Многопульсовый выпрямитель тяговых подстанций

Многопульсовый выпрямитель содержит зажимы сети, преобразовательный трансформатор, содержащий первичную трехфазную обмотку, магнитопровод первую, вторую, третью и четвертую трехфазные вторичные обмотки, первый, второй, третий и четвертый мостовые трехфазные выпрямители и шины постоянного тока, причем все обмотки соединены в звезду и выполнены распределенными в пространстве, магнитопровод выполнен по типу электрической машины содержащим внешний сердечник, набранный из листов электротехнической стали, с пазами, в которых размещены вторичные обмотки, сдвинутые относительно друг друга в пространстве на 15°, и соосный ему внутренний сердечник набранный из листов той же стали, с пазами в которых размещена первичная обмотка.

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в качестве многофазного выпрямителя тяговых подстанций.

Известен многопульсовый выпрямитель, содержащий сеть, преобразовательный трансформатор, содержащий одну первичную трехфазную обмотку, сердечник и четыре вторичных трехфазных обмоток, одна из которых соединена звездой, одна - треугольником и две - зигзагом, четыре трехфазных мостовых выпрямителя и шины постоянного тока, причем первичная обмотка указанного трансформатора соединена с сетью, а указанные выпрямители соединенные по последовательно-параллельной схеме и подключены к соответствующим вторичным трехфазным обмоткам, минусовые выводы первой пары указанных выпрямителей объединены в общую точку, соединенную с мостовой, а плюсовые выводы второй пары названных выпрямителей соединены с плюсовой шиной постоянного тока [1]. Данное устройство позволяет получить высокое качество выпрямленного напряжения и нашло применение в преобразовательной технике, однако ему свойственны и недостатки: сложность схемы, неодинаковые условия работы вентилей и обмоток и сложность технологии изготовления вторичных обмоток трансформатора, что ограничивает область использования выпрямителя. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является многопульсовый выпрямитель тяговых подстанций, содержащий зажимы сети, два трехобмоточных трансформатора, каждый из которых содержит одну первичную трехфазную и две вторичные трехфазные обмотки и сердечник, четыре последовательно включенных трехфазных мостовых выпрямителя и шины постоянного тока, причем первичная обмотка одного указанного трансформатора соединена с зажимами сети непосредственно, а другого

- через электрическую машину с заторможенным ротором, выполняющую функции фазовращателя, при этом указанные выпрямители соединены с соответствующими вторичными обмотками, минусовой вывод первого выпрямителя соединен с минусовой, а плюсовой вывод четвертого выпрямителя - с плюсовой шиной постоянного тока [2]. Данное устройство позволяет упростить процесс получения электроэнергии заданного качества на шинах постоянного тока при вторичных обмотках трансформатора, соединенных звездой и треугольником, однако применение фазовращателя снижает КПД устройства.

Требуемый технический результат заключается в повышении КПД многопульсового выпрямителя.

Требуемый технический результат достигается тем, что в многопульсовом выпрямителе тяговых подстанций, содержащем зажимы сети, преобразовательный трансформатор, n последовательно соединенных мостовых трехфазных выпрямителей и шины постоянного тока, причем указанный трансформатор содержит первичную, n вторичных трехфазных обмоток и сердечник, при этом первичная трехфазная обмотка подключена к зажимам сети, n указанных выпрямителей подключены к п соответствующим вторичным трехфазным обмоткам, причем минусовой вывод первого из указанных выпрямителей соединен с минусовой шиной, а плюсовой вывод последнего из названных выпрямителей соединен с плюсовой шиной постоянного тока, все обмотки указанного трансформатора соединены звездой и выполнены с распределенными в пространстве витками с равными коэффициентами распределения, магнитопровод преобразовательного трансформатора выполнен по типу электрической машины, содержащей внешний сердечник, набранный из листов электротехнической стали, имеющий форму полого цилиндра, с пазами в которых размещено n вторичных трехфазных обмоток, начальные фазы которых смещены в пространстве относительно друг друга на угол равный =·p₂/z₂ , где p₂ - число пар полюсов; z ₂ - число пазов указанного сердечника; z ₂=2·p₂·m ₂·n·q₂, m ₂, где m₂ - число фаз; q ₂ - число

пазов на полюс и фазу, и соосный ему внутренний сердечник, набранный из листов той же стали, имеющий форму цилиндра, с пазами в которых размещена первичная трехфазная обмотка, при этом число пазов внутреннего сердечника пропорционально числу фаз первичной обмотки.

На фиг.1 представлена электрическая схема многопульсового выпрямителя содержащего четыре трехфазных мостовых выпрямителя. На фиг.2 изображена векторная диаграмма линейных напряжений обмоток преобразовательного трансформатора.

