Преобразователь переменного напряжения (его варианты)
Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для выпрямления трехфазного переменного напряжения, а также преобразования этого напряжения в трехфазноенесинусоидальное той же частоты с качественным гармоническим составом. Цель изобретения - улучшение массо-габаритньк и энергетических показателей. Первый вариант преобразователя обеспечивает работу с половинным числом тиристоров,подключенных либо только к промежуточным,либо только к крайним выводам .обмоток уравнительного реактора. При этом на выходе устройства формируется шестипульсное выпрямленное напряжение при повышен ном использовании по току диодов, а в каждой фазе трехфазной нагрузки формируются две трехступенчатые полуволны несинусоидального переменного тока с длительностью каждой ступени 60 эл.град. Второй вариант отличается тем, что первичные обмотки трансформатора включены не в линии, а в фазы треугольника, .образованного в регуляторе обмотками реактора и тиристорами . Упрощение конструкции и уменьшение габаритов уравнительного реактора происходит за счет сокращения количества обмоток наряду с повышением использования их по току. Снижение потерь в реакторе и тиристорах повышает КПД. 2 с. и 6 з.п. ф-лы. 8 ил. I СП
Взамен ранее изданного
СОЮЗ СОЭЕТСНИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ
РЕСПУБЛИН
А (19) (11)
{504 Н 02 М 7 17 5 257
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3603520/24-07 (22) 10.06.83 (46) 30.03.88. Бюл. Р 12 (71) Азербайджанский политехнический институт им. Чингиза Ильдрыма (72) А. Г. Аслан-заде (53) 621,314.6 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР . N - 941964, кл. G 05 F t/20, 1980.
Авторское свидетельство СССР р 1046873, кл. .Н 02 М 7/12, 1981. (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ (ЕГО ВАРИАНТЫ) (57) Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для выпрямления трехфазного переменного напряжения, а также преобразования этого напряжения в трехфазное несинусоидальное той же частоты с качественным гармоническим составом. Цель изобретения — улучшение массо-габаритных и энергетических показателей. Первый вариант преобразователя обеспечивает работу с половинным числом тиристоров, подключенных либо только к промежуточным, либо только к крайним выводам .обмоток уравнительного реактора. При этом на выходе устройства формируется шестипульсное выпрямленное напряжение при повышенном использовании по току диодов, а в каждой фазе трехфазной нагрузки формируются две трехступенчатые полуволны несинусоидального переменного тока с длительностью каждой ступени 60 эл,град. Второй вариант отличается тем, что первичные обмотки трансформатора включены не в линии, а в фазы треугольника,.образованного в регуляторе обмотками реактора и тиристорами. Упрощение конструкции и уменьшение габаритов уравнительного реактора происходит за счет сокращения количества обмоток наряду с повышением использования их по току.
Снижение потерь в реакторе и тиристорах повышает КПД. 2 с. и 6 з.п. ф-лы. 8 ил.
1?20086
Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для выпрямления трехфазно го переменного напряжения, а также преобразования этого напряжения в трехфазное несинусоидальное той же частоты с качественным гармоническим составом.
Цель изобретения — улучшение мас- 10 со-габаритных и энергетических показателей.
На фиг.1-6 приведены принципиальные схемы первого варианта преобразователя; на фиг.7 — схема второго 15 варианта; на фиг.8 - временные диаграммы работы преобразователя при угле отпирания тиристоров о =30 эл,град.
Преобразователь (см. фиг.1) содержит вентили (тиристоры) 1-12 и 20 уравнительный реактор 13 с обмотками
14, 15, 16, совместно образующими схему регулятора 17, шестиполюсник
18, выполненный в виде трехфазного трансформатора 19, первичные обмотки 25
20, 21, 22 которого началами образуют входные выводы 23,24, 25, а концами— выходные выводы 26, 27, 28, вторичные обмотки 29, 30, 31 соединены в звезду и подключены к входу выпрямитель- 30 ного моста на .диодах 32-37 с выходными выводами 38, 39. Входные выводы
23, 24, 25 шестиполюсника 18 подключены к фазным входным выводам А, В, С, трехфазного источника 40 питания.
