ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТРЕХФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ
CONVERTER OF THREE-PHASE ALTERNATING VOLTAGE TO DIRECT VOLTAGE

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для преобразования трехфазного переменного напряжения в постоянное, 18-пульсное с равными углами коммутации вентилей.
Известен преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащий трехфазный трансформатор с первичной обмоткой, соединенной в треугольник, и тремя группами вторичных фазных обмоток, соединенных первая в трехфазную звезду, а вторая и третья - в шестифазную звезду, свободный вывод каждой фазной обмотки первой группы подключен к одноименным электродам вентилей, другие электроды которых соединены с одноименными свободными выводами разноименных фазных обмоток второй группы и с разноименным свободным выводом одноименной фазной обмотки третьей группы, упомянутые свободные выводы первой и второй с третьей групп обмоток подключены соответственно к катодам анодной и анодам катодной групп вентилей, общие точки электродов которых образуют выходные выводы, причем число витков фазной обмотки второй группы равно 1,8794⋅w, а число витков фазной обмотки третьей группы - 1,5321⋅w, где w - число витков фазной обмотки первой группы (см. а.с. №520678, кл. Н02М 7/08, 1973).
Недостатком этого преобразователя, обеспечивающего двухполупериодное 18-пульсное выпрямление, является неравенство углов коммутации вентилей, т.к. он имеет неравные реактансы вентильных цепей, один из которых участвует в случае замыкания выпрямленного тока через обмотки первой и второй групп, а другой - через обмотки всех групп. Это приводит к формированию низкочастотного спектра гармоник с частотой 300 Гц в форме выпрямленного напряжения.
Совокупность причин, препятствующих получению требуемого технического результата, заключается в противоречии между стремлением получить указанное выпрямление с минимально возможным количеством трехфазных вторичных обмоток на одном трансформаторе и равными углами коммутации вентилей.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению (прототип) является преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащий трехфазный трансформатор с первичной обмоткой и тремя группами вторичных фазных обмоток, соединенных каждая в звезду, вывод каждой фазной обмотки первой из которых подключен к одноименным электродам вентилей, другие электроды которых подключены к свободным одноименным с ним выводам разноименных фазных обмоток второй группы и свободному разноименному с ним выводу одноименной фазной обмотки третьей группы, причем число витков фазной обмотки второй группы равно 1,8794⋅w, а число витков фазной обмотки третьей группы - 1,5321⋅w, где w - число витков фазной обмотки первой группы, трансформатор дополнительно содержит четвертую и пятую группы вторичных фазных обмоток, соединенных каждая в разомкнутый треугольник, общая точка одноименных выводов второй группы фазных обмоток соединена с одноименным с ней крайним выводом фазной обмотки четвертой группы, общая точка одноименных выводов третьей группы фазных обмоток соединена с одноименным с ней крайним выводом фазной обмотки пятой группы, общая точка свободных крайних выводов фазных обмоток четвертой и пятой групп и общая точка одноименных выводов фазных обмоток первой группы образуют выходные выводы, причем фазная обмотка четвертой группы состоит из основной и дополнительной части, число витков фазной обмотки пятой группы и основной части фазной обмотки четвертой группы соответственно равно 0,844⋅w и 0,2931⋅w, а дополнительная часть фазной обмотки четвертой группы состоит из пары равных встречно-последовательно соединенных частей, число витков каждой из которых равно 0,21756⋅w (см. заявку на изобретение 2015120848/07 от 01.06.2015, с датой публикации 10.11.2015, Бюл. №31).
Недостатком этого преобразователя является повышенная расчетная мощность трансформатора при 9-пульсном выпрямлении. Переход с однополупериодного 9-пульсного выпрямления на двухполупериодное 18-пульсное выпрямление приводит к неравенству углов коммутации вентилей. В этом случае обмотки трансформатора, соединенные в разомкнутый треугольник, не только не уравнивают, но и еще больше увеличивают неравенство углов коммутации вентилей.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, заключается в формировании на 3 вторичных обмотках трансформатора 18-фазной системы напряжений, имеющей равные углы коммутации вентилей при выпрямлении.
Эта задача решается тем, что в преобразователе трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащем трехфазный трансформатор с первичной обмоткой и тремя группами вторичных фазных обмоток, соединенных каждая в звезду, вывод каждой фазной обмотки первой из которых подключен к одноименным электродам первых вентилей, другие электроды которых подключены к одноименным с ним выводам разноименных фазных обмоток второй группы и разноименному с ним выводу одноименной фазной обмотки третьей группы, общая точка обмотки второй группы подключена к первому крайнему выводу двух идентичных встречно-последовательно соединенных одноименных фазных обмоток четвертой группы, фазные выводы обмоток второй и третьей групп подключены к одноименным электродам вторых вентилей, общая точка которых образует первый полюс, а фазные выводы обмоток первой группы подключены к одноименным электродам третьих вентилей, общая точка которых образует второй полюс, причем число витков фазной обмотки второй группы равно 1,8794⋅w, а число витков фазной обмотки третьей группы - 1,5321⋅w, где w - число витков фазной обмотки первой группы, отличающийся тем, что второй крайний вывод обмоток четвертой группы подключен к общей точке обмотки третьей группы, число витков каждой фазной обмотки четвертой группы равно частному от деления на два разности чисел витков обмоток второй и третьей групп, а первичная обмотка соединена в треугольник.
