ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ
VARIABLE-TO-CONSTANT VOLTAGE CONVERTER

Изобретение относится к электротехнике и силовой преобразовательной технике и может быть использовано в качестве преобразователя переменного напряжения в постоянное для питания потребителей с повышенными требованиями к качеству выпрямленного напряжения, электромагнитной совместимости и массогабаритным показателям.
Известны преобразователи переменного напряжения в постоянное с повышенной фазностью преобразования, построенные на основе трехфазных вентильных мостов, которые запитаны от автономных симметричных трехфазных систем ЭДС, сдвинутых относительно друг друга на угол  где m - фазность преобразования (Яценко А.А. Применение схемы «скользящего треугольника» в многофазных преобразователях. // Электричество. - 1982. - №7. - С.17-24).
Независимо от схем построения данных преобразователей, основным их недостатком является снижение качества преобразования при несимметрии напряжений питающей сети, конструктивной и параметрической несимметриях трансформаторов, что ухудшает электромагнитную совместимость и даже, порой, ограничивает возможность применения многофазных преобразователей.
Известен преобразователь переменного напряжения в постоянное, обеспечивающий двадцатичетырехкратную частоту пульсации выпрямленного напряжения (Пат. РФ №2219647, МКИ Н02М 7/08, опубл. 20.12.2003), содержащий два трехфазных трансформатора, вторичные фазные обмотки каждого трансформатора соединены в треугольник, причем каждая вторичная фазная обмотка снабжена двумя внутренними отводами, которые подключены к диагоналям переменного тока двух мостовых выпрямителей, включенных по входу параллельно, при этом указанные отводы от фазных обмоток выполнены от частей, находящихся в соотношении , считается от одноименного зажима каждой обмотки, причем первичные обмотки одного трансформатора соединены в звезду, а второго в треугольник, а выходы всех выпрямителей включены параллельно.
Недостатками данного преобразователя являются большие массогабаритные показатели трансформаторов и применение вторичных обмоток, выполняемых с использованием трех значений чисел витков. При малых числах витков, что характерно, например, при изготовлении мощных и сверхмощных трансформаторов, это ограничивает возможность обеспечить требуемые расчетные соотношения между этими числами и тем самым снижает эффективность преобразования электрической энергии.
Известен также преобразователь переменного напряжения в постоянное (А.с. СССР №817923, МКИ Н02М 7/06, опубл. 30.03.1981), обеспечивающий двадцатичетырехкратную частоту пульсации выпрямленного напряжения, содержащий два шестифазных вентильных моста, включенных последовательно, и трехфазный трансформатор с четырьмя вторичными обмотками (n=4), соединенными в звезды при соотношении чисел витков вторичных обмоток, определяемых функцией , причем k-я и (n+1-k)-я пара обмоток (k=1, 2, 3, 4) образуют одну шестилучевую звезду, а оставшаяся пара другую, при этом фазы одной шестилучевой звезды подключены к входам переменного тока одного моста, фазы второй к входам другого моста, а крайние анодная и катодная группы мостов образуют выходные выводы устройства.
T
d
d
Недостатками данного преобразователя являются относительно большая типовая мощность трансформатора (S=1,165 P, где Р - мощность нагрузки) при исполнении на одном трансформаторе; необходимость применения четырех значений чисел витков для выполнения вторичных обмоток, что усложняет технологию изготовления и затрудняет ограничение конструктивной несимметрии на допустимом уровне; наличие потоков вынужденного подмагничивания в стержнях трансформатора, что, в совокупности, снижает качество преобразования.
