ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТРЕХФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
THREE-PHASE ALTERNATING VOLTAGE CONVERTER (EMBODIMENTS)

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для преобразования трехфазного переменного напряжения в 12-пульсное выпрямленное или трехфазное переменное напряжение с качественным гармоническим составом.
Все нижеприведенные аналоги являются аналогами для всех вариантов предлагаемого преобразователя.
Известен преобразователь трехфазного переменного напряжения, второй вариант которого содержит трехфазный трансформатор, вторичные обмотки которого соединены в «треугольник» и подключены к нагрузке, например, по схеме выпрямителя, первичные фазные обмотки подключены одной группой выводов к фазным входным выводам и к межфазному распределителю тока, а другой группой выводов - к входным выводам трехфазного управляемого вентильного моста, каждый общий вывод которого подключен к крайнему выводу обмотки одного из двух уравнительных реакторов, другие крайние выводы которых подключены к первой паре разноименных электродов управляемых вентилей, а общий вывод второй пары их разноименных электродов - к нулевому входному выводу межфазного распределителя тока, промежуточные выводы обмоток уравнительных реакторов соединены друг с другом, например, через обмотку сглаживающего реактора, и делят число витков каждой из них в соотношении 1: √3, отсчитываемым от нулевого входного вывода (патент №2392728 от 17.09.2008).
Недостатком этого преобразователя является необходимость двух уравнительных реакторов. В формировании пульсации напряжения участвуют три обмотки двух Ур, функция одной из двух (в интервале дискретности, в котором она не сбалансирована по ампер виткам), замыкающих выходные выводы управляемого моста, заключается в процедуре сглаживания, что бесполезно увеличивает индуктивное сопротивление, понижает выпрямленное напряжение и увеличивает потери мощности. Вместе с тем, одна из необходимых функций этих двух обмоток в том, что они препятствуют шунтированию друг от друга управляемого моста и обратных диодов.
Совокупность причин, препятствующих получению требуемого технического результата, заключается в выборе более сложной концепции построения преобразователя, при стремлении к его более простому конструктивному исполнению, для получения качественного гармонического состава токов и напряжений.
Наиболее близким (прототип) к предлагаемому техническому решению является преобразователь трехфазного переменного напряжения, первый вариант которого содержит нулевой и фазные входные выводы, трехфазный трансформатор с вторичными фазными обмотками, подключенными к выходным выводам, например, по схеме выпрямителя, первичными фазными обмотками, подключенными промежуточными выводами и одной группой крайних выводов к выводам соответственно первой и второй групп двухполюсников, каждый с встречно-параллельным соединением управляемых вентилей и двух из 12-и обмоток уравнительного реактора, выходные выводы второй группы двухполюсников подключены к крайнему выводу дополнительно введенной и соединенной в разомкнутый «треугольник» обмотки упомянутого трехфазного трансформатора, другой крайний вывод которой соединен с нулевым входным выводом, при этом обмотки уравнительного реактора в разных группах двухполюсников подключены к одноименным электродам управляемых вентилей разноименными выводами.
Второй вариант прототипа отличается от первого тем, что содержит уравнительный реактор с 8-ю обмотками, одна из которых подключена к общей точке анодов, а другая -катодов управляемых вентилей, свободные электроды которых подключены к крайним выводам первичных фазных обмоток, а общая точка указанных двух обмоток подключена к крайнему выводу обмотки, соединенной в разомкнутый «треугольник».
Оба варианта могут содержать межфазный распределитель тока, выполненный на дополнительном трехфазном трансформаторе, фазные обмотки которого подключены одними выводами и общей точкой других выводов соответственно к фазным и нулевому входному выводам (заявка на изобретение №2020103506 от 27.01.2020, Бюл. №11 от 20.04.2020).
Недостатком этого преобразователя является то, что работа преобразователя в области режима прерывистых токов нуждается в качественном улучшении, т.к. форма выпрямленного напряжения в этой области может отличаться от его формы в области режима непрерывных токов. Это может приводить к некоторому росту амплитуд высших гармоник в области режима прерывистых токов.
