RU142753U1

RU142753U1 - TWENTY-FOUR-PULSE CONSTANT VOLTAGE CONVERTER

Info

Publication number: RU142753U1
Application number: RU2013153590/07U
Authority: RU
Inventors: Александр Андреевич Степанов; Николай Иванович Щуров; Ольга Леонидовна Волкова; Сергей Владимирович Мятеж; Валентин Иванович Сопов; Мехрубон Махмудкулович Джаборов
Priority date: 2013-12-03
Filing date: 2013-12-03
Publication date: 2014-07-10

Abstract

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, равногде 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 вентилейA twenty-four pulse AC to DC converter containing two three-phase transformers, on each of the six terminals of the magnetic cores of which one primary and two secondary phase windings are located, as well as twelve valve cells with two valves in each cell connected by unlike electrodes, two groups are formed of valve cells valves, six valve cells in each, and free electrodes of the same name half of the valves in each group are connected, and in one group at the same time, the anode six-valve star is formed of e valves, and the cathode six-star star is formed in the other group, the ratio of the number of turns of the secondary phase windings in the pairs of windings placed on each of the rods is μ = 24, and the corresponding secondary sizes of the secondary phase windings are made with the same the number of turns, while six secondary phase windings in each transformer are interconnected in series, topologically forming a semi-regular hexagon, and from the midpoint Each secondary phase winding has a tap; each of the taps from the midpoints of the secondary phase windings of one transformer is connected to an unused point of connection of dissimilar electrode electrodes in the valve cells of one valve group, and each of the taps from the middle points of the secondary phase windings of the second transformer is connected to an unused the connection point of the opposite electrodes of the valves in the valve cells of the second group of valves, and free electrodes of the same name the second half of the valves

Description

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.The utility model relates to electrical engineering and power converting equipment and can be used as an AC voltage to DC high voltage converter for supplying traction loads of electric vehicles and obtaining high voltages for direct current power lines with increased demands on the quality of rectified voltage.

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).Known twenty-four pulse AC to DC Converter, containing two three-phase transformers whose secondary windings are connected into six-phase stars and forming two six-phase systems, the phase shift between which is 30 el. grad., create primary windings connected on one transformer according to the star scheme, on the second according to the scheme a triangle with an asymmetric ratio of the number of turns, which is expressed by the ratio of the number of turns (√3 / 3): 1, respectively (Pat. No. 2340072, IPC H02M 7 / 08 (2006.01) publ. 11/27/2008).

Недостатком данного преобразователя является, что при больших нагрузках преобразователя снижается КПД и ухудшается электромагнитная совместимость.The disadvantage of this converter is that with high loads of the converter, the efficiency decreases and the electromagnetic compatibility worsens.

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.Closest to the utility model adopted for the prototype is a twenty-four pulse AC to DC converter (Pat. RF No. 2373628, MKI H02M 7/12 2006/01 publ. 20.11.2009) containing two three-phase transformers, the secondary windings of each transformer are connected counter-sequentially and form semi-regular hexagons, forming two six-phase systems. Each of the windings is equipped with one tap from the midpoint, which are connected to two six-phase valve bridges connected in series, the primary phase windings create a phase shift between the six-phase systems 30 el. hail by connecting them according to the star pattern on the first transformer, and according to the triangle pattern on the second, with an asymmetric ratio of the number of turns, which is expressed by the ratio of the number of turns (√3 / 3): 1, respectively. The fundamental difference between the prototype design and the above is that in the prototype six-phase systems generate 12-pulse rectified voltages that are non-canonical in shape, and as a result of adding their instantaneous values, a 24-pulse canonical voltage is formed, which ensures a high level of electromagnetic compatibility of the converter with the supply the network.

Задача полезной модели - создание двадцатичетырехпульсного преобразователя переменного напряжения в постоянное, имеющего более высокий КПД и лучшую электромагнитную совместимость, при больших нагрузках.The objective of the utility model is the creation of a twenty-four pulse AC to DC converter, which has higher efficiency and better electromagnetic compatibility at high loads.

