Трехфазный преобразователь переменного напряжения в постоянное Советский патент 1985 года по МПК H02M7/12 

2.Преобразователь по п. 1, о т- личающийся тем, что все вентили относительно выходных вьгоодов включены однонаправленно.

3.Преобразователь по п.п. 1 и 2, отличающийся тем, что вентили выполнены одно- или двухпозиционно управляемыми.

4.Преобразователь по п. 3, о тличающийся тем, что управляемой вьтолнена половина вентилей.

5.Преобразователь по п. 4, о тличающийся тем, что управляемыми выполнены первый, второй, третий, седьмой, одиннадцатый

и двенадцатый вентили.

, 6. Преобразователь по п. 4, о тли ч ающий ся тем, что управляемыми выполнены четвертьй, пятый, шестой, восьмой, девятый и деся тый вентили.

7. Преобразователь по п.п. 1-6, отличающийся тем, что подключение выводов по крайней ме56218

ре одного источника ЭДС транспортировано .

8.Преобразователь по п.п. 1-7, о тличающий ся тем, что последовательность подключения источников ЭДС в образуемой ими последовательной цепи выполнена произвольной .

9.Преобразователь по п.п. 1-8, отличающийся тем, что источники ЭДС сформированы посредством электромагнитных аппаратов.

10.Преобразователь по п. 9, отличающийся тем, что электромагнитный аппарат выполнен

в виде электрической машины, трансформатора, автотрансформатора.

11.Преобразователь по п.п. 1-10, отличающийся тем, что источники ЭДС выполнены с одинаковой амплитудой и сдвинуты по фазе

на 120 эл. град.один относительно другого.

1. ТРЕХФАЗНЬЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ, содержащий десять вентилей и три источника фаэосдвннутых ЭДС, которые попеременно с первыми четырьмя вентилями образуют последовательную цепь, первый вывод первого источника соединен через пятый вентиль с первым выводом второго источника, которьлй через шестой вентиль соединен с первым выводом третьего источника, к другим вьтодам первого, второго и третьего источников присоединены соответственно седьмой, восьмой и девятый вентили, свободные электроды первого и седьмого вентилей образуют один выходной вьгеод, а свободный электрод четвертого вентиля ,и первый вьтод третьего источйика через десятый вентиль образуют другой выходной вывод, отличающийся тем, что, с целью улучшения качества преобразования энергии, уменьшения массы, объема, стоимости, дополнительно введены одиннадцатый и двенадцатый вентили, при этом одиннадцатый вентиль включен между первым выводом первого источника и вторым (Л выводом второго источника, а двенадцатый - между первым вьгеодом второго источника и вторым вьгеодом третьего источника, свободный электрод восьмого вентиля подключен к второму выводу первого источника, свободный электрод девятого вентиля подключен к второму выводу второго источника . , B-n, ff-i, V3. %-ii57; TTS. fcfl«,®%, ,7Щ,. 1ip«ft37l/oJ („ря«11.% ut.l

1

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве неуправляемого либо уп.равляемого (регулируемого и/или стабилизированного) источника электропитания, преимущественно при сравнительно высокой частотной кратности пульсации выходного напряжения и одновременно малом числе частей силовых вентильных обмоток с малым общим числом их витков и напряжением на них относительно среднего значения Vo напряжения нагрузки, а также при необходимости широкой схемной инвариантности.

Известен трёхфазный преобразователь, содержащий три двухячейковых вентильных моста Греца-Поллака, образуклцих 6-ячейковый вентильный мост из 12-ти вентилей, и трехфазньй трансформатор, вентильные обмотки которого, поделенные в каяздой фазе на две секции, соединены одноименными выводами с секциями смежных фаз, а свободными выводами посредством шести линий с выводами по переменному току упомянутого моста, вьтоды по постоянному току которого образуют выходные вьшоды 1,

Данное устройство формирует межд соответствующими парами линий 5 три фазосдвинутые линейные ЭДС и обеспечивает тем самым сравнительно высокую (6-кратную) частоту выходной пульсации (П 6) при малом ее уровне (ktr uUo/Vo 13,04%) и , небольшом, равном двум, числе Вп

последовательно соединенных вентиле в каждом из JU -X ( |U 1,6) циклически сменянщихся во времени контуров протекания тока нагрузки. При этом длительность протекания тока через Iвентиль, как следствие, его среднее {значение и мощность потерь в 2 раза м еньше, чем в равноценной по П,Вп и Kf классической мостовой схеме 20 Ларионова, что достигается наличием

