Автотрансформаторно-выпрямительное устройство

Предложено автотрансформаторно-выпрямительное устройство с канально-стью преобразующего тракта, равной трем, которая обеспечивает пульсность выпрямленного напряжения m_2Э=18 и коэффициент гармоник потребляемого из сети тока КГ(i)=10%. Устройство содержит трехфазный автотрансформатор с фазными основной и двумя дополнительными обмотками, расположенными на каждом стержне трехфазного магнитопровода. Каждая из трех основных фазных обмоток выполнена с промежуточным отводом, делящим ее на неравные части. К каждому отводу обмотки одной фазы одними концами подключены две дополнительные обмотки двух других фаз. Соотношения между числами витков частей основных и дополнительных обмоток выбраны из условия формирования несимметричной 9 фазной системы напряжений, представляющей собой три симметричные трехфазные системы, сдвинутые относительно друг друга на угол /9. Каждая из этих трех трехфазных систем напряжений подключена к одному из трех трехфазных мостов (на 6 диодах), три выходных положительных вывода мостов подключены к одним концам трех обмоток первого трехфазного трансфильтра, три их выходных отрицательных вывода подключены к одним концам трех обмоток второго трехфазного трансфильтра, при этом другие концы обмоток первого трансфильтра объединены и образуют один выходной вывод устройства, а другие концы обмоток второго трансфильтра также объединены между собой и образуют второй его выходной вывод. Технический результат обеспечивается новой топологией обмоток автотрансформатора, новой структурной организацией выпрямительного узла путем разбиения его на три явно выраженных 3-х фазных выпрямительных моста, введением двух трехобмоточных трансфильтров и новыми связями между автотрансформатором, выпрямительным узлом и трансфильтрами. 1 п.ф.

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при построении выпрямителей с улучшенной электромагнитной и электроэнергетической совместимостью и с улучшенными массогабаритными показателями. Такие показатели качества востребованы, например, в авиационной электротехнике.

Известно авторансформаторно-выпрямительное устройство, содержащее трехфазный автортансформатор с шестью основными обмотками с одним промежуточным отводом в каждой обмотке, который подключен к одной из шести дополнительных обмоток, а также три выпрямительных моста, три входных вывода каждого из которых подключены к соответствующим выводам основных и дополнительных обмоток автотрансформатора, а одноименные по полярности выводы постоянного тока объединены между собой и образуют два выходных вывода устройства [1]. Недостатком этого решения является усложненная схема автотрансформатора и завышенная габаритная его мощность из-за усложненной топологии основных обмоток, соединенных по схеме замкнутого шестиугольника, и из-за невысокого (неинтенсивного) их использования.

Известно также устройство, содержащее трехфазный автотрансформатор с тремя основными фазными обмотками с числом витков W₀ , соединенными по схеме «звезда». Каждая из этих обмоток выполнена, по крайней мере, с одним промежуточным отводом, делящим ее на части в отношении W₀¹¹/W₀¹=k>1, и с двумя дополнительными обмотками W¹=w¹¹=W в каждой фазе, которые при соответствующем соединении с основными обмотками образуют (вместе) 9 выходных выводов автотрансформатора для снятия с них девятифазной системы напряжений, а также выпрямительный узел на 18 диодах, своими 9 входами подключенный к соответствующим 9 выходным выводам автотрансформатора [2]. Данное решение также характеризуется достаточно высокой габаритной мощностью автотрансформатора, что обусловлено:

- число витков шести дополнительных обмоток должно быть достаточно большим и находиться в следующем соотношении с числом витков основных

;

- для формирования симметричной 9-фазной системы напряжений помимо шести дополнительных обмоток требуется еще увеличение числа витков W₀ трех вышеуказанных основных обмоток до значения W₀₀, равного: , при этом должен использоваться также и отвод от числа витков W₀ ;

- режимы работы диодов выпрямительного узла и всех обмоток автотрансформатора достаточно тяжелые из-за резкой несинусоидальности протекающих через них токов, что приводит к дополнительному увеличению габаритной мощности автотрансформатора и к повышенным потерям, как в диодах выпрямительного узла, так и в обмотках автотрансформатора.

Устройство [2] по своей технической сущности является наиболее близким к полезной модели и выбрано в качестве прототипа.

Техническим результатом, достигаемым при использовании полезной модели, является улучшение массогабаритных показателей и повышение коэффициента полезного действия.

