Автотрансформаторно-выпрямительное устройство

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к силовой преобразовательной технике и позволяет уменьшить суммарную габаритную мощность автотрансформатора и двух трансфильтров и повысить КПД. Устройство с пульсностью выпрямленного напряжения m_lЭ=18 содержит трехфазный автотрансформатор с тремя основными фазными обмотками 1, 2, 3, расположенными на трех стержнях трехфазного (трехстержневого) магнитопровода. Одни одноименные по полярности концы этих обмоток, обозначенные цифрами 1.1, 2.1, 3.1, предназначены для подключения к ним соответствующих концов дополнительных обмоток 4, 5; 6, 7; 8, 9, а другие противоположные по полярности их концы 1.2, 2.2, 3.2 объединены в нулевую точку «О», образуя топологию 3-х фазной обмотки «звезда». Три основные фазные обмотки 1, 2, 3 выполнены с промежуточными отводами 1.3, 2.3, 3.3 и подключены к входам (1.3, 2.3, 3.3) выпрямительного моста 10. Если не требуется ни повышение, ни понижение уровня выпрямленного напряжения U_d0, на эти же отводы 1.3, 2.3, 3.3 обмоток 1, 2, 3 подают 3-х фазное напряжение сети. На каждом из трех фазных стержней магнитопровода автотрансформатора размещены также по две дополнительные обмотки: на стержне фазы «А₀», где размещена основная фазная обмотка 1, размещены дополнительные обмотки 6 и 9; на стержне фазы «В₀» вместе с основной фазной обмоткой 2, размещены две дополнительные обмотки 5 и 8; на стержне фазы «С₀» вместе с основной фазной обмоткой 3, размещены две дополнительные обмотки 4 и 7. Выпрямительный узел выполнен в виде трех явно выраженных 3-х фазных выпрямительных мостов 10, 11, 12. К входным выводам выпрямительного моста 11 подключены одни концы 4.1, 6.1, 8.1 дополнительных обмоток 4, 6, 8, а к входам выпрямительного моста 12 - концы 5.1, 7.1, 9.1 дополнительных обмоток 5, 7, 9. Другие концы которых подключены к соответствующим концам основных обмоток: конец 4.2 обмотки 4 и конец 5.2 обмотки 5 - к концу 1.1 обмотки 1; концы 6.2 и 7.2 обмоток 6 и 7 - к концу 2.1 обмотки 2; а концы 8.2 и 9.2 обмоток 8 и 9 - к концу 3.1 обмотки 3. Положительные выводы («+») трех выпрямительных мостов 10, 11, 12 через обмотки 13, 14, 15 трансфильтра 16 подключены к выходному выводу 17 автотрансформаторно-выпрямительного устройства, а отрицательные («-») выводы этих мостов через обмотки 18, 19, 20 трансфильтра 21 подключены к выходному выводу 22 автотрансформаторно-выпрямительного устройства. Нагрузку 23 подключают к выходным выводам 17, 22. 3 илл.

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к силовой преобразовательной технике и может быть использовано в тех случаях, когда к выпрямительному устройству предъявляются повышенные требования: а) по электромагнитной и электроэнергетической совместимости по его входу и выходу (без дополнительного использования пассивных или активных средств для их реализации); б) и по минимизации массогабаритных показателей. Такой перечень требований характерен, например, для авиационной электротехники.

Известно автотрансформаторно-выпрямительное устройство, представленное в патенте США 5455759 на фиг.1 (опубл. 03.10.1995 г., МКИ⁶ : Н02М 7/00, Н02М 7/06.). Оно содержит трехфазный автотрансформатор с трехфазными основными и дополнительными обмотками, а также выпрямительный узел на 18 диодах, собранный по мостовой схеме и своими входами подключенный к соответствующим обмоткам автотрансформатора. На выходе автотрансформаторно-выпрямительного устройства получают 18 пульсное выпрямленное напряжение. Габаритная мощность автотрансформатора и выпрямительного узла, равная:

Р_Г(АТV) =0,56·P_d0,

где P_d0 - выходная мощность выпрямителя, что свидетельствует об относительно плохих массогабаритных показателях устройства. Кроме того, в каждый момент в выпрямительном узле в рабочем состоянии находятся только два диода из 18, причем через них протекает импульсный ток I_d0 (длительностью 2/9) с максимальным значением, равным току нагрузки I _d0=P_d0 / U_d0, где U_d0 - постоянная составляющая выпрямленного напряжения. При этом действующее значение тока через диоды, определяющее потери в них, равно:

I_VD=

Указанный режим работы диодов устройства отрицательно сказываются и на его энергетических показателях.

