RU2587463C2

RU2587463C2 - Converter of three-phase ac voltage into dc

Info

Publication number: RU2587463C2
Application number: RU2015120848/07A
Authority: RU
Inventors: Ариф Гасан оглы Аслан-заде
Original assignee: Ариф Гасан оглы Аслан-заде
Priority date: 2015-06-01
Filing date: 2015-06-01
Publication date: 2016-06-20
Also published as: RU2015120848A

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering and can be used in converters of three-phase AC voltage into DC 9-pulse with reduction of all types of transformer magnetisation and equal angles of switching valves. Converter comprises three-phase transformer with three groups of secondary phase windings, each connected into a star. Lead of each phase winding of first is connected to similar electrodes of valves, other electrodes of which are connected to free similar to it leads of different phase windings of second group and free different with it lead of similar phase winding of third group. Number of turns of phase winding of second group is equal to 1.8794·w, and number of turns of phase winding of third group is equal to 1.5321·w, where w is number of turns of phase winding of first group. Transformer further comprises fourth and fifth groups of secondary phase windings, each connected into an open triangle. Common point of similar leads of second group of phase windings is connected with similar to it extreme lead of phase winding of fourth group. Common point of similar leads of third group of phase windings is connected with similar to it extreme lead of phase winding of fifth group. Common point of free extreme leads of phase windings of fourth and fifth groups and common point of similar leads of phase windings of first group form output leads. Phase winding of fourth group consists of main and additional parts. Number of turns of fifth group and main part of phase winding of fourth group is equal to 0.844·w and 0.2931·w, respectively. Additional part of phase winding of fourth group consists of a pair of equal anti-parallel connected parts, number of windings of each of which is equal to 0.21756·w.

EFFECT: technical result is absence of all types of transformer magnetisation and equal angles of switching valves.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для преобразования трехфазного переменного напряжения в постоянное, 9-пульсное с купированием всех видов намагничивания трансформатора и равными углами коммутации вентилей.The invention relates to electrical engineering and can be used to convert a three-phase AC voltage to a constant, 9-pulse with stopping all types of magnetization of the transformer and equal switching angles of the valves.

Известен трехфазный однотактный преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий трехфазный трансформатор, первичная и вторичная обмотки которого, каждая, соединены в звезду, группу вентилей, соединенных в звезду и подключенных к вторичной обмотке, и дополнительную трехфазную обмотку, соединенную в разомкнутый треугольник, один конец которой подключен к общей точке звезды вторичной обмотки, а другой - к одному из выходных выводов, причем выходной вывод образован общей точкой вентильной группы, витки каждой фазы указанной дополнительной обмотки расположены на соответствующем стержне указанного трансформатора встречно виткам вторичной обмотки, причем число витков дополнительной обмотки в каждой фазе относится к числу витков вторичной обмотки этой же фазы как 1:3 (см. А.С. №797023, кл. H02M 7/12, 1978).Known three-phase single-phase AC to DC converter containing a three-phase transformer, the primary and secondary windings of which are each connected to a star, a group of valves connected to a star and connected to a secondary winding, and an additional three-phase winding connected to an open triangle, one end of which connected to the common point of the star of the secondary winding, and the other to one of the output terminals, and the output terminal is formed by a common point of the valve group, the turns of each phase are indicated th additional windings are located on the corresponding rod of the specified transformer opposite the turns of the secondary winding, and the number of turns of the additional winding in each phase refers to the number of turns of the secondary winding of the same phase as 1: 3 (see AS No. 797023, class H02M 7 / 12, 1978).

Недостатком этого преобразователя является то, что через обмотку трансформатора, соединенную в разомкнутый треугольник, в течение периода напряжения замыкается весь ток нагрузки, что увеличивает сечение и, тем самым, мощность этой обмотки.The disadvantage of this converter is that through the transformer winding connected in an open triangle, the entire load current is closed during the voltage period, which increases the cross section and, thereby, the power of this winding.

