Трехфазный выпрямительный мост
Трехфазный выпрямительный мост может найти применение в цветной металлургии для питания электролизных ванн. Фазы моста соединены между собой разноименными шинопроводами постояного тока. Каждая фаза содержит пару согласно и последовательно соединенных через шинопровод переменного тока таблеточных полупроводниковых вентилей. В шинопроводы, которые выполнены пустотелыми, встроены охладители. Каждый вентиль стянут в осевом направлении со своими охладителями, шинопроводом переменного тока и соответствующим, катодным или анодным, шинопроводом постоянного тока. Между вентилями в каждой фазе установлен взрывной предохранитель, встроенный в силовую цепь переменного тока и стянутый в осевом направлении с помощью упругой перемычки и изолированных шпилек. Между упругой перемычкой и взрывным предохранителем установлен осевой компенсатор. Схема управления взрывным предохранителем соединена с датчиком аварийного состояния. Конструкция трехфазного выпрямительного моста исключает возможность разгерметизации взрывного предохранителя и прохождение динамического импульса через вентиль. Результат - повышение надежности выпрямительного моста. 1 н.з. и 2 з.п. ф-лы, 3 илл.
Полезная модель относится к выпрямительной технике и предназначена для преобразования трехфазного тока в постоянный, который используется в цветной металлургии для электролиза, например для питания серии электролизных ванн алюминиевого завода.
Известна конструкция преобразовательного блока по патенту РФ 
2107357, МПК H01L 25/03.
Преобразовательный блок по патенту РФ 2107357 содержит n пар согласно и последовательно соединенных через токовод (шинопровод переменного тока) таблеточных полупроводниковых вентилей с охладителями и две токоведущие шины, соединяющие крайние одноименные полюса пар вентилей. Охладители присоединены к противоположным полюсам пар полупроводниковых вентилей. Через охладители пропущено по сплошному металлическому водоводу в виде U-образной трубки. Несущая конструкция образована токоведущими шинами и сплошными металлическими водоводами, соединяющими охладители, которые вместе с вентилями стянуты между собой в осевом направлении.
Хотя металлические водоводы способствуют более равномерному охлаждению вентилей, однако, они не приспособлены специально для теплоотвода и лишь незначительно его увеличивают. Это, в свою очередь, ведет лишь к незначительному повышению мощности моста, поскольку основное охлаждение осуществляется охладителем, а он установлен лишь с одной стороны каждого вентиля. Низкая мощность, связанная с односторонним охлаждением вентилей, является недостатком известного устройства. К недостаткам следует отнести также низкую надежность работы преобразовательного блока, ввиду отсутствия защиты от аварийных режимов в цепи переменного и постоянного тока. К тому же предложенная стяжка элементов недостаточно прочная и надежная.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является трехфазный выпрямительный мост по патенту РФ 66605, МКП H01L 25/03. Этот трехфазный выпрямительный мост принят за прототип заевляемому устройству. Трехфазный выпрямительный мост по прототипу содержит пары согласно и последовательно соединенных через шинопровод переменного тока таблеточных полупроводниковых вентилей, каждый из которых сблокирован с охладителем, присоединенным к одному из разноименных общих шинопроводов, соединяющему крайние одноименные полюса пар таблеточных полупроводниковых вентилей, при этом вентили каждой пары, их охладители и общие разноименные шинопроводы стянуты между собой с обеих сторон в осевом направлении. Каждая пара таблеточных полупроводниковых вентилей дополнительно содержит взрывной предохранитель, встроенный в силовую цепь переменного тока, и схему его управления, соединенную с датчиком или датчиками аварийного состояния, которые могут быть датчиками обратного тока. Наличие взрывных предохранителей обеспечивает защиту выпрямительного моста от аварийных режимов, что повышает надежность работы моста. Каждый вентиль снабжен вторым охладителем, через который он соединен с шинопроводом переменного тока. Трехфазный выпрямительный мост снабжен основанием, на котором через изоляционные пластины размещен один из разноименных общих шинопроводов. Каждая пара вентилей с охладителями и общими разноименными шинопроводами стянута с обеих сторон с помощью изолированных шпилек, одни концы которых жестко закреплены в основании, а другие концы соединены между собой упругой перемычкой, что позволяет объединить элементы трехфазного выпрямительного моста и тем самым повысить прочность и надежность конструкции.
