Преобразователь с 24-кратной частотой пульсации переменного напряжения в постоянное

Полезная модель относится к электротехнике и силовой преобразовательной технике и может быть использована в качестве преобразователя переменного напряжения в постоянное высоковольтное напряжение для питания тяговых нагрузок электрического транспорта и получения высоких напряжений для линий электропередачи постоянного тока с повышенными требованиями к электромагнитной совместимости. Преобразователь с 24-кратной частотой пульсации переменного напряжения в постоянное, содержит два трехфазных трансформаторных источника, первичные обмотки которых соединены в «неравноплечий зигзаг» создающие фазовый сдвиг 15 эл. градусов между трансформаторами, а вторичные обмотки трансформаторов, имеющие два значения чисел витков, соединены на каждом трансформаторе между собой в звезду и треугольник, при этом вторичные обмотки соединенные в звезду на обоих трансформаторах подключены к одной шестифазной кольцевой схеме выпрямления, а вторичные обмотки, соединенные в треугольник на обоих трансформаторах подключены к другой шестифазной кольцевой схеме выпрямления, причем шестифазные кольцевые схемы выпрямления обоих трансформаторов соединены между собой парой разнополярных выводов постоянного тока последовательно, и свободные разнополярные выводы кольцевых схем выпрямления образуют выходные выводы устройства. Предложенный преобразователь с 24-кратной частотой пульсации переменного напряжения в постоянное, имеет более высокий КПД, и высокий уровень электромагнитной совместимости.

Полезная модель относится к электротехнике и силовой преобразовательной технике и может быть использована в качестве преобразователя переменного напряжения в постоянное высоковольтное напряжение для питания потребителей тяговых нагрузок электрического транспорта и получения высоких напряжений для линий электропередачи постоянного тока с повышенными требованиями к электромагнитной совместимости.

Известен преобразователь с 24-кратной частотой пульсации переменного напряжения в постоянное, содержащий трехфазный трансформатор, первичные обмотки которого соединены в звезду или треугольник, а вторичные обмотки имеющих четыре значения чисел витков создают четыре трехфазных источника, которые присоединены к четырем последовательно соединенным трехфазным выпрямительным мостам (А.с. СССР 1638779, МПК H02M 7/12, опубл. 30.03.1991, Бюл. 12).

Недостатками данного преобразователя является недостаточно высокий КПД из-за потерь мощности в вентилях, последовательно обтекаемых током нагрузки и невысокий уровень электромагнитной совместимости.

Наиболее близким к полезной модели, принятым за прототип, является преобразователь с 24-кратной частотой пульсации переменного напряжения в постоянное, содержащий два трехфазных трансформаторных источника, первичные обмотки которых соединены в «неравноплечий зигзаг» создающие фазовый сдвиг 15 эл. градусов между трансформаторами, а вторичные обмотки каждого трансформатора, имеющие два значения числа витков соединены в звезду и треугольник, линейные напряжения которых от соответствующих трансформаторов прикладываются к четырем последовательно соединенным трехфазным выпрямительным мостам (Пат. РФ 91486, МПК H02M 7/08 2006/01 опубл. 10.02.2010).

Недостатками данного преобразователя является недостаточно высокий КПД из-за потерь мощности в вентилях, последовательно обтекаемых током нагрузки и невысокий уровень электромагнитной совместимости.

Задача полезной модели (технический результат) - создание преобразователя с 24-кратной частотой пульсации переменного напряжения в постоянное, имеющего более высокий КПД и повышенный уровень электромагнитной совместимости.

Указанная задача достигается тем, что в известном преобразователе с 24-кратной частотой пульсации переменного напряжения в постоянное, заключающееся в том, что он содержит два трехфазных трансформаторных источника, первичные обмотки которых соединены в «неравноплечий зигзаг» создающие фазовый сдвиг 15 эл. градусов между трансформаторами, а вторичные обмотки трансформаторов, имеющие два значения чисел витков, соединены на каждом трансформаторе между собой в звезду и треугольник, при этом вторичные обмотки соединенные в звезду на обоих трансформаторах подключены к одной шестифазной кольцевой схеме выпрямления, а вторичные обмотки, соединенные в треугольник на обоих трансформаторах подключены к другой шестифазной кольцевой схеме выпрямления, причем шестифазные кольцевые схемы выпрямления обоих трансформаторов соединены между собой парой разнополярных выводов постоянного тока последовательно, и свободные разнополярные выводы кольцевых схем выпрямления образуют выходные выводы устройства.

На Фиг. 1 представлена схема предлагаемого преобразователя с 24-кратной частотой пульсации переменного напряжения в постоянное.

На Фиг. 2 приведены амплитудно-фазовые портреты напряжений вторичных фазных обмоток, формирующих результирующие напряжения.

На Фиг. 3 отображены диаграммы выпрямленных напряжений кольцевыми выпрямительными секциями и результирующего напряжения.

