Преобразователь трехфазного напряжения в постоянное

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в различных отраслях промышленности, где необходимы трехфазные полупроводниковые мостовые выпрямительные агрегаты. Сущность изобретения: устройство содержит трансформаторы 1,2 и вентильные мосты 12-15, входные выводы которых присоединены к вторичным обмоткам соответствующих трансформаторов. Первичные обмотки 3,4 обоих трансформаторов соединены звездой, вторичные обмотки 8,9 трансформатора 1 соединены звездой и треугольником, вторичные обмотки 10, 11 трансформатора 2 - треугольником с продолженными сторонами и взаимно противоположным чередованием фаз, причем соотношение чисел витков стороны 19/21/ треугольника и его продолжения 20/22/ выбрано таким, чтобы получить сдвиг системы линейных напряжений на выходе каждой из этих обмоток на угол плюс или минус семь с половиной градусов, по сравнению с системой соответствующих напряжений соединения обмотки звездой. 5 ил.

Изобретение относится к электротехнике, разделу преобразовательной техники и может быть использовано в различных отраслях техники.

Известны преобразователи трехфазного напряжения в постоянное, содержащие трансформаторы, на магнитопроводе которых расположены одна трехфазная соединенная в звезду первичная обмотка и две трехфазные вторичные обмотки, соединенные по схемам звезды и треугольника соответственно, и подключены ко входам соответственно первого и второго выпрямительных вентильных мостов [1, 2].

Такое выполнение известных преобразователей обусловливает: а) совпадение по фазе основных гармоник несинусоидальных токов в расположенных на общем сердечнике магнитопровода фазах одной и другой вторичных обмоток трехобмоточного трансформатора; б) взаимную противоположность начальных фаз пятой или седьмой, семнадцатой и других высших гармоник несинусоидальных токов в этих фазах обмоток; в) совпадение начальных фаз одиннадцатой, тринадцатой, двадцать третьей и некоторых других высших гармоник тока в этих обмотках; г) обусловленное этим исключение из несинусоидального тока первичной обмотки пятой, седьмой, семнадцатой и других гармоник, номер каждой из которых на единицу отличается от произведения шести на нечетное число; д) представление тока первичной обмотки трансформатора в виде суммы гармоник, номер каждой из которых на единицу отличается от произведения целого числа на двенадцать.

Эти известные преобразователи называют иногда двенадцатиимпульсными или двенадцатифазными [1, 2].

Известен также преобразователь трехфазного напряжения в постоянное, содержащий два трансформатора, на магнитопроводе каждого из которых расположены одна трехфазная соединенная в звезду первичная обмотка и две трехфазные вторичные обмотки, причем вторичные обмотки первого трансформатора соединены по схемам звезды и треугольника, соответственно, и подключены ко входам, соответственно, первого и второго выпрямительных вентильных мостов, вторичные обмотки второго трансформатора подключены, соответственно, ко входам третьего и четвертого выпрямительных вентильных мостов, а указанные вентильные мосты по выходу соединены последовательно, образуя цепочку, соединенную с выходными выводами для подключения нагрузки [3].

Этот известный преобразователь выбран в качестве прототипа. В прототипе сделана попытка исключить из тока питающей сети одиннадцатую, тринадцатую, тридцать пятую высшие гармоники. В этих целях предусматривается последовательное соединение двух двенадцатиимпульсных преобразователей, выполненных на управляемых вентилях, причем второй преобразователь снабжен блоком управления, обеспечивающим сдвиг моментов коммутации второго преобразователя по отношению к первому на пятнадцать градусов. Этот сдвиг поддерживается неизменным во всем диапазоне углов регулирования, что по мнению авторов изобретения должно исключить из состава тока питающей сети одиннадцатую, тринадцатую, тридцать пятую и другие высшие гармоники, номер каждой из которых на единицу отличается от произведения двенадцати на нечетное число.

