ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТРЕХФАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ
CONVERTER OF THREE-PHASE VOLTAGE INTO DC VOLTAGE

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может найти применение для питания потребителей постоянного тока с повышенными требованиями к надежности преобразователя.
Известны преобразователи трехфазного напряжения в постоянное, построенные по схемам последовательного типа (А.с. №57985 СССР. Устройство для выпрямления и инвертирования трехфазного переменного тока. / Я.М.Червоненкис, зарег. 03.06.39, опубл. 01.01.1940; а.с. №801204, СССР. Преобразователь переменного тока в постоянный / А.А.Яценко, 4Н02М7/06, Бюл.№4, 30.01.1981).
Недостатками данных преобразователей являются большие мощности потерь в вентилях.
Известен преобразователь трехфазного напряжения в постоянное, имеющий кольцевую схему включения вентилей, обеспечивающую снижение потерь в вентилях (Внешняя характеристика и режимы работы двенадцатифазного преобразователя с уменьшенными потерями. Колев Св.Н., Калчев А.К./ реф. журнал «Электротехника и электроэнергетика» 21 Ю, №9, 1977 // (болг.) «Научн. тр. Висш. ин-т машиностр., механиз. и електрифик. селск. стоп. - Русе», 1974, сер. 6, 17, С.117-120).
Известны также преобразователи трехфазного напряжения в постоянное (частные реализации вышеуказанного преобразователя), имеющие кольцевые схемы соединения вентилей (а.с. №1356153, СССР. Высоковольтный источник электроснабжения A.M.Репина / A.M.Репин, Бюл. №44, 1987).
Данные преобразователи содержат по два источника трехфазных систем напряжений, сдвинутых взаимно на 30 эл. град., и по три группы вентилей: анодную, катодную и шестивентильное кольцо (кольцевая группа).
Недостатком вышеуказанных преобразователей является сложность выполнения защиты групп вентилей от перенапряжений.
2
Наиболее близким к изобретению, принятым за прототип, является преобразователь m-фазного напряжения в постоянное (а.с. №729777, СССР. Преобразователь m-фазного переменного напряжения в постоянное / Ю.В.Потапов, Бюл. №15, 1980), в котором при m=3 и p-кратной частоте пульсации выпрямленного напряжения содержится р/6 трехфазных источника питания, одноименные напряжения которых последовательно сдвинуты по фазе на 2/p эл. град., и n=(р/6)+1 последовательно расположенных вентильных групп, каждая из которых включает m=9 вентилей, соединенных в 2m=6 вентильных звезд с циклическим соединением лучей, при этом каждая вентильная звезда имеет к=3!=6 контуров из шести вентилей, образующих шестивентильное кольцо с тремя парами диаметрально расположенных точек соединения одноименных электродов вентилей, при этом точки соединения лучей вентильных звезд образуют по три входных (анодных) и по три выходных (катодных) узла вентильной группы, причем каждый из трех незадействованных одноименных узлов одной из смежных вентильных групп соединен с одним из трех незадействованных узлов другого наименования второй смежной вентильной группы, а к каждой точке попарного соединения узлов смежных вентильных групп подключена одна из фаз одного из трехфазных источников питания, причем в каждой вентильной группе, связывающей смежные источники питания, всегда найдется шесть вентилей, соединенных попарно одноименными электродами в замкнутое шестивентильное кольцо, через пару вентилей которого каждая из фаз одного из смежных источников питания соединена с фазами другого смежного источника питания, имеющими фазовые сдвиги  эл. град. относительно данной фазы, при этом незадействованные узлы первой и последней вентильных групп соединены с одноименными им выходными выводами устройства, образуя при этом из вентилей групп три анодных и три катодных вентильных звезды.
Данный преобразователь некритичен к порядку подключения фазных выводов питающих систем к соответствующим точкам соединения смежных групп вентилей. Однако это обеспечивается избыточностью вентилей в группах, связывающих смежные системы питания.
Недостатком данного преобразователя является относительно невысокая надежность из-за отсутствия защиты групп вентилей от перенапряжений.
Задача изобретения - повышение надежности преобразователя.