Наиболее близким к изобретению, принятым за прототип, является преобразователь переменного напряжения в постоянное (RU №2321149, ПМК Н02М 7/08, опубл. 27.03.2008), содержащий двадцать четыре вентиля, соединенных в двенадцать вентильных ячеек с двумя вентилями в каждой ячейке, соединенными разноименными электродами, из которых сформированы две группы вентилей, по шесть вентильных ячеек в каждой, причем свободные электроды одного наименования половины вентилей в каждой из групп соединены, и в одной группе вентилей при этом образована анодная шестивентильная звезда, а в другой группе катодная шестивентильная звезда, и два трехстержневых трехфазных трансформатора, первичные обмотки которых соединены по схеме «скользящих треугольников», отношение частей обмоток, составляющих треугольники в которых, к частям обмоток, составляющих продолженные стороны, равно 1:, а два вывода первичной обмотки одного из трансформаторов присоединены к трехфазной сети с транспозицией по отношению к присоединению идентичных выводов первичной обмотки другого трансформатора, при этом из частей вторичных обмоток, имеющих по две вторичные фазные обмотки на каждом стержне магнитопроводов трансформаторов, в каждом трансформаторе сформирован источник шестифазной системы ЭДС, образованный звездой и обратной звездой, соединенными нулевыми точками, причем части обмоток звезды и части обмоток обратной звезды находятся в соотношении , а из шести вентилей сформировано вентильное кольцо, вентили которого соединены между собой только одноименными электродами, при этом каждая из трех точек соединения, образованных электродами одного наименования, подключена к одному из выводов звезды одного источника, а каждая из трех точек соединения, образованных электродами другого наименования, подключена к одному из выводов звезды другого источника, причем каждая точка соединения вентилей кольца, подключенная к выводу звезды одного из источников, подключена также к точке соединения разноименных электродов двух вентилей, образующих вентильную ячейку, один крайний электрод которой, имеющий наименование, отличное от наименования электродов вентилей кольца в точке соединения с кольцом данной ячейки, соединен с выводом обратной звезды другого источника, причем этот вывод имеет наименование, аналогичное наименованию вывода звезды источника, подключенного к данной точке кольца, а второй крайний электрод ячейки подключен к соответствующему выходному выводу устройства, при этом каждый из выводов обратных звезд, к которому присоединен электрод вентиля ячейки, соединен с электродом другого наименования незадействованного вентиля, второй электрод которого присоединен к соответствующему выходному выводу, причем выводы звезд, имеющие одинаковое наименование, подключены к диаметрально противоположным точкам соединения вентилей кольца.
Качество преобразования переменного напряжения в постоянное этим преобразователем существенно снижается при несимметрии питающих напряжений, конструктивной несимметрии фазных напряжений вторичных обмоток и параметрической несимметрии трансформаторов. Типовая мощность трансформаторов относительно большая.
Задача изобретения - создание преобразователя переменного напряжения в постоянное с лучшим качеством преобразования при несимметрии питающих напряжений, конструктивной несимметрии фазных напряжений вторичных обмоток и параметрической несимметрии трансформаторов, имеющего меньшую типовую мощность трансформаторов.
Указанная задача достигается тем, что преобразователь переменного напряжения в постоянное содержит два трехфазных трансформатора, на каждом из стержней магнитопроводов которых размещены одна первичная и две вторичные фазные обмотки, а также двенадцать вентильных ячеек с двумя вентилями в каждой ячейке, соединенными разноименными электродами, из вентильных ячеек сформированы две группы вентилей, по шесть вентильных ячеек в каждой, причем свободные электроды одного наименования половины вентилей в каждой из групп соединены, и в одной группе вентилей при этом образована анодная шестивентильная звезда, а в другой группе образована катодная шестивентильная звезда, первичные фазные обмотки в одном трансформаторе соединены в звезду, а во втором в треугольник, отношение чисел витков первичных фазных обмоток, соединенных в звезду, к числам витков первичных фазных обмоток, соединенных в треугольник, равно , отношение чисел витков вторичных фазных обмоток в парах обмоток, размещенных на каждом из стержней, равно
где ∀ µ=∈ [6,∞],
а соответствующие по относительным размерам вторичные фазные обмотки выполнены с одинаковыми числами витков, при этом шесть вторичных фазных обмоток в каждом трансформаторе соединены между собой встречно-последовательно, топологически образуя полуправильный шестиугольник, причем от средней точки каждой вторичной фазной обмотки выполнен отвод, при этом каждый из отводов от средних точек вторичных фазных обмоток одного трансформатора соединен с незадействованной точкой соединения разноименных электродов вентилей в вентильных ячейках одной группы вентилей, а каждый из отводов от средних точек вторичных фазных обмоток второго трансформатора соединен с незадействованной точкой соединения разноименных электродов вентилей в вентильных ячейках второй группы вентилей, причем свободные одноименные электроды второй половины вентилей в каждой из групп вентилей соединены, и в одной группе вентилей при этом образована катодная шестивентильная звезда, а в другой группе образована анодная шестивентильная звезда, а из групп вентилей, соответственно, сформированы два шестифазных вентильных моста с выводами постоянного тока от общих точек соединения вентилей в шестивентильных звездах, причем шестифазные вентильные мосты соединены парой разнополярных выводов постоянного тока последовательно и свободные разнополярные выводы мостов образуют выходные выводы устройства.