Такое выполнение прототипа: а) обеспечивает взаимный сдвиг во времени одинаковых по форме несинусоидальных периодических токов в присоединенных к одному проводу питающей сети фазах первичных обмоток двух его трансформаторов на двадцать четвертую часть периода; б) приводит к обусловленному этим появлению также косинусной слагаемой в составе каждой гармоники тока первичной обмотки второго трансформатора прототипа, когда эта гармоника тока в аналогичной фазе первичной обмотки первого трансформатора представлена только синусной слагаемой; в) не мешает проникновению в питающую сеть высших гармоник тока с номерами, на единицу отличающимися от произведения двенадцати на целое число, поскольку оказывается невозможным добиться противоположности начальных фаз для каждой из этих гармоник токов первичных обмоток этих трансформаторов - дополнительная косинусная слагаемая в такой гармонике тока второго трансформатора не может оказаться в противофазе единственной синусной слагаемой той же гармоники тока первичной обмотки первого трансформатора; г) не позволяет ему улучшить гармонический состав тока питающей сети по сравнению с двенадцатифазными преобразователями, входящими в состав прототипа.

Таким образом, остается не решенной с помощью двух двенадцатифазных преобразователей задача улучшения качества электроэнергии питающей сети существенным ограничением или подавлением в ее токе одиннадцатой, тринадцатой, тридцать пятой и других высших гармоник тока. Такая задача должна быть решена на основе использования двух двенадцатифазных преобразователей с трехобмоточными трансформаторами, первичные обмотки которых соединены звездой, т.е. как в прототипе.

Целью изобретения является улучшение качества электроэнергии питающей сети.

Поставленная цель достигается тем, что вторичные обмотки второго трансформатора соединены, соответственно, в прямой и обратный треугольники с продолженными сторонами, причем соотношение чисел витков стороны каждого треугольника и ее продолжения выбрано обеспечивающим сдвиг системы линейных напряжений на выходе каждой их этих обмоток на угол плюс или минус семь с половиной электрических градусов по сравнению с системой линейных напряжений соответствующей вторичной обмотки первого трансформатора.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема преобразователя; на фиг.2 - векторные диаграммы напряжений на вторичных обмотках трансформаторов; на фиг. 3 - временные диаграммы токов в отдельных фазах вторичных обмоток первого трансформатора; на фиг.4 - временные диаграммы токов в сторонах треугольников секционированных вторичных обмоток второго трансформатора; на фиг. 5 - временные диаграммы токов в продолжениях сторон треугольников упомянутых секционированных вторичных обмоток второго трансформатора.

Согласно фиг.1 преобразователь содержит трехфазные трансформаторы 1, 2, соединенные звездой, первичные обмотки 3, 4 которых присоединены к шинам 5, 6, 7 питающей сети. Вторичные обмотки 8, 9 трансформатора 1, а также секционированные вторичные обмотки 10, 11 трансформатора 2 присоединены каждая к входу переменного тока своего вентильного моста 12, 13, 14, 15. К выходным выводам 16, 17 последовательного соединения этих мостов стороной постоянного тока присоединена активно-индуктивная нагрузка 18. Обмотка 8 трансформатора 1 соединена звездой, а другая его вторичная обмотка 9 - треугольником. Секционированные вторичные обмотки 10, 11 трансформатора 2 соединены треугольником с продолженными сторонами со взаимно противоположным чередованием фаз. Части 19, 21 секционированных обмоток 10, 11 соединены в треугольник, а части 20, 21 являются продолжениями сторон этих треугольников.

На фиг.2а приведена векторная диаграмма напряжений на вторичной обмотке 8 трансформатора 1, на фиг.2б - обмотки 9 этого трансформатора, на фиг.2в - на отдельных частях секционированной вторичной обмотки 10 трансформатора 2; на фиг.2г - обмотки 11 трансформатора 2.

На фиг.3а приведена временная диаграмма несинусоидального тока в первой фазе обмотки 9, на фиг. 3б - в другой, на фиг.3в - в третьей фазе этой вторичной обмотки, на фиг.3г - тока в первой фазе обмотки 8, на фиг.3д - во второй, на фиг.3е - в третьей фазе обмотки 8. На фиг.4а показана временная диаграмма тока в первой фазе части 19 секционированной обмотки 10 трансформатора 2, на фиг.4г - тока в первой фазе части 21 секционированной обмотки 11, на фиг.4д и е - токов во второй и третьей фазах этой части обмотки 11. На фиг.4ж дана зависимость от времени суммы токов первых фаз частей 19, 21 обмоток 10, 11, на фиг.4з, фиг.4и - суммы токов вторых и третьих фаз частей 19, 21 вторичных обмоток 10, 11.