Указанная задача достигается тем, что преобразователь трехфазного напряжения в постоянное содержит при р-кратной частоте пульсации выпрямленного напряжения р/6 трехфазных источника питания, одноименные напряжения которых последовательно сдвинуты по фазе на 2/p эл. град., и n=(р/6)+1 последовательно расположенных вентильных групп, крайние из которых содержат по три вентиля, соединенных в анодную и катодную вентильные звезды, общие точки которых образуют выходные выводы устройства, а остальные группы представляют собой шестивентильные кольца с тремя парами диаметрально расположенных точек соединения одноименных электродов вентилей, крайние вентильные группы соединены со смежными группами в трех узлах, каждый их которых образован свободным электродом анодной (катодной) вентильной звезды и свободной точкой соединения электродов вентилей смежного вентильного кольца, образованной электродами другого наименования, смежные вентильные кольца соединены в трех узлах, каждый из которых образован свободной парой точек соединения электродов вентилей смежных колец, причем в данных узлах электроды вентилей одного смежного кольца имеют одно наименование, а электроды вентилей второго кольца другое наименование, причем к каждому узлу соединения смежных вентильных групп подключена одна из фаз одного из трехфазных источников питания, при этом каждая из фаз любого источника питания соединена через вентили колец только с фазами смежных источников питания, имеющими фазовые сдвиги  эл. град. относительно данной фазы, причем к каждой паре диаметрально расположенных точек соединения электродов вентилей колец подключено устройство защиты от перенапряжений.
Также задача достигается тем, что устройства защиты от перенапряжений могут содержать несимметричные ограничители напряжения, электроды которых связаны с одноименными электродами вентилей колец.
На Фиг.1 приведена электрическая схема предлагаемого преобразователя, например, с 12-кратной частотой пульсации выпрямленного напряжения; на Фиг.2 показано вентильное кольцо с устройствами защиты от перенапряжений (далее устройства защиты), представленными, например, в виде несимметричных ограничителей напряжения; на Фиг.3 - векторные диаграммы напряжений, представленные амплитудно-фазовыми портретами напряжений вторичных фазных обмоток (треугольник замещен звездой) и развернутыми векторными диаграммами, поясняющими принцип формирования результирующих напряжений, напряжения, действующего между диаметрально расположенными точками вентильного кольца, и обратного напряжения на двух вентилях; на Фиг.4 - схема формирования цепей включения устройств защиты на примере двух из шести возможных позиций на векторных диаграммах Фиг.3; на Фиг.5 - временные диаграммы обратных напряжений на вентилях различных групп и диаграмма напряжения между диаметрально расположенными точками вентильного кольца; на Фиг.6 - временные диаграммы обратных напряжений и токов вентилей при воздействии перенапряжения в схеме прототипа и в схеме предлагаемого преобразователя с устройствами защиты, выполненными на несимметричных ограничителях напряжения, а также диаграммы работы устройства защиты; на Фиг.7 - временные диаграммы обратных напряжений и токов вентилей, а также выпрямленного напряжения при воздействии перенапряжения в схеме прототипа и в схеме предлагаемого преобразователя с устройствами защиты на основе симметричного ограничителя напряжения; на Фиг.8 - одна из конкретных реализаций преобразователя с устройствами защиты, имеющего 18-кратную частоту пульсации выпрямленного напряжения.
Преобразователь (Фиг.1) содержит трехфазный трансформатор 1 с вторичными обмотками, соединенными по схемам звезды и треугольника, двенадцать вентилей 2-13 и три устройства защиты 14-16, изображенные на схеме, например, в виде симметричных ограничителей напряжения. Вентили 5-10 образуют шестивентильное кольцо, подключенное тремя входами к вентилям 2-4, образующим анодную вентильную звезду, а тремя выходами к вентилям 11-13, образующим катодную вентильную звезду. Общие точки звезд 17 и 18 образуют выходные выводы преобразователя, к которым подключена нагрузка 19. Каждое из устройств защиты 14-16, представленных на Фиг.1 в виде симметричных ограничителей напряжения, или 20-22, представленных на Фиг.2 в виде несимметричных ограничителей напряжения, подключено к одной из трех пар диаметрально расположенных точек соединения вентилей кольца и каждое из устройств соединяет одноименные фазные выводы вторичных обмоток, соответственно а-а′, в-в′, с-с′.
Принцип работы устройства (Фиг.1) иллюстрируется векторными диаграммами напряжений, представленными в виде амплитудно-фазовых портретов напряжений вторичных фазных обмоток, составляющих две симметричные трехфазные системы, сдвинутые в фазовой плоскости на 30 эл. град., и развернутыми на фазовой плоскости векторными диаграммами результирующих напряжений (диаграммы а-e на Фиг.3). Из векторных диаграмм видно, что между диаметрально расположенными точками соединения вентилей вентильного кольца формируется однополярное переменное напряжение (например, напряжение на устройстве защиты 14, включенном между точками а-а'), имеющее такой же знак, как и обратные напряжения на вентилях (например, вентилях 9, 10). Максимальное мгновенное значение напряжения между диаметрально расположенными точками вентильного кольца для преобразователя с 12-кратной частотой пульсации выпрямленного напряжения меньше максимального значения рабочего обратного напряжения на вентилях кольца и больше максимального мгновенного значения рабочего обратного напряжения вентилей анодной и катодной групп. При возникновении перенапряжений соотношения между величинами рассматриваемых напряжениями остаются практически теми же. Это позволяет включать между диаметрально расположенными точками вентильного кольца устройства защиты с уставкой срабатывания, которая равна или больше максимального мгновенного значения рабочего напряжения между диаметрально расположенными точками, ограничивая тем самым перенапряжения как на вентилях кольца, так и на вентилях анодной и катодной групп.
