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 zн. 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 zн 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 ud
и тока вентиля ia и напряжения на
нем uв.(Моделирование
проводилось в программе Electronics
Workbench)
Рис. 4 – Модель двенадцатипульсного выпрямителя с кольцевой вентильной
схемой
Рис. 5 – Осциллограмма напряжения на нагрузке ud 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 uв
и ток вентиля iа.
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