ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ (ВАРИАНТЫ)
AC-TO-DC VOLTAGE CONVERTER (VERSIONS)

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в первом варианте для преобразования трехфазного переменного напряжения в постоянное, 6-пульсное на двух однофазных трансформаторах, вторичные обмотки которых включены по мостовой схеме выпрямления на 4-х диодах, а во втором варианте - тоже в постоянное, 12-пульсное.
Известен преобразователь переменного напряжения в постоянное (аналог обоих вариантов), содержащий три однофазных трансформатора, первичные обмотки которых подключены к основным и дополнительным парам встречно-параллельно включенных вентилей, дополнительные пары указанных вентилей соединены в звезду, общая точка которой подключена к нулевому входному выводу, а вторичные обмотки подключены к входам однофазных выпрямителей, выходы которых соединены параллельно, образуя выпрямитель с числом вентилей, кратным шести, каждая первичная обмотка выполнена с отводом, подключенным к свободному выводу соответствующей дополнительной пары встречно-параллельно включенных вентилей, конец каждой указанной обмотки через соответствующую основную пару встречно-параллельно включенных вентилей подключен к выходному выводу, а начало указанной обмотки соединено с концом обмотки опережающей фазы, причем указанный отвод от первичной обмотки делит ее витки в отношении
1
где: w - число витков от начала первичной обмотки до отвода;
2
w - число витков от отвода до конца первичной обмотки (см. А.с. №995239, кл. Н02М 7/12, 24.03.81).
Недостатком этого преобразователя, обеспечивающего 12-пульсное или 6-пульсное выпрямление соответственно на 12-и или 6-и тиристорах, является сложность, заключающаяся в необходимости 3-х однофазных трансформаторов и 6-и диодов, угол проводимости каждого из которых равен 120 эл.град. или 60 эл.град. соответственно в случае соединения их по мостовой или однополупериодной схеме, что свидетельствует об относительно низком использовании диодов и вторичных обмоток по току.
Совокупность причин, препятствующих получению требуемого технического результата, заключается в том, что вторичная обмотка трехфазного трансформатора соединена в трехфазную группу. Противоречие заключается в том, что в процессе работы устройства должны быть задействованы все три фазных напряжения этой обмотки, т.е. 12 (или 6) интервалов дискретности по 30 (или 60) эл.град. каждый должны быть распределены между шестью диодами и тремя или шестью вторичными обмотками. Более плотному распределению препятствует завышенное количество этих обмоток и диодов.
Известен преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное (аналог первого 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, 01.06.87).
Недостатком этого преобразователя, обеспечивающего 6-пульсное выпрямление на 6-и тиристорах и 4-х диодах, является сложность конструктивного исполнения трансформаторов, связанная с необходимостью подключения вторичных обмоток по однополупериодной выпрямительной схеме, снижающей использование этих обмоток по мощности. Кроме того, сложность заключается в наличии промежуточного вывода в каждой первичной обмотке, делящего ее на равные части для равномерного распределения нагрузки между диодами и трансформаторами.
Наличие промежуточных выводов приводит к тому, что в двух из шести интервалах дискретности к нагрузке подключаются параллельно вторичные обмотки двух трансформаторов при последовательном подключении к сети половинного числа витков их первичных обмоток, а в остальных интервалах дискретности к нагрузке подключается вторичная обмотка только одного из трансформаторов. По этой причине две из шести пульсаций в форме выпрямленного напряжения имеют несколько большую амплитуду. Возможная замена промежуточных выводов крайними для подключения той же пары тиристоров создает неравные углы проводимости вторичных обмоток разных трансформаторов и подключенных к ним диодов.
Недостатком является также относительно невысокое использование диодов по току (угол проводимости каждого диода с двухступенчатой формой тока равен 120 эл.град.).
Совокупность причин, препятствующих получению требуемого технического результата, заключается в нарушении нормальной работы преобразователя в случае подключения замкнутого соединения вторичных обмоток его трансформаторов по мостовой схеме (при разомкнутом соединении вторичных обмоток его трансформаторов по мостовой схеме на 4-х диодах невозможен баланс ампер-витков). Кроме того, она 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.
Известен преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное (аналог второго варианта), содержащий шесть двухполюсников, выполненных в виде встречно-параллельно включенных управляемых вентилей, два однофазных трансформатора с вторичными фазными обмотками, подключенными к входам однофазных выпрямителей, выходы которых соединены параллельно, образуя выпрямитель с числом вентилей, кратным четырем, с двумя первыми первичными фазными обмотками, подключенными одной парой разноименных или одноименных крайних выводов обеих обмоток к двум фазным входным выводам, промежуточными выводами от √3/2 части их витков, отсчитываемых от указанных фазных входных выводов, - к первому двухполюснику, а другой парой крайних выводов через второй и третий двухполюсники - к нулевому входному выводу, с двумя вторыми соответственно встречно или согласно последовательно включенными первичными фазными обмотками, образующими с четвертым двухполюсником последовательную цепь, включенную между нулевым входным выводом и общей точкой пятого и шестого двухполюсников, с двумя третьими первичными фазными обмотками, третьи первичные фазные обмотки соединены соответственно встречно или согласно последовательно и включены между третьим фазным входным выводом и общей точкой пятого и шестого двухполюсников, свободные выводы которых подключены соответственно ко второму и третьему двухполюсникам, причем соотношение чисел витков первой и третьей первичных обмоток равно  (см. А.с. №1580508, кл. Н02М 7/17, 11.01.88).