в 2 раза большего общего числа В .;вентилей (В 12), в 2 раза больше числа Ч частей вентильных обмоток и суммарного числа W их витков 25 относительно Ve, ( Ч,, 6, У 3,63), а также в 2 раза большей мощног.тью Р,- этих обмоток относительно полезной мощности Рд нагрузки (, . 2 1 РГ ) . Все это приводит к крайне плохим энергетическим, массогабаритным и стоимостным показателям устройства и обусловливает нецелесообразнос практического применения его как в характерном для него случае сильноточной нагрузки (из-за низкого КПД и плохого коэффициента использо вания мощности трансформаторного об рудования, для которого КЛРЙлд Pjj: /РО - 1 :х,109,44%), таки, особеЯно в случае сравнительно высоковольтной нагрузки, вследствие повышенного напряжения U на каждой сек дни обмоток ( Ыф ,43 УО ), гальванической их связи между собой и очень больших значений Pj , , Ч Известен также трехфазный преобразователь , содержащий трехфазный трансформатор с тремя вентильными обмотками и 18 вентилей, двенадцать из которых образуют три двухячейковых 4-вентильных моста Греца-ПоллаRa, к выводам по постоянному току каждого из которых подключены попар но согласно соответствующие остальные шесть вентилей. При этом упомянутые обмотки посредством шести линий (Л 6) присоединены поочередно к соответствующим выводам переменно го тока двух смежных мостов, тополо гически образуя через их диагонали треугольник линейных ЭДС, с объединенные катоды трех из упомянутых шести вентилей и соответственно объ единенные аноды трех остальных из них образуют выходные выводы 23. В этом устройстве обеспечена при тех же П и kjj диодная развязка вентильных обмоток, в 2 раза меньшее их число при меньшем числе витков ( 4i 3, Wgo 3,14), существенно меньший (в 3,87 раза) коэффициент превышения полезной мощности (knp-g 2 ,83%) , как следствие, значительно лучшее использование мощности трансформаторного оборудования, меньшие его габариты, вес, стоимость. Более того, устройство допускает смену фазировки любой из обмоток, а также любую последовательность их подключения без изменения протекающих электромагнитных процессов .и режинно-энергетических состояний элементов. Однако этому преобразователю свойственны излишняя схемная сложность и громоздкость вентильного блока ввиду неоправданно большого (при данных П и И) общего числа вентилей (В 18 2П 12), очень высокое (при высоком VQ ) действующее значение напряжения на каждой обмотке ( - 0,74 Vo ) , большое, для такого Ud,, число В вентилей в каждом из шести упомянутых контуров (БПЩ 4, iTS) , как следствие, некомпенсируемо большие потери напряжения и мощности и дополнительно увеличенные значения Ц, понижен- ный КОД. Все это обусловливает сравнительно плохие энергетические, массогабаритные и стоимостные показатели устройства, а также его ресурсоемкость. Наиболее близким к изобретению является трехфазный преобразователь, содержащий 10 вентилей и трехфазный трансформатор, три вентильные обмо.тки которого и четьгре из указанных вентилей связаны посредством шести линий в последовательную цепь из попеременно чередующихся согласно включенных вентилей и обмоток, начало первой из которых связано через пятый вентиль с началом второй обмотки, которое через шестой вентиль связано с началом третьей обмотки, а к концам о&4отьк согласно с подключеными к ним упомянутыми вентилями присоединены соответственно седьмой, восьмой и девятый вентили, свободные электроды которых и свободный электрод первого вентиля образуют один выходной вывод, а свободный электрод четвертого вентиля и начало третьей обмотки через включенный однополярно с ним десятый вентиль образуют другой выходной вывод (3 . Обеспечивая важную для сравнительно высоковольтных устройств вентильную развязку обмоток и допуская любу последовательность их чередования прототип обладает сравнительно неплохшда показателями по В, 4i, и, равными соответственно 10,3, Vo , 2,16, 19,3%, однако вследствие значитель- ной (в 1,33 - 3 раза) широтно-импульсной асимметрии токовых импульсов разных обмоток, а также асимметрии биполярных импульсов тока одной и той же обмотки в устройстве возникает асимметрия загрузки вентилей , обмоток и стержней магнитопровода и сильный эффект вредного постоянного подмагничивания, что при их компенсации дополнительно резко ухудшает knpи трансформатора, массу и объем, стоимость, КПД, надежность .

