CC BY
12Научный вестник НГТУ. - 2008. - № 2(31)
ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА, ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ
УДК 621.314.6: 621.314.25
Геометрический способ генерации схемных решений преобразователей числа фаз для выпрямителей*
С.А. ЕВДОКИМОВ
Рассмотрены геометрический способ построения вторичных обмоток преобразовательных трансформаторов и способы формирования систем выпрямляемых результирующих напряжений. Приведены примеры синтеза схем преобразователей числа фаз и схемных решений выпрямительных устройств, в том числе с синфазным включением систем напряжений вторичных обмоток и использованием искусственных ортогональных систем.
Ключевые слова: структурный синтез, анализ цепей, преобразователь числа фаз, топология, преобразователь, векторы, выпрямитель, результирующее напряжение.
ВВЕДЕНИЕ
Наиболее распространенными фазопреобразующими устройствами для много-пульсных выпрямителей являются трансформаторные преобразователи числа фаз (ТПЧФ) с симметричными трехфазными системами напряжений вторичных обмоток (ВО). Каждая из вторичных систем напряжений ТПЧФ участвует в формировании результирующих напряжений, имеющих амплитуды линейных или фазных напряжений данных систем при параллельном структурировании выпрямителей или амплитуды их векторной суммы при последовательных схемах. Выпрямительные установки, или вентильные схемы (ВС), - это, как правило, функционально завершенные устройства выпрямления, например трехфазные или шестифазные вентильные мосты. Каждый из мостов соединен с фазами одной из вторичных систем напряжений ТПЧФ, которые при последовательных схемах выпрямления автономны, а при параллельных могут иметь непосредственную гальваническую связь.
Исследования показали, что схемотехника ВС может напрямую зависить от схемотехники ТПЧФ. Так, при построении ВС по законам формирования результирующих напряжений [1] она может иметь иную, чем вентильные мосты, конфигурацию, например включать кольцевые вентильные образования.
1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Учитывая взаимообусловленность топологий ВС и ТПЧФ, можно получить схемные решения ТПЧФ с синфазными или фазосдвинутыми системами напряжений вторичных трансформаторных цепей, которые не являются классическими схемами преобразователей числа фаз при отсутствии вентильных связей (наглядно это проявляется в многопульсных выпрямителях с преобразователями трехфазных
* Статья получена 4 марта 2008 г.
систем напряжений в двухфазные на базе трансформаторов Скотта). При этом вторичные системы напряжений ТПЧФ могут быть несимметричными, например, трехфазными или шестифазными, но при объединении с вентильной частью каждая автономная вторичная система или совокупность таких систем обеспечивает симметричность системы результирующих напряжений ВО, образующих кривую выпрямленного напряжения.
Задача статьи состоит в рассмотрении подхода к генерации именно таких схем ТПЧФ, предназначенных для построения схем выпрямителей.
2. ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ВТОРИЧНЫХ ОБМОТОК ИЗВЕСТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Анализ известных схемных решений ТПЧФ, например [2-5], применяемых в выпрямительных агрегатах (ВА), позволил выявить взаимосвязи между конфигурацией топологических амплитудно-фазовых портретов систем фазных напряжений ВО (далее - АФП, или АФП ВО), величиной выпрямленного напряжения, другими параметрами ВА и топологией ВС [1]. Под термином «выпрямитель» в статье подразумевается именно ВА, т. е. устройство, содержащее ТПЧФ и ВС.
Рассмотрим некоторые, наиболее характерные особенности топологии ВО ТПЧФ известных выпрямителей с различными схемами построения. Ряд из них проиллюстрирован на рис. 1.
Здесь и далее векторы результирующих напряжений, модули которых равны максимальному мгновенному значению выпрямленного напряжения, обозначены (V ц = е [1, р], р - пульсность выпрямителя).