i
H
H
На Фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого преобразователя с последовательным соединением шестифазных вентильных мостов и с первичными обмотками, соединенными в одном трансформаторе в звезду, а во втором в треугольник; на Фиг.2 для преобразователей с различными параметрами µ приведены векторные диаграммы напряжений, представленные в виде перемещаемых относительно друг друга амплитудно-фазовых портретов напряжений вторичных обмоток и векторов результирующих выпрямляемых напряжений, образующих пульсации s; на Фиг.3 приведены развернутые векторные диаграммы, поясняющие принцип формирования векторов результирующих напряжений на примере преобразователя с параметром µ=8; на Фиг.4 приведены временные диаграммы выходных напряжений шестифазных вентильных мостов (а) и кривая выпрямленного напряжения преобразователя при µ=24 (б); на Фиг.5 даны примеры топологической реализации систем ЭДС вторичных обмоток трансформаторов преобразователя; на Фиг.6 приведена зависимость рассогласования амплитуд смежных векторов результирующих выпрямляемых напряжений преобразователя от числа µ в процентах; на Фиг.7 приведены временные диаграммы анодных токов и обратных напряжений вентилей мостов преобразователя с параметром µ=24; на Фиг.8 приведена временная диаграмма выпрямленного напряжения преобразователя с параметром µ=24 при конструктивной несимметрии фазных напряжений вторичных обмоток К=10%; на Фиг.9 показаны переменные составляющие выпрямленных напряжений предлагаемого преобразователя при µ=24 (а) и прототипа, системы ЭДС вторичных обмоток трансформаторов которого сдвинуты относительно друг друга на 15 эл. град. (б) при К=10%; показаны также переменные составляющие выпрямленных напряжений предлагаемого преобразователя (в) и прототипа (г) при несимметрии напряжений сети αU=2%; на Фиг.10 - приведена кривая сетевого тока фазы А, потребляемого преобразователем с µ=24.
Преобразователь переменного напряжения в постоянное (Фиг.1) содержит два трехфазных трансформатора: трансформатор 1 с первичными обмотками, соединенными в звезду, и трансформатор 2 с первичными обмотками, соединенными в треугольник. Соответствующие вторичные обмотки трансформаторов выполнены в виде полуправильных шестиугольников 3 и 4, а соответствующие фазные отводы от средних точек a, z, b, х, с, у сторон полуправильного шестиугольника 3 и отводы от средних точек a′, z′ b′, х′, с′, у′ сторон шестиугольника 4 соединены с входами переменного тока шестифазных вентильных мостов 5 и 6, соединенных последовательно. Общая точка 7 анодной группы вентилей моста 5 и общая точка 8 катодной группы вентилей моста 6 соединены с нагрузкой 9.
i
d(5)
d(6)
d
Принцип работы устройства (Фиг.1) иллюстрируется векторными диаграммами напряжений источников ЭДС, представленных в виде перемещаемых относительно друг друга амплитудно-фазовых портретов напряжений вторичных обмоток при различных значениях параметра µ (Фиг.2), и развернутыми векторными диаграммами, поясняющими принцип формирования векторов результирующих выпрямляемых напряжений (Фиг.3) на примере преобразователя с параметром µ=8. В любой фазе цикла преобразования пульсации выпрямленного напряжения s образуются в результате сложения максимальных на данный момент линейных ЭДС в каждой из шестифазных систем ЭДС, формируемых между средними точками вторичных фазных обмоток (сторон) шестиугольников. В соответствии с полярностью линейных ЭДС в открытое состояние в каждом шестифазном мосту переходит та пара вентилей, которая подключена к отводам от фаз, между которыми в данный момент линейная ЭДС максимальна. Особенностью преобразователя является то, что смежные линейные ЭДС между фазными отводами в шестиугольниках отличаются по амплитуде (за исключением случая, когда µ=12). В результате этого на выходе каждого из шестифазных вентильных мостов формируются неканонические по форме 12-пульсные выпрямленные напряжения u и u (Фиг.4, а). Так как эти напряжения сдвинуты по фазе относительно друг друга на 30 эл. град., в результате сложения их мгновенных значений на нагрузке формируется напряжение u (б) с канонической формой кривой, имеющей 24 пульсации за период сетевого напряжения. На Фиг.4 приведены кривые напряжений для преобразователя с µ=24 при близком к идеальному соотношении чисел витков малых и больших вторичных фазных обмоток трансформаторов.
В приведенной ниже таблице даны относительные топологические размеры малых вторичных фазных обмоток (при размерах больших, принятых за 1,0), рассчитанные для различных значений µ и углового топологического параметра ε.
