Двадцатичетырехфазный выпрямитель

Полезная модель относится к преобразовательной технике и может быть использована для питания потребителей постоянного тока. Задача - создание двадцатичетырехфазного выпрямителя с использованием одного трансформатора. Технический результат - уменьшение массы и объема двадцатичетырехфазного выпрямителя, снижение пульсаций выпрямленного напряжения, обеспечение низкого содержания высших гармоник в кривой тока, потребляемого выпрямителем. Двадцатичетырехфазный выпрямитель содержит трехфазный силовой трансформатор, четыре мостовых выпрямителя и индуктивный фильтр. Новым является то, что выпрямитель содержит один емкостный сглаживающий фильтр и три дополнительных индуктивных фильтра, при этом силовой трансформатор выполнен с одной первичной трехфазной обмоткой, соединенной по схеме «звезда», и четырьмя трехфазными вторичными вентильными обмотками, соединенными по схеме «треугольник», причем каждая фазная вторичная обмотка имеет отвод, подключенный к соответствующей фазе каждого мостового выпрямителя, при этом отвод делит фазную вторичную обмотку на две части, а к выходу каждого трехфазного мостового выпрямителя подключен индуктивный фильтр, причем емкостный сглаживающий фильтр подключен параллельно выходным выводам выпрямителя, при этом соотношение между частями каждой фазы первой и второй трехфазных вторичных вентильных обмоток выбрано таким, чтобы фазовый сдвиг между фазным напряжением вторичных обмоток и фазным сетевым напряжением был равен 22,5°, а для третьей и четвертой трехфазных вторичных вентильных обмоток соотношение выбрано таким, чтобы фазовый сдвиг между фазным напряжением вторичных обмоток и фазным сетевым напряжением был равен 7,5°, при этом напряжение на каждой из частей трехфазных вторичных вентильных обмоток, коэффициент трансформации и линейные напряжения на трехфазных вторичных вентильных обмотках определяются соотношениями

где U_w1, U _w2 - напряжение на первой и второй частях фаз A ₁, А₂, первой и второй трехфазных вторичных вентильных обмоток трехфазного трансформатора; U _w3, U_w4 - напряжение на первой и второй частях фаз А₃, А ₄, третьей и четвертой трехфазных вторичных вентильных обмоток трехфазного трансформатора; U_ФН - фазное напряжение нагрузки; ₁ - угол сдвига между фазным напряжением вторичных обмоток и фазным сетевым напряжением, равный 7,5°; ₂ - угол сдвига между фазным напряжением вторичных обмоток и фазным сетевым напряжением равен 22,5°, U_Л1 - линейное напряжение первой и второй трехфазных вторичных вентильных обмоток, U_Л2 - линейное напряжение третьей и четвертой трехфазных вторичных вентильных обмоток, К_Т - коэффициент трансформации между первой, второй и третьей, четвертой трехфазными вторичными вентильными обмотками.

Полезная модель относится к преобразовательной технике и может быть использована для питания потребителей постоянного тока.

Известен двадцатичетырехфазный выпрямитель, содержащий пять трехфазных трансформаторов и четыре трехфазные мостовые схемы (см. Электротехнический справочник: в 3-х т. Т.2. Электротехнические устройства / Под общ. ред. проф. МЭИ В.Г.Герасимова, П.Г.Грудинского, Л.А.Жукова и др. - 6-е изд., испр. и доп. - М.: Энергоиздат, 1981. - С.574). Двадцатичетырехфазный режим реализуется за счет создания между системами напряжений, подаваемых на последовательно соединенные выпрямительные мосты, фазового смещения на угол =360/m=15°, где m - число фаз выпрямления (m=24). Это достигается включением дополнительного фазосдвигающего трансформатора. При этом уменьшается содержание высших гармоник в кривой тока питающей сети. Кривая результирующего выпрямленного напряжения также имеет весьма низкие пульсации: коэффициент пульсаций по наиболее низкочастотной гармонике составляет q ₍₁₎=0,35%.

Недостатком известной конструкции выпрямителя является необходимость использования нескольких трансформаторов, что приводит к повышению ее массогабаритных показателей. Общая масса, стоимость и потери m одинаковых электромагнитных аппаратов в раз больше, чем соответствующие величины одного аппарата той же суммарной мощности (см. Петров Г.Н. Электрические машины. Часть III. - М.: Энергия, 1968. - С.226).

