Преобразователь электроэнергии Советский патент 1987 года по МПК H02M7/12 

11

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве вторичного источника электропитания постоянного напряжения широкими схемно-функциональными возможностями,.

Цель изобретения - расширение

областей применения. (

На фиг,1 изображена принципиальна электрическая схема устройства в монтажном виде при значениях , , j, и подключении сетевых обмоток в правое или левое соединение в односторонний встречный зигзаг - замкнутый треугольник, напоминающее по топологическому изображению букву Р (фиг.2,3,5), в связи -с чем такое соединение для простоты и удобства пояснения именуют Р-схемой, причем на фиг.1 изображено соединение сетевых обмоток в левую и правую Р-схемы при обратной индексной последовательности фаз в однотипных замкнутых треугольниках первых секций каждой Р-схемы; на фиг.2 - то же, в топологическом виде; на фиг,3 - возможные исполнения левой Р-схемы при изменении фазового угла v/. системы ЭДС обмоток относительно системы ЭДС питающего генератора (сети); на фиг.А и 5 - то же, что на фиг.1,2 - при , iy 1,1х1 2, т.е. при полностью одинаковых всех j-x Р-схе- мах, а также при выполненной транспозиции присоединения к входным выводам двух из трех выводов одной из Р-схем; на фиг. 6 и 7 - то же, при , т 2, ,ij( 2, ,f(i и , iy 2, ,i. 2, V i; на фиг.8 - соеднение выводов Р-схем сетевых обмоток на фиг.4 через дополнительные элементы; на фиг. 9 - соединение вентильных обмоток в схеме на фиг.4 в- трехлучевые звезды, сдвинутые по фазе на 30 зл.град и связанные между собой через шестивентильное кольцо; на фиг.10-14 - то же, при соединении вентильных обмоток в фазосдвинутые трезиги (фиг. 10) и грансеки (фиг. И) при подключении их к 6-ячейковым (Л6 вентильным мостам, а неполные треугольники (фиг.12), подключенные к 3-ячейковым (ЛЗ) вентильным мостам, в трисеки (фиг.13), и в Р-схемы (фиг.14). При этом -выводы постоянного тока мостов могут быть соединены параллельно или последовательно между собой через магнитно связанные

42

или несвязанные индуктивные элементы при наличии или отсутствии конденсаторов, шунтирующих эти .элементы или мосты, а указанные на схемах основные фазовые сдвиги одной схемной структуры относительно другой обеспечиваются за счет соединения сетевых обмоток в соответствующие Р-схемы например, фиг. и 4 , а дополнительные фазовые сдвиги i , требующиеся, в частности, с целью получения 24-кратной частоты пульсации (П-24), обеспечиваются соединениями вентильных обмоток в однотипные

(фиг.9,11,1З) или в лево-правые (фиг.12,14) схемы.

При этом приведенные на фиг.3, 10-14 схемные реализации устройства для отличия от монтажного их вида

на фиг.1,4,6-9 изображены в более компактном и наглядном топологическом виде, что, как видно из их сопоставления, упрощает пояснение и понимание сущности электрических

связей.

Устройство на фиг.1 содержит выходные выводы А,В,С для подключения первичного источника трехфазного переменного тока, электромагнитный

аппарат (ЭМА) в трансформаторном исполнении на одном шестистержневом или двух трехфазных пространственных или шести однофазных магнитопроводах (МП) с сетевыми и вентильньми обмотками, а также вентильные блоки, образующие с вентильными обмотками общую преобразовательную структуру . (вентильно-о.бмоточный блок - БОБ).

Сетевые обмотки разделены в каждой фазе на 2Т секций {AX,BY,CZ} ,

- - f- . , .

.1 i

причем , 2; Т Z ,1, .

.1х; ; i f bi i) - натуральные числа (применительно к реали- зации на фиг. 1 : ,2; i 2; , 1 при всех i,T l-i-l 2).

При этом первые АХ, BY, и вторые BY, CZ, А . секции с ете- вых обмоток соединены попарно пофаз- но в односторонние встречные зигзаги в порядке индексной последовательности фаз, например, В Y Z С ; X,,7 7 7. первые секции IAX, BY, CZJ каждой из i-x Или J;-х троек разноименных по фазе зигзагов соединены согласно последовательно между собой и топологически образуют правильные замкнутые треугольники -А,, В , С,, ; А ,2 1,1 1,2 Фиг.2.