На Фиг. 4 представлен состав высших гармоник в питающем напряжении электросети для предлагаемой модели.

На Фиг. 5 представлен состав высших гармоник в питающем напряжении электросети для модели прототип.

Преобразователь с 24-кратной частотой пульсации переменного напряжения в постоянное (Фиг. 1) содержит два трехфазных трансформатора 1 и 2 формирующих две шестифазные системы ЭДС, сдвинутые между собой по фазе на пятнадцать электрических градусов и представленные выводами источников a, b, c; x, y, z и a₁, b₁, c₁ ; x₁, y₁, z₁, а также двадцать четыре вентиля 326, из которых сформированы две шестифазные кольцевые схемы выпрямления, вентили 314 составляют первую кольцевую схему выпрямления, а вентили 1526 составляют вторую кольцевую схему выпрямления, вентили одной кольцевой схемы выпрямления 3, 4, 5 соединены между собой анодами образуя анодную группу, а катодами соединены с выводами источника a, b, c, вентили 12, 13, 14 соединены между собой катодами образуя катодную группу, а анодами соединены с выводами источника a₁, b₁, c₁, вентили 611 образуют кольцевую группу вентилей которые анодами попарно 6 и 9, 7 и 10, 8 и 11 соединены с выводами источника a, b, c соответственно, а их катоды попарно 7 и 11, 8 и 9, 6 и 10 соединены с выводами источника a₁, b₁, c₁ , соответственно, вентили другой кольцевой схемы выпрямления 15, 16, 17 соединены между собой анодами образуя анодную группу, а катодами соединены с выводами источника x, y, z вентили 24, 25, 26 соединены между собой катодами образуя катодную группу, а анодами соединены с выводами источника x₁, y ₁, z₁, вентили 1823 образуют кольцевую группу вентилей которые анодами попарно 18 и 21, 19 и 22, 20 и 23 соединены с выводами источника x, y, z соответственно, а их катоды попарно 19 и 23, 20 и 21, 18 и 22 соединены с выводами источника x₁, y₁ , z₁ соответственно, последовательное соединение выпрямительных схем обеспечивается соединением в общий узел катодной группы вентилей первой кольцевой схемы и анодная группы вентилей второй кольцевой схемы выпрямления. Общие точки 27 и 29 соединения вентилей анодной и катодной групп соответственно первой и второй кольцевых схем выпрямления образуют выходные выводы преобразователя, к которым подключена нагрузка 28.

Принцип работы преобразователя (Фиг. 1) основан на двухкаскадной последовательно соединенной схеме, каждый каскад содержит трансформаторный источник и вентильную схему выпрямления. Источники трансформаторные 1; 2, первичные обмотки которых, состоят из двух частей сетевой и фазосдвигающей с соотношением чисел витков соответственно, их соединение между собой по схеме «неравноплечий зигзаг» создает фазовый сдвиг 15 эл. градусов между шестифазными симметричными системами созданных вторичными обмотками трансформаторов, вторичные обмотки размещены по две на каждом стержне трансформатора соотношением чисел витков равных и соединены между собой в две группы по три обмотки, имеющих большее число витков в треугольник, а три обмотки имеющие меньшее число витков в звезду, это создает равенство линейных напряжений между обмотками соединенных в треугольник и линейными напряжениями создаваемых фазными напряжениями обмоток соединенных в звезду, со сдвигом фаз между ними в 30 эл. градусов, причем первая шестифазная система создана обмотками соединенных в звезду, а вторая шестифазная система создана обмотками соединенных в треугольник. Иллюстрация работы преобразователя отображена векторными диаграммами напряжений, которые представлены в виде амплитудно-фазовых портретов напряжений фазных обмоток, составляющих две шестифазные системы напряжений групп вторичных обмоток, развернутыми на фазовой плоскости векторными диаграммами поясняющими принцип формирования результирующих напряжений, представленных векторами S1S24 (Фиг. 2).

Векторные диаграммы (Фиг. 2) показывают амплитудно-фазовые характеристики каждой из применяемых шестифазных систем ЭДС. Соотношения чисел витков вторичных фазных обмоток равных и фазовый сдвиг напряжений 15 эл. градусов между шестифазными симметричными системами обеспечивают динамичное формирование результирующих напряжений, модули векторов которых равны и сдвинуты относительно друг друга на фазовой плоскости на 15 эл. град. Условно зафиксировав векторную диаграмму напряжений одной выпрямительной системы и перемещая вокруг нее векторную диаграмму напряжений другой выпрямительной системы, за период сетевого напряжения получим 24 вектора результирующих напряжений (Фиг. 2). В каждом положении систем на фазовой плоскости определяются элементы вентильных связей, порядок работы вторичных обмоток и вентилей, которые сведены в таблицу.

