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

Изобретение относится к области преобразовательной техники, и может найти применение для питания потребителей постоянного тока.
Известен преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное, состоящий из двух последовательно соединенных трехфазных мостовых схем, питающихся от одного или двух трехфазных трансформаторов с обязательным соединением одной из обмоток в треугольник. (См., например, Каганов И.Л. Электронные и ионные преобразователи, ч.3. - М: Госэнергоиздат, 1956, с.161.)
Такой преобразователь, обеспечивая 12-кратную частоту пульсации выпрямленного напряжения, имеет существенный недостаток, заключающийся в повышенных потерях, поскольку выпрямленный ток протекает через четыре последовательно соединенных вентиля.
Известен преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащий силовой трансформатор с двумя группами одинаковых вторичных обмоток, соединенными в звезду каждая и связанными между собой через вентили, соединенные в замкнутое кольцо через три обмотки со средней точкой уравнительного реактора(прототип). (См. патент RU 2325025 CI, H02M 7/06. Опубликовано 20.05.2008, Бюл. №14.)
Недостатком этого преобразователя является получение только шестикратной частоты пульсации выпрямленного напряжения, а также невозможность работы схемы при соединении в треугольник каждой из вторичных обмоток (некуда подсоединить нагрузку), пониженный уровень выходного напряжения.
Технический результат заключается в улучшении качества выпрямленного напряжения за счет увеличения постоянной составляющей и частоты пульсации выше шестикратной; применении соединения всех вторичных обмоток не только в звезду, но и треугольник, получение более высоких значений выпрямленного напряжения от тех же вторичных обмоток, что и в прототипе, в возможности подключения дополнительной нагрузки и к нулевым точкам звезды.
Сущность заключается в том, что преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащий силовой трансформатор с двумя группами одинаковых вторичных обмоток, трехобмоточный уравнительный реактор и шесть вентилей, соединенных в замкнутое кольцо через обмотки уравнительного реактора, причем каждая фаза одной вторичной обмотки через вентили и обмотку уравнительного реактора связана с разноименными фазами второй вторичной обмотки, снабжен двумя группами вентилей, одна из которых состоит из трех вентилей, соединенных в один узел анодами (анодная группа), а другая - из трех вентилей, соединенных в один узел катодами (катодная группа), при этом свободные катоды первой группы подключены к фазам одной вторичной обмотки, а свободные аноды второй группы подключены к фазам второй вторичной обмотки, а к общей точке анодов и катодов этих вентилей включена нагрузка. Вторичные обмотки преобразователя могут быть соединены как в звезду, так и треугольник. Нагрузка может подключаться и к нулевым точкам звезд.
А
B
C
d
р.
a
На фиг.1 показана схема преобразователя при соединении вторичных обмоток в звезду, на фиг.2 - при соединении вторичных обмоток в треугольник, на фиг.3а-г - диаграммы вторичных фазных эдс е, e, е, выпрямленного напряжения e напряжения на реакторе u токов вентилей i.
1
2
3
Преобразователь (фиг.1) состоит из трансформатора, содержащего две группы вторичных обмоток 1 и 2, соединенных по схеме звезда каждая (первичные обмотки на фиг.1 не показаны), шести вентилей 3-8, соединенных в замкнутое кольцо через обмотки уравнительного реактора УР, выполненного в виде трех обмоток 9-11, расположенных на одном магнитопроводе 12. Обмотки 9-11 уравнительного реактора соединены между собой через вентили 3-8 согласно, по схеме "начало-конец". Каждая средняя точка 0, 0, 0 соответственно обмоток 9, 10 и 11 подключена к одной из фаз группы обмоток 2 так, что любая фазная обмотка группы 2 через половины обмоток уравнительного реактора и вентили соединена с разноименными фазными обмотками группы 1. К зажимам а, в, с фазных обмоток группы 1 подключены анодами три вентиля 13-15, катоды которых соединены вместе и образуют один выходной зажим преобразователя, к зажимам а′, b′, c′ фазных обмоток группы 2 подключены катодами три вентиля 16-18, аноды которых соединены вместе и образуют другой выходной зажим преобразователя. К выходным зажимам преобразователя подсоединяется нагрузка 19. Преобразователь допускает работу и при включенной между точками 0-0′ звезд дополнительной нагрузке 20.
