АРХИТЕКТУРА КОМПАКТНОГО СИЛОВОГО ДИОДНОГО/ТИРИСТОРНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ
ARCHITECTURE OF COMPACT-SIZE POWER DIODE/THYRISTOR RECTIFIER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к области сильноточных и/или высоковольтных или средневольтных силовых выпрямителей.
Такая область включает в себя выпрямители, способные обеспечивать постоянные токи до 110 килоампер (кА) и напряжения постоянного тока (DC), которые могут превышать 2200 вольт (В).
Изобретение относится к архитектуре выпрямителей большой мощности (100 мегавольтампер (МВА)), применяемых для подачи постоянного тока к электроемким процессам, требующим источников питания DC большой мощности. Таким образом, изобретение можно применять для источников питания электролизных установок для получения алюминия или цветных металлов (медь, цинк, хлор). Изобретение также можно применять для источников питания других электроемких процессов, требующих источников питания DC большой мощности, таких как электродуговые печи постоянного тока.
В приводимом ниже описании в качестве одного из конкретных примеров используется применение таких выпрямителей для электроснабжения электролизной установки.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Система снабжения электролизной установки электроэнергией состоит из множества источников электроснабжения, обычно называемых группами источников питания, соединенных параллельно. На фиг. 1 показаны основы работы группы источников питания. Такая группа источников питания, прежде всего, состоит из:
регулировочного трансформатора 1 для согласования напряжения сети с промежуточным напряжением;
трансформатора, именуемого преобразовательным трансформатором 2, для согласования промежуточного напряжения с соответствующим напряжением холостого хода в зависимости от величины напряжения на нагрузке, индуцируемого установкой, снабжаемой электроэнергией, и для обеспечения больших токов, необходимых для процесса электролиза;
выпрямителя 3, в котором применяются полупроводниковые компоненты (диоды или тиристоры), обеспечивающего выпрямленный постоянный ток и напряжение к нагрузке; и
набора сборных шин 4 питания для параллельного соединения групп источников питания.
На фиг. 2 показан один из примеров двенадцатифазного диодного выпрямителя 3, выполненного по сдвоенной мостовой схеме Греца. Такой выпрямитель-преобразователь объединяет две конструкции с мостовой схемой Греца (R1 и R2), каждая из которых соединяется с трансформатором, выбранным из числа первого трехфазного трансформатора T1 и второго трехфазного трансформатора T2. Каждый трехфазный трансформатор (T1, T2) имеет три фазы, а именно фазы U1, V1, W1 в случае первого трехфазного трансформатора T1 и U2, V2, W2 в случае второго трехфазного трансформатора T2. Трехфазная мостовая схема Греца питается от каждого из трехфазных трансформаторов. Каждая трехфазная мостовая схема Греца функционирует как однофазная мостовая схема Греца, имеющая три вывода, запитанные от источника переменного тока и именуемые AC-выводами, и два вывода, обеспечивающих постоянный ток. Трехфазная мостовая схема Греца делает возможным получение тока с периодом, равным одной шестой исходного периода трехфазного трансформатора. Каждая из фаз U1, V1, W1 и U2, V2, W2 соединяется с мостовой схемой Греца с помощью одного из вышеупомянутых AC-выводов. Для простоты AC-выводы и фазы имеют одни и те же обозначения.
На фиг. 1 для упрощения принципиальной схемы два AC-вывода одной фазы представлены как соединенные вместе.
Две трехфазных мостовых схемы Греца соединяются у двух общих DC-выводов, а именно положительного DC-вывода (DC+) и отрицательного DC-вывода (DC-). Такие DC-выводы делают возможным обеспечение DC-тока и напряжения для установки, требующей снабжения электроэнергией.
Каждая мостовая схема Греца (R1, R2) включает в себя шесть плеч, называемых плечами выпрямителя U1+, U1-, V1+, V1-, W1+, W1-, U2+, U2-, V2+, V2-, W2+, W2-, расположенных согласно соединению каждой фазы U1, V1, W1 и U2, V2, W2 с каждым из двух DC-выводов (DC+, DC-). Соответственно, каждое плечо выпрямителя по мостовой схеме Греца включено в схему от AC-вывода до DC-вывода.
Каждое плечо выпрямителя U1+, U1-, V1+, V1-, W1+, W1-, U2+, U2-, V2+, V2-, W2+, W2- как таковое образуется путем параллельного соединения "n" однонаправленных электронных компонентов 5, например диодов или тиристоров. Однонаправленные электронные компоненты называются так, потому что они позволяют току проходить только в одном направлении и блокируют ток в противоположном направлении. Приводимое ниже выражение "однонаправленный компонент 5" взаимозаменяемо относится к диоду, тиристору или какому-либо другому однонаправленному электронному компоненту.
Целью такого параллельного соединения компонентов является получение элемента, функционирующего в качестве диода, и в то же время имеющего достаточно высокую номинальную мощность, чтобы выпрямлять электрическую мощность (ток), пропускаемую через выпрямитель 3. "n" однонаправленных компонентов 5 обычно электрически присоединяются с одной стороны к одной и той же токопроводящей конструкции, называемой сборной шиной 6 для компонентов, которая делает возможным прохождение тока между однонаправленными компонентами 5 и DC-выводом.