Технический результат достигается тем, что авторансформаторно-выпрямительное устройство содержащее трехфазный автотрансформатор с тремя основными фазными обмотками с числом витков W₀, соединенными по схеме «звезда», причем каждая из них выполнена с одним промежуточным отводом, делящим ее на части в отношении

,и с двумя одинаковыми по числу витков дополнительными обмотками W¹ и w¹¹ в каждой фазе, которые при соответствующем соединении с основными обмотками образуют (вместе) девять выходных выводов автотрансформатора для снятия с них девятифазной системы напряжений, причем концы основных фазных обмоток с числом витков W₀ образуют входные силовые выводы для подключения их к трехфазной питающей сети, а также выпрямительный узел на восемнадцати диодах, своими девятью входами подключенный к соответствующим девяти выходным выводам автотрансформатора, снабжено двумя трехфазными трансфильтрами, каждый из которых выполнен в виде трехстержневого (трехфазного) магнитопровода с одной фазной обмоткой на каждом стержне магнитопровода, а выпрямительный узел выполнен в виде трех выпрямительных мостов, каждый на шести диодах, одни одноименные по полярности выходные выводы постоянного тока каждого из 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 трех выпрямительных мостов подключены к одноименным по полярности концам соответственно одной из трех фазных обмоток другого трансфильтра, другие концы которых образуют второй выходной вывод автотрансформаторно-выпрямительного устройства, основные фазные обмотки автотрансформатора соединены с дополнительными фазными обмотками по схеме «зигзаг», причем отношение числа витков дополнительных фазных обмоток к числу витков основных фазных обмоток определяется выражением

,

а входные выводы каждого из трех мостов подключены к тем трем выходным выводам автотрансформатора, которые между собой образуют одну из трех трехфазных несимметричных систем девятифазной системы напряжений автотрансформатора, последовательно сдвинутых между собой на угол /9.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:

на фиг.1 представлена электрическая схема автотрансформаторно-выпрямительного устройства с пульсностью выпрямленного напряжения m_1Э=18;

на фиг.2 приведена векторная диаграмма, поясняющая принцип формирования несимметричной 9-фазной системы напряжений.

на фиг.3 показаны осциллограммы фазного напряжения сети и потребляемого из нее тока.

на фиг.4 приведены осциллограмма выпрямленного 18-пульсного напряжения.

Автотрансформаторно-выпрямительное устройство (АТВУ-18) на фиг.1 содержит автотрансформатор с тремя основными фазными обмотками 1, 2, 3 и с шестью дополнительными обмотками 4÷9. Обмотки 1, 2, 3 одними своими концами 1.1, 2.1, 3.1, образуют три входных вывода для подключения их к трехфазной питающей сети. Они же одновременно являются и первыми тремя выходными выводами автотрансформатора. Другие концы 1.2, 2.2, 3.2 этих обмоток 1, 2, 3 объединены в нулевую точку «0», образуя топологию трехфазной обмотки «звезда», и выполнены с промежуточными отводами 1.3, 2.3, 3.3, к которым соответственно подключены концы 4.1, 5.1; 6.1, 7.1 и 8.1, 9.1 дополнительных обмоток 4÷9. Другие концы 4.2, 5.2; 6.2, 7.2 и 8.2, 9.2 этих обмоток (4÷9) дополнительно к первым трем выше упомянутым выводам образуют еще шесть выходных выводов автотрансформатора. Образованные таким образом девять выходных выводов автотрансформатора подключены ко входам трех выпрямительных мостов 10, 11, 12 в следующей последовательности: выводы 1.1, 2.1, 3.1 обмоток 1, 2, 3 - ко входам моста 10; выводы 4.1, 6.1, 8.1 обмоток 4, 6, 8 - ко входам моста 11; а выводы 5.1, 7.1, 9.1 обмоток 5, 7, 9 - ко входам выпрямительного моста 12. Положительные выводы «+» выпрямительных мостов 10, 11, 12 через обмотки 13, 14, 15 трансфильтра 16 подключены к одному выходному выводу 17 автотрансфор-маторно-выпрямительного устройства, а отрицательные выводы «-» этих мостов через обмотки 18, 19, 20 трансфильтра 21 - к другому его выходному выводу 22. Оба трансфильтра выполняются одинаковыми на трехстержневом (трехфазном) магнитопроводе. Каждая из фазных обмоток трансфильтра располагается на одном из трех стержней своего магнитопровода. С помощью двух трансфильтров осуществляется суммирование токов, протекающих по трем положительным шинам постоянного тока и соответственно по трем отрицательным шинам постоянного тока (иначе - по трем каналам). Таким образом, трансфильтры 19, 24 равномерно распределяют ток нагрузки I _d0 по трем каналам, снижая максимальное значение тока через диоды мостов в 3 раза. Действующее значение тока через диоды моста, определяющее потери в них, снижается при этом в 3 раз.

Благодаря трансфильтрам 16, 21 выпрямительные мосты работают независимо друг от друга в традиционном режиме: шестипульсное выпрямленное напряжение в каждом из них формируется из шести линейных напряжений, а время проводимости каждого диода равно 120 эл. градусов. Благодаря трансфильтрам из трех, сдвинутых между собой по фазе на угол /9 выпрямленных шестипульсных напряжений мостов, на выходе автотрансформаторно-выпрямительного устройства формируется восемнадцатипульсное выпрямленное напряжение.