Кроме того, вследствие существенной (двухкратной) амплитудной асимметрии импульсов выходного напряжения , формирующихся в соответствующих jii-X контурах токопрохождения, устройство создает, при том же Врд,ад. 4, предельно низкую частотную кратность пульсации, равную по первой гармонике единице (П 1) и очень высокий ее уровень. Этот уровень, даже в теоретически идеальном случае, составляет 81,6% и намного больше в реальной схеме ввиду разного числа последовательно соединенных элементов в разных JU-X. контурах.

Все это приводит к крайне плохому качеству преобразования энергии, требует при его улучшении тяжелых, громоздких сглаживакяцих фильтров, что наряду с объемным и тяжелым силовым трансформаторным оборудованием предопределяет в итоге плохие энергетические, массогабаритные и стоимостные показатели устройства в целом.

Кроме того, при допускаемом в устройстве взаимном пересоединении выводов одной из обмоток трансформатора в выходном напряжении появляется еще один импульс с удвоенной амплитудой, однако характер протекающих в устройстве процессов по существу не изменяется, а значение коэффициента пульсации k при той же предельно низкой частотной кратности П (П 1) остается rto-прежнему плохим, что обуславливает ограниченные схемно-режимные возможности устройства.

Число недостатков растет при вьтонении преобразователя управляемым, что обусловлено необходимостью установки сравнительно большого количества управляемых преобразовательных элементов (всех десяти), а также довольно сложной системы управ- i ления. Последнее связано с необходимостью формировать достаточно сложный алгоритм подачи управляющих импульсов вследствие разного числа и непериодичности вступления в работу вентилей и обмоток в каждом из шести силовых контуров токопрохождения, последовательно сменякяцихся во времени внутри периода преобразуемых эдс.

Сложность и низкая надежность управляемой модификации прототипа наряду с дополнительно резким ухудшением качества преобразования энергии предопределяют крайне плохие массогабаритные показатели преобразователя, делая его практически непригодным для разработки высокоэффективных, экономичных и надежных стабилизированных источников различного назначения.

Цель изобретения - улучшение качества преобразования энергии, уменьшение массы, объема, стоимости.

Цель достигается тем, что в трехфазный преобразователь переменного

0 напряжения в постоянное, содержащий десять вентилей и три источника фазосдвинутых ЭДС, которые попеременно с первыми четырьмя вентилями образуют последовательную цепь, первый вывод первого источника связан через пятый вентиль с первым выводом второго источника, который через шестой вентиль связан с первым вьгеодом третьего источника, к другим вьгеодам первого, второго и третьего источников присоединены соответственно седьмой, восьмой и девятьй вентили, свободные электроды первого и седьмого вентилей

образуют один выходной вьтод, а свободньй электрод четвертого вентиля и первый вьшод третьего источника через десятый вентиль образуют другой выходной вывод, дополнительO но введены одиннадцатый и двенадцатый вентили, при этом одиннадцатый вентиль включен между первым вьшодом первого источника и вторым выводом второго источника, а двенадцатый - между первым выводом второго источника и вторым вьшодом третьего источника, свободный электрод восьмого вентиля подключен к

второму вьшоду первого источника,. свободный,электрод девятого вентиля подключен к второму выводу второго источника.

Кроме того, все вентили относительно выходных выводов включены однонаправленно и выполнены одноили двухпозиционно управляемыми,

С целью уменьшения числа управляемых вентилей и упрощения схемы управления управляемой вьтолнена половина вентилей, управляемыми выполнены первый, второй, третий, седьмой, одиннадцатый и двенадцатый вентили, управляемыми выполнены четвертый, пятый, шестой, восьмой, девятый и десятый вентили, подключение выводов по крайней мере одного источника ЭДС транспозировано, последовательность подключения источников ЭДС в образуемой ими последовательной цепи выполнена произвольной.

С целью расширения схемно-функциональных возможностей источники ЭДС сформированы посредством электромагнитных аппаратов, электромагнитный аппарат выполнен в виде элекрической машины, трансформатора, автотрансформатора.

С целью улучшения качества преобразования энергии источники ЭДС выполнены с одинаковой амплитудой и сдвинуты по фазе на 120 эл. град один относительно другого.

На фиг. 1Q изображена одна из возможных принципиальных электрических схем устройства при согласном соединении фазосдвинутых ЭДС, чередующихся в порядке их прямой последовательности I на фиг. 1 - линейная диаграмма выходного напряжения УО в функции безразмерного времени и , поясняющая принцип работы устройства в неуправляемом режиме с указанием числа, номеров и последовательности естественного включения вентилей в каждом из шести контуров токопрохожденияJ на фиг. 2-5 - то же, что на фиг. 1а , при взаимном изменении подключения выводов соответствунэщих источников ЭДС (при транспозиции выводов) соответственно одной (а или Ь, или с-, фиг. 2-4) и всех (а, b и с, фаг. 5) ЭДС; на фиг. 6-8 - то же, что на фиг. IQ., при изменении чередования ЭДС без переключения (фиг. 6,7) и

одновременной транспозиции (фиг. 8) их полярности.