В трехфазном выпрямительном мосте упругая перемычка выполняет две функции. Первая - обеспечение контактного соединения и крепления всех электрических элементов фазы трехфазного моста: вентилей, шинопроводов, взрывных предохранителей, охладителей. Вторая - тепловая компенсация усилия контактного нажатия.
Однако, как показал опыт эксплуатации трехфазного выпрямительного моста, упругая перемычка недостаточно надежно выполняет функцию крепления взрывного предохранителя. При отключении предельных аварийных режимов давление, создаваемое в корпусе взрывного предохранителя, превышает предел прочности шпилек, которые удерживают электроды в корпусе предохранителя. Шпильки разрушаются, а упругие перемычки за счет большой амплитуды деформации не предотвращают их разрушение. После рзрушения шпилек все усилие от давления в корпусе прикладывается к упругой перемычке, которая деформируется, создавая опасность разгерметизации корпуса взрывного предохранителя и, как следствие, неуспешное отключение аварийного режима со всеми вытекающими последствиями.
Кроме того, к недостаткам прототипа следует отнести то, что в момент срабатывания во взрывном предохранителе от взрыва заряда взрывчатого вещества (ВВ) формируется мощный динамический импульс, который воздействует на все элементы фазы выпрямительного моста и, в частности, на сильноточные вентили (таблетки). Последние содержат в себе кремниевую пластину (кристалл рп- перехода), который может разрушиться при воздействии на него мощного динамического импульса. Причем срабатывание предохранителя происходит при отказе одного диода, а воздействие мощного динамического импульса отражается на обеих диодах, что выводит второй (исправный) диод из строя, требует его замены и, следовательно ведет к дополнительным материальным потерям. Таким образом рассматриваемый трехфазный выпрямительный мост недостаточно надежен в работе и его эксплуатация сопровождается дополнительными затратами.
Задача настоящей полезной модели состоит в повышении надежности работы и снижении эксплуатационных затрат трехфазного выпрямительного моста.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель для решения поставленной задачи, заключается в исключении возможности разгерметизации корпуса взрывного предохранителя за счет ограничения амплитуды деформации упругой перемычки, к которой крепится предохранитель, и в исключении возможности прохождения мощного динамического импульса за счет обособленного расположения взрывного предохранителя отдельно от вентилей
Технический результат достигается следующим образом.
По аналогии с известным агрегатом заявляемый трехфазный выпрямительный мост содержит фазы, соединенные между собой разноименными шинопроводами постоянного тока, при этом каждая фаза содержит пару согласно и последовательно соединенных через шинопровод переменного тока и стянутых в осевом направлении таблеточных полупроводниковых вентилей, охладители, расположенные с обеих сторон каждого вентиля и соединенные соответственно положению с одним из разноименных общих шинопроводов постоянного тока, соединяющим крайние одноименные полюса пар вентилей или с шинопроводом переменного тока, взрывной предохранитель, встроенный в силовую цепь переменного тока и стянутый в осевом направлении с помощью упругой перемычки и изолированных шпилек, схему управления взрывным предохранителем, соединенную с датчиком аварийного состояния.
В отличие от прототипа согласно полезной модели взрывной предохранитель в каждой фазе установлен между таблеточными полупроводниковыми вентилями на шинопроводе переменного тока, который закреплен на раме, причем шинопровод переменного тока и шинопроводы постоянного тока выполнены пустотелыми, а охладители встроены в соответствующие пустотелые шинопроводы, при этом в осевом направлении стянут со своими охладителями, шинопроводом переменного тока и шинопроводом постоянного тока каждый вентиль, кроме того, взрывной предохранитель стянут с шинопроводом переменного тока, а узел крепления взрывного предохранителя дополнительно содержит осевой компенсатор, который установлен между упругой перемычкой и взрывным предохранителем, причем корпус осевого компенсатора выполнен из двух частей, между которыми встроен упругий элемент, а торец взрывного предохранителя упирается в корпус компенсатора. Вентили стянуты с помощью перемычек и изолированных шпилек. Отличия заявляемого трехфазного выпрямительного моста от прототипа подтверждают новизну заявляемой полезной модели.
