РЕВЕРСИВНЫЙ МНОГОФАЗНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ

Область техники, к которой относится полезная модель. Полезная модель относится к области силовой электротехники и может быть использована для питания сетей постоянного тока и различного рода промышленных потребителей и технологических процессов.
Уровень техники. Из уровня техники известен трехфазный регулируемый преобразователь переменного напряжения в постоянное [патент РФ на изобретение №2331960], включающий в себя трехфазный преобразовательный трансформатор с первичной обмоткой, соединенной в «звезду», и двумя трехфазными вторичными обмотками. Одна из обмоток соединена по схеме звезды, другая по схеме треугольника. Также имеется вольтодобавочный трансформатор с одной трехфазной первичной и двумя трехфазными вторичными обмотками, соединенными в каждой фазе с вторичными обмотками преобразовательного трансформатора, и два идентичных и соединенных последовательно трехфазных выпрямительных моста. К фазам вторичной обмотки преобразовательного трансформатора, соединенной в «звезду», подключена вторичная обмотка вольтодобавочного трансформатора, последовательно с которой включен управляемый реактор, образующий совместно с вторичной обмоткой вольтодобавочного трансформатора цепь, параллельно которой включен неуправляемый реактор, концы обмоток которого образуют с концами цепей, содержащих последовательно соединенную вторичную обмотку вольтодобавочного трансформатора и обмотку управляемого реактора общие точки, соединенные с первым выпрямительным мостом. Вторая вторичная обмотка вольтодобавочного трансформатора соединена по схеме зигзаг и подключена ко второй вторичной обмотке преобразовательного трансформатора, соединенной в «треугольник». Концы каждой фазы вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора, соединенной по схеме зигзаг, соединяются с управляемыми реакторами. Неуправляемые реакторы соединяются параллельно цепи, состоящей из вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора, соединенной по схеме зигзаг, и последовательно с ней соединенной обмоткой управляемого реактора, при этом концы обмоток управляемого и неуправляемого реакторов образуют в каждой фазе общую точку, соединенную со вторым вентильным мостом.
К недостаткам такого решения можно отнести наличие дополнительного вольтодобавочного трансформатора и сглаживающих реакторов, что увеличивает массу и габариты установки; кроме этого регулирование выходного напряжения за счет соответствующего управляемого реактора ведет к снижению КПД преобразователя.
Также 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 модулей 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 качество выходного напряжения из-за наличия двенадцати пульсаций выпрямленного напряжения при питании от трехфазной силовой сети переменного тока.
Также известен полупроводниковый выпрямитель [патент РФ на изобретение №2673250], содержащий два трехфазных стержневых трансформатора, первичные трехфазные обмотки которых подключены к питающей сети. Первичная трехфазная обмотка одного трансформатора имеет соединение звездой, трехфазная обмотка второго трансформатора имеет соединение в треугольник. Все вторичные обмотки подключены к выпрямительным мостам, и соединяются по схеме звездой. Каждый упомянутый трехфазный стержневой трансформатор имеет две вторичные обмотки, при соотношении числа витков между вторичными обмотками в каждом трансформаторе, приближенно равном произведению натурального числа е на квадратный корень из двух. Вторичные обмотки трансформаторов, имеющие равное число витков, объединяются в пару обмоток, оснащенную общей нейтралью. Трехфазные выпрямительные мосты, подключенные к упомянутым парам вторичных обмоток с равным числом витков, объединяются между собой параллельно и согласно в общую нейтраль. Выходы трехфазных выпрямительных мостов, объединенных в пары и подключенных к парам вторичных обмоток с равным числом витков, между двумя такими парами выпрямительных мостов соединяются друг с другом последовательно и согласно.
К недостаткам такого решения можно отнести соотношение числа витков обмоток, равное основанию натурального логарифма (число 2,72) - соблюдение точной пропорции которого может быть затруднено в мощных трансформаторах. Для формирования выходного напряжения используется четыре вторичных трехфазных обмотки - что ухудшает массу и габариты.