Каждый однонаправленный компонент 5 с другой стороны предпочтительно последовательно соединяется с резистором-предохранителем, именуемым плавким предохранителем 7. Плавкие предохранители применяются для прерывания тока короткого замыкания, текущего в неисправном однонаправленном компоненте 5, и тем самым для защиты плеча выпрямителя. Такой неисправный однонаправленный компонент пропускает ток в направлении, противоположном направлению, которое в обычном состоянии допускается однонаправленным компонентом 5. Это могло бы ограничить эффект от применения плеча выпрямителя. Если неисправен только один однонаправленный компонент, ток течет в противоположном направлении в упомянутом неисправном однонаправленном компоненте и в примыкающем к нему плавком предохранителе при мощности, соответствующей полной мощности трансформатора. Такая мощность выводит из строя плавкий предохранитель 7, который прерывает электрический контакт из-за неисправного однонаправленного компонента 5. Ток, текущий в противоположном направлении, прерывается. Неисправный однонаправленный компонент 5 выводится из цепи, и даже в том случае, если замыкание произошло, получают функциональное плечо выпрямителя с уменьшенным на один количеством однонаправленных компонентов 5.
Для увеличения мощности, проходящей в выпрямителе 3, необходимо увеличивать напряжение или ток.
Если значение выпрямленного напряжения увеличивается (обычно до 2200 вольт DC (Vdc)), необходимо применять диоды или тиристоры 5, способные выдерживать высокое обратное напряжение. Однако современная технология электронных компонентов не способна производить сильноточные диоды или тиристоры 5. Как описано выше, необходимо применять ряд однонаправленных компонентов, соединенных параллельно. Чтобы увеличить выпрямленный ток, также необходимо увеличить число однонаправленных компонентов 5, соединенных параллельно. Таким образом, для выпрямителя на 100 кА 2200 Vdc необходимо соединять параллельно от 18 до 20 диодов или тиристоров в каждом плече выпрямителя, в зависимости от типа применяемого электронного компонента и режима работы.
Кроме того, очень трудно получить плавкие предохранители 7 с высоким номинальным током, если выпрямленное напряжение увеличивается. Это ограничивает ток, который может течь в каждом плавком предохранителе 7. К тому же необходимо ограничивать ток в каждом однонаправленном компоненте 5, и это приводит к увеличению числа функциональных групп [компонент + предохранитель], соединенных параллельно.
Такое параллельное соединение компонентов порождает проблемы баланса тока между однонаправленными компонентами 5 одного и того же плеча выпрямителя. На фигуре 3 представлен пример распределения тока в типичном плече выпрямителя, включающего в себя "n" диодов.
Порядковый номер, относящийся к каждому из диодов в плече выпрямителя, начиная с одного конца сборной шины, наносится на ось абсцисс. Ток I, проводимый каждым диодом, наносится на ось ординат.
min
max
moy
Можно видеть, что один из диодов меньше нагружен, чем другие, и проводит ток I и что, по меньшей мере, один из других диодов нагружен больше, чем другие, и проводит ток I. Средний ток I определяется как общий ток в плече выпрямителя, деленный на число "n" однонаправленных компонентов 5 в параллели.
Можно видеть, что концевые диоды, расположенные на концах сборных шин, являются самыми токонагруженными. Это можно объяснить геометрией цепи, а также распределением магнитного поля, как объясняется ниже при упоминании фиг. 7.
Процент дисбаланса (нарушения равновесия) тока d% определяется следующей формулой:
max
moy
min
moy
d%=Max(|I/I-1| |I/I-1|).
max
В силу такого дисбаланса, по меньшей мере, между нагруженными и максимально нагруженными диодами плеча выпрямителя необходимо оценивать все компоненты плеча выпрямителя, чтобы оно выдерживало ток I даже в том случае, если некоторые из компонентов фактически вынуждены проводить такие токи.
На фиг. 4 приведено несколько типичных значений дисбаланса d%, полученных в существующих конструкциях в виде функции от числа "n" диодов, присутствующих на соединительной шине для компонентов плеча выпрямителя. Значение d% прежде всего зависит от механической конструкции выпрямителя.
Можно видеть, что значение дисбаланса d% увеличивается очень быстро с числом "n" компонентов в параллели. Это вызывает очень высокие колебания тока от одного диода к другому.
moy
moy
Чтобы выпрямлять высокую мощность, необходимо добавлять однонаправленные компоненты 5 в параллель. Это увеличивает дисбаланс. В результате средний ток I, проходящий через однонаправленный компонент 5, уменьшается. Для того чтобы компенсировать пониженное значение I, становится необходимым добавление в параллель дополнительных однонаправленных компонентов 5, которые дополнительно усугубляют дисбаланс.
Наконец, за рамками определенного значения тока существующие конструкции выпрямителей содержат число "n" однонаправленных компонентов 5, подлежащих соединению в параллель, что приводит к чрезмерно высокому дисбалансу.
Потребители такого типа выпрямителя 3 часто задают максимальное значение дисбаланса d%, которое не должно превышаться в выпрямителях. Такой критерий годности по дисбалансу является критерием приемлемости оборудования.
Чтобы иметь возможность предлагать оборудование, способное обеспечивать высокие мощности, становится необходимым создание архитектур выпрямителей, позволяющих применять в каждом плече выпрямителя параллельное соединение большого числа "n" диодов или тиристоров, одновременно имеющих ограниченный дисбаланс, обычно 30%.
При параллельных соединениях прототипа однонаправленные компоненты 5 плеча выпрямителя обычно соединяются с DC-выводом посредством алюминиевой или медной рамки 8 (см. фиг. 5). При современном уровне техники существуют различные способы создания такой рамки 8, при этом цель состоит в достижении баланса распределения импеданса между однонаправленными компонентами 5 и DC-выводом. На фиг. 5 показана конструкция сдвоенной мостовой схемы Греца, запитываемой от источника переменного тока, в которой каждая мостовая схема Греца выпрямляет три фазы U1, V1, W1 и U2, V2, W2. Сдвоенная мостовая схема Греца обеспечивает постоянный ток на выходе с помощью двух DC-выводов (DC+ и DC-).
