МОСТОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В ПОСТОЯННЫЙ
AC-TO-DC BRIDGE COVERTER

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может найти применение для питания потребителей постоянного тока с повышенными требованиями к качеству выпрямленного напряжения.
2π
m
Известен мостовой преобразователь переменного тока в постоянный, построенный по схемам последовательного или параллельного соединения пяти трехфазных вентильных мостов, которые запитаны от пяти автономных симметричных трехфазных систем ЭДС, сдвинутых по фазе последовательно друг относительно друга на угол Δφ=/=12 эл. град., где m=30 - фазность преобразования (Двенадцатипульсовые полупроводниковые выпрямители тяговых подстанций / Б.С.Барковский, Г.С.Магай, В.П.Маценко и др. Под ред. М.Г.Шалимова. - М.: Транспорт. 1990. - С.14).
Такой преобразователь обеспечивает получение на выходе выпрямленного напряжения с 30-ю пульсациями.
Недостатком данного преобразователя является то, что при последовательной схеме построения в цепи тока нагрузки расположено 10 вентильных плеч, что в ряде применений, особенно, требующих резервирования, даже с учетом высоких классов применяемых вентилей, обуславливает повышенную мощность потерь в вентилях. При параллельном соединении вентильных мостов для сохранения приемлемой типовой мощности трансформаторного оборудования требуется введение в схему довольно сложного уравнительного реактора, в котором также происходят потери электрической энергии. Ввиду того, что число преобразовательных секций нечетное, объединение их в схему последовательно-параллельного типа практически невозможно.
Известен также мостовой преобразователь переменного тока в постоянный, построенный по схеме параллельного соединения трех пятифазных вентильных мостов, которые запитаны от трех автономных симметричных пятифазных систем ЭДС, сдвинутых по фазе последовательно друг относительно друга на угол 120 эл. град., что обеспечивает угол сдвига между смежными векторами выпрямляемых напряжений 12 эл. град. и, соответственно, 30 - фазный режим преобразования, при этом однотипность схем вентильных обмоток в каждой из трех пятифазных систем ЭДС обеспечена за счет их размещения на трех трансформаторах, первичные обмотки которых соединены последовательно с транспозицией фаз в общую звезду (А.с. 1248014 СССР. Преобразователь переменного напряжения в постоянное / Б.П.Краснова, А.В.Поссе, М.А.Степанова. Бюл. №28, 1986).
Такой преобразователь также обеспечивает получение на выходе выпрямленного напряжения с 30-ю пульсациями.
Данный преобразователь, в силу особенностей схемного решения, выполним только на основе трех трехфазных трансформаторов, что в ряде случаев ограничивает область его применения. Кроме того, фазные вторичные обмотки на разных стержнях выполняются по различным схемам (на одном стержне 5 частей вторичной обмотки, а на двух других - по 2 части вторичной обмотки), что снижает технологичность их изготовления.
Известен мостовой преобразователь переменного тока в постоянный, содержащий 15-фазный трансформаторный источник переменных ЭДС, выполненный по замкнутой схеме на многоэлементной вторичной обмотке трехфазного трансформатора, и 15-фазный вентильный мост, подключенный к фазам источника переменных ЭДС и к нагрузке (А.с. 930533 СССР. Преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное / К.К.Ешин, В.И.Заровский, Б.И.Кербецов и др. Бюл. №19, 1982).
Такой преобразователь также обеспечивает получение на выходе выпрямленного напряжения с 30-ю пульсациями.
Недостатком преобразователя является большая типовая мощность трансформатора, превышающая мощность нагрузки более чем на 10%.
