ТРЕХФАЗНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЙ БЛОК

Область техники, к которой относится полезная модель
Настоящая полезная модель относится к трехфазным выпрямительным блокам, которые могут применяться в машинах контактной сварки постоянным током средней мощности.
Уровень техники Из уровня техники известны машины контактной сварки постоянным током средней мощности, большинство из которых строятся на базе трансформаторов ТВК - 75. В таблице 1 указаны его основные технические характеристики.
Таблица 1
технические характеристики ТВК - 75
Наименование параметра
Значение
Номинальное первичное напряжение, В
365
Номинальный сварочный ток, кА
25
Длительный вторичный ток, А
9000
Номинальный длительный первичный ток, А
148
Ток холостого хода в % от длительного первичного тока
6
Потери холостого хода, Вт
160
Потери короткого замыкания, Вт
3950
Максимальная условная мощность при ПВ=50%, кВ*А
75
Масса, кг
107
-2
-1
Трансформатор ТВК - 75 является трансформатором броневого типа, с двумя независимыми вторичными витками, т.е. магнитопровод охватывает обмотки. Магнитопровод трансформатора состоит из двух тороидальных пакетов (ввитых непосредственно в готовый моноблок обмоток) из холоднокатаной ленточной стали с изоляционным покрытием. Поскольку Магнитопровод после навивки не подвергается отжигу, то значение индукции невысоко и составляет 1,5 Тл (кг·с.А).
Конструкция трансформатора ТВК - 75 выполнена компактно, надежно, удобна при монтаже, обладает сравнительно невысокой стоимостью и широким диапазоном технических возможностей. Названный трансформатор выпускается группой предприятий Российской Федерации.
На трансформаторах ТВК - 75 строятся следующие машины контактной сварки МТ - 1928, МТ - 1503. На двух трансформаторах с последовательным включением вторичных обмоток МТ - 2103, с параллельным включением обмоток МТ - 3001 и МТ - 4019.
Целью разработки настоящей полезной модели является создание трехфазного выпрямительного блока, который можно было бы использовать в машинах контактной сварки постоянным током.
Раскрытие полезной модели
Настоящая полезная модель описывает трехфазный выпрямительный блок, включающий три входных клеммы, по меньшей мере шесть выходных диодов, две выходных клеммы, три односторонних тиристора, каждый из которых подключен анодом к одной из входных клемм, и три однофазных трансформатора, имеющих по одной первичной обмотке, соединенных в треугольник, и по две вторичные обмотки, соединенные в шестифазную звезду, причем одна из вторичных обмоток каждого трансформатора подключена к аноду одного выходного диода началом, а вторая из вторичных обмоток каждого трансформатора подключена к аноду другого выходного диода концом, при этом катоды выходных диодов подключены к одной выходной клемме, а центр шестифазной звезды подключен ко второй выходной клемме.
В одном из вариантов настоящей полезной модели вторичные обмотки каждого трансформатора могут быть выполнены одинаковыми.
В одном из вариантов настоящей полезной модели первичные обмотки каждого трансформатора могут быть выполнены одинаковыми.
Согласно еще одному выполнению выходные диоды могут быть выполнены одинаковыми.
Выходные диоды могут иметь угол управления равный π/3.
Дополнительно односторонние тиристоры могут быть выполнены одинаковыми.
Техническим результатом настоящей полезной модели является унификация элементов трехфазного выпрямительного блока, снижение его стоимости, упрощение монтажа, повышение КПД выпрямителя, повышение надежности выпрямителя и упрощение его обслуживания.
Краткое описание чертежей
Настоящая полезная модель поясняется следующими чертежами:
Фиг.1 - вид сбоку трехфазного выпрямительного блока согласно настоящей полезной модели;
Фиг.2 - вид сбоку трехфазного выпрямительного блока согласно настоящей полезной модели;
Фиг.3 - общий вид трехфазного выпрямительного блока согласно настоящей полезной модели;
Фиг.4 - вид сбоку сварочной машины с трехфазным выпрямительным блоком, выполненным согласно настоящей полезной модели;
Фиг.5 - принципиальная схема трехфазного выпрямительного блока согласно настоящей полезной модели;
Фиг.6 - векторная диаграмма напряжений обмоток трансформатора;
Фиг.7 - диаграмма выпрямленного напряжения.
Нижеследующее описание, совместно с вышеназванными чертежами позволяет осуществить полезную модель специалисту в данной области техники.
Осуществление полезной модели
Настоящая полезная модель описывает трехфазный выпрямительный блок, включающий три входных клеммы, по меньшей мере шесть выходных диодов, три входных клеммы, по меньшей мере три входных односторонних тиристора, три однофазных трансформатора.
Для сварочной машины трехфазный трансформаторный блок реализован на трех однофазных трансформаторах ТВК - 75. На фиг.1, 2 и 3 показано, что конструктивно, трансформаторы располагаются один над другим, образуя единый блок, который устанавливается между стойками в корпусе машины.
В одном из вариантов осуществления настоящей полезной модели трансформатор имеет характеристики такие, как они приведены в таблице 2.
Таблица 2
Величины вторичных напряжений при переключении первичной обмотки трансформатора.