Однонаправленные компоненты 5 плеча выпрямителя с одной стороны соединяются с водоохлаждаемой алюминиевой или медной токопроводящей сборной шиной 9, обычно именуемой сборной шиной для компонентов. Ток I, текущий в плечах выпрямителя, собирается одной или несколькими токопроводящими коллекторными сборными шинами 10, именуемыми сборными шинами выпрямленного тока, образующими часть вышеупомянутой рамки 8 и расположенными перпендикулярно сборным шинам 9 для компонентов. Каждый конец сборной шины 9 для компонентов соединяется с коллекторной сборной шиной 10. При этом коллекторные сборные шины 10 образуют две противоположные стороны рамки 8 и соединяют сборные шины 9 для компонентов с DC-выводом (DC+ или DC-) выпрямителя.
Резистор-предохранитель 7 присоединяется с одной стороны каждого однонаправленного компонента 5, при этом однонаправленный компонент 5 последовательно включен между резистором-предохранителем 7 и коллекторной сборной шиной 10. Резисторы-предохранители 7 расположены на токопроводящей сборной шине, именуемой сборной шиной 11для плавких предохранителей, водоохлаждаемую, изготовленную из меди или алюминия. На каждом плече выпрямителя присутствует одна сборная шина 11 для плавких предохранителей. Сборная шина 11 для плавких предохранителей присоединяет однонаправленные компоненты 5 через резисторы-предохранители 7 к соответствующему AC-выводу выпрямителя. Однонаправленный компонент 5 и связанный с ним резистор-предохранитель 7 образуют функциональную группу.
Таким образом, начиная с U1, V1, W1, U2, V2, W2 AC-вывода, ток, проходящий через плечо выпрямителя G, последовательно проходит через:
- токопроводящий кабель 12;
- сборную шину 11 для плавких предохранителей (в которой ток распределяется между функциональными группами);
- плавкий предохранитель 7;
- однонаправленный компонент (диод или тиристор) 5, включенный последовательно с предохранителем 7;
- сборную шину 9 для компонентов (в которой токи из разных функциональных групп объединяются).
Затем ток покидает плечо выпрямителя, достигает коллекторных сборных шин 10 рамки 8 и объединяется с током других фаз (U1, V1, Wl, U2, V2, W2) перед тем, как перейти к DC-выводу, с которым соединяется рамка 8.
Сборные шины 9 для компонентов и сборные шины для плавких предохранителей 11 имеют несколько боковых поверхностей. Однонаправленные компоненты 5 и плавкие предохранители 7 обычно присоединяются к двум противоположным боковым поверхностям сборных шин 9 для компонентов и сборных шин 11 для плавких предохранителей (см. фиг. 6). На фиг. 6 представлена принципиальная схема в перспективе, иллюстрирующая такой принцип. На ней показана сборная шина 11 для плавких предохранителей, присоединенная одним концом к AC-выводу, и сборная шина 9 для компонентов, присоединенная одним концом к коллекторной сборной шине 10. Наконец, на принципиальной схеме представлен ряд функциональных групп 60, каждая из которых включает в себя плавкий предохранитель 7, соединенный последовательно с однонаправленным компонентом 5. Функциональные группы 60 установлены не непосредственно между сборной шиной 11 для плавких предохранителей и сборной шиной 9 для компонентов. Такое расположение могло бы загромоздить пространство между двумя сборными шинами 9, 11.
Чтобы упорядочить конструкцию, функциональные группы 60 разделяются на два набора, присоединяемых к двум сборным шинам 9, 10 с двух сторон плоскости P, проходящей через две сборные шины.
В настоящее время в продаже имеются выпрямители, включающие в себя до 14 диодов или тиристоров, соединенных параллельно в каждом плече выпрямителя.
Также из прототипа известно применение, по меньшей мере, одной промежуточной сборной шины 13, известной как коммутационная сборная шина, преимущества которой описаны в документе ABB "100 кА conversion units for highly efficient aluminum smelters" (отдельный оттиск Aluminum 2004/3, стр. 4) для обеспечения лучшего сбалансированного режима. Промежуточная сборная шина 13 установлена на уровне рамки 8, соединенной с DC-выводом. Она соединяет две сборные шины, каждая из которых находится на одном конце сборной шины для компонентов. Промежуточная сборная шина находится между двумя сборными шинами для компонентов и таким образом добавляется к токопроводящим сборным шинам, которые находятся на концах сборных шин.
Автор упомянутого выше документа указывает значение дисбаланса d% для числа "n" диодов или тиристоров, равного 14, больше 22%.
Описанные выше конструкции прототипа являются неудовлетворительными, поскольку они вряд ли осуществимы без дисбаланса, становящегося чрезмерно высоким, при числе компонентов в параллели выше 16 или 18.
В связи с этим ясно, что для облегчения конверсии токов или напряжений при высоких мощностях, важно уметь увеличивать число функциональных групп в параллели. Однако, кроме того, важно ограничивать абсолютное значение дисбаланса.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится, главным образом, к архитектуре выпрямителя и направлено на то, чтобы сделать возможным соединение большого числа компонентов в параллели без превышения максимального значения дисбаланса, задаваемого потребителями. Изобретение в основном направлено на то, чтобы соединить в параллели 20, 24 или более компонентов с максимальным дисбалансом от 20% до 30%.
В изобретении предлагается создать для каждой фазы, по меньшей мере, два набора функциональных групп, включенных параллельно. С механической точки зрения, оно заключается в удвоении каждой сборной шины для компонентов и каждой сборной шиной для плавких предохранителей для того, чтобы были, по меньшей мере, две сборные шины для компонентов и две сборные шины для плавких предохранителей, соединенных параллельно.
Задачей предлагаемой новой архитектуры является решение проблемы увеличения мощности, обеспечиваемой выпрямителем.
