АВТОТРАНСФОРМАТОРНО-ВЫПРЯМИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к силовой преобразовательной технике и может быть использовано в тех случаях, когда к выпрямительному устройству предъявляются повышенные требования: а) по электромагнитной и электроэнергетической совместимости по его входу и выходу (без дополнительного использования пассивных или активных средств для их реализации); б) и по минимизации массогабаритных показателей. Такой перечень требований характерен, например, для авиационной электротехники.
6
Известно автотрансформаторно-выпрямительное устройство, представленное в патенте США №5455759 на фиг.1 (опубл. 03.10.1995 г., МКИ: Н02М 7/00, Н02М 7/06.). Оно содержит трехфазный автотрансформатор с трехфазными основными и дополнительными обмотками, а также выпрямительный узел на 18 диодах, собранный по мостовой схеме и своими входами подключенный к соответствующим обмоткам автотрансформатора. На выходе автотрансформаторно-выпрямительного устройства получают 18 пульсное выпрямленное напряжение. Габаритная мощность автотрансформатора и выпрямительного узла, равная:
Г(АТV)
d0
Р=0,56·P,
d0
d0
d0
d0
d0
d0
где P - выходная мощность выпрямителя, что свидетельствует об относительно плохих массогабаритных показателях устройства. Кроме того, в каждый момент в выпрямительном узле в рабочем состоянии находятся только два диода из 18, причем через них протекает импульсный ток I(длительностью 2π/9) с максимальным значением, равным току нагрузки I=P / U, где U - постоянная составляющая выпрямленного напряжения. При этом действующее значение тока через диоды, определяющее потери в них, равно:
VD
I=
Указанный режим работы диодов устройства отрицательно сказываются и на его энергетических показателях.
Недостатком этого устройства является завышенная габаритная мощность автотрансформатора и выпрямительного узла
1Э
Наиболее близким по технической сущности к полезной модели является автотрансформаторно-выпрямительное устройство АТВУ-18 с пульсностью выпрямленного напряжения m=18, представленное в том же патенте США №5455759 на фиг.7а. Оно содержит выпрямительный узел на 18 диодах, собранный по мостовой схеме, а также трехфазный автотрансформатор. Основная его трехфазная обмотка соединена по схеме «звезда». Три его фазные обмотки выполнены с одним промежуточным отводом. Автотрансформатор содержит также по две дополнительные обмотки на каждую фазу, которые соединены с соответствующими основными обмотками таким образом, что образуют симметричную девятифазную систему напряжений, последовательно сдвинутых между собой по фазе на угол 2π/9. Эта девятифазная система напряжений подается на девять входных выводов выпрямительного узла.
Недостатком этого устройства является завышенная габаритная мощность автотрансформатора и выпрямительного узла
Технический результат, который может быть достигнут при использовании полезной модели, заключается в уменьшении суммарной габаритной мощности автотрансформатора и двух трансфильтров и повышении КПД.
1Э
Техническая задача полезной модели заключается в изменении структуры устройства и достигается тем, что известное авторансформаторно-выпрямительное устройство с пульсностью выпрямленного напряжения m=18, содержащее трехфазный автотрансформатор с тремя основными фазными обмотками, соединенными по схеме «звезда», причем каждая из этих обмоток выполнена, по крайней мере, с одним промежуточным отводом, делящим ее на не равные части, и с двумя дополнительными обмотками в каждой фазе, которые при соответствующем соединениями их с тремя основными фазными обмотками образуют вместе с ними девять выходных выводов автотрансформатора с девятифазной системой напряжений, а также выпрямительный узел по мостовой схеме на восемнадцати диодах, своими девятью входами подключенный к соответствующим девяти выходным выводам автотрансформатора, снабжено двумя трехфазными трансфильтрами, каждый из которых выполнен в виде трехфазного (трехстержневого) магнитопровода с одной фазной обмоткой на каждом его стержне, выпрямительный узел выполнен в виде трех выпрямителей по мостовой схеме на шести диодах, одноименные по полярности выходные выводы постоянного тока каждого их трех мостов подключены к одноименному по полярности концу одной из трех фазных обмоток одного трехфазного трансфильтра, другие концы этих обмоток объединены и образуют первый выходной вывод автотрансформаторно-выпрямительного устройства, вторые одноименные по полярности выходные выводы каждого из трех мостов подключены к одноименным по полярности концам соответственно одной из трех фазных обмоток другого трехфазного трансфильтра, другие концы которых образуют второй выходной вывод автотрансформаторно-выпрямительного устройства, три входных вывода каждого из трех мостов подключены к тем трем выходным выводам автотрансформатора, на которых образуется одна из трех трехфазных симметричных систем девятифазной системы напряжений автотрансформатора.
