Управляемый источник электропитания А.М.Репина Советский патент 1985 года по МПК H02M7/12 

2. Источник по Пй 1, о т л ичающийся тем, что система управления обеспечивает подачу сигналов управления последовательно через интервал дискретности на второй седьмой,, третий, одиннадцатый, первый и двенадцатьй вентили, выполненные управляемыми.

Зо Источник по п. 1, о т л ичающийся тем, чтб сист.ема управления обеспечивает подачу сигналов управления последовательно через интервал дискретности на четвертый, шестой, восьмой, десятый, девятый и пятый вентили, а остальные вентили выполнены неуправг ляемыми.

4. Источник по п. 1, о т л ичающийся тем, что, с целью дополнительного упрощения при двухпозиционно управляемых вентилях, система управления обеспечивает подачу сигналов управления последовательно на первый и седьмой либо

6219

на четвертый и десятый вентили, а остальные вентили выполнены неуправляемыми,

5.Источник по п. 4, о т л ичающий ся тем, что система управления обеспечивает подачу сигналов управления последовательно на соответствующий управляемый вентиль через подинтервал, составляющий часть интервала дискретности.

6.Источник по п.п. 1-5, о т личающийся тем, что подключение выводов по крайней мере одного источника ЭДС транспозировано.

7.Источник по п.п. 1-6, о тличающийся тем, что поочередность присоединения источников ЭДС через связывающие их вентили выполнена произвольной.

8.Источник по п.п. 1-7, о тл и ч- а ю щ и и с я тем, что источники ЭДС реализованы в автотрансформаторном исполнении.

1. Управляемый источник элект питания , содержащий вентили и три источника фазосдвинутых ЭДС, соеди ненные с первыми четырьмя вентилям поочередно последовательно, первый вывод первого источника ЭДС, соеди ненный с первым вентилем, связан через пятый вентиль с пёрзьы выводом второго источника ЭДС, который через шестой вентиль связан с первым выводом третьего источника ЭДС к другам выводам первого, второго и третьего источников ЭДС подключены соответственно седьмой, восьмой и девятый вентили, свободные электроды первогои седьмого вентилей образуют один выходной вьшод, а свободный электрод четвертого вентиля и одноименньй ему электрод десятого вентиля, подключенного другим электродом к первому вьшоду третьего источника ЭДС, образуют другой выходной вывод, о тличающийся тем, что, с целью упрощения, улучшения качества преобразования энергии, сния{ения массы, объема, стоимости, введены система управления, а также одинадцатый и двенадцатый вентили, первый из которых сйязывает первый вывод первого источника ЭДС с вторым выводом второго источника ЭДС, первый вывод которого связан через двенадцатый вентиль с вторым выводом третьего источника ЭДС, свободные электроды йосьмого и девятого вентилей подключены к вторым выводам первого и соответственно второго источников ЭДС.

1

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве регулируемого и/или стабилизированного источника электропитания, преимущественно при сравнительно повышенном напряжении нагрузки, малом числе управляемых элементов, простоте системы управления и одновременном обеспечении относительно повьшенной частотной кратности пульсации выходного постоянного напряжения. Источник применим также для получения переменного напряжения из постоянного, т.е. для вьтолнения функций инвертирования при сохранении свойственных источнику положительных качеств , в том числе сравнительно высокой экономичности.

Известен управляемый источник электропитания, содержащий полууправляемую мостовую схему Ларионова с уменьшенным в 2 раза числом управляемых преобразовательных элементов (вентилей) и более простую систему управления по сравнению с полностью управляемой его модификацией tll .