Исследование состояний систем напряжений во времени по векторным диаграммам (Фиг. 2) позволяет определить порядок чередования рабочих интервалов шестифазных симметричных систем напряжений, подключенных к вентильной конструкции. Например, при формировании результирующего напряжения первой пульсации S1 указанного в первом столбце таблицы наибольшую величину векторов линейных напряжений складываемых из векторов фазных напряжений имеют ca*c₁a₁ и z*z₁, подключенных к первой и второй кольцевым схемам выпрямления соответственно. Индексы линейных напряжений указаны во втором столбце таблицы, а в третьем столбце приведены номера вентилей, включенных при действии данных напряжений вентили 5, 6, 14 первой и вентили 17, 18, 26 второй кольцевых схем выпрямления. Далее нумерация вентилей в таблице соответствует порядку их включения в преобразовательный процесс. Исходя из алгоритма включения вентилей, приведенного в таблице, при идеальной коммутации в любой момент времени в цепи протекания тока нагрузки последовательно включено только шесть вентилей.

У прототипа вентильная схема выпрямления представляет собой четыре трехфазных моста последовательно типа, где в любой момент времени в цепи протекания тока восемь вентилей последовательно обтекаются током нагрузки. По сравнению с прототипом схемно-топологические связи в предлагаемой схеме, обеспечивают сокращение числа вентилей, последовательно обтекаемых током нагрузки с восьми вентилей до шести, что является техническим результатом, который для потребителей может оказаться оптимальным решением, так как при использовании высоких классов вентилей потери мощности в предлагаемой вентильной конструкции снижаются на 25%, что соответственно увеличивает КПД преобразователя в целом, не менее, чем на 0,25%.

Как видно из диаграммы выпрямленных напряжений кольцевых выпрямительных секций, выходное напряжение каждой секций является не каноническим по форме 12-пульсовым напряжением u_d1 и u_d2 (Фиг. 3). Оно как бы промодулировано шестой гармоникой, причем характер модуляции не меняется при увеличении конструктивной несимметрии, так как системы питания шестифазные и угол сдвига между условными фазами внутри шестифазной системы равен 60 эл. град., т.е. периоду шестой и полупериоду двенадцатой гармоник. Вместе с тем, выходные напряжения выпрямительных секций предлагаемого преобразователя сдвинуты относительно друг друга на угол 30 эл. град. (половину периода шестой гармоники), а не угол 15 эл. град. (применяемый в прототипе и известных схемах с четырьмя трехфазными выпрямительными секциями). При формировании результирующего напряжения выпрямителя происходит сложение мгновенных значений выпрямленного напряжения не канонической формы обоих секций, на нагрузке и формируется результирующее напряжение с канонической формой кривой, имеющей 24 пульсации за период сетевого напряжения (Фиг. 3). В результате шестые и двенадцатые гармоники смежных секций взаимно компенсируются при любых причинах, их порождающих, в том числе при параметрической несимметрии цепей тока в фазах трансформаторов при формировании результирующих выпрямляемых напряжений и различиях углов коммутации. Что касается прототипа, то, даже при его небольшой конструктивной несимметрии, в его сетевом токе (на примере сетевого тока фазы A) на диаграмме (Фиг. 5)появляются 5, 7, 11, 13 гармоники. Из формы кривой на диаграмме (Фиг. 4) видно, что в питающей сети потребляемом предлагаемым преобразователем (на примере сетевого тока фазы A), на порядок меньше чем у прототипа диаграмма (Фиг. 5). Что обеспечивает высокий уровень электромагнитной совместимости преобразователя с питающей сетью и ее потребителями.

Таким образом, предлагаемый преобразователь с 24-кратной частотой пульсации переменного напряжения в постоянное, имеет по сравнению с прототипом, более высокий КПД, за счет уменьшения потерь мощности связанного с сокращением числа вентилей с восьми вентилей до шести последовательно обтекаемых током нагрузки и высокий уровень электромагнитной совместимости, за счет уменьшения высших гармоник в сетевом токе.

Преобразователь с 24-кратной частотой пульсации переменного напряжения в постоянное, содержащий два трехфазных трансформаторных источника, первичные обмотки которых соединены в «неравноплечий зигзаг», создающие фазовый сдвиг 15 эл. градусов между трансформаторами, а вторичные обмотки трансформаторов, имеющие два значения чисел витков, соединены на каждом трансформаторе между собой в звезду и треугольник, отличающийся тем, что вторичные обмотки, соединенные в звезду, на обоих трансформаторах подключены к одной шестифазной кольцевой схеме выпрямления, а вторичные обмотки, соединенные в треугольник, на обоих трансформаторах подключены к другой шестифазной кольцевой схеме выпрямления, причем шестифазные кольцевые схемы выпрямления обоих трансформатором соединены между собой парой разнополярных выводов постоянного тока последовательно, и свободные разнополярные выводы кольцевых схем выпрямления образуют выходные выводы устройства.