Недостатком этого преобразователя, обеспечивающего 12-пульсное выпрямление на 12-и тиристорах, является сложность конструктивного исполнения трансформаторов, связанная с необходимостью подключения вторичных обмоток по однополупериодной выпрямительной схеме, снижающей использование этих обмоток по мощности. Недостатком является также то, что в одних интервалах дискретности загружается один из трансформаторов, а в других - оба. Это приводит к формированию неравных амплитуд пульсаций в форме выпрямленного напряжения. Угол проводимости каждого диода равен 120 эл.град.
Совокупность причин, препятствующих получению требуемого технического результата, заключается в нарушении нормальной работы преобразователя в случае замкнутого соединения вторичных обмоток его трансформаторов по мостовой схеме (при разомкнутом соединении вторичных обмоток его трансформаторов по мостовой схеме на 4-х диодах невозможен баланс ампер-витков). Кроме того, она заключается в неравных условиях проводимости тиристоров, подключенных к промежуточным и крайним выводам и, как следствие, в неравных токах диодов, проявляющихся в виде «биений» в форме выпрямленного напряжения.
Наиболее близким к первому варианту техническим решением является первый вариант преобразователя переменного напряжения в постоянное (прототип), содержащего 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, 08.05.2008).
Недостатком этого 6-пульсного преобразователя является невозможность подключения имеющейся конфигурации вторичных обмоток трансформаторов по мостовой схеме для дальнейшего повышения использования вторичных обмоток по мощности (за счет удвоения использования их по напряжению), а неодинаковое распределение нагрузки между первичными обмотками препятствует унификации магнитопроводов. Основным недостатком является сложное конструктивное исполнение трансформатора для магнитопроводов стержневого типа, а для витых ленточных кольцевидной формы - ограничение по верхнему пределу мощности преобразователя.
Совокупность причин, препятствующих получению требуемого технического результата, заключается в том, что, при подключении по мостовой схеме имеющейся конфигурации вторичных обмоток трансформаторов, эти обмотки дважды за период входят в режим переходного процесса, при котором возрастающие и убывающие волны тока периодически оказываются относительно друг друга в противофазе в общей неразветвленной цепи вторичной обмотки. Кроме того, угол проводимости одной из первичных обмоток равен 240 эл.град., а другой - 120 эл.град., т.е. сечения этих обмоток отличаются в  раз.
Наиболее близким ко второму варианту техническим решением является второй вариант того же преобразователя (см. патент №2358379, кл. Н02М 7/155, 08.05.2008) переменного напряжения в постоянное (прототип), содержащего два однофазных трансформатора с первичными и вторичными обмотками, например секционированными, подключенными каждая первичная первым крайним выводом к фазному входному выводу, а вторым крайним выводом и промежуточным выводом, делящим ее число витков в отношении 1:(√3-1), большее из которых отсчитывается от первого крайнего вывода, к первым общим точкам встречно-параллельно включенных управляемых вентилей, вторые общие точки которых соединены соответственно с входным выводом смежной фазы и нулевым входным выводом, третьей первичной обмоткой, подключенной аналогично первым двум крайними выводами к соответствующим фазным входным выводам, двумя вторичными обмотками, 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, дополнительные встречно-параллельно включенные управляемые вентили, в любой полости, образованной вторичной обмоткой, размещен один стержень с первичной обмоткой каждого трансформатора, общий вывод вторичных обмоток подключен ко второму выходному выводу, третья первичная обмотка выполнена на одном трансформаторе, а на другом - дополнительная первичная обмотка, с числом витков, равным числу витков основной между первым крайним и промежуточным выводами, подключенная одним выводом к первому крайнему выводу третьей первичной обмотки, а другим - к первой общей точке упомянутых дополнительных вентилей, вторая общая точка которых соединена с нулевым входным выводом.
Стержень каждого трансформатора может быть навит из стальной ленты и имеет в продольном сечении кольцевидную форму, а в общей полости вторичных обмоток размещены стержни обоих трансформаторов.
Преобразователь может содержать межфазный распределитель тока, выполненный на дополнительном трансформаторе, первичная обмотка которого соединена в «звезду» и подключена одними выводами и общей точкой других выводов соответственно к фазным и нулевому входным выводам.
Недостатком этого 12-пульсного преобразователя является невозможность подключения имеющейся конфигурации вторичных обмоток трансформаторов по мостовой схеме для дальнейшего повышения использования вторичных обмоток по мощности. Основным недостатком является сложное конструктивное исполнение трансформатора для магнитопроводов стержневого типа, а для витых ленточных кольцевидной формы - ограничение по верхнему пределу мощности преобразователя.