Совокупность причин, препятствующих получению требуемого технического результата, заключается в том, что в области режима прерывистых токов одной только энергии тока нулевой последовательности может быть недостаточно для постоянства указанной формы.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, заключается в повышении качества гармонического состава потребляемого тока, в том числе в области режима прерывистых токов.
Эта задача в первом варианте предлагаемого устройства решается тем, что преобразователь трехфазного переменного напряжения содержит нулевой и фазные входные выводы, уравнительный реактор, трехфазный трансформатор с соединенной в разомкнутый «треугольник» обмоткой, первый крайний вывод которой соединен с нулевым входным выводом, с вторичными фазными обмотками, подключенными к выходным выводам с основной нагрузкой, например, по схеме выпрямителя, первичными фазными обмотками, подключенными первой группой крайних выводов к фазным входным выводам, каждой парой промежуточных выводов к входному и выходному выводам одного из основной группы двухполюсников с встречно параллельно включенными управляемыми вентилями и основными обмотками уравнительного реактора, а второй группой крайних выводов - к группе дополнительных управляемых вентилей, попарно подключенных к выводам первичных фазных обмоток разноименными электродами и образующих свободными электродами выходные выводы трехфазного вентильного моста с возможностью их подключения к выводам дополнительных обмоток уравнительного реактора, к выходным выводам трехфазного вентильного моста подключены параллельно две соединительные цепи, первая из которых выполнена в виде сглаживающего реактора или/и нагрузки, а вторая - в виде двух последовательно соединенных дополнительных двухполюсников, каждый с последовательно соединенными диодом и упомянутой дополнительной обмоткой уравнительного реактора, общая точка дополнительных двухполюсников подключена ко второму крайнему выводу обмоток упомянутого разомкнутого «треугольника», при этом обмотки в дополнительных двухполюсниках относительно обмоток в основной группе двухполюсников подключены к одноименным электродам управляемых вентилей разноименными выводами, а дополнительные управляемые вентили и диоды дополнительных двухполюсников образуют плечи трехфазного вентильного моста.
Во втором варианте предлагаемого устройства эта задача решается тем, что преобразователь трехфазного переменного напряжения содержит нулевой и фазные входные выводы, уравнительный реактор, трехфазный трансформатор с соединенной в разомкнутый «треугольник» обмоткой, первый крайний вывод которой соединен с нулевым входным выводом, с вторичными фазными обмотками, подключенными к выходным выводам, например, по схеме выпрямителя, первичными фазными обмотками, подключенными первой группой крайних выводов к фазным входным выводам, каждой парой промежуточных выводов к входному и выходному выводам одного из группы двухполюсников с встречно параллельно включенными управляемыми вентилями и основными обмотками уравнительного реактора, а второй группой крайних выводов - к группе дополнительных управляемых вентилей, попарно подключенных к выводам первичных фазных обмоток разноименными электродами и образующих свободными электродами выходные выводы трехфазного вентильного моста, подключенные к выводу дополнительной обмотки уравнительного реактора, к выходным выводам трехфазного вентильного моста подключены параллельно две соединительные цепи, первая из которых выполнена в виде упомянутой дополнительной обмотки уравнительного реактора, а вторая - в виде двух согласно последовательно соединенных диодов, общая точка разноименных электродов которых подключена ко второму крайнему выводу обмотки упомянутого разомкнутого «треугольника», при этом упомянутая дополнительная и основная обмотки уравнительного реактора подключены к одноименным электродам управляемых вентилей разноименными выводами, а дополнительные управляемые вентили и диоды второй соединительной цепи образуют плечи трехфазного вентильного моста.
