ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ
AC-TO-DC VOLTAGE TRANSDUCER

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для формирования с первичной стороны трехфазного трансформатора 12-пульсного выпрямленного напряжения на его вторичной стороне.
Известен преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий трехфазный трансформатор, первичные фазные обмотки которого подключены каждая крайним одноименным выводом к соответствующему фазному входному выводу, промежуточным выводом - к одной из вершин треугольника, каждая сторона которого выполнена на встречно-параллельно включенных основных управляемых вентилях, свободным крайним выводом к общему выводу встречно-параллельно включенных дополнительных управляемых вентилей, другой общий вывод которых подключен к нулевому входному выводу, а вторичные фазные обмотки совместно с вентилями, число которых кратно шести, соединены по схеме выпрямителя, причем число витков каждой первичной фазной обмотки между промежуточным и свободным крайним выводом равно 0,134 части от числа витков между ее крайними выводами (Авторское свидетельство СССР №995240, кл. Н02М 7/12, 1981).
Недостатком этого преобразователя является недоиспользование по напряжению первичных обмоток трансформатора.
Совокупность причин, препятствующих получению желаемого технического результата, заключается в том, что каждая первичная фазная обмотка рассчитана на фазное напряжение сети.
Известен преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий трехфазный трансформатор, первичные фазные обмотки которого подключены каждая крайним одноименным выводом к соответствующему фазному входному выводу, свободным крайним выводом - к общему выводу встречно-параллельно включенных основных управляемых вентилей, другой общий вывод которых подключен к смежному фазному входному выводу, промежуточным выводом - к общему выводу встречно-параллельно включенных дополнительных управляемых вентилей, другой общий вывод которых подключен к нулевому входному выводу, а вторичные фазные обмотки совместно с вентилями, число которых кратно шести, соединены по схеме выпрямителя, причем число витков каждой первичной фазной обмотки между промежуточным и свободным крайним выводом равно 0,732 части от числа витков между промежуточным и другим крайним выводом (Авторское свидетельство СССР №1149358, кл. Н02М 7/12, 1982).
Недостатком этого преобразователя является недоиспользование по напряжению первичных обмоток трансформатора.
Совокупность причин, препятствующих получению желаемого технического результата, заключается в том, что каждая первичная фазная обмотка рассчитана на линейное напряжение сети.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению (прототип) является преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий трехфазный трансформатор, первичные фазные обмотки которого подключены каждая крайним одноименным выводом к общему выводу встречно-параллельно включенных основных управляемых вентилей, другой общий вывод которых подключен к соответствующему фазному входному выводу, свободным крайним выводом - к смежному фазному входному выводу, промежуточным выводом - к общему выводу встречно-параллельно включенных дополнительных управляемых вентилей, другой общий вывод которых подключен к нулевому входному выводу, а вторичные фазные обмотки совместно с вентилями, число которых кратно шести, соединены по схеме выпрямителя, причем число витков каждой первичной фазной обмотки между промежуточным и крайним выводом равно 0,732 части от числа витков между промежуточным и свободным крайним выводом (Авторское свидетельство СССР №995239, кл. Н02М 7/12, 1981).
Недостатком этого преобразователя является недоиспользование по напряжению первичных обмоток трансформатора.
Совокупность причин, препятствующих получению желаемого технического результата, заключается в том, что каждая первичная фазная обмотка рассчитана на линейное напряжение сети.
Все вышеуказанные указанные аналоги могут содержать межфазный распределитель тока (МРТ), выполненный на дополнительном трансформаторе, фазные обмотки которого подключены одними выводами и общей точкой других выводов соответственно к фазным и нулевому входному выводам (Авторское свидетельство СССР №860238, кл. Н02М 7/12, 1979).
Задача, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, заключается в повышении использования по напряжению первичных обмоток трансформатора.
