ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ

Область техники, к которой относится полезная модель. Полезная модель относится к области силовой электротехники и может использоваться для питания силовых сетей постоянного тока, 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 e 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 необходимость в управляемых полупроводниковых приборах (например, тиристорах или IGBT транзисторах), что усложняет конструкцию. 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. Из уровня техники известны различные виды полупроводниковых выпрямителей, предназначенных для питания нагрузки постоянным током с достаточным качеством. Одним из показателей качества питания является число пульсаций на выходе полупроводникового выпрямителя, влияет на уровень переменной составляющей выходного напряжения. Чем более число пульсаций схемы выпрямления, тем лучше качество напряжения.
Базовая схема трехфазного выпрямительного моста не обеспечивает достаточное для промышленных потребителей качество напряжения, либо потребует габаритных фильтров для сглаживания. По этой причине наиболее применимой является двенадцатипульсная схема выпрямления, основанная на получении фазового сдвига в 30 градусов на второй трехфазной обмотке по схеме “треугольник” относительно схемы “звезда”, что обеспечивает шестифазный режим работы выпрямителя. Однако применение обмотки по схеме “треугольник” требует в 1,7 раза большее число витков для сохранения того же уровня напряжения, что и по схеме “звезда”. Это ухудшает габариты и массу силового трансформатора выпрямителя. В других решениях может быть использовано алгоритмическое формирование фазового сдвига, по типу “боковых пульсаций” - однако, это связано потребность в управляемых ключах (тиристорах), и невозможностью естественной коммутации диодами. В таком случае принудительно формируется фазовый сдвиг дополнительного выпрямительного моста, при их последовательном включении, сами обмотки питающего трансформатора работают раздельно и не имеют гальванической связи между собой. Применение таких схем позволяет отказаться от схемы “треугольник” и их подобных, уменьшив количество витков, и снизив тем самым габариты и себестоимость трансформаторов. Минусом всех таких вариантов является ограничение глубины регулирования уровня выходного напряжения выпрямителя без потери числа пульсаций, что объясняется как раз меньшим числом витков дополнительной трехфазной обмотки по схеме “звезда”, подключенной к выпрямительному мосту с тиристорами.
В предлагаемом решении представлена простая схема выпрямителя на диодах, реализующая двенадцатипульсный режим выпрямления при одной обмотке по схеме “звезда”, оснащенной добавочными обмотками, дающими фазовый сдвиг 30 градусов. Диоды подключаются к такой составной обмотке в двух уровнях - к отводам основных катушек обмотки по схеме “звезда”, и к наружным отводам добавочных обмоток, обеспечивающих фазовый сдвиг при сохранении уровня напряжения неизменным.
Принципиальная схема предлагаемого решения показана на фиг. 1, откуда видно, что в состав полупроводникового выпрямителя входит силовой трехфазный трансформатор, имеющий вторичную обмотку, включенную по схеме “звезда”. Данная обмотка формирует трехфазную систему напряжений, выпрямляемую шестью диодами, подключенными к ее отводам, их отводы объединены в анодную и катодную группу. Однако число пульсаций от основной вторичной обмотки будет составлять 6 за период питающей сети, что считается недостаточным для большинства промышленных нагрузок [1]. Для получения 12 пульсаций за период питающей сети, требуется фазовый сдвиг 30 электрических градусов, получаемый в предлагаемом решении при помощи дополнительных обмоток, также представленных на фиг. 1.
Входы дополнительных обмоток подключается к отводам фаз основной обмотки, выходы - к парам диодов, подключенных выходами к общим для всех диодов схемы анодной и катодной группы. Дополнительная обмотка является составной, и содержит витки последующей фазы, что позволяет получить фазовый сдвиг, а также меньшее число витков текущей фазы для уравнивания амплитуды ЭДС на выходе дополнительной обмотки, как это и показано на векторной диаграмме фиг. 2. Автор обращает внимание, что использование простейших пояснений “вход”, “выход” и т.п. соответствует регламенту, это же касается и векторной диаграммы, что уже применялось. Полученный в результате суммирования напряжений вектор на фиг. 2 имеет требуемый сдвиг 30 электрических градусов. При работе ток переходит с диода на диод в режиме естественной коммутации.
На фиг. 3 представлен график выходного напряжения из программной среды Матлаб-Симулинк, на периоде питающей сети, где видно получение 12 пульсаций выпрямленного напряжения. Отказ от вторичной обмотки по схеме “треугольник” дает экономию габаритов, в остальном работа такого решения не будет отличаться от обычного 12-пульсного выпрямителя.
