Преобразователь переменного напряжения в постоянное (варианты)
VARIABLE VOLTAGE CONVERTER IN CONSTANT (VARIANTS)

Изобретение относится к области электротехники, в том числе к силовой преобразовательной технике, и может быть использовано для преобразования входного переменного трехфазного напряжения в переменное многофазное с последующим преобразованием в постоянное напряжение, например, для технологических установок получения алюминия, в электротранспорте, для вставок постоянного тока на линиях электропередач, электротехнологических установок, использующих постоянный ток.
Известен двадцатичетырехфазный выпрямитель (пат. РФ №49658 Н02М 7/515, 27.11.2005), содержащий трехфазный силовой трансформатор, четыре мостовых выпрямителя, индуктивный фильтр, один емкостный сглаживающий фильтр и три дополнительных индуктивных фильтра, при этом силовой трансформатор выполнен с одной первичной трехфазной обмоткой, соединенной по схеме "звезда", и четырьмя трехфазными вторичными вентильными обмотками, соединенными по схеме "треугольник", причем каждая фазная вторичная обмотка имеет отвод, подключенный к соответствующей фазе каждого мостового выпрямителя, при этом отвод делит фазную вторичную обмотку на две части, а к выходу каждого трехфазного мостового выпрямителя подключен индуктивный фильтр, причем емкостный сглаживающий фильтр подключен параллельно выходным выводам выпрямителя, при этом соотношение между частями каждой фазы первой и второй трехфазных вторичных вентильных обмоток выбрано таким, чтобы фазовый сдвиг между фазным напряжением вторичных обмоток и фазным сетевым напряжением был равен 22,5°, а для третьей и четвертой трехфазных вторичных вентильных обмоток соотношение выбрано таким, чтобы фазовый сдвиг между фазным напряжением вторичных обмоток и фазным сетевым напряжением был равен 7,5°.
Недостатками данного устройства является сложность конструкции, связанная с использованием большого количества фильтров, а также большие затраты обмоточного материала из-за наличия четырех вторичных обмоток, соединенных в треугольник с необходимостью выполнения отводов от частей витков обмоток.
Известен преобразователь переменного напряжения в постоянное (пат. РФ №2219647 Н02М 7/08, 20.12.2003), содержащий трехфазный трансформатор, вторичные обмотки которого соединены в треугольник и каждая из них снабжена двумя отводами, которые подключены к диагоналям переменного тока двух мостовых выпрямителей, включенных по входу параллельно, снабженный дополнительным таким же преобразователем, вторичные обмотки которого соединены в такой же треугольник, при этом отводы обоих трансформаторов выполнены от частей обмотки, находящихся в соотношении , считается от одноименного зажима каждой обмотки, причем первичная обмотка трансформатора одного преобразователя соединены в "звезду", а второго в "треугольник", а выходы всех выпрямителей включены параллельно.
Недостатками предложенного комплекса являются использование двух силовых трансформаторов с различными схемами соединения первичных обмоток, что значительно увеличивает массогабаритные показатели и стоимость, по сравнению с применением одного силового трансформатора, а также необходимость выполнения отводов от частей обмоток.
Известно трехфазное трансформаторно-выпрямительное устройство с двухканальным преобразованием (пат. РФ №2280311 Н02М 7/02, 20.07.2006), содержащее два трехфазных выпрямительных моста, параллельно соединенные выходные цепи которых предназначены для подключения нагрузки, входные выводы трехфазных выпрямительных мостов подсоединены к цепям входящих в состав трансформаторного узла трехфазных вторичных обмоток, соединенных по схемам «треугольник» и «звезда» соответственно, при этом цепи трехфазных первичных обмоток трансформаторного узла подключены к соответствующим выводам трехфазной сети, а также уравнительный реактор, выполненный трехфазным и имеющий по две обмотки в каждой из фаз, соответствующие первые обмотки уравнительного реактора включены последовательно в соответствующие им по фазе цепи трехфазных вторичных обмоток, соединенных по схеме «треугольник», а соответствующие вторые обмотки уравнительного реактора включены последовательно в соответствующие им по фазе цепи трехфазных вторичных обмоток, соединенных по схеме «звезда».