Выбором количества точек элементов АФП, участвующих в коммутации (назовем их рабочими точками (РТ)), и соответствующим их размещением на изображающей плоскости обеспечивается формирование (за период сетевого напряжения)
а = 3 5Т = 1,068'' >
ят 20 ят 40 -ят 20
^2:^3=1: . ...о _ . -.о . ,-„<> _ . -„о ят 120 ят 20 ят 120 ят 20
Рис. 1. АФП напряжений вентильных обмоток ТПЧФ
е
требуемого числа результирующих напряжений равной амплитуды как в пределах одной автономной системы (рис. 1, в-д), так и при нескольких (рис. 1, а, е) системах (на рисунках РТ имеют темную заливку, остальные - светлую).
Между одноименными векторами напряжений двух смежных симметричных систем напряжений обычно осуществляется последовательно нарастающий (убывающий) фазовый сдвиг с шагом 5 = 2я/р .
При реализации такого сдвига с помощью различных схем соединения первичных обмоток (при многотрансформаторном исполнении) группы ВО выходных систем ТПЧФ могут быть построены по одинаковым схемам.
При однотрансформаторном исполнении группы ВО выполняются по схемам соединения, обеспечивающим требуемый фазовый сдвиг между выходными системами напряжений. Для упрощения анализа большинство систем напряжений ТПЧФ можно условно заменять звездой, так как РТ при таком замещении не меняют своего положения в пределах АФП системы (например, на рис.1,а показаны две замещенные звездами системы, образованные скользящими треугольниками). Трехлучевая звезда является универсальным топологическим элементом, так как при любом числе фазосдвинутых звёзд и в любой фазе формирования результирующих напряжений из звёзд можно получить топологические фигуры, крайние РТ которых одинаково удалены друг от друга, а направление любого вектора результирующего напряжения, опирающегося на эти точки, отличается на угол 5 от направлений смежных с ним векторов. На рис. 1, а приведены два фиксированных момента соединения трех систем напряжений ВО трансформатора(ов) трехкаскад-ного 18-пульсного ВА и два смежных вектора угол между которыми равен 20 эл. град. Такая топология присуща 18-пульсным выпрямителям последовательного типа, например приведенному в [4].
Другой способ формирования векторов Б в 18-пульсном выпрямителе применен в [6]. На рис. 1, е отражены два момента формирования результирующих напряжений данного выпрямителя. Одна из систем вторичных напряжений представлена шестилучевой звездой с лучами двух величин, чередующимися между собой, а две другие образованы равными симметричными звездами. Соотношения величин лучей приведены на этом же рисунке. Точки, на которые опираются векторы являются нулевыми РТ трехлучевых звезд, что говорит о недоиспользовании размеров АФП и, соответственно, обмоток в таком ТПЧФ.
Весьма продуктивным схемотехническим приемом является использование шестилучевой звезды (на рис.1, в, г показаны её эквиваленты), несколько отличающейся по геометрическим размерам от шестилучевой несимметричной звезды, изображенной на рис. 1, е. Такая звезда вписывается в контур «выпуклого треугольника», стороны которого образованы дугами равных радиусов с центрами в вершинах треугольника (рис. 1, б). В предлагаемых различными авторами схемах выпрямления широко применяются разновидности многофазных систем напряжений, РТ АФП которых распределены по контуру указанного треугольника [7, 8]. Число РТ между парами точек вершин «выпуклого треугольника» (рис. 1, б) зависит от пульсности выпрямителя и определяется исходя из величины угла 5, а АФП строится множеством способов с помощью векторов, коллинеарных векторам трехфазных или ортогональных систем питающих напряжений. Вентильные схемы выпрямителей с такими системами тривиальны: каждая РТ АФП соединяется с вентильной ячейкой, состоящей из вентиля анодной и вентиля катодной групп многофазного выпрямительного моста. Для иллюстрации на рис. 1, в, г показаны топологические структуры ВО трансформаторов 12-пульсных выпрямителей, предложенных в [7, 8].
Примером нестандартного построения АФП является схемное решение ТПЧФ девятипульсного выпрямителя [9], где для формирования девяти векторов использован ещё один тип шестилучевой несимметричной звезды (рис. 1, д), три из
девяти РТ которой образованы «отпайкой от лучей» одной из симметричных трехлучевых звёзд, составляющих данную шестилучевую звезду.