Выходной вывод 26 /27,28/ шестиполюсника 18 через встречно-параллельно включенные пары тиристоров 1,2
/5,6,9,10/ подключен к промежуточному выводу обмотки 14/15,16 реактора 13, 40 конец которой соединен с выходным выводом 2 7/28,26/ шестиполюсника 18;
Выходные выводы 26, 27, 28 через встречно-параллельно включенные пары тиристоров соответственно 3, 4, 7, 45
8, 11, 12 подключены к началам обмоток соответственно 14, 15, 16 уравнительного реактора 13 ° .
Работа преобразователя осуществляется следующим образом.
Разностное напряжение (ЭДС) каждой обмотки уравнительного реактора 13 имеет частоту Çf, где f — частота сети, и в любой момент времени равно. разности мгновенных значений линейных напряжений сети, т ° е. ма.гнитный поток реактора изменяется с частотой
3f и имеет относительно небопьшую амплитуду.
Коммутация тиристоров при отстающем угле отпирания Ы в диапазоне а о
0 М 105 осуществляется естественно эа счет сильной индуктивной связи между обмотками 14, 15, 16 реактора
13, а также автотрансформаторной связи между секциями каждой иэ этих обмоток, соотношение чисел витков которых равно Ы,: У = f:- Ò.
Очередность включения тиристоров:
1-1?,10-3,10-7,5-12,5-4,2-7,2-11,9-4, 9-8,6-11,6-3,1-8 и соответственно диодов: 33-34-36,33-34-36,33-35-36, 33-35-36,32-35-36,32-35-36,32-35-37, 32-35-37,32-34-37,32-34-37,33-34-37, 33-34-37.
Допустим, что в некоторый момент времени потенциал фазы С более положителен, чем потенциал фазы А относительно отрицательного потенциала фазы В, т,е. мгновенное значение напряжения сети V между фазными входными выводами С и В превьш|ает мгновенное значение напряжения сети
VA между фазными входными выводами
А и В (см. фиг.8) ° Тогда управляющие импульсы должны быть поданы на тиристоры 6 и 3 с тем, чтобы большее из указанных напряжений V оказалось приложенным к части обмотки
15 реактора 13 с числом витков M а меньшее иэ указанных напряжений
Чд — ко всей обмотке 14 реактора 13 с числом витков И,+Ъ?
В результате, разность мгновенных значений напряжений V и Vä приобретает плюсовую полярность относитель но концов обмоток 15 и 14. ЭДС, наводимая в обмотке 14, суммируется с напряжением Ч д, а ЭДС, наводимая в обмотке 15, уменьшает напряжение Ч, .
Происходит выравнивание мгновенных значений напряжений V и Vä, при этом формируемая на обмотках 20, 21, 22 трансформатора 19 полуволна результирующего напряжения с амплитудой, равной 243 sinf5 Vm (где Ч„,— амплитуда линейного напряжения сети) отстает по фазе от напряжения Ч, на
15 эл.град. Под действием трансформируемого на вторичные обмотки 29, 30, 31 трансформатора 19 результирующего напряжения ток нагрузки замыкается через диоды 33, 37, 34. Так как алгебраическая сумма токов, протекающих через диод 33, обмотку 29 и диод 37, обмотку 31, равна току, протекающему через диод 34 и обмотку 30, 1220086 то алгебраическая сумма токов в первичных обмотках 20 и 22 трансформатора 19 равна току в его обмотке 21.
Так как соотношение числа витков обтека5 . емой током части обмотки 15 и всей обмотки 14 реактора 13 равно 1: (-<3+1), то для соблюдения баланса ампер-витков в реакторе 13 соотношение токов в обмотках 20, 23 и 29, 31 (в диодах 33, 37) также равно 1:(-<3+1).