Таким образом, изобретение обеспечивает преобразователь-выпрямитель по мостовой схеме Греца, включающий в себя выводы, запитанные от источника переменного тока, именуемые AC-выводами, и два вывода, выполненные с возможностью запитывать наружную цепь постоянным током, и называемые DC-выводами, и плечи выпрямителя, соединяющие каждый AC-вывод с каждым DC-выводом. Каждое плечо выпрямителя находится между одним AC-выводом и одним DC-выводом и включает в себя ряд однонаправленных электронных компонентов, именуемых однонаправленными компонентами, соединенными параллельно. Однонаправленные компоненты соединяются с одной стороны с DC-выводом с помощью токопроводящего набора, именуемого токопроводящим набором, и с другой стороны - с AC-выводом.
Изобретение характеризуется тем, что набор компонентов, по меньшей мере, для одного плеча выпрямителя включает в себя множество токопроводящих шин, именуемых сборными шинами для компонентов, при этом каждая из них имеет, по меньшей мере, один конец, соединенный с DC-выводом. Однонаправленные компоненты соединяются со сборными шинами для компонентов и группируются по стольким наборам компонентов, соединенных параллельно, сколько имеется соединяющих сборных шин для компонентов. В связи с этим ясно, что для каждого плеча выпрямителя применяются, по меньшей мере, две сборные шины для компонентов.
Таким образом, согласно изобретению дисбаланс ограничивается каждой группой компонентов. При этом выпрямитель согласно изобретению включает в себя, по меньшей мере, два набора компонентов, каждый из которых имеет дисбаланс, связанный с "n" однонаправленных компонентов. Для каждого набора компонентов, таким образом, можно компенсировать дисбаланс независимо от другого набора компонентов. При этом необходимо получить общий баланс между двумя наборами компонентов.
Такая схема компоновки уменьшает общий дисбаланс плеча выпрямителя с двумя сборными шинами для компонентов по сравнению с плечом выпрямителя согласно прототипу, имеющего 2n однонаправленных компонентов. Согласно изобретению каждая соединительная сборная шина для компонентов включает в себя только "n" однонаправленных компонентов. Дисбаланс, подлежащий корректировке, для каждой соединительной сборной шины для компонентов при этом равен порядку дисбаланса, связанного с числом "n" однонаправленных компонентов, вместо дисбаланса, связанного с числом 2n однонаправленных компонентов. Ясно, что если присутствует больше двух сборных шин для компонентов, дисбаланс в каждой сборной шине соразмерно уменьшается по сравнению с конструкцией прототипа.
В ситуации параллельного присоединения большего числа компонентов, например 20 компонентов, к двум сборным шинам для компонентов, изобретение делает возможным уменьшение дисбаланса в число раз, близкое к 2.
Модельные эксперименты, которые были проведены, дали следующие результаты:
- прототип при n=20: дисбаланс 50%;
- изобретение при n=20: дисбаланс от 20 до 25%.
Преобразователь-выпрямитель согласно изобретению функционирует лучше, чем преобразователь-выпрямитель согласно прототипу, поскольку замена одной сборной шины для компонентов на множество сборных шин для компонентов привносит дополнительную степень маневрирования в отношении баланса (токов). Путем создания для каждой фазы силового трансформатора числа k наборов n/k однонаправленных компонентов в параллели с k, равным, по меньшей мере, 2, проблема баланса уменьшается от проблемы баланса "n" компонентов каждой фазы друг с другом до проблемы баланса, во-первых, каждого из k наборов n/k компонентов независимо от других, и, во-вторых, до проблемы баланса k наборов друг с другом.
Кроме того, преобразователь-выпрямитель согласно изобретению намного более компактный, с точки зрения объема, чем современные решения согласно прототипу, и это потому что, сборная шина для компонентов и сборная шина для плавких предохранителей имеет длину, поделенную на 2, 3 или 4 или более по сравнению с прототипом.
Таким образом, изобретение дает возможность выпрямлять более значительные мощности, чем в прототипе, при этом не внося слишком большого дисбаланса.
Изобретение также относится к плечу выпрямителя, в котором соединение между однонаправленными компонентами и AC-выводом осуществляется с помощью набора плавких предохранителей. Набор плавких предохранителей включает в себя резистор-предохранитель, именуемый плавким предохранителем, для каждого однонаправленного компонента, соединенный с одной стороны последовательно с упомянутым однонаправленным компонентом и с другой стороны, по меньшей мере, с одной сборной шиной для плавких предохранителей, присоединяемой к AC-выводу. Другими словами, набор плавких предохранителей включает в себя, по меньшей мере, одну сборную шину для плавких предохранителей и резисторы-предохранители, выполненные с возможностью вести себя в качестве плавких предохранителей. Плавкие предохранители соединяются друг с другом параллельно таким образом, чтобы каждый однонаправленный компонент был соединен последовательно с предохранителем, определенным для него, образуя функциональную группу. Функциональные группы соединяются параллельно друг другу точно так же, как однонаправленные компоненты соединяются параллельно друг другу.
Согласно изобретению плечо выпрямителя включает в себя множество отдельных сборных шин для компонентов. Может присутствовать две, три, четыре или более сборных шин для компонентов, например, и чем больше присутствует отдельных сборных шин для компонентов, тем большее число однонаправленных компонентов можно сгруппировать в параллели, в то же время поддерживая низкий дисбаланс для каждой сборной шины для компонентов. Дополнительные трудности сохранения баланса сборных шин для компонентов друг с другом должны тем не менее учитываться. Компоненты, относящиеся к одной сборной шине для компонентов, предпочтительно соединяются с одной и той же сборной шиной для плавких предохранителей.