Недостатком указанного устройства является недостаточно высокие показатели электромагнитной совместимости, связанные с высокими амплитудами пульсаций выпрямленного напряжения, значительное отличие кривой первичного тока преобразователя, а следственно и высокий коэффициент гармоник потребляемого тока вследствие использования двух трехфазных вторичных обмоток, а также применение трехфазного уравнительного реактора, с двумя трехфазными обмотками, что также увеличивает массогабаритные показатели.
Наиболее близким к заявленному устройству по технической сути и достигаемому результату является трехфазный двухмостовой выпрямитель с параллельным соединением мостов [Розанов Ю.К. Силовая электроника. М.: Энергоатомиздат, 1992. С. 71-73], содержащий трехобмоточный трансформатор, соединенный по схеме «звезда/звезда - треугольник» и два трехфазных моста, соединенные параллельно через уравнительный реактор.
Недостатками устройства являются большие амплитуды пульсаций выпрямленного напряжения и высокий коэффициент гармоник потребляемого тока вследствие использования только двух трехфазных выпрямительных мостов, вследствие чего не всегда обеспечивается достаточная электромагнитная совместимость (ЭМС) преобразователя с сетью и нагрузкой, а также увеличенные массогабаритные показатели из-за наличия уравнительного реактора, а также более низкий КПД, так как в таком реакторе имеются потери энергии.
Задача изобретения - уменьшение амплитуды пульсаций выпрямленного напряжения, уменьшение коэффициента гармоник потребляемого тока с приближением его к синусоиде, тем самым улучшение ЭМС при параллельном соединении блоков выпрямителей.
Технический результат - увеличение КПД преобразователя, связанное с более высокими показателями преобразования электрической энергии, например, коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения и коэффициент гармоник потребляемого тока, а также с отсутствием в схеме уравнительного реактора с выделявшимися в нем потерями.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается в преобразователе переменного напряжения в постоянное по первому варианту, содержащем многообмоточный трансформатор, содержащий первичную трехфазную обмотку и вторичные обмотки, соединенные по схеме «звезда - зигзаг - зигзаг» с первичной обмоткой и первой, второй, третьей вторичными обмотками, соединенными по входу с тремя трехфазными выпрямительными диодными мостами, которые соединены по выходу параллельно, нагрузочное активное или активно-индуктивное сопротивления, причем первичная обмотка образована катушками, соединенными в звезду или зигзаг, первая вторичная обмотка образована катушками, соединенными в звезду, вторая вторичная обмотка образована катушками, соединенными в зигзаг, третья вторичная обмотка образована катушками, соединенными в зигзаг, выходы первой вторичной обмотки подключены первому выпрямительному мосту, выходы второй вторичной обмотки подключены ко второму выпрямительному мосту, выходы третьей вторичной обмотки подключены к третьему выпрямительному мосту.
Кроме того, первичные обмотки могут быть соединены по схеме звезда.
Кроме того, первичные обмотки могут быть соединены по схеме треугольник.
n
n
Поставленная задача решается, а технический результат достигается в преобразователе переменного напряжения в постоянное по второму варианту, содержащем многообмоточный трансформатор включающий  вторичных обмоток, соединенных в комбинации схем звезда, треугольник и зигзаг, соединенных по входу с  трехфазными выпрямительными диодными мостами.
Преимуществом предлагаемого решения является отказ от использования уравнительного реактора на выходе выпрямителя, с одновременных увеличением количества выпрямительных мостов, тем самым уменьшаются массогабаритные показатели, увеличиваются энергетические показатели, например, коэффициент гармоник тока, коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения и т.д. При этом за счет дальнейшего увеличения количества выпрямительных мостов возможно еще большее снижение амплитуды и повышение частоты пульсаций выпрямленного напряжения и приближение к синусоиде первичного тока.
Существо изобретения поясняется чертежами.
На фигуре 1 изображена электрическая принципиальная схема преобразователя.
На фигуре 2 приведена векторная диаграмма вторичных напряжений для случая девятифазного (восемнадцатипульсного) выпрямления.
На фигуре 3 показана осциллограмма выпрямленного напряжения для активной нагрузки.
На фигуре 4 представлена осциллограмма выпрямленного тока для активной нагрузки.
А
На фигуре 5 изображена осциллограмма первичного тока фазы  и его составляющих, образуемых одноименной фазой вторичных обмоток.
На фигуре 6 показана осциллограмма девятифазной системы вторичных напряжений трансформатора.
На фигуре 7 приведена осциллограмма тока вторичной обмотки с кривой действующего значения.