Через 30 эл.град. от естественного угла отпирания тиристоров 3 и 6, потенциал фазы А становится более положительным, чем потенциал фазы С от- 15 носительно отрицательного потенциала фазы В. Однако вышеуказанная полуволна результирующего напряжения через открытые тиристоры 3 и 6 продолжают формировать на выходе соответствующую 20 пульсацию напряжения до момента отпирания тиристоров 1 и 8. Так как при включении тиристоров 1, 8 через
30 эл.град. после включения тиристоров 3, 6 мгновенное значение напряже- 25 ния сети Väe превышает V B, то их разность приобретает плюсовую полярность относительно начал обмоток 14 и 15. Под.действием этой разностной ЭДС на части обмоток 14, 15 с числом витков W тиристоры 3 и 6 запираются. Тогда большее из указанных напряжений Чд прикладывается к части обмотки 14 реактора 13 с числом витков Ы<, а меньшее VcB — ко всей обмотке 15 реактора 13 с числом
HHTEoH W, + W2.
Разностная ЭДС на обмотке 14 уменьшает напряжение VEEB, а на обмотке 15 суммируется с напряжением VcB ° 40
Происходит выравнивание мгновенных значений напряжений U V<,B на 15 эл.град. и одновременно отстает по фазе на 30 эл.град. от предыдущей полуволны результирующего напряжения. Аналогично предыдущему 50 интервалу в 30 эл.град. в очередном интервале, также в 30 эл.град., ток проводят те же диоды 33, 34, 37 через обмотки 29, 30, 31. Однако соотношение токов в обмотках 29, 31 (в диодах ЗЗ, 37) и 20, 22 меняется на обратное, т.е. становится равным (ГЗ+1) . Через 30 эл.град. от естественного угла отпирания тиристоров 1 и 8 no-.åíöèàë фазы С становится отрицательным, но менее, чем потенциал фазы В относительно положительного потенциала фазы А. Поэтому при включении тиристора 12 через 30 эл.град. после включения тиристоров 1 и 8, мгновенное значение напряжения сети Vд превышает UcB, а разность мгновенных значений напряжений VE
Под действием разности напряжений V«H U на обмотке 15 тиристор 8 запирается. Тогда большее из напряжений Чд прикладывается к части обмотки 14 реактора 13 с числом витков М<, а меньшее EAc — ко всей обмотке 16 реактора 13 с числом витков W<+W2. Разностная ЭДС на обмотке 14 уменьшает напряжение VäB, а на обмотке 16 суммируется с напряжением 7д . Происходит выравнивание мгновенных значений напряжений VAB u V с формированием очередной полуволны результирующего напряжения, отстающей по фазе от предыдущей полуволны на 30 эл.град. Далее процессы повторяются. При этом на выходе выпрямительного моста формируется двенадцатипульсное выпрямленное напряжение 7! (см.фиг.8), в первичных и вторичных фазных обмотках трансформатора 19 формируются две шестиступенчатые полуволны несинусоидального переменного тока iä с соотйошением амплитуд ступенек, соответствующим содержанию высших гармоник с порядковым номером бп+1, где n = 2,3,4... (каждая полуволна соответствует току одного диода),. а в обмотках И< и W2 реактора 13 — токи 1., и Проведенные эксперименты показали нормальную работоспособность преобразователя и в случае соединения вторичных обмоток трансформатора в "треугольник", при той же очередности включения тиристоров 1-12 регуляра !7. Однако при соединении в "звезду форма тока диода получается качественно лучше. Преобразователь (см. фиг.2) содержит регулятор 17, подключенный к выходным выводам 26, 27, 28 шестиполюсника 18, входные выводы 23, 24, 25 которо о подключены к фазным входным выводам А, B С трехфазного источника 1220086 40 питания. Шестиполюсник 18 выполнен в виде трехфазного трансформатора 19, первичные обмотки 20, 21, 22 которого соединены в звезду и образуют начала- 5 ми его входные выводы, Вторичные обмотки 29, 30, 31 трансформатора 19 началами образуют выходные выводы шестиполюсника 18, а концами подключены к входу выпрямительного моста 10 на диодах 32-37 с выходными выводами 38, 39. Очередность включения тиристоров 1 — 12 регулятора 17 сохраняется прежней. Процесс преобразования напряже- 15 ния аналогичен