RU2149495C1

RU2149495C1 - Three-phase ac-to-dc voltage converter

Info

Publication number: RU2149495C1
Application number: RU98110900A
Authority: RU
Inventors: Ю.С. Игольников; С.А. Нестеров
Original assignee: Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарева
Priority date: 1998-06-08
Filing date: 1998-06-08
Publication date: 2000-05-20

Abstract

FIELD: converter engineering; DC and AC power supplies. SUBSTANCE: converter has transformer with primary and secondary windings placed on single-phase non-branched or single-phase branched shell-type magnetic core. Primary winding may be assembled of six similar coils each connected between one of power terminals and neutral conductor through controlled gate. In addition, these coils may have twice as small number of turns interconnected through unlike-polarity terminals and connected to line voltage through pair of controlled gates connected in parallel opposition. Primary winding may be also made as single-phase center- tapped arrangement connected to output of three-armed bridge circuit with center tap connected to neutral conductor. EFFECT: reduced mass and size of converter. 3 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может найти применение для питания потребителей как постоянного, так и переменного тока. The invention relates to the field of converting technology and may find application for supplying consumers with both direct and alternating current.

Широко известны преобразователи трехфазного переменного напряжения в постоянное (см. , например, Полупроводниковые выпрямители. / Под ред. Ф.И. Ковалева и Г.П. Мостковой. М.: Энергия, 1978). Все они, имея различные схемы соединения первичных и вторичных обмоток трансформатора, выполняются исключительно на трехфазном трехстержневом магнитопроводе или на групповом трансформаторе. Как известно, вентильные элементы в этих схемах работают поочередно, пропуская токи определенной длительности. В некоторых схемах, как, например, в трехфазной нулевой и шестифазной нулевой, такой характер пропускания тока вентилями вызывает появление потока вынужденного намагничивания. Кроме того, трансформатор работает на частоте питающей сети, например 50 Гц. Это обуславливает его значительные массогабаритные показатели. Converters of three-phase AC to DC are widely known (see, for example, Semiconductor rectifiers. / Under the editorship of F.I. Kovalev and G.P. Mostkova. M.: Energy, 1978). All of them, having various schemes for connecting the primary and secondary windings of the transformer, are performed exclusively on a three-phase three-core magnetic circuit or on a group transformer. As you know, the valve elements in these circuits operate alternately, passing currents of a certain duration. In some circuits, such as, for example, in three-phase zero and six-phase zero, this type of current transmission by the valves causes the appearance of a forced magnetization flux. In addition, the transformer operates at a mains frequency, for example 50 Hz. This leads to its significant overall dimensions.

Технический эффект заключается в существенном уменьшении массогабаритных показателей. The technical effect consists in a significant reduction in overall dimensions.

Сущность предложения заключается в том, что в преобразователе трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащем трансформатор с первичной и вторичной обмотками, расположенными на магнитопроводе, магнитопровод выполнен однофазным неразветвленным либо однофазным разветвленным броневой конструкции. При этом первичная обмотка может быть выполнена в виде 6 одинаковых секций, каждая из которых соединена между одним из сетевых зажимов и нулевым проводом через управляемый вентильный элемент. Кроме того, эти секции могут быть выполнены со вдвое меньшим числом витков, соединенных между собою разноименными зажимами и подключенных к линейному напряжению сети через пары встречно-параллельно включенных управляемых вентильных элементов. Первичная обмотка может быть также однофазной с отводом от середины и подключена к выходу трехплечей мостовой схемы, а отвод - к нулевому проводу. The essence of the proposal lies in the fact that in a three-phase AC to DC converter containing a transformer with primary and secondary windings located on the magnetic circuit, the magnetic circuit is made of a single-phase unbranched or single-phase branched armored structure. In this case, the primary winding can be made in the form of 6 identical sections, each of which is connected between one of the network terminals and the neutral wire through a controlled valve element. In addition, these sections can be made with half the number of turns connected to each other by opposite clamps and connected to the line voltage of the network through pairs of counter-parallel connected controlled valve elements. The primary winding can also be single-phase with a tap from the middle and connected to the output of a three-arm bridge circuit, and a tap to a neutral wire.

