Технические науки/6. Электротехника и радиоэлектроника

К.т.н. Игольников Ю.С., аспирант кафедры теоретической и общей электротехники Чукмаров М.Н.

Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева, Россия, Саранск

Двенадцатипульсный выпрямитель с кольцевой вентильной схемой

Кольцевая схема выпрямления, обеспечивающая шестикратную частоту пульсаций выпрямленного напряжения [1] нашла широкое применение в сварочных аппаратах, зарядных устройствах и в других потребителях.

За последние годы появилось много разработок схем выпрямления, вентильная часть которых выполнена по кольцевой схеме. Среди них в [2] обращено внимание на двенадцатипульсный выпрямитель с кольцевой вентильной схемой, приведенной в патенте одного из авторов настоящей статьи [3]. Схема этого выпрямителя приведена на рисунке 1 и содержит два трехфазных трансформатора Тр1 и Тр2, первичная обмотка одного из которых соединена в звезду, а второго – в треугольник. Вторичные обмотки этих трансформаторов соединены в шестифазную звезду с доступной нулевой точкой. Вентили V1-V12, попарно образующие встречно- последовательно включенные пары вентилей, соединены в одну замкнутую цепь и соответствуют кольцевой схеме.

Рис. 1 – Схема двенадцатипульсного выпрямителя с кольцевой вентильной схемой

Каждая фаза вторичной обмотки одной шестифазной системы подключена к объединенным анодам двух вентилей, через которые она соединена с двумя фазами вторичных обмоток второй шестифазной системы, имеющими относительный фазовый сдвиг 180±30 эл. градусов. Так фаза «а» трансформатора Тр1 через вентиль V2 соединена с фазой «x’» трансформатора Тр2, а фаза «x» этого транформатора через вентиль V7 с фазой «y’» трансформатора Тр2. Аналогично фаза «с» трансформатора Тр1 через вентиль V10 соединена с фазой «z’» трансформатора Тр2. Указанные соединения реализуются в соответствии с векторной диаграммой (рис. 2), на которой обозначения напряжений векторов соответствуют фазным напряжениям вторичных обмоток трансформаторов Тр1 и Тр2.

Рис. 2 – Векторная диаграмма.

Работа схемы происходит следующим образом. Пусть в первый момент времени (рис. 3) работают фазы обмоток «а» и «b’» как имеющие наибольшую разность потенциалов, напряжение которых соответствует вектору U’_ф. При этом ток нагрузки будет проходить по цепи: фаза обмотки «а», вентиль V1, фаза обмотки «b’» , нулевая точка 0’ трансформатора Тр2, нагрузка z_н. В момент времени t₁, происходит коммутация тока с вентиля V1 на вентиль V2, поскольку начиная с этого момента, наиболее отрицательное мгновенное значение имеет фаза обмотки «x’». Через 30 эл. град. после момента t1 происходит коммутация тока с фазы обмотки «а» на фазу обмотки «z», и ток будет проводить вентиль V3. При этом ток нагрузки будет протекать по цепи: фаза обмотки «z», вентиль V3, фаза обмотки «x’», нулевая точка 0’ трансформатора Тр2, нагрузка z_н и нулевая точка 0 трансформатора Тр1.

Рис. 3 – Фрагменты мгновенных значений напряжений вторичных обмоток.

Таким образом каждый вентиль проводит ток в течение 30 эл. град., а каждая вторичная обмотка – в течение 60 эл. град. В связи с тем, что действующее значение напряжения всех вторичных обмоток трансформаторов должно быть одинаково, а первичные обмотки имеют разное соединение (одного звездой, второго – в треугольник), коэффициенты трансформации их должны отличаться в √3 раз.

Следует заметить, что аналогично может быть выполнен и выпрямитель, обеспечивающий многопульсный режим выпрямления, кратный 6 (больше 12) при наличии двух m-фазных систем напряжений, сдвинутых на эл. град. При этом m пар встречно последовательно соединенных вентилей образуют замкнутое кольцо, а каждая фаза вторичной обмотки одной системы подключена к объединенным анодам двух вентилей, через которые она соединена с двумя фазами вторичных обмоток второй системы, имеющими относительный фазовый сдвиг (1± ) эл. град. относительно первой.

На рисунке 4 представлена модель схемы, а на рисунках 5 и 6 – диаграмма напряжения на нагрузке u_d и тока вентиля i_a и напряжения на нем u_в.(Моделирование проводилось в программе Electronics Workbench)

Рис. 4 – Модель двенадцатипульсного выпрямителя с кольцевой вентильной схемой

Рис. 5 – Осциллограмма напряжения на нагрузке u_d и усиленная его переменная составляющая.

Как видно из осциллограммы по разности времен Т2-Т1 следует, что частота пульсаций соответствует двенадцатикратной.

Рис. 6 – Диаграмма напряжения на вентиле u_в и ток вентиля i_а.

Расчет габаритной мощности трансформаторов этого выпрямителя дал значение 1,66 Pd, т.е. на уровне шестифазной нулевой.

Литература:

1. Горлов Ю.И. А.С. СССР №265254. Трехфазный выпрямитель/ Ю.И. Горлов. Бюл. №10, 1970.

2. Евдокимов С.А., Волкова О.Л. Лестничные и кольцевые вентильные схемы для преобразователей повышенной мощности. Материалы X Международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения»: в 7т. Т7. Силовая электроника и мехатроника, Новосибирск: 2010-с51-58

3. Игольников Ю.С. А.С. СССР №803089 Преобразователь переменного тока в постоянный/ Бюл. №5, 1981