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, равноThis problem is achieved by the fact that in the known device twenty-four pulse AC to DC Converter, which consists in the fact that it contains two three-phase transformers on each of the six rods of the magnetic cores of which there are one primary and two secondary phase windings, as well as twelve valve cells with two valves in each cell, connected by opposite electrodes, two groups of gates are formed from valve cells, six valve cells in each, and free elec odes one half here valves in each of the groups are connected, and one group of gates formed with the anodic shestiventilnaya star, and the other group is formed by star shestiventilnaya cathode, the ratio of numbers of turns of secondary windings in the vapor phase windings placed on each of the rods, as well

где µ=24,where 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.and the secondary phase windings corresponding in relative sizes are made with the same number of turns, while six secondary phase windings in each transformer are interconnected in series, topologically forming a semi-regular hexagon, and a tap is made from the midpoint of each secondary phase winding, with each of of taps from the midpoints of the secondary phase windings of one transformer is connected to an unused point of connection of unlike valve electrodes in the valve cells ah of one group of valves, and each of the taps from the midpoints of the secondary phase windings of the second transformer is connected to an unused point of connection of dissimilar electrode electrodes in the valve cells of the second group of valves, with the same free electrodes of the second half of the valves in each of the valve groups connected, and in one group at the same time, a cathode six-star star is formed in the valves, and in the other group an anode six-star star is formed, and two hexes are respectively formed from the valve groups valve bridges with DC leads from common points of connection of gates in six-star stars, moreover, six-phase valve bridges are connected in series by a pair of bipolar DC terminals, the free bipolar bridge leads form the output terminals of the device, characterized in that the connection of the primary windings of both transformers is made according to the schemes sliding triangle ”in which, the ratio of the parts of the windings making up the triangles to the parts of the windings making up the extended sides of the Explicitly 1: (1 / √3), the first transformer two leads of the primary windings, which are transposed to a three-phase network with respect to the connection of identical leads of the primary winding of another transformer, formed a phase shift between the transformers by 90 el. hail.

На Фиг. 1 приведена схема предлагаемого двадцатичетырехпульсного преобразователя переменного напряжения в постоянное.In FIG. 1 shows a diagram of the proposed twenty-four pulse converter of alternating voltage into direct current.

На Фиг. 2 отображен график поясняющий зависимость постоянной составляющей гармоники фазного тока от изменения тока нагрузки преобразователей прототип и предлагаемой модели.In FIG. 2 shows a graph explaining the dependence of the DC component of the phase current harmonic on the change in the load current of the prototype converters and the proposed model.

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.The twenty-four pulse AC to DC converter (Fig. 1) contains two three-phase transformers 1 and 2 whose primary windings are connected according to the sliding triangles scheme, the corresponding secondary windings of the transformers are made in the form of semi-regular hexagons 3 and 4, and the corresponding phase taps from the midpoints c1-c3 , a2-a4, b1-b3, c2-c4, a1-a3, b2-b4 sides of the semi-regular hexagon 3 and bends from the midpoints c1'-c3 ', a2'-a4', b1'-b3 ', c2'- c4 ', a1'-a3', b2'-b4 'of the sides of the hexagon 4 are connected to the AC inputs of the hex znyh rectifier bridges 5 and 6 connected in series. The common point 7 of the anode group of valves of the bridge 5 and the common point 8 of the cathode group of valves of the bridge 6 are connected to the load 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.The principle of operation of the Converter (Fig. 1) is based on a series-connected two-stage circuit, which contains two transformer sources 1; 2, the primary windings of which are connected according to the scheme of symmetrical sliding triangles, which ensures equality of the number of turns of the primary windings between the transformers, and the ratio of the parts of the windings on each transformer, constituting the triangles to the parts of the windings making the extended sides equal to 1: (1 / √3), creates when the transposition of the connection of two terminals of the primary windings of one of the transformers connected to a three-phase network with respect to the connection of identical conclusions of the primary winding of another transformer, with capacity phases 90 el. hail, between the six-phase symmetric systems formed by these transformers, the six-phase symmetric systems create secondary windings of transformers, which are connected in opposite directions, forming semi-regular hexagons, and EMF appears on the bends from the midpoints of the windings. The EMF of six-phase systems in any phase of the conversion cycle of the rectified voltage ripple is formed by adding up the maximum linear EMF at the moment formed between the midpoints of the secondary phase windings (sides) of the hexagons. In accordance with the polarity of the linear EMF, the pair of valves that connects to the branches from the phases between which the linear EMF is currently maximum is open in each six-phase bridge. A feature of the converter is that adjacent linear EMFs between phase taps in hexagons differ in amplitude. As a result of this, at the output of each of the six-phase valve bridges, 12-pulse rectified rectified voltages non-canonical in shape are formed, they are as if modulated by the sixth harmonic. The output voltages of the rectifier sections are shifted relative to each other by an angle of 90 el. hail., This angle is a multiple of 30 el. deg, (that is, half the period of the sixth harmonic), therefore the sixth harmonics of adjacent sections are mutually compensated for any reasons that give rise to them, as a result of adding their instantaneous values to the load, a voltage with a canonical waveform is formed, having 24 ripples for the period of the mains voltage. The converter maintains a relatively good conversion quality even with large structural asymmetry of the phase voltages of the secondary windings. A similar effect is manifested with asymmetry of supply voltages. These effects are explained by a non-standard way of forming a rectified voltage curve, along with other higher harmonics.

