Трехфазный выпрямитель с улучшенными массогабаритными показателями

Полезная модель относится к силовой электротехнике, а именно к области полупроводниковой преобразовательной техники (силовой электроники), и может быть использована при питании от трехфазной сети для получения выпрямленного напряжения с двенадцатью пульсациями за период питающей сети для питания промышленной нагрузки, в том числе судовой, и линий электропередач постоянного тока. Частота пульсаций напряжения на выходе выпрямителя составляет 12 за период питающей сети, и достигается при отсутствии фазового сдвига между двумя вторичными обмотками питающего трехфазного трансформатора 2, с числом витков вторичных обмоток, соотносящихся в пропорции 1:2,8 и одинаковом способе включения обеих вторичных обмоток «звездой». Таким образом удается избавиться от необходимости включения вторичных обмоток «треугольником» или «зигзагом», имеющих повышенное число витков в 1,73 и 1,18 раза соответственно, что приводит к снижению расхода активных материалов. При предлагаемом способе выпрямления половина силовых вентилей может быть неуправляемыми диодами, другая - должна быть управляемыми ключами. Замена половины вентилей на диоды снижает стоимость полупроводниковых приборов в составе затрат на изготовление преобразователя и обеспечивает минимальное тепловыделение. В случае, если не требуется регулирования выходного напряжения, можно использовать в управляемом мосте тиристоры, подавая сигнал на их открытие с некоторым опережением для обеспечения коммутации тока с вентиля на вентиль. При использовании полностью управляемых вентилей возможна плавная регулировка выходного напряжения выпрямителя, а поскольку число витков во вторичной обмотке управляемого моста уменьшено, предлагаемому выпрямителю свойственна улучшенная электромагнитная совместимость устройства с питающей сетью.

Название полезной модели. Трехфазный выпрямитель с улучшенными массогабаритными характеристиками.

Область техники, к которой относится полезная модель. Полезная модель относится к силовой электротехнике, а именно к области полупроводниковой преобразовательной техники (силовой электроники), и может быть использована при питании от трехфазной сети для получения выпрямленного напряжения с двенадцатью пульсациями за период питающей сети для питания промышленной нагрузки, в том числе судовой, и линий электропередач постоянного тока.

Уровень техники. Из уровня техники известен способ регулирования напряжения и устройство трехфазного выпрямителя [патент РФ на изобретение 2367082] с шестикратной частотой пульсаций, содержащий трехфазный трансформатор, первичные и вторичные обмотки которого соединены по схеме «звезда», причем вторичные обмотки выполнены секционированными с последовательным соединением секций и трехфазных выпрямительных мостов, к выводам первой секции вторичных обмоток присоединен трехфазный выпрямительный мост на диодах, а к выводам других секций вторичных обмоток - трехфазные управляемые выпрямительные мосты, соединенные по выходу последовательно, при этом параллельно выходу каждого выпрямительного моста подключены конденсаторы большой емкости. Минусовые выводы силовых управляемых полупроводниковых приборов выпрямительных мостов и плюсовые выводы конденсаторов через дополнительные диоды и реактор соединены с плюсовой шиной сети постоянного тока, а аноды выпрямительных мостов на диодах и минусовой вывод первого накопителя энергии соединены с минусовой шиной сети постоянного тока.

К недостаткам данного решения можно отнести обязательное наличие конденсаторов большой емкости, что приводит к увеличению габаритов и снижению надежности, а также шестикратную частоту пульсаций на выходе выпрямителя.

Известен также трехфазный регулируемый преобразователь переменного напряжения в постоянное [патент РФ на изобретение 2331960], содержащий трехфазный преобразовательный трансформатор с первичной обмоткой, соединенной в «звезду», и двумя трехфазными вторичными обмотками, одна из которых соединена в «звезду», другая в «треугольник»; вольтодобавочный трансформатор, имеющий одну трехфазную первичную и две трехфазные вторичные обмотки, соединенные в каждой фазе последовательно с соответствующими вторичными обмотками преобразовательного трансформатора; два идентичных и соединенных последовательно вентильных выпрямителя, при этом оба вентильных выпрямителя предназначены для подключения нагрузки и выполнены в виде трехфазного моста; к каждой фазе вторичной обмотки преобразовательного трансформатора, соединенной в «звезду», подключена вторичная обмотка вольтодобавочного трансформатора, последовательно с которой включен управляемый реактор, образующий совместно со вторичной обмоткой вольтодобавочного трансформатора цепь, параллельно которой включен неуправляемый реактор, концы обмоток которого образуют с концами цепей, содержащих последовательно соединенную вторичную обмотку вольтодобавочного трансформатора и обмотку управляемого реактора общие точки, соединенные с первым выпрямительным мостом; вторая вторичная обмотка вольтодобавочного трансформатора соединена в «зигзаг» и подключена ко второй вторичной обмотке преобразовательного трансформатора, соединенной в «треугольник», концы каждой фазы вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора, соединенной в «зигзаг», соединяются с управляемыми реакторами, а неуправляемые реакторы соединяются параллельно цепи, состоящей из вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора, соединенной в «зигзаг», и последовательно с ней включенной обмоткой управляемого реактора, при этом концы обмоток управляемого и неуправляемого реакторов образуют в каждой фазе общую точку, соединенную со вторым вентильным мостом.

