Выпрямитель переменного тока

Выпрямитель переменного тока относится к электротехнике и необходим для питания четырехуровневых инверторов напряжения, а также преобразователей постоянного напряжения в постоянное. Выпрямитель переменного тока содержит два входных трехфазных трансформатора и три последовательно соединенные по выходу вентильные ячейки, каждая из которых образована последовательным соединением по выходу трех групп однофазных выпрямительных мостов, образованных параллельным соединением двух мостов по выходу, и двух аналогичных мостов, при этом первичные обмотки первого трансформатора соединены по схеме звезда, а второго - по схеме треугольник, каждый из трансформаторов имеет четыре вторичные обмотки на каждую фазу с определенным соотношением коэффициентов трансформации (витковых чисел), а коэффициенты трансформации первого и второго трансформаторов для соответствующих вторичных обмоток каждой фазы соотносятся между собой как . Вторичные обмотки первой фазы первого трансформатора и второй фазы второго трансформатора соединены с входами своих мостов первой вентильной ячейки, второй фазы первого трансформатора и третьей фазы второго трансформатора - с входами своих мостов второй вентильной ячейки, а третьей фазы первого трансформатора и первой фазы второго трансформатора - с входами своих мостов третьей вентильной ячейки. Предлагаемый выпрямитель переменного тока обладает возможностью получения трех уровней выпрямленного напряжения, с одинаковым средним значением и одинаковым качеством напряжения на всех уровнях, собирается на стандартных трехфазных трансформаторах, что упрощает его изготовление, и предназначен для питания четырехуровневых инверторов или преобразователей постоянного напряжения.

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к области полупроводниковой преобразовательной техники (силовой электроники), и может быть использована при питании от трехфазной сети как для получения трех выпрямленных напряжений одинаковой пульсности и с одинаковыми средними значениями для питания четырехуровневого автономного инвертора, так и для получения сорокавосьмипульсного выпрямленного напряжения. Для питания различных потребителей энергии постоянного тока, таким образом, может быть предоставлено трехуровневое выпрямленное напряжение.

Известен выпрямитель переменного тока с 16-кратной частотой пульсаций, содержащий два источника ортогональных ЭДС и шестнадцать вентилей, каждый источник ЭДС имеет по четыре вторичные обмотки со средними точками, причем выводы обмоток в каждом источнике соединены с двумя собственными цепочками, состоящими из четырех последовательно и согласно включенных вентилей (Патент на полезную модель РФ №34042. Источник постоянного напряжения с 16-кратной частотой пульсации. / Евдокимов С.А., Ворфоломеев Г.Н., Щуров Н.И., Мятеж С.В. - заявл. 07.07.03; опубл. Бюл. №32, 2003).

Недостатками этого устройства являются большое количество обмоток трансформаторов (секций), т.е. отдельных частей источников исходных переменных ЭДС, и возможность получения на выходе только одного уровня выпрямленного напряжения, причем невысокой пульсности

Кроме того, известен выпрямитель переменного тока с 16-кратной частотой пульсаций (Патент на полезную модель РФ №47591. Источник постоянного напряжения с 16-кратной частотой пульсации. / Евдокимов С.А., Ворфоломеев Г.Н., Щуров Н.И. - заявл. 28.02.05; опубл. Бюл. №24, 2005), взятый за прототип, содержащий два входных трансформатора и вентильную

ячейку, образованную последовательным соединением по выходу трех групп однофазных выпрямительных мостов, каждая из которых образована параллельным соединением двух мостов по выходу, и двух одиночных однофазных выпрямительных мостов, причем входные трансформаторы выполнены однофазными по схеме трансформаторного преобразователя трехфазной системы напряжений в двухфазную систему (по схеме Скотта) и имеют по четыре вторичные обмотки с определенным соотношением витковых чисел, вторичные обмотки первого трансформатора подсоединены к входам первых выпрямительных мостов первой, второй и третьей групп однофазных выпрямительных мостов и первого одиночного однофазного выпрямительного моста, а вторичные обмотки второго трансформатора - к входам вторых выпрямительных мостов первой, второй и третьей групп однофазных выпрямительных мостов и второго одиночного однофазного выпрямительного моста.