Совокупность причин, препятствующих получению требуемого технического результата, заключается в том, что, при подключении по мостовой схеме имеющейся конфигурации вторичных обмоток трансформаторов, эти обмотки шесть раз за период входят в режим переходного процесса, при котором возрастающие и убывающие волны тока периодически оказываются относительно друг друга в противофазе в общей неразветвленной цепи вторичной обмотки.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, заключается в реализации возможности работы преобразователя при условии подключения выполненных на разных магнитопроводах вторичных обмоток его трансформаторов по схеме мостового выпрямителя, независимо от периодичности (m=6 или m=12) выпрямления, а также возможности при этом в одном из приложений первого варианта одинакового распределения нагрузки между первичными обмотками магнитопроводов, с учетом отсутствия «биений» в форме выпрямленного напряжения, получения угла проводимости каждого диода 180 эл.град. и с неограниченным верхним пределом мощности.
Эта задача в первом варианте изобретения решается тем, что преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий трансформатор на двух магнитопроводах с первичными обмотками, подключенными каждая одним выводом к первому выводу соответствующего основного двухполюсника, второй вывод которого соединен с соответствующим фазным входным выводом, а свободным выводом - непосредственно к входному выводу смежной фазы, дополнительный двухполюсник, подключенный первым выводом к крайнему выводу одной первичной обмотки, а вторым выводом к соответствующему выводу цепи, содержащей основной двухполюсник и другую первичную обмотку, и замыкающий первую последовательную цепь, состоящую из всех трех двухполюсников и одной из первичных обмоток, кроме того, трансформатор содержит вторичные обмотки, образующие последовательно соединенную цепь с выводом средней точки, подключенную одним крайним выводом к электроду основного диода, другой электрод которого соединен с одноименным с ним электродом другого основного диода и выводом нагрузки, при этом каждый двухполюсник обладает двусторонней проводимостью и содержит, по крайней мере, один управляемый вентиль, содержит дополнительные диоды, соответствующий электрод одного из которых соединен с упомянутым крайним выводом последовательной цепи вторичных обмоток, размещенных на разных магнитопроводах, одноименный с ним электрод другого диода соединен со свободным электродом основного диода и упомянутой средней точкой, одноименные свободные электроды дополнительных диодов соединены со свободным выводом нагрузки, крайние выводы упомянутой цепи вторичных обмоток замкнуты, один из двухполюсников выполнен полностью управляемым.
Дополнительный двухполюсник может дополнительно замыкать вторую последовательную цепь (далее везде первый дополнительный двухполюсник), состоящую из одного основного двухполюсника, обеих первичных обмоток и пары фазных входных выводов.
Дополнительный двухполюсник может дополнительно замыкать третью последовательную цепь (далее везде второй дополнительный двухполюсник), состоящую из одного основного двухполюсника и пары фазных входных выводов.
В преобразователь, в котором дополнительный двухполюсник замыкает вторую последовательную цепь, может быть введен еще один дополнительный двухполюсник, замыкающий третью последовательную цепь, состоящую из одного основного двухполюсника и пары фазных входных выводов.
Каждый двухполюсник может быть выполнен в виде тиристора, включенного в диагональ моста на вспомогательных диодах, причем тиристор одного из двухполюсников выполнен со звеном принудительной коммутации.
Каждый двухполюсник может быть выполнен в виде тиристоров, образующих совместно с вспомогательными диодами полууправляемый мост, причем тиристоры одного из двухполюсников выполнены со звеном принудительной коммутации.
Полностью управляемый двухполюсник может быть выполнен в виде встречно-последовательно включенных двухоперационных тиристоров, с каждым из которых встречно-параллельно включен или интегрирован в его полупроводниковую структуру вспомогательный диод.
Каждый естественно запираемый двухполюсник может быть выполнен в виде встречно-параллельно включенных тиристоров.
Каждый естественно запираемый двухполюсник может быть выполнен в виде встречно-параллельно включенных диодно-тиристорных ветвей.
Дополнительный двухполюсник, замыкающий вторую последовательную цепь, выполнен полностью управляемым, одна пара одноименных обмоток, приведенных к одному магнитопроводу, включена встречно-последовательно, а другая - согласно-последовательно.
Дополнительный двухполюсник замыкает вторую последовательную цепь, основной двухполюсник, включенный в ту же последовательную цепь, выполнен полностью управляемым, а обе пары одноименных обмоток, приведенных к одному магнитопроводу, включены согласно-последовательно.
Дополнительный двухполюсник замыкает третью последовательную цепь, основной двухполюсник, включенный в третью последовательную цепь, выполнен полностью управляемым, одна пара одноименных обмоток, приведенных к одному магнитопроводу, включена встречно-последовательно, а другая - согласно-последовательно.
Дополнительный двухполюсник замыкает третью последовательную цепь, основной двухполюсник, включенный вне третьей последовательной цепи, выполнен полностью управляемым, а обе пары одноименных обмоток, приведенных к одному магнитопроводу, включены согласно-последовательно.
В преобразователе с двумя дополнительными двухполюсниками дополнительный двухполюсник, замыкающий вторую последовательную цепь, выполнен полностью управляемым, одна пара одноименных обмоток, приведенных к одному магнитопроводу, включена встречно-последовательно, а другая - согласно-последовательно.