Ступени
Положение перемычек
Число витков первичной обмотки
Номинальный ток первичной обмотки, А
Вторичное напряжение, U2, В±1%
П1 и П2
П3
1
11О О12
1
125
36.4
2.92
2
П1
2
113
44,6
3,23
3
13О О12
3
101
55.8
3.61
4
13О О16
4
97
60.5
3,76
5
П1
1
86
76.9
4,25
6
11О О12
2
74
103,9
4,93
7
13О О12
3
62
148
5.9
8
П2
4
58
148
6,3
13О О16
В качестве диодов могут быть использованы полупроводниковые диоды Д053-7100, выпускаемые на ЗАО «Протон-Электротекс» г.Орел. За счет их использования и новой схемы соединения электрических элементов между собой сокращены габаритные размеры выпрямительного блока, достигнуты высокая унификация, позволяющая упростить монтаж блока, повысить его надежность, уменьшить стоимость и упростить обслуживание.
В одном из вариантов осуществления настоящей полезной модели используются диоды, имеющие характеристики такие, как они приведены в таблице 3.
Таблица 3
характеристики и предельно допустимые значения электрических параметров диодов
Наименование параметра (буквенное обозначение), единица измерения
Норма
не менее
не более
Электрические и тепловые характеристики
Импульсное прямое напряжение, (UFмo)- В, не более,
1.05
при температуре перехода 25°С
при действующем прямом токе 5000 А
Повторяющийся импульсный обратный ток (IRRM), мА
50
Тепловое сопротивление переход-корпус (R<sub>th</sub>j<sub>c</sub>),  °C/BT
0.010
Предельно допустимые значения электрических параметров
Средний прямой ток при температуре корпуса прибора 84,5°С (I<sub>FAV</sub>), А
7100
Ударный прямой ток (IFSMX <sup>к</sup>А при максимально-допустимой температуре перехода С и длительности импульса 10 (8.3) мс
55.0
(58.0)
Повторяющееся импульсное обратное напряжение (U<sub>RRM</sub>), В для класса:
2
200
3
300
4
400
Конструкция блока решает проблему установки силового блока наиболее близко к месту сварки: уменьшена длина токоподводов и снижено его омическое сопротивление. На фиг.4 показано, что трехфазный трансформаторный блок установлен неглубоко в корпусе машины. Также на фигуре можно видеть диод, обозначенный позицией 1.
Диоды установлены максимально близко от выводов трансформатора для уменьшения индуктивного сопротивления.
На фиг.5 представлена электрическая схема, на которой показано, что питание схемы осуществляют через однофазные трансформаторы ТВК - 75 (Т1÷Т3), которые имеют по одной первичной обмотке, соединенные в треугольник, и две одинаковые вторичные обмотки, соединенные в шестифазную звезду, в каждом луче которой устанавливаются по одному диоду.
При этом три вторичных обмотки подключены к анодам диодов началами, а три обмотки подключены к анодам диодов концами. При таком соединении фазы напряжений смещены относительно друг друга на 180° (как это показано на Фиг.6), а векторы напряжений соседних фаз - на 60°.
В любой момент времени в шестифазной схеме будет открыт тот диод, потенциал анода которого в данный момент выше, чем у других диодов. Коммутация тока с диода на диод (V1÷V6) происходит в моменты пересечения синусоид фазных напряжений вторичных обмоток трансформатора. Угол проводимости диода равен λ=π/3. Кривая выпрямленного напряжения представляет собой огибающую положительных полуволн шестифазной системы напряжений вторичной обмотки с учетом электромагнитной инерционности вторичного контура. (Фиг.7).
На фиг.7 показана кривая выпрямленного напряжения, которая имеет шестикратную пульсацию. Кривая выпрямленного тока в точности повторяет кривую выпрямленного напряжения. Действующее значение тока практически лишено колебаний. Позициями 2, 3 и 4 показаны фазы от клемм А, В и С.
Частота основной гармоники переменной составляющей выпрямленного напряжения, в 2 раза выше, а коэффициент пульсации напряжения почти в 4,5 раза меньше, чем в трехфазной нулевой схеме.
Среднее значение выпрямленного напряжения определяется по формуле 1:
Действующие значения токов и вентилей фаз вторичной обмотки равны и определяются формулой 2:
Обратное напряжение на закрытом диоде определяется разностью потенциалов его катода и анода.
Достоинством данной схемы по сравнению с другими трехфазными схемами выпрямления является более высокий КПД, так как в этой схеме ток нагрузки протекает параллельно через два диода, а не последовательно. То есть нагрузочный ток в этой схеме проходит через диод в течение 1/6 периода гармоники, а в трехфазных схемах - в течение 2/3 периода гармоники, следовательно, среднее значение тока диода для шестифазной схемы будет в 2 раза меньше, чем для трехфазных схем выпрямления.
Таким образом, уменьшено число установленных диодов, и получен более высокий КПД выпрямителя на значительный ток, когда в трехфазных схемах приходится использовать более мощные диоды либо применять параллельное соединение диодов в плече выпрямителя.
В любой момент при работе выпрямителя нагружена лишь одна какая-либо фаза, что требует, чтобы первичная обмотка была соединена в треугольник во избежание перекоса фаз и повышения вследствие этого реактивного падения напряжения. При соединении первичной обмотки трансформатора в треугольник поток вынужденного намагничивания практически не возникает.
Реализация данной компоновки выпрямителя открывает возможность создания 12-ти фазной схемы выпрямления, и на 6-ти трансформаторах реализовать блоки до 500 кВА мощностью, т.е. строить машины класса МТВ-80 и МТВ-100, которые будут дешевле всех предлагаемых на рынке машин данного класса.
Настоящая полезная модель может быть осуществлена согласно формуле полезной модели специалистом в данной области техники.