На фиг. 1 показана схема устройства в варианте, когда первичная обмотка выполнена в виде шести отдельных секций, подключенных через управляемые вентильные элементы, например запираемые тиристоры, к 4-проводной трехфазной сети; на фиг. 3 показана векторная диаграмма, поясняющая работу от 4-проводной сети; на фиг. 2 секции включены между собою разноименными выводами и через пары встречно-параллельно включенных управляемых вентильных элементов включены на линейные напряжения трехфазной сети, на фиг. 4 показана векторная диаграмма, иллюстрирующая работу этой схемы; на фиг. 5 приведена схема, когда первичная обмотка выполнена однофазной с отводом от средней точки. In FIG. 1 shows a diagram of a device in an embodiment where the primary winding is made in the form of six separate sections connected via controlled valve elements, such as lockable thyristors, to a 4-wire three-phase network; in FIG. 3 is a vector diagram illustrating operation from a 4-wire network; in FIG. 2 sections are connected to each other with opposite terminals and, through pairs of counter-parallel connected controlled valve elements, are connected to the linear voltages of a three-phase network, in FIG. 4 is a vector diagram illustrating the operation of this circuit; in FIG. 5 shows a diagram when the primary winding is single-phase with tap from the midpoint.

Устройство фиг. 1 содержит трансформатор 1, на неразветвленном магнитопроводе 2 которого размещена первичная обмотка, выполненная в виде шести секций 3-8. Каждая секция включена между одним из сетевых зажимов и нулевым проводом через один из управляемых вентильных элементов, например запираемых тиристоров 10-15. Так, секция 3 первичной обмотки подключена к зажиму А сети и нулевому проводу 0 через элемент 10. При этом, если три секции первичной обмотки подключены одноименными зажимами, например, к анодам, то другие три секции подключены к катодам. Вторичная обмотка 9 подключена к диодному мосту 16, на выходе которого включена нагрузка 17. The device of FIG. 1 contains a transformer 1, on an unbranched magnetic circuit 2 of which is placed the primary winding, made in the form of six sections 3-8. Each section is connected between one of the network terminals and the neutral wire through one of the controlled valve elements, for example, lockable thyristors 10-15. So, section 3 of the primary winding is connected to terminal A of the network and the zero wire 0 through element 10. Moreover, if three sections of the primary winding are connected by the same terminals, for example, to the anodes, then the other three sections are connected to the cathodes. The secondary winding 9 is connected to the diode bridge 16, the output of which is connected to the load 17.

В преобразователе фиг. 2 секции 3-8 трансформатора 1 соединены между собою разноименными зажимами и через пары встречно-параллельно соединенных управляемых вентильных элементов 12-23 подключены к линейным напряжениям сети U_AB, U_BC и U_CA.In the converter of FIG. 2 sections 3-8 of the transformer 1 are interconnected by unlike clamps and through pairs of counter-parallel connected controlled valve elements 12-23 are connected to the line voltage of the network U _AB , U _BC and U _CA.

В преобразователе фиг. 5 первичная обмотка 7 выполнена в виде двух секций ax и xa₁, соединенных встречно и подключенных к выходу трехфазной мостовой схемы на управляемых вентильных элементах 1-6. Во всех случаях вторичная обмотка подключена к неуправляемому диодному мосту, на выходе которого включена нагрузка.In the converter of FIG. 5, the primary winding 7 is made in the form of two sections ax and xa ₁ , connected in the opposite direction and connected to the output of a three-phase bridge circuit on controlled valve elements 1-6. In all cases, the secondary winding is connected to an uncontrolled diode bridge, the output of which is connected to the load.

