ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ

Область техники, к которой относится полезная модель. Полезная модель относится к преобразовательной технике, и предназначена для питания промышленной нагрузки постоянного тока.
Уровень техники. Известен статический выпрямитель [патент РФ на полезную модель №144830], предназначенный для питания силовых промышленных электроустановок и линий электропередач постоянного тока, и содержащий два последовательно включенных трехфазных выпрямительных моста, один из которых выполняется на неуправляемых вентилях, другой выполнен на управляемых вентилях, оба выпрямительных моста подключаются к отдельным трехфазным вторичным обмоткам трансформатора. Вторичные трехфазные обмотки имеют коэффициенты трансформации, соотносящиеся между собой как 1:2,8 и имеют одинаковую схему включения звездой. Управляемый выпрямительный мост формирует 6 пульсаций выпрямленного напряжения, состоящих из фрагментов фронтов полуволн, коммутируемых в моменты равенства фронтов полуволн напряжения разных фаз, при этом нарастающий и спадающий фронты чередуются. В результате пульсации неуправляемого и управляемого выпрямительных мостов оказываются сдвинуты на угол π/6, а на выходе выпрямителя образуется суммарное напряжение, имеющее 12 симметричных пульсаций за период питающей сети.
К недостаткам такого решения можно отнести низкое для ряда областей промышленного применения качество выходного напряжения из-за наличия двенадцати пульсаций выпрямленного напряжения при питании от трехфазной силовой сети переменного тока.
Также известен полупроводниковый выпрямитель [Абрамов С.С., Вечеров И.А., Ивлев М.Л., Коптяев Е.Н. Многопульсный выпрямитель для электроэнергетики // Научно-технические ведомости Севмашвтуза - 2017, №2, с. 56-63, опубликовано 29.10.2017], предназначенный для питания силовых промышленных электроустановок и линий электропередач постоянного тока, и содержащий два трехфазных силовых стержневых трансформатора, первичные трехфазные обмотки которых подключены к питающей сети. Первичная обмотка одного трансформатора имеет соединение звездой, первичная обмотка другого трансформатора имеет соединение в треугольник, все вторичные обмотки силовых трансформаторов подключены к выпрямительным мостам. Каждый силовой трансформатор имеет по две вторичные обмотки, включенные по схеме звездой, при соотношении числа витков между упомянутыми вторичными обмотками в каждом трансформаторе, приближенно равном произведению натурального числа е на квадратный корень из двух. Для образования 6-фазной системы напряжений вторичные 3-фазные обмотки с равным числом витков объединяются в пары с общей нейтралью, выпрямительные мосты в парах включаются параллельно и согласно, при последовательном и согласном соединении между парами трехфазных выпрямительных мостов.
К недостаткам такого решения можно отнести использование первичной обмотки одного из силовых трансформаторов, включенной по схеме треугольник, что требует повышенного числа витков по сравнению с обмоткой включенной звездой, и приводит к росту массы и стоимости.
Раскрытие полезной модели. Полупроводниковые выпрямители являются одним из первых видов статических преобразователей электроэнергии, и широко используются в промышленности и электроэнергетике. Для решений малой и средней мощности все чаще используются импульсные преобразователи, в том числе активные выпрямители, обеспечивающие лучший гармонический состав токов, потребляемых из сети и регулировку коэффициента мощности. Однако в области больших мощностей, особенно в линиях электропередач постоянного тока, применяются классические схемы выпрямления.
В основе всех классических выпрямителей лежит использование трехфазного выпрямительного моста, либо комбинации из нескольких трехфазных выпрямительных мостов, включенных последовательно или параллельно. В таком случае пульсации выпрямленного напряжения мостов суммируются, при условии наличия фазового сдвига между вторичными обмотками трансформаторов, питающих мосты.