На фиг.1 показан общий вид заявляемого трехфазного выпрямительного моста - вид сбоку, на котором наиболее наглядно демонстрируются все детали одной из трех фаз. Две другие фазы конструктивно аналогичны представленной.
На фиг.2 - то же, вид спереди
На фиг.3 показана конструкция компенсатора с помощью которого, как одного из элементов крепления, фиксируется взрывной предохранитель.
Полезная модель промышленно применима. Она может быть многократно реализована доступными средствами, работоспособна и при ее реализации достигается указанный технический результат.
Трехфазный выпрямительный мост состоит из трех одинаковых модулей (фаз), которые соединены между собой шинопроводами постоянного тока. Каждая фаза (см. фиг.1) содержит шинопровод переменного тока 1, взрывной предохранитель 2, пустотелый шинопровод переменного тока 3 с встроенными в него охладителями - 4, 5, пустотелый катодный 6 и анодный 7 шинопроводы с встроенными охладителями 8, 9, которые электрически соединены с сильноточными таблеточными полупроводниковыми вентилями 10, 11. Электрическое соединение вентилей и взрывного предохранителя с контактным нажатием обеспечивается перемычками соответственно 12, 13, и 14, 15, которые стянуты между собой парами шпилек соответственно 16, 17, упругой перемычкой 18 и рамой 19, соединенных между собой парами шпилек 20, осуществляющих электрическое соединение и контактное нажатие: шинопровода 1, взрывного предохранителя 2 и пустотелого шинопровода 3. Перемычка 18 снабжена компенсатором, включающим корпус 21, который состоит из двух частей, выполняющих функцию ограничителя, и упругого элемента 22.
Более детально компенсатор представлен на фиг.3, на которой видно, что упругий элемент 22 снабжен прокладками - верхней 23 и двумя нижними 24. Такое конструктивное решение позволяет ограничить амплитуду деформации компенсатора, а, значит, и упругой перемычки 18, и исключить возможность разгерметизации корпуса взрывного предохранителя и неуспешного отключения аварийного режима. Возможны и другие конструктивные выполнения компенсатора, известные из уровня техники, имеющие ограничение амплитуды деформации и не выходящие за рамки настоящей полезной модели.
Посредством шинопровода переменного тока 1 трехфазный выпрямительный мост соединен с трансформатором, который на чертеже не показан. Трансформатор не является элементом заявляемого выпрямительного моста и служит для подачи электрической энергии на выпрямительный мост.
Взрывной предохранитель 2 снабжен схемой управления, соединенной с датчиками аварийного состояния, которые на фиг.1, 2 не показаны. Схема управления может быть установлена в любом месте выпрямительного моста, либо рядом с ним. Датчики аварийного состояния, предпочтительно, должны быть установлены в силовой цепи постоянного тока выпрямительного моста. В случае, например, использования датчиков «обратного» тока, датчики должны быть установлены в силовой цепи каждого вентиля, а в качестве вентилей могут быть использованы таблеточные тиристоры или диоды. Следует также особо отметить, что все шинопроводы и детали выпрямительного моста, находящиеся под напряжением, должны быть электрически надежно изолированы друг от друга.
Трехфазный выпрямительный мост работает следующим образом.
В исходном состоянии мощные таблеточные вентили 10, 11 исправны, по полым шинопроводам 3, 6, 7, встроенным охладителям 4, 8, 5, 9 протекает охлаждающая жидкость, взрывной предохранитель 2 с зарядом взрывчатого вещества в норме, схема управления работоспособна, и на нее подано напряжение питания.
Силовой ток от трансформатора идет по шинопроводу 1 (фиг.1, 2) через взрывной предохранитель 2, пустотелому шинопроводу переменного тока 3, встроенным охладителям 4, 5, вентилям 10, 11, встроенным охладителям 8, 9, пустотелым шинопроводам постоянного тока 6, 7 (минусовой и плюсовой соответственно) на серию электролизных ванн. В случае возникновения любой аварийной ситуации, например, потери одним из вентилем способности не пропускать обратную полуволну тока, в плече этого вентиля появляется «обратный ток», который регистрируется датчиком обратного тока. Сигнал от датчика поступает на схему управления, которая вырабатывает и подает электрический импульс на заряд взрывчатого вещества взрывного предохранителя. Происходит взрыв, который образует во взрывном предохранителе межконтактный промежуток и гасит возникающую при этом электрическую дугу отключения. Ток прекращается, авария ликвидируется. При использовании других типов датчиков аварийного состояния ликвидация аварии происходит аналогично.