Возвращаясь к АФП «выпуклого треугольника» (рис. 1, б-г), необходимо отметить возможность применения таких портретов в каскадных схемах выпрямления последовательного типа и схемах параллельного типа.
На векторных диаграммах рис. 2 проиллюстрировано формирование двух векторов (£;-1, 5,) в 24-пульсном выпрямителе, схема которого при мостовой ВС является двухкаскадной, и показано расположение звезд при формировании очередного вектора +1. Две шестилучевые звезды, одна из которых выполнена в формате «выпуклого треугольника» (рис. 1, б), а другая в формате аналогичного треугольника, сдвинутого на угол 5, равный 15 эл. град., при соответствующей ВС (два шестифазных вентильных моста или кольцевая схема [1]) обеспечивают получение двадцати четырех пульсаций в кривой выпрямленного напряжения.
Рассмотренные топологические портреты ВО ТПЧФ - лишь часть многообразного множества АФП. Они имеют прямое отношение к созданию методов структурного синтеза и схемотехнического анализа выпрямителей, приведенных в [1]. Очевидно, что основу синтеза схем выпрямителей составляют поисковые исследования топологических структур ТПЧФ.
С использованием методов схемотехнического анализа выпрямителей и генерации ВС, разработанных и представленных в [1], а также методов вращающихся векторных диаграмм, временных диаграмм и метода индексации [10-12] были проведены исследования способов формирования результирующих напряжений. Выявлено, что наиболее распространены простые (элементарные) схемы ТПЧФ, т. е. схемы, формирующие автономные от-фазные системы напряжений, реализуемые на нагрузку постоянного тока через от-фазные вентильные мосты. Область топологических амплитудно-фазовых построений таких схем, определяемая положением РТ, ограничена следующими фигурами (назовем их апертурными, т. е. ограничивающими размещение на плоскости лучей-векторов): круг; выпуклый треугольник, сторонами которого являются дуги с центрами в вершинах данного треугольника (назовем его базовым, так как он служит для построения множества от-фазных АФП ВО, сочетающихся как с вентильными мостами, так и с кольцевыми схемами); квадрат как обособленный элемент того же круга.
Основным АФП в пределах круга является портрет трехлучевой звезды. Звезда, в отличие от треугольника, обладает используемой в ряде случаев нулевой РТ (рис. 1, е) и более удобна в качестве эквивалента для исследований при других построениях портретов, опирающихся на три РТ круга (треугольники, зигзаги,
д = 15о
Рис. 2. АФП вентильных обмоток ТПЧФ 24-пульсного ВА
скользящие треугольники, т. е. замкнутые и разомкнутые построения, а также комбинированные схемы) или шесть РТ (при шестифазных построениях). Звезда и эквивалентные ей портреты обеспечивают репродукцию многокаскадных много-пульсных выпрямителей, т. е. получение соответствующего количеству каскадов числа эквивалентных звезд ТПЧФ, последовательно сдвинутых по фазе и предназначенных для построения последовательных или параллельных схем выпрямления. При этом ВС выполняются последовательным или параллельным соединением трехфазных вентильных мостов или по кольцевым вентильным схемам.
Реже практикуется использование портрета шестифазной симметричной звезды, принадлежащей апертуре круга. Особенности ее применения в шестифазных мостовых преобразователях приведены в [5]. Шестифазная звезда, состоящая из двух трехлучевых обратных друг другу звезд, также обеспечивает репродукцию схем выпрямителей с повышенной частотой пульсации выпрямленного напряжения.
Ограниченные кругом портреты более многофазных построений практически не используются. Например, при восьми РТ обеспечивается только 8-пульсный режим выпрямления, а симметричность АФП достигается при ортогональных питающих напряжениях. В качестве другого примера на рис. 3, а, б приведены два известных построения в круге с девятью РТ, одно из которых использовали в [13] (на рисунке ^ - топологическая сумма витков обмоток в о.е.; о.е. - радиус круга). Такие автономные системы напряжений обеспечивают 18-пульсный режим выпрямления при подключении их к нагрузке через девятифазные вентильные мосты.