Совокупность причин, препятствующих получению требуемого технического результата, заключается в том, что преобразователь имеет неразветвленную относительно нагрузки систему выпрямляемых токов при периодичности выпрямления m=3.The set of reasons that impede the achievement of the required technical result is that the converter has a rectified current system unbranched relative to the load with a rectification frequency of m = 3.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению (прототип) является преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащий трехфазный трансформатор с тремя группами вторичных фазных обмоток, соединенных первая в трехфазную звезду, а вторая и третья - в шестифазную звезду, свободный вывод каждой фазной обмотки первой группы подключен к одноименным электродам вентилей, другие электроды которых соединены с одноименными свободными выводами разноименных фазных обмоток второй группы и с разноименным свободным выводом одноименной фазной обмотки третьей группы, упомянутые свободные выводы первой и второй с третьей групп обмоток подключены соответственно к катодам анодной и анодам катодной групп вентилей, общие точки электродов которых образуют выходные выводы, причем число витков фазной обмотки второй группы равно 1,8794·w, а число витков фазной обмотки третьей группы - 1,5321·w, где w - число витков фазной обмотки первой группы (см. А.С. №520678, кл. H02M 7/08, 1973).Closest to the proposed technical solution (prototype) is a three-phase AC to DC converter containing a three-phase transformer with three groups of secondary phase windings connected to the first three-phase star and the second and third to six-phase star, the free output of each phase winding of the first group is connected to the same valve electrodes, the other electrodes of which are connected with the same terminals of the opposite phase windings of the second group and with the opposite the output of the same phase winding of the third group, the aforementioned free terminals of the first and second from the third groups of windings are connected respectively to the cathodes of the anode and anodes of the cathode groups of valves, the common points of the electrodes of which form the output terminals, and the number of turns of the phase winding of the second group is 1.8794 · w, and the number of turns of the phase winding of the third group is 1.5321 · w, where w is the number of turns of the phase winding of the first group (see AS No. 520678, cl. H02M 7/08, 1973).

Недостатком этого преобразователя, обеспечивающего двухполупериодное 18-пульсное выпрямление, является неуравновешенность магнитной системы трансформатора по переменному магнитному потоку, в случае соединения его первичной обмотки в звезду. Особенностью эксплуатации этого преобразователя является возможность получения 9-пульсного однополупериодного выпрямления путем простого переключения его выходных выводов от общих точек электродов катодной и анодной групп вентилей к общим точкам трехфазной и шестифазной звезд. В этом случае имеет место неуравновешенность магнитной системы трансформатора не только по переменному, но и по постоянному магнитному потоку. Кроме того, преобразователь характеризуется неравными углами коммутации вентилей, т.к. имеет неравные реактансы вентильных цепей, один из которых в 9-пульсном (18-пульсном) исполнении участвует в случае замыкания выпрямленного тока через обмотки первой и второй групп, а другой - через обмотки первой и третьей (всех) групп.The disadvantage of this converter, which provides biannual 18-pulse rectification, is the imbalance of the magnetic system of the transformer with respect to alternating magnetic flux, if its primary winding is connected to a star. A feature of the operation of this converter is the possibility of obtaining a 9-pulse half-wave rectification by simply switching its output terminals from the common points of the electrodes of the cathode and anode groups of valves to the common points of three-phase and six-phase stars. In this case, there is an imbalance in the magnetic system of the transformer not only in the variable, but also in the constant magnetic flux. In addition, the converter is characterized by unequal switching angles of the valves, because has unequal reactance of the valve circuits, one of which in the 9-pulse (18-pulse) design is involved in the case of rectified current closure through the windings of the first and second groups, and the other through the windings of the first and third (all) groups.

Совокупность причин, препятствующих получению требуемого технического результата, заключается в противоречии между стремлением получить указанное выпрямление с минимально возможным количеством вторичных обмоток на одном трансформаторе с одной стороны и отсутствием всех видов его намагничивания при равенстве углов коммутации вентилей с другой.The set of reasons that impede the achievement of the required technical result lies in the contradiction between the desire to obtain the specified rectification with the minimum possible number of secondary windings on one transformer on the one hand and the absence of all types of magnetization with the equality of the switching angles of the valves on the other.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, заключается в формировании 9-фазной системы выпрямляемых напряжений с купированием всех видов намагничивания трехфазного трансформатора и равенстве углов коммутации вентилей.The problem to which the proposed technical solution is directed is to form a 9-phase rectified voltage system with stopping all types of magnetization of a three-phase transformer and equality of valve switching angles.

