Преобразователь переменного напряжения (его варианты)

(56) Авторское с9 941964, кл.Авторское свиР 1046873, кл. зователя обеспечивает работу с половинным числом тиристоров, подключенныхлибо только к промежуточным, либо толькок крайним выводам .обмоток уравнительного реактора, При этом на выходе устройства формируется шестипульсноевыпрямленное напряжение при повышенном использовании по току диодов, ав каждой фазе трехфазной нагрузкиформируются две трехступенчатые полуволны несинусоидального переменного тока с длительностью каждой ступени 60 эл,град. Второй вариант отличается тем, что первичные обмоткитрансформатора включены не в линии,а в фазы треугольника,.образованногов регуляторе обмотками реактора и тиристорами. Упрощение конструкции и уменьшение габаритов уравнительного реактора происходит за счет сокращения количества обмоток наряду с повышением использования их по току.Снижение потерь в реакторе и тиристорах повышает КПД. 2 с, и б з.п. ф-лы. 8 ил. юл. Р 12ский политехнгиза Ильдрымааде088.8)видетельствоС 05 Р 1/20,детельство ССН 02 М 7/12,кий 981 же и еи ОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(57) Изобретение относится к прео разовательной технике и может быт использовано для выпрямления трех ного переменного напряжения, а та преобразования этого напряжения в трехфазное несинусоидальное той ж частоты с качественным гармоничес составом. Цель изобретения - улуч ние массо-габаритных и энергетиче показателей. Первый вариант преоб Взамен ранее изданного.Мельниковюкова П.Горькова орректор А,Обруча едак Тираж бб Государственного елам изобретений сква, Ж, Рауш Заказ 1 ч 31 Подписно комитета ССи открытийкая наб д НИИП и 3035, Производственно-полиграфическое предприятие гор роектная, 1220086Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для выпрямления трехфазного переменного напряжения, а такжепреобразования этого напряжения втрехфазное несинусоидальное той жечастоты с качественным гармоническимсоставом.Цель изобретения - улучшение массо-габаритных и энергетических показателей,На фиг.1-6 приведены принципиальные схемы первого варианта преобразователя; на фиг.7 - схема второго 15варианта; на фиг.8 - временные диаграммы работы преобразователя при угле отпирания тиристоров е 6 =30 эл,град,Преобразователь (см. фиг.1) содержит вентили (тиристоры) 1-12 и 20уравнительный реактор 13 с обмотками14, 15, 16, совместно образующимисхему регулятора 17, шестиполюсник18, выполненный в виде трехфазноготрансформатора 19, первичные обмотки 2520, 21, 22 которого началами образуютвходные выводы 23,24, 25, а концами -выходные выводы 26, 27, 28, вторичныеобмотки 29, 30, 31 соединены в звезду и подключены к входу выпрямительного моста на.диодах 32-37 с выходными выводами 38, 39. Входные выводы23, 24, 25 шестиполюсника 18 подключены к фазным входным выводам А, В,С, трехфазного источника 40 питания.Выходной вывод 26 /27,28/ шестиполюсника 18 через встречно-параллельно включенные пары тиристоров 1,2/5,6,9,10/ подключен к промежуточномувыводу обмотки 14/15,16 реактора 13, 40конец которой соединен с выходнымвыводом 27/28,26/ шестиполюсника 18;Выходные выводы 26, 27, 28 черезвстречно-параллельно включенные парытиристоров соответственно 3, 4, 7,8, 11, 12 подключены к началам обмоток соответственно 14, 15, 16 уравнительного реактора 13Работа преобразователя осуществляется следующим образом.Разностное напряжение (ЭДС) каждойобмотки уравнительного реактора 13имеет частоту ЗГ, где Г - частотасети, и в любой момент времени равноразности мгновенных значений линейных напряжений сети, те. ма.гнитныйпоток реактора изменяется с частотойЗГ и имеет относительно небопьшуюамплитуду. Коммутация тиристоров при отстающем угле отпирания Ы в диапазонеа о0 М 105 осуществляется естественноэа счет сильной индуктивной связимежду обмотками 14, 15, 16 реактора13, а также автотрансформаторной связи между секциями каждой иэ этих обмоток, соотношение чисел витков которых равно Ы,: У = 1:-3.