Во втором варианте изобретения эта задача решается тем, что преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий трансформатор на двух магнитопроводах с первичными обмотками, подключенными каждая первым крайним выводом к фазному входному выводу, а вторым крайним выводом и промежуточным выводом, делящим ее число витков в отношении 1:(√3-1), большее из которых отсчитывается от первого крайнего вывода, к первым выводам основных двухполюсников, вторые выводы которых соединены соответственно с входным выводом смежной фазы и нулевым входным выводом, третьей первичной обмоткой, выполненной на одном магнитопроводе и подключенной аналогично первым двум совместно с последовательно соединенным с ней первым дополнительным двухполюсником к соответствующим фазным входным выводам, четвертой первичной обмоткой, выполненной на другом магнитопроводе с числом витков, равным числу витков основной между первым крайним и промежуточным выводами, подключенной одним выводом к первому крайнему выводу третьей первичной обмотки, а другим - к первому выводу второго дополнительного двухполюсника, второй вывод которого соединен с нулевым входным выводом, вторичными обмотками, образующими последовательно соединенную цепь с выводом средней точки, подключенную одним крайним выводом к электроду основного диода, другой электрод которого соединен с одноименным с ним электродом другого основного диода и выводом нагрузки, при этом каждый двухполюсник обладает двусторонней проводимостью и содержит, по крайней мере, один управляемый вентиль, содержит дополнительные диоды, соответствующий электрод одного из которых соединен с упомянутым крайним выводом последовательной цепи вторичных обмоток, размещенных на разных магнитопроводах, одноименный с ним электрод другого - со свободным электродом основного диода и упомянутой средней точкой, одноименные свободные электроды дополнительных диодов соединены со свободным выводом нагрузки, крайние выводы упомянутой цепи вторичных обмоток замкнуты, а второй дополнительный двухполюсник выполнен полностью управляемым.
Каждый двухполюсник может быть выполнен в виде тиристора, включенного в диагональ моста на вспомогательных диодах, причем тиристор одного из двухполюсников выполнен со звеном принудительной коммутации.
Каждый двухполюсник может быть выполнен в виде тиристоров, образующих совместно с вспомогательными диодами полууправляемый мост, причем тиристоры одного из двухполюсников выполнены со звеном принудительной коммутации.
Второй дополнительный двухполюсник может быть выполнен в виде встречно-последовательно включенных двухоперационных тиристоров, с каждым из которых встречно-параллельно включен или интегрирован в его полупроводниковую структуру вспомогательный диод.
Каждый естественно запираемый двухполюсник может быть выполнен в виде встречно-параллельно включенных тиристоров.
Каждый естественно запираемый двухполюсник может быть выполнен в виде встречно-параллельно включенных диодно-тиристорных ветвей.
Преобразователь может содержать межфазный распределитель тока (МРТ), выполненный на дополнительном трансформаторе, фазные обмотки которого подключены одними выводами и общей точкой других выводов соответственно к фазным и нулевому входному выводам.
Независимо от конфигурации схемы МРТ он должен содержать общий вывод, соединенный с нулевым входным выводом, через который течет ток, разветвляющийся далее на две или три части, каждая из которых напрямую или, в свою очередь, разветвляясь на равные или неравные части, поступает в одну из фаз питающей сети. Различаются трансформаторы этих распределителей числом и типом магнитопроводов, конфигурацией и расчетной мощностью трехфазной группы обмоток.
Например, в одном случае (см. патент №2365019 от 04.07.2008. Устройство для межфазного распределения тока.) МРТ содержит трансформатор, выполненный на двух магнитопроводах с фазными обмотками, соединенными в разомкнутую последовательную цепь, подключенными каждая промежуточным выводом к нулевому входному выводу, а крайними выводами к соответствующему фазному входному выводу, при этом промежуточный вывод делит число витков каждой фазной обмотки на неравные части, вдвое меньшие из которых соединены с разноименными фазными входными выводами.
В другом случае (см. патент №2379818 от 15.07.2008. Устройство для межфазного распределения тока.) МРТ содержит трансформатор, выполненный на трех магнитопроводах с фазными обмотками, соединенными в замкнутую последовательную цепь, подключенными каждая промежуточным выводом к нулевому входному выводу, а крайним выводом к соответствующему фазному входному выводу, при этом промежуточный вывод делит число витков каждой фазной обмотки на равные части.
Технический результат, достигаемый в обоих вариантах предлагаемого относительно прототипа, заключается в снятии ограничения для верхнего предела мощности преобразователя за счет реализации возможности подключения замкнутого соединения вторичных обмоток по мостовой схеме при переходе к магнитопроводам стержневого типа, упрощении конструктивного исполнения стержневых трансформаторов, а также получении в одном из приложений первого варианта равенства сечений первичных обмоток, при том же суммарном коэффициенте использования обмоток трансформаторов по мощности и диодов по току. Снижается вдвое обратное напряжение диодов.
Технический результат, достигаемый в обоих вариантах предлагаемого относительно аналогов, заключается в упрощении конструктивного исполнения трансформаторов и повышении использования их вторичных обмоток по мощности. В первом варианте устраняются вышеупомянутые «биения» в форме выпрямленного напряжения, а в частном случае использования дополнительной пары управляемых вентилей и выбранного алгоритма их работы достигается равенство сечений первичных обмоток. При этом угол проводимости диодов увеличивается до 180 эл.град.