1Э
1Э
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где: на фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема автотрансформаторно-выпрямительного устройства с пульсностью выпрямленного напряжения m m=18;
на фиг.2 показана векторная диаграмма, поясняющая принцип формирования симметричной девятифазной системы напряжений;
на фиг.3 представлены осциллограммы процессов на входе автотрансфор-маторно-выпрямительного устройства и на его выходе.
1Э
d0
0
0
Автотрансформаторно-выпрямительное устройство с пульсностью выпрямленного напряжения m=18 содержит трехфазный автотрансформатор с тремя основными фазными обмотками 1, 2, 3, расположенными на трех стержнях трехфазного (трехстержневого) магнитопровода. Одни одноименные по полярности концы этих обмоток, обозначенные цифрами 1.1, 2.1, 3.1, предназначены для подключения к ним соответствующих концов дополнительных обмоток 4, 5; 6, 7; 8, 9, а другие противоположные по полярности их концы 1.2, 2.2, 3.2 объединены в нулевую точку «О», образуя топологию 3-х фазной обмотки «звезда». Три основные фазные обмотки 1,2,3 выполнены с промежуточными отводами 1.3, 2.3, 3.3 и подключены ко входам (1.3, 2.3, 3.3) выпрямительного моста 10. Если не требуется ни повышение, ни понижение уровня выпрямленного напряжения U, на эти же отводы 1.3, 2.3, 3.3 обмоток 1, 2, 3 подают 3-х фазное напряжение сети. На каждом из трех фазных стержней магнитопровода автотрансформатора размещены также по две дополнительные обмотки: на стержне фазы «А», где размещена основная фазная обмотка 1, размещены дополнительные обмотки 6 и 9; на стержне фазы «С» вместе с основной фазной обмоткой 2, размещены две дополнительные обмотки 5 и 8; на стержне фазы «Со» вместе с основной фазной обмоткой 3, размещены две дополнительные обмотки 4 и 7. Выпрямительный узел выполнен в виде трех явно выраженных 3-х фазных выпрямительных мостов 10, 11, 12. Ко входным выводам выпрямительного моста 11 подключены одни концы 4.1, 6.1, 8.1 дополнительных обмоток 4, 6, 8, а ко входам выпрямительного моста 12 - концы 5.1, 7.1, 9.1 дополнительных обмоток 5, 7, 9. Другие концы дополнительных обмоток подключены к соответствующим концам основных обмоток: конец 4.2 обмотки 4 и конец 5.2 обмотки 5 - к концу 1.1 обмотки 1; концы 6.2 и 7.2 обмоток 6 и 7 - к концу 2.1 обмотки 2; а концы 8.2 и 9.2 обмоток 8 и 9 - к концу 3.1 обмотки 3. Положительные выводы («+») трех выпрямительных мостов 10, 11, 12 через обмотки 13, 14, 15 трансфильтpa 16 подключены к выходному выводу 17 автотрансформаторно-выпрямительного устройства, а отрицательные («-») выводы этих мостов через обмотки 18, 19, 20 трансфильтра 21 подключены к выходному выводу 22 автотрансформаторно-выпрямительного устройства. Нагрузку 23 подключают к выходным выводам 17, 22.
1
1
1
0
1
0
1
0
1
0
2
0
3
0
2
0
3
0
2
0
3
2
3
2
3
2
3
1
1
1
2
2
2
3
3
3
1
1
1
1Э
d0
d0
Принцип формирования симметричной девятифазной системы напряжений поясняется векторной диаграммой на фиг.2. Основные вектора напряжений A, В, С соответствуют напряжениям основных обмоток 1, 2, 3 автотрансформатора, снимаемых с промежуточных отводов 1.3, 2.3, 3.3. Первая трехфазная система напряжений, соответствующая этим векторам, подаются на входы выпрямительного моста 10. На основе трех других фазных напряжений (и соответствующих им векторов A>A, B>B, C>C) и с помощью дополнительных напряжений, соответствующих дополнительным обмоткам 5÷9 и изображающим их векторам АА, АА, ВВ, BB, СС, СС, формируют шесть дополнительных векторов А, А, В, В, С, С, которые вместе с основными векторами А, В, С образуют симметричную девятифазную систему напряжений. Образованные таким способом вторая и третья трехфазные симметричные системы напряжений, изображаемые векторами А, В, С и А, В, С, подаются соответственно на входы второго 11 и третьего 12 выпрямительных мостов. В результате иной, целенаправленной группировки восемнадцати диодов в три трехфазных выпрямительных моста, введения двух трехфазных трансфильтров 16, 21 и соответствующего подключения выходов трех выпрямительных мостов через обмотки этих трансфильтров к выходным выводам автотрансформаторно-выпрямительного устройства достигнуты принципиально иные, энергетически более эффективные режимы работы обмоток трансформатора и диодов выпрямительного узла. Каждый из трех выпрямительных мостов работает здесь независимо друг от друга, то есть как обычный, широко описанный в учебниках по силовой электронике трехфазный диодный мост. Соответствующая данному моменту пара диодов в каждом из трех выпрямительных мостов открывается под воздействием линейных напряжений своей симметричной системы напряжений. На выходе мостов формируются три шестипульсных выпрямленных напряжения , пульсации которых последовательно сдвинуты между собой по фазе (на частоте сетевого напряжения f) на угол 40 эл. градусов. Это означает, что ближайшие по частоте высшие гармоники в этих выпрямленных напряжениях, имеющие частоту 6f, между собой сдвинуты на угол 120 эл. градусов и, следовательно, образуют трехфазную систему напряжений (частоты 6f), токи от которых трехфазными трансфильтрами 16, 21 на выход устройства не пропускаются, поскольку они для этих гармоник представляет значительное индуктивное сопротивление (как трансформатор в режиме холостого хода). Трансфильтры пропускают лишь гармоники, кратные m=18, поскольку они для них являются гармониками нулевой последовательности. В результате работы трансфильтров длительность протекания тока через каждый диод в каждом из трех мостов в полезной модели составляет 120 эл. градусов (в то время, как в прототипе - 40 эл. градусов). Максимальное значение тока через диоды в прототипе равно току нагрузки автотрансформаторно-выпрямительного устройства - I. а в полезной модели оно в 3 раза меньше и равно (1/3)·I.