К недостаткам такого решения можно отнести наличие дополнительного вольтодобавочного трансформатора и сглаживающих реакторов, что увеличивает массу и габариты установки; кроме этого регулирование выходного напряжения за счет соответствующего управляемого реактора ведет к снижению КПД преобразователя. Данное техническое решение наиболее близко к предлагаемому и выбирается в качестве прототипа.

Раскрытие полезной модели. Известно, что сумма двух синусоидальных функций дает в результате также синусоидальную функцию с амплитудой и фазой, определяемыми амплитудами и фазами слагаемых. Подобное получение фазового сдвига используется в схеме соединения обмоток трехфазного трансформатора "зигзагом", где результирующее фазное напряжение образуется геометрической суммой напряжений двух частей обмотки трансформатора, находящихся на разных его стержнях (и соответственно, фазах). Как правило, в силовых трансформаторах общего назначения в этом случае обе части обмотки на каждом стержне имеют равное число витков, а фазное напряжение образуется суммой равных напряжений двух частей обмотки, сдвинутых на угол /3; общее число витков обмотки на одном стержне при этом будет в 1,18 раза больше, чем при соединении в «звезду». Это означает, что для получения того же фазного напряжения потребуется в 1,18 раза большее число витков обмотки. Наибольшее число витков содержит обмотка, включенная по схеме «треугольника», - в раз больше витков, чем у обмотки с включением «звездой».

Принципиальная схема предлагаемого выпрямителя представлена на фиг. 1. Трехфазный силовой трансформатор 2, питаемый от трехфазной сети 1, имеет две вторичные обмотки с соотношением витков в них как 1:2,8. Выпрямительный трехфазный мост 6, подключенный ко вторичной обмотке с большим числом витков 4, работает в неуправляемом режиме с естественной коммутацией (график 1 на фиг. 2), а включенный последовательно с ним управляемый трехфазный мост 7, подключенный к обмотке с меньшим числом витков 5, работает с коммутацией вентилей в моменты совпадения фронтов полуволн напряжения разных фаз, причем таких моментов по два на обоих фронтах каждой полуволны, в этом случае амплитудное значение полуволн отбрасывается (график 2 на фиг. 2). Необходимую последовательность управляющих импульсов обеспечивает система импульсно-фазового управления (СИФУ) 8. На выходе управляемого моста формируется пульсирующее пилообразное напряжение с частотой пульсаций 6 за период питающей сети, состоящее из фрагментов фронтов полуволн, и сдвинутое относительно пульсаций основного моста на угол /6 градусов. При этом максимумы выходного напряжения управляемого моста совпадают с минимумами неуправляемого, и наоборот. На выходе выпрямителя после суммирования напряжения обоих мостов образуется напряжение с 12 симметричными пульсациями за период питающей сети (график 3 на фиг. 2).

Отличие предлагаемого выпрямителя от прототипа заключается в способе управления выпрямительным мостом, при этом частота пульсаций напряжения на выходе выпрямителя составляет 12 за период питающей сети, и достигается при отсутствии фазового сдвига между двумя вторичными обмотками питающего трехфазного трансформатора 2 с числом витков вторичных обмоток, соотносящихся в пропорции 1:2,8 и одинаковом способе включения обеих вторичных обмоток «звездой». Таким способом удается избавиться от необходимости включения одной из вторичных обмоток «треугольником» или «зигзагом», имеющих повышенное число витков в 1,73 и 1,18 раза соответственно, что в результате дает снижение расхода активных материалов. Точность соблюдения соотношения чисел витков двух вторичных обмоток определяет симметричность пульсаций выходного напряжения выпрямителя.

При предлагаемом способе выпрямления половина силовых полупроводниковых вентилей может быть неуправляемыми диодами, другая - должна быть управляемыми полупроводниковыми приборами (например, полностью управляемыми тиристорами типа IGCT). Замена половины вентилей на диоды снижает стоимость полупроводниковых приборов в составе затрат на изготовление преобразователя и обеспечивает минимальное тепловыделение. В случае, если не требуется регулирования выходного напряжения, можно использовать в управляемом мосте обычные тиристоры, подавая сигнал на их открытие с некоторым опережением для обеспечения коммутации тока с вентиля на вентиль. При использовании полностью управляемых вентилей возможна плавная регулировка выходного напряжения выпрямителя, а поскольку число витков во вторичной обмотке, питающей управляемый мост, уменьшено, предлагаемому выпрямителю свойственна улучшенная электромагнитная совместимость с питающей сетью.