Недостатком этого устройства является завышенная габаритная мощность автотрансформатора и выпрямительного узла

Наиболее близким по технической сущности к полезной модели является автотрансформаторно-выпрямительное устройство АТВУ-18 с пульсностью выпрямленного напряжения m_1Э=18, представленное в том же патенте США 5455759 на фиг.7а. Оно содержит выпрямительный узел на 18 диодах, собранный по мостовой схеме, а также трехфазный автотрансформатор. Основная его трехфазная обмотка соединена по схеме «звезда». Три его фазные обмотки выполнены с одним промежуточным отводом. Автотрансформатор содержит также по две дополнительные обмотки на каждую фазу, которые соединены с соответствующими основными обмотками таким образом, что образуют симметричную девятифазную систему напряжений, последовательно сдвинутых между собой по фазе на угол 2/9. Эта девятифазная система напряжений подается на девять входных выводов выпрямительного узла.

Недостатком этого устройства является завышенная габаритная мощность автотрансформатора и выпрямительного узла

Технический результат, который может быть достигнут при использовании полезной модели, заключается в уменьшении суммарной габаритной мощности автотрансформатора и двух трансфильтров и повышении КПД.

Техническая задача полезной модели заключается в изменении структуры устройства и достигается тем, что известное авторансформаторно-выпрямительное устройство с пульсностью выпрямленного напряжения m_1Э =18, содержащее трехфазный автотрансформатор с тремя основными фазными обмотками, соединенными по схеме «звезда», причем каждая из этих обмоток выполнена, по крайней мере, с одним промежуточным отводом, делящим ее на не равные части, и с двумя дополнительными обмотками в каждой фазе, которые при соответствующем соединениями их с тремя основными фазными обмотками образуют вместе с ними девять выходных выводов автотрансформатора с девятифазной системой напряжений, а также выпрямительный узел по мостовой схеме на восемнадцати диодах, своими девятью входами подключенный к соответствующим девяти выходным выводам автотрансформатора, снабжено двумя трехфазными трансфильтрами, каждый из которых выполнен в виде трехфазного (трехстержневого) магнитопровода с одной фазной обмоткой на каждом его стержне, выпрямительный узел выполнен в виде трех выпрямителей по мостовой схеме на шести диодах, одноименные по полярности выходные выводы постоянного тока каждого их трех мостов подключены к одноименному по полярности концу одной из трех фазных обмоток одного трехфазного трансфильтра, другие концы этих обмоток объединены и образуют первый выходной вывод автотрансформаторно-выпрямительного устройства, вторые одноименные по полярности выходные выводы каждого из трех мостов подключены к одноименным по полярности концам соответственно одной из трех фазных обмоток другого трехфазного трансфильтра, другие концы которых образуют второй выходной вывод автотрансформаторно-выпрямительного устройства, три входных вывода каждого из трех мостов подключены к тем трем выходным выводам автотрансформатора, на которых образуется одна из трех трехфазных симметричных систем девятифазной системы напряжений автотрансформатора.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где: на фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема автотрансформаторно-выпрямительного устройства с пульсностью выпрямленного напряжения m_1Э m_1Э =18;

на фиг.2 показана векторная диаграмма, поясняющая принцип формирования симметричной девятифазной системы напряжений;

на фиг.3 представлены осциллограммы процессов на входе автотрансфор-маторно-выпрямительного устройства и на его выходе.

Автотрансформаторно-выпрямительное устройство с пульсностью выпрямленного напряжения m_1Э=18 содержит трехфазный автотрансформатор с тремя основными фазными обмотками 1, 2, 3, расположенными на трех стержнях трехфазного (трехстержневого) магнитопровода. Одни одноименные по полярности концы этих обмоток, обозначенные цифрами 1.1, 2.1, 3.1, предназначены для подключения к ним соответствующих концов дополнительных обмоток 4, 5; 6, 7; 8, 9, а другие противоположные по полярности их концы 1.2, 2.2, 3.2 объединены в нулевую точку «О», образуя топологию 3-х фазной обмотки «звезда». Три основные фазные обмотки 1,2,3 выполнены с промежуточными отводами 1.3, 2.3, 3.3 и подключены ко входам (1.3, 2.3, 3.3) выпрямительного моста 10. Если не требуется ни повышение, ни понижение уровня выпрямленного напряжения U _d0, на эти же отводы 1.3, 2.3, 3.3 обмоток 1, 2, 3 подают 3-х фазное напряжение сети. На каждом из трех фазных стержней магнитопровода автотрансформатора размещены также по две дополнительные обмотки: на стержне фазы «А₀», где размещена основная фазная обмотка 1, размещены дополнительные обмотки 6 и 9; на стержне фазы «С₀» вместе с основной фазной обмоткой 2, размещены две дополнительные обмотки 5 и 8; на стержне фазы «Со» вместе с основной фазной обмоткой 3, размещены две дополнительные обмотки 4 и 7. Выпрямительный узел выполнен в виде трех явно выраженных 3-х фазных выпрямительных мостов 10, 11, 12. Ко входным выводам выпрямительного моста 11 подключены одни концы 4.1, 6.1, 8.1 дополнительных обмоток 4, 6, 8, а ко входам выпрямительного моста 12 - концы 5.1, 7.1, 9.1 дополнительных обмоток 5, 7, 9. Другие концы дополнительных обмоток подключены к соответствующим концам основных обмоток: конец 4.2 обмотки 4 и конец 5.2 обмотки 5 - к концу 1.1 обмотки 1; концы 6.2 и 7.2 обмоток 6 и 7 - к концу 2.1 обмотки 2; а концы 8.2 и 9.2 обмоток 8 и 9 - к концу 3.1 обмотки 3. Положительные выводы («+») трех выпрямительных мостов 10, 11, 12 через обмотки 13, 14, 15 трансфильтpa 16 подключены к выходному выводу 17 автотрансформаторно-выпрямительного устройства, а отрицательные («-») выводы этих мостов через обмотки 18, 19, 20 трансфильтра 21 подключены к выходному выводу 22 автотрансформаторно-выпрямительного устройства. Нагрузку 23 подключают к выходным выводам 17, 22.