В третьем варианте предлагаемого устройства эта задача решается тем, что в преобразователе трехфазного переменного напряжения, содержащем нулевой и фазные входные выводы, уравнительный реактор, трехфазный трансформатор с соединенной в разомкнутый «треугольник» обмоткой, первый крайний вывод которой соединен с нулевым входным выводом, с вторичными фазными обмотками, подключенными к выходным выводам, например, по схеме выпрямителя, первичными фазными обмотками, подключенными первой группой крайних выводов к фазным входным выводам, промежуточными выводами к попарно соединенным разноименными электродами основным управляемым вентилям, второй группой крайних выводов к попарно соединенным разноименными электродами дополнительным управляемым вентилям, образующим свободными электродами выходные выводы дополнительного трехфазного вентильного моста, подключенные к выводу дополнительной обмотки уравнительного реактора, свободные электроды основных управляемых вентилей образуют выходные выводы основного трехфазного вентильного моста, подключенные к выводу основной обмотки уравнительного реактора, к выходным выводам дополнительного трехфазного вентильного моста подключены параллельно дополнительной обмотке уравнительного реактора два согласно последовательно соединенных диода, их общая точка разноименных электродов соединена со вторым крайним выводом обмотки упомянутого разомкнутого «треугольника», при этом основная и дополнительная обмотки уравнительного реактора подключены к одноименным электродам управляемых вентилей разноименными выводами, а дополнительные управляемые вентили совместно с диодами образуют плечи дополнительного трехфазного вентильного моста.
В первом варианте в первой соединительной цепи сглаживающий реактор и нагрузка (на чертеже нагрузка не показана) должны быть соединены последовательно.
Во всех вариантах преобразователь может содержать межфазный распределитель тока, выполненный на дополнительном трехфазном трансформаторе, фазные обмотки которого подключены одними выводами и общей точкой других выводов соответственно к фазным и нулевому входному выводам.
Технический результат, достигаемый во всех вариантах предлагаемого устройства, заключается в повышении качества гармонического состава потребляемого тока и выходного напряжения, в том числе в области режима прерывистых токов, за счет эффекта обратного (шунтирующего) диода. В области режима прерывистых токов улучшается коэффициент мощности до постоянства его величины, т.к. форма тока и напряжения, за счет эффекта обратного диода, еще более постоянна и также не зависит от угла управления. Форма пульсаций в этом режиме не деформируется. Сохраняется снижение потерь мощности, т.к. в каждом интервале дискретности в формировании пульсации выпрямленного напряжения участвуют всего две сбалансированные по ампер виткам обмотки только одного уравнительного реактора. Отличие включения обратного диода на первичной стороне от его включения на вторичной стороне заключается в его воздействии через уравнительный реактор (Ур) на магнитный поток трансформатора.
Технический результат, достигаемый во втором варианте предлагаемого, заключается в упрощении за счет совмещения функций сглаживающего реактора и одной дополнительной обмотки Ур, при исключении из схемы другой. В третьем варианте количество обмоток Ур сокращается до двух.
ab
0a
r
0
w0
wA
A(MPT)
da
На фиг. 1 приведена принципиальная схема первого варианта преобразователя трехфазного переменного напряжения в постоянное, 12-пульсное напряжение; на фиг. 2 - векторная диаграмма напряжений преобразователя, где U и U - соответственно вектора линейного и фазного напряжений питающей сети, а на замыкающем их векторе стрелками показаны вектора уравнительных напряжений (с разделительной точкой «х») на обмотках реакторов, U - вектор результирующего (выпрямляемого) напряжения; на фиг. 3 - временные диаграммы токов I, I, I, I (показаны на схемах) и выпрямленного напряжения U; на фиг. 4 - принципиальная схема второго варианта преобразователя трехфазного переменного напряжения в постоянное, 12-пульсное напряжение; на фиг. 5 - принципиальная схема третьего варианта преобразователя трехфазного переменного напряжения в постоянное, 12-пульсное напряжение.