На фиг. 5а показана временная диаграмма тока в первой фазе части 22 секционированной обмотки 10 трансформатора 2, на фиг.5б, фиг.5в - токов во второй и третьей фазах этой части вторичной обмотки 10, на фиг.5г - тока в первой фазе части 20 обмотки 11, на фиг.4д, фиг.4е - токов во второй и третьей фазах этой части обмотки 11, на фиг.5ж приведена временная диаграмма суммы токов в расположенных на общем сердечнике магнитопровода первых фаз частей 20, 22 вторичных обмоток 10, 11, на фиг.5з, фиг.5и - суммы токов вторых и третьих фаз этих частей секционированных вторичных обмоток 10, 11.

Работа преобразователя связана с электромагнитными процессами в его элементах, особенности прохождения которых отражаются, например, векторными и временными диаграммами фиг.2-5. Поэтому описание работы преобразователя основано на использовании этих диаграмм и особенностях схемы соединения вторичных обмоток его трансформаторов. Электромагнитные процессы в преобразователе состоят, например, во взаимодействии отдельных составляющих: а) магнитного поля, создаваемых МДС как первичной так и вторичной обмоток трансформаторов; б) напряжения в первичной обмотке одного и другого трансформатора, наводимого гармоникой тока того же номера в его вторичных обмотках; в) тока в первичной обмотке одного трансформатора, обусловленного той же гармоникой тока первичной обмотки другого трансформатора, с магнитодвижущими силами от тех же гармоник тока во вторичных обмотках этого трансформатора.

Из векторных диаграмм фиг.2 следует, что: а) системы векторов фазных напряжений вторичных обмоток 8, 9 трансформатора 1 или отдельных частей секционированных вторичных обмоток 10, 11 трансформатора 2, расположенных на одних и тех же стержнях магнитопровода трансформатора, совпадают по фазе с системой векторов напряжений первичных обмоток 3, 4 своих трансформаторов; б) система векторов линейных напряжений соединенной звездой вторичной обмотки 8 трансформатора 1 совпадает по фазе с системой векторов линейных напряжений аналогично соединенных первичных обмоток 3 и 4 обоих трансформаторов; в) системы линейных напряжений вторичных обмоток 8, 9 трансформатора 1 взаимно сдвинуты на угол тридцать градусов и поэтому на тот же угол взаимно сдвинуты системы линейных напряжений на входе вентильных мостов 12, 13; г) выбором требуемого соотношения чисел витков частей 19, 20 секционированной обмотки 10 система линейных напряжений вентильного моста 14 окажется сдвинутой на семь с половиной градусов относительно системы линейных напряжений на входе вентильного моста 13; д) при таком же соотношении чисел витков частей 21, 22 обмотки 11 система линейных напряжений на входе вентильного моста 15 будет сдвинута относительно системы линейных напряжений на входе вентильного моста 13 на тот же угол семь с половиной градусов, но с противоположным знаком; е) угол взаимного сдвига между системами линейных напряжений на входе вентильных мостов 14, 15 получается при этом равным пятнадцати градусам.

Векторные диаграммы фиг.2 позволяют: а) судить об углах взаимного сдвига по фазе систем выходных напряжений на вторичных обмотках трансформаторов 1, 2, что обусловлено идентичностью соединения первичных обмоток 3, 4 этих трансформаторов и вызванным этим совпадением по фазе основных составляющих систем магнитных потоков в магнитопроводах трансформаторов 1, 2; б) рассматривать совместно системы напряжений основной частоты на вторичных обмотках разных трансформаторов; в) судить об углах взаимного сдвига между системами первых гармоник несинусоидальных входных токов вентильных мостов; г) судить о соответствующих значениях временного сдвига между несинусоидальными периодическими линейными входными токами вентильных мостов 12-15, присоединенных к соответствующим вторичным обмоткам трансформаторов.

На работу преобразователя решающее влияние имеет совпадение или противоположность начальных фаз для какой-то гармоники МДС взаимодействующих обмоток трансформаторов. Именно поэтому важно знать аналитические выражения для несинусоидальных токов в обмотках трансформаторов и соответствующих им МДС, определяющих картину взаимодействия соответствующих составляющих магнитного потока в общем для обмоток стержне магнитной системы трансформатора.