Однако указанный выпрямитель обеспечивает возможность получения на выходе только одного уровня выпрямленного напряжения, причем невысокой пульсности, кроме того, он содержит в своем составе нестандартные однофазные трансформаторы, что усложняет процесс его изготовления.

Задачей полезной модели является создание выпрямителя трехфазного тока с числом уровней выпрямленного напряжения, равным трем, с одинаковым средним значением и одинаковым качеством напряжения на всех уровнях более простого в изготовлении.

Это достигается тем, что в выпрямитель переменного тока, содержащий два входных трансформатора и вентильную ячейку, образованную последовательным соединением по выходу трех групп однофазных выпрямительных мостов, каждая из которых образована параллельным соединением двух мостов по выходу, и двух одиночных однофазных выпрямительных мостов, дополнительно введены последовательным соединением по выходу две аналогичные вентильные ячейки, а входные трансформаторы выполнены трехфазными и подсоединены параллельно друг другу по входу, причем первичные обмотки первого трансформатора соединены по схеме звезда, а

первичные обмотки второго трансформатора - по схеме треугольник, трансформаторы имеют по четыре вторичные обмотки на каждую фазу, при этом трансформаторы выполнены таким образом, что коэффициенты трансформации для первой, второй, третьей и четвертой вторичных обмоток каждой фазы каждого трансформатора соотносятся между собой как 1:(1/0.765):(1/0.5414):(1/0.4142), а коэффициенты трансформации первого и второго трансформаторов для первых (как и для вторых, третьих и четвертых) вторичных обмоток каждой фазы - как , первые вторичные обмотки первого трансформатора подсоединены, соответственно порядку следования фаз, к входам первых мостов первых групп первой, второй и третьей следующих друг за другом по порядку последовательно соединенных по выходу вентильных ячеек, соответствующие вторые вторичные обмотки подсоединены к входам первых мостов вторых групп вентильных ячеек, третьи вторичные обмотки подсоединены к входам первых одиночных однофазных выпрямительных мостов, и четвертые вторичные обмотки подсоединены к входам первых мостов третьих групп вентильных ячеек, первые вторичные обмотки второго трансформатора подсоединены, соответственно порядку следования фаз, к входам вторых мостов третьих групп третьей, первой и второй вентильных ячеек, соответствующие вторые вторичные обмотки подсоединены к входам вторых мостов вторых групп вентильных ячеек, третьи вторичные обмотки подсоединены к входам вторых одиночных однофазных выпрямительных мостов, а четвертые вторичные обмотки подсоединены к входам вторых мостов первых групп вентильных ячеек.

На фиг.1 представлена схема предлагаемого выпрямителя переменного тока, на фиг.2 - диаграммы, поясняющие принцип его работы.

Предлагаемый выпрямитель переменного тока (фиг.1) содержит два входных трансформатора Т1 и Т2 и три вентильных ячейки ВЯ, каждая из которых ВЯ3, ВЯ4 и ВЯ5 образована последовательным соединением по выходу трех групп однофазных выпрямительных мостов, содержащих по два моста, параллельно соединенные по выходу (6 и 7; 8 и 9; 10 и 11), и двух одиночных однофазных выпрямительных мостов 12 и 13.

Входные трансформаторы Т1 и Т2 выполнены трехфазными стандартной конструкции и имеют по три первичные обмотки (трансформатор Т1 - обмотки 14-16 и трансформатор Т2 - обмотки 17-19) и по четыре соответствующие каждой из них вторичные обмотки (трансформатор Т1 - 20-23, 24-27 и 28-31 и трансформатор Т2 - 32-35, 36-39 и 40-43).