На этом же рисунке показаны портреты аналогичных построений, но укладывающихся в апертуру выпуклого треугольника и имеющих лучшие показатели (рис. 3, в, г). Расчетные массогабаритные показатели ТПЧФ при замкнутых и комбинированных построениях (рис. 3, д, е) еще более улучшаются.
г д
е
Рис. 3. АФП девятифазных ТПЧФ
Приведенные на рис. 3 АФП пригодны для создания более многопульсных схем выпрямления последовательного или параллельного типа, но, по мнению автора, даже первое увеличение числа пульсаций (до 36) не обеспечит требуемой эффективности выпрямления, тем более с учетом известных недостатков, присущих аналогичным построениям [5].
Число пульсаций, которое можно получить при построении автономного ТПЧФ по схеме, принадлежащей базовому выпуклому треугольнику, равно удвоенному числу РТ. Частным случаем является применение трех РТ в его вершинах, т. е. построение ТПЧФ по схемам, эквивалентным звезде.
АФП ВО для выпуклого треугольника может быть любым, но имеющим требуемое число РТ, размещенных по его контуру. Так, на рис. 1, в показан АФП с шестью РТ, позволяющий получить 12 пульсаций выпрямленного напряжения при минимальном суммарном размере обмоток, а портрет комбинированного построения на рис. 1, г обеспечивает меньшую типовую мощность трансформатора.
Известно, что применение замкнутых контуров в АФП улучшает использование трансформаторов. Однако усложнение технологии изготовления обмоток может нейтрализовать этот эффект. Кроме того, могут остаться нерешенными вопросы рационального размещения обмоток в окне магнитопровода, а также проблемы конструктивной и параметрической несимметрий.
3. ГЕОМЕТРИЧЕСКИЙ СПОСОБ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ
ВТОРИЧНЫХ ОБМОТОК ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Примем, что условиями проектирования преобразовательного трансформатора при заданном числе пульсаций выпрямленного напряжения являются использование в фазных ВО только двух значений чисел витков (чем ближе эти значения по величине, тем лучше) и обеспечение наибольшего равенства электромагнитных условий для обмоток при их размещении в окне магнитопровода. Рассмотрим один из способов топологического решения такой задачи.
При изучении базового выпуклого треугольника (см. рис. 1, б) были отмечены некоторые закономерности построения лучей несимметричной шестифазной звезды, размещенной в нем. Как это видно из рис. 4, а, прямая, проведенная из конца одного луча исходной большой звезды под углом % / тд к продолжению второго луча, отсекает отрезок от обратного продолжения третьего луча. Размер этого отрезка и является размером лучей малой обратной звезды, образующей с большой звездой несимметричную шестифазную звезду.
При угле 15 эл. град. получен АФП, вписывающийся в базовый выпуклый треугольник. Образовавшаяся при этом сама шестифазная звезда как автономная система обеспечивает построение схем 12-пульсных выпрямителей. При увеличении фазности преобразователя, осуществляемом, например, введением в схему второй аналогичной звезды, сдвинутой на 15 эл. град., получим ТПЧФ для 24-пульсного выпрямителя, что отражено ранее на рис. 2. Для реализации схемного решения на базе идентичных ВО потребуются два трансформатора, первичные фазные обмотки которых могут быть выполнены одинаково, например при построении по схемам скользящих треугольников, со сдвигом по фазе между одноименными линейными напряжениями 15 эл. град.
При использовании характерных для 18-, 24-пульсных выпрямителей угловых величин реализуются шестифазные АФП, вписанные в другие «выпуклые треугольники» (рис. 4, б, в), отличающиеся от базового. Однако соединение ВО, построенных по таким АФП, с многофазными вентильными мостами не всегда позволяет получить качественное выпрямление. Требуется иное решение ВС.