Эта задача решается тем, что в преобразователе трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащем трехфазный трансформатор с тремя группами вторичных фазных обмоток, соединенных каждая в звезду, вывод каждой фазной обмотки первой из которых подключен к одноименным электродам вентилей, другие электроды которых подключены к свободным одноименным с ним выводам разноименных фазных обмоток второй группы и свободному разноименному с ним выводу одноименной фазной обмотки третьей группы, причем число витков фазной обмотки второй группы равно 1,8794·w, а число витков фазной обмотки третьей группы - 1,5321·w, где w - число витков фазной обмотки первой группы, трансформатор дополнительно содержит четвертую и пятую группы вторичных фазных обмоток, соединенных каждая в разомкнутый треугольник, общая точка одноименных выводов второй группы фазных обмоток соединена с одноименным с ней крайним выводом фазной обмотки четвертой группы, общая точка одноименных выводов третьей группы фазных обмоток соединена с одноименным с ней крайним выводом фазной обмотки пятой группы, общая точка свободных крайних выводов фазных обмоток четвертой и пятой групп и общая точка одноименных выводов фазных обмоток первой группы образуют выходные выводы, причем фазная обмотка четвертой группы состоит из основной и дополнительной части, число витков фазной обмотки пятой группы и основной части фазной обмотки четвертой группы соответственно равно 0,844·w и 0,2931·w, а дополнительная часть фазной обмотки четвертой группы состоит из пары равных встречно последовательно соединенных частей, число витков каждой из которых равно 0,21756·w.This problem is solved in that in a three-phase AC to DC converter, containing a three-phase transformer with three groups of secondary phase windings, each connected to a star, the output of each phase winding of the first one is connected to the valve electrodes of the same name, the other electrodes of which are connected to free the conclusions of the opposite phase windings of the second group and the free terminal of the same name with the same phase winding of the third group, the number of turns of the phase winding of the second g uppp is equal to 1.8794 · w, and the number of turns of the phase winding of the third group is 1.5321 · w, where w is the number of turns of the phase winding of the first group, the transformer additionally contains the fourth and fifth groups of secondary phase windings, each connected into an open triangle, the total the point of the same terminals of the second group of phase windings is connected to the same terminal end of the phase winding of the fourth group, the common point of the same conclusions of the third group of phase windings is connected to the same terminal with the terminal of the phase winding of the fifth group, common point the free extreme terminals of the phase windings of the fourth and fifth groups and the common point of the same terminals of the phase windings of the first group form the output conclusions, the phase winding of the fourth group consisting of the main and additional parts, the number of turns of the phase winding of the fifth group and the main part of the phase winding of the fourth group, respectively, is 0.844 · w and 0.2931 · w, and the additional part of the phase winding of the fourth group consists of a pair of equal counter-connected parts, the number of turns of each of which is 0.21756 · w.

Технический результат заключается в формировании 9-фазной системы выпрямляемых напряжений с купированием всех видов намагничивания трехфазного трансформатора и равенстве углов коммутации вентилей. Дополнительный технический результат заключается в уменьшении сечения и, тем самым, суммарной мощности обмоток разомкнутых треугольников относительно аналога (А.С. №797023) за счет формирования разветвленной относительно нагрузки системы выпрямляемых напряжений и токов при периодичности выпрямления m=9.The technical result consists in the formation of a 9-phase rectified voltage system with stopping all types of magnetization of a three-phase transformer and equality of valve switching angles. An additional technical result is to reduce the cross section and, thereby, the total power of the windings of open triangles relative to the analogue (A.S. No. 797023) due to the formation of a ramified system of rectified voltages and currents with respect to load with rectification frequency m = 9.

На чертеже приведена принципиальная схема преобразователя трехфазного переменного напряжения в 9-пульсное.The drawing shows a schematic diagram of a converter of three-phase AC to 9-pulse.