Известен трансформатор инвертора (см. патент РФ на изобретение №2192065, МПК Н 01 F 30/12, Н 01 F 30/16, опубл. 27.10.2002 г.), содержащий n трехфазных первичных обмоток, где n - любое число, и составной магнитопровод по типу асинхронного электродвигателя, состоящий из двух сердечников: внешний сердечник, набранный из листов электротехнической стали с пазами, в которых уложены первичные обмотки по заданному правилу, и соосный ему внутренний сердечник, набранный из листов той же стали с пазами, в которых размещены витки вторичной трехфазной обмотки. Нежелательные высшие гармоники компенсируются за счет пространственного смещения обмоток на угол =360/m=15°.

Недостатком известного трансформатора инвертора является относительная сложность и массивность конструкции.

Наиболее близким техническим решением к предложенной полезной модели является двадцатичетырехфазный выпрямитель выполненный по схеме, включающей в себя два силовых трехфазных трансформатора, первичная обмотка одного из которых соединена в звезду, а другого - в треугольник. Вторичная обмотка каждого из трансформаторов соединена в треугольник, причем каждая фазная вторичная обмотка имеет только две отпайки, связанные с вентильным мостом (т.е. точки соединения фазных обмоток треугольника в схеме остаются незадействованными). Эти отпайки делят фазную вторичную обмотку на три части так, что витки этих частей находятся в соотношении:

Так фазная обмотка первого трансформатора имеет только две отпайки, подключенные к соответствующим вентилям мостового выпрямителя, причем количество витков в каждой из частей удовлетворяет приведенному выше соотношению. Аналогично для витков других фазных обмоток силовых трансформаторов. Отпайки подключены ко входу двенадцатифазового моста на вентилях, образованного параллельным соединением четырех трехфазных выпрямителей. На выходе двадцатичетырехфазного выпрямителя установлен индуктивный фильтр (см. статью Игольников Ю.С. 24-фазный выпрямитель // Электротехника, - №10. - 2004. - С.51-54).

Недостатками известного двадцатичетырехфазного выпрямителя являются: сложность и массивность конструкции из-за наличия двух силовых трансформаторов, неоптимальная длительность тока диода (менее 120°). Прерывистый характер тока диода (два импульса длительностью 30° и 15° с паузой).

Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является создание двадцатичетырехфазного выпрямителя с использованием одного трансформатора.

Техническим результатом, достигаемым при решении настоящей задачи, является уменьшение массы и объема двадцатичетырехфазного выпрямителя, снижение пульсаций выпрямленного напряжения, обеспечение низкого содержания высших гармоник в кривой тока, потребляемого выпрямителем.

Указанный технический результат достигается тем, что двадцатичетырехфазный выпрямитель содержащий трехфазный силовой трансформатор, четыре мостовых выпрямителя, индуктивный фильтр, согласно полезной модели, содержит один емкостный сглаживающий фильтр и три дополнительных индуктивных фильтра, при этом силовой трансформатор выполнен с одной первичной трехфазной обмоткой,

соединенной по схеме «звезда», и четырьмя трехфазными вторичными вентильными обмотками, соединенными по схеме «треугольник», причем каждая фазная вторичная обмотка имеет отвод, подключенный к соответствующей фазе каждого мостового выпрямителя, при этом отвод делит фазную вторичную обмотку на две части, а к выходу каждого трехфазного мостового выпрямителя подключен индуктивный фильтр, причем емкостный сглаживающий фильтр подключен параллельно выходным выводам выпрямителя, при этом соотношение между частями каждой фазы первой и второй трехфазных вторичных вентильных обмоток выбрано таким, чтобы фазовый сдвиг между фазным напряжением вторичных обмоток и фазным сетевым напряжением был равен 22,5°, а для третьей и четвертой трехфазных вторичных вентильных обмоток соотношение выбрано таким, чтобы фазовый сдвиг между фазным напряжением вторичных обмоток и фазным сетевым напряжением был равен 7,5°, при этом напряжение на каждой из частей трехфазных вторичных вентильных обмоток, коэффициент трансформации и линейные напряжения на трехфазных вторичных вентильных обмотках определяются соотношениями

