Двадцатичетырехпульсный преобразователь переменного напряжения в постоянное

Полезная модель относится к электротехнике и силовой преобразовательной технике и может быть использовано 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 качеству выпрямленного напряжения. Двадцатичетырехпульсный преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий два трехфазных трансформатора, на каждом из шести стержней магнитопроводов которых размещены одна первичная и две вторичные фазные обмотки, а также двенадцать вентильных ячеек с двумя вентилями в каждой ячейке, соединенными разноименными электродами, из вентильных ячеек сформированы две группы вентилей, по шесть вентильных ячеек в каждой, причем свободные электроды одного наименования половины вентилей в каждой из групп соединены, и в одной группе вентилей при этом образована анодная шестивентильная звезда, а в другой группе образована катодная шестивентильная звезда, первичные обмотки трансформаторов соединены по схеме «скользящих треугольников», с соотношением частей обмоток, составляющих треугольники к частям обмоток, составляющих продолженные стороны, равно 1:(1/3), первый трансформатор два вывода первичных обмоток, которого присоединены с транспозицией к трехфазной сети по отношению к присоединению идентичных выводов первичной обмотки другого трансформатора, отношение чисел витков вторичных фазных обмоток в парах обмоток, размещенных на каждом из стержней, равно где =24, соответствующие по относительным размерам вторичные фазные обмотки выполнены с одинаковыми числами витков, при этом шесть вторичных фазных обмоток в каждом трансформаторе соединены между собой встречно-последовательно, топологически образуя полуправильный шестиугольник, причем от средней точки каждой вторичной фазной обмотки выполнен отвод, при этом каждый из отводов от средних точек вторичных фазных обмоток одного трансформатора соединен с незадействованной точкой соединения разноименных электродов вентилей в вентильных ячейках одной группы вентилей, а каждый из отводов от средних точек вторичных фазных обмоток второго трансформатора соединен с незадействованной точкой соединения разноименных электродов вентилей в вентильных ячейках второй группы вентилей, причем свободные одноименные электроды второй половины вентилей в каждой из групп вентилей соединены, и в одной группе вентилей при этом образована катодная шестивентильная звезда, а в другой группе образована анодная шестивентильная звезда, а из групп вентилей соответственно сформированы два шестифазных вентильных моста с выводами постоянного тока от общих точек соединения вентилей в шестивентильных звездах, причем шестифазные вентильные мосты соединены парой разнополярных выводов постоянного тока последовательно, и свободные разнополярные выводы мостов образуют выходные выводы устройства. Предложенный преобразователь имеет при больших нагрузках более высокий КПД и лучшую электромагнитную совместимость.

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 качеству выпрямленного напряжения.

Известен двадцатичетырехпульсный преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий два трехфазных трансформатора вторичные обмотки которых соединены в шестифазные звезды и формирующих две шестифазные системы, фазовый сдвиг между которыми в 30 эл. град., создают первичные обмотки, соединенные на одном трансформаторе по схеме звезда, на втором по схеме треугольник с несимметричным отношением чисел витков, которое выражается соотношением чисел витков (3/3):1 соответственно (Пат. 2340072, МПК H02M 7/08 (2006.01) опубл. 27.11.2008).

Недостатком данного преобразователя является, что при больших нагрузках преобразователя снижается КПД и ухудшается электромагнитная совместимость.

Наиболее близким к полезной модели, принятым за прототип, является двадцатичетырехпульсный преобразователь переменного напряжения в постоянное, (Пат. РФ 2373628, МКИ H02M 7/12 2006/01 опубл. 20.11.2009), содержащий два трехфазных трансформатора, вторичные обмотки каждого трансформатора соединены встречно-последовательно и образуют полуправильные шестиугольники, формирующие две шестифазные системы. Каждая из обмоток снабжена одним отводом от средней точки, которые подключены к двум шестифазным вентильным мостам соединенных последовательно, первичные фазные обмотки создают фазовый сдвиг между шестифазными системами 30 эл. град, соединением их по схеме звезда на первом трансформаторе, и по схеме треугольник на втором, с несимметричным соотношением чисел витков, которое выражается отношением чисел витков (3/3):1 соответственно. Принципиальное отличие конструкции прототипа от указанного выше состоит в том, что в прототипе шестифазные системы формируют неканонические по форме 12-пульсные выпрямленные напряжения, и в результате сложения их мгновенных значений формируется 24-пульсное напряжение канонической формы, что обеспечивает высокий уровень электромагнитной совместимости преобразователя с питающей сетью.

Недостатком данного преобразователя является, что при больших нагрузках преобразователя снижается КПД и ухудшается электромагнитная совместимость.

Задача полезной модели - создание двадцатичетырехпульсного преобразователя переменного напряжения в постоянное, имеющего более высокий КПД и лучшую электромагнитную совместимость, при больших нагрузках.