На фигуре 8 приведена гистограмма гармонического состава выпрямленного напряжения.
На фигуре 9 показана гистограмма гармонического состава первичного тока.
Для простоты и удобства дальнейшее описание предлагаемого преобразователя числа фаз произведено на основе девятифазного трансформаторного преобразователя числа фаз.
Преобразователь переменного напряжения в постоянное состоит из многообмоточного трансформатора 1, согласно изобретению, соединенного по схеме «звезда/звезда - зигзаг - зигзаг» или «треугольник/звезда - зигзаг - зигзаг» с первичной обмоткой 2 и первой 3, второй 4, третьей 5 вторичными обмотками, соединенными по входу с тремя трехфазными выпрямительными диодными мостами 6-8, которые соединены по выходу параллельно, нагрузочного активного или активно-индуктивного сопротивления 9-10, причем первичная обмотка образована катушками 11-13, соединенными в звезду или треугольник, первая вторичная обмотка образована катушками 14-16, соединенными в звезду, вторая вторичная обмотка образована катушками 17-22, соединенными в зигзаг, третья вторичная обмотка образована катушками 23-28, соединенными в зигзаг, выходы первой вторичной обмотки 3 подключены первому выпрямительному мосту 6, выходы второй вторичной обмотки 4 подключены ко второму выпрямительному мосту 7, выходы третьей вторичной обмотки 5 подключены к третьему выпрямительному мосту 8.
В отличие от прототипа, в новом устройстве отсутствует уравнительный реактор, что значительно удешевляет устройство, уменьшает его массогабаритные показатели и повышает КПД, увеличена частота пульсаций с одновременным существенным уменьшением их амплитуды за счет применения трех выпрямительных мостов, по сравнению с двумя выпрямителями.
u
u
u
u
u
u
u
u
aob
u
u
u
21
22
23
21
22
23
21
21
21
22
23
Способы соединения, расположения катушек и числа витков были рассчитаны с использованием теоремы синусов для получения симметричной девятифазной системы напряжений, сдвинутых на фазовый угол 40 градусов, в соответствии с векторной диаграммой (фигура 2). Так, на выводах первой вторичной обмотки трансформатора, соединенной в звезду, формируется трехфазная система напряжений , , . На выводах второй вторичной обмотки трансформатора, соединенной в зигзаг, формируется трехфазная система напряжений ', ', '. Напряжение ', сдвинутое на угол 40°, относительно , получается путем использования катушки, расположенной на третьем стержне (с противоположно расположенными началом и концом) и катушки, расположенной на первом стержне. Количество витков в относительных единицах было определено по теореме синусов. Рассмотрим треугольник : длина вектора , длина вектора . При последовательном соединении этих двух катушек их ЭДС складываются геометрически и суммарная ЭДС получается с требуемым сдвигом в 40°. На выводах третьей вторичной обмотки трансформатора, соединенной в зигзаг, формируется трехфазная система напряжений '', '', ''. Последовательность формирования остальных вторичных ЭДС аналогичны рассмотренному случаю в соответствии с фигурой 2.
U
d
При такой конфигурации вторичных обмоток суммарно получается вторичное симметричное девятифазное напряжение с фазовым сдвигом напряжений 40°. При его подключении к параллельно соединенным выпрямительным мостам на их общем выходе формируется выпрямленное напряжение  с низким коэффициентом пульсаций. При дальнейшем увеличении количества выпрямительных мостов и вторичных обмоток с соединением в зигзаг или треугольник может быть получено большее количество фаз вторичной обмотки, например 12, 24 и т.д.
Предложенное устройство работает следующим образом.
А
В
С
U
U
U
U
U
U
U
U
U
U
21
22
23
21
22
23
21
22
23
d
При подключении катушек 11, 12, 13 первичной обмотки трансформатора 1 к фазам , ,  трехфазной электрической сети по катушкам начинает протекать трехфазный ток с фазовым сдвигом 120°, который формирует магнитные потоки в стержнях магнитопровода с таким же фазовым сдвигом. В результате в катушках вторичных обмоток 14-28 трансформатора 1 наводятся ЭДС, величина и фаза которых определяются магнитными потоками стержней и количеством витков провода катушек. При соединении катушек 14-28 вторичных обмоток трансформатора 1 в соответствии с фигурой 1 на выводах обмоток формируется симметричная девятифазная система напряжений , , , ', ', ', '', '', '' (фигура 6) с фазовым сдвигом между их векторами 40°. В случае питания от данной системы напряжений многофазного выпрямителя, состоящего из трех параллельно соединенных по выходу трехфазных выпрямительных мостов 6-8 на их общих выходах образуется выпрямленное напряжение , колебания переменных пульсаций которого весьма незначительны (фигура 3), которое питает активное или активно-индуктивное сопротивление 9-10 нагрузки выпрямленным током (фигура 4) практически без пульсаций. За счет использования фазопреобразующего трансформатора первичный ток, потребляемый установкой, имеет форму, весьма близкую к синусоиде (фигура 5).