При этом эти первые секции {АХ...1

1,

соединены так, что вторые секции iAX,.,j . , например, С2 Z2 А , Х Bj Ул на фиг. 1 и 2, подключенные к соответствующей вершине треугольников (например, к вершинам А , В , С на фиг.1 и 2), является гете- рофазными относительно двух первых секций (А X ,В Y ), образую- щих данную вершину (А ). Этим данное соединение, именуемое Р-схемой, отличается от известного соединения в неполный треугольник, к вершине

но с противоположным знаком. Следовательно, в синфазных сетевым вентильных обмотках общей структуры ВОБ, например, в одинаково намотанных фазных секциях а и а , со- ответствукнцих сетевым секциям А . и А 2 формируются переменные ЭДС с фазовым сдвигом V g между ними, равным 2 Ч с . Общее число га таких фазосдвинутых (ФС) ЭДС по схеме на фиг.1 и 4 равно шести (т 6), а их по парно симметричный фазовый сдвиг в 30° при 90

между ближайшими ЭДС смежц гх пар обеспечивается при k,.. замкнутого треугольника которого под-у 2/Y3- О 1547 ключена часть одной на образующих

вершину фазных обмоток, и, следовательно, эта часть является синфазной, а не гетерофазной,.как в Р-схеОтносительно известной схемы соединения трехфазных сетевых секций в правильный замкнутый треугольник с отводом в каждой фазе, образующим

Относительно известной схемы соединения трехфазных сетевых секций в правильный замкнутый треугольник с отводом в каждой фазе, образующим

ме, что приводит к иным результатам. Q входной вывод, экономия 3, в соотноОт известной, в котором первые секции соединены в трехлучевую звезду, предлагаемая Р-схема отличается тем, что эти секции образуют замкнутый трешении uJj/u)., второй и первой частей фазных секций (при требующихся в практических устройствах значениях

/с 5 , 7,5

10

5

20

22,5

/с 5 , 7,5

22,5

угольник с соответствующим располо- 25 (30)обеспечивается в Р-схеме в жением вторых секций. 1,63; 1,53; 1,37; 1,23; 1,16,

Свободные выводы С , 7, , А f

яв7 Д

/J 2 2

л, 7i 22 - Р чл секций, ляющиеся выводами Р-схем, образуют

X

(l) раз, а относительно схемы неполный треугольник - в 2,36; 2,6; 2,88; 3,73; 5,4,- 7,08, (оО)раз. соответствующие им входные выводы ЗО При этом значения угла f возмож- А.В,С, причем в данном случае указан- „j,, Р-схеме в пределах С О , 90° С ,

где знак « с расположением прямой скобки в противоположную сторону от принадлежащего ей значения, соответ- 35 ствует тому, что такое значение,

являясь предельным, не входит в указанный диапазон и считается гипотетическим. В данном случае оно не входит в диапазон при условии, если число витков первой секции сохраняетные свободные выводы образуют входные выводы парами, например С и , и непосредственно, т.е. без дополнительно подключенных к ним элементов.

Преобразователь работает следующим образом.

40

ся физически реальным. В противном случае, когда , угол cfj. 90.

Следовательно, относительно изПри подключении входных выводов Р-схем к первичному источнику энергии переменного тока (к сети) в секциях сетевых обмоток первой их тройки формируются переменные ЭДС, фазы которых, как это видно из топологической j вестных схем (односторонний встречный- схемы на фиг.2, сдвинуты на I20 эл. зигзаг - трехлучевая звезда, правиль- град. внутри данной тройки и на вый замкнутый треугольник с отводом угол 1/ относительно соответствующих ЭДС сети, образованных между входны- ми выводами А,В,С. Угол у зависит от соотношения витков вторых и первых секций сетевых обмоток, которое может быть установлено в каждой фазе равным коэффициенту гетерзига

зг (tgif,)/V3.

в этом случае в одноименных с первой тройкой секциях второй их тройки формируются переменные ЭДС с таким же фазовым сдвигом i/p, как выше.

в каждой фазе и неполный треугольник) , верхний предел угла if в устройст Q ве увеличен соответственно в 1,5;

I,5 и 3 раза при дополнительно существенном расширении множества возможных дискретов Lfj..