Работа схем фиг. 1, 5 происходит в соответствии с векторной диаграммой фиг. 3. Как видно из векторной диаграммы, протекание тока через вентильные элементы осуществляется в соответствии с порядком следования фазных напряжений сети U_A-U_Z-U_B-U_X-U_C-U_Y. Так, для схемы фиг. 1 под действием фазного напряжения U_A ток протекает от зажима фазы A сети через секцию 3 первичной обмотки трансформатора 1, вентильный элемент 10, нулевой провод и к зажиму 0 сети. Через 60 эл.град. вступает в действие другое фазное напряжение U_Z. При этом полностью управляемый вентильный элемент 10 выключается, а включается вентильный элемент 15, и ток проходит от нулевого провода через вентильный элемент 15, секцию 8 обмотки к зажиму фазы C. Следует отметить, что если при работе от фазного напряжения U_A ток направлен в один зажим первичной обмотки, например "начало", то при работе от фазного напряжения U_Z - в другой зажим, т.е. "конец". Таким образом происходит перемагничивание магнитопровода 2 трансформатора 1. За период частоты напряжения сети происходит троекратное изменение направления перемагничивания и направления магнитного потока, в связи с чем на вторичной обмотке 9 индуцируется напряжение тройной частоты. Это напряжение выпрямляется с помощью мостовой схемы 16, и на нагрузке 17 получается напряжение с 6-кратной частотой пульсаций по отношению к напряжению питающей сети.The operation of the circuits of FIG. 1, 5 occurs in accordance with the vector diagram of FIG. 3. As can be seen from the vector diagram, the flow of current through the valve elements is carried out in accordance with the sequence of phase voltage of the network U _A -U _Z -U _B -U _X -U _C -U _Y. So, for the circuit of FIG. 1, under the action of a phase voltage U _{A, the} current flows from the terminal of phase A of the network through section 3 of the primary winding of transformer 1, valve element 10, neutral wire and to terminal 0 of the network. After 60 el. another phase voltage U _Z takes effect. In this case, the fully controllable valve element 10 is turned off, and the valve element 15 is turned on, and the current passes from the neutral wire through the valve element 15, section 8 of the winding to the terminal of phase C. It should be noted that if during operation from the phase voltage U _{A the} current is directed to one clamp of the primary winding, for example, "start", then when working from phase voltage U _Z - to another clamp, i.e. "end". Thus, the magnetization reversal of the magnetic circuit 2 of the transformer 1. During the period of the frequency of the voltage of the network there is a three-fold change in the direction of magnetization reversal and the direction of the magnetic flux, in connection with which the voltage of the triple frequency is induced on the secondary winding 9. This voltage is rectified using a bridge circuit 16, and a load of 17 produces a voltage with a 6-fold ripple frequency with respect to the supply voltage.

В схеме фиг. 5 в соответствии в векторной диаграммой фиг.3 процессы протекают аналогично. Однако здесь трансформатор имеет только одну первичную обмотку, состоящую и двух полуобмоток ax и xa₁, включенных встречно. Под действием фазного напряжения U_A (фиг. 3) ток протекает от зажима фазы A сети через вентильный элемент 1, половину первичной обмотки 7 ax, нулевой провод к зажиму 0 сети. Через 60 эл. град. вентильный элемент 1 принудительно выключается, после чего включается вентильный элемент 6, и ток начинает проходить от нулевого провода через полуобмотку xa₁, вентильный элемент 6 к зажиму фазы C сети. Затем вентильный элемент 6 выключается, а 3 включается в соответствии с векторной диаграммой. Вновь вступает в работу полуобмотка ax. При включении очередного вентильного элемента в соответствии с векторной диаграммой фиг. 3 происходит перемагничивание магнитопровода аналогично описанному выше. На выходе вторичной обмотки 8 также получается напряжение тройной частоты, а на нагрузке 10 моста 9 - выпрямленное напряжение с 6-кратной частотой пульсаций.In the circuit of FIG. 5 in accordance with the vector diagram of FIG. 3, the processes proceed similarly. However, here the transformer has only one primary winding, consisting of two half windings ax and xa ₁ , included in the opposite direction. Under the action of the phase voltage U _A (Fig. 3), the current flows from the terminal of phase A of the network through the valve element 1, half of the primary winding 7 ax, neutral wire to terminal 0 of the network. After 60 email hail. the valve element 1 is forced off, after which the valve element 6 is turned on, and the current begins to flow from the neutral wire through the half-winding xa ₁ , the valve element 6 to the phase C terminal of the network. Then the valve element 6 is turned off, and 3 is turned on in accordance with the vector diagram. The semi-winding ax. When the next valve element is turned on in accordance with the vector diagram of FIG. 3, magnetization reversal occurs as described above. At the output of the secondary winding 8, a triple frequency voltage is also obtained, and at the load 10 of the bridge 9, a rectified voltage with a 6-fold ripple frequency is obtained.