Эта задача решается тем, что в преобразователе переменного напряжения в постоянное, содержащем трехфазный трансформатор, первичные фазные обмотки которого подключены каждая крайним одноименным выводом к общему выводу встречно-параллельно включенных основных управляемых вентилей, другой общий вывод которых подключен к соответствующему фазному входному выводу, промежуточным выводом - к общему выводу встречно-параллельно включенных дополнительных управляемых вентилей, другой общий вывод которых подключен к нулевому входному выводу, а вторичные фазные обмотки совместно с вентилями, число которых кратно шести, соединены по схеме выпрямителя, свободные крайние выводы первичных фазных обмоток соединены друг с другом, причем промежуточный вывод делит число витков первичной фазной обмотки в соотношении
где w2 - число витков между промежуточным и крайним выводом первичной фазной обмотки, w1 - число витков между ее промежуточным и свободным крайним выводом.
Вторичные фазные обмотки трехфазного трансформатора могут быть соединены в треугольник, вершины которого подключены к входным выводам вентильного моста.
При соединении в треугольник дополнительной гальванически изолированной третичной обмотки вторичные фазные обмотки трехфазного трансформатора совместно с вентилями могут быть соединены в разомкнутую схему выпрямления, например звезду, подключенную к входным выводам вентильного моста. С третичной обмоткой на вторичной стороне может работать любая разомкнутая 6-фазная схема, например кольцевая, лучевая, мостовая, двойной зигзаг и т.п.
Преобразователь может содержать МРТ, выполненный на дополнительном трансформаторе, фазные обмотки которого подключены одними выводами и общей точкой других выводов соответственно к фазным и нулевому входному выводам.
МРТ может быть выполнен, кроме трехфазного трансформатора, на двух или трех однофазных трансформаторах, обмотки которых соединены по схеме соответственно открытого или замкнутого треугольника с отводами.
В первом случае две фазные обмотки соединены последовательно и подключены крайними выводами к фазным входным выводам, а отводами, делящими обмотки на неравные части, число витков вдвое больших из которых отсчитывается от общего фазного входного вывода, - к нулевому входному выводу (Патент №2365019 от 04.07.2008 г.).
Во втором случае три фазных обмотки соединены в замкнутое последовательное соединение и подключены крайними выводами к фазным входным выводам, а отводами, делящими обмотки на равные части, - к нулевому входному выводу (Патент №2379818 от 15.07.2008 г.).
Технический результат, достигаемый в предлагаемом преобразователе, заключается в повышении использования по напряжению первичных обмоток трансформатора. Это обеспечивается уменьшением суммарного числа витков этих обмоток за счет того, что в качестве дополнительной группы обмоток, необходимой для прикладывания к первичным обмоткам фазных напряжений сети, используется часть основной группы обмоток, предназначенной для прикладывания линейных напряжений сети. В результате каждая первичная фазная обмотка рассчитывается на 0,866-ю часть от фазного напряжения сети. В качестве «недостающей» 0,134-й части первичной фазной обмотки для подключения к ней фазного напряжения сети используется дополняющая ее 0,134-я часть первичной обмотки смежной фазы. Кроме того, это обеспечивается дополняющим конструктивное исполнение трансформатора алгоритмом включения тиристоров, при котором первичные фазные или линейные напряжения всегда прикладываются к обмоткам двух стержней.
Дополнительным техническим результатом является повышение использования первичных обмоток трансформатора по току и увеличение угла проводимости вентилей моста, подключенных к треугольнику вторичных обмоток до 180 эл.град.
Совокупный технический результат выражается в лучшем использовании первичных обмоток трансформатора по мощности.
На фиг.1 приведена принципиальная схема преобразователя переменного напряжения в постоянное для случая соединения вторичной обмотки трансформатора в треугольник. На фиг.2 - принципиальная схема преобразователя переменного напряжения в постоянное для случая соединения вторичной обмотки трансформатора в звезду и выполнении на нем третичной обмотки, соединенной в треугольник. На фиг.3 - временные диаграммы токов Iw2 преобразователя на фиг.2 в части его первичной фазной обмотки с числом витков w2, I0 в нулевом проводе и I0/3, разветвленного в МРТ. На фиг.4 - осциллограммы тех же токов, снятые, ввиду взаимозаменяемости всех разновидностей МРТ, с включением его по схеме трехфазного трансформатора, обмотка которого соединена в звезду.
