CC BY
7Научный вестник НГТУ. - 2008. - № 3(32)
ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА, ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ
УДК 621.314.6: 621.314.25
Применение синфазных систем переменных напряжений при построении схем выпрямления*
С.А. ЕВДОКИМОВ
Рассмотрены способ синфазного включения систем переменных напряжений вторичных обмоток преобразовательных трансформаторов и особенности их применения в многокаскадных выпрямителях.
Ключевые слова: синфазный, параметрическая несимметрия, структурный синтез, схемотехнический анализ, преобразователь числа фаз, амплитудно-фазовый портрет, векторы, выпрямитель, результирующее напряжение.
ВВЕДЕНИЕ
Синфазные системы напряжений применяются в многокаскадных схемах преобразования и, как правило, обеспечивают высоковольтное выпрямление [1]. Другие возможности применения синфазных преобразовательных звеньев при этом не всегда используются, в частности для повышения фазности преобразования или для решения задач снижения параметрической несимметрии, обусловленной различием активных и реактивных сопротивлений частей вторичных обмоток при формировании результирующих напряжений. При проведении синтеза схемных решений выпрямителей по методам [2], а также при использовании нетрадиционных построений вторичных обмоток преобразовательных трансформаторов, рассмотренных в [3], получены схемные решения выпрямителей, обеспечивающие как повышение фазности преобразования, так и снижение параметрической несимметрии
1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Задача работы состоит в топологическом исследовании известных схемных решений трансформаторных преобразователей числа фаз (ТПЧФ) с синфазным включением систем напряжений вторичных обмоток, а также в поиске вариантов использования этих схем, позволяющих уменьшить негативное влияние параметрической несимметрии на качество выпрямительного напряжения. Результаты исследования могут быть востребованы для практического применения. Поэтому далее приведены элементы синтеза и схемотехнического анализа выпрямителей с синфазным включением систем вторичных напряжений ТПЧФ, подчеркивающие различие свойств выпрямителей, построенных на основе одинаковых синфазных структур преобразования.
*
Статья получена 25 мая 2008 г.
2. ОСОБЕННОСТИ СИНФАЗНОГО ВКЛЮЧЕНИЯ ВТОРИЧНЫХ СИСТЕМ НАПРЯЖЕНИЙ ИЗВЕСТНЫХ СХЕМ ТПЧФ
В качестве объекта топологических исследований синфазных систем рассмотрена схема 12-пульсного выпрямителя с шестифазным преобразователем числа фаз, топология которого (представлена одной из секций схемы выпрямителя на рис. 1) известна из зарубежных и отечественных источников информации, в частности [4]. Построение векторов напряжений вторичных обмоток трансформатора основано на использовании фигуры выпуклого треугольника, каждая из сторон которого является дугой окружности, центр которой расположен в противоположной вершине треугольника. Наиболее простая топология шестифазной системы представляет собой шестифазную звезду, образованную прямой и обратной звездами, соединенными в нулевых точках (рис. 1). При этом одна из звезд пропорционально меньше второй и соотношение размеров лучей звезд равно 1: — 11.
Рассмотрим четыре схемных решения выпрямителей с 12-кратной частотой пульсации выпрямленного напряжения, каждое из которых включает по две идентичные схемы указанных выше шестифазных преобразователей числа фаз. Первое схемное решение (см. рис. 1) - это один из вариантов реализации двухкаскадного 12-пульсного выпрямителя на основе двух шестифазных синфазных друг другу систем питания, несимметричных по амплитуде составляющих их звезд, и двух шестифазных вентильных мостов. Множество простейших реализаций, эквивалентных данной шестифазной звезде и представленных в виде замкнутых, разомкнутых и комбинированных построений вторичных обмоток, можно найти в [4, 5], где обоснована возможность каскадного включения двух идентичных выпрямителей. Некоторые из схемных решений, представленных в [4], имеют определенные недостатки. Например, при реализации одного из таких решений, топология вторичных обмоток которого представлена на рис. 2, расход обмоточного материала минимален, но весьма отчетливо проявляется несимметрия токопроводящих циклично сменяющихся цепей формирования смежных пульсаций. Разность чисел витков обмоток, из ЭДС которых формируются смежные результирующие напряжения, составляет 13,3 %, что отчетливо видно по топологическому амплитудно-фазовому портрету (АФП). Применение трех значений чисел витков усложняет задачу минимизации конструктивной несимметрии результирующих напряжений и рационального размещения обмоток в окне магнитопровода.
