Ступенчатый источник электропитания ( его варианты) Советский патент 1984 года по МПК H02M9/00 H02M7/06 H02M7/48 H02M3/44 

ступень, при этом свободные аноды двух вентилей, подключенных к первой вентильной обмотке, и соответственно свободные катоды двух вентилей, подключенных к третьей вентильной обмотке, объединены между собой и образуют входные вьшоды, отличающийся тем, что, с целью улучшения энергетических и массогабаритных показателей, а также надежности и стоимости, остальные восемь вентилей соединены между собой по четыре последовательно согласно включенных четырехвентильных кольца, к объединенным анодам вентилей первого из которых присоединена первая вентильная обмотка, а к объединенным катодам вентилей первого и второго колец подключены соответственно вторая и третья вентильные обмотки.

8 Источник по п.7, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью улучшения коммутационной способности, между объединенными анодами и объединенными катодами первого и объединенными катодами вентилей второго колец присоединены дополнительно введенные коммутирующие конденсаторы

9. Источник по п.7, отличающий с я тем, что он снабжен

513

третичными обмотками, соединенными последовательно согласно между собой через коммутирующий конденсатор.

10.Источник по пп. 7 и 8, отличающийся тем, что коммутирующими конденсаторами зашунтированы вентильные обмотки, а в рассечку одной из линий каждой вентильной обмотки включен дополнительно введенный дозирующий конденсатор.

11.Источник по пп. 7, 8 и 10, отличающийся тем, что в рассечку одного из объединений ано-дов вентилей первого и объединений катодов вентилей второго колец, а также одного из соединений этих колец между собой включены дополнительно введенные индуктивные элементы, магнитно связанные или несвязанные между собой, к средним точкам которых присоединена одна из линий соответствующей вентильной обмотки.

12.Источник по п. 11, отличающийся тем, что индуктивные элементы зашунтированы дополнительно гведенными вспомогательными конденсаторами.

13.Источник по пп. 7-12, о т личающийся тем, что между входными вьшодами включен накопительный конденсатор.

1. Ступенчатый источник электропитания, выполненный в виде преобразователя, содержащего двенадцать вентилей и один трехфазный или три однофазных трансформатора, сетевые обмотки которых образуют входные выводы, а каждая из трех вентильных обмоток посредством двух линий присоединена к двум вентильным ячейкам из последовательно согласно включенных вентилей в каждой из них, образуя ступень, при этом свободные аноды двух вентилей, подключенных к первой вентильной обмотке, и соответственно свободные катоды двух вентилей, подключенных к третьей вентильной /обмотке, объединены между собой и образуют выходные выводы, отличающийся тем, что, с целью улучшения энергетических и массогабаритных показателей, а также надежности и стоимости, остальные восемь вентилей соединены между собой по четыре последовательно встречно в два последовательно согласно включенных четырехвентильных кольца, к объединенным анодам вентилей первого из которых присоедиSU,,,,t 112513 А 3C5D Н 02 М 9/OOj H 02 М 7/06; Н 02 М 7/48; Н 02 М 3/44 нена первая вентильная обмотка, а к объединенным катодам вентилей первого и второго кольца подключены, соответственно, вторая и третья вентильные обмотки. 2.Источник по П.1, отличающийся тем, что он выполнен в виде по крайней мере двух одинаковых преобразователей. 3.Источник по.п.2, отличающийся тем, что преобразователи соединены между собой выходными выводами последовательно или/и параллельно, встречно либо согласно. 4.Источник по п.З, отличаi ющийся тем, что вентильные обмотки ступеней на стыке преобразова(Л телей разноименны. 5.Источник по п.З, отличающийся тем, что вентильные об- мотки ступеней на стыке преобразователей одноименны. 6.Источник по пп. 4 и 5, отличающийся тем, что вентили, соединяющие последовательно N5 согласно включенные преобразователи, сд образуют четьфехвентильное кольцо, к объединенным анодам вентилей кото00 рого подключена вентильная обмотка одной ступени, а к объединенным катодам - обмотка другой ступени. 7.Ступенчатый источник электропитания, содержащий двенадцать вентилей и один трехфазный или три однофазных трансформатора, каждая из трех вентильных обмоток которых посредством двух линий подключена к двум вентильным ячейкам из последовательно согласно включенных двух вентилей в каждой из них, образуя

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве неуправляемого либо управляемого (регулируемого, стабилизированного) вторичного источника электропитания повышенного постоянно го или любого переменного напряжения (тока), например трехфазного, при сравнительно высоких требованиях к качеству преобразования энергии, экономичности и надежности. .