Плечо выпрямителя согласно изобретению может быть таким, чтобы набор плавких предохранителей включал в себя, по меньшей мере, одну сборную шину для плавких предохранителей для каждой сборной шины для компонентов. Каждая сборная шина для плавких предохранителей электрически соединяется с компонентами, относящимися к одной сборной шине для компонентов. Сборные шины для плавких предохранителей соединяются вместе с помощью токопроводящей сборной шины, именуемой распределительной сборной шиной. Это делает возможным обеспечить лучшее распределение сопротивления между функциональными группами плеча выпрямителя.
Однонаправленные компоненты каждой сборной шины для компонентов преимущественно разделены на две группы, устанавливаемые на противоположных сторонах сборной шины для компонентов. Подобно прототипу, такая схема компоновки дает возможность уменьшать конструкционные отличия между однонаправленными компонентами и уменьшать дисбаланс.
Преобразователь-выпрямитель по мостовой схеме Греца, который включает в себя сборную шину, предпочтительно соединяет DC-вывод с отдельными сборными шинами для компонентов, соединенными с множеством AC-выводов. Другими словами, коллекторная сборная шина DC-вывода соединяет DC-вывод с плечами выпрямителя, исходящими от различных AC-выводов. Коллекторная сборная шина предпочтительно прикрепляется к одному из концов сборных шин для компонентов.
Может присутствовать множество коллекторных сборных шин, при этом каждая соединяется с одним концом, по меньшей мере, одной сборной шины для компонентов и монтируется вместе с другими, образуя рамку, соединенную с DC-выводом. Это делает возможным более эффективный перенос тока между однонаправленными компонентами и DC-выводом. Имеется больше проводящих каналов между DC-выводом и каждым однонаправленным компонентом.
В одном из вариантов осуществления изобретения отдельные сборные шины для компонентов расположены с одной стороны коллекторной сборной шины.
С другой стороны, сборные шины для компонентов могут располагаться по обе стороны коллекторной сборной шины, именуемой центральной сборной шиной, одним концом они присоединяются к упомянутой коллекторной сборной шине. В таком случае, две сборные шины для компонентов сдвигаются относительно друг друга при их креплении к коллекторной сборной шине.
Предпочтительно сборные шины для компонентов электрически соединяются друг с другом и одним концом присоединяются к одной соединительной сборной шине, при этом упомянутая соединительная сборная шина соединяется с коллекторной сборной шиной с помощью провода. Провод отделяет коллекторную сборную шину от соединительной сборной шины. Для уменьшения дисбаланса компонентов предпочтительно присоединять провод по существу в середине соединительной сборной шины.
Для улучшения компактности преобразователя-выпрямителя предпочтительно, чтобы сборные шины для компонентов располагались по существу в одной плоскости, и чтобы провод и коллекторная сборная шина, к которой он присоединен, размещались по существу в другой одной плоскости и при этом две плоскости были по существу перпендикулярны друг другу.
Когда изобретение относится к многофазному преобразователю-выпрямителю, выполненному по мостовой схеме Греца, каждый трансформатор соединяется с помощью AC-выводов с мостовой схемой Греца, определенной для него. Кроме того, каждая из мостовых схем Греца различных трансформаторов имеет положительный DC-вывод и отрицательный DC-вывод, соединяемый со схемой, которая запитывается постоянным током; мостовые схемы Греца имеют свои обобщенные положительные DC-выводы и свои обобщенные отрицательные DC-выводы. Если трансформаторы являются трехфазными трансформаторами, мостовые схемы Греца представляют собой трехфазные мостовые схемы Греца.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
При чтении следующего описания, изложенного с помощью неограничивающего примера и ссылки на прилагаемые чертежи, можно более легко понять изобретение, при этом станут очевидными другие подробности, преимущества и признаки изобретения.
Фиг. 1 (прототип) изображает упрощенную принципиальную электрическую схему архитектуры источника питания установки DC;
Фиг. 2 (прототип) изображает принципиальную электрическую схему выпрямителя по мостовой схеме Греца, включая три фазы на входе, запитанных от источника переменного тока;
Фиг. 3 (прототип) изображает диаграмму, представляющую ток, проходящий через компонент, в зависимости от местоположения компонента на соединительной сборной шине для компонентов;
Фиг. 4 (прототип) изображает диаграмму, иллюстрирующую изменение дисбаланса между компонентами в зависимости от числа компонентов, присутствующих на одной и той же сборной шине для компонентов;
Фиг. 5 (прототип) изображает выпрямитель по мостовой схеме Греца, и в упрощенной форме представлена конструкция плеч выпрямителя на уровне сборных шин для компонентов и шин для плавких предохранителей;
Фиг. 6 изображает вид в перспективе схемы компоновки функциональных групп относительно сборной шины для компонентов, сборной шины для плавких предохранителей и коллекторной сборной шины;
Фиг. 7 в упрощенной форме изображает конструкцию плеч выпрямителя на уровне сборных шин для компонентов и сборных шин для плавких предохранителей и схему компоновки сборных шин для компонентов относительно коллекторных сборных шин согласно первому варианту осуществления изобретения;
Фиг. 8 изображает вариант фиг. 7 только с одной коллекторной сборной шиной;
Фиг. 9A и 9B изображает в упрощенной форме конструкцию плеч выпрямителя на уровне сборных шин для компонентов и сборных шин для плавких предохранителей согласно еще одному варианту осуществления изобретения;
Фиг. 10A и 10B изображают в упрощенной форме конструкцию плеч выпрямителя на уровне сборных шин для компонентов и сборных шин для плавких предохранителей согласно изобретению, где сборные шины для компонентов соединяются друг с другом с помощью соединительной сборной шины, прикрепляемой к коллекторной сборной шине, при этом коллекторная сборная шина отделена промежутком от соединительной сборной шины;
Фиг. 11 изображает третий вариант осуществления изобретения, в котором имеется столько же сборных шин для плавких предохранителей 11A, 11B, сколько сборных шин для компонентов; и
Фиг. 12 изображает вариант осуществления изобретения, включающий в себя более двух сборных шин.