А В С
-64-
Рис. 1. Схема двухкаскадного 12-пульсного выпрямителя, агрегированная из двух шестифазных мостовых 12-пульсных схем выпрямления
Рис. 2. Вариант топологии вторичных обмоток
Несколько хуже результат при исполнении выпрямителей по другим схемам, приведенным в [4], так как выпрямители, изготовленные по ним, имеют повышенные массогабаритные показатели.
Кроме того, если часть из этих схем обеспечивает параметрическую симметрию, то это достигается при большом количестве частей вторичных фазных обмоток и применении трех чисел витков обмоток. Или же, наоборот, при относительно небольшом количестве частей обмоток в схемах проявляется параметрическая несимметрия цепей тока.
Это характерно и для 12-пульсного выпрямителя, схема которого приведена в [5]. Вторичная обмотка трансформатора такого выпрямителя выполнена в виде правильного шестиугольника с тремя дополнительными обмотками - «лучами» (рис. 3, а), а вентильная схема - в виде шестифазного моста.
^ = 3
: = 1
1,иио
2--13
в
Рис. 3. АФП напряжений вторичных обмоток и векторные диаграммы результирующих напряжений для выпрямителей (рис. 1, 4) при обмотках замкнуто-разомкнутого типа
т
б
а
а
г
У
а
г
У
с
Необходимо отметить, что в рассматриваемых здесь схемных решениях топология фазных обмоток не представляет существенной сложности при реализации, тогда как топологическая область размещения рабочих точек (в привязке к обмоткам - их рабочих выводов) на потенциальной плоскости требует особого внимания. Названная автором [5] секторной данная топологическая область (очерчена пунктиром на рис. 2 и 3, а) имеет схожие «родственные» области, несколько отличающиеся от секторных, что позволяет считать ее одной из составных частей более общей топологической области. Часть элементов этой области рассмотрена автором данной статьи в [3].
Применив процедуры метода вращающихся векторных диаграмм (МВВД), можно получить кольцевую схему выпрямления с двумя синфазными «секторными» секциями вторичных обмоток (рис. 4). Порядок построения вентильной части такой схемы связан с заданием порядка соединения систем напряжений в преобразовательном процессе. В данном случае использованы «связки» систем, которые отражены на диаграммах рис. 3, б при полной развертке векторных диаграмм и отдельно для двух фиксированных позиций (при формировании векторов результирующих напряжении 51 и 52) на рис. 3, в. Из последних диаграмм видно, что сопротивления цепей обмоток при формировании векторов 51 и 52 заметно отличаются. Данные диаграммы описывают также процессы в схеме мостового двух-каскадного выпрямителя (рис. 1). Расчет показал, что разность внутренних активных сопротивлений цепей формирования смежных векторов 5 с учетом токовой нагрузки обмоток (выбора сечений проводов) составляет 4,7 %.
А В С
Рис. 4. Схема 12-пульсного выпрямителя с двухкаскадным преобразованием и кольцевыми связями в вентильной части
Из результатов схемотехнического анализа, приведенных в итоговых табл. 1 и 2, видно, что каких либо существенных преимуществ по сравнению со схемой на рис. 1 схема, приведенная на рис. 4, не получила. Уменьшение мощности потерь на четверть от уровня потерь в диодах мостовой схемы осуществимо при использовании в кольцевой структуре диодов более высокого класса. Но все, что связано с несимметриями токопроводящих цепей, осталось на том же уровне.
Т
3. ВОЗМОЖНОСТИ РАСШИРЕНИЯ СВОЙСТВ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ ПРИ СИНФАЗНОМ ВКЛЮЧЕНИИ ПИТАЮЩИХ СИСТЕМ
Используя нулевые рабочие точки систем, можно построить схему 12-пульс-ного выпрямителя, при работе которого в цепи протекания тока нагрузки использовано всего лишь одно вентильное плечо. Схема такого выпрямителя приведена на рис. 5. Однако для мощных преобразователей и для решения задач высоковольтного выпрямления такая схема не подходит (см. табл. 1 и 2).