Очередность включения тиристоров:1-12,10-3,10-7,5-12,5-4,2-7,2-11,9-4,9-8,6-11,6-3,1-8 и соответственно диодов: 33-34-36,33-34-36,33-35-36,33-35-36,32-35-36,32-35-36,32-35-37,32-35-37,32-34-37,32-34-37,33-34-37,33-34-37,Допустим, что в некоторый моментвремени потенциал фазы С более положителен, чем потенциал фазы А относительно отрицательного потенциала фазы В, т,е. мгновенное значениенапряжения сети Чщ между фазнымивходными выводами С и В превьшаетмгновенное значение напряжения сетиЧд между фазными входными выводамиА и В (см, фиг,8), Тогда управляющие импульсы должны быть поданы натиристоры 6 и 3 с тем, чтобы большее из указанных напряжений Ч оказалось приложенным к частиобмотки15 реактора 13 с числом витков Уа меньшее иэ указанных напряженийЧд - ко всей обмотке 14 реактора 13с числом витков И,+1В результате, разность мгновенныхзначений напряжений Ч и Чр приобретает плюсовую полярность относительно концов обмоток 15 и 14. ЭДС, наводимая в обмотке 14, суммируется снапряжением Ч рв, а ЭДС, наводимая вобмотке 15, уменьшает напряжение Ч, .Происходит выравнивание мгновенныхзначений напряжений Чс и Чдв, приэтом формируемая на обмотках 20, 21,22 трансформатора 19 полуволна результирующего напряжения с амплитудой, равной 2 ГЗ я 1 п 15 Ч (где Ч, -амплитуда линейного напряжения сети)отстает по фазе от напряжения Ч, на15 эл,град. Под действием трансформируемого на вторичные обмотки 29, 30,31 трансформатора 19 результирующего напряжения ток нагрузки замыкается через диоды 33, 37, 34, Так какалгебраическая сумма токов, протекающих через диод 33, обмотку 29 и диод 37, обмотку 31, равна току, про"текающему через диод 34 и обмотку 30, 1220086то алгебраическая сумма токов в первичных обмотках 20 и 22 трансформатора 19 равна току в его обмотке 21, Так как соотношение числа витков обтека 5 . емой током части обмотки 15 и всей обмотки 14 реактора 13 равно 1:(-3+1), то для соблюдения баланса ампер-витков в реакторе 13 соотношение токов в обмотках 20, 23 и 29, 31 (в диодах 33, 37) также равно 1:(-3+1).Через 30 эл.град, от естественного угла отпирания тиристоров 3 и 6, потенциал фазы А становится более положительным, чем потенциал фазы С от носительно отрицательного потенциала фазы В. Однако вышеуказанная полуволна результирующего напряжения через открытые тиристоры 3 и 6 продолжают формировать на выходе соответствующую 20 пульсацию напряжения до момента отпирания тиристоров 1 и 8. Так как при включении тиристоров 1, 8 через 30 эл.град, после включения тиристоров 3, б мгновенное значение напряже ния сети Чде превышает Ч то их разность приобретает плюсовуюполярность относительно начал обмоток 14 и 15. Под.действием этой разностной ЭДС на части обмоток 14, 15 с числом витков Ы тиристоры 3 и 6 запираются. Тогда большее из указанных напряжений Чдь прикладывается к части обмотки 14 реактора 13 с числом витков Ы, а меньшее Чс - ко всей обмотке 15 реактора 13 с числом35 витков Ы+ ИРазностная ЭДС на обмотке 14 уменьшает напряжение Чд, а на обмотке 15 суммируется с напряжением Чь40 Происходит выравнивание мгновенныхзначений напряжений Ч д и Чсьпри этом формируется на обмотках 20, 21, 22 трансформатора 19 очередная полу- волна результирующего напряжения с амплитудой, также равной 27 зп 15 Ч которая опережает по фазе напряжение Чдз на 15 эл.град. и одновременно отстает по фазе на 30 эл.град, от предыдущей полуволны результирующего напряжения. Аналогично предыдущему50 интервалу в 30 эл.град. в очередном интервале, также в 30 эл.град., ток проводят те же диоды 33, 34, 37 через обмотки 29, 30, 31. Однако соотношение токов в обмотках 29, 31 (в диодах ЗЗ, 37) и 20, 22 меняется на обратное, т.е, становится равным (-ГЗ+1) . Через 30 эл.град. от естественного угла отпирания тиристоров 1 и 8 потенциал фазы С становится отрицательным, но менее, чем потенциал фазы В относительно положительного потенциала фазы А, Поэтому при включении тиристора 12 через 30 эл.град. после включения тиристоров 1 и 8,мгновенное значение напряжения сети Чд превышает Ч а разность мгновенных значений напряжений Чд и Чдсприобретает плюсовую полярность относительно начал обмоток 14 и 16,Под действием разности напряженийЧд и Ч на обмотке 15 тиристор 8запирается, Тогда большее из напряжений Чд прикладывается к части обмотки 14 реактора 13 с числом витковМ, а меньшее Чд - ко всей обмотке16 реактора 13 с числом витков У+И Разностная ЭДС на обмотке 14 уменьшает напряжение Чд, а на обмотке 16 суммируется с напряжением Чд . Происходит выравнивание мгновенных значений напряжений Чдь и Ч с формированием очередной полуволны результирующего напряжения, отстающей по фазе отпредыдущей полуволны на 30 эл.