I : а = ят 45°: ят 75°
х : а = ят 50°: ят 70°
х : а = ят 52,5°: ят 67,5°
б
Рис. 4. Формирование АФП
а
в
Применив для систем напряжений с АФП, приведенным на рис. 4. б, процедуры метода вращающихся векторных диаграмм, получим схему 18-пульсного выпрямителя с тремя синфазными и топологически равными АФП на базе одного трансформатора (рис. 5).
На рис. 5, а показаны АФП групп ВО трансформатора и пример расположения вращающихся векторных диаграмм при формировании нескольких векторов результирующих напряжений. В соответствии с данными диаграммами построена ВС (рис. 5, б), определены порядок и длительность работы обмоток и вентилей (рис. 5, в), т.е. получены данные, необходимые для проведения схемотехнического анализа.
При выбранном соотношении между топологическими размерами вторичных фазных обмоток трансформатора (1 : 0,815) максимальное рассогласование амплитуд смежных пульсаций не превышает 0,13 %. Вместе с тем для относительно мощных выпрямителей, появляется возможность качественного исполнения переплетенных обмоток трансформатора, а для маломощных преобразователей (при частотах питающей сети 400, 1000 Гц) - выполнения обмоток способом жгутова-ния. Достаточно близкие по величине размеры обмоток способствуют повышению технологичности при их размещении на стержнях трансформатора, улучшению потокосцепления и снижению потока рассеяния.
Применение метода вращающихся векторных диаграмм (рис. 6) позволило выявить необходимые для анализа данные (рис. 7) и синтезировать схему вентильной части ВА (рис. 8). Для определения величин и форм токов обмоток преобразовательных трансформаторов были составлены системы уравнений магнитодвижущих сил и другие дополнительные уравнения с учетом общепринятых при такого рода анализе допущений.
Рис. 5. Три синфазные группы ВО ТПЧФ в составе 18-пульсного ВА и схема их работы
б
Рис. 6. Вращающиеся векторные диаграммы
«1--|(_ х- а |"-Ц с'- а' -^ '1Г а- х |—г^ а' с' 1--1-
х- а РЦ с'- г' «1 16 а-х У-Ц г' с' 1--1-
1-2|-| с- а 1—Гд_ с'- г «15--^ а- с Н>Ц г' - с' 1--5|-
16и с-г Г п с'- г' «16-чс -1ЙГ г- с Г П. г' - с' )--5|-
«5 с-г РМ с'- в' «1 7-чс г- с ^ Ь' с' )--5|-
- с-г Г п У'- Ь' нн 18 Г" «18~ц_ -1. г- с Г п. Ь' 20 у' 1-1-
«7 с- Ь ЦЙ-1 У'- Ь' й- 21 <— «19~ц_ Ь- с ^ Ь' у' )--ь
10 г— «8 — ь 1—ц У-Ь' к.- « 2 0— —11-[ ь-У У-и Ь' 20 у' 1-1-
10 «9 — У-Ь )--Ц а'-Ь 21 <— «21--Ц_ ь-У к-н Ь' а' ц1-
10 Я10—ц_ у-ь ь-ч а'- х' 21 « 22— ь-У ь-н х' а'
я 11 а-Ь ]—1~[ а'- х' 21 « 23— Ь- а ]—Ц х'- а'
13 г— «12--1{_ а-х (--ц а'- х' «24—^Н) х- а 1--1-1 х'- а'
Рис. 7. Схема работы обмоток и вентилей
Рис. 8. Принципиальная схема 2¥-пульсного ВА
В результате их решений получено следующее - для трансформатора Т1
w22 = 0,8587w21; KT1 = -11 к w21
_ 0,6666ia11 - 0,3333ib11 - 0,3333ic11 + 0,5725ia12 - 0,2862ib12 - 0,2862ic12 'A1 = К '
КТ1
(1)
^ 0,3333(ia11 + ibn + icn ) + 0,2862 (ia12 + ib12 + ic12 )
Ф01 =-w11-~-■ (2)
- для трансформатора Т2
КТ1
Кт2 =-11 = л/3 • KТ1
'•'21
W2
iA2 = (0,5774 • ia2l - 0,5774 • ic2l + 0,4958 • ia22 - 0,4958 • ic22): ; (3)
(4)
0,5774ia21 + 0,4958ia 22
'ФА 2 - 7} ■
КТ1
Сетевой ток, потребляемый трансформаторами, определен как сумма двух токов IA = iA1 + iA2 ■
В соответствии со схемой работы обмоток (см. рис. 7) построены кривые токов ВО, а по выражениям (1)-(4) и кривым токов ВО - кривые фазных и линейных токов сетевых обмоток, а также тока, потребляемого преобразователем из сети, и некомпенсированной намагничивающей силы Ф01 в стержне трансформатора Т1 (рис. 9).