где U_w1, U _w2 - напряжение на первой и второй частях фаз A ₁, A₂, первой и второй трехфазных вторичных вентильных обмоток трехфазного трансформатора; U _w3, U_w4 - напряжение на первой и второй частях фаз А₃, А ₄, третьей и четвертой трехфазных вторичных вентильных обмоток трехфазного трансформатора; U_ФН - фазное напряжение нагрузки; ₁ - угол сдвига между фазным напряжением вторичных обмоток и фазным сетевым напряжением, равный 7,5°; ₂ - угол сдвига между фазным напряжением вторичных обмоток и фазным сетевым напряжением равен 22,5°, U_Л1 - линейное

напряжение первой и второй трехфазных вторичных вентильных обмоток, U _Л2 - линейное напряжение третьей и четвертой трехфазных вторичных вентильных обмоток, К_Т - коэффициент трансформации между первой, второй и третьей, четвертой трехфазными вторичными вентильными обмотками.

Для получения на нагрузке постоянного напряжения, имеющего пульсации, соответствующие двадцатичетырехфазной схеме выпрямления (m=24), необходимо чтобы переменные вторичные напряжения, подводимые к выпрямительным мостам были сдвинуты относительно друг друга на угол равный 360°/m=15°. Для получения данного фазового сдвига каждая трехфазная вторичная вентильная обмотка, соединенная по схеме «треугольник», имеет отводы, которые связаны с соответствующим мостовым выпрямителем, при этом отвод делит обмотку на две части. Напряжения на полуобмотках определяются по выражениям описанным выше. К каждому выпрямителю подсоединяется свой индуктивный сглаживающий фильтр и емкостной фильтр общий для всего выпрямителя. Схема построения двадцатичетырехфазного выпрямителя выполнена таким образом, что во вторичных обмотках трансформатора протекают токи с оптимальной для него длительностью 2/3 (см. кн.: Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники. - Новосибирск: Изд-во Новосибирского гос. техн. ун-та, 2003, с.158).

Полезная модель поясняется следующими иллюстрациями, где на фиг.1 представлена схема двадцатичетырехфазного выпрямителя; на фиг.2 - векторная диаграмма двадцатичетырехфазного выпрямителя.

Позиции на чертежах обозначают следующее: 1 - трехфазный трансформатор; 2 - первичная трехфазная обмотка трехфазного трансформатора 1; 3 - магнитопровод трехфазного трансформатора 1; 4, 5, 6, 7 - вторичная вентильная обмотка трехфазного трансформатора 1; 8, 9, 10, 11 - трехфазный мостовой выпрямитель; 12, 13, 14, 15 -индуктивный сглаживающий фильтр, соответственно, выпрямителя 8, 9, 10, 11; 16 - емкостной сглаживающий фильтр.

Буквами на фиг.1 обозначено следующее: А, В, С - фазы первичной обмотки 2; А ₁, B₁, C₁, - выводы трехфазной вторичной вентильной обмотки 4; А ₂, В₂, С₂, - выводы трехфазной вторичной вентильной обмотки 5; А ₃, В₃, С₃, - выводы трехфазной вторичной вентильной обмотки 6; А ₄, В₄, С₄ - выводы трехфазной вторичной вентильной обмотки 7; VD1-VD6 - диоды трехфазного мостового выпрямителя 8; VD7-VD12 - диоды трехфазного мостового выпрямителя 9; VD13-VD18 - диоды трехфазного мостового выпрямителя 10; VD19-VD24 - диоды трехфазного мостового выпрямителя 11; R_н - нагрузка; w₁ , w₂, - первая и вторая части обмотки фазы А₁, трехфазной вторичной

вентильной обмотки 4 трехфазного трансформатора 1; w₃ , w₄ - соответственно, первая и вторая части обмотки фазы А₃, трехфазной вторичной вентильной обмотки 6 трехфазного трансформатора 1.