Относительно традиционной схемы

55 звезда//треугольник, обеспечивающей лишь единственную выборку углач (/с 30 ), в устройстве достигается фак-. тически бесчисленное множество выбо-, рок fр , причем в обе стороны от укано с противоположным знаком. Следовательно, в синфазных сетевым вентильных обмотках общей структуры ВОБ, например, в одинаково намотанных фазных секциях а и а , со- ответствукнцих сетевым секциям А . и А 2 формируются переменные ЭДС с фазовым сдвигом V g между ними, равным 2 Ч с . Общее число га таких фазосдвинутых (ФС) ЭДС по схеме на фиг.1 и 4 равно шести (т 6), а их по парно симметричный фазовый сдвиг в 30° при 90

между ближайшими ЭДС смежц гх пар обеспечивается при k,.. 2/Y3- О 1547

между ближайшими ЭДС смежц гх пар обеспечивается при k,.. 2/Y3- О 1547

Относительно известной схемы соединения трехфазных сетевых секций в правильный замкнутый треугольник с отводом в каждой фазе, образующим

входной вывод, экономия 3, в соотновходной вывод, экономия 3, в соотношении uJj/u)., второй и первой частей фазных секций (при требующихся в практических устройствах значениях

/с 5 , 7,5

10

5

20

22,5

(30)обеспечивается в Р-схеме в 1,63; 1,53; 1,37; 1,23; 1,16,

40

j

ся физически реальным. В противном случае, когда , угол cfj. 90.

Следовательно, относительно известных схем (односторонний встречн зигзаг - трехлучевая звезда, правил вый замкнутый треугольник с отводом

вестных схем (односторонний встречный- зигзаг - трехлучевая звезда, правиль- вый замкнутый треугольник с отводом

в каждой фазе и неполный треугольник) верхний предел угла if в устройстве увеличен соответственно в 1,5;

I,5 и 3 раза при дополнительно существенном расширении множества возможных дискретов Lfj..

Относительно традиционной схемы

звезда//треугольник, обеспечивающей лишь единственную выборку углач (/с 30 ), в устройстве достигается фак-. тически бесчисленное множество выбо-, рок fр , причем в обе стороны от укадинению первых секций сетевых обмоток в замкнутый треугольник (против соединения их в трехлучевую звезду в прототипе) положительный эффект достигается при одновременно существенно уменьшенных амплитудных значениях токов в этих секциях, что дополнительно отличает данное решение.

При этом указанный сдвиг систем ЭДС вентильных обмоток на 30 может быть обеспечен соединением их в две схемы (левую и правую), обеспе- чиваю1ч;ие соответствующий индивидуальный угол фазового поворота, например, 1C П, 4 7,5, ± 15°. В частности, они могут быть соединены в зигзаги, трезиги (фиг.10, tfj. i 7,5, Ч ± 15°),. грансеки (фиг.11, (f ± 7,5, LC ГГ) , неполные треугольники (фиг. 12, tf + 15, tf + 7,5 трисеки (фиг. 13, ч с ± 5, V 0°), , Р-схемы (фиг. 14, If;. ±7,5, Ч ± З или 1 + 15, If + 7,5°) и пр. ,

Вентильные обмотки могут быть со- 25 ™бо, в крайнем случае, в правильные единены в любые схемы, в частности в трехлучевую звезду и треугольник лучевые или угольные звезды, замкну- 0 ). При этом во всех этих реали- тые, открытые, неполные (фиг.12) треугольники, квадраты, многоугольники

30

занных 30. Экономия Э) в соотношении витков для данного значения Ч ,, обеспечивается при этом в Р-схеме в 1,732 раза.

При вьшеуказанном соотношении вит- г ков (kjp 0,1547), а также в случае соединения вентильных обмоток в полностью одинаковые схемы и подключения к соответствующим из них, например, двух трехячейковых, параллель- 10 но или последовательно соединенных вентильных мостов (фиг.12, первый и третий или второй и четвертый мосты) на выходных выводах постоянного тока этих двух, связанных между собой, 15 элементарных преобразовательных структур образуется постоянное напряжение с 12-кратной частотой пульсации. Наряду с хорошим спектраль-. ным составом потребляемого тока на малом уровне потока реактивной мощности данный результат характеризует высокое качество преобразования энергии.

20

зациях необходимый угол i/ обеспечиразличные зигзаги, трисеки (фиг.13), трезиги (фиг. 10), грансеки (фиг.П) Р-схемы (фиг.14) и пр., а преобразовательные элементы вентильных блоков (неуправляемые или/ и управляемые) - в лучевые, кольцевые, мостовые (фиг.10-14), А-схемы (фиг.9) и др. Если вентильные обмотки данной фазы разделены на секции и разноименные по фазе секции в одной структуре БОБ соединены в схему, между выводами которой,присоединенными к выводам переменного тока данного трехячейко- вого моста, формируется система ЭДС, сдвинутая по фазе на 30эл.град, относительно аналоговой системы ЭДС другой структуры той же i-й Р-схемы сетевых обмоток, то вышеуказанное, соотношение витков сетевых секций может быть еще более уменьшено: k.j|-

0,076.