Известны стз енчатые источники электропитания, содержащие последовательно соединенные между собой трехфазные вентильные мосты (Ларионова) ij .

Однако такие источники имеют увеличенное число вентяпьных обмоток и пониженный кпд.

Известен ступенчатый источник электропитания, содержащий при том же числе ступеней меньшее число обмоток и основанный на присоединении источника постоянного напряжения к трем последовательно согласно включенным по выводам постоянного тока однофазным управляемым вентильным мостам (Греца-Поялака), диагонали переменного тока которых посредством шести линий присоединены к вентильным обмоткам одного трехфазного или трех однофазных силовых трансформаторов. Их сетевые обмотки образуют выходные вьтоды, а устройство обеспечивает преобразование постоянного тока в переменный. При этом для компенсации негативного влияния образующейся в схеме реактивной (индуктивной) энергии источник дополнительно снабжен коммутирующими конденсаторами, шунтирующими каждую из сетевых обмоток.

Устройству свойственна относительно устойчивая работа при перегрузках, сравнительно хорошие динамические показатели, пониженное обратное напряжение на вентилях, а также достаточно эффективное использование коммутирующих конденсаторов вследствие протекания чере.з них тока повышенной (тройной) частоты pj .

Недостатками устройства являются сравнительно плохие энергетические и массогабаритные показатели, обуслов ленные относительно невысоким КПД вследствие сравнительно большого числа В-, вентилей, одновременно последовательно обтекаемых током нагрузки в каждом из шести контуров токопрохождения, а также сравнительно вы соким напряжением на вентильных обмотках, усложняющих проблемы высоковольтной изоляции, вследствие малого числа i)( ступеней ().

Наиболее близким к изобретению является ступенчатый источник электропитания, содержащий три однофазных трансформатора, сетевые обмотки которых соединены в трехлучевую звезду, а каждая из трех вентильных обмоток посредством двух линий (Л 2) подключена к двум вентильным ячейкам из последовательно согласно соединенньгх вентилей, причем эти вентильные ячейки соединены меящу собой в параллель, образуя четыдехвентильный мост Греца-Поллака, а все три моста по цепи постоянного тока соеди иены между собой последовательно согласно, образуя свободными выводами первого и последнего мостов выводы по постоянному току.

При этом при подключении сетевых обмоток к трехфазному источнику пере менного тока и определенных углах управления вентипями источник формирует на выводах постоянного тока регулируемое (стабилизированное) посто янное напряжение (ток), а при подключении к последним выводам источника постоянного напряжения и соответствущих углах управления формирует в обмотках переменный ток (работает как инвертор). Причем с целью обеспечения искусственной коммутации на тройной частоте источник дополнительно снабжен третичными обмотками, соединенными последовательно согласно между собой через малогабаритный коммутирующий конденсатор .

Цель изобретения - улучшение энергетических и массогабаритных показателей, а также надежности и стоимости.

Указанная цель достигается тем, что в ступенчатом источнике электропитания по первому варианту, выполненном в виде преобразователя,содержащего двенадцать вентилей и один трехфазный или три однофазных трансформатора, сетевые обмотки которых образуют входные выводы, а каждая из трех вентильных обмоток посредством двух линий присоединена к двум вентильным ячейкам из последовательно согласно включенных двух вентилей в каяздой из них, образуя ступень, при этом свободные аноды двух вентилей, подключе.нных к первой вентильной обмотке, и соответственно свободные катоды двух вентилей, подключенных к третьей вентильной обмотке, объединены между собой и образуют выходные выводы, остальные восемь вентилей соединены между собой по четыре последовательно встречно в два последовательно согласно включенных четырехвентильных кольца, к объединенным анодам вентилей первого из которых присоединена первая вентильная обмотка, а к объединенным катодам вентилей первого и второго кольца подключены соответственно вторая и третья вентильные обмотки.

Кроме того, источник вьтолнен в виде по крайней мере двух одинаковых преобразователей.

Преобразователи соединены между собой выходными вьшодами последовательно или/и параллельно, встречно либо согласно.

Вентильные обмотки ступеней на стыке преобразователей выполнены разноименными.