Каноническая 24-пульсная форма выпрямленного напряжения (при неканонических формах фазность преобразования в таблице выделена курсивом) обеспечивается только при топологических параметрах µ=8 и µ=24. При µ=6 получен треугольник. При двух сдвинутых относительно друг друга на 30 эл. град. амплитудно-фазовых портретах такого вида обеспечивается 12-фазный режим преобразования. При µ → ∞ получена симметричная шестифазная система ЭДС (правильный шестиугольник). При двух сдвинутых на 30 эл. град. амплитудно-фазовых портретах такого вида также обеспечивается только 12-фазный режим преобразования. Последние топологии являются известными.
M
Б
Топологические размеры, приведенные таблице, можно преобразовать в топологические размеры шестифазных звезд (выражение длины малого луча звезды l через длину большого луча l) по формуле
(Фиг.5, а). Здесь использован угловой топологический параметр ε, значения которого приведены в таблице.
S
Топология преобразователя с µ=12 позволяет получить каноническое 24-фазное преобразование только на основе двух систем ЭДС, сдвинутых относительно друг друга на Δφ=15 эл. град., т.е. по известной схеме с недостатками, присущими прототипу. При сдвиге же Δφ=30 эл. град. рассогласование амплитуд смежных векторов результирующих напряжений K в предлагаемом варианте преобразователя с µ=12 превышает 3% (Фиг.6).
ОБР МАКС
d0
d0
Углы проводимости вентилей шестифазных мостов зависят от топологической реализации (µ). При этом вентили любого из двух мостов (Фиг.1), подключенные к средним точкам больших вторичных фазных обмоток, имеют меньший угол проводимости, чем вентили, подключенные к средним точкам малых вторичных фазных обмоток. Так, при µ=24 все вентили в мостах, подключенные к большим вторичным фазным обмоткам проводят ток 45 эл. град., а вентили, подключенные к малым вторичным фазным обмоткам - 75 эл. град. (Фиг.7). В случае реализации преобразователя при µ=8 углы проводимости вентилей равны, соответственно, 15 эл. град. и 105 эл. град. Максимальные обратные напряжения (Фиг.7), прикладываемые к вентилям шестифазных мостов, во всех случаях равны U=0,512 U (U - среднее значение выпрямленного напряжения на холостом ходу).
Среднее значение выпрямленного напряжения преобразователя (Фиг.1) на холостом ходу при сдвиге между шестифазными системами Δφ=30 эл. град. определяется по формулам (за о.е. принято действующее значение напряжения половины большой вторичной фазной обмотки):
*
d0
для преобразователей с µ ∈ [6, 12] - U =1,664·ϖ+2,678;
*
d0
для преобразователей с µ больше 12-ти - U =2,143·ϖ+2,495, где
Отличие приведенных формул связано со сменой позиций взаимного расположения амплитудно-фазовых портретов вторичных обмоток при переходе параметра µ через значение µ=12, что показано на примере значений µ=48 и µ=9 на Фиг.2, а; г.
H
i-1
i
i
i+1
i+1
i+2
S
Преобразователь сохраняет относительно хорошее качество преобразования даже при большой конструктивной несимметрии фазных напряжений вторичных обмоток, особенно при параметре µ=24. На Фиг.8 показана кривая выпрямленного напряжения преобразователя с µ=24 при конструктивной несимметрии вторичных обмоток К=10%. Характерным является то, что конструктивная несимметрия не приводит к появлению шестой гармоники в кривой выпрямленного напряжения. График, приведенный на Фиг.6, показывает зависимость (в процентах) амплитудной асимметрии смежных векторов (пульсации s,s; s,s; s,s и т.д.) результирующих выпрямляемых напряжений в преобразователе при различных числах µ. При µ=8 или µ=24 смежные векторы имеют одинаковую длину, т.е. выпрямленное напряжение каноническое. Однако более стабилен преобразователь, построенный по топологии µ=24, так как наклон кривой зависимости в точке µ=24 существенно меньше, чем в точке µ=8, т.е. влияние конструктивной несимметрии минимально. Поэтому в окрестности точки µ=24 (Фиг.6), можно выбирать те топологические размеры вторичных обмоток трансформаторов преобразователя, при которых не будет превышен заданный уровень конструктивной несимметрии (заметим, что рассогласование длин смежных векторов результирующих выпрямляемых напряжений (K) даже при значительной конструктивной несимметрии существенно меньше последней в процентном выражении).