Однако это положительное свойстг во обеспечивается в известном устройстве слишком дорогой ценой, так как достигается одновременной потерей ряда важных качеств свойственник полностью управляемому источнику. Так в хюлзгуправляемой схеме по

сравнению с управляемой в 2 раза меньше частотная кратность П пульсации выходного напряжения Uo (П 3 6), быстро растет ее уровень при сравнительно небольших пределах

регулирования его постоянной составлякщей УО , значительно хуже удельные массогабаритные и стоимостные показатели (МГСП) различных льтров, больше уровень индуктивных и кондуктинных помех сложнее решение тех.нических 1фоблем по электрсжагнит ной совместимости (ЭМС) и т.п. : Указанные недостатки особенно существенны в случае применения управляемого (стабилизированного, регулируемого) источника питания в соста3

ве комплексов различной аппаратуры, к которой предъявляются высокие требования по МГСП при наличии в ней функциональны: устройств и элементов, чувствительных к помехам. Кроме того, при заданном выходном напряжении в схеме требуется обеспечить довольно высокое напряжение на вентильных обмотках электромагнитны аппаратов (электрических машин, трансформаторов и пр.) и установить сравнительно высоковольные элементы ввиду высокого обратного напряжения на каждом из шести вентильных плеч моста. В связи с этим надежность схемы, связанная с напряжение асимбатно, крайне низка, а введение в каждое плечо цепочки из последовательно соединенных элементов с пониженным напряжением требует дополнительных выравнивающих и зазцитньЕХ элементов, что значительно усложняет источник без улучшения его надежности по высоковольтным обмоткам.

Указанные недостатки делают схему Ларионова фактически неприемлемой для целесообразного практического применения в относительно высоковольтных источниках повышенной надежности при малых габаритах, массе , стоимости.

Наиболее близким к изобретению является управляемый источник электропитания, содержащий десять преобразовательных элементов (вентилей) и три источника фазордвинутых ЭДС, формируемых на вентильных обмотках трехфазного трансформатора. Эти три фазные обмотки соединены поочередно с первыми четырьмя вентилями, включеннь1ми однонаправленно, и совместно с ними образуют семиэлементную последовательную цепь. Соединенный с первь& вентилем первый вывод первого источника ЭДС связан через пятый вентиль с первьы вьшодом второго источника ЭДС, который через шестой вентиль связан с первым выводом третьего источника ЭДС и к последнему подключен десятый вентиль. К другим выводам указанных трех источников ЭДС присоединены соответственно седьмой, восьмой и девятый вентили, свободные электроды которых образуют совместно с электродом первого вентиля один, а свободные электроды четвертого

194

и десятого вентилей другой выходные выводы 2J.

При этом за период ЭДС на выходе источника формируется шесть примыкающих один к другому импульсов

напряжения (тока), амплитуда одного из которых достигает удвоенного значения относительно амплитуды So фазных ЭДС. Это больше, чем в предыдущем аналоге, и позволяет при том же значении Vo снизить требуемое действующее значения напряжения обмоток с 0,74 (при соединении обмоток в схеме Ларионова в

Д ) до 0,51 Vc, , т.е. в 1,45 раза, в результате чего несколько упрощается решение задач, связанных с проблемами высоковольтной техники, снижается число витков силовых обмоток.

Недостатками этого устройства являются наличие в выходном напряжении лишь одного импульса удвоенной амплитуды либо, в крайнем случае, двух Ш пульсов при дополнительной транспозиции вьгаодов одной из фазных обмоток, пониженная амплитуда двух других импульсов выходного напряжения равная амплитуде За, и промежуточное значение амплитуды трех остальных импульсов , равное Vj So., как следствие предащущего существенная амплитудная и широтная асимметрия

импульсов напряжения, формирующихся на выходе источника при протекании тока нагрузки через соответствукидие КОНТУ1ИЛ токопрохоадения, очень большой уровень пульсации k,