Буквами на фиг.2 обозначено: U_w1, U _w2 - напряжения на первой и второй частях обмотки фазы A₁, A₂; U _w3, U_w4 - напряжения на первой и второй частях обмотки фазы А₃, А4; ₁ - угол сдвига между фазным сетевым напряжением и фазным напряжением на обмотках 5, 6; ₂ - угол сдвига между фазным сетевым напряжением и фазным напряжением на обмотках 4, 7.

Двадцатичетырехфазный выпрямитель содержит трехфазный трансформатор 1, четыре трехфазных мостовых выпрямителя 8-11, четыре индуктивных сглаживающих фильтра 12-15, емкостной сглаживающий фильтр 16 (фиг.1). Трехфазный трансформатор 1 двадцатичетырехфазного выпрямителя состоит из стандартного магнитопровода 3 и расположенных на нем первичной трехфазной обмотки 2, соединенной по схеме «звезда», и четырех вторичных вентильных обмоток 4-7, соединенных по схеме «треугольник». Каждая вторичная вентильная трехфазная обмотка 4-7 выводами подключена к входу соответствующего трехфазного мостового выпрямителя 8-11. К выходу каждого трехфазного мостового выпрямителя 8-10 подключается сглаживающий индуктивный фильтр 12-15. Емкостной сглаживающий фильтр 16 подключен к выходу двадцатичетырехфазного выпрямителя.

Двадцатичетырехфазный выпрямитель работает следующим образом трехфазное входное переменное напряжение 380 В частотой 50 Гц подается на первичные обмотки трехфазного трансформатора, соединенные в «звезду». На четырех вторичных вентильных обмотках, соединенных в «треугольник», формируются четыре трехфазных системы напряжений. Линейные напряжения на трехфазных вторичных обмотках 4 и 5 имеют одинаковое значение, линейные напряжения на трехфазных вторичных обмотках 6 и 7, также равны между собой, но величина линейного напряжения на обмотках 4 и 5 не равна величине линейного напряжения на обмотках 6 и 7, разница между ними определяется коэффициентом трансформации между обмотками 4 (5) и 6 (7) из выражения:

где U_Л1 - линейное напряжение на трехфазной вторичной обмотке 4 (5); U_Л2 - линейное напряжение на трехфазной обмотке 6 (7).

В предложенной схеме двадцатичетырехфазного выпрямителя точки

соединения трехфазных вторичных обмоток в «треугольник» не задействованы в работе двадцатичетырехфазного выпрямителя, рабочими являются отводы каждой трехфазной вторичной обмотки. Фазные обмотки 4, 5 имеют отводы, которые разбивают эти обмотки на две части (полуобмотки) w₁ и w₂. С этих отводов напряжения подаются на выводы переменного тока трехфазных выпрямительных мостов 8 и 9. Соотношение между частями обмоток w ₁ и w₂ выбрано таким, что фазовый сдвиг между фазным напряжением вторичных обмоток 4, 5 и фазным сетевым напряжением равен 22,5°. Фазные обмотки 6, 7 также имеют отводы, которые делят обмотки на две части w ₃, w₄. С этих отводов напряжения подаются на выводы переменного тока трехфазных выпрямительных мостов 10 и 11. Соотношение между частями обмоток w ₃ и w₄ в этом случае выбрано таким, чтобы фазовый сдвиг между фазным напряжением вторичных обмоток 6, 7 и фазным сетевым напряжением был равен 7,5°. При этом фазовый сдвиг вторичных обмоток 4 и 6 является опережающим по отношению к соответствующим фазам сетевого напряжения, а фазовый сдвиг вторичных обмоток 5 и 7 является отстающим по отношению к соответствующим фазам сетевого напряжения. Все фазные напряжения, снимаемые с отводов вторичных обмоток, имеют одинаковые значения по величине, но разные фазовые сдвиги для всех групп вторичных обмоток.

Так как входные напряжения всех четырех диодных мостов имеют одинаковые значения, то и токи выпрямительных мостов имеют одинаковые значения. Работа выпрямительных мостов проходит в стандартном режиме одинаковым для всех мостов. Токи и обратные напряжения диодов во всех выпрямительных мостах имеют одинаковые значения. Длительность протекания тока через диоды выпрямительных мостов составляет 2/3. Так как фазные токи выпрямительных мостов сдвинуты друг относительно друга на угол в 15°, входной ток первичной обмотки трансформатора получается многоступенчатым по форме. Первой значащей высшей гармоникой в кривой потребляемого тока является 23 гармоника.