На фиг.1 приведена принципиальная схема преобразователя трехфазного переменного напряжения в постоянное, 6-пульсное с первым дополнительным полностью управляемым двухполюсником; на фиг.2 - с первым дополнительным двухполюсником и основным полностью управляемым двухполюсником; на фиг.3 - со вторым дополнительным двухполюсником и основным полностью управляемым двухполюсником; на фиг.4 - со вторым дополнительным двухполюсником и другим основным полностью управляемым двухполюсником; на фиг.5 - с первым и вторым дополнительными двухполюсниками, первый из которых выполнен полностью управляемым; на фиг.6 приведена принципиальная схема преобразователя трехфазного переменного напряжения в постоянное, 12-пульсное со вторым дополнительным полностью управляемым двухполюсником.
Преобразователь на фиг.1 содержит два основных двухполюсника, один из которых выполнен в виде встречно-параллельно включенных тиристоров 1, 2, а другой аналогично 3, 4, а также первый дополнительный двухполюсник, выполненный на двухоперационных (далее везде - запираемых) тиристорах 5, 6 и вспомогательных диодах 7, 8, соединенных по схеме короткозамкнутого однофазного моста с анодной группой тиристоров и катодной группой диодов, трансформаторы, выполненные на магнитопроводах 9, 10 с первичными (вторичными) обмотками соответственно 11, 12 (13, 14). Вторичные обмотки 13, 14 соединены согласно-последовательно и подключены общими точками разноименных выводов (конец обмотки 13 соединен с началом обмотки 14, анодом диода 17 и катодом диода 18, а конец обмотки 14 соединен с началом обмотки 13, анодом диода 15 и катодом диода 16) к входу моста на диодах 15-18, между общими точками разноименных электродов которых включена нагрузка 19. Конец (начало) обмотки 11 (12) подключен к входному выводу фазы А (С), начало (конец) обмотки 11 (12) подключено к одному выводу встречно-параллельно соединенной пары тиристоров 1, 2 (3, 4), другой вывод которых подключен к входному выводу фазы В. Между началами обмоток 11 и 12 подключены входные выводы короткозамкнутого однофазного моста на запираемых тиристорах 5, 6 и диодах 7, 8 первого дополнительного двухполюсника.
Тиристоры и диоды преобразователя в течение периода выпрямленного напряжения проводят соответствующие токи в следующей очередности: 1-17-16, 5-7-17-16, 3-15-18, 2-15-18, 6-8-15-18, 4-17-16. Как видно, угол проводимости каждого тиристора 60 эл.град., а диода вторичного моста - 180 эл.град. При этом угол проводимости обмоток трансформатора 9 (10) равен 240 (120) эл.град.
В преобразователе имеют место три различных типа коммутационных процессов.
1. Естественная коммутация между тиристорами 1, 2 и 5, 6 в виде внутреннего процесса работы только одного трансформатора 9, при котором протеканию тока во вторичной обмотке 14 препятствуют запертые тиристоры 3, 4.
2. Принудительная коммутация между тиристорами 5, 6 и 3, 4 для предотвращения развития короткого замыкания внутри контура вторичных обмоток 13, 14 в течение данного процесса коммутации. Каждый запираемый тиристор должен поддерживаться в запертом состоянии вплоть до включения парного с ним запираемого тиристора.
3. Естественная коммутация между тиристорами 3, 4 и 1, 2, при которой протеканию тока во вторичной обмотке 14 препятствует встречная полярность напряжений в процессе коммутации внутри контура обмоток 13, 14 и, как следствие, небаланс ампер-витков при выключении тиристорами 3 или 4 первичной обмотки 12 трансформатора 10.
Из фиг.1 видно, что первый дополнительный двухполюсник с запираемыми тиристорами 5, 6 и диодами 7, 8 замыкает последовательную цепь, содержащую первичные обмотки 11, 12, двухполюсник с тиристорами 3, 4 и фазные входные выводы А, В и, вместе с тем, последовательную цепь, содержащую все двухполюсники и первичную обмотку 12. При этом если приведенные к одному из трансформаторов первичные обмотки включить согласно-последовательно, то их вторичные обмотки необходимо включить встречно-последовательно, т.к. только в этом случае запираемые тиристоры 5, 6 защищают контур вторичных обмоток 13, 14 от короткого внутреннего замыкания.