Преобразователь (фиг. 1) содержит трехфазный трансформатор 1 и Ур 2. Трансформатор 1 содержит первичные фазные обмотки 3, 4, 5, 6, 7, 8, группа разноименных выводов которых попарно соединена и образует промежуточные выводы 9, 10, 11 этих обмоток, а свободные выводы их начал подключены к фазным входным выводам А, В, С, вторичные фазные обмотки 12, 13, 14, соединенные в «треугольник» и дополнительные фазные обмотки 15, 16, 17, соединенные в разомкнутый «треугольник». Преобразователь также содержит управляемые вентили на тиристорах 18-29 (далее по тексту везде вентили), межфазный распределитель тока (МРТ) на трехфазном трансформаторе 30, обмотка которого соединена в «звезду», начала которой подключены к фазным входным выводам А, В, С, а образующая нулевой входной вывод 0 общая точка концов - к концу обмотки 17, выпрямительный мост на диодах 31 - 36, к выходным выводам 37, 38 которого подключена нагрузка 39, а к входным выводам - концы обмоток 12, 13, 14, Ур с обмотками 40 - 47, диоды 48, 49 и сглаживающий реактор 50. Концы (начала) обмоток 40, 42, 44 (41, 43, 45) подключены соответственно к анодам (катодам) вентилей 20, 24, 28 (21, 25, 29). Катод вентиля 18 (22) [26] и анод вентиля 19 (23) [27] подключены к концу обмотки 6 (7) [8]. Общие точки разноименных выводов обмоток 40, 41 (42, 43) [44, 45] подключены соответственно к промежуточным выводам 10, 11, 9. Общие точки разноименных электродов вентилей 20, 21 (24, 25) [28, 29] подключены соответственно к промежуточным выводам 9, 10, 11. Сглаживающий реактор 50, подключен между общей точкой анодов вентилей 18, 22, 26 и общей точкой катодов вентилей 19, 23, 27. Начало (конец) обмотки 46 (47) подключено к общей точке катодов (анодов) вентилей 19, 23, 27 (18, 22, 26). Конец (начало) обмотки 46 (47) подключен к катоду (аноду) диода 48 (49). Общая точка свободных разноименных электродов диодов 48,49 соединена с началом обмотки 15. В каждой паре, состоящей из вентиля и обмотки Ур, порядок их последовательного соединения друг с другом индифферентен.
r
Число витков каждой из обмоток 40 - 45 в √3 раз больше числа витков каждой из обмоток 46, 47 Ур 2. Это необходимо для сдвига друг относительно друга по фазе на 30 эл. град, смежных результирующих (выпрямляемых) напряжений U. Число витков каждой из обмоток 6, 7, 8 трансформатора 1 равно числу витков каждой из его обмоток 3, 4, 5. Это необходимо для равенства амплитуд напряжений, трансформируемых на смежные фазные и отдельно на каждую фазную вторичные обмотки, соединенные в треугольник. Число витков каждой из обмоток 15, 16, 17, соединенных в разомкнутый «треугольник», равно трети от суммы чисел витков соответственно обмоток 3 и 6, 4 и 7, 5 и 8. Это необходимо для свободного замыкания тока нулевой последовательности вследствие равенства суммы магнитодвижущих сил обмоток 15, 16, 17 магнитодвижущей силе пар обмоток 3 и 6, 4 и 7, 5 и 8.
Диоды 48, 49 по цепи сглаживающего реактора 50 выполняют функцию обратных (шунтирующих) диодов. Сглаживающий реактор 50, создавая дополнительную цепь замыкания тока диодов 48, 49, тем самым, усиливает во всем диапазоне регулирования функцию разомкнутого «треугольника» на обмотках 15, 16, 17 трансформатора 1. Данный эффект имеет место и в случае исполнения соединительной цепи в виде активной нагрузки вместо сглаживающего реактора 50. На этой нагрузке (на чертеже не показано) формируется выпрямленное напряжение, периодичность которого (m=12) совпадает с периодичностью напряжения на нагрузке 39. Данный эффект обеспечивается взаимоиндуктивной связью обмоток Ур 2 между линейным и фазным напряжениями сети на трансформаторе 1. Включение активной нагрузки в рассечку соединительной цепи со сглаживающим реактором 50 позволяет получить на ней выпрямленное напряжение вообще без пульсаций, т.е. в виде параллельной оси абсцисс абсолютно прямой линии.