S
H
На Фиг.9 (а) и (б) дано сравнение переменных составляющих выпрямленного напряжения предлагаемого преобразователя с µ=24 и прототипа, шестифазные системы которого сдвинуты относительно друг друга на угол Δφ=15 эл. град. Рассогласование длин векторов результирующих напряжений предлагаемого преобразователя составило всего K=0,77% при конструктивной несимметрии фазных напряжений вторичных обмоток К=10%, в то время как у прототипа такая несимметрия практически приводит к шестипульсному выпрямлению. При этом амплитуда переменной составляющей выпрямленного напряжения у прототипа в 2,25 раза больше соответствующего искажения у предлагаемого преобразователя.
Подобный эффект проявляется и при несимметрии питающих напряжений. При несимметрии питающих напряжений αU=2% переменная составляющая выпрямленного напряжения предлагаемого преобразователя не содержит шестой и кратных ей гармоник. На Фиг.9 сравниваются искажения выпрямленных напряжений в предлагаемом преобразователе (б) и искажения в прототипе (г).
Указанные эффекты объясняются нестандартным способом формирования кривой выпрямленного напряжения. Выходное напряжение каждой из выпрямительных секций не является каноническим 12-пульсным (Фиг.4). Оно как бы промодулировано шестой гармоникой, причем характер модуляции не меняется при увеличении конструктивной несимметрии, так как системы питания шестифазные и угол сдвига между условными фазами (лучами шестифазной звезды, вписанной в шестиугольник (Фиг.5,а)) равен 60 эл. град., т.е. периоду шестой гармоники. Вместе с тем, выходные напряжения выпрямительных секций предлагаемого преобразователя сдвинуты относительно друг друга на угол Δφ=30 эл. град. (половину периода шестой гармоники), а не угол Δφ=15 эл. град. (применяемый в прототипе и известных схемах с четырьмя трехфазными выпрямительными секциями). Поэтому шестые гармоники смежных секций взаимно компенсируются при любых причинах, их порождающих, в том числе при параметрической несимметрии цепей тока в фазах трансформаторов при формировании результирующих выпрямляемых напряжений и различиях углов коммутации. Что касается прототипа, то, даже при небольшой конструктивной несимметрии, в его выпрямленном напряжении появляется шестая гармоника, а при несимметрии питающих напряжений 2, 4, 6,… гармоники.
Из формы кривой на диаграмме (Фиг.10) видно, что состав высших гармоник в токе, потребляемом предлагаемым преобразователем (на примере сетевого тока фазы А), невысок. Это обеспечивает высокий уровень электромагнитной совместимости преобразователя с питающей сетью и ее потребителями.
Немаловажно то, что части вторичных фазных обмоток трансформаторов преобразователя симметричны относительно средних точек (фазных отводов), а провода всех частей обмоток имеют одинаковое сечение. Так как при изготовлении обмоток по схемам полуправильных шестиугольников на каждую фазу трансформатора приходится по две обмотки с отводами от средних точек, упрощается технология изготовления. При необходимости вторичные обмотки трансформаторов преобразователя могут быть выполнены по другим схемам, например, приведенным на Фиг.5, а первичные обмотки по схемам скользящих треугольников. Применение первичных обмоток, соединенных по схемам скользящих треугольников или неравносторонних зигзагов, обеспечивающих фазовый сдвиг между вторичными системами Δφ=30 эл. град., способствует унификации оборудования преобразователя, но при определенном увеличении типовой мощности трансформаторов.
d(5)
d(6)
При параллельном соединении шестифазных мостов обязательным условием является применение уравнительного реактора. На нагрузке, подключенной к средней точке обмотки уравнительного реактора, относительно другого выходного вывода преобразователя выделяется полусумма мгновенных значений фазосдвинутых напряжений, формируемых на выходах вентильных мостов. Без применения уравнительного реактора режим преобразования в результате наложения кривых u и u (Фиг.4) будет только 12-фазным.
T
d
T
d
T
d
В трансформаторах преобразователя (Фиг.1) отсутствуют потоки вынужденного подмагничивания и типовая мощность трансформаторного оборудования преобразователя при µ=24 равна S=1,1394·Р, а при µ=8 равна S=1,078·Р. Эти показатели лучше показателя прототипа, типовая мощность трансформаторов которого S=1,217·Р.
Таким образом, предлагаемый преобразователь переменного напряжения в постоянное имеет, по сравнению с прототипом, более высокое качество преобразования при несимметрии питающих напряжений, конструктивной несимметрии фазных напряжений вторичных обмоток и параметрической несимметрии трансформаторов и меньшую типовую мощность трансформаторов.