Исходя из векторных диаграмм (см. рис. 6) максимальное значение выпрямленного напряжения (модуль вектора без учета потерь), выраженное в о.е. (о. е. - амплитуда напряжения ВО, имеющей наибольший размер), равно U*dmax = 3,59077. Среднее значение выпрямленного напряжения на холостом ходу
» » p п 24 (180 Y
Ud0 = U*d max ~ sin- = 3,59077—sin I — I = 3,58052. п p 3,14 К 24)
Действующие значения напряжений ВО в принятых значениях о.е., взятые относительно среднего уровня выпрямленного напряжения, равны
UW =-fJ-= 0,1975; UW = -0,8587 = 0,1696.
W21 /-Т Tjd w22 /Т Tjd
<2 Ud0 -V2 Ud0
Действующие значения токов этих обмоток (при Id = 1,0 о.е.) рассчитаны в соответствии с режимом работы ВО (см. рис. 7, 9)
I/2 1Ж I50 = о,6455; ¡1 = . 12 ^ = 0,5,
№21 V * \360 №22 V * V360
где ? - продолжительность работы обмотки в эл. град.
Общая полная мощность ВО трансформаторов в о.е., равна сумме мощностей отдельных фазных обмоток
¿2 = 6/* и* + 6/* и* = 1,274 или ¿2 = 1,274Р*.
2 ^21 №21 №22 №22 2 *
Рис. 9. Диаграммы работы ТПЧФ 24-пульсного ВА
Полные мощности первичных обмоток
«ЦП) = 3/Жц = 0,5105 ; «;(Т2) = 3/'Фа2л/3 и:и = 0,58615 .
Мощности сетевых обмоток получились различными. Компенсирующее увеличение типовой мощности требуется для трансформатора Т1, не имеющего обмотки, соединенной треугольником, поэтому с определенной долей корректности примем мощность его первичной обмотки равной мощности первичной обмотки трансформатора Т2. Тогда общая полная мощность первичных обмоток трансформаторов «1 = 2 • 0,58615 = 1,1723 , а типовая мощность трансформаторов
«1*+ «2 1,1723 +1,274 , 993 « ,
«т = —-— =-= 1,223 или «т = 1,223Р .
т 2 2 т
В качестве топологических эквивалентов несимметричных шестифазных звезд, применяемых в данном преобразователе, можно использовать замкнутые или комбинированные построения обмоток, содержащие фигуры правильных или неправильных шестиугольников. Типовые мощности трансформаторов уменьшат-
ся, но число частей вторичных обмоток в каждом трансформаторе увеличится в полтора раза.
Фактически в настоящей работе была показаны трансформация треугольника в круг (рис. 10) и практическое применение такой трансформации, интересной, как нам представляется, для математиков-исследователей геометрических построений.
В связи с упоминанием апертурной фигуры квадрат, необходимо показать пример ее использования. Выделяя в ТПЧФ выпрямителей трехфазных систем напряжений ортогональные составляющие, можно получить схемы трехуровневых выпрямителей (например, для питания четырехуровневых инверторов [14]) с одинаковым построением каскадов.
На рис. 11 изображены принципиальная схема ТПЧФ, условно названная 3Х-схемой, и векторные диаграммы напряжений ВО трансформатора.
