RU182989U1 - Симметричный полупроводниковый выпрямитель - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к полупроводниковой преобразовательной технике и предназначена для питания линий электропередач и вставок постоянного тока, а также промышленной нагрузки постоянного тока.

Из уровня техники известны многофазные полупроводниковые выпрямители, представляющие один из самых распространенных видов статических преобразователей электроэнергии. В основе всех классических выпрямителей лежит использование трехфазного выпрямительного моста, получающего питание от вторичной обмотки трансформатора, причем для получения увеличенного числа пульсаций на выходе выпрямителя используются варианты включения обмоток "звезда", "треугольник" и "зигзаг". Качество выходного напряжения определяется главным образом числом пульсаций за период питающей сети, равным удвоенному числу фаз выпрямляемого напряжения.

Наиболее распространенной является двенадцатипульсная схема выпрямления, основанная на комбинации соединения вторичных обмоток силового трансформатора звездой и треугольником, что обеспечивает фазовый сдвиг. Упомянутая схема нашла наибольшее распространение для питания линий электропередач постоянного тока, а также в промышленных выпрямителях. Однако качество выходного напряжения двенадцатипульсной схемы недостаточно высоко и во многих случаях требует дополнительной фильтрации (сглаживания), увеличивающей габариты установки.

В особых случаях, когда требуется высокое качество выпрямленного напряжения, прибегают к использованию двадцатичетырехпульсной схемы выпрямления, оснащенной четырьмя трехфазными мостами, соединяемыми последовательно или параллельно. Такая схема требует дополнительного фазового сдвига между вторичными обмотками питающих трансформаторов и использования схем соединения обмоток "звездой", "треугольником" и "зигзагом", что приводит к увеличенному числу витков и росту габаритов.

Преимущество предлагаемого выпрямителя состоит в реализации двадцатичетырехпульсного режима и соответствующего ему повышения качества напряжения без формирования четырех взаимно и симметрично сдвинутых по фазе трехфазных систем напряжений, подключенных к выпрямительным мостам. Технически это означает отказ от всех обмоток по схеме "треугольник" и соответствующего им расхода витков.

Наличие двадцатичетырех пульсаций на выходе и их симметрия достигаются за счет дополнительного фазового сдвига между двумя трансформаторами при использовании в обоих первичной обмотки "зигзаг". Упомянутые трансформаторы имеют по две вторичные трехфазные обмотки по схеме "звезда" у каждого, к вторичным обмоткам подключены четыре выпрямительных моста, объединенные в пары с параллельным соединением, соответствующим шестифазному выпрямлению. Пары мостов включаются последовательно и согласно, причем упомянутые мосты в каждой паре подключаются к вторичным обмоткам с равным числом витков.

Сдвиг фаз между трансформаторами необходим для получения шестифазного выпрямления в парах мостов и достигается включением первичных обмоток каждого из них по схеме "зигзаг" с различным сочетанием катушек. Таким образом, достигается унификация конструкции трансформаторов, которые ничем не отличаются друг от друга в состоянии поставки и являются взаимозаменяемыми.

Основным техническим преимуществом является уменьшение массы и габаритов трансформаторов за счет отказа от дополнительных витков для переключения схемы первичных обмоток трансформаторов в "треугольник". Также при этом обеспечивается преимущество возможности взаимной замены трансформаторов, повышается унификация технологии производства и сборки выпрямительной установки.

Description

Название полезной модели. Симметричный полупроводниковый выпрямитель.

Область техники, к которой относится полезная модель. Полезная модель относится к полупроводниковой преобразовательной технике, и предназначена для питания линий электропередач и вставок постоянного тока, а также промышленной нагрузки постоянного тока.