Принцип формирования симметричной девятифазной системы напряжений поясняется векторной диаграммой на фиг.2. Основные вектора напряжений A₁, В₁, С₁ соответствуют напряжениям основных обмоток 1, 2, 3 автотрансформатора, снимаемых с промежуточных отводов 1.3, 2.3, 3.3. Первая трехфазная система напряжений, соответствующая этим векторам, подаются на входы выпрямительного моста 10. На основе трех других фазных напряжений (и соответствующих им векторов A₀>A ₁, B₀>B₁, C₀>C ₁) и с помощью дополнительных напряжений, соответствующих дополнительным обмоткам 5÷9 и изображающим их векторам А ₀А₂, А₀А₃, В₀ В₂, B₀B₃, С₀С ₂, С₀С₃, формируют шесть дополнительных векторов А₂, А₃, В₂, В₃ , С₂, С₃, которые вместе с основными векторами А₁, В₁, С₁ образуют симметричную девятифазную систему напряжений. Образованные таким способом вторая и третья трехфазные симметричные системы напряжений, изображаемые векторами А₂, В₂, С₂ и А ₃, В₃, С₃, подаются соответственно на входы второго 11 и третьего 12 выпрямительных мостов. В результате иной, целенаправленной группировки восемнадцати диодов в три трехфазных выпрямительных моста, введения двух трехфазных трансфильтров 16, 21 и соответствующего подключения выходов трех выпрямительных мостов через обмотки этих трансфильтров к выходным выводам автотрансформаторно-выпрямительного устройства достигнуты принципиально иные, энергетически более эффективные режимы работы обмоток трансформатора и диодов выпрямительного узла. Каждый из трех выпрямительных мостов работает здесь независимо друг от друга, то есть как обычный, широко описанный в учебниках по силовой электронике трехфазный диодный мост. Соответствующая данному моменту пара диодов в каждом из трех выпрямительных мостов открывается под воздействием линейных напряжений своей симметричной системы напряжений. На выходе мостов формируются три шестипульсных выпрямленных напряжения , пульсации которых последовательно сдвинуты между собой по фазе (на частоте сетевого напряжения f₁) на угол 40 эл. градусов. Это означает, что ближайшие по частоте высшие гармоники в этих выпрямленных напряжениях, имеющие частоту 6f ₁, между собой сдвинуты на угол 120 эл. градусов и, следовательно, образуют трехфазную систему напряжений (частоты 6f₁ ), токи от которых трехфазными трансфильтрами 16, 21 на выход устройства не пропускаются, поскольку они для этих гармоник представляет значительное индуктивное сопротивление (как трансформатор в режиме холостого хода). Трансфильтры пропускают лишь гармоники, кратные m_1Э=18, поскольку они для них являются гармониками нулевой последовательности. В результате работы трансфильтров длительность протекания тока через каждый диод в каждом из трех мостов в полезной модели составляет 120 эл. градусов (в то время, как в прототипе - 40 эл. градусов). Максимальное значение тока через диоды в прототипе равно току нагрузки автотрансформаторно-выпрямительного устройства - I_d0. а в полезной модели оно в 3 раза меньше и равно (1/3)·I_d0.