Используют следующие виды включения обмоток трансформаторов: звезда (фигура 1), треугольник (фигура 2), зигзаг (фигура 3). Звезда и треугольник имеют симметричный взаимный фазовый сдвиг, равный 30 электрическим градусам. Обмотка зигзаг позволяет получить дополнительное фазовое смещение, обычно равное 15 электрических градусов. Однако использование обмоток по схеме треугольник и зигзаг требует в 1,72 и 1,18 раза большее число витков, чем для обмотки звездой. Данный факт предопределяет ухудшение массогабаритных показателей при увеличении качества фаз напряжения, и соответственно числа пульсаций.
Известно, что сумма двух синусоидальных функций дает в результате также синусоидальную функцию с амплитудой и фазой, определяемыми амплитудами и фазами слагаемых. Подобный способ получения фазового сдвига используется в схеме соединения обмоток трехфазного трансформатора зигзагом, где результирующее фазное напряжение образуется геометрической суммой напряжений двух частей обмотки трансформатора, находящихся в разных его фазах. Как правило, в силовых трансформаторах общего назначения в этом случае обе части обмотки на каждом стержне имеют равное число витков, а фазное напряжение образуется суммой равных напряжений двух частей обмотки, а общее число витков обмотки на одном стержне при этом будет больше, чем при соединении обмотки в звезду.
Также большее число витков содержит обмотка, включенная по схеме треугольник, а именно в  раз (1,72) больше витков, чем у обмотки с включением звезда с таким же выходным напряжением. Обмотка треугольником применяется в классическом двенадцатипульсном выпрямителе, показанном на фигуре 2, и вместе с другой вторичной обмоткой звездой - образует 6-фазную систему напряжений, которая при выпрямлении дает двенадцать пульсаций. Как правило, используется параллельное включение мостов, показанное на фигуре 4, что требует установки уравнительных реакторов на выходе каждого моста для выравнивания токов нагрузки. Возможно также и последовательное включение, которое также требует большего числа витков для получения двенадцати пульсации, из-за использования обмотки треугольник.
Для повышения качества выходного напряжения, и уменьшения гармонического состава токов потребляемых из питающей сети, применяют двадцатичетырехпульсные выпрямители, содержащие четыре трансформатора с комбинацией включения обмоток звезда-треугольник-зигзаг, дающей 12-фазную систему переменного напряжения, выпрямляемую четырьмя трехфазными мостами. Подобное решение приведено на фигуре 5, для случая параллельного включения мостов.
Из уровня техники известен также двенадцатипульсный выпрямитель с "боковыми" пульсациями, выбранный за основной прототип, и имеющий улучшенные массогабариты благодаря отказу от использования обмотки треугольник. В упомянутом решении используются две вторичные обмотки звездой, при определенном соотношении их витков равном натуральному числу е (приближенно 2,72) и коммутации боковых фронтов полуволн вспомогательного выпрямительного моста с меньшим числом витков. Принципиальная схема такого решения приведена на фигуре 6. На фигуре 7 приведен график напряжений выпрямительных мостов упомянутого выпрямителя с боковыми пульсациями.
К достоинствам такого решения относится простота и экономия числа витков для того же выходного напряжения, что позволяет уменьшить габариты и стоимость решения. Однако качество выходного напряжения соответствует классическим двенадцатипульсным схемам.
Решение, выбранное за основной прототип, показано на фигуре 8. Из принципиальной схемы видно, что для получения двадцатичетырехпульсаций выходного напряжения, используются два силовых трансформатора, при этом вторичные обмотки группируются в пары, взятые с разных трансформаторов. Поскольку первичная обмотка одного трансформатора включена звездой, а первичная обмотка второго включена треугольником, то образуется 6-фазная система вторичных напряжений, обладающая равным углом сдвига между фазами. Две пары выпрямительных мостов, каждая из которых образует двенадцатипульсную схему выпрямления, соединяются последовательно и согласно между собой, образуя на выходе 24 пульсации выпрямленного напряжения.