Уровень техники. Известен статический выпрямитель [патент РФ на полезную модель №144830], предназначенный для питания силовых промышленных электроустановок и линий электропередач постоянного тока, и содержащий два последовательно включенных трехфазных выпрямительных моста, один из которых выполняется на неуправляемых вентилях, другой выполнен на управляемых вентилях, оба выпрямительных моста подключаются к отдельным трехфазным вторичным обмоткам трансформатора. Вторичные трехфазные обмотки имеют коэффициенты трансформации, соотносящиеся между собой как 1:2,8 и имеют одинаковую схему включения звездой. Управляемый выпрямительный мост формирует 6 пульсаций выпрямленного напряжения, состоящих из фрагментов фронтов полуволн, коммутируемых в моменты равенства фронтов полуволн напряжения разных фаз, при этом нарастающий и спадающий фронты чередуются. В результате пульсации неуправляемого и управляемого выпрямительных мостов оказываются сдвинуты на угол π/6, а на выходе выпрямителя образуется суммарное напряжение, имеющее 12 симметричных пульсаций за период питающей сети.

К недостаткам такого решения можно отнести недостаточно высокое для ряда областей промышленности качество выходного напряжения из-за наличия двенадцати пульсаций выпрямленного напряжения при питании от трехфазной силовой сети переменного тока.

Также известен полупроводниковый выпрямитель [Абрамов С.С., Вечеров И.А., Ивлев М.Л., Коптяев Е.Н. Многопульсный выпрямитель для электроэнергетики - Научно-технические ведомости Севмашвтуза - 2017, №2, с. 56-63, опубликовано 29.10.2017], предназначенный для питания силовых промышленных электроустановок и линий электропередач постоянного тока, и содержащий два трехфазных силовых стержневых трансформатора. Первичные трехфазные обмотки трансформаторов подключены к питающей сети. Первичная обмотка одного трансформатора имеет соединение звездой, первичная обмотка другого трансформатора имеет соединение в треугольник, все вторичные обмотки силовых трансформаторов подключены к выпрямительным мостам. Каждый силовой трансформатор имеет по две вторичные обмотки, включенные по схеме звездой, при соотношении числа витков между упомянутыми вторичными обмотками в каждом трансформаторе, приближенно равном произведению натурального числа е на квадратный корень из двух. Для образования 6 - фазной системы напряжений вторичные 3 - фазные обмотки с равным числом витков объединяются в пары с общей нейтралью, выпрямительные мосты в парах включаются параллельно и согласно, при последовательном и согласном соединении между парами трехфазных выпрямительных мостов.

К недостаткам такого решения можно отнести использование первичной обмотки одного из силовых трансформаторов, включенной по схеме треугольник, что требует повышенного в 1,7 раза числа витков по сравнению с обмоткой включенной звездой, и приводит к росту массы и стоимости. Также недостатком можно указать необходимость выполнения силовых трансформаторов с различным включением первичных обмоток, что ведет к необходимости выполнения обоих трансформаторов с одинаковым числом витков, соответствующим включению "треугольник" в целях унификации, и соответствующему увеличению массы выпрямительной установки.

Данное техническое решение является наиболее близким по своей технической сущности прототипом.

Раскрытие полезной модели. Полупроводниковые выпрямители являются одним из первых видов статических преобразователей электроэнергии, и широко используются в промышленности и электроэнергетике. Для решений малой и средней мощности все чаще используются импульсные преобразователи, в том числе активные выпрямители - обеспечивающие лучший гармонический состав токов, потребляемых из сети и регулировку коэффициента мощности. Однако в области больших мощностей - особенно, в линиях электропередач постоянного тока, применяются классические схемы выпрямления.

В основе всех классических выпрямителей лежит использование трехфазного выпрямительного моста, либо комбинации из нескольких трехфазных выпрямительных мостов - включенных последовательно или параллельно. В таком случае пульсации выпрямленного напряжения мостов суммируются, при условии наличия фазового сдвига между вторичными обмотками трансформаторов, питающих мосты.