Многопульсовой выпрямитель содержит (фиг.1) зажимы сети 1, преобразовательный трансформатор 2, содержащий первичную трехфазную обмотку 2-1, магнитопровод 2-2, первую вторичную трехфазную обмотку 2-3, вторую вторичную трехфазную обмотку 2-4, третью вторичную трехфазную обмотку 2-5, четвертую вторичную трехфазную обмотку 2-6, соединенные звездой, первый мостовой трехфазный выпрямитель 3, второй мостовой трехфазный выпрямитель 4, третий мостовой трехфазный выпрямитель 5. четвертый мостовой трехфазный выпрямитель 6, шины постоянного тока 7, причем магнитопровод 2-2 выполнен тороидальным, содержащим внешний сердечник в виде полого цилиндра (не показан), набранный из листов электротехнической стали с пазами (по типу статора электрической машины переменного тока) в которых размещены обмотки 2-3, 2-4, 2-5 и 2-6 и соосный внешнему внутренний сердечник в виде цилиндра (не показан), набранный из листов той же стали с пазами, в которых размещена первичная обмотка 2-1, при этом первичная обмотка 2-1 подключена к зажимам сети 1, вторичные обмотки преобразовательного трансформатора 2-3...2-6 соединены с выпрямителями 3...6 соответственно, причем указанные выпрямители включены последовательно, минусовой вывод выпрямителя 3 и плюсовой вывод выпрямителя 6 подключены к соответствующим шинам постоянного тока. Вторичные обмотки 2-3...2-6 размещены в пазах внешнего магнитопровода с пространственным сдвигом, равным

где р - число пар полюсов, z₂ - число пазов,

где q₂ - число пазов на полюс и фазу; m₂ - число фаз.

Для получения минимальной частоты пульсаций при последовательном соединении выпрямителей 3...6 угол а равен =15°, а число пазов

Формула справедлива при условии, что напряжение сети является по форме синусоидальном и фильтровать гармоники с помощью коэффициента пространственного распределения витков по пазам, равного

нет необходимости. Начальные фазы вторичных обмоток (фиг.2), обозначенные как А₂, А ₃, А₄ и А₅, смещены в пространстве относительно друг друга на угол 15° при z₂=24. т.е. начало каждой первой из фаз указанных обмоток сдвинуты на один паз. Условие симметрии трехфазных обмоток выполняется только в случае, если число пазов пропорционально числу фаз обмотки, поэтому минимальное число пазов внутреннего магнитопровода равно

где m₁ - число фаз первичной обмотки; q₁ - число пазов на полюс и фазу и может быть кратно шести.

На фиг.2 через А, В, С обозначен треугольник векторов линейных напряжений первичной обмотки 2-1.

Многопульсовый выпрямитель работает следующим образом. При наличии напряжения на зажимах сети 1 по первичной трехфазной обмотке 2-1 протекают токи фаз, вокруг проводников с током образуется магнитное поле. Под действием указанного поля магнитопровод 2-2 преобразовательного

трансформатора 2 намагничивается и в нем создается магнитный поток Ф. Силовые магнитные линии указанного потока пересекают витки вторичных обмоток 2-3...2-6 и наводят в них ЭДС, величины которых определяются по формуле

где w_2i - число витков фазы i-ой обмотки; f - частота сети; K_0i - обмоточный коэффициент i-ой обмотки. Указанные ЭДС поступают на мостовые трехфазные выпрямители 3...6, где выпрямляются и на шинах постоянного тока 7 появляется постоянное напряжение, коэффициент пульсаций которого определяется по формуле

т.е. K_П=0,35%.

Таким образом, применение преобразовательного трансформатора, принцип действия которого основан на использовании эффекта вращающегося магнитного поля позволяет: упростить технологию изготовления вторичных обмоток, так как они стали с равным числом витков и одинаковой схемой (звезда); увеличить число вторичных обмоток до числа, которое зависит от коэффициента пульсаций в соответствии с формулой (7) и повысить КПД выпрямителя за счет уменьшения потерь в стали, так как в предлагаемом устройстве потери в стали только в одном магнитопроводе в то время как в аналоге и в прототипе их по два. Расчеты по определению конкретного выигрыша от предлагаемого преобразовательного трансформатора с использованием теории подобия показывают, что потери в стали уменьшились почти на 16%.

Источники, принятые во внимание

[1]. Источники электропитания РЭА. Справочник. Под ред. Г.С.Найвельта. М.. Радио и связь, 1986, стр.154, рис.4.17.

[2]. Двенадцатипульсовые полупроводниковые выпрямители тяговых подстанций. Под ред. М.Г.Шалимова. М., Транспорт, 1990, стр.6, рис.1.1,а.

Многопульсовый выпрямитель тяговых подстанций, содержащий зажимы сети, преобразовательный трансформатор, nпоследовательно соединенных мостовых трехфазных выпрямителей и шины постоянного тока, причем указанный трансформатор содержит первичную, n вторичных трехфазных обмоток и сердечник, при этом первичная трехфазная обмотка подключена к зажимам сети, nуказанных выпрямителей подключены к nсоответствующим вторичным трехфазным обмоткам, причем минусовой вывод первого из указанных выпрямителей соединен с минусовой шиной, а плюсовой вывод последнего из названных выпрямителей соединен с плюсовой шиной постоянного тока, отличающийся тем, что все обмотки указанного трансформатора соединены звездой и выполнены с распределенными в пространстве ветками с равными коэффициентами распределения, магнитопровод преобразовательного трансформатора выполнен по типу электрической машины, содержащий внешний сердечник, набранный из листов электротехнической стали, имеющий форму полого цилиндра, с пазами, в которых размещено n вторичных трехфазных обмоток, начальные фазы которых смещены в пространстве относительно друг друга на угол, равный =·p₂/z₂ , где p₂ - число пар полюсов; z ₂ - число пазов указанного сердечника; z ₂=2·p₂·m ₂·n·q₂, m ₂; где m₂ - число фаз; q ₂ - число пазов на полюс и фазу, и соосный ему внутренний сердечник, набранный из листов той же стали, имеющей форму цилиндра, с пазами, в которых размещена первичная трехфазная обмотка, при этом число пазов внутреннего сердечника пропорционально числу фаз первичной обмотки.