Чтобы облегчить переход от одной фигуры к другой, одинаковые, подобные или аналогичные детали на разных фигурах обозначены одними и теми же ссылочными номерами.
Чтобы упростить фигуры, различные детали, представленные на фигурах, необязательно представлены в пропорциональном масштабе.
Фигуры, показывающие различные варианты осуществления устройства согласно изобретению, приводятся в качестве примера и не ограничивают изобретение.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Прежде всего, изобретение относится к плечу трехфазного выпрямителя по мостовой схеме Греца, предназначенному для включения в преобразователь-выпрямитель. Ниже плечо выпрямителя описано как таковое или как включенное в преобразователь-выпрямитель. В общем случае фиг. 7-12, иллюстрирующие изобретение, представляют собой принципиальные схемы отдельного плеча выпрямителя согласно изобретению, а не преобразователя-выпрямителя в целом.
Как показано на фиг. 2, трехфазный выпрямитель по мостовой схеме Греца (R1, R2) формируется из шести плеч выпрямителя, соединяющих каждый из двух AC-выводов каждой из трех фаз U1, V1, W1 или U2, V2, W2, запитанных от источника переменного тока, с двумя DC-выводами электрической схемы, подлежащей запитыванию постоянным током. Следовательно, трехфазная мостовая схема Греца имеет положительный DC-вывод (DC+), рассматриваемый в качестве положительного полюса электрической цепи, и отрицательный DC-вывод (DC-), рассматриваемый в качестве отрицательного полюса электрической цепи. Каждая фаза U1, V1, W1, U2, V2, W2 включает два плеча выпрямителя U1+, U1-, V1+, V1-, W1+, W1-, U2+, U2-, V2+, V2-, W2+, W2-, G2, соединяющих AC-вывод одной фазы и один из двух DC-выводов.
Каждое плечо выпрямителя U1+, U1-, V1+, V1-, W1+, W1-, U2+, U2-, V2+, V2-, W2+, W2- включает в себя набор электронных компонентов, которые позволяют току проходить только в одном направлении. Такие компоненты упоминаются как однонаправленные компоненты. Плечи выпрямителя U1+, U1-, V1+, V1-, W1+, W1-, U2+, U2-, V2+, V2-, W2+, W2- расположены таким образом, чтобы при их сопряжении из переменного тока, подаваемого на AC-выводы, на DC-выводах можно было получать постоянный ток.
Набор однонаправленных электронных компонентов плеча выпрямителя включает в себя, в частности, определенное число "n" диодов или тиристоров, соединенных параллельно. В дальнейшем описании выражение "однонаправленный компонент 5" относится к взаимозаменяемому диоду, тиристору или любому другому однонаправленному электронному компоненту.
Чтобы ограничить дисбаланс, который возникает, когда большое число однонаправленных компонентов 5 присоединяется параллельно к одной и той же сборной шине 9 для компонентов, в изобретении предлагается применять на каждом плече выпрямителя U1+, U1-, V1+, V1-, W1+, W1-, U2+, U2-, V2+, V2-, W2+, W2-, по меньшей мере, две сборные шины 9A, 9B для компонентов вместо только одной сборной шины (см. фиг. 7). Распределение однонаправленных компонентов 5 между двумя сборными шинами 9A, 9B для компонентов вместо одной уменьшает наполовину число однонаправленных компонентов 5, компенсируя при этом дисбаланс на каждой сборной шине 9A, 9B для компонентов. При этом сборные шины 9A, 9B для компонентов легко можно сбалансировать друг с другом.
Каждая сборная шина 9A, 9B для компонентов может иметь один конец, соединяемый с коллекторной сборной шиной 10, и другой конец, соединяемый с другой коллекторной сборной шиной 100, при этом две коллекторные сборные шины 10, 100 соединяются друг с другом и с одним и тем же DC-выводом.
Согласно изобретению каждая коллекторная сборная шина 10, 100 при этом соединяется, по меньшей мере, с двумя сборными шинами 9A, 9B для компонентов упомянутого плеча выпрямителя. Другими словами, одни однонаправленные компоненты 5, соединенные параллельно в одном и том же плече выпрямителя, присоединяются к определенной сборной шине 9A, а другие к еще одной отдельной сборной шине 9B, тем самым формируется, по меньшей мере, два набора компонентов 71, 72. Две сборные шины 9A, 9B для компонентов сами по себе соединены с одной или несколькими коллекторными сборными шинами 10, 100 таким образом, что наборы компонентов 71, 72 соединяются параллельно друг другу.
Коллекторные сборные шины 10, 100 обычно являются общими для трех плеч выпрямителя одной и той же трехфазной мостовой схемы Греца, соединяющих AC-выводы одного и того же трансформатора с одним и тем же DC-выводом. Они также обычно являются общими для плеч выпрямителя с различными силовыми трансформаторами в случае многотрансформаторного преобразователя-выпрямителя, например, как показано на фиг. 5, на которой представлен двенадцатифазный преобразователь с двумя трехфазными мостовыми схемами Греца, соединенными параллельно.
На фиг. 7 показана сборная шина 11 для плавких предохранителей и плавкие предохранители 7, соединенные с однонаправленными компонентами 5. Хотя на фигуре представлены только плавкие предохранители 7 с правой стороны фигуры, в виде соединенных с сборной шиной 11 для предохранителей, следует понимать, что все плавкие предохранители 7 соединяются со сборной шиной 11 для предохранителей, и это относится ко всем последующим фигурам.