Данное техническое решение является наиболее близким по своей технической сущности прототипом.
Раскрытие полезной модели. Силовые сети постоянного тока применяются для питания различного рода нагрузки, например для питания специализированных потребителей электроэнергии и систем, а также для технологических процессов, в которых требуется постоянное напряжение и ток. Для этого используют, как правило, управляемые полупроводниковые выпрямители, получающие питание от трехфазной сети переменного тока.
Одним из главных параметров, определяющих качество постоянного (выпрямленного) напряжения является число пульсаций за период питающей сети переменного тока промышленной частоты. Данный параметр напрямую влияет на значение коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения, который дает численную оценку амплитуде и частоте пульсаций. Частота пульсаций напряжения на выходе напрямую зависит от числа выпрямляемых фаз переменного тока, для увеличения количества которых применяют виды включения первичных обмоток силовых трансформаторов, по схеме звезда, треугольник, зиг-заг в различных сочетаниях. Недостатком является рост массы и габаритов, и ухудшение использования витков вторичных обмоток силового трансформатора по времени.
Простейшей многофазной электрической цепью переменного тока, является представленная на фигуре 1 принципиальная схема трехфазной обмотки. На фигуре 2 показана векторная диаграмма трехфазной обмотки. На ней видно, что угол между векторами напряжений фаз составляет 120°, что дает полностью симметричную систему напряжений [1]. Любая фаза симметрична относительно двух остальных, при этом существует только одно значение фазового сдвига, равного 120 электрическим градусам. Еще одним отличительным свойством трехфазной системы напряжений является равенство суммы напряжений трех фаз нулю, чем и объясняется отсутствие уравнительных токов в обмотках по схеме треугольник [1].
Существуют многофазные электрические цепи, имеющие шестифазное исполнение, как это изображено на фигуре 2, где представлена схема шестифазной обмотки, а на фигуре 3 ее векторная диаграмма. Шестифазная система применяется в схемах двенадцатипульсных полупроводниковых выпрямителей с использованием обмоток типа звезда и треугольник [1, 2, 3] в первичной обмотке - однако, при использовании двух раздельных обмоток, подключенных к трехфазным выпрямительным мостам [3].
Применение дополнительного сдвига между фазами необходимо для получения большего числа пульсаций выпрямленного напряжения, что дает меньшую амплитуду пульсаций. Чаще всего для этого используют различные комбинации схем включения первичных обмоток трансформаторов (звезда, треугольник, зигзаг). Однако в существующих промышленных выпрямителях используются раздельные вторичные трехфазные обмотки, без соединения в общую нейтраль. Это позволяет удвоить количество фаз относительно трех фаз питающей сети. Однако, в шестифазной системе с нейтралью возможно получить больше комбинаций фаз, а следовательно - и больше пульсаций выпрямленного напряжения.
На фигуре 5 представлена векторная диаграмма суммы двух фаз при сдвиге 150 электрических градусов, на фигуре 6 представлена векторная диаграмма суммы двух фаз при сдвиге 120 электрических градусов, на фигуре 7 представлена векторная диаграмма суммы двух фаз при сдвиге 90 электрических градусов, на фигуре 8 представлена векторная диаграмма суммы двух фаз при сдвиге 30 электрических градусов. Полученные векторы напряжений характеризуются дополнительным фазовым сдвигом.
На фигуре 9 представлена принципиальная схема трехфазного выпрямителя, обеспечивающего 6 пульсаций на выходе [3]. Такой вариант характеризуется простотой, однако амплитуда пульсаций выпрямленного напряжения превышает допустимое для многих потребителей постоянного тока значение. На фигуре 10 представлена электрическая принципиальная схема шестифазного выпрямителя, с последовательным соединением двух трехфазных мостов, обеспечивающая 12 пульсаций напряжения на выходе. Первичная обмотка одного из двух трансформаторов, используемых для питания мостов, включена по схеме треугольник для получения фазового сдвига 30 электрических градусов. Количество пульсаций напряжения на выходе определяется удвоенным числом фаз вторичных обмоток питающих трансформаторов. Поскольку в схеме отсутствует общая нейтраль для двух трехфазных обмоток, то число пульсаций составляет 12 [3].