Преобразователь содержит вентили 1-9 и выполнен на трехфазном трансформаторе 10, первичная обмотка 11 которого соединена в звезду и подключена к фазным входным выводам A, B, C. Трансформатор 10 содержит пять вторичных групп трехфазных обмоток 12-16, первая из которых 12 с числом витков w₁=w соединена в звезду с общей точкой начал. Концы фаз a ₁, b₁, c₁ обмотки 12 подключены соответственно к анодам вентилей 1, 2, 9; 3, 4, 5 и 6, 7, 8. Общие точки катодов вентилей 5, 6; 8, 9 и 2, 3 подключены соответственно к концам фаз a ₂, b₂, c₂ обмотки 13 (вторая группа с числом витков w₂), а катоды вентилей 1, 4, 7 - к началам фаз a ₃, b₃, c₃ обмотки 14 (третья группа с числом витков w₃). Общая точка начал обмотки 13 соединена с началом фазы a ₄ основной части обмотки 16 (четвертая группа с числом витков w₄), конец которой соединен с парой равных встречно последовательно соединенных дополнительных частей

и

той же фазы обмотки 16, т.е. конец (начало) фазы

соединен с концом фазы a ₄ (началом фазы

). Основные и дополнительные части обмотки 16 соединены в общий разомкнутый треугольник. Общая точка концов обмотки 14 соединена с концом фазы c₅ обмотки 15 (пятая группа с числом витков w₅), соединенной в разомкнутый треугольник. Конец фазы

обмотки 16 и начало фазы a ₅ обмотки 15 образуют плюсовой выходной вывод 17 преобразователя, а общая точка начал обмотки 12 - минусовой выходной вывод 18. Число витков фазной обмотки второй группы 13 равно 1,8794·w, число витков фазной обмотки третьей группы 14 равно 1,5321·w, число витков фазной обмотки пятой группы 15 и основной части фазной обмотки четвертой группы 16 соответственно равно 0,844·w и 0,2931·w. Дополнительная часть фазной обмотки четвертой группы 16 состоит из пары равных встречно последовательно соединенных частей, число витков каждой из которых равно 0,21756·w, где w=w₁ - число витков фазной обмотки первой группы 12.The converter contains valves 1-9 and is made on a three-phase transformer 10, the primary winding 11 of which is connected to a star and connected to the phase input terminals A, B, C. The transformer 10 contains five secondary groups of three-phase windings 12-16, the first of which is 12 with a number turns w ₁ = w connected in a star with a common point of origin. The ends of the phases a ₁ , b ₁ , c _{1 of the} winding 12 are connected respectively to the anodes of the valves 1, 2, 9; 3, 4, 5 and 6, 7, 8. Common points of the cathodes of valves 5, 6; 8, 9 and 2, 3 are connected respectively to the ends of phases a ₂ , b ₂ , c _{2 of} winding 13 (the second group with the number of turns w ₂ ), and the cathodes of valves 1, 4, 7 are connected to the beginnings of phases a ₃ , b ₃ , ₃ c winding 14 (third group with the number of turns w _3). The common point of the beginning of the winding 13 is connected to the beginning of phase a _{4 of the} main part of the winding 16 (the fourth group with the number of turns w ₄ ), the end of which is connected to a pair of equal counter-connected additional parts

and

the same phase of the winding 16, i.e. end (beginning) of the phase

connected to the end of phase a ₄ (the beginning of the phase

) The main and additional parts of the winding 16 are connected into a common open triangle. The common point of the ends of the winding 14 is connected to the end of phase c _{5 of the} winding 15 (the fifth group with the number of turns w ₅ ) connected to an open triangle. End of phase

windings 16 and the beginning of phase a _{5 of} winding 15 form the positive output terminal 17 of the converter, and the common point of the beginning of winding 12 is the negative output terminal 18. The number of turns of the phase winding of the second group 13 is 1.8794 · w, the number of turns of the phase winding of the third group 14 is 1.5321 · w, the number of turns of the phase winding of the fifth group 15 and the main part of the phase winding of the fourth group 16, respectively, is equal to 0.844 · w and 0.2931 · w. An additional part of the phase winding of the fourth group 16 consists of a pair of equal counter-connected parts, the number of turns of each of which is 0.21756 · w, where w = w ₁ is the number of turns of the phase winding of the first group 12.