Нагрузку 23 подключают к выходным выводам 17, 22 автотрансформаторно-выпрямительного устройства.

Одним из условий достижения положительного эффекта в полезной модели является выполнение требуемых соотношений:

а) между числом витков W¹=W¹¹=W дополнительных обмоток 4÷9 с числом витков W₀ основной трехфазной обмотки 1, 2, 3:

,

б) и между числами витков W₀¹¹>W₀¹ частей основной трехфазной обмотки 1, 2, 3, на которые ее делят промежуточные отводы 1.3, 2.3, 3.3:

Необходимые соотношения (1), (2) получают на основе анализа векторных диаграмм на фиг.2.

Работоспособность автотрансформаторно-выпрямительного устройства согласно полезной модели подтверждается осциллограммами его входного фазного тока и выпрямленного напряжения на фиг.3 и фиг.4.

Диоды в АТВУ-18 по фиг.1 работают в более благоприятных условиях. Благодаря иной форме протекающего через них тока при том же среднем значении тока, что и в прототипе:

,

действующее его значение оказывается меньшим в 3 раз, что соответственно приводит к меньшим потерям и улучшению массогабаритных показателей устройства в целом, что обусловлено меньшей массой теплоотводов и общих затрат на охлаждение.

Таким образом, достигаемый технический результат обеспечивается новой топологией обмоток автотрансформатора, новой структурной организацией выпрямительного узла путем разбиения его на три явно выраженных 3-х фазных выпрямительных моста, введением двух трехобмоточных трансфильтров и новыми связями между автотрансформатором, выпрямительным узлом и трансфильтрами.

Расчеты показывают, что новая совокупность существенных признаков позволяет снизить суммарную габаритную мощность автотрансформатора и трансфильтров более, чем в 2 раза по сравнению с прототипом: в полезной модели она равна Р_АТ+Р_ТФ = 0,26 P_d0 , а в прототипе Р_АТ = 0,55 P_d0. В свою очередь это означает уменьшение потерь а автотрансформаторе и уменьшение его массы не менее, чем в 2 раза.

На фиг.3 и фиг.4 приведены результаты имитационного компьютерного 1 моделирования автотрансформаторно-выпрямительного устройства с общей потребляемой мощностью 7210 ВА при питании от трехфазной сети 115/200 В частотой 400 Гц: осциллограммы сетевого фазного напряжения и фазного тока и осциллограмма выходного напряжения с U_dmax=268,7В, U_dmin=264,5В, и постоянной составляющей U_d0266,6В

Источники информации, принятые во внимание при составлении описания:

1. IEEE Transactions on Power Eltctronics, Vol., 22, No.2, March 2007, pp.488-497

2. Symmetrical, phase shifting, fork transformer - патент США 5455759 H02M 7/00, H02M 7/06, 1995.

Автотрансформаторно-выпрямительное устройство, содержащее трехфазный автотрансформатор с тремя основными фазными обмотками с числом витков W₀, соединенными по схеме «звезда», каждая из этих обмоток выполнена, по крайней мере, с одним промежуточным отводом, делящим ее на части в отношении , и с двумя одинаковыми по числу витков дополнительными обмотками W¹=W¹¹=W в каждой фазе, которые при соответствующем соединении образуют вместе с основными обмотками девять выходных выводов автотрансформатора для снятия с них девятифазной системой напряжений, причем концы основных фазных обмоток с числом витков W₀ образуют входные силовые выводы для подключения их к трехфазной питающей сети, а также выпрямительный узел на восемнадцати диодах, своими девятью входами подключенный к соответствующим девяти выходным выводам автотрансформатора, снабжено двумя трехфазными трансфильтрами, каждый из которых выполнен в виде трехстержневого (трехфазного) магнитопровода с одной фазной обмоткой на каждом стержне магнитопровода, трансформаторный узел выполнен в виде трех выпрямительных мостов на шести диодах, одноименные по полярности выходные выводы постоянного тока каждого их трех выпрямительных 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 трех выпрямительных мостов подключены к одноименным по полярности концам соответственно одной из трех фазных обмоток другого трансфильтра, другие концы которых образуют второй выходной вывод автотрансформаторно-выпрямительного устройства, основные обмотки автотрансформатора соединены с дополнительными фазными обмотками по схеме «зигзаг», причем отношение числа витков дополнительных фазных обмоток к числу витков основных фазных обмоток определяется выражением

,

а входные выводы каждого из трех выпрямительных мостов подключены к тем трем выходным выводам автотрансформатора, которые между собой образуют одну из трех трехфазных систем девятифазной системы напряжений автотрансформатора, последовательно сдвинутых между собой на угол /9.