Вследствие исключения из схемы преобразователя уравнительного реактора, токи вторичных обмоток, соединенных в звезду и зигзаг, а также токи вентилей получаются с колебаниями (фигура 7), по сравнению с прототипом с уравнительным реактором, их максимальные и действующие значения несколько повышаются (например, действующее значение выше на 31%) однако мощность в нагрузке, коэффициент гармоник тока, коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения, потребляемая мощность в новом преобразователе не уступают прототипу.
n
n=k⋅m
k
m
I
I
I
1
n
1
Из анализа гармонического состава первичного тока трансформатора (фигура 9) видно, что в его кривой содержится нечетные гармоники с номерами , определяемыми по формуле ±1, =2, 4, …, где  - количество вторичных фаз трансформатора. Таким образом, в кривой первичного тока имеются высшие гармоники с номерами 17, 19, 35, 37 и т.д. Амплитуда основной гармоники составляет =33,39 А, 17-0,76 А, 18-0,59 А; 35-0,25 А, 37-0,22 А, амплитуды остальных гармоник не превышают 0,08 А. Таким образом, коэффициент гармоник первичного тока составляет , где  - амплитуды высших гармонических составляющих потребляемого тока, А,  - амплитуда основной гармоники тока потребляемого тока, А. Для сравнения был рассчитан коэффициент гармоник первичного тока шестифазного преобразователя, аналогичного тому, как в прототипе, который составляет: . За счет колебательного характера кривых вторичных токов потребляемый ток получается более сглаженный и близкий к синусоиде (фигура 7), по сравнению с известными прямоугольно-ступенчатыми кривыми.
При рассматриваемом параллельном соединении выпрямительных мостов без использования уравнительного реактора основные гармоники вторичных токов протекают только во вторичных обмотках трансформатора и в нагрузке, а высшие гармоники не протекают в нагрузке и не влияют на потребляемый преобразователем ток, вследствие чего этот ток близок к синусоиде (фигура 7).
U
U
U
I
a
I
а
d
18
m
d
н
н
Анализ гармонического состава выпрямленного напряжения =11,29 В (фигура 8) свидетельствует о том, что в его кривой содержится 18-я гармоника с амплитудой =0,0586 В, амплитуды остальных гармоник не превышают 0,006 В. Таким образом, коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения составляет , где Δ - амплитуда пульсации выпрямленного напряжения, В. Значение коэффициента пульсаций аналогично известным схемам трансформаторных преобразователей числа фаз с последовательным соединением выпрямителей. Коэффициент 0,0053 является приемлемым и обеспечивает рациональную ЭМС полупроводникового преобразователя с сетью и нагрузкой в большинстве случаев и не требует применения двух, трех или многообмоточного реактора, рассчитанного на ток /, где  - ток нагрузки, А,  - количество выпрямительных мостов.
Таким образом, заявленное изобретение обеспечивает упрощение схемы и конструкции многофазного трансформаторного преобразователя числа фаз с выпрямителем для преобразования переменного напряжения в постоянное за счет исключения применения уравнительного реактора. Изменение числа фаз производится с обеспечением хороших показателей качества преобразования этих параметров электрической энергии. Так коэффициент гармоник потребляемого тока значительно меньше показателя, соответствующий шестифазному преобразователю в прототипе. Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения обеспечивает рациональную электромагнитную совместимость полупроводникового преобразователя с сетью и нагрузкой в большинстве случаев и не уступает известным трансформаторным преобразователям числа фаз с последовательным соединением мостовых выпрямителей.
Итак, заявленное изобретение позволяет повысить энергетические показатели преобразователя, уменьшить его массогабаритные параметры, улучшить качество выпрямленного напряжения и потребляемого тока, и тем самым обеспечить лучшую электромагнитную совместимость установки с сетью и нагрузкой.