который даже в наиболее благоприятном, в смысле kf,, неуправляемом режиме составляет в идеальном случае около 82% относительно Vq и который резко нарастает с увеличением угла управления, кроме того, предельно низкая кратность частоты пульсации (П 1), сравнительно пониженное С1 еднее значение выходного напряжения при данном значении напряжения на вентильных обмотках (Vo -и. 1,39 S 1,965 Цр) либо повьпиенное значение U при заданном значении % (U 0,51 Ve), и, следовательно, повышенное суьмарное число W. витков указанных обмоток относительно базового числа витков с напряжением Vo на иих (Wyp 2,16), а также сравнительно плохое использование габаритной мощности источников ЭДС, в частности трансформаторного оборудования, обусловленное повьпиенным значением коэффициента kfjpf превьшения мощности вентильных обмоток относитель но полезной мощност-и Р (орп Р /РО - 15:19,3%), разное число эле ментов (вентилей, обмоток), обтекаемых последовательно током нагруз ки в разных fu -X контурах токопрохождения ( |U 1,6). Кроме того, не достатками устройства являются асим метрия длительностей проводящих, а также закрытых состояний разных вентилей, различие обратных напряжений на них и мощности потерь, широтная асимметрия разнополярных импульсов тока данного источника ЭДС, а также асимметрия однополярных импульсов тока разных источников ЭДС в течение их периода, неравномерность загрузки вентилей и силовых обмоток по току, напряжению и мощности, возникновение вредного явления постоянного подмагничивания 5 большое число управляемых преобразовательных элементов, а так же сложность формирования и поканальной подачи сигналов управления т.е. сложность алгоритма управления и самой системы управления и как следствие предьщущего очень низкое качество преобразования энергии, сложность управляемого источника в целом, плохие МГСП и надежность ог раниченные схемные возможности и об ласть применения. Цель изобретения - упрощение, улучшение качества преобразования энергии, снижение массы, объема стоимости. Цель достигается тем, что в управляемом источнике электропитания содержащем вентили и три источника фазосдвинутых ЭДС, соединенные с пе выми четырьмя вентилями поочередно последовательна, первый вывод первого источника ЭДС, соединенный с первым вентилем, связан через пятый вентиль с первым выводом второго источника ЭДС, который через шеетой вентиль связан с первым выводом третьего источника ЭДС, к другим выводам первого, второго и третьего источников ЭДС подключены соответственно седьмой, восьмой и девятый вентили, свободные электроды первого и седьмого вентилей образуют один выходной вывод, а свободный электрод четвертого вентиля и одноименньш ему электрод десятого вентиля, подключенного другим электродом к первому выводу третьего источника ЭДС, образуют другой выходной вьшод, введены система управления, а также одиннадца.тый и двенадцать вентили, первый из которых связьшает первый вывод первого источника ЭДС с вторым выводом второго источника ЭДС, первый вывод которого связан через двенадцатый вентиль с вторым выводом третьего источника ЭДС, свободные электроды восьмого и девятого вентилей подключены к вторым выводам первого и соответственно второго источников ЭДС. При этом система управления обеспечивает подачу сигналов управления последовательно через интервал дискретности на второй, седьмой третий, одиннадцатый, первый и двенадцатый вентили, выполненные управляеьа1ми. Кроме того, система управления обеспечивает подачу сигналов ynpasления последовательно через интервал дискретности на четвертый, шестой, восьмой, десятый, девятый и пятый вентили, а остальные вентили выполнены нeyпpaвляe fiлми. С целью дополнительного упрощения при двухпозшдиоино управляемых вентилях система управления обеспечивает подачу сигналов управления последовательно на первый и седьмой либо на четвертый и десятьА вентили, а остальные вентили установлены неуправляемыми. С целью дополнительного расширения возможностей система управления обеспечивает подачу сигналов управления последовательно на соотвётствукиций управляемый вентиль через подинтервал, составляющий часть интервала дискретности. С целью достижения схемной инвариантности подключение выводов хотя бы одного источника ЭДС транспозировано. С целью расширения свойств инвариантности поочередность присоединения источников ЭДС связывакшше их вентили вьтолнена произвольной. С целью расширения схемно-режимных возможностей, улучшения энергетических и массогабаритных показателей источники ЭДС реализованы в автотрансформаторном исполнении, На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема устройст ва, в которой преобразовательные элементы (ПЭ) условно показаны все управляемыми (УПЭ); на фиг. 2 - линейные диаграммы выходного напряжения Uo в функции безразмерного времени U t, иллюстрирующие прин цип действия устройства при различных законах управления, в том числе для случаев наличия в схеме однопозиционно (фиг. 2 (X , 5 ) либо двухпоз ционно (фиг. 2 fc -д) управляемых ПЭ, при этом на фиг. 2а изображена форма напряжения Цд при таких УПЭ, которые работают только на включение (например, обычные тиристоры, цепь из диода и магнитного усилител и т.