А В С
Рис. 5. Схема 12-пульсного выпрямителя с одним диодом в цепи тока и двухкаскадным построением ТПЧФ
Рис. 6. АФП систем питания и векторные диаграммы результирующих напряжений двухкаскадной схемы преобразования (рис. 7, а), полученной методом МВВД
Метод МВВД позволяет «обойти» некоторые из возможных позиций связи амплитудно-фазовых портретов систем напряжений. Рассмотрим несколько связей портретов, которые отличаются от связей, показанных на рис. 3. На рис. 6, а показана совмещенная развертка векторных диаграмм напряжений вторичных обмоток двух шестифазных звезд, применение которой дает возможность уравнять сопротивления в цепях тока для всех векторов результирующих напряжений.
Для шестифазных систем с комбинированным построением обмоток на рис. 6, б приведены раздельно все шесть позиций связи систем, а на рис. 6, в показаны в укрупненном виде две из них. Равенство суммарных сопротивлений источников ЭДС по всем цепям формирования пульсаций выпрямленного напряжения очевидно. Во всех рассмотренных позициях возможно формирование еще одного вектора, несколько большего, чем остальные (вектор 50), но это приводит к несимметрии выпрямленного напряжения, поэтому часть рабочих точек АФП используется однонаправленно, что исключает подключение к нагрузке суммарных ЭДС, представленных векторами 50.
С помощью метода МВВД [2] получена схема, приведенная на рис. 7, а; определены режимы работы обмоток и диодов (рис. 7, б, в). Некоторое недоиспользование размеров АФП привело к небольшому увеличению типовой мощности трансформатора, однако решена задача симметрирования циклично сменяющихся цепей тока нагрузки. Однонаправленная работа обмоток малой звезды одной системы «компенсируется» работой обмоток малой звезды второй системы, что исключает одностороннее намагничивание магнитопровода. В цепи тока нагрузки
а к в к с I,
V V
-1 ; »-СЕНЬ
Ы [ х г 1 Ы I с' г' 1 Ы 5 ' ^-1 4 ' ^-> 3 '
--"-СП> 6 '-ЕЕ>
-(Г]~)--1_[ у х» ]--1_
Ы [ I Ы [ а' х' 1 Ы —1-[ г с ]----1_
--М г с Ь12"СЦ>-;1-
0—1-( г у |— --1г х а ]----1-
А В С
Т
а к в к с
х
У
г
х
У
г
2
6
4
8
7
а
б
в
Рис. 7. Схема и диаграммы работы 12-пульсного выпрямителя
в межкоммутационный период включены 3 вентиля, а не 4. Общее число вентилей сокращено вдвое, а их использование по току по сравнению с первой схемой улучшено (см. табл. 1). Необходимо отметить, что расчет типовых мощностей (£т) трансформаторов для приведенных схем выпрямления осуществлен по стандартной методике [6], но без учета поправки на амплитуды переменных потоков намагничивания (для схемы на рис. 5 - однонаправленного потока). В среднем эта поправка требует увеличения типовой мощности на 5-6 %.