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.In the prototype, the parametric asymmetry of the primary windings causes transformers to appear in the mains current consumed, including harmonics, including the DC component current I ₀ (Fig. 2) which, when the load current I _d (Fig. 2) of the converter changes from the minimum to the nominal value I _dnom , has a small value in comparison with the currents of other harmonics and does not have a significant effect on electromagnetic compatibility. A further increase in the load current from L _dnom to the maximum value of d _max leads to an increase in the current of the constant component, which is much larger in comparison with the constant current of the proposed model, it follows from the diagram (Fig. 2) that it reaches a five-fold increase, this significantly affects to deterioration of electromagnetic compatibility. DC currents arising in the supply network of power transformers have a negative effect on their operation, leading to saturation of the cores, which causes a change in the transformation coefficient, as well as to an increase in active power losses in the form of heating of the primary windings, so for the prototype model using a transformer with a power of 10 mW active loss power will be 600 kW, and for the proposed model is 150 kW.

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.The proposed circuit solution allows, at high loads of the converter, to achieve a technical result, which consists in reducing the loss of active power during mains current flowing in the primary windings, which increases the efficiency of the converter as a whole as shown by no less than 3%, as well as a decrease of almost five times the harmonic current of the DC component, which improves electromagnetic compatibility.

Таким образом, предлагаемый двадцатичетырехпульсный преобразователь переменного напряжения в постоянное, имеет по сравнению с прототипом, при больших нагрузках, более высокий КПД и лучшую электромагнитную совместимость.Thus, the proposed twenty-four pulse converter of alternating voltage to DC, compared with the prototype, at high loads, has a higher efficiency and better electromagnetic compatibility.

Claims

A twenty-four pulse AC to DC converter containing two three-phase transformers, on each of the six terminals of the magnetic cores of which one primary and two secondary phase windings are located, as well as twelve valve cells with two valves in each cell connected by unlike electrodes, two groups are formed of valve cells valves, six valve cells in each, and free electrodes of the same name half of the valves in each group are connected, and in one group e valves thus formed anodic shestiventilnaya star, and the other group is formed by star shestiventilnaya cathode, the ratio of numbers of turns of the secondary windings of the phase windings in pairs placed on each of the rods, as well

where μ = 24,

and the secondary phase windings corresponding in relative sizes are made with the same number of turns, while six secondary phase windings in each transformer are interconnected in series, topologically forming a semi-regular hexagon, and a tap is made from the midpoint of each secondary phase winding, with each of of taps from the midpoints of the secondary phase windings of one transformer is connected to an unused point of connection of unlike valve electrodes in the valve cells ah of one group of valves, and each of the taps from the midpoints of the secondary phase windings of the second transformer is connected to an unused point of connection of dissimilar electrode electrodes in the valve cells of the second group of valves, with the same free electrodes of the second half of the valves in each of the valve groups connected, and in one group at the same time, a cathode six-star star is formed in the valves, and in the other group an anode six-star star is formed, and from the valve groups, two hexa valve bridges with DC leads from common points of connection of gates in six-star stars, moreover, six-phase valve bridges are connected in series with a pair of bipolar DC leads, and free bipolar leads of the bridges form the output terminals of the device, characterized in that the connection of the primary windings of both transformers is made according to the schemes a "moving triangle" in which the ratio of the parts of the windings making up the triangles to the parts of the windings making up the extended sides, avno 1: (1 / √3), the first transformer, two terminals of the primary windings of which are connected with transposition to the three-phase network with respect to the connection of identical terminals of the primary winding of another transformer.