Особенностью построения ВО предлагаемого преобразователя является то, что каждая из трех групп обмоток (в [9] на рис. 8 приведен другой вариант построения и использования) выполнена в результате решения задачи нахождения кратчайшего остова графа при измененных начальных условиях, в соответствии с которыми наикратчайший остов находится только после введения дополнительных вершин, называемых точками Штейнера [15]. Известно, что каждая точка Штейнера имеет
Рис. 10. Трансформация треугольника в круг
Рис. 11. ЗХ-схема ТПЧФ в составе ^2-пульсного ВА и векторные диаграммы напряжений каскадов
степень 3 и векторы в ней сходятся под углом 120°, что в приложении к топологии ВО трехфазных трансформаторов позволяет создавать четырехфаз-ные системы напряжений, ортогональность линейных напряжений в которых обеспечивается при минимально возможных топологических размерах векторов фазных напряжений (при наименьшем числе витков обмоток).
При этом полная мощность ВО заметно уменьшается по сравнению с мощностью ВО ТПЧФ, построенных по схемам Кюблера или AEG. Сравнительная диаграмма АФП групп ВО, собранных по схемам Кюблера, AEG и ЗХ-схеме, при равенстве ортогональных линейных напряжений показана на рис. 12.
Результаты схемотехнического анализа преобразователей приведены в таблице, где обозначено: wBC - суммарное число витков ВО одной преобразовательной секции, взятое относительно числа витков (1,0 о.е.) условной обмотки, амплитуда ЭДС которой равна максимальному мгновенному значению выпрямленного напряжения секции; wBE - суммарное число витков всех ВО, взятое относительно числа витков (1,0 о.е.) условной обмотки, амплитуда ЭДС которой равна максимальному мгновенному значению суммарного выпрямленного напряжения;
S*, S*, S*- коэффициенты полных мощностей первичных (соединенных звездой) и вторичных обмоток и типовой мощности трансформатора соответственно.
Параметры ТПЧФ
№ Схема ™ВС ^ВВ ST ST sT
1 Кюблера 2,231 2,449 1,012 1,239 1,125
2 AEG 2,155 2,366 1,012 1,196 1,104
3 3Х 1,932 2,121 1,012 1,142 1,076
Наилучшие показатели среди ТПЧФ трехуровневых 12-пульсных схем выпрямления (см. таблицу) имеет преобразователь, собранный по 3Х-схеме (см. рис. 11). Его недостаток - большее количество частей ВО. Однако получено новое соотношение чисел витков для них 1 : 0,732 (против 1 : 0,366 в схеме Кюблера и 1 : 0,577 в схеме AEG), более близких по величине.
Рассмотренный преобразователь можно применять в схемах ВА с параллельным соединением четырехфазных вентильных мостов или с кольцевой ВС.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе получены следующие результаты.
1. Рассмотрены известные и предложены новые способы формирования систем напряжений вторичных обмоток ТПЧФ, основанные на данных топологических исследований амплитудно-фазовых портретов и нахождении геометрических правил их построения.
2. Приведены следующие схемные решения ТПЧФ:
а) позволяющие применять нестандартные компоновки групп вентильных обмоток и нестандартные фазовые сдвиги, формируемые в первичных обмотках, например 30, а не 15 эл.град. при создании схемы 24-пульсного выпрямителя;
б) обеспечивающие построение нескольких синфазных систем вторичных напряжений на базе одного преобразовательного трансформатора, причем с одновременным увеличением фазности преобразования, что в ряде случаев упрощает технологию изготовления обмоток;
Рис. 12. Топология схем ТПЧФ
в) способствующие изготовлению обмоток лишь с двумя намоточными числами их витков при любой фазности преобразования и сближению топологических размеров отдельных частей обмоток, что расширяет выбор схемных решений при необходимости выдерживать величину конструктивной несимметрии вторичных напряжений в заданных пределах, а также упрощает задачу размещения обмоток в окне магнитопровода с целью обеспечения лучшего равенства электромагнитных условий для их частей и снижения потоков рассеяния.