вышеописанному (как на фиг,1). На выходе выпрямительного моста формируется двенадцатипульсное выпрямленное напряжение Ч1, остальные формы кривых также не отличаются от 20 представленных на фиг.8. Преобразователь (см. фиг,3) содержит регулятор 17, подключенный к выходным выводам 26, 27, 28 шестиполюсника 18, входные выводы 23, 24, 25 25 которого подключены к фазным входным выводам А, В, С трехфазного источника 40 питания. Шестиполюсник 18 выполнен в виде трансформатора 19, первичные обмотки 20, 21, 22 которого 30 началами образуют входные выводы, а концами — выходные выводы шестиполюсника. Вторичные обмотки 29, 30, 31 трансформатора 19 соединены в звезду, концы которой подключены к фазам 41, 42, 43 нагрузки, соединенной в звезду ° Очередность включения тиристоров 1-12 регулятора 17 сохраняется преж-! ней (как на фиг. 1) . При этом форма 40 тока в каждой фазе нагрузки с соответствующим Вазовым сдвигом повторяет форму тока iA (см. фиг.8) во вторичной (первичной) фазной обмотке трансформатора, т.е. токи в нагрузке не содержат высших гармоник ниже одиннадцатой. Проведенные эксперименты, как и в вышеуказанном случае, (см. фиг.1), показали нормальную работоспособность преобразователя и в случае соединения вторичных обмоток трансформатора в треугольник. Кроме того, независимо от схемы соединения вторичных обмоток трансформатора, нагрузка может 55 быть соединена как в звезду, так и в треугольник. Преобразователь (см. фиг.4) содержит регулятор 17, подключенный к выходным выводам 26, 27, 28 шестиполюсника 18, входные выводы 23, 24, 25 которого подключены к фазным входам выводам А, В, С трехфазного источника 40 питания. Шестиполюсник 18 выполнен в виде трехфазного трансформатора 19, первичные обмотки 20, 21, 22 которого соединены в звезду и образуют началами его входные выводы. Вторичные обмотки 29, 30, 31 трансформатора 19 началами образуют выходные выводы шестиполюсника 18, а концами подключены к фазам 41, 42, 43 нагрузки, соединенной в звезду. Очередность включения тиристоров 1-12 регулятора 17 сохраняется прежней (как на фиг.1), при этом форма тока в каждой фазе нагрузки с соответствующим фазовым сдвигом повторяет форму тока (см. фиг.8) во вторичной (первичной) обмотке трансформатора. Проведенные эксперименты показали высокое качество регулирования, как в случае соединения нагрузки в звезду, так и в треугольник. Преобразователь (см. фиг.5) содержит регулятор 17, подключенный к выходным выв9дам 26, 27, 28 шестиполюсника 18, входные выводы 23, 24, 25 которого подключены к фазным вход. ным выводам А, В, С трехфазного источника 40 питания. Шестиполюсник 18 выполнен в виде трехфазной нагрузки, фазы 41 (42, 43) которой одним выводом подключены к входному выводу -23 (24, 25), а другим — к выходному выводу 26 (27,28). Очередность включения тиристоров 1-12 регулятора 17 сохраняется прежней, (как на фиг.1). При этом форма тока в каждой фазе нагрузки также не содержит высшей гармоники ниже одиннадцатой. В качестве нагрузки может быть использована, например, двигательная нагрузка. Преобразователь (см. фиг.б) содержит регулятор 17, подключенный к выходным выводам 26, 27, 28 шестиполюсника 18, входные выводы 23, 24, 25 которого подключены к фазным входным выводам А, В, С трехфазного источника 40 питания. Шестиполюсник 18 выполнен в виде автотрансформатора 44, обмотки 45, 46, 47 которого соединены в звезду и подключены началами к входным выводам 23, 24, 25, а отпайками — к фазам 1220086 ностей первого варианта преобразователя является воэможность работы с половинным числом тиристоров, подключенных либо только к промежуточным, либо только к крайним выводам обмоток уравнительного реактора. В этом случае на выходе выпрямителя формируется шестипульсное выпрямлен20 ное напряжение при повышенном использовании по току диодов, а в каждой фазе трехфазной нагрузки формируются две трехступенчатые полуволны несинусоидального переменного тока