Кроме того, известен мостовой преобразователь переменного тока в постоянный, принятый за прототип, содержащий трехфазный трансформатор, вторичные обмотки которого входят в состав преобразовательной структуры, состоящей из девятифазного вентильного моста и соединенного с вентильным мостом источника девятифазной системы переменных ЭДС, выполненного на вторичных обмотках этого трансформатора, каждая фаза которого содержит для данного источника две секции вторичных фазных обмоток, первая из которых имеет один отвод от отпайки, разделяющий секцию на две части, а вторая - два отвода от отпаек, разделяющих секцию на три части, отводы подключены к входам переменного тока девятифазного вентильного моста, причем все шесть секций соединены между собой, топологически образуя шестиугольник с чередующимися по числу отводов секциями (сторонами), а к выходам постоянного тока вентильного моста подключена нагрузка (А.с. 930533 СССР. Преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное / К.К.Ешин, В.И.Заровский, Б.И.Кербецов и др. Бюл. №19, 1982). Это схемное решение преобразователя обеспечивает 18-фазный режим выпрямления.
Недостатком данного преобразователя, в отличие от известных преобразователей, приведенных выше, является относительно невысокие коэффициент мощности и качество выпрямленного напряжения, что обусловлено недостаточно высокой кратностью частоты пульсации выпрямленного напряжения.
Задача изобретения: создание мостового преобразователя переменного тока в постоянный с более высокими коэффициентом мощности и качеством выпрямленного напряжения.
Указанная задача достигается тем, что мостовой преобразователь переменного тока в постоянный, содержащий трехфазный трансформатор, вторичные обмотки которого входят в состав преобразовательной структуры, состоящей из девятифазного вентильного моста и соединенного с вентильным мостом источника девятифазной системы переменных ЭДС, выполненного на вторичных обмотках этого трансформатора, каждая фаза которого содержит для данного источника две секции вторичных фазных обмоток, первая из которых имеет один отвод от отпайки, разделяющий секцию на две части, а вторая - два отвода от отпаек, разделяющих секцию на три части, отводы подключены к входам переменного тока девятифазного вентильного моста, причем все шесть секций соединены между собой, топологически образуя шестиугольник с чередующимися по числу отводов секциями, дополнительно снабжен второй подобной преобразовательной структурой, источник девятифазной системы переменных ЭДС которой выполнен на том же трехфазном трансформаторе, причем общее соотношение чисел витков частей всех секций вторичных обмоток определяется как соотношение топологических размеров равных частей первой секции, равных крайних части второй секции, средней части второй секции для первой преобразовательной структуры и равных частей первой секции, равных крайних частей второй секции, средней части второй секции для второй преобразовательной структуры, а именно,
где D≈2cos12°-1≈sin73°,
при этом девятифазные вентильные мосты преобразовательных структур соединены последовательно согласно, крайние свободные анодная и катодная группы вентилей в этом соединении образуют выходные выводы устройства, к которым подключена нагрузка.
На Фиг.1 приведена электрическая схема предлагаемого преобразователя; на Фиг.2 показаны векторные диаграммы двух девятифазных источников питания, представленные амплитудно-фазовыми портретами (АФП) девятифазных систем напряжений, изображенными в виде полуправильных шестиугольников, и совмещенные АФП, поясняющие процесс формирования результирующих выпрямляемых напряжений от указанных выше источников; на Фиг.3 показана форма выпрямленных напряжений преобразователя на выходе вентильных мостов 4 и 5, а также форма кривой выпрямленного напряжения преобразователя; на Фиг.4 показаны АФП девятифазных систем напряжений вторичных обмоток при разомкнутых и разомкнуто-замкнутых схемах построения.
Преобразователь (Фиг.1) содержит трехфазный трансформатор 1 (в частном случае возможно использование двух трансформаторов с одинаковыми первичными обмотками), вторичные обмотки которого образуют два девятифазных источника 2 и 3 переменных ЭДС, построенных по схемам полуправильных шестиугольников. От каждой из больших сторон каждого шестиугольника, чередующихся с малыми сторонами, выполнено по два отвода от точек, равноотстоящих от смежных вершин, а от каждой из малых сторон шестиугольников выполнен один отвод от средней точки. Отводы, представляющие фазы в каждом из девятифазных источников переменных ЭДС, подключены, соответственно, от источника 2 к девятифазному вентильному мосту 4, а от источника 3 к девятифазному вентильному мосту 5. Катодная группа вентилей моста 4 соединена с анодной группой вентилей моста 5. Анодная группа вентилей моста 4 общей точкой соединения вентилей образует выходной вывод 6 устройства, а катодная группа вентилей моста 5 общей точкой соединения вентилей образует выходной вывод 7 устройства. К выходным выводам 6 и 7 устройства подключена нагрузка 8.