Используют следующие виды включения обмоток трансформаторов: звезда (фигура 1), треугольник (фигура 2), зигзаг (фигура 3). Звезда и треугольник имеют симметричный взаимный фазовый сдвиг, равный 30 электрическим градусам. Обмотка зигзаг позволяет получить дополнительное фазовое смещение, обычно равное 15 электрических градусов. Однако использование обмоток, выполненных по схемам "треугольник" и "зигзаг" требует большее число витков, чем для обмотки звездой. Данный факт определяет ухудшение габаритных показателей при увеличении качества фаз напряжения, и соответственно числа пульсаций.

Известно, что сумма двух синусоидальных функций дает в результате также синусоидальную функцию с амплитудой и фазой, определяемыми амплитудами и фазами слагаемых. Подобный способ получения фазового сдвига используется в схеме соединения обмоток трехфазного трансформатора зигзагом, где результирующее фазное напряжение образуется геометрической суммой напряжений двух частей обмотки трансформатора, находящихся в разных его фазах. Как правило, в силовых трансформаторах общего назначения в этом случае обе части обмотки на каждом стержне имеют равное число витков, а фазное напряжение образуется суммой равных напряжений двух частей обмотки, а общее число витков обмотки на одном стержне при этом будет больше, чем при соединении обмотки в звезду.

Также большее число витков содержит обмотка, включенная по схеме треугольник, а именно в

раз (1,72) больше витков, чем у обмотки с включением звезда с таким же выходным напряжением. Обмотка треугольником применяется в классическом двенадцатипульсном выпрямителе, показанном на фигуре 2, и вместе с другой вторичной обмоткой звездой - образует 6-фазную систему напряжений, которая при выпрямлении дает двенадцать пульсаций. Как правило, используется параллельное включение мостов, показанное на фигуре 4 - что требует установки уравнительных реакторов на выходе каждого моста для выравнивания токов нагрузки. Возможно также и последовательное включение, которое также требует большего числа витков для получения двенадцати пульсации, из-за использования обмотки треугольник.

Для повышения качества выходного напряжения, и уменьшения гармонического состава токов потребляемых из питающей сети, применяют двадцатичетырехпульсные выпрямители, содержащие четыре трансформатора с комбинацией включения обмоток звезда-треугольник-зигзаг, дающей 12 - фазную систему переменного напряжения, выпрямляемую четырьмя трехфазными мостами. Подобное решение приведено на фигуре 5, для случая параллельного включения мостов.

Из уровня техники известен также двенадцатипульсный выпрямитель с "боковыми" пульсациями, выбранный за основной прототип, и имеющий улучшенные массогабариты благодаря отказу от использования обмотки треугольник. В упомянутом решении используются две вторичные обмотки звездой, при определенном соотношении их витков равном натуральному числу е (приближенно 2,72) и коммутации боковых фронтов полуволн вспомогательного выпрямительного моста с меньшим числом витков. Принципиальная схема такого решения приведена на фигуре 6. На фигуре 7 приведен график напряжений выпрямительных мостов упомянутого выпрямителя с боковыми пульсациями.

К достоинствам такого решения относится простота, и экономия числа витков для того же выходного напряжения, что позволяет уменьшить габариты и стоимость решения. Однако качество выходного напряжения соответствует классическим двенадцатипульсным схемам.

Решение, выбранное за основной прототип, показано на фигуре 8. Из принципиальной схемы видно, что для получения двадцатичетырех пульсаций выходного напряжения, используются два силовых трансформатора, при этом вторичные обмотки группируются в пары, взятые с разных трансформаторов. Поскольку первичная обмотка одного трансформатора включена звездой, а первичная обмотка второго включена треугольником, то образуется 6-фазная система вторичных напряжений, обладающая равным углом сдвига между фазами. Две пары выпрямительных мостов, каждая из которых образует двенадцатипульсную схему выпрямления, соединяются последовательно и согласно между собой, образуя на выходе 24 пульсации выпрямленного напряжения.