Предлагаемое техническое решение является новым и имеет следующие принципиальные отличия от прототипа:
- основная вторичная обмотка включена по схеме “звезда”;
- к отводам основной вторичной обмотки подключены добавочные обмотки, каждая из которых включает в себя витки последующей за отводом основной вторичной обмотки фазы, а также витки его фазы;
- пропорция витков равна 0,5774 и 0,1547 относительно витков данной катушки основной вторичной обмотки соответственно;
- диоды подключаются к внешним отводам добавочных обмоток, и к отводам основной вторичной обмотки, свободные выводы диодов объединяются в анодную и катодную группы.
Таким образом, вся совокупность существенных признаков полезной модели ранее неизвестна и приводит к новому техническому результату - обеспечению двенадцатипульсного режима выпрямления.
Предлагаемое решение завершает цикл работ автора (полезные модели №139772, 176888, 180741, 182989, 187850, 187622, изобретения №2673250, 2703984) и является последней поданной заявкой.
Краткое описание чертежей. На фигуре 1 изображена электрическая принципиальная схема предлагаемого решения. На фигуре 2 изображена векторная диаграмма для одной добавочной обмотки. На фигуре 3 изображен график выходного напряжения предлагаемого решения.
В предлагаемом решении представлена простая схема выпрямителя на диодах, реализующая двенадцатипульсный режим выпрямления при одной обмотке по схеме “звезда”, оснащенной добавочными обмотками, дающими фазовый сдвиг 30 градусов. Диоды подключаются к такой составной обмотке в двух уровнях - к отводам основных катушек обмотки по схеме “звезда”, и к наружным отводам добавочных обмоток, обеспечивающих фазовый сдвиг при сохранении уровня напряжения неизменным.
Принципиальная схема предлагаемого решения показана на фиг. 1, откуда видно, что в состав полупроводникового выпрямителя входит силовой трехфазный трансформатор, имеющий вторичную обмотку (1), включенную по схеме “звезда”. Данная обмотка формирует трехфазную систему напряжений, выпрямляемую шестью диодами, подключенными к ее отводам, их отводы объединены в анодную и катодную группу. Однако число пульсаций от основной вторичной обмотки будет составлять 6 за период питающей сети, что считается недостаточным для большинства промышленных нагрузок [1]. Для получения 12 пульсаций за период питающей сети, требуется фазовый сдвиг 30 электрических градусов, получаемый в предлагаемом решении при помощи дополнительных обмоток (2), также представленных на фиг. 1.
Входы дополнительных обмоток подключается к отводам фаз основной обмотки, выходы - к парам диодов, подключенных выходами к общим для всех диодов схемы анодной и катодной группы. Дополнительная обмотка является составной, и содержит витки последующей фазы, что позволяет получить фазовый сдвиг, а также меньшее число витков текущей фазы для уравнивания амплитуды ЭДС на выходе дополнительной обмотки, как это и показано на векторной диаграмме фиг. 2. Автор обращает внимание, что использование простейших пояснений “вход”, “выход” и т.п. соответствует регламенту, это же касается и векторной диаграммы, что уже применялось. Полученный в результате суммирования напряжений вектор на фиг. 2 имеет требуемый сдвиг 30 электрических градусов. При работе ток переходит с диода на диод в режиме естественной коммутации.
На фиг. 3 представлен график выходного напряжения из программной среды Матлаб-Симулинк, на периоде питающей сети, где видно получение 12 пульсаций выпрямленного напряжения. Отказ от вторичной обмотки по схеме “треугольник” дает экономию габаритов, в остальном работа такого решения не будет отличаться от обычного 12-пульсного выпрямителя.
Предлагаемое техническое решение является новым, и имеет следующие принципиальные отличия от прототипа:
- основная вторичная обмотка включена по схеме “звезда”;
- к отводам основной вторичной обмотки подключены добавочные обмотки, каждая из которых включает в себя витки последующей за отводом основной вторичной обмотки фазы, а также витки его фазы;
- пропорция витков равна 0,5774 и 0,1547 относительно витков данной катушки основной вторичной обмотки соответственно;
- диоды подключаются к внешним отводам добавочных обмоток, и к отводам основной вторичной обмотки, свободные выводы диодов объединяются в анодную и катодную группы.
Таким образом, вся совокупность существенных признаков полезной модели ранее неизвестна и приводит к новому техническому результату - обеспечению двенадцатипульсного режима выпрямления.
Краткое описание чертежей. На фигуре 1 изображена электрическая принципиальная схема предлагаемого решения. Здесь 1 - основная вторичная обмотка, 2 - добавочные обмотки. На фигуре 2 изображена векторная диаграмма для одной добавочной обмотки. На фигуре 3 изображен график выходного напряжения предлагаемого решения.
Список использованной литературы.
1. Фрумкин А.М. Теоретические основы электротехники: учебное пособие для техникумов. М.: Высшая школа, 1982, 407 с.