Входной ток трехфазного трансформатора равняется:

I_вых.тр.=I _x.х.+I^*₅+I ^*₆+I^* ₇+I^*₈,

где I^*₅, I ^*₆, I^* ₇, I^*₈ - фазные токи вторичных обмоток, приведенные к первичной; I _х.х. - ток холостого хода трансформатора.

С выхода выпрямительных мостов постоянные напряжения поступают на индуктивные фильтры 12-15, выходы которых соединены с фильтрующим конденсатором 16, подключенным параллельно нагрузке R_н .

Основные преимущества, получаемые при построении выпрямителя по

двадцатичетырехфазной схеме с одним трехфазным трансформатором, это снижение пульсаций выпрямленного напряжения и значительное уменьшение массы и объема двадцатичетырехфазного выпрямителя. Кроме того при построении двадцатичетырехфазного выпрямителя по предложенной схеме обеспечивается низкое содержание высших гармоник в кривой тока, потребляемого выпрямителем, первой значащей гармоникой кривой потребляемого тока является 23 гармоника. Предложенная схема двадцатичетырехфазного выпрямителя обеспечивает такой режим работы, при котором напряжения на всех четырех диодных мостах выпрямителей имеют одинаковые значения, что позволяет получить одинаковые значения токов выпрямительных мостов, при этом длительность протекания тока через диоды выпрямительных мостов составляет 2/3, что наиболее благоприятно для вентилей выпрямительных мостов, и позволяет получить кривую потребляемого тока из сети наиболее близкую к синусоиде.

Двадцатичетырехфазный выпрямитель, содержащий трехфазный силовой трансформатор, четыре мостовых выпрямителя, индуктивный фильтр, отличающийся тем, что содержит один емкостный сглаживающий фильтр и три дополнительных индуктивных фильтра, при этом силовой трансформатор выполнен с одной первичной трехфазной обмоткой, соединенной по схеме "звезда", и четырьмя трехфазными вторичными вентильными обмотками, соединенными по схеме "треугольник", причем каждая фазная вторичная обмотка имеет отвод, подключенный к соответствующей фазе каждого мостового выпрямителя, при этом отвод делит фазную вторичную обмотку на две части, а к выходу каждого трехфазного мостового выпрямителя подключен индуктивный фильтр, причем емкостный сглаживающий фильтр подключен параллельно выходным выводам выпрямителя, при этом соотношение между частями каждой фазы первой и второй трехфазных вторичных вентильных обмоток выбрано таким, чтобы фазовый сдвиг между фазным напряжением вторичных обмоток и фазным сетевым напряжением был равен 22,5°, а для третьей и четвертой трехфазных вторичных вентильных обмоток соотношение выбрано таким, чтобы фазовый сдвиг между фазным напряжением вторичных обмоток и фазным сетевым напряжением был равен 7,5°, при этом напряжение на каждой из частей трехфазных вторичных вентильных обмоток, коэффициент трансформации и линейные напряжения на трехфазных вторичных вентильных обмотках определяются соотношениями

U_w1=U_ФН·2sin₁;

U_w3=U_ФН ·2sin₂;

где U_w1, U _w2 - напряжение на первой и второй частях фаз A ₁, A₂, первой и второй трехфазных вторичных вентильных обмоток трехфазного трансформатора; U _w3, U_w4 - напряжение на первой и второй частях фаз А₃, А ₄ третьей и четвертой трехфазных вторичных вентильных обмоток трехфазного трансформатора; U_ФН - фазное напряжение нагрузки; ₁ - угол сдвига между фазным напряжением вторичных обмоток и фазным сетевым напряжением, равный 7,5°; ₂ - угол сдвига между фазным напряжением вторичных обмоток и фазным сетевым напряжением равен 22,5°, U_Л1 - линейное напряжение первой и второй трехфазных вторичных вентильных обмоток, U_Л2 - линейное напряжение третьей и четвертой трехфазных вторичных вентильных обмоток, К_Т - коэффициент трансформации между первой, второй и третьей, четвертой трехфазными вторичными вентильными обмотками.