Принципиальная схема предлагаемого варианта представлена на фигуре 9. Решение направлено на реализацию двадцатичетырехпульсной схемы выпрямления, с уменьшенным расходом числа витков и соответствующим улучшенными габаритными показателями по сравнению с прототипом. Для этого предлагается соединить все четыре вторичных обмотки по схеме звезда, и расположить на двух трансформаторах (по две вторичные обмотки на каждом), данные вторичные обмотки объединяются в пары, взятые с разных трансформаторов, и напряжения в них имеют фазовое смещение относительно друг друга.

В таком случае, происходит снижение числа витков за счет полного отказа от обмоток по схеме треугольник, и снижение числа используемых обмоток по схеме зигзаг с трех до одной (относительно классической схемы, представленной на фигуре 5).

В предлагаемом решении, показанном на фигуре 9, два трехфазных силовых трансформатора, питаемых от общей трехфазной сети, имеет по две вторичные обмотки каждый. Выпрямительные трехфазные мосты, подключенные к вторичным обмоткам, объединяются в пары - взятые с разных трансформаторов, и оснащаются общей нейтралью. Выпрямительные трехфазные мосты в парах включаются параллельно и согласно, пары мостов между собой - последовательно и согласно.

Особенность предлагаемого решения заключается в следующем. Первичные трехфазные обмотки двух трансформаторов - выполняются по схеме соединения "зигзаг", но имеют разный порядок чередования катушек в схеме соединения обмоток. Это обеспечивает взаимный фазовый сдвиг образуемых во вторичных обмотках напряжений. Таким образом, схема соединения первичной обмотки одного трансформатора обеспечивает фазовый сдвиг +15 градусов относительно питающей сети, а второго - 15 градусов; общий фазовый сдвиг между трансформаторами составляет 30 градусов. На выходе выпрямителя после суммирования напряжения обоих пар трехфазных мостов формируется напряжение с 24 симметричными пульсациями за период питающей сети (фигура 10).

Отличие предлагаемого выпрямителя от прототипа заключается, главным образом, в упрощении технологии изготовления и снижении массы и габаритов, при сохранении 24 пульсаций выпрямленного напряжения.

При предлагаемом варианте выпрямителя силовые полупроводниковые вентили должны быть управляемыми полупроводниковыми приборами (например, полностью управляемыми тиристорами типа IGCT, либо транзисторами типа IGBT). При использовании комплектов полностью управляемых вентилей в обоих парах выпрямительных мостов, становится возможной глубокая регулировка выходного напряжения выпрямителя.

Следует отметить, что технология изготовления и производства являются неотъемлемой частью техники, и также определяют экономическую эффективность внедрения новых решений.

Предлагаемое техническое решение является новым, имеющим следующие принципиальные отличия от прототипа:

- для получения двадцатичетырех пульсаций выходного выпрямленного напряжения используется два полностью идентичных по конструкции трансформатора, являющихся технологически полностью взаимно-заменяемыми;

- применением четырех вторичных обмоток, соединенных звездой, и имеющих взаимный фазовый сдвиг между парами обмоток, расположенными на разных трансформаторах, достигается получение двадцатичетырех симметричных пульсаций выходного напряжения;

- первичные обмотки обоих силовых трансформаторов выполняются по схеме зигзаг, вторичные обмотки объединяются в пары, оснащенные общей нейтралью, а подключенные к парам обмоток выпрямительные мосты включаются параллельно и согласно, при последовательном согласном соединении пар выпрямительных мостов;

- для образования первичных обмоток трансформаторов используются идентичные наборы катушек, отличающиеся только схемой соединения между фазами, выполняемой при сборке и монтаже выпрямителя.

Таким образом, совокупность существенных признаков полезной модели приводит к новому техническому результату - получению выпрямленного напряжения с двадцатичетырьмя пульсациями, при одновременном упрощении конструкции обмоток и уменьшении габаритов. Кроме того, полный отказ от использования трехфазных обмоток включенных треугольником, позволяет не только улучшить габариты, но и избежать возникновения кольцевых уравнительных токов, протекающих в обмотках по схеме треугольник при наличии несимметрии формы или уровня напряжения в трехфазной питающей силовой сети. Решение является наиболее технологичным по сравнению со всеми известными ранее вариантами и обеспечивает одинаковую технологию изготовления обмоток обоих трансформаторов, и их полную взаимную замену.