Таким образом, указанное преимущество полезной модели определяется введением в автотрансформаторно-выпрямительное устройство двух трехобмоточных трансфильтров, и особым подключением входов выпрямительных мостов к обмоткам автотрансформатора. Отличительные признаки являются существенными, поскольку они кардинально изменяют в положительном направлении режимы работы, как диодов выпрямительного узла, так и обмоток автотрансформатора. Они обеспечивают независимый режим работы трех выпрямительных мостов. Отличие режима работы полезной модели от режима работы прототипа заключается в том, что в каждом из трех мостов одновременно в проводящем состоянии находятся только два диода, а в целом в выпрямительном узле (включающем в себя три моста) - шесть диодов. В то время, как в выпрямительном узле прототипа (в патенте США) в каждый момент из восемнадцати диодов в проводящем состоянии находятся только два диода (вместо шести в полезной модели). Таким образом, в прототипе диоды работают в более интенсивном режиме, о чем, в частности, свидетельствует и большее в - раз (чем в полезной модели) действующее значение протекающего через них тока, которое и определяет повышенные потери в них.

Расчеты показывают, что: а) - габаритная мощность автотрансформатора согласно полезной модели оказывается меньшей, чем в прототипе, и равна Р_Г(АТ)=0,40·P_d0 (вместо Р_Г(АТ))=0,58·Р_d0 в прототипе - патенте США); б) - а габаритная мощность двух введенных трансфильтров не превышает 2·P_Г(Т)⁼0,03·Р_d0. Суммарная габаритная мощность автотрансформатора и двух трансфильтров, равная Р _Г()⁼Р_Г(АТ)+2·Р_Г(Т)=0,43·Р_d0, оказывается в 1,35 раза меньше, чем Р_Г(АТ) в прототипе. Кроме того, действующее значение тока через диоды, равное в полезной модели: в раз меньше, чем в прототипе, что свидетельствует о меньших потерях в них и о лучших массогабаритных показателях охладителей, на которых они размещаются. С учетом еще и факта существенного снижения действующих значений токов в обмотках автотрансформатора (благодаря меньшим искажениям токов), однозначно свидетельствующих также и о меньших потерях в них, следует еще и вывод о том, что устройство согласно полезной модели обладает и более высоким КПД.

На фиг.3 представлены осциллограммы основных рабочих процессов: а) -фазное напряжение сети u_AI(t) и потребляемый из нее ток i_A1(t) с относительно малыми искажениями, характеризуемыми коэффициентом гармоник тока К _Г(i)=10%; б) - пульсации выпрямленного напряжения, показанные в мелком масштабе - в диапазоне U_d0=262÷268 В; в) - выпрямленное напряжение u_d(t) в режиме плавной подачи на автотрансформатор сетевого напряжения, показанное а натуральном масштабе (пульсации напряжения практически неразличимы).

Таким образом, технический результат полезной модели достигается иной структурной организацией трансформаторно-выпрямительного устройства, обеспечивающей принципиально иной режим взаимодействия обмоток автотрансформатора с выпрямительным узлом (который сгруппирован в полезной модели по топологии трех обособленных выпрямительных мостов 10, 11, 12 и дополнен двумя трехфазными трансфильтрами 16 и 21).

Использование полезной модели позволяет иметь меньшую массу и габариты (не менее, чем на 30%) и более высоким КПД (благодаря меньшим в 3 раза потерям в диодах выпрямителей и в обмотках автотрансформатора).

Автотрансформаторно-выпрямительное устройство с пульсностью выпрямленного напряжения m_1Э=18, содержащее трехфазный автотрансформатор с тремя основными фазными обмотками, соединенными по схеме «звезда», каждая из этих обмоток выполнена, по крайней мере, с одним промежуточным отводом, делящим ее на разные части, и с двумя дополнительными обмотками в каждой фазе, которые при соответствующем соединении с основными обмотками образуют вместе с ними девять выходных выводов автотрансформатора с девятифазной системой напряжений на них, а также выпрямительный узел по мостовой схеме на диодах, своими девятью входами подключенный к соответствующим девяти выходным выводам автотрансформатора, отличающееся тем, что снабжено двумя трехфазными трансфильтрами, каждый из которых выполнен в виде трехстержневого магнитопровода с одной фазной обмоткой на каждом стержне магнитопровода, выпрямительный узел выполнен в виде трех выпрямительных мостов на шести диодах, одноименные по полярности выходные выводы постоянного тока каждого из этих мостов подключены к одноименному по полярности концу одной из трех фазных обмоток одного трансфильтра, другие концы этих обмоток объединены и образуют первый выходной вывод автотрансформаторно-выпрямительного устройства, вторые одноименные по полярности выходные выводы каждого из выпрямительных мостов подключены к одноименным по полярности концам соответственно одной из трех фазных обмоток другого трехфазного трансфильтра, другие концы которых образуют второй выходной вывод автотрансформаторно-выпрямительного устройства, три входных вывода каждого из трех мостов подключены к тем трем выходным выводам автотрансформатора, которые между собой образуют одну из трех трехфазных систем девятифазной системы напряжений автотрансформатора.