Принципиальная схема предлагаемого варианта представлена на фигуре 9. Решение направлено на реализацию двадцатичетырехпульсной схемы выпрямления, с уменьшенным расходом числа витков и соответствующим улучшенными габаритными показателями по сравнению с прототипом. Для этого предлагается соединить все четыре вторичных обмотки по схеме звезда, и расположить на двух трансформаторах (по две вторичные обмотки на каждом), данные вторичные обмотки объединяются в пары, смещенные относительно друг друга - за счет использования комбинации двух первичных обмоток: звездой (на первом трансформаторе) и зигзагом (на втором трансформаторе). В таком случае происходит снижение числа витков за счет полного отказа от обмоток по схеме треугольник, и снижение числа используемых обмоток по схеме зигзаг с трех до одной (относительно классической схемы, представленной на фигуре 5).
В предлагаемом решении, показанном на фигуре 9, два трехфазных силовых трансформатора, питаемых от общей трехфазной сети, имеют по две вторичные обмотки каждый с соотношением витков в них равном натуральному числу е (приближенно равно 1:2,72). Выпрямительные трехфазные мосты, подключенные к вторичным обмоткам, объединяются в пары, подключенные к вторичным обмоткам с одинаковым числом витков. Выпрямительные трехфазные мосты в парах включаются параллельно, пары мостов между собой включаются последовательно и согласно.
Особенность работы выпрямителя заключается в следующем. Вторичные обмотки с большим числом витков образуют пару, расположенную на разных трансформаторах, и участвуют в формировании пульсаций большего напряжения. Также и вторичные обмотки с меньшим (в 2,72 раз) числом витков располагаются на разных трансформаторах, и образуют пару, формирующую "боковые пульсации". При этом максимумы выходного напряжения пары мостов с меньшим напряжением совпадают с минимумами пары основных мостов (с большим числом витков), и наоборот. На выходе выпрямителя после суммирования напряжения обеих пар трехфазных мостов формируется напряжение с 24 симметричными пульсациями за период питающей сети (фигура 10).
Отличие предлагаемого выпрямителя от прототипа заключается, главным образом, в наличии 24 пульсаций выпрямленного напряжения, достигаемого только при особом соотношении числа витков, равном приближенно 2,72 (точное значение равно натуральному числу е). Точное соблюдение этой пропорции обеспечивает симметрию пульсаций выходного напряжения, однако по технологическим причинам допустимо некоторое приближение значения, не имеющее существенного влияния на результат, и обеспечивающее приемлемое качество взаимной симметрии пульсаций.
При предлагаемом варианте выпрямителя половина силовых полупроводниковых вентилей может быть неуправляемыми диодами, другая - должна быть управляемыми полупроводниковыми приборами (например, полностью управляемыми тиристорами типа IGCT, либо транзисторами типа IGBT). Замена половины вентилей на диоды снижает стоимость полупроводниковых приборов в составе себестоимости преобразователя и обеспечивает минимальное тепловыделение. При использовании комплектов полностью управляемых вентилей в обоих парах выпрямительных мостов, становится возможной глубокая плавная регулировка выходного напряжения выпрямителя. Индуктивность вторичных обмоток, питающих управляемый мост, является уменьшенной благодаря малому числу витков, поэтому предлагаемому выпрямителю свойственна улучшенная электромагнитная совместимость при коммутации отводов упомянутой вторичной обмотки.
Следует отметить, что вторичные трехфазные обмотки, группируемые в пары, имеют несимметричный фазовый сдвиг относительно друг друга, что вызвано заменой первичной трехфазной обмотки треугольник на обмотку типа зигзаг. Таким образом, впервые в преобразовательной технике, для получения симметричных выходных пульсаций, применена 6-фазная система напряжений, имеющая несимметрию фазового сдвига.
Предлагаемое техническое решение является новым, имеющим следующие принципиальные отличия от прототипа:
для получения двадцатичетырех пульсаций выходного выпрямленного напряжения используется особое соотношение числа витков между парами вторичных обмоток, равное натуральному числу е (приближенно 2,72);
применением четырех вторичных обмоток, соединенных звездой, и имеющим несимметричный фазовый сдвиг между обмотками с равным числом витков, расположенными на разных трансформаторах, достигается получение двадцатичетырех симметричных пульсаций выходного напряжения;
первичная обмотка одного силового трансформатора выполняется по схеме звезда, первичная обмотка другого силового трансформатора выполняется по схеме зигзаг, вторичные обмотки объединяются в пары с одинаковым числом витков, а подключенные к упомянутым парам обмоток выпрямительные трехфазные мосты включаются параллельно, при последовательном согласном соединении пар включенных параллельно выпрямительных мостов между собой.