В основных двухполюсниках вместо каждой пары тиристоров 1, 2 и 3, 4 можно использовать симметричный тиристор. Это содействует возможности использования в двухполюсниках с естественно запираемыми тиристорами минимального количества полупроводниковых элементов. В промышленной сети 3-фазного напряжения величина межфазовой амплитудной асимметрии может существенно превышать разность падений напряжений между контурами первичной цепи преобразователя с дополнительным и каждым из основных двухполюсников (в случае неодинакового количества их полупроводниковых элементов), и поэтому эта разность, с учетом значительного импеданса первичных обмоток трансформатора, не оказывает заметного влияния на симметрию формы выпрямленного напряжения. Однако в случае подключения преобразователя к пониженному 3-фазному напряжению основные двухполюсники могут быть выполнены аналогично дополнительному, но на естественно запираемых тиристорах и вспомогательных диодах, в частности, путем включения их во встречно-параллельные ветви, каждая из которых состоит из согласно-последовательно соединенных тиристора и диода. Это сводит к минимуму разность падений напряжений в разных контурах первичной цепи преобразователя. Двухполюсник, пренебрегая потерями, может быть выполнен и на одном тиристоре, запираемом естественно или принудительно, путем включения его в диагональ (между выходными выводами) моста на 4-х вспомогательных диодах (см. B.C.Руденко, В.И.Сенько, И.М.Чиженко. Основы преобразовательной техники. М., 1980 г., стр.172).
В случае применения запираемых тиристоров вспомогательные диоды дополнительно выполняют функцию так называемых «антипараллельных» и, проводя обратный ток, защищают запираемый тиристор от перенапряжения индуктивного характера. Кроме того, эти диоды дополнительно используются для обеспечения адекватной работы запираемых тиристоров при больших углах отпирания, т.е. в зоне первичных токов, сравнимых по величине с током удержания и намагничивающим (см. ООО ЦПМК РУСТЭЛ - официальный импортер "ABB Switzerland Semiconductors " по URL-адресу http://www.fmccrustel.ru/cat_index.php?cid=911). Уместно отметить, что во всех управляемых с первичной стороны преобразовательных устройствах с сильно понижающим коэффициентом трансформации, с целью упрощения управления макетным образцом при больших углах отпирания тиристоров, можно использовать шунтирование каждой первичной обмотки трансформатора небольшим по величине резистором.
«Антипараллельный» диод может быть интегрирован в полупроводниковую структуру каждого запираемого тиристора и соединен с ним встречно-параллельно в процессе заводского изготовления. На фиг.1 это диод 8 (7) с тиристором 5 (6). В этом случае полностью управляемый дополнительный двухполюсник представляет собой встречно-последовательное соединение двух указанных запираемых тиристоров.
В случае применения в полностью управляемом дополнительном двухполюснике одного или двух однооперационных тиристоров вспомогательные диоды также необходимы для обеспечения принудительной коммутации этих тиристоров (см. Бар В.И. Основы преобразовательной техники. Курс лекций. Тольятти, 2002, стр.83, рис.16.2а, рис.16.2б).
Целесообразно более обстоятельно описать общий принцип функционирования вторичных обмоток трансформаторов преобразователя, выявленный в процессе его построения. Схему соединения указанных вторичных обмоток можно представить в виде «треугольника» с короткозамкнутой соединительной цепью вместо вычлененной из него одной из трех фазных обмоток.
Привычное представление о «треугольнике» вторичных обмоток связано с тем, что, при прочих равных условиях, геометрическая сумма первых гармоник его трех фазных напряжений и токов должна быть равна нулю:
Однако в преобразователях с управлением по первичной стороне трансформатора возможны и другие условия правильного функционирования «треугольника», например в 12-пульсном выпрямителе (см. А.с. №995240, кл. Н02М 7/12, 07.02.83) в соответствующей половине интервалов дискретности:
или
а в другом 12-пульсном выпрямителе (см. А.с. №995239, кл. Н02М 7/12, 24.03.81):
Последний из приведенных примеров свидетельствует о том, что, при управлении с первичной стороны, для правильного функционирования «треугольника», в процессе формирования очередной пульсации напряжения, необходимо и достаточно наличие всего одного из трех напряжений его фаз (см. напряжения в столбцах). Кроме того, равенство нулю того или иного напряжения может означать и возможность отсутствия создающей это напряжение обмотки трансформатора с последующим определением более предпочтительного варианта схемы. При этом протеканию фазного тока по другим фазным обмоткам «треугольника», в обход нагрузки, препятствует небаланс ампер-витков, создаваемый запертыми тиристорами. В предлагаемом преобразователе полностью управляемые двухполюсники с соответствующими управляемыми вентилями предотвращают опасное протекание тока в замкнутом контуре вторичных фазных обмоток в тех интервалах дискретности, в которых упомянутый небаланс ампер-витков не соблюдается.
Преобразователь на фиг.2 отличается от преобразователя на фиг.1 тем, что вместо двухполюсника с тиристорами 3, 4 подключен двухполюсник с тиристорами 5, 6 и диодами 8, 7, а вместо двухполюсника с тиристорами 5, 6 и диодами 8, 7 подключен двухполюсник с тиристорами 3, 4. Кроме того, один общий вывод первого дополнительного двухполюсника подключен к концу, а не к началу обмотки 12. Соответственно один общий вывод основного двухполюсника на тиристорах 5, 6 и диодах 8, 7 оказывается подключенным к началу, а не к концу обмотки 12. В результате полностью управляемым выполнен основной двухполюсник с тиристорами 5, 6 и диодами 8, 7.