Трансформаторы подсоединены параллельно друг другу по входу питающей сети, причем первичные обмотки трансформатора Т1 соединены по схеме звезда, а первичные обмотки трансформатора Т2 - по схеме треугольник. При этом трансформаторы Т1 и Т2 выполнены таким образом, что коэффициенты трансформации для первой, второй, третьей и четвертой вторичных обмоток каждой фазы каждого трансформатора, например, для обмоток 20, 21, 22 и 23 трансформатора Т1 (то же для обмоток 24, 25, 26 и 27; 28, 29, 30 и 31 трансформатора Т1 и для обмоток 32, 33, 34 и 35; 36, 37, 38 и 39; 40, 41, 42 и 43 трансформатора Т2) соотносятся между собой как 1:(1/0.765):(1/0.5414):(1/0.4142), а коэффициенты трансформации трансформаторов Т1 и Т2 для соответствующих порядковому номеру (первых, вторых, третьих и четвертых) вторичных обмоток любой фазы (для обмоток 20, 24 или 28 и для обмоток 32, 36 или 40; для обмоток 21, 25 или 29 и для обмоток 33, 37 или 41; для обмоток 22, 26 или 30 и для обмоток 34, 38 или 42; для обмоток 23, 27 или 31 и для обмоток 35, 39 или 43) - как . Под коэффициентом трансформации вторичной обмотки понимается отношение ЭДС первичной и соответствующей вторичной обмоток.

Выпрямительные ячейки ВЯ3-ВЯ5 соединены по выходу последовательно, то есть второй выходной (отрицательный) вывод ячейки ВЯ3

соединен с первым выходным (положительным) выводом ячейки ВЯ4, второй выходной (отрицательный) вывод ячейки ВЯ4 соединен с первым выходным (положительным) выводом ячейки ВЯ5.

Места соединения выходных выводов выпрямительных ячеек служат выходными зажимами для трех различных уровней шестнадцатипульсного выпрямленного напряжения. Суммарное выпрямленное напряжение снимается с первого выходного (положительного) вывода ячейки ВЯ3 относительно второго выходного (отрицательного) вывода ячейки ВЯ5.

Вторичные обмотки трансформаторов непосредственно друг с другом не связаны. Выводы обмоток 20-23 и 36-39 соединены, соответственно, с входами однофазных выпрямительных мостов 6, 8, 12, 10 и 11, 9, 13, 7 вентильной ячейки ВЯ3, выводы обмоток 24-27 и 40-43 - с входами соответствующих мостов ячейки ВЯ4, а выводы обмоток 28-31 и 32-35 - с входами соответствующих мостов ячейки ВЯ5.

Предлагаемый выпрямитель трехфазного тока (фиг.1) работает следующим образом. В каждой из первых вторичных обмоток (20, 24, 28 и 32, 36, 40) трансформаторов Т1 и Т2 наводятся ЭДС одинаковой амплитуды Е _21m, в каждой из вторых вторичных обмоток (21, 25, 29 и 33, 37, 41) - амплитуды Е_22m, в каждой из третьих вторичных обмоток (22, 26, 30 и 34, 38, 42) - амплитуды Е_23m, а в каждой из четвертых вторичных обмоток (23, 27, 31 и 35, 39, 43) - амплитуды Е _24m. Благодаря указанным выше соотношениям для коэффициентов трансформации, E_21m:E_22m :E_23m:E24m=1:0.765:0.5414:0.4142.

При этом указанные ЭДС образуют системы двухфазных ортогональных ЭДС, т.е. сдвинутых друг относительно друга по фазе на девяносто электрических градусов - ЭДС обмоток 20-23 и 36-39; 24-27 и 40-43; 28-31 и 32-35. Данные системы ЭДС выпрямляются последовательно соединенными по выходу вентильными ячейками ВЯ3-ВЯ5, выходные напряжения которых в результате полученного соотношения амплитуд и ортогональности ЭДС имеют 16-кратную частоту пульсаций (Патент на полезную модель РФ

№47591. Источник постоянного напряжения с 16-кратной частотой пульсации. / Евдокимов С.А., Ворфоломеев Г.Н., Щуров Н.И. - заявл. 28.02.05; опубл. Бюл.№24, 2005).