В случае отключения предельных аварийных режимов, например, когда обратный ток содержит в себе ток от серии электролизных ванн и во взрывном предохранителе 2 выделяется сверхбольшая энергия, которая создает в корпусе взрывного предохранителя высокое давление и под действием которой могут деформироваться шпильки, удерживающие электроды в корпусе предохранителя, упругий элемент 22 компенсатора (см. Фиг.1,3) принимает горизонтальное положение и тем самым исчерпывает свою упругую деформацию. Все усилие от давления на электрод корпуса взрывного предохранителя воспринимает на себя перемычка 18, которая имеет достаточный запас прочности, что устоит при любом конечном давлении.
Опыт эксплуатации показал также, что шинопроводы моста целесообразно выполнять пустотелыми для прохода охлаждающей жидкости, а охладители выполнять встроенными в шинопроводы. Такое совмещенное исполнение силовой и охлаждающей частей агрегата повышает надежность его работы за счет уменьшения гибких водопроводных шлангов и сокращения количества соединяемых контактных поверхностей (шинопровод-охладитель), что уменьшает электрическое и тепловое сопротивление и повышает надежность работы выпрямительного моста. Таким образом, в сравнении с прототипом заявляемый трехфазный выпрямительный мост имеет следующие преимущества:
1. Применение компенсатора ограничивает упругую деформацию упругих перемычек, которыми крепятся взрывные предохранители, до оптимальных значений и тем самым исключается возможность разгерметизации корпуса предохранителя и неуспешного отключения. Это повышает надежность работы трехфазного выпрямительного моста.
2. Обособленное размещение взрывного предохранителя исключает прохождение динамического импульса через вентиль, разрушение полупроводникового кристалла и сохраняет работоспособность вентиля и упрощяет эксплуатационное обслуживание. Это удешевляет эксплуатацию трехфазного выпрямительного моста.
3. Применение встроенных охладителей в полые шинопроводы переменного и постоянного тока упрощает конструкцию трехфазного выпрямительного моста и повышает надежность работы.
1. Трехфазный выпрямительный мост, фазы которого соединены между собой разноименными шинопроводами постоянного тока, при этом каждая фаза содержит пару согласно и последовательно соединенных через шинопровод переменного тока и стянутых в осевом направлении таблеточных полупроводниковых вентилей, охладители, расположенные с обеих сторон каждого вентиля и соединенные соответственно положению с одним из разноименных общих шинопроводов постоянного тока, соединяющим крайние одноименные полюса пар вентилей или с шинопроводом переменного тока, взрывной предохранитель, встроенный в силовую цепь переменного тока и стянутый в осевом направлении с помощью упругой перемычки и изолированных шпилек, схему управления взрывным предохранителем, соединенную с датчиком аварийного состояния, отличающийся тем, что взрывной предохранитель в каждой фазе установлен между таблеточными полупроводниковыми вентилями на шинопроводе переменного тока, который закреплен на раме, причем шинопровод переменного тока и шинопроводы постоянного тока выполнены пустотелыми, а охладители встроены в соответствующие пустотелые шинопроводы, при этом в осевом направлении стянут со своими охладителями, шинопроводом переменного тока и шинопроводом постоянного тока каждый вентиль, кроме того, взрывной предохранитель стянут с шинопроводом переменного тока, а узел крепления взрывного предохранителя дополнительно содержит осевой компенсатор, который установлен между упругой перемычкой и взрывным предохранителем.
2. Трехфазный выпрямительный мост по п.1, отличающийся тем, что корпус осевого компенсатора выполнен из двух частей, между которыми встроен упругий элемент, а торец взрывного предохранителя упирается в корпус компенсатора.
3. Трехфазный выпрямительный мост по п.1, отличающийся тем, что таблеточные полупроводниковые вентили стянуты в осевом направлении с помощью перемычек и изолированных шпилек.