Преобразователь на фиг.1 содержит трехфазный трансформатор 1, первичные фазные обмотки 2, 3, 4 которого соединены в звезду, а вторичные 5, 6, 7 - в треугольник. Концы первичных фазных обмоток 2, 3, 4 подключены к общим точкам встречно-параллельно включенных пар тиристоров соответственно 8 и 9, 10 и 11, 12 и 13, свободные общие точки которых подключены к фазным входным выводам А, В, С. Промежуточные выводы первичных фазных обмоток 2, 3, 4 подключены к общим точкам встречно-параллельно включенных пар тиристоров соответственно 14 и 15, 16 и 17, 18 и 19, свободные общие точки которых подключены к нулевому входному выводу 0. Начало (конец) обмотки 5 (6) подключено к катоду диода 20 и аноду диода 21. Конец (начало) обмотки 7 (6) подключен к катоду диода 22 и аноду диода 23. Начало (конец) обмотки 7 (5) подключено к катоду диода 24 и аноду диода 25. К выходному выводу моста 26 (27) подключены аноды диодов 20, 22, 24 (катоды диодов 21, 23, 25). К нулевому входному выводу 0 подключена общая точка «звезды» обмотки дополнительного трехфазного трансформатора МРТ (28). Концы упомянутой «звезды» подключены к фазным входным выводам.
Промежуточный вывод каждой первичной фазной обмотки делит ее число витков в следующих соотношениях, где 2·w1+w2 - сумма чисел витков обмоток смежных фаз, к которым прикладывается фазное напряжение сети:
Управляющие импульсы на тиристоры преобразователя подавались (в скобках -номера проводящих диодов) в соответствии с очередностью чередования линейных и фазных напряжений сети: 15-10 (20-23-25), 9-10 (20-23-25), 9-18 (20-22-25), 9-12 (20-22-25), 17-12 (21-22-25), 11-12 (21-22-25), 11-14 (21-22-24), 11-8 (21-22-24), 19-8 (21-23-24), 13-8 (21-23-24), 13-16 (20-23-24), 13-10 (20-23-24). При этом для надежного отпирания тиристоров, независимо от величины нагрузки или их угла отпирания, параллельно к каждой первичной фазной обмотке подключался резистор, обеспечивающий минимально необходимый анодный ток.
Каждый диод моста проводит ток то одной, то двух вторичных фазных обмоток. Особенностью реализуемого алгоритма включения тиристоров является то, что вступление в работу нового стержня трансформатора вместо выбывающего происходит всегда при включении тиристора под действием фазного напряжения сети. В интервале дискретности, следующем вслед за указанным интервалом, происходит включение тиристора под действием линейного напряжения сети, и в работе остаются те же стержни трансформатора. Как видно, угол проводимости каждого диода равен 180 эл.град., угол проводимости каждого тиристора, подключенного к промежуточному выводу первичной фазной обмотки, равен 30 эл.град., а подключенного к ее крайнему выводу - 90 эл.град. Угол проводимости каждой части первичной фазной обмотки с числом витков w1 или w2 определяется углами проводимости встречно-параллельно включенных тиристоров. Так, например, угол проводимости части первичной фазной обмотки с числом витков w1 равен 240 эл.град., а с числом витков w2 - 180 эл.град. Каждая полуволна тока в части первичной фазной обмотки с числом витков w1 имеет 4-ступенчатую форму с чередованием амплитуд в соответствии с двумя значениями переключаемых тиристорами коэффициентов трансформации. Длительность тока в каждой вторичной фазной обмотке w равна длительности тока в части w1 первичной фазной обмотки. Однако соблюдение баланса ампер-витков в моменты функционирования тиристоров 14-19 приводит к перераспределению (пропорционально отношению ) величин амплитуд ступеней токов вторичных фазных обмоток. Это отличает друг от друга форму тока в обмотках w1 и w. Каждая полуволна тока в части первичной фазной обмотки с числом витков w2 представляет собой 3-ступенчатую фигуру, амплитуда средней ступени которой больше амплитуды каждой крайней ступени  раз. Форма потребляемого преобразователем фазного тока полностью соответствует известной закономерности для выпрямителей с симметрией первого вида, с не равной нулю суммой первичных фазных токов. В результате последующего преобразования тока нулевого провода в МРТ форма линейного тока в сети изменяется до ее полного соответствия известному закону для выпрямителей с равной нулю суммой первичных фазных токов. Циркулирующие в МРТ с тройной частотой токи (суммируемые в одном полупериоде и разветвляющиеся в другом), благодаря замкнутой магнитной системе его трансформатора, замыкаются почти беспрепятственно, т.к. реактанс трансформатора МРТ для этих токов практически (без учета асимметричности магнитопровода) равен нулю.