I

Тем самым относительно прототипа обеспечена экономия в витках вторых секций в Эц /| /д) 3 cos If /cos (30 + f Lp ) раз, в частности в 2,164, 2,3(i6, 3 раза при одинаковых с прототипом значениях fp 7,5, 15, 30, одинаковом числе витков первых секций и общем числе секций. Благодаря сое35

40

вается соединением в Р-схемы Именно сетевых обмоток, и, таким образом, наибольшей унификацией из приведенных на фиг. 9 - 14 обладает реализация по фиг. 14.

Вместе с тем, устройство реализуемо на одном С-стержневом (на фиг.1 ) , на Т трехфазных пространственных или ЗТ однофазных трансформаторах, что отражает широкие конструктивные возможности решения. Вьшшука- занное выполнение вентильных обмоток; с фазовым сдвигом их систем ЭДС на ЗО может быть реализовано без разделения их на дополнительные секции, что возможно в случае, если дополнительно просекционировать первую и вторую Р-схемы сетевых обмоток на фиг.1, намотав их с соответствующими им вентильными обмотками на дополнительных стержнях, т.е. реализовать решение с i,, 2, ,) j 2,Vi.

Однако в том и другом случаях на выходе лучевых, мостовых или кольце-, вых схем структуры ВОБ обеспечивается 24-кратная частота пульсации, что с дополнительно улучшает качество преобразования энергии.

Возможно дополнительное повышение однотипности трансформаторов, если при полном сохранении соеди45

50

5 ™бо, в крайнем случае, в правильные трехлучевую звезду и треугольник 0 ). При этом во всех этих реали-

0

зациях необходимый угол i/ обеспечи5

0

вается соединением в Р-схемы Именно сетевых обмоток, и, таким образом, наибольшей унификацией из приведенных на фиг. 9 - 14 обладает реализация по фиг. 14.

Вместе с тем, устройство реализуемо на одном С-стержневом (на фиг.1 ) , на Т трехфазных пространственных или ЗТ однофазных трансформаторах, что отражает широкие конструктивные возможности решения. Вьшшука- занное выполнение вентильных обмоток; с фазовым сдвигом их систем ЭДС на ЗО может быть реализовано без разделения их на дополнительные секции, что возможно в случае, если дополнительно просекционировать первую и вторую Р-схемы сетевых обмоток на фиг.1, намотав их с соответствующими им вентильными обмотками на дополнительных стержнях, т.е. реализовать решение с i,, 2, ,) j 2,Vi.

Однако в том и другом случаях на выходе лучевых, мостовых или кольце-, вых схем структуры ВОБ обеспечивается 24-кратная частота пульсации, что с дополнительно улучшает качество преобразования энергии.

Возможно дополнительное повышение однотипности трансформаторов, если при полном сохранении соеди5

0

71

нения в каждой из двух Р-схем (как это при J 1 , ,iy, , 2, iy показано на фиг.4) взаимно поменять местами (транспозировать ) присоединения двух или трех выводов в одной из схем. В частности, на фиг.4 показан случаи, когда в первой и второй Р-схемах сетевых обмоток к входу А

присоединены одноименные выводы С„,

2

С одноименных вторых секций обоих

Р-схем, а выводы А, В первой и В , Aj второй Р-схем подключены к выводам- В, С транспозированно.

Благодаря унификации комплектност ЗИП уменьшается максимально в Т раз при выполнении на трехфазных или в ЗТ раз -на однофазных трансформаторах. При этом в последнем случае также несущественно различие соединений во второй Р-схеме на фиг.1, так как это различие касается не внутренних (в самом трансформаторе), а лишь внешних.присоединений.

При этом во всех случаях общей или опорной фазой сети может быть любая из них. Выбор не имеет существенного значения для сетевых обмоток В них при выполнении транспозиции сформируются в любом случае фазо- сдвинутые (tbC ) системы ЭДС. Но конкретизация и знание опорной фазы сети существенны для вентильных обмоток, для построения на их основе элементарных преобразовательных структур. При входе А, выбранном на фиг.4 в качестве опорного, переменные ЭДС одинаково намотанных вентильных фазных обмоток а и а, соответ ствующих сетевым фазным обмоткам А и А, сдвинуты по фазе относительно друг друга, как это следует из фиг.З на угол бО + 24 с

В частности, при упомянутом значении kj 0,1547 эти ЭДС сдвинуты на угол if - 90, т.е. ортогонально, и, таким образом, на вентильных обмотках формируется три фазосдвинутые относительно друг друга системы ортогональных ЭДС. Из них могут быть сформированы, разумеется , и другие системы, например, две ФС системы, содержащие каждая три симметрично сдвинутые по фазе на 120 переменные ЭДС или одну систему из шести ЭДС, либо шесть систем, каждая из которых содержит одну ЭДС, сдвинутую по фазе относительно остальных из них.