Принцип работы устройства (Фиг.1) иллюстрируется векторными диаграммами напряжений, представленными на Фиг.2 в виде амплитудно-фазовых портретов девятифазных систем напряжений вторичных фазных обмоток, составляющих две девятифазные системы 2 и 3 переменных ЭДС, и развернутыми на потенциальной плоскости векторными диаграммами результирующих напряжений. Из векторных диаграмм видно, что при естественном соединении систем поочередно, с интервалом 12 эл. град., формируется 30 результирующих выпрямляемых напряжений одинаковой амплитуды.
Из кривых напряжений (Фиг.3), полученных на компьютерной модели, видно, что преобразовательные секции, представленные здесь выпрямленными напряжениями на выходе вентильных мостов 4 и 5, формируют неканонические по форме кривые, однако при суммировании напряжений секций на выходе устройства формируется каноническая 30-пульсная кривая выходного выпрямленного напряжения. Шестые гармоники, явно присутствующие в напряжениях секций (Фиг.3), сдвинуты на 30 эл. град., что приводит к их взаимной нейтрализации.
Вторичные обмотки трансформатора мостового преобразователя переменного тока в постоянный могут быть выполнены по схемам, топологически эквивалентным базовым полуправильным шестиугольникам, например, по схемам разомкнутого типа (Фиг.4,a), построенным на основе двух трехфазных обратных друг другу звезд, отличающихся величиной своих лучей и соединенных в общую структуру нулевыми точками, и трех равносторонних зигзагов со встречным соединением сторон, сдвинутых по фазе друг относительно друга на 120 эл. град. и соединенных точками соединения своих сторон с концами лучей наименьшей из звезд, принадлежащим разноименной им в точке соединения фазе, причем во всех точках соединения все включения являются встречными, а при условном топологическом совмещении нулевых точек звезд с центрами базовых полуправильных шестиугольников, свободные концы наибольшей из звезд топологически совмещены с фазами девятифазных систем переменных ЭДС, которые топологически соответствуют точкам отводов от меньшей стороны базового полуправильного шестиугольника, а свободные концы зигзагов при этом топологически совмещены с фазами девятифазных систем переменных ЭДС, которые топологически соответствуют точкам отводов от большей стороны базового полуправильного шестиугольника, при этом соотношения чисел витков частей обмоток определены топологией базовых полуправильных шестиугольников. При таком исполнении обоих вторичных обмоток (Фиг.4,а) общее число частей обмоток на стержне равно 8, а для их намотки применяется 6 чисел витков.
Кроме того, вторичные обмотки в преобразовательных структурах могут быть выполнены по замкнуто-разомкнутым схемам, построенным на основе треугольника (Фиг.4,б), опирающегося своими вершинами, при условном совмещении с базовым полуправильным шестиугольником, на средние точки наименьших из его сторон, и имеющего по два отвода от средних частей своих сторон, каждый из которых соединен с одной из шести дополнительных фазных обмоток, второй конец которой соединен с одной из свободных и наиболее близкой на потенциальной плоскости фазой, топологически соответствующей точке отвода от большей из сторон базового полуправильного шестиугольника, при этом соотношения чисел витков частей обмоток также определены топологией базовых полуправильных шестиугольников.
В качестве вторичных обмоток в преобразовательных структурах применимы и обмотки, построенные на основе правильных шестиугольников, условно совмещенных своими центрами с центрами базовых полуправильных шестиугольников и не имеющих (Фиг.4, "в"), или имеющих (Фиг.4,г) точки пересечения своих сторон со сторонами базовых полуправильных шестиугольников.