Ниже приведены результаты разложения в тригонометрический ряд несинусоидальных кривых фиг.3, фиг.4, фиг.5 в виде аналитических выражений для токов и некоторых их сумм, которые соответствуют расположенным на общем стержне магнитной системы фазам вторичных обмоток 8, 9 трансформатора 1 или частей 19, 21 и 20, 22 секционированных обмоток 10, 11 трансформатора 2.

i_A22 = I_d sin (6S+1) (ωt+ ) (1) i_A20 = I_d sin (6S+1) (ωt- ) (2) i_A22 + i_A20 = I_d cos (6S+1) sin(6S+1)ωt (3) i_ac21= I_d cos (6S+1) sin(6S+1)(ωt- ) (4) i_ab19= I_d cos (6S+1) sin(6S+1)(ωt+ ) (5) cos(6S+1) cos(6S+1) × (6) i_A8 = I_d sin (6S+1)ωt (7) i_AB9= I_d cos(6S+1) sin(6S+1)ωt (8) Для токов вторичных обмоток трансформаторов, расположенных на вторых и третьих стержнях магнитопроводов, их аналитические выражения отличаются от приведенных сдвигом начальной фазы на плюс или минус сто двадцать градусов, чему соответствует сдвиг во времени соответствующих кривых фиг.3 - фиг.5 на третью часть периода.

Из временных диаграмм фиг. 3г, фиг.3а и соответствующих им выражений (7), (8) следует, что: а) первые гармоники несинусоидальных токов в расположенных на общем стержне магнитопровода первых фазах вторичных обмоток 8, 9 трансформатора 1 совпадают по фазе; б) взаимно противоположны начальные фазы пятой или седьмой, семнадцатой и других их высших гармоник тока с номерами, на единицу отличающимися от произведения нечетного числа на шесть; в) взаимно противоположными оказываются соответствующие составляющие МДС и магнитного потока, вследствие чего высшие гармоники магнитного потока вынуждены проходить только по пути потоков рассеяния и не могут пронизывать первичную обмотку 3 трансформатора 1; г) исключается проникновение этих высших гармоник тока в первичную обмотку 3 как результат электромагнитного взаимодействия МДС вторичных обмоток 8, 9 трансформатора 1; д) совпадение начальных фаз одиннадцатой или тринадцатой, тридцать пятой и других высших гармоник МДС и магнитного потока, вследствие чего эти высшие гармоники магнитного потока будут проходить через сердечник магнитопровода и, пересекая первичную обмотку, обусловят появление этих гармоник тока в первичной обмотке 3 первого трансформатора 1.

Временным диаграммам фиг.5а, фиг.5г соответствуют аналитические выражения (1), (2), и диаграммам фиг.4а, фиг.4г - выражения (4), (5).

Временные диаграммы фиг.5ж, фиг.4ж и соответствующие им выражения (3), (6) позволяют судить о суммарных МДС, создаваемых токами в расположенных на общем стержне магнитопровода частях 20, 22 и 19, 21 секционированных вторичных обмотках 10, 11 трансформатора 2.

Из упомянутых временных диаграмм и выражений (3), (6) следует, что: а) их первые гармоники совпадают по фазе; б) взаимно противоположны начальные фазы одиннадцатой или тринадцатой, тридцать пятой и некоторых других высших гармоник несинусоидальных суммарных МДС частей 22, 20 относительно частей 19, 21 от токов в расположенных на общем стержне магнитопровода этих частей первой фазы секционированных обмоток; в) будут противоположными также соответствующие составляющие магнитного потока, которые вынуждены будут замыкаться только по пути потоков рассеяния; г) исключается проникновение в первичную обмотку 4 высших гармоник тока с номерами, на единицу отличающимися от произведения нечетного числа на двенадцать.

Вместе с тем совпадают по фазе те составляющие суммарных тока, МДС частей 20, 22 и 19, 21 обмоток 10, 11, номера каждой из которых отличаются на единицу от произведения нечетного числа на шесть, т.е. пятая, седьмая, семнадцатая и т.д. Поэтому будут совпадать по фазе и их составляющие магнитного потока, что обусловит появление этих гармоник в токе первичной обмотки 4 трансформатора.

При анализе качества электроэнергии питающей сети приходится учитывать, что: а) данный преобразователь содержит две части, в каждую из которых входит трансформатор с двумя вторичными обмотками, нагруженными каждая своим вентильным мостом; б) первичные обмотки обоих трансформаторов соединены одинаково, а их вторичные обмотки - различно; в) это приводит к различию гармонического состава несинусоидального тока в первичных обмотках этих трансформаторов; г) будет иметь место взаимное влияние первичных обмоток первого и второго трансформаторов на гармонический состав тока питающей сети.