Благодаря фазовому сдвигу в сто двадцать электрических градусов между соответствующими парами ЭДС каждого из трансформаторов Т1 и Т2, суммарное выпрямленное напряжение всех трех ячеек имеет утроенную, т.е. сорокавосьмикратную частоту пульсаций.

На фиг.2 для полупериода сетевого напряжения показаны выходные напряжения вентильных ячеек ВЯ3-ВЯ5 (выходные напряжения трех уровней) и суммарное выпрямленное напряжение всех трех ячеек u_d, снимаемое с первого выходного (положительного) вывода ячейки ВЯ3 относительно второго выходного (отрицательного) вывода ячейки ВЯ5. Все напряжения u_x показаны на эпюрах в относительных единицах: u_x*=u _x/u_б, где u_б =E_21m.

Для улучшения качества постоянного напряжения на выходе каждого из уровней выпрямленного напряжения может быть установлен сглаживающий емкостный или индуктивно-емкостный фильтр, который, как правило, требуется при питании инвертора напряжения от выпрямителя.

Одинаковость всех ячеек, посредством которых формируются отдельные уровни выходного напряжения предлагаемого выпрямителя переменного тока, гарантирует их одинаковость по среднему значению и по качеству выпрямленного напряжения. Использование двух стандартных трансформаторов трехфазного тока не требует изготовления специальных однофазных трансформаторов, что упрощает изготовление выпрямителя.

Таким образом, предлагаемый выпрямитель переменного тока по сравнению с прототипом обладает возможностью получения трех уровней выпрямленного напряжения с одинаковым средним значением и одинаковым качеством напряжения на всех уровнях, также выпрямитель выполняется на стандартных трехфазных трансформаторах, что упрощает его изготовление.

Выпрямитель переменного тока, содержащий два входных трансформатора и вентильную ячейку, образованную последовательным соединением по выходу трех групп однофазных выпрямительных мостов, каждая из которых образована параллельным соединением двух мостов по выходу, и двух одиночных однофазных выпрямительных мостов, отличающийся тем, что в него дополнительно введены две аналогичные вентильные ячейки, последовательным соединением по выходу, а входные трансформаторы выполнены трехфазными и подсоединены параллельно друг другу по входу, причем первичные обмотки первого трансформатора соединены по схеме звезда, а первичные обмотки второго трансформатора - по схеме треугольник, трансформаторы имеют по четыре вторичные обмотки на каждую фазу, при этом трансформаторы выполнены таким образом, что коэффициенты трансформации для первой, второй, третьей и четвертой вторичных обмоток каждой фазы каждого трансформатора имеют между собой определенное соотношение, а коэффициенты трансформации первого и второго трансформаторов для соответствующих вторичных обмоток каждой фазы соотносятся между собой как , первые вторичные обмотки первого трансформатора подсоединены, соответственно порядку следования фаз, к входам первых мостов первых групп первой, второй и третьей следующих друг за другом по порядку последовательно соединенных по выходу вентильных ячеек, соответствующие вторые вторичные обмотки подсоединены к входам первых мостов вторых групп вентильных ячеек, третьи вторичные обмотки подсоединены к входам первых одиночных однофазных выпрямительных мостов, и четвертые вторичные обмотки подсоединены к входам первых мостов третьих групп вентильных ячеек, первые вторичные обмотки второго трансформатора подсоединены, соответственно порядку следования фаз, к входам вторых мостов третьих групп третьей, первой и второй вентильных ячеек, соответствующие вторые вторичные обмотки подсоединены к входам вторых мостов вторых групп вентильных ячеек, третьи вторичные обмотки подсоединены к входам вторых одиночных однофазных выпрямительных мостов, а четвертые вторичные обмотки подсоединены к входам вторых мостов первых групп вентильных ячеек.