Очередность работы вентилей соответствует их нумерации. В случае замыкания тока нагрузки через вентили 1, 4, 7 каждое из трех выпрямляемых напряжений формируется суммированием напряжений двух одноименных фаз обмоток 12 и 14. В случае замыкания тока нагрузки через вентили 2, 3, 5, 6, 8, 9 каждое из шести выпрямляемых напряжений формируется суммированием напряжений двух разноименных фаз обмоток 12 и 13. Поэтому в первом случае число витков обмотки 15 равно трети от суммы чисел витков обмоток 12 и 14, а во втором - число витков основной части обмотки 16 равно трети от разности чисел витков обмоток 13 и 12. Тем самым создаются условия для компенсирующего воздействия обмотки 15 и основной части обмотки 16 на потоки постоянного и переменного намагничивания трансформатора, т.к. при этом обеспечивается равенство нулю суммы ампер-витков первичных фазных обмоток в каждом интервале дискретности, а также среднего значения магнитного потока в каждом стержне магнитопровода.The sequence of operation of the valves corresponds to their numbering. In the case of short circuit of the load current through valves 1, 4, 7, each of the three rectified voltages is formed by summing the voltages of the two phases of the same windings 12 and 14. In the case of short circuit of the load current through valves 2, 3, 5, 6, 8, 9, each of the six rectified voltage is formed by summing the voltages of the two opposite phases of the windings 12 and 13. Therefore, in the first case, the number of turns of the winding 15 is one third of the sum of the number of turns of the windings 12 and 14, and in the second case, the number of turns of the main part of the winding 16 is equal to one third of the difference in the number of turns of the windings 13 and 12. Thus, with conditions are created for the compensating effect of the winding 15 and the main part of the winding 16 on the flows of constant and variable magnetization of the transformer, because this ensures that the sum of the ampere-turns of the primary phase windings is equal to zero in each discrete interval, as well as the average value of the magnetic flux in each core of the magnetic circuit.

Поверочный расчет мощности обмоток 15 и 16 показывает, что мощность обмотки 15 пропорциональна $2,5321 \cdot \sqrt{\frac{3}{9}} \cdot w \cdot I_{d}$

, а мощность основной части обмотки 16 пропорциональна

0,8794 \cdot \sqrt{\frac{6}{9}} \cdot w \cdot I_{d}

, где знаменатель подкоренной дроби учитывает число тактов выпрямления, числитель - угол проводимости обмотки, а I_d - ток нагрузки. Verification calculation of the power of the windings 15 and 16 shows that the power of the winding 15 is proportional

2,5321 \cdot \sqrt{\frac{3}{9}} \cdot w \cdot I_{d}

, and the power of the main part of the winding 16 is proportional

0.8794 \cdot \sqrt{\frac{6}{9}} \cdot w \cdot I_{d}

, where the denominator of the root fraction takes into account the number of rectification cycles, the numerator is the angle of conductivity of the winding, and I _d is the load current.

Сумма мощностей обмотки 15 и основной части обмотки 16 пропорциональна 2,1799·w·I_d. Это на ~14% меньше, чем если бы в преобразователе с разомкнутым треугольником с числом витков каждой его фазной обмотки 0,844·w, составляющим треть от числа витков условной вторичной фазной обмотки, отсутствовало формирование разветвленной относительно нагрузки системы выпрямляемых напряжений и токов при условной периодичности m=9. Мощность обмотки этого треугольника была бы пропорциональна $2,5321 \cdot \sqrt{\frac{9}{9}} \cdot w \cdot I_{d} = 2,5321 \cdot w \cdot I_{d}$

. При указанном разветвлении на долю основной части обмотки 16 приходится купирование только меньшей части мощности, отдаваемой в нагрузку обмотками 12, 13, т.к. ее большая часть (пропорциональная

\sqrt{\frac{6}{9}} \cdot w \cdot I_{d}

) не приводит к неуравновешенности магнитной системы трансформатора.The sum of the power of the winding 15 and the main part of the winding 16 is proportional to 2.1799 · w · I _d . This is ~ 14% less than if an inverter with an open triangle with the number of turns of each of its phase windings 0.844 · w, which is one third of the number of turns of the conditional secondary phase winding, there was no formation of a system of rectified voltages and currents branched relative to the load with a conditional periodicity m = 9. The winding power of this triangle would be proportional

2,5321 \cdot \sqrt{\frac{9}{9}} \cdot w \cdot I_{d} = 2,5321 \cdot w \cdot I_{d}

. With the specified branching, the share of the main part of the winding 16 accounts for the stopping of only a smaller part of the power given to the load by the windings 12, 13, because most of it (proportional

\sqrt{\frac{6}{9}} \cdot w \cdot I_{d}

) does not lead to an imbalance in the magnetic system of the transformer.