с длительностью каждой ступени 60 эл. град., где амплитуда средней ступени равна амплитуде тока нагрузки и сумме амплитуд крайних ступеней.. Преобразователь (см. фиг.7) содержит тиристоры 48-59 и диоды 60-65, трехобмоточный уравнительный реактор 66 и трехфазный трансформатор 67. Вторичные обмотки 68, 69, 70 трансформатора 67 соединены в треугольник и подключены к входу трехфазного выпрямительного моста на диодах 60-65, к выходу которого подключена нагрузка 71. Первичные обмотки 72, 73, 74 40 трансформатора 67 соединены в треугольник и подключены к фазным входным выводам, при этом конец обмотки 72 (73, 74) соединен с подключенным к фазному входному выводу В (С, А). началом обмотки 73 (74, 72) через последовательную цепь, образованную встречно-параллельно включенными тиристорами 54 и 55 (58 и 59, 50 и 51) и обмоткой 75 (76, 77) уравнительного реактора 66, которая подключена началом к указанной паре тиристоров, а концом — к концу обмотки 72 (73, 74). Кроме того, промежуточный вывод обмотки 75 (76, 77) реактора 66 подключен к началу обмотки 73 (74,72) трансформатора 67 через встречно-параллельно включенную пару тиристоров 52 и 53 (56 и 57, 48 и 49). 41, 42, 43 трехфазной нагрузки, через которые соединены. с выходными выводами 26, 27, 28. Очередность включения тиристоров 1-12 регулятора 17 сохраняется прежней (как на фиг.1), Преобразователь обеспечивает возможность согласования напряжений между источником и нагрузкой при меньших габаритах трансфор- 10 маторного оборудования. Важной особенностью всех разновидКаждая обмотка уравнительного реактора 66 разделена промежуточным выводом в соотношении чисел витков,. равном 1 м:M = 1.,!3 Преобразователь (см. фиг.7) имеет следующую очередность включения тиристоров: 57-54,52-59,52-51,49-54, 49-58,56-51,56-55,53-58,53-50,48-55, 48-59,57-50. Преобразователь на фиг.7 структурно отличается от преобразователя на фиг.1 тем, что первичные обмотки трансформатора, являющегося в данном варианте необходимым элементом преобразования, включены не в линии, а в фазы треугольника, образованного в регуляторе 17 обмотками реактора и тиристорами. Поэтому очередность включения тиристоров в преобразователях по фиг.7 и 1 совпадает. При этом аналогично первому варианту вторичные обмотки трансформатора могут быть соединены в звезду. Кроме того, независимо от их группы соединения они могут быть подключены к трехфаэной нагрузке, соединенной в звезду или треугольник. Однако форма фазного тока первичной обмотки трансформатора совпадает ,с 1w2j а линейного — с 1А (см. фиг.8). В целом качественные показатели второго варианта преобразователя независимо от числа тиристоров регулятора уступают первому варианту. . Упрощение схемы регулятора 17 облегчает возможность реализации. качественно нового приема взаимообратного переключения тиристоров на индуктивности, позволяющего за счет индуктивной связи между обмотками маломощного уравнительного реактора обойти необходимость перехода к искусственной коммутации при отстающем угле управления. Эффективность предложенного преобразователя заключается в упрощении конструктивного исполнения и уменьшении габаритов уравнительного реактора за счет сокращения количества его обмоток наряду с повышением использования по току. Снижение потерь в реакторе и тиристорах повышает КПД преобразователя. Кроме того, в связи с улучшением форм тока тиристоров повышается их нагрузочная способность по току, а в результате уменьшения общего количества требуемых импуль122008б l0 сов, упрощается система управления тиристорами за счет уменьшения числа распределительных элементов. 