Преобразователь на фиг.2 содержит трехфазный трансформатор 1, первичные 2, 3, 4 (вторичные 5, 6, 7) фазные обмотки которого соединены в звезду. Концы первичных фазных обмоток 2, 3, 4 подключены к общим точкам встречно-параллельно включенных пар тиристоров соответственно 8 и 9, 10 и 11, 12 и 13, другие общие точки которых подключены к фазным входным выводам А, В, С. Промежуточные выводы первичных фазных обмоток 2, 3, 4 подключены к общим точкам встречно-параллельно включенных пар тиристоров соответственно 14 и 15, 16 и 17, 18 и 19, другие общие точки которых подключены к нулевому входному выводу 0. Начало обмотки 5 подключено к катоду диода 20 и аноду диода 21. Начало обмотки 6 подключено к катоду диода 22 и аноду диода 23. Начало обмотки 7 подключено к катоду диода 24 и аноду диода 25. Концы обмоток 5, 6, 7 соединены в общую точку. Аноды диодов 20, 22, 24 (катоды диодов 21, 23, 25) подключены к выходному выводу моста 26 (27). К нулевому входному выводу 0 подключена общая точка средних выводов соединенных в треугольник обмоток трех однофазных трансформаторов МРТ (28). Вершины треугольника обмоток МРТ подключены к фазным входным выводам А, В, С. На трансформаторе 1 на фазных обмотках 29, 30, 31 выполнена третичная трехфазная обмотка, соединенная в треугольник.
Промежуточные выводы первичных фазных обмоток делят их числа витков в тех же соотношениях, что и для преобразователя на фиг.1.
Управляющие импульсы на тиристоры подавались аналогично преобразователю на фиг.1 в соответствии с очередностью чередования линейных и фазных напряжений сети: 15-10 (13), 9-10, 9-18 (10), 9-12, 17-12 (9), 11-12, 11-14 (12), 11-8, 19-8 (11), 13-8,13-16 (8), 13-10. В скобках - номера тиристоров, которые из-за реакции третичной обмотки не отключаются и проводят ток в дополнительном интервале дискретности.
Одновременно проводят ток пара диодов моста и пара тиристоров. При этом проводят ток две вторичные и две первичные фазные обмотки трансформатора 1. Однако, в то время как при включении тиристоров 8-13 соблюдается баланс ампер-витков, то при включении тиристоров 14-19 имеет место небаланс ампер-витков. Третичная трехфазная обмотка, выполненная на фазных обмотках 29, 30, 31, компенсирует этот небаланс, и поэтому на выходных выводах 26, 27 формируется 12-пульсное выпрямленное напряжение, аналогичное преобразователю на фиг.1. Циркулирующие в МРТ с тройной частотой токи (суммируемые в одном полупериоде и разветвляющиеся в другом), благодаря раздельной друг от друга магнитной системе трех его трансформаторов, замыкаются абсолютно беспрепятственно. Это связано с тем, что реактанс каждого трансформатора МРТ для этих токов равен нулю, причем с большей точностью, чем в случае исполнения МРТ на 3-стержневом магнитопроводе трансформатора с соединением его обмотки в звезду.