Тиристоры и диоды преобразователя в течение периода выпрямленного напряжения проводят соответствующие токи в следующей очередности: 1-17-16, 4-17-16, 7-5-17-16, 2-15-18, 3-15-18, 8-6-15-18. Как видно, угол проводимости каждого тиристора 60 эл.град., а диода вторичного моста - 180 эл.град. При этом угол проводимости обмоток трансформатора 9 (10) равен 240 (120) эл.град.
Принудительное выключение тиристоров 5, 6 перед включением тиристоров 2, 1 защищает контур вторичных обмоток 13, 14 от короткого внутреннего замыкания. В преобразователе имеют место те же три различных типа коммутационных процессов. В связи с отсутствием магнитной связи между трансформаторами приведенные к одному из них первичные и вторичные обмотки могут быть включены и встречно-последовательно, но одинаково, т.е. одноименно-последовательно.
Из фиг.2 видно, что первый дополнительный двухполюсник с тиристорами 3, 4 замыкает последовательную цепь, содержащую первичные обмотки 11, 12, двухполюсник с запираемыми тиристорами 5, 6 и диодами 7, 8, фазные входные выводы А, В и, вместе с тем, последовательную цепь, содержащую все двухполюсники и первичную обмотку 12.
Преобразователь на фиг.3 отличается от преобразователя на фиг.2 тем, что вместо первого дополнительного двухполюсника с тиристорами 3, 4, подключенного между началом обмотки 11 и концом обмотки 12, подключен второй дополнительный двухполюсник с теми же тиристорами между концом обмотки 11 и началом обмотки 12, а приведенные к одному из трансформаторов первичные обмотки включены встречно-последовательно.
Из фиг.3 видно, что второй дополнительный двухполюсник с тиристорами 3, 4 замыкает последовательную цепь, содержащую двухполюсник с тиристорами 5, 6 и диодами 7, 8 и фазные входные выводы А, В и, вместе с тем, последовательную цепь, содержащую все двухполюсники и первичную обмотку 11.
При этом, если приведенные к одному из трансформаторов первичные обмотки включить согласно-последовательно, то их вторичные обмотки необходимо включить встречно-последовательно, т.к. только в этом случае выключение запираемых тиристоров 5, 6 перед включением тиристоров 2,1 защищает контур вторичных обмоток 13, 14 от короткого внутреннего замыкания. Очередность включения тиристоров и диодов в точности совпадает с очередностью для преобразователя на фиг.2. В преобразователе имеют место те же три различных типа коммутационных процессов. Угол проводимости обмоток трансформатора 9 вдвое меньше, чем в трансформаторе 10 и равен 120 эл.град.
Преобразователь на фиг.4 отличается от преобразователя на фиг.1 тем, что вместо первого дополнительного двухполюсника с тиристорами 5, 6 и диодами 7, 8, подключенного между началами обмоток 11 и 12, подключен второй дополнительный двухполюсник с тиристорами 3, 4 между концами обмоток 11 и 12. Вследствие этого полностью управляемым выполнен основной двухполюсник с запираемыми тиристорами 5, 6 и диодами 7, 8, подключенный одним общим выводом к началу обмотки 11, а другим - к входному выводу фазы В и к одному общему выводу основного двухполюсника с тиристорами 1, 2, другой общий вывод которого соединен с концом обмотки 12. В результате приведенные к одному из трансформаторов первичные и вторичные обмотки оказываются включенными согласно-последовательно, а могут быть включены и встречно-последовательно, но одинаково, т.е. одноименно-последовательно. Тиристоры и диоды преобразователя в течение периода выпрямленного напряжения проводят соответствующие токи в следующей очередности: 7-5-17-16, 4-15-18, 2-15-18, 8-6-15-18, 3-17-16, 1-17-16. Как видно, угол проводимости каждого тиристора 60 эл.град., а диода вторичного моста - 180 эл.град. При этом угол проводимости обмоток трансформатора 9 (10) равен 120 (240) эл.град. Здесь принудительное выключение тиристоров 5, 6 перед включением тиристоров 3, 4 защищает контур вторичных обмоток 13, 14 от короткого внутреннего замыкания. В преобразователе имеют место те же три различных типа коммутационных процессов. Из фиг.4 видно, что второй дополнительный двухполюсник с тиристорами 3, 4 замыкает последовательную цепь, содержащую основной двухполюсник с тиристорами 1, 2 и фазные входные выводы А, В и, вместе с тем, последовательную цепь, содержащую все двухполюсники и первичную обмотку 11.
Преобразователь на фиг.5 отличается от преобразователя на фиг.1 тем, что, кроме первого дополнительного двухполюсника с запираемыми тиристорами 5, 6 и диодами 7, 8, подключенного к началам обмоток 11, 12, содержит и второй дополнительный двухполюсник с тиристорами 20, 21, подключенный к концам обмоток 11, 12.
Тиристоры и диоды преобразователя в течение периода выпрямленного напряжения проводят соответствующие токи в следующей очередности: 1-17-16, (7-5-17-16, 20-15-18), 3-15-18, 2-15-18, (8-6-15-18, 21-17-16), 4-17-16. Здесь в каждой из двух скобок указаны номера вентилей, проводящих токи в течение половины одного интервала дискретности длительностью 60 эл.град., причем тиристоры 5, 6 (20, 21) проводят токи в течение первой (второй) половины соответствующего интервала. Как видно, угол проводимости каждого из тиристоров 1, 2, 3, 4 (5, 6, 20, 21) равен 60 (30) эл.град., а диода вторичного моста - 180 эл.град., при этом угол проводимости обмотки каждого трансформатора равен 180 эл.град.