Краткое описание чертежей. На фигуре 1 изображена схема соединений обмоток трехфазных трансформаторов звездой. На фигуре 2 изображена схема соединений обмоток трехфазных трансформаторов по схеме треугольником. На фигуре 3 изображена схема соединений обмоток трехфазных трансформаторов по схеме зигзаг. На фигуре 4 изображена принципиальная схема классического двенадцатипульсного выпрямителя с параллельным включением мостов. На фигуре 5 изображена принципиальная схема классического двадцатичетырехпульсного выпрямителя с параллельным включением мостов. На фигуре 6 изображена принципиальная схема двенадцатипульсного выпрямителя с "боковыми" пульсациями. На фигуре 7 изображен график работы двенадцатипульсного выпрямителя с "боковыми" пульсациями. Здесь 4 - формируемое вспомогательным мостом напряжение, 5 - формируемое основным мостом напряжение, 6 - выходное напряжение. На фигуре 8 изображена принципиальная схема двадцатичетырехпульсного выпрямителя с "боковыми" пульсациями при соединении первичной обмотки второго трансформатора по схеме треугольник. На фигуре 9 изображена принципиальная схема двадцатичетырехпульсного выпрямителя с "боковыми" пульсациями при соединении первичных обмоток трансформаторов по схеме зигзаг. На фигуре 10 изображен график работы двадцатичетырехпульсного выпрямителя с "боковыми" пульсациями при соединении первичных обмоток трансформаторов по схеме зигзаг. Здесь 4 - напряжение первой пары мостов, 5 - напряжение второй пары мостов, 6 - выходное напряжение. Список использованной литературы.

1. Зиновьев Г.С.Силовая электроника. / Г.С. Зиновьев. - М.: Изд-во Юрайт, 2012. 667 с.

2. Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов. / П.М. Тихомиров -М.: Изд-во Альянс, 2013. 528 с.

3. С.С.Абрамов, Е.Н. Коптяев Двенадцатипульсный выпрямитель // Патент России №144830; 2014. Бюл. №25.

4. Е.Н. Коптяев, В.М. Балашевич, С.С. Абрамов Выпрямитель с боковыми пульсациями для силовой энергетики // Электричество. - 2017. - №7, с. 55-59.

5. Кузнецов К.Б. Уровни напряженностей магнитных полей от высших гармонических составляющих выпрямленного тока. / К.Б. Кузнецов, А.Р. Закирова, И.М. Кирпичникова, Ю.И. Аверьянов // Вестник ЮУрГУ - 2017. - т.17, №3, с. 55-59

6. Коптяев Е.Н. Многопульсный выпрямитель для электроэнергетики / С.С. Абрамов, И.А. Вечеров, М.Л. Ивлев, Е.Н. Коптяев // Научно-технические ведомости Севмашвтуза - 2017. - №2, с. 56-63, опубликовано 29.10.2017

7. Дмитриев Б.Ф. Судовые полупроводниковые преобразователи: учебник. / Б.Ф. Дмитриев, В.М. Рябенький, А.И. Черевко, М.М. Музыка. - Архангельск: Изд-во САФУ, 2015. - 556 с.

Claims (1)

1. Полупроводниковый выпрямитель, содержащий два трехфазных стержневых трансформатора, каждый из которых оснащен одной первичной и двумя вторичными обмотками, упомянутые вторичные обмотки соединяются по схеме "звезда" и объединяются в пары с общей нейтралью, взятые с разных трансформаторов; к парам вторичных обмоток подключаются выпрямительные мосты, включенные параллельно и согласно; пары выпрямительных мостов включаются последовательно и согласно, отличающийся тем, что первичные обмотки обоих трехфазных трансформаторов соединяются по схеме "зигзаг" таким образом, что очередность включения катушек в фазах первичных обмоток упомянутых трансформаторов имеет взаимно обратный порядок.

Images