Вентильные обмотки ступеней на стыке преобразователей выполнены одноименными.

Вентили, соединяющие последовательно согласно включенные преобразователи, образуют четырехвентильное кольцо, к объединенным анодам вентилей которого подключена вентипьная обмотка одной, а к объединенным катодам вентилей - обмотка другой ступени.

51

В ступенчатом источнике электропитания по второму варианту, содержащем двенадцать вентилей и один трехфазньй или три однофазных трансформатора, каждая из трех вентильных обмоток которых посредством двух линий подключена к двум вентильным ячейкам из последовательно согласно включенных двух вентилей в каждой из них, образуя ступень, при этом свободные аноды двух вентилей, подключенных к первой вентильной обмотке, и соответственно-свободные катоды двух вентилей, подключенных к третьей вентильной обмотке, объединены между собой и образуют входные выводы, остальные восемь вентилей соединены между собой по четыре последовательно встречно в два последовательно согласно включенных четырехвентильных кольца, к объединенным анодам вентилей первого из которых присоединена первая вентильная обмотка, а к объединенным катодам вентилей первого и второго колец подключены соответственно вторая и третья вентильные обмотки.

При этом с целью улучшения коммутационной способности между объединенными анодами и объединенными катодами первого и объединенными катодами вентилей второго колец присоединены дополнительно введенные коммутирующие конденсаторы.

Источник снабжен третичными обмотками, соединенными последовательно согласно между собой через коммутирующий конденсатор.

Коммутирующими конденсаторами зашунтированы вентильные обмотки, а в рассечку одной из линий каждой вентильной обмотки включен дополнительно введенный дозирующий конденсатор.

В рассечку одного из объединений анодов вентилей первого и объединений катодов вентилей второго колец а также одного из соединений этих колец между собой включены дополнительно введенные индуктивные элементы, магнитно связанные или не связанные между собой, к средним точкам которых присоединена одна из линий соответствующей вентильной обмотки.

Индуктивные элементы зашунтированы дополнительно введенными вспомогательными конденсаторами.

25136

Между входными выводами включен накопительный конденсатор.

На фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема устройст5 ва в его однозвенном исполнении по первому варианту; на фиг. 2 - соответствующая ему векторная диаграмма формирования т о ко образующих ЭДС 5,ц ( 1,6), поясняющая в фазовой

плоскости принцип работы устройства, а также сгруппированные для наглядности данные устройства в сопоставлении с данными известного устройства; на фиг. 3-6 - То же, что на фиг. 1

5 и 2 при последовательно соединенных трех преобразователях (звеньях) и разноименных (фиг. 3 и 4), либо одноименных (фиг. 5 и 6) вентильных обмотках в стыкующихся ступенях этих

0 преобразователей (звеньев); на

фиг. 7 и 8 - принципиальная электрическая схема устройства (второй ва риант), с дополнительными коммутирующими конденсаторами (или без них)

5 (фиг.7) и/или соответственно с введенными индуктивными элементами и вспомогательными или/и дозирующими конденсаторами (фиг.8).

При этом используются следующие

0 обозначения: i) и п - общее число ступеней и звеньев; Л и в - число линий и вентилей в одной ступени; Л и В - то же, общее число В число последовательно соединенных

5 вентилей, проводящих ток нагрузки в данном циклически сменяющемся во времени р-м контуре, АВ и 3gf, выигрыш (разность) и экономия (в разах) в числе Ъ вентилей относи0 тельно известного устройства, W и . - суммарное витковое число относительно амплитудного и..-и среднего VP значений выходного напряжения; Оф - действующее значение

5 напряжения на одной обмотке, Ug gамшштуда обратного напряжения на вентиле.