Технический результат заключается в формировании 18-фазной системы напряжений преобразователем, имеющим равные углы коммутации вентилей при минимуме вторичных трехфазных групп обмоток трансформатора.
На чертеже приведена принципиальная схема преобразователя трехфазного переменного напряжения в постоянное 18-пульсное напряжение.
1
4
1
1
1
2
2
2
3
3
3
4
4
1
1
1
2
2
2
3
3
3
a
Преобразователь содержит вентили 1-9 и выполнен на трехфазном трансформаторе 10, первичная обмотка 11 которого соединена в треугольник и подключена к фазным входным выводам А, В, С. Трансформатор 10 содержит три трехфазные группы обмоток 12, 13, 14, первая из которых 12 с числом витков w=w соединена в звезду с общей точкой начал, вторая из которых 13 с числом витков 1,8794⋅w также соединена в звезду с общей точкой начал, третья из которых 14 с числом витков 1,5321⋅w соединена в звезду с общей точкой концов. Трансформатор 10 содержит четвертую группу из двух встречно-последовательно соединенных фазных обмоток 15, 16, с числом витков w каждой, равной частному от деления на два разности чисел витков обмоток второй и третьей групп, т.е. 0,1736⋅w. Выходные выводы преобразователя 17 и 18 соответственно подключены к общей точке анодов вентилей 19, 20, 21 и к общей точке катодов вентилей 22-27. Концы фаз а, b и с обмотки 12 подключены соответственно к анодам вентилей 1, 2, 9; 3, 4, 5 и 6, 7, 8. Общие точки катодов вентилей 5, 6; 8, 9 и 2, 3 подключены соответственно к концам фаз а, b, с обмотки 13, а катоды вентилей 1, 4, 7 - к началам фаз а, b, с обмотки 14. Общая точка начал обмотки 13 соединена с началом фазной обмотки 15 с числом витков w, конец которой соединен с концом фазной обмотки 16 с тем же числом витков w, начало которой соединено с общей точкой концов обмотки 14. Концы фаз a, b, c обмотки 12 подключены к катодам вентилей 19, 20, 21. Концы фаз а, b, с обмотки 13 подключены соответственно к анодам вентилей 24, 23, 22. Начала фаз , b, с подключены соответственно к анодам вентилей 25, 26, 27.
6 из 18 векторов выпрямляемых напряжений формируются суммой совпадающих по фазе пар линейных напряжений обмоток первой (12) и второй (13) групп. Эти 6 векторов формируют первую симметричную 6-пульсную систему выпрямляемых напряжений. Остальные 12 из 18 векторов выпрямляемых напряжений формируются суммой линейного напряжения обмотки первой (12) группы и напряжений одноименных фаз обмоток второй (13) и третьей (14) групп, совпадающих по фазе с одним из двух суммируемых напряжений упомянутого линейного напряжения. Эти 12 векторов размещаются на топографической векторной диаграмме попарно между каждой парой смежных векторов 6-пульсной системы и формируют вторую несимметричную 12-пульсную систему выпрямляемых напряжений. В результате функционирования этих двух систем формируется результирующая 18-пульсная система выпрямляемых напряжений.
2
3
Однако число витков обмоток в цепи тока второй системы меньше числа витков обмоток в цепи тока первой системы на величину w-w=2⋅cos20°⋅w-2⋅cos40°⋅w=1,8794⋅w-1,5321⋅w=0,3473⋅w. Для устранения образующейся вследствие этого в форме выпрямленного напряжения низкочастотной составляющей (300 Гц) необходимо уравнять реактансы в цепях этих двух систем путем уравнивания чисел витков обмоток, участвующих в замыкании токов в этих цепях. Но уравнивание реактансов не должно оказать влияние на величину или/и фазу ни одного из выпрямляемых напряжений. Поэтому между общими точками обмоток 13 и 14 включены встречно-последовательно на одном из стержней трансформатора 10 две идентичные обмотки 15 и 16, сумма чисел витков которых равна 0,3473⋅w. В результате сумма напряжений этих обмоток равна нулю, а их реактанс компенсирует недостающую величину реактанса в цепи тока второй системы выпрямляемых напряжений. Таким образом, результирующая 18-пульсная система выпрямляемых напряжений становится симметричной.
Согласно расчетам предлагаемое решение незначительно увеличивает коэффициент превышения расчетной мощности трансформатора с 1,137 до 1,172, т.е. всего на 3,5%.
1
2
3
2
3
Однако на практике такой результат может быть получен только при повышенных значениях коэффициента трансформации, т.к. минимально точные целые числа витков вторичных обмоток w, w и w трансформатора 10 равны 4, 7 и 6. Для получения четной разности w-w эти числа витков необходимо удвоить.