Указанная задача достигается тем, что в известном устройстве двадцатичетырехпульсном преобразователе переменного напряжения в постоянное, заключающееся в том, что он содержит два трехфазных трансформатора на каждом из шести стержней магнитопроводов которых размещены одна первичная и две вторичные фазные обмотки, а также двенадцать вентильных ячеек с двумя вентилями в каждой ячейке, соединенными разноименными электродами, из вентильных ячеек сформированы две группы вентилей, по шесть вентильных ячеек в каждой, причем свободные электроды одного наименования половины вентилей в каждой из групп соединены, и в одной группе вентилей при этом образована анодная шестивентильная звезда, а в другой группе образована катодная шестивентильная звезда, отношение чисел витков вторичных фазных обмоток в парах обмоток, размещенных на каждом из стержней, равно

где µ=24,

а соответствующие по относительным размерам вторичные фазные обмотки выполнены с одинаковыми числами витков, при этом шесть вторичных фазных обмоток в каждом трансформаторе соединены между собой встречно-последовательно, топологически образуя полуправильный шестиугольник, причем от средней точки каждой вторичной фазной обмотки выполнен отвод, при этом каждый из отводов от средних точек вторичных фазных обмоток одного трансформатора соединен с незадействованной точкой соединения разноименных электродов вентилей в вентильных ячейках одной группы вентилей, а каждый из отводов от средних точек вторичных фазных обмоток второго трансформатора соединен с незадействованной точкой соединения разноименных электродов вентилей в вентильных ячейках второй группы вентилей, причем свободные одноименные электроды второй половины вентилей в каждой из групп вентилей соединены, и в одной группе вентилей при этом образована катодная шестивентильная звезда, а в другой группе образована анодная шестивентильная звезда, а из групп вентилей соответственно сформированы два шестифазных вентильных моста с выводами постоянного тока от общих точек соединения вентилей в шестивентильных звездах, причем шестифазные вентильные мосты соединены парой разнополярных выводов постоянного тока последовательно, свободные разнополярные выводы мостов образуют выходные выводы устройства, отличающееся тем, что соединение первичных обмоток обоих трансформаторов выполнено по схемам «скользящего треугольника» в котором, соотношение частей обмоток, составляющих треугольники к частям обмоток составляющих продолженные стороны равно 1:(1/3), первый трансформатор два вывода первичных обмоток, которого присоединены с транспозицией к трехфазной сети по отношению к присоединению идентичных выводов первичной обмотки другого трансформатора сформировал сдвиг фаз между трансформаторами на 90 эл. град.

На Фиг. 1 приведена схема предлагаемого двадцатичетырехпульсного преобразователя переменного напряжения в постоянное.

На Фиг. 2 отображен график поясняющий зависимость постоянной составляющей гармоники фазного тока от изменения тока нагрузки преобразователей прототип и предлагаемой модели.

Двадцатичетырехпульсный преобразователь переменного напряжения в постоянное (Фиг. 1) содержит два трехфазных трансформатора 1 и 2 первичные обмотки которых соединены по схеме скользящих треугольников, соответствующие вторичные обмотки трансформаторов выполнены в виде полуправильных шестиугольников 3 и 4, а соответствующие фазные отводы от средних точек c1-c3, a2-a4, b1-b3, c2-c4, a1-a3, b2-b4 сторон полуправильного шестиугольника 3 и отводы от средних точек c1'-c3', a2'-a4', b1'-b3', c2'-c4', a1'-a3', b2'-b4' сторон шестиугольника 4 соединены с входами переменного тока шестифазных вентильных мостов 5 и 6, соединенных последовательно. Общая точка 7 анодной группы вентилей моста 5 и общая точка 8 катодной группы вентилей моста 6 соединены с нагрузкой 9.

Принцип работы преобразователя (Фиг. 1) основан на последовательно соединенной двухкаскадной схеме, которая содержит два трансформаторных источника 1; 2, первичные обмотки которых, соединены по схеме симметричных скользящих треугольников, что обеспечивает равенство чисел витков первичных обмоток между трансформаторами, а соотношение частей обмоток на каждом трансформаторе, составляющих треугольники к частям обмоток составляющих продолженные стороны равных 1:(1/3), создают при транспозиции подключения двух выводов первичных обмоток одного из трансформаторов, присоединенных к трехфазной сети по отношению к присоединению идентичных выводов первичной обмотки другого трансформатора, сдвиг фаз на 90 эл. град, между шестифазными симметричными системами формируемых этими трансформаторами, шестифазные симметричные системы создают вторичные обмотки трансформаторов, которые соединены встречно последовательно образуя при этом полуправильные шестиугольники, а на отводах от средних точек обмоток возникает ЭДС. ЭДС шестифазных систем в любой фазе цикла преобразования пульсации выпрямленного напряжения образуются в результате сложения максимальных на данный момент линейных ЭДС, формируемых между средними точками вторичных фазных обмоток (сторон) шестиугольников. В соответствии с полярностью линейных ЭДС в открытое состояние в каждом шестифазном мосту переходит та пара вентилей, которая подключена к отводам от фаз, между которыми в данный момент линейная ЭДС максимальна. Особенностью преобразователя является то, что смежные линейные ЭДС между фазными отводами в шестиугольниках отличаются по амплитуде. В результате этого на выходе каждого из шестифазных вентильных мостов формируются неканонические по форме 12-пульсные выпрямленные напряжения они как бы промодулированны шестой гармоникой. Выходные напряжения выпрямительных секций сдвинуты относительно друг друга на угол 90 эл. град., такой угол является кратным 30 эл. град, (то есть половине периода шестой гармоники), поэтому шестые гармоники смежных секций взаимно компенсируются при любых причинах их порождающих, в результате сложения их мгновенных значений на нагрузке формируется напряжение с канонической формой кривой, имеющей 24 пульсации за период сетевого напряжения. Преобразователь сохраняет относительно хорошее качество преобразования даже при большой конструктивной несимметрии фазных напряжений вторичных обмоток. Подобный эффект проявляется и при несимметрии питающих напряжений. Указанные эффекты объясняются нестандартным способом формирования кривой выпрямленного напряжения, на ряду с другими высшими гармониками.

