до номинального значения. Теперь ток общей вторичной обмотки 13 трансформаторов 9 и 10 протекает через другую ее половину по цепи: начало обмотки 13, диод 18, нагрузка 17, средний вывод обмотки 13. Далее диод 18 аналогично проводит ток еще в течение двух тактов, затем вновь, в связи с изменением направления магнитного потока, вступает в работу диод 19.
Работа преобразователя в следующем (условно названном вторым) периоде напряжения сети отличается от предыдущего тем, что вместо тиристоров 3 и 4 включаются соответственно тиристоры 1 и 2. Поэтому, в отличие от первого периода, угол проводимости обмотки 12 становится вдвое больше, чем обмотки 11.
Таким образом, коммутация тиристоров 22-25 и диодов, с учетом изменения направления магнитного потока относительно вторичной обмотки, происходит с частотой 50 Гц, а тиристоров 1-4 с частотой 25 Гц. Благодаря однополупериодной схеме выпрямления на вторичной стороне преобразователя возрастание и убывание вторичных токов в процессе коммутации диодов происходит несмотря на общую вторичную обмотку в разных цепях, одна из которых находится в предварительно обесточенном состоянии.
Тиристоры и диоды в течение одного периода напряжения сети формируют на нагрузке 17 выпрямленное напряжение с периодичностью m=6 в следующей последовательности: 22-19, 3-19, 24-19, 23-18, 4-18, 25-18, а в течение следующего периода напряжения сети в другой последовательности: 22-19, 1-19, 24-19, 23-18, 2-18, 25-18. Угол проводимости первичной обмотки 11 (12) в течение одного периода равен 240 (120) эл.град., а в течение следующего периода равен 120 (240) эл.град. Поэтому средняя за два периода величина угла проводимости для каждой из этих обмоток равна 180 эл.град., и их средние расчетные мощности равны. При этом угол проводимости каждого диода и вторичной полуобмотки равен 180 эл.град.
Возможна и другая последовательность включения тиристоров и диодов соответственно в одном периоде 22-19, 3-19, 24-19, 23-18, 2-18, 25-18, а в следующем периоде 22-19, 1-19, 24-19, 23-18, 4-18, 25-18.
Таким образом, алгоритм переключения между тиристорами 1, 2 и 3, 4 является поочередно дублирующим относительно двух смежных периодов напряжения сети или в пределах каждого указанного периода, но всегда относительно одной и той же пары фазных входных выводов. На фиг.6 - это поочередно подключаемые к первичным обмоткам 11 или 12 входные выводы фаз А и С. Изменение одинаковых направлений намотки первичных обмоток преобразователя на взаимообратные не приводит к изменению его режима работы. Происходит только фазовый сдвиг момента включения и соответственно выключения диодов.
Условия построения и работы преобразователя по фиг.6 при взаимообратном направлении намотки первичных обмоток относительно общей оси магнитопроводов и исключении входного вывода фазы В с тиристорами 22-25 совпадают с условиями построения и работы преобразователя по фиг.1 при одинаковом направлении намотки первичных обмоток относительно общей оси магнитопроводов. Это указывает на различие возможностей, реализуемых однотипным средством оптимизации режимов работы преобразователей.
Преобразователь по фиг.7 отличается тем, что вторичная обмотка 13 разделена между двумя стержневьми магнитопроводами и соединена по схеме однополупериодного выпрямителя на четырех диодах 18-21, между общей точкой анодов которых и средней точкой сдвоенной обмотки 13 включена нагрузка 17.
Здесь предпочтительнее первая из двух вышеприведенных последовательностей включения тиристоров и диодов, т.е. в одном периоде 22-21, 3-19, 24-19, 23-20, 4-18, 25-18, а в следующем периоде 22-21, 1-21, 24-19, 22-20, 2-20, 25-18.
Работа преобразователя по фиг.7 характеризуется тем, что средний за два периода угол проводимости каждого диода и вторичной полуобмотки равен 90 эл.град. Однако достигаемое в преобразователе по фиг.7 усреднение угла проводимости диодов приводит к возможности унификации не только трансформаторного, но и вентильного оборудования. Кроме того, из-за меньшего магнитного потока рассеяния преобразователь по фиг.7 предпочтительнее преобразователя по фиг.6 при использовании более мощных трансформаторов стержневого типа. Равенство углов коммутации вентилей преобразователя по фиг.7 уменьшает уровень искажения формы его выпрямленного напряжения за счет минимизации уровня неканонических гармоник. Оба преобразователя несмотря на использование всего двух магнитопроводов обеспечивают равномерную нагрузку всех трех фаз питающей сети, а симметрирование режима работы не требует изменения конструктивного исполнения их трансформаторов.