При этом, с целью иллюстрации широкой унификации изображения, на всех схемах сохранена единая по начертанию структура схемы, а также единая позиционная нумерация вентилей в последовательности их естественного переключения при соответствующей циклической перенумеровке в каждой унифицированной схеме.

Преобразователь (фиг. 1о() содержит двенадцать вентилей 1-12 и три источника переменных ЭДС а, Ь, с, которые поочередно с вентилями 1, 5, 9, 10 образуют посредством соответствующих шести линий последовательную цепь. При этом первые и вторые выводы ЭДС связаны между собой соответственно через вентили 3, 6, 8, 12, 11,а объединенные электроды вентилей 1, 7 и 4, 10 образуют выходные вьтоды. Причем для удобства анализа схем вентили позиционно пронумерованы от 1 до 12 в последовательности их поочередно циклического естественного вступления в работу. Это соответствует следующей указанной их формульной позировке: первый, восьмой, двенадцатый, десятый, второй, десятый, седьмой, пятый, третий, четвертый, одиннадцатый, шестой.

Устройство (фиг. 1а) работает елследующим образом.

Прр одинаковых амплитудах ЭДС

a,Ь, с и фазовом их сдвиге на

120 эл. град, один относительно другого на нагрузке формируется знакопостоянное напряжение Uo, форма импульсов 3(ц (Д 1,6) которого симметрична по амплитуде и ширине против асимметричной их формы в прототипе. Такой важный эффект обеспечен благодаря присоединению анодов вентилей 2, 6 не к минусовому выходному выводу, как в прототипе ,, а к выводам ЭДС а и Ь, а также вследствие введения дополнительяых вентилей 3, 11 и подключения их к первым и вторым выводам ЭДС а,

b,с.

В этом случае при указанной фазировке ЭДС (фкг. 1а) кая1дый из шести контуров токопроховдения содержит все три фазосдвинутые ЭДС, а также соответствукшще четыре вентиля (фиг. 15).

Тем самым по отношению к прото- типу сохранено присущее ему малое количество отдельных частей ЭДС (три) , сохранены основные элементы (вентили, линии) и их связи и вместе с тем- устранена свойственная прототипу нежелательная амплитудная асимметрия пульсации выходного напряжения и амплитудно-фазовая асимметрия токовых импульсов вентилей и источников ЭДС. Причем несмотря на введение дополнительных вентилей число Вр последовательно соединенных преобразовательных элементов сохранено в устройстве сравнительно незначительным (В, 4) и одновременно обеспечено важное положительное свойство - вентильная развязка источников ЭДС. что особенно существенно для преобразователей сравнительно повьшенного напряжения.

Вместе с тем несмотря на последовательное соединение вентилей, требующее в прототипе, для компенсации потерь напряжения на них, увеливения амплитудных (действующих) значений переменных ЭДС эти значения каждой ЭДС снижены в устройстве по сравнению с прототипом в 0,51:0,37 1,38 раза при заданном (одинаковом с прототипом) значении Vp соответственно снижено в 2,16:1,57 1 ,376 раза суммарное число витков вентильных обмоток (в случае реализации ЭДС на обмотках электром гнитньгх аппаратов) , увеличено во столько же раз выходное напряжение при одинаковых значениях ., улучшен в 19,3:11,1 1,74 раза коэффициент превьшения (использования) мощности ЭДС, соответственно снижены масса объем, стоимость аппаратов, уменьшен уровень выходной, пульсации в 81,6: 14,03 5,82 раза, а кратность ее частоты увеличена в К 6:1 6 раз.

Такое коренное улучшение качеству преобразования энергии с учетом степенной зависимости от параметра К значений L и С сглаживающих фильтров приводит к резкому (в десятки раз) снижению их массы, объема, стоимости. В частности, произведение 1 -С широко распространенных на практике Г-образных L(C-фильтров снижается примерно в К : 314/81,6

336 раз, что выгодно отличает предлагаемое устройство.

Кроме того, благодаря обеспечению амплитудно-широтной симметрии импульсов тока источников ЭДС устранено свойственное прототипу вредное явление постоянного подмагничивания, что еще более улучщает -энергетические, массогабаритные и стоимостные показатели устройства.