Работа схемы фиг. 2 происходит в соответствии с векторной диаграммой фиг. 4. Под действием линейного напряжения U_AB ток проводят вентильные элементы 12 и 19, через 60 эл.град. эти два вентильных элемента запираются, а открываются вентильные элементы 14 и 21. Под действием напряжения U_AC ток проходит от зажима A сети через обмотку 4, вентильные элементы 14 и 21, обмотку 7 к зажиму C сети. При этом происходит перемагничивание магнитопровода 2 в противоположном направлении по сравнению с тем, когда действовало напряжение U_AB. В дальнейшем порядок включения вентильных элементов определяется векторной диаграммой фиг. 4. Каждый из вентильных элементов этой схемы проводит 60 эл.град. На выходе вторичной обмотки 9 также получается напряжение тройной частоты, а на выходе моста 10 - постоянное напряжение с 6-кратной частотой пульсаций.The operation of the circuit of FIG. 2 occurs in accordance with the vector diagram of FIG. 4. Under the influence of the linear voltage U _{AB, the} current flow is carried out by the valve elements 12 and 19, through 60 el. these two valve elements are locked, and the valve elements 14 and 21 are opened. Under the action of voltage U _AC, current flows from terminal A of the network through winding 4, valve elements 14 and 21, winding 7 to terminal C of the network. When this occurs, the magnetization reversal of the magnetic circuit 2 in the opposite direction compared to when the voltage U _{AB was} acting. Subsequently, the order of inclusion of the valve elements is determined by the vector diagram of FIG. 4. Each of the valve elements of this circuit conducts 60 electrical degrees. At the output of the secondary winding 9, a triple frequency voltage is also obtained, and at the output of the bridge 10, a constant voltage with a 6-fold ripple frequency is obtained.

Таким образом, во всех схемах осуществляется перемагничивание сердечника магнитопровода через 60 эл.град., что позволяет получить на вторичной обмотке напряжение тройной частоты и снизить массогабаритные показатели трансформатора преобразователя. Thus, in all circuits the magnetization reversal of the core of the magnetic circuit is carried out through 60 electric degrees, which makes it possible to obtain triple frequency voltage on the secondary winding and reduce the overall dimensions of the transformer of the converter.

Claims

1. A three-phase AC to DC converter containing a transformer with primary and secondary windings located on a single-phase unbranched magnetic circuit, the primary winding made in the form of sections, each of which is connected to a four-wire three-phase network through a controlled valve element, and the secondary winding is connected to the circuit rectification, characterized in that the sections of the primary winding are connected counterclockwise.

2. The Converter according to claim 1, characterized in that the primary winding is divided into 6 sections, each of which is connected between one of the network terminals and the neutral wire through a controlled valve element, and if three of the same terminal clamps of the winding section are connected to one power electrode of the controlled valve elements, then three other clamps of the same name are connected to other power electrodes of these elements.

3. The Converter according to claim 1, characterized in that the primary winding is made in the form of two sections connected in opposite, the common point of which is connected to the neutral wire, and the winding itself is connected to the output of the bridge circuit on controlled valve elements, the input of which is connected to the three-phase terminals network.