Таблица 1
Параметры схем выпрямления
Рисунок Симметрия цепей тока Шо, о.е. Sт, о.е. Диоды
* всего из них угол проводимости, эл. град. в цепи тока
1 Несимметрия 3,425 1,13 1,068 24 12 30 4
12 90
4 Несимметрия 3,425 1,13 1,068 24 6 90 3
18 30
5 Несимметрия 1,712 1,39 - 12 12 30 1
7, а Симметрия 3,308 1,15 1,083 12 6 60 3
6 120
Таблица 2
Обратные напряжения диодов в схемах
Рисунок Обратное напряжение диодов иобр макс
анодных и катодных групп кольцевых групп остальных диодов
1 0,506 Цо - -
4 0,506 Цо 1,02 Цо 1,02 Цо
5 - 1,96 Цо 2,03 Цо
7, а 0,524 Цо - 1,048 Цо
Следует также отметить, что кривая выпрямленного напряжения, приведенная на рис. 7, в, получена при целенаправленном нарушении принятого соотношения между числами витков разновеликих обмоток шестифазных звезд более чем на
15 % (вместо идеального соотношения 1: (л/3 -взято соотношение
Как видно из рис. 7, в, значительное отклонение от требуемого соотношения не привело к резкой деформации кривой выпрямленного напряжения от канонической формы. Отсутствие амплитудной несимметрии пульсаций выпрямленного напряжения связано с принятой для преобразователя топологией цепей формирования результирующих напряжений (см. рис. 6). Наблюдается незначительное рассогласование фазовых сдвигов между результирующими напряжениями (максимумами пульсаций). На рис. 7, в приведены также диаграммы кривых тока и обратного напряжения для одного из диодов катодной группы (диод 7) и аналогичные диаграммы для диода группы, соединяющей шестифазные звезды (диод 4).
Весьма существенно, что даже с учетом применения разных по площади сечения проводов при выполнении фазных обмоток звезд и обратных звезд активные сопротивления цепей тока при формировании всех результирующих напряжений равны. Также равны (без учета поправки, связанной с применением плоского маг-нитопровода) реактивные сопротивления при однотипности размещения обмоток по стержням трансформатора. Технологичности изготовления обмоток, лучшему потокосцеплению и минимизации индуктивности рассеяния способствуют относительно близкие по величине количества витков разных частей обмоток. Все это
позволяет уменьшить параметрическую несимметрию. Кроме того, в ряде случаев (при различных мощностях преобразователя и (или) разных уровнях выпрямленного напряжения) появляется возможность более точной реализации расчетного соотношения между числами витков обмоток при их целочисленном исполнении.
Данный преобразователь можно строить на основе двух однотипных трансформаторов, а дополнив его аналогичным преобразователем с первичной обмоткой трансформатора, осуществляющей сдвиг линейных напряжений вторичных обмоток в 30 эл. град. относительно линейных напряжений вторичных обмоток исходных синфазных систем, можно удвоить кратность частоты пульсаций выпрямленного напряжения.
Снижение негативного влияния потоков намагничивания этого влияния обеспечивается в определенной степени применением замкнутых построений или выполнением обмоток по схеме «зигзаг», в частности для схемы на рис. 5.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Результаты анализа представленных схем выпрямления показывают универсальные возможности преобразователя числа фаз, примененного в этих схемах, и перспективы применения синфазного построения ТПЧФ. Становится возможным изменять общее количество диодов и число диодов в цепях тока, менять их режимные параметры. Нестандартное исполнение схем позволяет уменьшать влияние параметрической и конструктивной несимметрии, снижать потери в диодах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
[1] Репин А.М. Экономичные высоковольтные преобразователи электроэнергии // Изв. АН СССР. - Энергетика и транспорт. -1987. - № 2. - С. 65-82.
[2] Евдокимов С.А. Анализ и синтез схемных решений трёхфазных многопульсных выпрямителей с естественной коммутацией: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Новосибирск: НГТУ, 2006.
[3] Евдокимов С.А. Геометрический способ генерации схемных решений преобразователей числа фаз для выпрямителей // Науч. вестн. НГТУ. - 2008. - № 2(31). - С. 107-120.
[4] Репин А.М. Новые базовые технические решения и классификация вентильных преобразователей энергии // Вопросы радиоэлектроники. - Сер. ОВР. - 1985. - Вып. 6. - С. 65-83.
[5] Репин А.М. Базовые схемы вентильных конверторов электроэнергии // Электрика. - 2003. № 1. - С. 36-44.
[6] Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники: учебник. - Новосибирск: НГТУ, 2003.
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 99 публикаций.
S.A. Evdokimov
Application of Cophased Systems of AC Voltages in Rectifiers Design
A method of cophased connection of systems of AC voltages of secondary windings of converter transformers is considered. Some particular features of systems of AC voltages in multistage rectifiers are described.
Key words. Cophased, parametric asymmetry, structural synthesis, circuit analysis, phase number converter, gain-phase portrait, vectors, rectifier, resulting voltage