Причем при взаимном изменении (транспозиции) выводов источников фазосдвинутых ЭДС (выводов обмоток электромагнитных аппаратов-, фиг. 2-5 или/и при изменении последовательности чередования этих источников ЭДС (фиг. 6-8) сущность работы устройства в целом сохраняется по отношению к описанной реализации и тем самым сохраняются показанные положительтные достижения.

Некоторые из 48-ми возможных различных конкретных схемных реализаций устройства (фиг. 2-8) иллюстрируют гибкость и универсальность его принципиальной электрической схемы. Как видно из фиг. 1-8, в схеме циклически изменяется лишь позиционная нумерация вентилей, участвуинцих в работе, видоизменяется при сохранении общего характера векторная диаграмма формирования выходного напряжения, как следствие, изменяются энергетические (тепловые) состояния соответствующих вентилей, поканальная разводка сигналов их управления (в управляемых вариантах), длительности их работы и пр. Однако все это возможно в случае, если при переходе от одной схемной реализации к другой оставлять неизменной позиционную нумерацию вентилей.

Выполненная (фиг. 2-8) циклическая перепозировка вентилей исключает необходимость учета этих особенностей , наглядно иллюстрируя широкую схемную инвариантность устройства.

Если же в устройство установить только однотипные вентили, рассчитанные на мощность, свойственную выходным вентилям (1, 4, 7, 10, фиг.- 1а), то указанные изменения режимных состояний оказываются вообще несущественными вследствие режимно-энергетической избыточности остальных восьми вентилей, что еще более упрощает техническую реализацию устройства, повышает коэффициент номенклатурно-элементной однотипности преоб разователя, его эксплуатационную надежность, долговечность. Этим, в свою очередь, снижается комплектность так назьгоаемого запасного имущества (ЗИП), что крайне важно для централизованных и региональных поставок и эксплуатации изделий, прежде всего серийных. Обеспечение однотипности позволяет, кроме того, свести все многочисленные схемные варианты реализаций устройства лишь к одному из них - к универсальному(фиг. 1а). Выявленные положительные свойства приобретают особую значимость при выполнении устройства управляе мым, так как по сравнению с прототипом число управляемых вентилей при сохранении частотной кратнрсти пульсации уменьшено в 2 раза относительно общего их числа. По сравнению с полууправляемым мостом Ларионова частотная кратность пульсации увеличена в 2 раза при том же уменьшении в 2 раза чис ла управляемых элементов и также в 2 раза снижено потребное напряже ние на силовых обмотках (число их витков) при том же требующемся напряжении нагрузки. Причем преобразовательные элементы могут быть установлены в устройстве как одно-, так и двухпозиционно управляемыми, а сигналы управления достаточно подавать (фиг. 16) на четные либо на нечетные вентили. При двухпозиционно уп равляемых преобразовательных элементах возможно снижение их числа до двух, T.ei в 6 раз по отношению к полностью управляемой реализации .В частности в схемах на фиг. 1-5 достаточно выполнить управляемыми 18 1,7 или Д, 10, хотя уровень вентили пульсации при этом повышается. Вместе с тем упомянутые ЭДС могут быть сформированы не только посредством обмоток трансформаторов (как в прототипе), но также любых электромагнитных аппаратов, например электрических машин, что еще более расширяет схемнофункциональные возможности преобразователя.. Кроме того напряжение на каждой обмотке электромагнитного аппарата (фиг. 1$) достаточно иметь в 2 раза меньше по амплитуде, чем выходное напряжение, что особенно важно для высоковольтных источников питания. Применение с той же целью вентильно-конденсаторньк цепей в известных устройствах повьш ает потери, увеличивает число разнотипных элементов, ухудшает надежность и по принципу действия ограничено диапазоном малых токов. Так как в устройстве емкостные накопители отсутствуют , оно - свободно от указанных недостатков, в связи с чем допустимые или целесообразные значения тока нагрузки могут быть любыми и обусловлены не принципом работы .устройства, а,лишь возможностями (наличием) имеющейся у разработчика конкретной элементной базы и практической реализуемости. Таким образом, в соответствии с описанием реализуется трехфазный преобразователь электрической энергии, в котором, благодаря установленной в нем новой совокупности существенных признаков, достигнуто весовое улучшение ряда пенных свойств и качеств при одновременной просто-те схемно-технического решения. Этим предопределены его перспективность и достаточно широкое практическое применение в различных отраслях народного хозяйства страны.

Л

ftii.Z

Фиг. 6

Г-i

иг.7

ev 2

Фи1.8 0 Y Фиг. 5