На фиг.2 обмотки как группы 1 трехфазного трансформатора, так и группы 2 соединены в треугольник.
d
d
1
3
d
1
2
2
<mrow><mi>t</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>T</mi><mn>2</mn></mfrac></mrow>
<mrow><msubsup><mtext>t</mtext><mtext>0</mtext><mtext>'</mtext></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mtext>t</mtext><mtext>0</mtext><mtext>'</mtext></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mtext>t</mtext><mtext>1</mtext><mtext>'</mtext></msubsup></mrow>
Формирование выпрямленного напряжения e на нагрузке 19 при обеспечении низкого 12-пульсного уровня коэффициента пульсаций и высокого напряжения осуществляется в результате сочетания работы схем с уравнительным реактором с мостовой схемой. Так фаза а′ группы обмоток 2 вступает в работу в момент времени t=0 (фиг.3а) и заканчивает работу в момент времени
. При этом ток нагрузки I на соответствующих интервалах будет проходить: фаза а′, половина обмотки or УР, вентиль 6, зажим обмотки в группы 1, точку 0 звезды, фаза С вентиль 15, нагрузка 19, вентиль 17, фаза в группы 2. Вместе с вентилем 6 на интервале 0-t продолжает работу вентиль 7, от фазы c, половина обмотки реактора УР 0f, зажим в группы 1, фаза c и вентиль 15 до момента
и фаза а и вентиль 13 от
до момента t1, далее нагрузка 19, вентиль 17, фаза в. Сумма всех этих эдс и дает мгновенное значение выпрямленного напряжения e (фиг.3а). На интервале t-t сохраняется та же цепь протекания тока через вентиль 6, и одновременно половина тока фазы а′ будет проходить по цепи: фазная обмотка а′, половина обмотки 0g УР, вентиль 5, зажим с фазной обмотки группы 1, зажим а, вентиль 13, нагрузка 19, вентиль 17 до момента времени t1′ и вентиль 18 с момента
.
1
d
d
1
d
1
A
d
d
<mrow><msubsup><mtext>t</mtext><mtext>2</mtext><mtext>'</mtext></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mtext>t</mtext><mtext>2</mtext><mtext>'</mtext></msubsup></mrow>
<mrow><mi>t</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>T</mi><mn>2</mn></mfrac></mrow>
Начиная с момента 12 вступает в работу вентиль 4 и полуобмотка рo уравнительного реактора, а вентиль 6 заканчивает работу. При этом половина тока нагрузки I будет протекать через продолжающий работу вентиль 5 и от фазы в′ вентиль 4, фаза c группы обмоток 1, фаза а (до момента
), вентиль 13, нагрузка 19, вентиль 18, фаза c′; а с момента
- фаза в, вентиль 14 и далее так же, как после 13 вентиля. В момент
вентиль 5 заканчивает работу, и половина тока нагрузки 0.5I будет протекать через продолжающий работу вентиль 4, половину обмотки 0p УР, а вторая половина 0.5I - через часть обмотки 0е УР, вентиль 3,зажим фазы а группы 1, зажим фазы в и вентиль 14. Дальнейший порядок работы вентилей кольцевой схемы показан на фиг.3в, а вентилей анодной и катодной групп - на фиг.3г. Следует отметить, что длительность протекания анодного тока i для всех вентилей схемы равна 120 эл.град., при этом вентили кольцевой схемы 3-8 проводят половину тока нагрузки 0.5I, а вентили анодной и катодной групп 13-18 - полный ток нагрузки I.
Процессы работы преобразователя фиг.2 при соединении вторичных обмоток в треугольник будут такими же, как и описанные выше при соединении обмоток в звезду.
При необходимости получения более низкого уровня выпрямленного напряжения при шестикратной частоте пульсации используется схема фиг.1, в которой нагрузка 20 включается между нулевыми точками звезд 0 и 0′, а нагрузка 19 может быть как включенной, так может быть и отключена.
Моделирование и экспериментальная проверка преобразователя как при соединении вторичных обмоток в звезду (фиг.1), так и в треугольник (фиг.2) подтвердили его работоспособность в соответствии с диаграммами фиг.3. На фиг.4 показана схема модели при соединении вторичных обмоток звездой, на фиг.5 - результат моделирования этой схемы, на фиг.6 - схема модели и результат моделирования (осциллограммы) при соединении в треугольник.
Уравнительный реактор на фиг.4 и 6 образован тремя трансформаторами, магнитно-связанными вторичными обмотками.
По сравнению с известными решениями предлагаемое позволяет улучшить качество выпрямленного напряжения за счет увеличения постоянной составляющей и частоты пульсаций до 12, получить более высокие значения выпрямленного напряжения от тех же вторичных обмоток, что и в прототипе, использовать соединение всех вторичных обмоток как в звезду, так и в треугольник, уменьшить потери в вентилях, расширить функциональные возможности за счет подключения нагрузки и к нулевым точкам преобразователя.