Однако, как было показано выше, в шестифазной обмотке с общей нейтралью возможно получение большего числа фазовых сдвигов, что дает возможность увеличить число пульсаций на выходе выпрямителя.
Такое увеличение числа пульсаций становится возможным за счет комбинаторного соединения фаз между собой, при различных сочетаниях суммируемых фаз и их количества. Например, возможно суммирование двух, трех, четырех и пяти фаз, что дает большее количество сочетаний фаз между собой, сопровождаемое дополнительным фазовым сдвигом.
Также следует особо отметить, что полярность включения фаз в схемах типа звезда (показанных на фигуре 1 и фигуре 3) является встречной, что означает реверсирование векторов фазных напряжений (показано на фигуре 2 и фигуре 4 пунктирными линиями). Другими словами, фазные напряжения вычитаются друг из друга, а не складываются. Это ведет к получению суммы векторов, имеющих отличный от операции сложения фазовый сдвиг.
На фигуре 11 представлена схема полупроводникового коммутатора предлагаемого решения, использующего упомянутую выше особенность суммирования векторов фазных напряжений - а именно, взаимное изменение (реверсирование) полярности включения фаз обмоток.
На фигуре 12 представлена принципиальная схема предлагаемого решения с первичной обмоткой второго трансформатора по схеме треугольник, выполненная на основе двух стержневых трехфазных трансформаторов, при фазовом сдвиге на 30 электрических градусов между вторичными обмотками упомянутых трансформаторов. Все фазы вторичных обмоток между собой включены последовательно, сумма напряжений всех фаз в таком случае будет равна нулю [1, 3].
Полупроводниковые ключи, изображенные на фигуре 11, делятся на 2 комплекта по назначению. Один комплект обеспечивает подключение фаз обмоток в согласном включении, второй - обеспечивает подключение фаз в реверсивном (встречном) включении. Согласный комплект ключей состоит из включенных последовательно с каждой фазой вторичных обмоток ключей, а также из включенных параллельно с каждой фазой вторичных обмоток ключей. Упомянутые последовательные ключи обеспечивают включение фаз в работу, а включенные параллельно ключи обеспечивают шунтирование фаз (то есть обтеканием током). Совокупность ключей согласного комплекта дает возможность включить в работу любое количество ключей последовательно и согласно друг с другом. Второй комплект обеспечивает подключение фаз обмоток в реверсивном направлении, и дополняет работу ключей из первого комплекта. Реверсивный комплект состоит из ключей, соединенных с одним из выводов каждой фазы вторичных обмоток (как это показано на фигуре 10), а также из ключей, включенных между вторыми отводами подключенных к выводам фаз вторичных обмоток ключей.
Реверсивный комплект ключей обеспечивает изменение полярности включения фаз вторичных обмоток, и предназначен для работы совместно с согласным комплектом ключей. В таком случае, шунтирующий фазу ключ из согласного комплекта используется для подключения к противоположному отводу фазы - относительно режима работы с согласными включением фаз. Реверсивный комплект необходим для снятия обратного тока с фазы обмотки и передачи (коммутирования) тока к следующей в последовательности фазе. Таким образом, реализуется управление произвольной последовательностью фаз обмоток - возможно как исключение фаз из последовательности, так и последовательное суммирование фаз в любой полярности включения. Это открывает возможность суммирования напряжений любого количества фаз. Подключение всех фаз обмоток в одинаковой полярности не имеет смысла, поскольку даст равное нулю напряжение, однако возможно.