Наличие дополнительной части обмотки 16 предназначено только для компенсации неравенства реактансов и, вследствие встречно последовательного соединения ее равных по числу витков составных частей, на основных соотношениях схемы, относящихся к купированию всех видов намагничивания, не отражается. Дополнительная часть обмотки 16 вносит в работу преобразователя качественно новую функцию по устранению неравенства углов коммутации вентилей.The presence of an additional part of the winding 16 is intended only to compensate for the inequality of the reactants and, due to the counter-sequential connection of its equal in number of turns of the components, the main relations of the circuit relating to the stopping of all types of magnetization are not reflected. An additional part of the winding 16 introduces a completely new function to the converter to eliminate the inequality of the switching angles of the valves.

Обмотка 15 и основная часть обмотки 16, т.е. без ее дополнительной части, с тем же соотношением чисел витков и с таким же подключением между общими точками обмоток 13, 14 могут быть применены для компенсации переменного потока намагничивания в вышеуказанном прототипе, в случае 18-пульсного двухполупериодного режима выпрямления. Для этого, как и в прототипе, концы обмотки 12 подключаются к катодам анодной группы вентилей, а концы обмотки 13 и начала обмотки 14 - к анодам катодной группы вентилей, общие точки разноименных электродов которых образуют другую пару выходных выводов. Это позволяет соединить первичную обмотку трансформатора в звезду, а не в треугольник, но еще больше увеличивает неравенство углов коммутации вентилей без возможности его обнуления дополнительной частью обмотки 16, использование которой в этом случае создает обратный эффект.The winding 15 and the main part of the winding 16, i.e. without its additional part, with the same ratio of the number of turns and with the same connection between the common points of the windings 13, 14 can be used to compensate for the alternating magnetization flux in the above prototype, in the case of an 18-pulse two-half-wave rectification mode. For this, as in the prototype, the ends of the winding 12 are connected to the cathodes of the anode group of valves, and the ends of the winding 13 and the beginning of the winding 14 are connected to the anodes of the cathode group of valves, the common points of unlike electrodes of which form another pair of output terminals. This allows you to connect the primary winding of the transformer into a star, rather than a triangle, but further increases the inequality of the switching angles of the valves without the possibility of zeroing it with an additional part of the winding 16, the use of which in this case creates the opposite effect.

Claims

A three-phase AC to DC converter, containing a three-phase transformer with three groups of secondary phase windings, each connected to a star, the output of each phase winding of the first of which is connected to the same valve electrodes, the other electrodes of which are connected to the terminals of the opposite phase windings of the same name of the second group and a free terminal of the same name with the third phase winding of the same name, the number of turns of the phase winding of the second group being equal to 1.8794 · w, and the number of turns in the phase winding of the third group - 1.5321 · w, where w is the number of turns of the phase winding of the first group, characterized in that the transformer further comprises a fourth and fifth group of secondary phase windings, each connected to an open triangle, a common point of the same terminals of the second phase group the windings are connected to the terminal terminal of the fourth winding of the fourth group of the same name, the common point of the same terminals of the third group of phase windings is connected to the terminal of the same name of the fifth phase of the winding, the common point is free the bottom extreme terminals of the phase windings of the fourth and fifth groups and the common point of the same terminals of the phase windings of the first group form the output terminals, the phase winding of the fourth group consisting of the main and additional parts, the number of turns of the phase winding of the fifth group and the main part of the phase winding of the fourth group, respectively, 0.844 · W and 0.2931 · w, and the additional part of the phase winding of the fourth group consists of a pair of equal counter-connected parts, the number of turns of each of which is 0.21756 · w.