С электрической точки зрения, однонаправленные компоненты 5 расположены относительно друг друга точно так же, как в прототипе. Однако с конструкционной точки зрения, однонаправленные компоненты 5 не прикрепляются к единственной соединительной шине для компонентов, соединенной на своих концах с одной или несколькими коллекторными сборными шинами 10, 100, но прикрепляются, по меньшей мере, к двум независимым сборным шинам 9A, 9B для компонентов, электрически соединенным, по меньшей мере, одним из своих концов с одной или несколькими коллекторными сборными шинами 10, 100.
Как показано на фиг. 7, в одном из вариантов осуществления изобретения коллекторные сборные шины 10, 100 могут образовывать рамку 8 вокруг сборных шин 9A, 9B для компонентов. Рамка может иметь только три стороны, как на фигурах 7, 10, 12, или четыре стороны, как на фигуре 9B. Коллекторные сборные шины 10, 100 прикрепляются к двум концам каждой из сборных шин 9A, 9B для компонентов и соединяются друг с другом. В одном из вариантов (фигура 8) сборные шины 9A, 9B для компонентов могут быть установлены с одной и той же стороны единственной коллекторной сборной шины 10. Один конец каждой сборной шины 9A, 9B для компонентов соединяется с коллекторной сборной шиной 10, а другой ее конец может быть свободным или соединяться со второй коллекторной сборной шиной 100.
В конфигурации, показанной на фиг. 7, ток, текущий через коллекторные сборные шины 10, 100, имеет одинаковую полярность, поэтому магнитное поле поблизости от однонаправленных компонентов 5, расположенных на концах сборных шин 9A, 9B для компонентов, является более интенсивным, чем магнитное поле на уровне однонаправленных компонентов 5 в середине. Крайние однонаправленные компоненты 5 являются более нагруженными, чем однонаправленные компоненты 5 в середине.
В еще одном варианте осуществления изобретения сборные шины 9A, 9B для компонентов могут располагаться по обе стороны от центральной коллекторной сборной шины 101 (фиг. 9A). Две сборные шины 9A, 9B для компонентов разделены и смещены относительно друг друга в месте их присоединения к центральной коллекторной сборной шине. В некоторых случаях (фигура 9B) две сборные шины 9A, 9B для компонентов могут монтироваться вместе с центральной коллекторной сборной шиной 101. Таким образом, две сборные шины 9A, 9B для компонентов находятся на одной линии друг с другом. Кроме того, на других концах сборных шин 9A, 9B для компонентов, не прикрепленных к центральной коллекторной сборной шине 101, обеспечивают дополнительные коллекторные сборные шины 102, 103. Упомянутые дополнительные коллекторные сборные шины 102, 103 при этом соединяются с центральной коллекторной сборной шиной 101 таким образом, чтобы образовать рамку 8 вокруг сборных шин 9A, 9B для компонентов. Это позволяет сборным шинам 9A, 9B для компонентов выводить весь ток, переносимый от однонаправленных компонентов (диодов или тиристоров) 5, с помощью двух концов вместо только одного конца, при этом два конца сборных шин 9A, 9B для компонентов соединяются с коллекторной сборной шиной 101, 102, 103.
В дополнительном варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 10A и 10B, сборные шины 9A, 9B для компонентов одного и того же плеча выпрямителя можно соединять вместе на одном или обоих концах с помощью проводящей сборной шины 80, 800, именуемой соединительной сборной шиной. Соединительные сборные шины 80, 800 отличаются от коллекторных сборных шин тем, что они относятся только к одному плечу выпрямителя. Кроме того, они не пропускают ток от другой фазы или ток, проходящий через AC-вывод, отличающийся от вывода, с которым соединяется плечо выпрямителя, в отличие от коллекторных сборных шин 10, 100. Сборные шины 9A, 9B для компонентов разделены.
Каждая из соединительных сборных шин 80, 800 соединяется с помощью одного провода 81, 82 с одной коллекторной сборной шиной 10, 100. Если имеется две соединительные сборные шины 80, 800, они соединяются с двумя разными коллекторными сборными шинами 10, 100, которые сами по себе соединяются друг с другом и с DC-выводом. В обоих случаях каждая коллекторная сборная шина 10, 100 отделяется промежутком от соединительной сборной шины 80, 800, к которой она присоединяется. Такой промежуток обусловлен присутствием расположенного поперек провода 81, 82, который отделяет их друг от друга. Коллекторные сборные шины 10, 100 и соединительные сборные шины 80, 800 по существу параллельны. Провод 81, 82 по существу параллелен коллекторной сборной шине и соединительной сборной шине, которые он соединяет. Преимущество промежутка состоит в том, что он позволяет обеспечить хорошую компактность. Провода 81, 82 могут принимать форму токопроводящих сборных шин, также именуемых сборными шинами, отделенными промежутками.
Как проиллюстрировано на фиг. 10B, сборные шины 9A, 9B для компонентов расположены в одной и той же плоскости P1. Коллекторная сборная шина 10 и соединенный с ней провод 81 расположены в другой плоскости P2, при этом обе плоскости P1, P2 по существу перпендикулярны друг другу. Фиг. 10B представляет собой изображение фрагмента, на котором показана только коллекторная сборная шина 100, провод 82 и соединительная сборная шина 800. Другая коллекторная сборная шина 10, другая соединительная сборная шина 80 и провод 81 не изображены, чтобы не перегружать фигуру. С такой же целью на фиг. 10B для каждого набора компонентов показана только часть компонентов, а не все компоненты.
Предпочтительно провод 81, 82 находится по существу посередине соединительной сборной шины 80, 800, к которой он прикреплен.
Благодаря присутствию соединительных сборных шин, отделенных промежутками, шин, отделенных промежутками, и коллекторных сборных шин, расположенных, как описано на фиг. 10A, 10B, магнитное поле является менее интенсивным, чем, например, в конфигурации, показанной на фиг. 7, в которой сборные шины для компонентов непосредственно присоединяются к коллекторным сборным шинам. В результате однонаправленные компоненты являются менее нагруженными, конфигурация обеспечивает улучшенный баланс однонаправленных компонентов, присоединенных к одной и той же сборной шине для компонентов. Магнитное поле в пределах по существу центральной области соединительных сборных шин низкое, что обусловлено токами противоположной полярности в соединительной сборной шине.