На фигуре 13 изображена принципиальная схема предлагаемого решения с первичными обмотками трансформаторов по схеме зиг-заг. Такое включение первичных обмоток трансформаторов необходимо для получения симметричного фазового сдвига между двумя трансформаторами и известно из уровня техники (патент на полезную модель РФ №182989). Таким образом, обеспечение фазового сдвига между вторичными обмотками трансформаторов достигается уровнем техники.
На фигурах 14-16 изображено состояние схемы и путь протекания токов при согласном включении двух, трех и четырех фаз соответственно. Жирной линией выделена часть электрической цепи, через которую протекает ток, замкнутыми контактами изображены включенные ключи. Для реализации предлагаемого решения рекомендуется использовать полностью управляемые полупроводниковые ключи. Современной промышленностью освоена широкая номенклатура типов полупроводниковых приборов, и в том числе с полностью управляемым состоянием (транзисторы IGBT, тиристоры GTO, тиристоры с полевым входом IGCT) и на разные значения напряжений и токов. Таким образом, предлагаемое решение является осуществимым при текущем уровне развития техники.
На фигурах 17-19 изображено состояние схемы и путь протекания токов при реверсивном включении одной или двух фаз. Жирной линией выделен путь для протекания тока, замкнутыми контактами изображены включенные ключи. Из фигуры 17 становится видно, что для фазы W6 используется реверсивное (встречное) включение, а фазы W2, W4 включены согласно. Из фигуры 18 становится видно, что для фаз W6, W2 используется реверсивное (встречное) включение, а фаза W4 включена согласно. Из фигуры 19 становится видно, что для фаз W6, W2 используется реверсивное (встречное) включение, а фазы W3, W4 включены согласно.
Возможно также и одиночное включение одной из фаз обмоток, что соответствует обычному режиму работы с 12 пульсациями выпрямленного напряжения [2, 3].
Однако использование включения только одной из фаз не позволяет получить число пульсаций, превышающее удвоенное количество фаз. Соответственно, при использовании суммирования большего количества фаз (при использовании реверсирования - две и более) возможно получение лучшего качества напряжения. Кроме того, растет эффективность витков вторичных обмоток, поскольку при прочих аналогичных параметрах схемы, большее значение выходного выпрямленного напряжения достижимо при меньшем числе витков вторичных обмоток трансформаторов.
В таблице 1 представлены возможные комбинации включения обмоток и состояние полупроводниковых ключей для них.
В таблице 1 представлены состояния схемы на фигуре 20 при разном сочетании фаз. В таблицу не вошли малоприменимые комбинации - все фазы включены, все фазы отключены, одна фаза, а также вариант 3 фазы и более. Каждая представленная комбинация дает две пульсации выпрямленного напряжения за период питающей сети, таким образом, возможно получение 32 пульсаций выходного напряжения. Автору известен один промышленный выпрямитель с 24 пульсациями напряжения, 32 пульсации много превышают существующий уровень техники, достигнутый промышленностью - при этом потенциал предлагаемого решения не исчерпан приведенным примером.
Предлагаемое решение направлено на улучшение качества выходного напряжения выпрямителя, за счет увеличения количества фаз выпрямляемого переменного напряжения, путем суммирования вторичных обмоток силового трансформатора в разной комбинации и полярности включения фаз. Путем объединения двух и более фаз возможно формирование фазового сдвига, а число комбинаций включения возрастает с ростом числа фаз - обеспечивая качество выпрямленного напряжения.
Заявляемая полезная модель является новым решением, имеющим следующие принципиальные отличия от выбранного прототипа:
- все фазы вторичных обмоток трехфазных трансформаторов соединяются последовательно;
- каждая из фаз вторичных обмоток оснащается включенным последовательно с ней полупроводниковым ключом;
- параллельно со всеми фазами вторичных обмоток подключены шунтирующие полупроводниковые ключи;
- к одному из отводов каждой фазы дополнительно подключено по одному полупроводниковому ключу;
- все дополнительные полупроводниковые ключи соединяются включением последовательно полупроводниковых ключей;
- возможна как согласная, и реверсивная (обратная) полярность подключаемой фазы.