град,Далее процессы повторяются. При этом на выходе выпрямительного мостаформируется двенадцатипульсное выпрямленное напряжение Ч (см.фиг.8),в первичных и вторичных фазных обмотках трансформатора 19 формируютсядве шестиступенчатые полуволны несинусоидального переменного тока с соотйошением амплитуд ступенек, соответствующим содержанию высших гармоник с порядковым номером бп+1, где и = 2,3,4 (каждая полуволна соответствует току одного диода),. а в обмотках И и М реактора 13 - токии дПроведенные эксперименты показали нормальную работоспособность преобразователя и в случае соединения вторичных обмоток трансформатора в "треугольник", при той же очередности включения тиристоров 1-12 регуля.ра 7. Однако при соединении в "звезду" форма тока диода получается качественно лучше.Преобразователь (см. фиг.2) содержит регулятор 17, подключенный к выходным выводам 26, 27, 28 шестиполюсника 18, входные выводы 23, 24, 25 которо о подключены к фазным входным выводам А, В, С трехфазного источника40 питания. Шестиполюсник 18 выполненв виде трехфазного трансформатора 19,первичные обмотки 20, 21, 22 которогосоединены в звезду и образуют началами его входные выводы, Вторичные обмотки 29, 30, 31 трансформатора 19началами образуют выходные выводышестиполюсника 18, а концами подключены к входу выпрямительного моста 10на диодах 32-37 с выходными выводами 38, 39,Очередность включения тиристоров1-12 регулятора 17 сохраняется прежней. Процесс преобразования напряжения аналогичен вышеописанному (какна фиг,1). На выходе выпрямительногомоста формируется двенадцатипульсноевыпрямленное напряжение Ч 1, остальныеформы кривых также не отличаются от 20представленных на Фиг.8.Преобразователь (см. Фиг,3) содержит регулятор 17, подключенный квыходным выводам 26, 27, 28 шестиполюсника 18, входные выводы 23, 24, 25 25которого подключены к Фазным входнымвыводам А, В, С трехфазного источника 40 питания. Шестиполюсник 18 выполнен в виде трансформатора 19, первичные обмотки 20, 21, 22 которого 30началами образуют входные выводы, аконцами - выходные выводы шестиполюсника. Вторичные обмотки 29, 30, 31трансформатора 19 соединены в звезду,концы которой подключены к фазам 41,42, 43 нагрузки, соединенной в звезду.Очередность включения тиристоров1-12 регулятора 17 сохраняется прежней (как на фиг.1). При этом форма 40тока в каждой фазе нагрузки с соответствующим Вазовым сдвигом повторяетформу тока . (см. Фиг.8) во вторичной (первичной) фазной обмотке трансФорматора, т.е. токи в нагрузке несодержат высших гармоник ниже одиннадцатой.Проведенные эксперименты, как и ввышеуказанном случае, (см. Фиг.1),показали нормальную работоспособностьпреобразователя и в случае соединения вторичных обмоток трансформаторав треугольник. Кроме того, независимо от схемы соединения вторичных обмоток трансформатора, нагрузка может55быть соединена как в звезду, так ив треугольник.Преобразователь (см, Фиг.4) содержит регулятор 17, подключенный к выходным выводам 26, 27, 28 шестиполюсника 18, входные выводы 23, 24,25 которого подключены к фазным входам выводам А, В, С трехфазного источника 40 питания. Шестиполюсник 18выполнен в виде трехфазного трансформатора 19, первичные обмотки 20, 21,22 которого соединены в звезду и образуют началами его входные выводы.Вторичные обмотки 29, 30, 31 трансформатора 19 началами образуют выходные выводы шестиполюсника 18, а концами подключены к фазам 41, 42, 43нагрузки, соединенной в звезду.Очередность включения тиристоров1-12 регулятора 17 сохраняется прежней (как на Фиг.1), при этом Форматока в каждой Фазе нагрузки с соответствующим фазовым сдвигом повторяетформу тока (см. Фиг.8) во вторичной(первичной) обмотке трансформатора.Проведенные эксперименты показали высокое качество регулирования,как в случае соединения нагрузки взвезду, так и в треугольник,Преобразователь (см. Фиг.5) содержит регулятор 17, подключенный квыходным выводам 26, 27, 28 шестиполюсника 18, входные выводы 23, 24,25 которого подключены к фазным входным выводам А, В, С трехфазного источника 40 питания, Шестиполюсник 18выполнен в виде трехфазной нагрузки,фазы 41 (42, 43) которой одним выводом подключены к входному выводу -23(24, 25), а другим - к выходному выводу 26 (27,28).