Форма первичного фазного тока в обмотке w2 не соответствует закономерности для 12-пульсных выпрямителей с симметрией первого вида, с не равной нулю суммой первичных фазных токов - Абдулаев А.А., Аслан-заде А.Г. Анализ многопульсного выпрямления. «Электричество». 1977. №8. Табл.1. Не соответствует не только почти равной, а не большей  раз амплитудой ее средней ступени, но и числом этих ступеней, которых в каждой полуволне тока не три, а четыре (фиг.3 и 4). Поэтому изменение формы линейного тока сети в результате распределения по фазам сети тока нулевой последовательности посредством МРТ также не может привести и к ее соответствию известному закону (для 12-пульсных выпрямителей) для равной нулю суммы первичных фазных токов - Чернышев М.А. Закон первичных токов многофазных мутаторов. - «Электричество». 1940. №6.
Устранение в линейных токах сети высших гармоник, кратных трем, обеспечивает равенство нулю суммы этих токов. Однако их формирование не подчиняется косинусам углов поворота векторов смежных ступеней тока, потому что формирование фазных токов не подчиняется ни одному из известных правил для 12-пульсных выпрямителей.
Оказывается, что, например, тиристор 9 после включения проводит ток в течение не трех, соответствующих канонической длительности полуволны тока в части витков w2 первичной фазной обмотки, а четырех интервалов дискретности, т.е. не 90 эл.град., а 120 эл.град. Это можно объяснить реакцией третичной обмотки с фазными обмотками 29, 30, 31 на включение тиристора 17, который проводит ток вместе с тиристором 12 по цепи: входной вывод фазы 0, тиристор 17, части витков w обмоток 3 и 4, часть витков w2 обмотки 4, тиристор 12, входной вывод фазы С. В третичной обмотке замыкается ток, компенсирующий возникающий при включении тиристора 17 небаланс ампер-витков. Этот ток вынуждает проводить ток часть витков w2 обмотки 2 в течение дополнительного интервала дискретности, а вместе с ней и тиристор 9, проводящий ток вместе с тиристором 12. Одновременно воздействие третичной обмотки приводит к уменьшению амплитуды тока нулевой последовательности в нулевом проводе.
Более того, в преобразователе нарушается известное правило, согласно которому третичная обмотка должна оказывать полностью компенсирующее воздействие на неуравновешенную магнитную систему трехфазного трансформатора и, тем самым, исключать циркуляцию тока нулевой последовательности в нулевом проводе. В действительности именно циркуляция этого тока в нулевом проводе, несмотря на включение третичной обмотки и благодаря этому, обеспечивает работоспособность преобразователя (фиг.3, 4).
Возможность отклонения от установленных правил формирования первичных токов в 12-пульсных выпрямителях подтверждается различными экспериментальными приложениями. Теоретически эти приложения объединяет возможность принудительного воздействия на величину и форму тока нулевой последовательности преобразователя с сохранением его работоспособности или приданием ему работоспособности в полном объеме. Предлагаемый преобразователь с соединенной в треугольник и гальванически изолированной третичной обмоткой трансформатора отвечает второму из этих условий.
На данном этапе исследований можно признать, что гармонический состав первичных токов преобразователя с соединенной в треугольник гальванически изолированной третичной обмоткой трансформатора, в отличие от гармонического состава его выпрямленного напряжения, не соответствует канонам 12-пульсного выпрямления. Без гальванически изолированной третичной обмотки данное соответствие не нарушается, если только при этом вторичные обмотки трансформатора соединены в треугольник и подключены к входным выводам вентильного моста.