У прототипа параметрическая несимметрия первичных обмоток вызывает появление в потребляемом сетевом токе трансформаторами, гармоники в том числе и тока постоянной составляющей I₀ (Фиг. 2) который, при изменении тока нагрузки I_d (Фиг. 2) преобразователя от минимального до номинального значения I_dном, имеет небольшую величину по сравнению с токами других гармоник и не оказывает существенного влияния на электромагнитную совместимость. Дальнейшее увеличение тока нагрузки от L_dном до максимального значения d_макс, приводит к возрастанию тока постоянной составляющей, который в сравнении с током постоянной составляющей предлагаемой модели значительно больше, из диаграммы (Фиг. 2) следует, что он достигает пятикратного увеличения, это существенно сказывается на ухудшение электромагнитной совместимости. Токи постоянной составляющей возникающие в питающей сети силовых трансформаторов, оказывают негативное влияние на их работу, приводящие к насыщению сердечников, что вызывает изменение коэффициента трансформации, а также к увеличению потерь активной мощности в виде нагрева первичных обмоток, так для модели прототип при использовании трансформатора мощностью 10 мВт мощность активных потерь составит 600 кВт, а для предлагаемой модели составляет 150 кВт.

Предлагаемое схемное решение позволяет, при больших нагрузках преобразователя, достичь технического результата, который заключается в сокращении потерь активной мощности при протекании сетевого тока в первичных обмотках, что увеличивает КПД преобразователя в целом как показали расчеты не менее чем 3%, а также снижение почти в пять раз гармоники тока постоянной составляющей, что улучшает электромагнитную совместимость.

Таким образом, предлагаемый двадцатичетырехпульсный преобразователь переменного напряжения в постоянное, имеет по сравнению с прототипом, при больших нагрузках, более высокий КПД и лучшую электромагнитную совместимость.

Двадцатичетырехпульсный преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий два трехфазных трансформатора, на каждом из шести стержней магнитопроводов которых размещены одна первичная и две вторичные фазные обмотки, а также двенадцать вентильных ячеек с двумя вентилями в каждой ячейке, соединенными разноименными электродами, из вентильных ячеек сформированы две группы вентилей, по шесть вентильных ячеек в каждой, причем свободные электроды одного наименования половины вентилей в каждой из групп соединены, и в одной группе вентилей при этом образована анодная шестивентильная звезда, а в другой группе образована катодная шестивентильная звезда, отношение чисел витков вторичных фазных обмоток в парах обмоток, размещенных на каждом из стержней, равно

где =24,

а соответствующие по относительным размерам вторичные фазные обмотки выполнены с одинаковыми числами витков, при этом шесть вторичных фазных обмоток в каждом трансформаторе соединены между собой встречно-последовательно, топологически образуя полуправильный шестиугольник, причем от средней точки каждой вторичной фазной обмотки выполнен отвод, при этом каждый из отводов от средних точек вторичных фазных обмоток одного трансформатора соединен с незадействованной точкой соединения разноименных электродов вентилей в вентильных ячейках одной группы вентилей, а каждый из отводов от средних точек вторичных фазных обмоток второго трансформатора соединен с незадействованной точкой соединения разноименных электродов вентилей в вентильных ячейках второй группы вентилей, причем свободные одноименные электроды второй половины вентилей в каждой из групп вентилей соединены, и в одной группе вентилей при этом образована катодная шестивентильная звезда, а в другой группе образована анодная шестивентильная звезда, а из групп вентилей соответственно сформированы два шестифазных вентильных моста с выводами постоянного тока от общих точек соединения вентилей в шестивентильных звездах, причем шестифазные вентильные мосты соединены парой разнополярных выводов постоянного тока последовательно, и свободные разнополярные выводы мостов образуют выходные выводы устройства, отличающийся тем, что соединение первичных обмоток обоих трансформаторов выполнено по схемам "скользящего треугольника", в котором соотношение частей обмоток, составляющих треугольники к частям обмоток, составляющих продолженные стороны, равно 1: (1/3), первый трансформатор, два вывода первичных обмоток которого присоединены с транспозицией к трехфазной сети по отношению к присоединению идентичных выводов первичной обмотки другого трансформатора.