3. Показано, что источники ортогональных напряжений, сформированные на основе источников трехфазных систем напряжений, дают возможность строить многоуровневые преобразователи, обладающие определенными потребительскими свойствами (три уровня выходных напряжений в 12-, 24-пульсных выпрямителях), способствующими, например, их применению для питания высоковольтных инверторов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
[1] Евдокимов С.А. Анализ и синтез схемных решений трёхфазных многопульсных выпрямителей с естественной коммутацией: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Новосибирск: НГТУ, 2006.
[2] А.с. 754618 СССР. Двенадцатифазный преобразователь переменного напряжения в постоянное / Л.В. Кардаков. Бюл. № 29, 1980.
[3] А.с. 738071 СССР. Преобразователь переменного напряжения в постоянное / Ю.В. Потапов. Бюл. № 20, 1980.
[4] Размадзе Ш.М. Преобразовательные схемы и системы. - М.: Высш. шк., 1967.
[5] Палванов В.Г. Шестифазные мостовые преобразователи. // Электричество. - 1974. - № 6. -С. 79-81.
[6] А.с. 959238 СССР. Преобразователь переменного тока в постоянный / А.Г. Аслан-Заде. Бюл. № 34, 1982.
[7] А.с. 1347133 СССР. Мостовой источник постоянного напряжения (его варианты) / А.М. Репин. Бюл. № 39, 1987.
[8] А.с. 1282291 СССР. Мостовой преобразователь электроэнергии / А.М. Репин. Бюл. № 1, 1987.
[9] Репин А.М. Новые базовые технические решения и классификация вентильных преобразователей энергии // Вопросы радиоэлектроники. - Сер. ОВР. - 1985. - Вып. 6. - С. 65-83.
[10] Евдокимов СА., Ворфоломеев Г.Н., Сопов В.И. и др. Методы нахождения схемных решений выпрямителей с естественной коммутацией // Вестн. ИрГТУ. - 2006. - № 2(26). - С. 126-130.
[11] Евдокимов С.А. Синтез схем многопульсных выпрямителей с естественной коммутацией // Мат-лы VIII Междунар. конф. «Актуальные проблемы электронного приборостроения»: в 7 т. - Новосибирск: НГТУ, 2006. - Т. 7. - С. 56-63.
[12] Евдокимов С.А. Синтез схем выпрямителей с последовательно-параллельной работой систем переменных напряжений // Мат-лы VIII Междунар. конф. «Актуальные проблемы электронного приборостроения»: в 7 т. - Новосибирск: НГТУ, 2006. - Т. 7. - С. 64-69.
[13] Пат. 2286644 РФ. Преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное (варианты) / Ю.С. Игольников. Опубл. 27.10.2006.
[14] Zinoviev G.S., Lopatkin N.N. Three-level rectifiers of three-phase orthogonal system of voltages // 2006 8 Int. conf. on actual problems of electr. instr. engng (APEIE - 2006) proceedings, Novosibirsk: Novosibirsk State Technical University, 2006. - Vol. 1. - P. 194-200.
[15] Новиков Ф.А. Дискретная математика для программистов: учеб. для вузов: 2-е изд. - СПб.: Питер, 2006.
Евдокимов Сергей Александрович, инженер кафедры электротехнических комплексов Новосибирского государственного технического университета. Основное направление научных исследований - разработка методов схемотехнического анализа и структурного синтеза преобразовательных устройств для электротехнических систем и комплексов. Имеет 97 публикаций.
Evdokimov S.A.
Geometrical Method of Circuit Design ofphase number converters of rectifiers
A geometrical method of design of secondary windings of converter transformers is considered. Forming of systems of rectified resulting voltages is described. Examples of synthesis of phase number converters and rectifiers including ones with cophased voltages systems and artificial orthogonal systems are stated.
Key words: structural synthesis, circuit analysis, phase number converter, topology, vectors, rectifier, resulting voltage.