На Фиг.4 схематически отражен процесс подключения устройств защиты к вторичным обмоткам в двух смежных фазах цикла преобразования. Видно, что ограничение перенапряжения обеспечивается на любом участке цепей с переменной структурой. Кроме устройств защиты, на приведенных схемах изображены только вентили с максимальными обратными напряжениями и вентили, проводящие ток в данных фазах преобразования.
Соотношения уровней обратных напряжений на вентилях и напряжений между диаметральными парами точек соединения вентилей кольца для идеального преобразователя продемонстрированы на диаграммах Фиг.5.
Наличие электромагнитной связи обмоток улучшает ограничение перенапряжений для всего преобразователя в целом. Работа устройства защиты облегчается также потому, что его рабочее напряжение меньше напряжений на вентилях кольца (нежелательный подогрев, например, лавинных вентилей происходит именно в рабочем режиме обратными токами). При увеличении фазности преобразователя разность этих напряжений увеличивается.
Выбор схем устройств защиты достаточно широк и обусловлен энергетическими характеристиками сети питания и преобразователя, ожидаемым уровнем перенапряжений и их энергией. Для примера на Фиг.6 показаны результаты схемотехнического моделирования работы прототипа и предлагаемого преобразователя небольшой мощности с устройствами защиты в сети 220 В. Перенапряжения в первичных обмотках таких преобразователей могут достигать 4-5-кратного уровня амплитуды рабочего напряжения, что учтено при моделировании. В качестве устройств защиты применены несимметричные ограничители напряжения, например лавинные диоды. Для сравнения выбраны те вентили прототипа, которые соответствуют по включению в схеме вентилям предлагаемого устройства.
В мощных преобразователях, работающих в сетях высокого напряжения, перенапряжения обычно не превышают трехкратного уровня. Результаты моделирования работы такого преобразователя, в устройствах защиты которого применены симметричные ограничители напряжения, например варисторы, показаны на диаграммах Фиг.7. Для сравнения на Фиг.7 приведены диаграммы работы соответствующих вентилей прототипа. Для вентиля 10 отдельно показаны диаграммы обратных напряжений при трехкратном и однократном уровнях перенапряжения. Диаграммы выпрямленного напряжения и напряжения на вентиле 3 приведены при однократном уровне перенапряжения.
Конкретная реализация преобразователя с устройствами защиты, имеющего 18-кратную частоту пульсации выпрямленного напряжения, приведенная на Фиг.8, и реализация преобразователя с большей фазностью преобразования существенных отличий от реализации, приведенной на Фиг.1, не имеют. Однако изменяются соотношения между максимальными значениями рабочих обратных напряжений вентилей анодной (катодной) группы и вентилей колец. Поэтому уставка параметров защиты проводится с учетом следующих общих для p-фазных преобразователей соотношений, справедливых для идеализированного преобразователя.
Для вентилей анодных и катодных групп, как и в мостовых выпрямителях, максимальное значение рабочего обратного напряжения равно
Для вентилей колец
Л
где U - действующее значение линейного напряжения симметричной трехфазной системы напряжений вторичных обмоток трансформатора.
Таким образом, вентили анодной и катодной групп находятся под воздействием линейного напряжения питающих систем, а вентили колец подвержены воздействию более высоких обратных напряжений, абсолютная и относительная (по отношению к напряжениям вентилей анодной и катодной групп) величина которых снижается при увеличении фазности преобразователя. Уставка срабатывания устройства защиты должна соответствовать уровню, который равен или больше максимального мгновенного значения напряжения, приложенного к диаметральным точкам кольца, и определяется по формуле:
При использовании в устройствах защиты преобразователя кремниевых стабилитронов, диодных лавинных столбов или других несимметричных ограничителей напряжения, обладающих стабилитронным эффектом, например лавинных вентилей, электроды последних соединены (связаны) с одноименными электродами вентилей кольца. Применение в устройствах защиты симметричных ограничителей напряжения, например, кремниевых симметричных ограничителей или металлооксидных варисторов, не требует соблюдения полярности подключения ограничительного прибора.
По сравнению с прототипом в преобразователе общее количество вентилей вентильных групп, связывающих смежные источники питания, сокращено на
вентилей, вместо которых включены устройства защиты от перенапряжений. Сокращено на двенадцать общее число вентилей в анодной и катодной группах.
Предложенный преобразователь по сравнению с прототипом уменьшает вероятность выхода из строя вентилей при воздействии на них перенапряжений, так как устройства защиты снижают уровень перенапряжений.
Таким образом, предлагаемый преобразователь трехфазного напряжения в постоянное имеет повышенную надежность.