Запираемые тиристоры 5, 6, совместно с тиристорами 20,21, обеспечивают возможность переключения питающего напряжения между трансформаторами не в конце, а в середине соответствующего из шести интервалов дискретности в течение каждого периода выпрямленного напряжения. Однако при этом на тиристоры основных и дополнительных двухполюсников ложится разная нагрузка. Но при сильно понижающем коэффициенте трансформации это не приводит к дальнейшему увеличению числа тиристоров.
Приведенные на фиг.1-4 схемы преобразователей 3-фазного переменного напряжения в постоянное, 6-пульсное, иллюстрируют разнообразие возможностей соединения обмоток трансформаторов и связанным с этим выбором точек подключения полностью управляемого двухполюсника. Схема преобразователя аналогичного назначения на фиг.5 иллюстрирует возможность усреднения расчетной мощности трансформаторов.
Преобразователь на фиг.6, в отличие от преобразователя на фиг.5, дополнительно содержит основной двухполюсник с встречно-параллельно включенными тиристорами 22, 23 (24, 25), один общий вывод которого подключен к нулевому входному выводу, а другой - к промежуточному выводу, делящему число витков обмотки 11 (12) на части в отношении 1:(√3-1), большая из которых отсчитывается от входного вывода фазы А (С). Кроме того, трансформатор преобразователя с первичной обмоткой 11 (12) дополнительно содержит обмотку 26 (27), конец которой подключен к входному выводу фазы В, а начало к одному общему выводу второго дополнительного двухполюсника с тиристорами 5, 6 и диодами 7, 8 (первого дополнительного двухполюсника с встречно-параллельно включенными тиристорами 20, 21), другой общий вывод которого подключен к нулевому входному выводу (к входному выводу фазы А). Число витков обмотки 27 равно числу витков обмотки 11 или 12 и в √3 раз больше числа витков обмотки 26. Преобразователь дополнительно содержит МРТ, выполненный на трехфазном трансформаторе 28, обмотка которого соединена в «звезду» и подключена концами к фазным входным выводам, а общей точкой начал - к нулевому входному выводу 0.
Тиристоры и диоды преобразователя в течение периода выпрямленного напряжения проводят соответствующие токи в следующей очередности: 21-17-16, 23-17-16, 1-17-16, 24-17-16, 3-17-16, 8-6-17-16, 20-15-18, 22-15-18, 2-15-18, 25-15-18, 4-15-18, 7-5-15-18. Как видно, угол проводимости каждого тиристора 60 эл.град., а диода вторичного моста - 180 эл.град. При этом угол проводимости вторичной обмотки каждого трансформатора равен 180 эл.град. Здесь принудительное выключение тиристоров 5, 6 перед включением тиристоров 21, 20 защищает контур вторичных обмоток 13, 14 от короткого внутреннего замыкания. Каждый запираемый тиристор должен поддерживаться в запертом состоянии вплоть до включения парного с ним запираемого тиристора.
Принцип действия МРТ, приведенного на фиг.6, заключается в делении тока нулевой последовательности на три равные части, распределяемые между фазными обмотками трансформатора МРТ и соответственно фазными входными выводами.
Подключение МРТ, в зависимости от его схемы, в той или иной мере увеличивает суммарную расчетную мощность и габариты трансформаторного оборудования преобразователя. Однако уместно принять во внимание, что, за счет компенсации в сети (путем межфазного распределения токов МРТ и геометрического сложения их с первичными фазными токами преобразовательного трансформатора) генерируемого преобразователем тока нулевой последовательности, МРТ снижает требуемую для питания преобразователя мощность сети. Подтверждением этому служит то, что несмотря на неравенство нулю суммы первичных фазных токов преобразовательного трансформатора сумма вторичных фазных токов сетевого трансформатора остается равной нулю. В результате отбираемая от трансформатора питающей сети мощность оказывается меньше мощности преобразовательного трансформатора (причем, без учета мощности трансформатора МРТ), пропорционально неравной нулю разности вторичного тока первого и первичного тока второго. По крайней мере, эл. счетчик, включенный между фазными входными выводами и выводами обмоток трансформатора МРТ, показывает при активной нагрузке примерно на 10,5% меньшую величину, чем тот же счетчик, включенный между выводами обмоток трансформатора МРТ и соответствующими выводами обмоток преобразовательного трансформатора. Таким образом, благодаря МРТ повышается экономичность предлагаемого 12-пульсного выпрямителя до уровня экономичности такого 12-пульсного выпрямителя, сумма первичных фазных токов которого равна нулю. При этом преимущественные технико-экономические показатели предлагаемого заключаются в возможности реализации двухполупериодного 12-пульсного выпрямления на двух трансформаторах и 4-х диодах с углом проводимости каждого диода 180 эл.град. При 6-пульсном выпрямлении те же показатели достигаются без МРТ и в еще более простом исполнении.