Таким образом, совокупность существенных признаков полезной модели приводит к новому техническому результату - получению выпрямленного напряжения с двадцатичетырьмя пульсациями, при одновременном упрощении конструкции обмоток и уменьшении габаритов. Кроме того, полный отказ от использования трехфазных обмоток включенных треугольником, позволяет не только улучшить габариты, но и избежать возникновения кольцевых уравнительных токов, протекающих в обмотках по схеме треугольник при наличии несимметрии формы или уровня напряжения в трехфазной питающей силовой сети.
Краткое описание чертежей. На фигуре 1 изображена схема соединений обмоток трехфазных трансформаторов звездой. На фигуре 2 изображена схема соединений обмоток трехфазных трансформаторов по схеме треугольником. На фигуре 3 изображена схема соединений обмоток трехфазных трансформаторов по схеме зигзаг. На фигуре 4 изображена принципиальная схема классического двенадцатипульсного выпрямителя с параллельным включением мостов. На фигуре 5 изображена принципиальная схема классического двадцатичетырехпульсного выпрямителя с параллельным включением мостов. На фигуре 6 изображена принципиальная схема двенадцатипульсного выпрямителя с "боковыми" пульсациями. На фигуре 7 изображен график работы двенадцатипульсного выпрямителя с "боковыми" пульсациями. Здесь 4 - формируемое вспомогательным мостом напряжение, 5 - формируемое основным мостом напряжение, 6 - выходное напряжение. На фигуре 8 изображена принципиальная схема двадцатичетырехпульсного выпрямителя с "боковыми" пульсациями при соединении первичной обмотки второго трансформатора по схеме треугольник. На фигуре 9 изображена принципиальная схема двадцатичетырехпульсного выпрямителя с "боковыми" пульсациями при соединении первичной обмотки второго трансформатора по схеме зигзаг. На фигуре 10 изображен график работы двадцатичетырехпульсного выпрямителя с "боковыми" пульсациями при соединении первичной обмотки второго трансформатора по схеме зигзаг. Здесь 4 - напряжение вспомогательной пары мостов, 5 - напряжение основной пары мостов, 6 -выходное напряжение.
Список использованной литературы.
1. Зиновьев Г.С. Силовая электроника. / Г.С. Зиновьев. - М.: Изд-во Юрайт, 2012. 667 с.
2. Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов. / П.М. Тихомиров - М.: Изд-во Альянс, 2013. 528 с.
3. С.С. Абрамов, Е.Н. Коптяев Двенадцатипульсный выпрямитель // Патент России №144830; 2014. Бюл. №25.
4. Е.Н. Коптяев, В.М. Балашевич, С.С. Абрамов Выпрямитель с боковыми пульсациями для силовой энергетики // Электричество. - 2017. - №7, с. 55-59.
5. Кузнецов К.Б. Уровни напряженностей магнитных полей от высших гармонических составляющих выпрямленного тока. / К.Б. Кузнецов, А.Р. Закирова, И.М. Кирпичникова, Ю.И. Аверьянов // Вестник ЮУрГУ - 2017. - т. 17, №3, с. 55-59
6. Коптяев Е.Н. Многопульсный выпрямитель для электроэнергетики / С.С. Абрамов, И.А. Вечеров, М.Л. Ивлев, Е.Н. Коптяев // Научно-технические ведомости Севмашвтуза - 2017. - №2, с. 56-63, опубликовано 29.10.2017
7. Дмитриев Б.Ф. Судовые полупроводниковые преобразователи: учебник. / Б.Ф. Дмитриев, В.М. Рябенький, А.И. Черевко, М.М. Музыка. - Архангельск: Изд-во САФУ, 2015. - 556 с.