Такой вариант осуществления изобретения дает возможность любому току, достигающему DC-вывода, проходить от определенного AC-вывода через одинаковый импеданс, обусловленный коллекторной сборной шиной 10, 100, вне зависимости от сборной шины 9A, 9B для компонентов, через которую он проходит. В других вариантах осуществления изобретения, если DC-вывод находится с правой стороны или с левой стороны от сборных шин 9A, 9B для компонентов, одна из сборных шин 9A для компонентов находится ближе к DC-выводу, чем другая сборная шина 9B для компонентов (см. фиг. 7). В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 10A и 10B, независимо от того, поступает ли ток через однонаправленные компоненты 5, присоединенные к одной из сборных шин 9A для компонентов, или через однонаправленные компоненты 5, присоединенные к другой сборной шине 9B для компонентов, в цепи обнаруживается одинаковый импеданс, обусловленный соединительными сборными шинами 80, 800, рамкой 8, включающей в себя коллекторные сборные шины 10, 100, и проводами 81, 82.
Наконец, в последнем варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 11, множество сборных шин 11A, 11B для предохранителей делает возможным присоединение к AC-выводу функциональных групп [однонаправленный компонент 5 + предохранитель 7]. Имеется, по меньшей мере, столько же сборных шин 11A, 11B для предохранителей, сколько присутствует сборных шин 9A, 9B для компонентов с тем, чтобы однонаправленные компоненты 5, электрически соединенные с одной и той же сборной шиной 9A, 9B для компонентов, присоединялись к AC-выводу через одну и ту же сборную шину 11A, 11B для предохранителей и наоборот. Токопроводящая шина, именуемая распределительной шиной 20, соединяет AC-вывод с шинами для плавких предохранителей 9A, 9B. Такой вариант осуществления изобретения дает возможность избавиться от дисбаланса тока (переднего/заднего диодов).
Набор электрических соединений, именуемый электрической схемой, соединяет сборную шину для предохранителей с плавким предохранителем, упомянутый плавкий предохранитель с однонаправленным компонентом и упомянутый однонаправленный компонент со сборной шиной для компонентов. Такая электрическая схема определяет сопротивление схемы функциональной группы.
Присутствие ряда сборных шин 9A, 9B для компонентов группирует однонаправленные компоненты 5 по нескольким наборам компонентов. Как описано выше относительно фиг. 7, присутствие сборных шин 9A, 9B для компонентов формирует наборы компонентов 71, 72 (см. фиг. 7). Кроме того, в каждом наборе компонентов, обычно можно определить две группы однонаправленных компонентов 5, а именно первую группу однонаправленных компонентов 5, присоединяемую с одной стороны сборной шины 9A, 9B для компонентов, и вторую группу однонаправленных компонентов 5, присоединяемую с противоположной стороны сборной шины 9A, 9B для компонентов, как показано на фиг. 6. Такие группы упоминаются как наборы шин.
В общем случае электрические схемы имеют по существу одинаковое сопротивление в составе одинакового набора компонентов, соответственно в составе одинакового набора шин. Однако по конструкционным причинам не исключено, что электрические схемы отличаются от одного набора компонентов до другого, соответственно от одного набора шин до другого. Это приводит к колебаниям сопротивления цепи между AC-выводом и сборной шиной для компонентов в соответствии с тем, проходит ли ток через определенный набор компонентов, соответственно, набор сборных шин, или через другой определенный набор компонентов, соответственно, набор сборных шин.
Таким образом, дисбаланс тока (переднего/заднего диодов) появляется, если электрические соединения одного набора компонентов, соответственно набора сборных шин, имеют сопротивление схемы, отличающееся от другого набора компонентов, соответственно набора сборных шин.
Из фиг. 11 ясно, что каждая сборная шина 11A, 11B для плавких предохранителей соединяется со всеми функциональными группами сборной шины 9A, 9B для компонентов, хотя по причинам упрощения на принципиальной схеме показано соединение только с самыми удаленными от центра плавкими предохранителями.
Вариант осуществления, показанный на фиг. 11, обеспечивает по возможности одну сборную шину 11A, 11B для плавких предохранителей для каждого набора компонентов, склонных иметь сопротивление схемы, отличающееся от другой группы. При использовании для каждой сборной шины для компонентов одной сборной шины для плавких предохранителей электрические схемы становятся меньше, и в связи с этим имеется более низкий риск возникновения разных сопротивлений схемы. Если по конструкционным причинам наборы сборных шин имеют разные сопротивления схемы, можно использовать обобщенный вариант осуществления изобретения, показанный на фиг. 11. При этом необходимо обеспечивать сборные шины 11A, 11B для каждого набора сборных шин вместо обеспечения только одной сборной шины 11A, 11B для каждой сборной шины 9A, 9B для компонентов.
Наконец, как показано на фиг. 12, принцип изобретения можно применять для обеспечения более двух сборных шин для компонентов. На данной фигуре представлены три сборные шины 9A, 9B, 9C для компонентов.
Изобретение проиллюстрировано с помощью преобразователя-выпрямителя с двумя трехфазными мостовыми схемами Греца, упоминаемого как двенадцатифазный преобразователь-выпрямитель. Совершенно очевидно, что изобретение, относящееся к схеме компоновки однонаправленных компонентов в плече выпрямителя, в равной степени относится к применению данных примеров к преобразователям-выпрямителям с "n" трехфазными мостовыми схемами Греца, где "n" больше или равно 1, или к однофазной мостовой схеме Греца.