п.), а на фиг. 25 - при УПЭ, работаквдих только на выключение (на пример, выключаемые тиристоры и пр.). На всех диаграммах фиг. 2 для наглядности указаны также конкретные позиционные номера УПЭ, соответствзпощие схеме фиг. 1 для случая одной и той же половины ПЭ, выполненных управляемыми, причем нумерация дама для казкдого ju -го контура прохоящения тока нагрузки в течение периода ЭДС, что упрощает понимание введенного .алгоритма управления. С той же целью промасштабированы в безразмерных единицах координатные оси, причем масштаб по оси ординат выполнен относительно амплитуды S прео6разуе1« х ЭДС, а позиционная нумерация УПЭ (фиг. 2) дана совпадакщей с их формульной нумерацией при одновременном сохранении возмож ностей использования различных прин ципов управления, в том числе интегрального широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и пр. Схема (фиг. 1) содержит двенадца вентилей 1-12 и три источника а, Ь, с фазосдвинутых ЭДС. Причем последние соединены поочередно последовательно с вентилями 1-4, а вентили 5-12, включенные однонаправленно с вентилями 1-А, соединяют соотве.тс вующие вьгаоды источников ЭДС а, Ь, с между собой, а также с выходньши вьтодами, образованными попарно одноименными электродами вентилей 1, 7 и 4, 10. К этим выходным вьшодам подключена нагрузка, на которой формируется напряжение U при протекании через нее тока от источников ЭДС. Устройство работает следующим образом. Пусть из указанных (фиг. 1) ПЭ выполнены управляемыми вентили 1, 2, 3, 7, 11 и 12, причем управляемыми например, на включение, а в качестве вентилей 4, 5, 6, 8, 9 и,10 установлены обычные диоды. Тогда при подаче сигналов управления в соответствующие дискретные моменты последовательно на вентили 1, 12, 2, 7, 3, 11 на выходе устройства формируется напряжение Uj,, содержащее (фиг. 2й) шесть одинаковых импульсов за период 21Г преобразуемых ЭДС. Эти импульсы создаются шестью токообразующими ЭДС Зц, беспечивающими прохождение тока нагрузки через соответствующие им контуры. Так, например, при подаче в момент О сигнала управления на вентиль 12 образуется следующий контур, токопрохождения: вентиль 1, открытый ранее, источник ЭДС а, неуправляемый вентиль 8, источник ЭДС Ь, вентиль 12, открьшшийся сигналом управления под действием S , источник ЭДС с, неуправляемый вентиль 10, нагрузка. Остальные ПЭ зак1шты естественньм образом ввиду наличия на них обратного напряжения. В результате на нагрузке формируется положительный импульс, обозначенный на диаграмме фиг. 2о, через S. При этом для первоначального запуска источника (для начального включения) сигналы управления достаточно подать одновременно на два УПЭ, например на вентили 1 и 12 для Sf , подавая их в дальнейшем лишь по одному в соответствующие интервалы дискретности (фиг. 2й). Аналогичным образом формируются остальные пять импульсов Sj- S Щ)и последующей подаче сигналов управления соответственно на вентили 2, 7, 3, 11, 1 (фиг. 2а.). Таким образом, все импульсы выходного напряжения сформированы одинаковыми по амгоштуде, длительности и в целом по форме, т.е. устранена свойственная прототипу амплитудно-широтная их асимметрия, резко снижен уровень пульсации, симбатно определяющий МГСП фильтров, а ее частотная кратность, определяющая их МГСП асимбатно, увеличена в 6 раз, этим в десятки раз улучшены МГСП сглаживающих фильтров фильтров помех и других компенсирующих, защитных и помехоподавляющих устройств, число управляемых элементов относительно общего числа ПЭ уменьшено в 2 раза и тем значительно улучшены МГСП вентильнопреобразовательного блока, существенно упрощен принцип формирования и алгоритм подачи сигналов управления , а с ними и система управления в целом, значительно повьшгено использование габаритной мощности источников, ЭДС (например при нулевом угле управления коэффициент обепечен равньм около 11%, что почти в 2 раза лучше, чем в прототипе), намного уменьшено требуемое число витков силовых обмоток и тем (с учетом резкого улучшения kfjjj обеспечена существенная экономия ценных материалов (магнитопровода меди, и пр.). Кроме того, обеспечена полная сим 4етрия токовых импульсов всех ПЭ как управляемых, так и неуправляемых, а также всех источников ЭДС, т.е. достигнута равномерная их загрузка, для всех ПЗ выравнены, а для соответствующих вентиле снижены значения обратного напряжения и мощности потерь, для каждого ft-ro контура токопрохождения обеспечено одно и то же число участвующих в работе элементов, т.е. достигнута возможность установки более экономичных , с лучшими МГСП элементов при одновременно высокой однотипности (унификации).