Таким образом, совокупность существенных признаков решения приводит к новому техническому результату - повышению числа пульсаций выходного напряжения и снижению числа используемых витков вторичных обмоток трехфазных трансформаторов.
Предлагаемое решение содержит отличительные признаки, которые во всей их совокупности неизвестны ранее из уровня техники. Уже известные из уровня техники многофазные выпрямители используют трехфазные обмотки с раздельными нейтралями, что не позволяет говорить о применении более трех фаз, а большое число пульсаций (как правило, 12 пульсаций) получают путем последовательного или параллельного соединения трехфазных мостов; используемые вторичные трехфазные обмотки по схеме звезда не позволяют производить суммирование произвольного количества фаз, причем взаимная полярность включения фаз в существующих решениях всегда неизменна. Предлагаемое последовательное включение фаз исключает уравнительные токи, свойственные кольцевым обмоткам (например, по схеме треугольник), а также обеспечивает суммирование напряжений в разных сочетаниях и полярности включения фаз.
Краткое описание чертежей. На фигуре 1 изображена принципиальная схема трехфазной обмотки. На фигуре 2 изображена векторная диаграмма трехфазной обмотки. На фигуре 3 изображена принципиальная схема шестифазной обмотки. На фигуре 4 изображена векторная диаграмма шестифазной обмотки. На фигуре 5 изображена векторная диаграмма суммы напряжений двух фаз при угле сдвига равном 150 электрических градусов. На фигуре 6 изображена векторная диаграмма суммы напряжений двух фаз при угле сдвига равном 120 электрических градусов. На фигуре 7 изображена векторная диаграмма суммы напряжений двух фаз при угле сдвига равном 90 электрических градусов. На фигуре 8 изображена векторная диаграмма суммы напряжений двух фаз при угле сдвига равном 30 электрических градусов. На фигуре 9 изображена принципиальная схема трехфазного выпрямителя. На фигуре 10 изображена принципиальная схема шестифазного выпрямителя с последовательным соединением трехфазных мостов. На фигуре 11 изображена схема полупроводникового коммутатора предлагаемого решения. Здесь 1 - согласный комплект ключей, 2 - реверсивный комплект ключей. На фигуре 12 изображена принципиальная схема предлагаемого решения с первичной обмоткой второго трансформатора по схеме треугольник. На фигуре 13 изображена принципиальная схема предлагаемого решения с первичными обмотками трансформаторов по схеме зиг-заг. На фигуре 14 изображена схема полупроводникового коммутатора при работе двух фаз в согласном включении. На фигуре 15 изображена схема полупроводникового коммутатора при работе трех фаз в согласном включении. На фигуре 16 изображена схема полупроводникового коммутатора при работе четырех фаз в согласном включении. На фигуре 17 изображена схема полупроводникового коммутатора при работе одной из фаз в реверсивном и двух фаз в согласном включении. На фигуре 18 изображена схема полупроводникового коммутатора при работе двух фаз в реверсивном и одной фазы в согласном включении. На фигуре 19 изображена схема полупроводникового коммутатора при работе двух фаз в реверсивном и двух фаз в согласном включении. На фигуре 20 изображена Схема полупроводникового коммутатора в исходном состоянии.
Список использованной литературы.
1. Фрумкин A.M. Теоретические основы электротехники. - М.: Высшая школа, 1982. - 407 с.
2. Карташов Р., Кулиш А., Чехет Э. Тиристорные преобразователи частоты с искусственной коммутацией. / Киев: ТЕХНИКА, 1979. - стр. 152.
3. Дмитриев Б.Ф., Рябенький В.М., Черевко А.И., Музыка М.М. Судовые полупроводниковые преобразователи: учебник. - Архангельск: Изд-во САФУ, 2015. - 556 с.