Устройство (фиг.1) содержит двенадцать вентилей 1-12 и один трехфазный или три однофазных трансформатора с вентильными обмотками а, бис. Сетевые обмотки для простоты не показаны, а в качестве источников фазосдвинутых ЭДС, формируемых 5 вентильными обмотками Q, & не, могут быть подключены в принципе любые гальванически не связанные мелду собой источники переменных ЭДС, в 7. 1 связи с чем устройство не является в этом смысле критичным. Вентили, 2, 3, 5, 6, 8, 9, 11 и 12 соединены между собой по четыре (2, 5, 8, 11; 3, 6, 9, 12) последовательно встречно, образуя два последовательно согласно включенных четырехвентильных кольца. К объединеннь анодам вентилей 2 и 5, 8 и 11 образуюпщм входы (стоки) кольца, посредством двух линий (Л 2) присоединена первая вентильная обмотка а Вторая обмотка k присоединена к объединенным катодам вентилей 2 и 11, 5 и 8 (к выходам или истокам) первого кольца и к объединенным анодам вентршей 6, 9 и 3, 12 (к стокам) второго кольца, к объединенным катодам вентилей 3 и 6, 9 и 12 (истокам) которого подключена третья обмотка с Аноды вентилей 1 и 7 первой и соответственно катоды вентилей 4 и 10 третьей обмотки объединены между собой и образуют выходные выводы. Все эти соединения обеспечивают по отношению к известному устройству улучшение энергетических показателей а также массы, объема, надежности и стоимости. Работу устройства поясняет вектор ная, диаграмма (фиг.2), на которой при сохранении позиционных обозначений (фиг.1) показан принцип формирования векторов S « ( 1« 1,6) выходного напряжения U. В скобках при S,y указаны номера и число Bf, токопроводящих вентилей для данного jU -г контура токопрохождения. Формируемо устройством знакопостоянное напряже ние UQ содержит переменную составляющую с той же, что и в известном устройстве, 6-кратной частотой (П 6), но число В уменьшается при этом на два вентиля (&Bf| 2), .е. в полтора раза (3g, 1,5). Этим уменьшаются потери напряжения и мощности в преобразовательных силовых элементах, как следствие по вьш1ается КПД, снижается число требу щихся ранее витков силовых обмоток, упрощаются конструкции и монтаж, улучшаются технологичность изготовл ния, масса, объем и стоимость. Причем длительность проводящего состояния восьми вентилей (2, 6, 8, 12 и 3, 5, 9, 11) составляющая соот ветственно 120 и 60 эл.град. за период ЭДС, уменьшается в 1,5 и соот8ветственно в 3 раза по сравнению с широко используемыми на практике классическими схемами однофазных мостов Греца-Поллака. Тем самым, по сравнению с этими схемами, среднее значение TOKalgB 60% силовых элементов устройства снижается соответственно в 1,5 и 3 раза и, следовательно, существенно уменьшаются непосредственно связанные cig об- . потери энергии в них. Требуемое выходное напряжение UQ обеспечивается в устройстве при сравнительно небольшом напряжении на об- мотках - Иф 0,37Уд, без учета потерь, что в 2 раза меньше, чем, например, в общепризнанной лучшей по энергетическим показателям классической схеме Ларионова (при вентильных обмотках треугольником), обеспечивающей ту же, что и в предлагаемом устройстве, шестикратную частоту пульсации выходного напряжения. В то же время обмотки в этой схеме Ларионова присоединены к вентильным ячейкам посредством общих для обмоток линий ((5) в отличие от собственных линий Л, в устройстве. Этим обусловлена принадлежность устройства к схемам с собственными линиями - к Л -схемам с присущими таким схемам особенностями, в частности удвоенным относительноti числом вентипей В () . При этом обратное напряжение на вентилях в схеме фиг.1, определяющее их вентильную прочность (надежность), оказывается в 2 раза меньше, чем в равноценной ей по 9 схеме Ларионова, благодаря чему допустимо использовать более низковольтные (менее мощные), малогабаритные и более надежные преобразовательные элементы. При более простых и более реальных возможностях для разработчика оказаться в согласии с обычно жестким перечнем разрешенных к.применению и/или имеющихся в наличии компонентов. Применение вентилей при в 2 раза меньших обратных напряжениях, а также в 2 раза меньшее число витков в каждой вентильной обмотке при в 2 раза меньшем напряжении на них имеет особенно существенное значение для сравнительно высоковольтных источников электропитания, намного улучшая их энергетические, массогабаритные, надежностные и стоимостные показатели. 9 Дальнейшего их улучшения мржно достичь, если источник снабдить до полвитальными обмотками, линиями и преобразовательными элементами, обр зовав на их основе хотя бы еще одно звено той же структуры. Причем образованные таким образо звенья могут быть соединены выходны ми выводами -последовательно или/и параллельно, встречно либо согласно а вентильные обмотки ступеней на стыке звеньев могут быть одно- или разноименными, образуя на пространственной конструкции магнитопровода соединения отдельных катушек, соответственно, в виде спирали пибо последовательного ряда (фиг.3-6). Этим также упрощается общая констру ция источника, а вентили, соединяющие последовательно согласно включенные звенья, могут быть тем же описанным способом собраны в четырехвентильное копьцо, что, с учетом резкого уменьшения напряжения на обмотках с ростом числа звеньев, дополнительно существенно улучшает надежность, а также энергетические и другие показатели. Устройство по второму варианту (фиг.7 и 8) содержит те же основные компоненты и электрические связи, что и в первом варианте, но отличается тем, что объединенные электрод вентилей 1 и 7, 4 и tO образуют вхо ные выводы (а не выходные, как в первом варианте), и к ним, например через индуктивный элемент подключае ся источник постоянного напряжения, ;а на обмотках а Ь и с , являющихся в этом варианте трехфазной нагрузко источника, формируется переменное напряжение. Устройство по второму варианту работает не в выпрямительном, а в инверторном режиме, но описанные ранее положительные эффекты сохраняются. При этом с целью дополнительного улучшения коммутационной способности можно включить соответствзтощие реактивные элементы - третичные обмоткиОщ, Ь JJJ иСгп коммути 13ш рующие С|, дозирующие Cgr или вспомогательные Cj конденсаторы и индуктивности &; , как это показано на фиг. 7 и 8. Возможно также подключение накопительных конденсаторов С к входным выводам. Такие дополнительные реактивные элементы при показанных присоединениях создают определенные фазовые сдвиги.переменных состояний (токов, напряжений и мощностей) и, тем самым, при соответствующих соотношениях их параметров, позволяют обеспечить компенсацию вреднего влияния реактивной мощности, а при других их сотношениях даже генерировать полезную ее часть в нагрузку (сеть). При этом вентили в том и другом вариантах решения, будучи вьтолненными управляемыми, обеспечивают регулирование либо стабилизацию выходных параметров с соответствуюшим качеством и спектральным составом. Вместе с тем, если выходные по фиг. 1 (3 и 5) и входные по фиг. 7 (8) вьшоды схем соединить между собой параллельно однополярно, устройство обеспечит преобразование переменного тока в переменньй, и тем самым такая схемная реализация устройства представляет собой конинвертор. Если же сюда пзрисоединить -еще один вьшрямитель, образуется циклоконвертор,а обратное соединение схем фиг. 1 (3, 5) и 7 (8} (вначале фиг. 7 и 8, затем фиг. 1) дает преобразователь постоянного тока в ПОСТОЯННЕЙ (инконвертор), который при дополнительно снабженном последовательно однополярно еще одним инвертором фиг.7 и 8 дает циклоинвертор. Все эти или подобные им модификации устройства по-прежнему обладают описанными положительными свойствами, но в еще большей степени усиливают их, улучшая в целом надежность, энергетику, вес, объем и стоимость этих сложных объектов относительно звестного устройства.