Таким образом, указанное преимущество полезной модели определяется введением в автотрансформаторно-выпрямительное устройство двух трехобмоточных трансфильтров, и особым подключением входов выпрямительных мостов к обмоткам автотрансформатора. Отличительные признаки являются существенными, поскольку они кардинально изменяют в положительном направлении режимы работы, как диодов выпрямительного узла, так и обмоток автотрансформатора. Они обеспечивают независимый режим работы трех выпрямительных мостов. Отличие режима работы полезной модели от режима работы прототипа заключается в том, что в каждом из трех мостов одновременно в проводящем состоянии находятся только два диода, а в целом в выпрямительном узле (включающем в себя три моста) - шесть диодов. В то время, как в выпрямительном узле прототипа (в патенте США) в каждый момент из восемнадцати диодов в проводящем состоянии находятся только два диода (вместо шести в полезной модели). Таким образом, в прототипе диоды работают в более интенсивном режиме, о чем, в частности, свидетельствует и большее в - раз (чем в полезной модели) действующее значение протекающего через них тока, которое и определяет повышенные потери в них.
Г(АТ)
d0
Г(АТ)
d0
Г(ТΦ)
d0
Г(Σ)
Г(АТ)
Г(ТΦ
d0
Г(АТ)
=
=
Расчеты показывают, что: а) - габаритная мощность автотрансформатора согласно полезной модели оказывается меньшей, чем в прототипе, и равна Р=0,40·P (вместо Р)=0,58·Р в прототипе - патенте США); б) - а габаритная мощность двух введенных трансфильтров не превышает 2·P 0,03·Р. Суммарная габаритная мощность автотрансформатора и двух трансфильтров, равная Р Р+2·Р)=0,43·Р, оказывается в 1,35 раза меньше, чем Р в прототипе. Кроме того, действующее значение тока через диоды, равное в полезной модели:  в  раз меньше, чем в прототипе, что свидетельствует о меньших потерях в них и о лучших массогабаритных показателях охладителей, на которых они размещаются. С учетом еще и факта существенного снижения действующих значений токов в обмотках автотрансформатора (благодаря меньшим искажениям токов), однозначно свидетельствующих также и о меньших потерях в них, следует еще и вывод о том, что устройство согласно полезной модели обладает и более высоким КПД.
AI
A1
Г(i)
d0
d
На фиг.3 представлены осциллограммы основных рабочих процессов: а) -фазное напряжение сети u(t) и потребляемый из нее ток i(t) с относительно малыми искажениями, характеризуемыми коэффициентом гармоник тока К=10%; б) - пульсации выпрямленного напряжения, показанные в мелком масштабе - в диапазоне U=262÷268 В; в) - выпрямленное напряжение u(t) в режиме плавной подачи на автотрансформатор сетевого напряжения, показанное а натуральном масштабе (пульсации напряжения практически неразличимы).
Таким образом, технический результат полезной модели достигается иной структурной организацией трансформаторно-выпрямительного устройства, обеспечивающей принципиально иной режим взаимодействия обмоток автотрансформатора с выпрямительным узлом (который сгруппирован в полезной модели по топологии трех обособленных выпрямительных мостов 10, 11, 12 и дополнен двумя трехфазными трансфильтрами 16 и 21).
Использование полезной модели позволяет иметь меньшую массу и габариты (не менее, чем на 30%) и более высоким КПД (благодаря меньшим в 3 раза потерям в диодах выпрямителей и в обмотках автотрансформатора).