Очередность включения тиристоров1-12 регулятора 17 сохраняется прежней, (как на фиг.1). При этом форматока в каждой фазе нагрузки также несодержит высшей гармоники ниже одиннадцатой. В качестве нагрузки можетбыть использована, например, двигательная нагрузка. Преобразователь (см. Фиг,б) содержит регулятор 17, подключенный к выходным выводам 26, 27, 28 шестиполюсника 18, входные выводы 23, 24, 25 которого подключены к Фазным входным выводам А, В, С трехфазного источника 40 питания.Шестиполюсник 18 выполнен в виде автотрансформатора 44, обмотки 45, 46, 47 которого соединены в звезду и подключены началами к входным выводам 23, 24, 25, а отпайками - к фазам20 25 41, 42, 43 трехфазной нагрузки, через которые соединены, с выходными выводами 26, 27, 28.Очередность включения тиристоров 1-12 регулятора 17 сохраняется прежней (как на фиг.1), Преобразователь обеспечивает возможность согласования напряжений между источником и нагрузкой при меньших габаритах трансфор маторного оборудования.Важной особенностью всех разновидностей первого вариантапреобразователя является воэможность работы споловинным числом тиристоров, подключенных либо только к промежуточным, либо только к крайним выводамобмоток уравнительного реактора, Вэтом случае на выходе выпрямителяформируется шестипульсное выпрямленное напряжение при повышенном исполь. зовании по току диодов, а в каждой фазе трехфазной нагрузки формируются две трехступенчатые полуволны несинусоидального переменного тока с длительностью каждой ступени 60 эл. град., где амплитуда средней ступени равна амплитуде тока нагрузки и сумме амплитуд крайних ступеней,30Преобразователь (см. фиг,7) содержит тиристоры 48-59 и диоды 60-65,трехобмоточный уравнительный реактор66 и трехфазный трансформатор 67.Вторичные обмотки 68, 69, 70 трансформатора 67 соединены в треугольники подключены к входу трехфазного выпрямительного моста на диодах 60-65,к выходу которого подключена нагрузка 71. Первичные обмотки 72, 73, 74 40трансформатора 67 соединены в треугольник и подключены к фазным входным выводам, при этом конец обмотки72 (73, 74) соединен с подключеннымк фазному входному выводу В (С, А).началом обмотки 73 (74, 72) черезпоследовательную цепь, образованнуювстречно-параллельно включенными тиристорами 54 и 55 (58 и 59, 50 и 51)и обмоткой 75 (76, 7) уравнительного реактора 66, которая подключенаначалом к указанной паре тиристоров,а концом - к концу обмотки 72 (73,74). Кроме того, промежуточный выводобмотки 75 (76, 77) реактора 66 подключен к началу обмотки 73 (74,72)трансформатора 67 через встречно-параллельно включенную пару тиристоров52 и 53 (56 и 57, 48 и 49),Каждая обмотка уравнительного реактора 66 разделена промежуточным выводом в соотношении чисел витков,.равном М,;М = 1: 43.Преобразователь (см. фиг,7) имеетследующую очередность включения тиристоров: 57-54,52-59,52-51,49-54,49-58,56-51,56-55,53-58,53-50,48-55,48-59,57-50.Преобразователь на фиг,7 структурно отличается от преобразователя нафиг.1 тем, что первичные обмоткитрансформатора, являющегося в данномварианте необходимым элементом преобразования, включены не в линии ав фазы треугольника, образованногов регуляторе 17 обмотками реактора итиристорами. Поэтому очередностьвключения тиристоров в преобразователях по фиг.7 и 1 совпадает. При этоманалогично первому варианту вторичные обмотки трансформатора могут бытьсоединены в звезду; Кроме того, независимо от их группы соединения онимогут быть подключены к трехфаэнойнагрузке, соединенной в звезду илитреугольник.Однако форма фазного тока первичной обмотки трансформатора совпадает,с , а линейного - с 3.д (см. фиг.8),В целом качественные показатели второго варианта преобразователя независимо от числа тиристоров регуляторауступают первому варианту,, Упрощение схемы регулятора 1 облегчает возможность реализации. качественно нового приема взаимообратного переключения тиристоров на индуктивности, позволяющего за счет ин"дуктивной связи между обмотками маломощного уравнительного реактора обойти необходимость перехода к искусственной коммутации при отстающемугле управления. Эффективность предложенного преобразователя заключается в упрощении конструктивного исполнения и уменьшении габаритов уравнительного реактора за счет сокращения количества его обмоток наряду с повышением использования по току. Снижение потерь в реакторе и тиристорах