Вентили 18-29 проводят первичный ток попарно в следующей очередности: 22-21, 21-19, 19-28, 28-26, 26-25, 25-23, 23-20, 20-18, 18-29, 29-27, 27-24, 24-22. Одновременно в тех же интервалах дискретности диоды 31-36 проводят вторичный ток по три в следующей очередности: 36-33-32, 36-33-32, 33-32-35, 33-32-35, 32-35-34, 32-35-34, 35-34-31, 35-34-31, 34-31-36, 34-31-36, 31-36-33, 31-36-33. Как видно угол проводимости каждого диода моста равен 180 эл. град.
r
r
0a
r
В каждом интервале дискретности геометрическая разность линейного и фазного напряжений сети поочередно прикладываются к паре обмоток Ур 2, например, 41,47 при включении вентилей 19, 21. Результирующее напряжение U, трансформируемое на вторичные фазные обмотки 12 и 13 трансформатора 1, определяется согласно векторной диаграмме на фиг. 2. На этой диаграмме вектор, соединяющий точки а и b соответствует уравнительному напряжению реактора, а точка л делит этот вектор, т.е. сумму чисел витков обмоток 47, 41 в соотношении равном 1: √3. Тогда фазовый сдвиг между векторами напряжений U и U равен 15 эл. град. Аналогично формируется вектор результирующего напряжения U в следующем через 15 эл. град. интервале дискретности в соответствии с очередностью включения управляемых вентилей, определяемой естественным чередованием линейных и фазных напряжений сети.
0
При замыкании тока I через соединенные в разомкнутый «треугольник» обмотки 15, 16, 17 и одну из первичных фазных обмоток сумма ампер-витков этих обмоток равна нулю, а их магнитодвижущие силы направлены встречно. Происходит компенсация переменной составляющей выпрямленного напряжения, форма которого при всяком изменении угла управления вентилями сохраняется неизменной. Регулирование напряжения осуществляется только за счет изменения его амплитуды, причем без фазового сдвига относительно оси ординат. Все процессы в преобразователе происходят под доминированием частоты третьей гармоники. Это подавляет проявление второй гармоники в форме выпрямленного напряжения.
0
w0
0
В дополнительном трехфазном трансформаторе 30 МРТ ток I делится на три равных тока I, которые замыкаются через фазные входные выводы А, В, С и одну из первичных фазных обмоток трансформатора 1. Это обеспечивает защиту сети от кратных трем гармоник первичного фазного тока, а, вследствие замыкания трети тока I между МРТ и одной из первичных фазных обмоток трансформатора 1, уменьшается нагрузка на сеть.
A(MPT)
Преобразователь допускает возможность подключения к выходным выводам вторичной обмотки трансформатора 1 трехфазной нагрузки, что обеспечивает в режиме регулятора напряжения кусочно-синусоидальную форму фазного напряжения и тока нагрузки, длительностью 360 эл. град. Напряжение и ток на каждой фазе активной нагрузки совпадают по форме с первичным линейным током I преобразователя (рис. 3). На вторичной стороне трансформатора 1 может быть выполнена и 6-фазная схема выпрямителя со средней точкой.
Преобразователь на фиг. 4 отличается от преобразователя на фиг. 1 тем, что содержит только одну дополнительную обмотку 47 Ур 2, замещающую в первой соединительной цепи отсутствующий сглаживающий реактор 50. Эта обмотка обеспечивает взаимоиндуктивную связь между линейным и фазным напряжениями сети, а совместно с диодами 48, 49 - контур для замыкания реактивного тока, содействующего стабилизации коэффициента мощности.
Преобразователь на фиг. 5 отличается от преобразователей на фиг. 1 и фиг. 4 тем, что Ур 2 содержит всего две обмотки 41, 47, каждая из которых подключена к выходным выводам соответствующего вентильного моста. Обмотки 41, 47 Ур, в отличие от обмоток Ур в широко известной 6-фазной однотактной схеме, размещены на первичной стороне трансформатора и имеют неравные числа витков с соотношением 1:√3 для формирования 12-пульсного режима работы в качестве выпрямителя или регулятора напряжения.