При расположении правильного шестиугольника, не имеющего пересечения с базовым (Фиг.4,е), внутри данного базового полуправильного шестиугольника, продолжения его сторон пересекают, ограничивая при этом размер продолжения, одну из шести фаз девятифазной системы переменных ЭДС, соответствующую точке отвода от большей из сторон базового полуправильного шестиугольника, причем свободные вершины правильного шестиугольника соединены с обмоткой, второй конец которой топологически привязан к точке расположения ближайшей свободной фазы базового полуправильного шестиугольника.
При наличии пересечений (Фиг.4,г) сторон точки пересечения топологически совпадают с шестью фазами девятифазной системы переменных ЭДС, а к вершинам правильных шестиугольников, расположенных при этом внутри базовых полуправильных шестиугольников, присоединены обмотки, разноименные со сторонами, образующими данные вершины, свободные концы которых соединены с ближайшей фазой, соответствующей срединной точке малой стороны базового полуправильного шестиугольника.
Вентильные мосты мостового преобразователя переменного тока в постоянный можно соединять по параллельной схеме, но с уравнительным реактором. Без реактора качество преобразования снизится из-за искажения формы кривой выпрямленного напряжения.
Полуправильные шестиугольники, применяемые в базовой структуре (Фиг.1), эквивалентны, в электрическом аспекте, треугольникам, что обеспечивает локализацию третьих гармоник, в случае их появления.
Топологии преобразовательных структур, используемые здесь для реализации способа формирования кривой выпрямленного напряжения с помощью двух неканонических по форме выходных напряжений двух секций, можно осуществить как на одном, так и на двух трехфазных трансформаторах. Небольшая параметрическая несимметрия, возможная в трансформаторе, может привести к незначительной модуляции выпрямленного напряжения 6-й гармоникой. Однако, в случае применения двух 30-фазных преобразовательных структур, сдвинутых по фазе на 30 эл. град., например, когда одна структура выполнена на основе трансформатора с первичной обмоткой звезда, а вторая с первичной обмоткой - треугольник, обеспечивается 60-фазный режим преобразования с компенсацией 6-гармоники в преобразовательных структурах.
Соотношения чисел витков вторичных обмоток трансформатора, приведенные только для минимального ряда характерных их частей, например, а1:а2:b5: а'1: а'2: b'5, равны:
где D≈2cos12°-1≈sin73°,
do
Из векторных диаграмм определено максимальное значение выпрямленного напряжения, равное 5,5743 о.е. (за относительную единицу принята амплитуда напряжения на наибольших из частей вторичных обмоток, например, а'1). Среднее значение напряжения на холостом ходу U* определено с использованием известного соотношения, в котором р - пульсность:
T
Действующее значение напряжения первичной фазной обмотки трансформатора 1 при частном коэффициенте трансформации (относительно наибольшей из частей вторичных обмоток) К=1:
где .
d
Установлено, что полные мощности вторичных обмоток трансформатора одинаковы (при действующих значениях токов в обмотках относительно тока нагрузки I):
Мощности обмоток и типовая мощность трансформатора:
*
*
*
*
*
2-2
2-3
2
2-2
2-3
S =S =0,576718; S =S +S =1,194418;
*
*
1
T
S =1,00183; S =1,09812.
Необходимо отметить, что предлагаемый преобразователь расширяет область применения 30-фазных преобразователей, так как является двухкаскадным, в отличие от известных преобразователей. Причем два подобных преобразователя (Фиг.1), отличающиеся только выполнением первичных обмоток трансформаторов (звезда и треугольник), дают возможность построения достаточно компактного 60-фазного преобразователя.
Ток, потребляемый преобразователем из сети, имеет меньшую степень искажения, что связано с 30-ступенчатой его формой, а выходное его напряжение более сглажено, так как в два раза увеличена кратность частоты пульсаций относительно прототипа.
Таким образом, предлагаемый мостовой преобразователь переменного тока в постоянный имеет более высокие коэффициент мощности и качество выпрямленного напряжения.