5 формула изобретения 1. Преобразователь переменного напряжения, содержащий две группы управляемых вентилей, уравнительный 10 реактор с тремя индуктивно связанными обмотками, каждая из которых по крайней мере первым крайним выводом, промежуточным выводом, делящим ее витки на части в отношении 1: 13, меньшая из которых отсчитывается от второго крайнего вывода, соединена через управляемый вентиль первой группы с одним из трех выходных выводов шестиполюсника, входные выводы 20 которого подключены к трехфазному источнику питания, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью улучшения массогабаритных и энергетических показателей, встречно-параллельно каждому25 управляемому вентилю первой группы включен управляемый вентиль второй группы, второй крайний вывод каждой обмотки уравнительного реактора соединен через соответствующую пару ука- 30 занных вентилей с первым крайним выводом смежной обмотки, при этом соединение обмоток уравнительного реактора с вентилями образует "треугольник». 2. Преобразователь по п.1, о т— л и ч а ю шийся тем, что шестиполюсник выполнен в виде трансформатора, начала первичных обмоток которого подключены к входным выводам, концы — к выходным выводам, а вторичные обмотки соединены в трехфазную группу и подключены к входу переменного тока выпрямительного моста. 3. Преобразователь по п.1, о т л и ч а ю шийся тем, что шестиполюсник выполнен в виде трансформатора, первичные обмотки которого- соединены в звезду и подключены к входным выводам, начала вторичных обмоток 50 подключены к выходным выводам, а концы — к входу переменного тока выпрямительного моста. 4. Преобразователь по п.1, о т л и ч а ю шийся тем, что шестиполюсник выполнен в виде трансформатора, начала первичных обмоток которого подключены к входным выводам, концы — к вьгходным выводам, а вторичные обмотки соединены в трехфазную группу, образуя выводы для подключения трехфазной нагрузки. 5. Преобразователь по п.1, о т л и ч а ю шийся тем, что шестиполюсник выполнен.в виде трансформатора, первичные обмотки которого соединены в звезду и подключены к входным выводам, начала вторичных обмоток подключены к .выходным выводам, а концы образуют выводы для подключения трехфазной нагрузки. б.Преобразователь по п.1, о т— л и ч а ю щ и й. с я тем, что входные выводы шестиполюсника образуют совместно с его соответствующими выходными выводами выводы для подключения трехфазной нагрузки. 7. Преобразователь по п.1, о т л и ч а ю шийся тем, что шестиполюсник выполнен в виде автотрансформатора, обмотки которого соединены в звезду и подключены началами к входным выводам, а промежуточные выводы обмоток образуют совместно с выходными выводами выводы для подключения трехфазной нагрузки. 8. Преобразователь, содержащий две группы управляемых вентилей, уравнительный реактор с тремя индуктивно связанными обмотками, каждая из которых, по крайней мере, первым крайним выводом, промежуточным выводом, делящим ее витки на части в отношении 1: 13, меньшая из которых отсчитывается от второго. крайнего вывода, соединена с управляемым вентилем первой группы, трехфазный трансформатор, одноименные выводы первичных фазных обмоток которого образуют входные выводы для подключения к трехфазному источнику питания, а вторичные фазные обмотки соединены в трехфазную группу и подключены тремя одноименными выводами к входу переменного тока выпрямительного моста, выход постоянного тока которого образует выходные выводы, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью улучшения массогабаритных и энергетических показателей, встречно-параллельно каждому управляемому вентилю первой группы включен управляемый вентиль второй группы, каждый свободный вывод указанных обьединенньгх групп подключен к началу первичной фазной обмотки трансформатора, а второй 1220086 12 крайний вывод каждой обмотки уравнительного реактора соединен с концом первичной обмотки смежной фазы трансформатора. 1220086 Уках,2 12 роом Фиа5 (pgg7 . 1220086 Составитель Е,Мельникова Техред Л.Сердюкова Корректор А.Обручар Редактор П.Горькова Заказ 1431 Тираж 665 ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, R-35, Раушская наб., д. 4/5 Подписное Производственно-полиграфическое предприятие, г, Ужгород, ул. Проектная, 4