Этим обеспечено существенное упрощение управляемого источника питания, улучшены качество преобразования энергии, а также КПД и надежность, снижены масса, объем, стоимость и уровни различных помех, упрощено решение проблем по ЭМС и, как следствие всего, значительно расширены возможности объекта и области практического его применения .

Дальнейшего расширения полезных возможностей и свойств можно достич

если, в отличие от рассмотренного случая, соответствующие ПЗ выполнить управляемыми не на включение (фиг. 2Ct) , а на выключение, т.е. реализовать способ с так называемым опережающим углом управления (фиг. 2(5) и тем обеспечить улучшение различных характеристик и свойств преобразования энергии либо установить двухпозиционно управляемые ПЭ (управляемые на включение и выключение), например транзисторы, двухпозиционные тиристоры и т.п. (фиг. 2б-д).

При этом возможно также произвольное изменение чередования источников ЭДС или/и их выводов, формирование этих ЭДС посредством обмоток самых различных электромагнитных аппаратов, в том числе автотрансформаторов. Последняя возможность показана на фиг. 1 точками в виде присоединения входных выводов автотрансформаторных обмоток к выводам А, В. С трехфазной сети переменного тока. Причем входные выводы могут быть образованы также отводами либо дополнительными витками обмоток, что наряду с улучшением режим0 ноэнергетических и массогабаритных показателей источника свидетельст вует также с его широких схемно1функциональных, конструктивно-тех|нологических и алгоритмических возs |можностях относительно прототипа. Относительно широко известной схемы Ларионова, соедржащёй в полууправляемой реализации тоже в 2 раза меньшее число УПЭ по отношению к общему числу ПЭ, устройство обеспечивает в 2 раза более высокую частотную кратность пульсации (чем резко улучшаются МГСП сглаживающих фильтров)J требует установки ПЭ при s в 2 раза меньшем обратном напряжении на каждом из них (и тем существенно повышается надежность и долговечность, снижаются масса и объем)S содержит в каждой фазе в ® 2 раза меньшее число витков силовых обмоток при том же выходно напряжении, обеспечивает вентильную развязку источников переменных ЭДС (обмоток) и нагрузки между собой, 5 допускает широкие, гибкие алгоритмические возможности способа управления УПЭ при одновремеином сохране- v НИИ сравнительно повышенной частот