|а с/Чь

S« с -ь -|

&; ..

К.Ю)(

. W

у

в . NkT/

,

«и (гш;

in.if,io)

S,(7.g,5.10) ,«x . 8-- Д«б, t/. 6$aljr; Оф ftHf/,, а5Ж (.г.; - i.. f.57; ( . « XTjN . .3..4i. Ы. .,«.«;7 К« Y.-c, / J fti IV -«,/ ,..i:.m. / , Cli izz / , Й2 Ч:;ТЬ (П1В.12,1Э,Щ (HMWyiL 2 «./ (п,г9,yo,zt г Z563 и/ 5;,й.шз,адк 26/ /ЧДй,/б,«;; . З -- с (1,г.1ч,5,б,г8,9,ю) ,ШЗ,ЩгО,г5,гб, 22.27.28) ФмгЛ

ttaiai,. i6.Uj 5Х5П..,

г,зг,а;/ -Г, т. .T.W.W.WJ

; -V .

«. tfff /

4 Д i . cи.г,д..л, 11 47 L

S V

Пг7.ге,г,г9.

.Z0.3J,K.t6}

s

X

.5,fir3.45.fi7,4J,;o;ff.e

TC

-Ч N

ait,

i ./

M

,(7,«,2,ч, п.1у,го,щ

b,

X

.

S« lri.n,23,Zif,l3,K,nZ5,2S) 0Ut6

6l ff hi гк

, и IE

Ес

Т) 11 д

д 4М

.