повышает КПД преобразователя, Кроме того, в связи с улучшением форм тока тиристоров по. вышается их нагрузочная способность по току, а в результате уменьшения общего количества требуемых импуль 122008 бсов, упрощается система управлениятиристорами за счет уменьшения числараспределительных элементов.5формула изобретения1. Преобразователь переменного напряжения, содержащий две группы управляемых вентилей, уравнительный 10реактор с тремя индуктивно связанными обмотками, каждая из которых покрайней мере первым крайним выводом,промежуточным выводом, делящим еевитки на части в отношении 1: ГЗ,меньшая из которых отсчитывается отвторого крайнего вывода, соединеначерез управляемый вентиль первойгруппы с одним из трех выходных выводов шестиполюсника, входные выводы 2 Окоторого подключены к трехфазному источнику питания, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью улучшения массогабаритных и энергетических показателей, встречно-параллельно каждому 25управляемому вентилю первой группывключен управляемый вентиль второйгруппы, второй крайний вывод каждойобмотки уравнительного реактора соединен через соответствующую пару ука Озанных вентилей с первым крайним выводом смежной обмотки, при этом соединение обмоток уравнительного реактора с вентилями образует "треугольник",2. Преобразователь по п.1, о т -л и ч а ю щ и й с я тем, что шестиполюсник выполнен в виде трансформатора, начала первичных обмоток которого подключены к входным выводам,концы - к выходным выводам, а вторичные обмотки соединены в трехфазнуюгруппу и подключены к входу переменного тока выпрямительного моста.3, Преобразователь по п.1, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что шестиполюсник выполнен в виде трансформатора, первичные обмотки которого. соединены в звезду и подключены к входным выводам, начала вторичных обмоток5 Оподключены к выходным выводам, а концы - к входу переменного тока выпрямительного моста.4, Преобразователь по п.1, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что шестиполюсник выполнен в виде трансформатора, начала первичных обмоток которого подключены к входным выводам,концы - к выходным выводам, а вторичные обмотки соединены в трехфазную группу, образуя выводы для подключения трехфазной нагрузки.5. Преобразователь по п.1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что шестиполюсник выполнен.в виде трансформатора, первичные обмотки которого соединены в звезду и подключены к входным выводам, начала вторичных обмоток подключены к выходным выводам, а концы образуют выводы для подключения трехфазной нагрузки.6.Преобразователь по п,1, о т - л и ч а ю щ и й с я тем, что входные выводы шестиполюсника образуют совместно с его соответствующими выходными выводами выводы для подключения трехфазной нагрузки. 7. Преобразователь по п.1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что шестиполюсник выполнен в виде автотрансформатора, обмотки которого соединены в звезду и подключены началами к входным выводам, а промежуточные выводы обмоток образуют совместно с выходными выводами выводы для подключения трехфазной нагрузки.8. Преобразователь, содержащий две группы управляемых вентилей, уравнительный реактор с тремя индуктивно связанными обмотками, каждая из которых, по крайней мере, первым крайним выводом, промежуточным выводом, делящим ее витки на части в отношении 1: 3, меньшая из которых отсчитывается от второго. крайнего вывода, соединена с управляемым вентилем первой группы, трехфазный трансформатор, одноименные выводы первичных Фазных обмоток которого образуют входные выводы для подключения к трехфазному источнику питания, а вторичные фазные обмотки соединены в трехфазную группу и подключены тремя одноименными выводами к входу переменного тока выпрямительного моста, выход постоянного тока которого образует выходные выводы, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью улучшения массогабаритных и энергетических показателей, встречно-параллельно каждому управляемому вентилю первой группы включен управляемый вентиль второй группы, каждый свободный вывод указанных объединенных групп подключен к началу первичной фазной обмотки трансформатора, а второйкрайний вывод каждой обмотки уравнительного реактора соединен с концом первичной обмотки смежной фазы трансформатора.