Принимая во внимание параллельное соединение первичных обмоток трансформаторов оказывается естественным протекание по первичной обмотке 3 трансформатора 1 несинусоидального тока первичной обмотки 4 другого трансформатора 2, высшие гармоники которого переданы туда электромагнитным путем из его вторичных обмоток. При этом первичной обмоткой 3 будет создана несинусоидальная МДС и соответствующий магнитный поток, причем его пятая, седьмая, семнадцатая и другие гармонические составляющие этой группы противоположны по фазе таким же составляющим в одной из его вторичных обмотках 8, 9, то: а) эти составляющие магнитного потока, обусловленного током первичной обмотки 3, также будут вытеснены на пути потоков рассеяния; б) входное сопротивление первичной обмотки 3 для каждой из гармоник этой группы будет ничтожно малым, вследствие чего эта обмотка существенно ограничит уровень этих гармоник тока в питающей сети, выполняя роль активного фильтра тех гармоник тока, которые порождены параллельно подключенным вторым двенадцатиимпульсным преобразователем и переданы через посредство его первичной обмотки 4.

Также естественным является прохождение по первичной обмотке 4 трансформатора 2 одиннадцатой, тринадцатой и других высших гармоник несинусоидального тока, порождаемых параллельно подключенным первым двенадцатиимпульсным преобразователем с трансформатором 1 и переданных через посредство его первичной обмотки 3. При этом несинусоидальный ток обмотки 4 трансформатора 2 создает несинусоидальные МДС и магнитный поток, одиннадцатая, тринадцатая и другие гармоники этой группы оказываются противоположными по фазе таким же суммарным составляющим этих величин в частях 19, 21 либо 20, 22 вторичных обмоток 10, 11; это позволяет сделать аналогичные выводы относительно как вытеснения на пути потоков рассеяния этих составляющих магнитного потока, так и существенного ограничения с помощью обмотки 4 уровня этой группы высших гармоник тока в питающей сети.

Наличие двух частей в составе преобразователя, содержащих каждая два вентильных моста и трехобмоточные трансформаторы с различным соединением их вторичных обмоток, нагруженных своими вентильными мостами, обуславливает: а) исключение возможности передачи электромагнитным путем из цепи вторичных обмоток первого трансформатора в его первичную обмотку первой группы высших гармоник тока, номер каждой из которых на единицу отличается от произведения нечетного числа на шесть; б) выполнение первичной обмоткой первого трансформатора роли активного фильтра для указанной выше первой группы высших гармоник тока, генерируемых первичной обмоткой второго трансформатора; в) исключение возможности передачи электромагнитным путем из цепи вторичных обмоток второго трансформатора в его первичную обмотку второй группы высших гармоник тока, номер каждой из которых на единицу отличается от произведения нечетного числа на двенадцать; г) выполнение первичной обмоткой второго трансформатора роли активного фильтра для указанной выше второй группы высших гармоник тока, генерируемых первичной обмоткой первого трансформатора; д) защиту питающей сети от обеих групп высших гармоник тока вследствие взаимного дополнения благоприятных свойств первой и второй частей преобразователя.

Формула изобретения

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТРЕХФАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ, содержащий два трансформатора, на магнитопроводе каждого из которых расположены одна трехфазная соединенная в звезду первичная обмотка и две трехфазные вторичные обмотки, причем вторичные обмотки первого трансформатора соединены по схемам звезды и треугольника соответственно и подключены к входам соответственно первого и второго выпрямительных вентильных мостов, вторичные обмотки второго трансформатора подключены соответственно к входам третьего и четвертого выпрямительных вентильных мостов, а указанные вентильные мосты по выходу соединены последовательно, образуя цепочку, соединенную с выходными выводами для подключения нагрузки, отличающийся тем, что вторичные обмотки второго трансформатора соединены соответственно в прямой и обратный треугольники с продолженными сторонами, причем соотношение чисел витков стороны каждого треугольника и ее продолжения выбрано обеспечивающим сдвиг системы линейных напряжений на выходе каждой из этих обмоток на угол плюс или минус 7,5 эл. град., по сравнению с системой линейных напряжений соответствующей вторичной обмотки первого трансформатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5