Работа выпрямительных мостов во времени описана ниже в таблице 1. В первом столбце таблицы указаны номера пульсаций на выходе выпрямителя за период питающей сети; во втором - временной интервал работы неуправляемого моста; в третьем - временной интервал работы управляемого моста; в четвертом - жирным шрифтом показано чередование фаз основного неуправляемого моста на диодах VD1÷VD6, простым шрифтом - управляемого моста; в пятом - номера открытых в данный временной интервал вентилей.

Пульсации со знаком "+" подразумевают положительную полуволну на входе выпрямительного моста, а со знаком "-" - отрицательные полуволны, данная полярность приводится для наглядности.

Таблица 1
Последовательность пульсаций выходного напряжения
пульсации	Интервал работы неуправляемого моста	Интервал работы управляемого моста	Фазы	Номера открытых вентилей
П1	0÷/3	0÷/6		VD1,VD4, VS6, VS1
П2		/6÷/3		VD1, VD4, VS4, VS5
П3	/3÷2/3	/3÷3/6		VD5,VD4, VS1, VS6
П4		3/6÷2/3		VD5, VD4, VS5, VS2
П5	2/3÷	2/3÷5/6		VD5, VD2, VS4, VS5
П6		5/6÷		VD5, VD2, VS2, VS3
П7	÷4/3	÷7/6		VD3, VD2, VS5, VS2
П8		7/6÷4/3		VD3, VD2, VS3, VS6
П9	4/3÷5/3	4/3÷3/2		VD3, VD6, VS2, VS3
П10		3/2÷5/3		VD3,VD6, VS6, VS1
П11	5/3÷2	5/3÷11/6		VD1, VD6, VS3, VS6
П12		11/6÷2		VD1, VD6, VS1, VS4

Предлагаемое техническое решение является новым, имеющим три принципиальных отличия от прототипа:

- питающий силовой трансформатор имеет обе вторичные обмотки, включенные «звездой» с одинаковой фазой напряжения;

- числа витков вторичных обмоток соотносятся как 1:2,8, причем к обмотке с меньшим числом витков подключен управляемый выпрямительный мост, а с большим - неуправляемый мост;

- система импульсно-фазового управления обеспечивает коммутацию вентилей управляемого моста с переходом с вентиля на вентиль на фронтах полуволн, с переходом с восходящего фронта - на нисходящий, а с нисходящего - на восходящий; на выходе управляемого моста формируется пилообразное напряжение с 6 пульсациями, сдвинутыми относительно пульсаций неуправляемого моста на угол /6, что приводит к получению на выходе 12 симметричных пульсаций за период питающего напряжения.

Таким образом, совокупность существенных признаков полезной модели приводит к новому техническому результату - значительному снижению массы и габаритов выпрямителя, снижению уровня непроизводительных затрат энергии на нагрев элементов схемы, снижению материальных затрат на изготовление устройства и повышению электромагнитной совместимости устройства с питающей сетью.

Краткое описание чертежей. На фиг. 1 изображена принципиальная схема выпрямителя. Здесь 1 - это питающая трехфазная силовая сеть; 2 - трехфазный трансформатор; 3 - первичная обмотка трансформатора, подключенная к питающей сети; 4 - основная вторичная обмотка, содержащая большее число витков и подключенная к неуправляемому выпрямительному мосту 6; 5 - дополнительна вторичная обмотка, содержащая меньшее число витков и подключенная к управляемому выпрямительному мосту 7; 8 - система импульсно-фазового управления (СИФУ) осуществляющая управление выпрямителем. На фиг. 2 представлены три графика: пульсации диодного трехфазного выпрямительного моста 1, "боковые пульсации" полностью управляемого моста 2 и суммарное напряжение двух мостов 3 на выходе выпрямителя, образующееся в результате суммирования напряжений двух включенных последовательно выпрямительных мостов.

Статический выпрямитель, предназначенный для питания силовых промышленных электроустановок и линий электропередач постоянного тока, содержащий два последовательно включенных трехфазных выпрямительных моста, питающихся от отдельных трехфазных вторичных обмоток трансформатора, один из которых выполняется на неуправляемых вентилях, другой выполнен на управляемых вентилях, отличающийся тем, что вторичные трехфазные обмотки имеют коэффициенты трансформации, соотносящиеся между собой как 1:2,8 соответственно, и имеют одинаковую схему включения "звездой", а управляемый мост формирует 6 пульсаций выпрямленного напряжения, состоящих из фрагментов фронтов полуволн, коммутируемых в моменты равенства фронтов модулей полуволн напряжения разных фаз, нарастающий и спадающий фронты при этом чередуются, и сдвинутых относительно пульсаций неуправляемого выпрямительного моста на угол /6, при этом на выходе выпрямителя образуется суммарное напряжение, имеющее 12 симметричных пульсаций за период питающей сети, достигаемых при минимально возможном общем числе витков вторичных обмоток трансформатора, что позволяет получить выигрыш по массогабаритным показателям выпрямительной установки, снизить непроизводительные затраты электроэнергии, а благодаря значительному уменьшению числа витков обмотки управляемого моста улучшить электромагнитную совместимость устройства с питающей сетью.