48

Так как даже при наличии jn-гшь одной пары ортогональных ЭДС возмож)1а реализация очень большого количества принципиально различных схем вентиль- ных преобразователей энергии, то при наличии трех таких фазосдвинутых пар ФС ЭДС, а также других систем, возможно практически неограниченное их число, что также свидетельствует о

чрезвычайно широких схемных возмож- ностях данного решения.

При k 0,076 и обеспечении т 12 возможно еще большее число различных систем, в частности, шесть систем ортогональных ЭДС, и бесчисленное количество преобразовательных схем. Нечетное число т , например т„ 9, возможно, в частности, в реализации, показанной на фиг.6 (iy 2,

,1 2, , 1 , Т - 3). При одинаково намотанных и одинаково соединенных (или несоединенных ) вен ильных фазных обмотках на них формируются девять ФС ЭДС, причем фазовый сдвиг их относительно друг друга может быть обеспечен симметричным по 20, если в первых двух схемах (,J 1 и 2) сетевых обмоток установить соотношение вторых АХ...} и первых

АХ... I секций, т.е. коэффициент k-|. , равным 0,364, а в третьей Р-схеме - равным нулю, т.е. без вторых секций (фиг.6).

35

На фиг.7 показана одна из возможных реализаций при ix 2, Jx-,,V i, причем в Р-схемах с i 1 значение 0,23914, ас i 2 - 0,1547. В этом случае на вентильных обмотках

40 формируется минимум 12 ФС ЭДС, и, следовательно, на выходе вентильного блока ВОБ может быть получено, как минимум, .

Возможны многие другие реализации,

45 что характеризует широкую общность решения, его практически неограниченные возможности.

При этом одноименные выводы Р-схем сетевых обмоток могут быть подключены

50 к входным выводам А,В,С, как непосредственно (фиг.1-7), так и через дополнительные элементы, например, через разделительные индуктивности Lp . с коммутирующими С и/или фильтровь мн

55 Ьл, Сф элементами либо без них (фиг.8 для фиг.4). Можно также в качестве входных выводов образовать выходные выводы ВОБ для подключения источников энергии постоянного тока, а входные

913

выводы А,в,с - в качестве выходных для формирования переменного тока.

Формула изобретения

1 . Преобразователь электроэнергии, содержащий электромагнитный аппарат с трехфазными сетевыми и вентильными обмотками, разделенными на секции, причем вентильные обмотки подключены к вентильным блокам, образующим по цепи постоянного тока выходные выводы первая секция данной фазы сетевых обмоток соединена встречно с второй секцией смежной фазы в порядке индексной последовательности фаз, по схеме односторонний встречный зигзаг свободный вывод второй секции которого образует соответствующий входной вывод, отличающийся тем, что, с целью расширения областей применения, число секций в каждой фазе сетевых обмоток равно 2Т, при этом Т 2,3,4,... - целое положительное число, первые секции разных фаз каждого из Т зигзагов соединены между собой в замкнутый треугольник и подключены к гбтерофазной двум первым секциям второй секции в каждой его вершине (Р-схема),

2, Преобразователь по п.1, о т - лич ающийся тем, что пер- . вые и вторые секции в зигзаге соеди410

нены в прямом или обратном порядке индексной последовательности фаз.

3. Преобразователь по пп.1 и 2, отличающийся тем, что числа витков первой и второй секций зигзагов сетевых обмоток установлены в каждой Лазе в соотношении 1 :, (tgifJ/-/3, где .

4.Преобразователь I по пи.1-3, отличающийся тем, что при Т ,1 ,,j 1 ; ,1 1 1 , j ; ,

х (- xi - N i2,. . . - . натуральные числа, все , Р-схемы выполнены при данном i полностью одинаковыми.

5.Преобразователь по п.4, о т- личающийся тем, что все Р-схемы при и i 2,3,4, а также при i 3, 1, 4 образуют левые, а при i 2,4 и i 2,3,4 правые соединения.

6.Преобразователь по п.5, о т - личающийся тем, что при iy 1 выводы двух вторых разноименных по фазе секций, образующие входные выводы, по крайней мере в одной j-и Р-схеме транспозированы.

7.Преобразователь по пп.3,5,6, отличающийся тем, что

указанные числа витков установлены при соответствую1цих значениях i, , в соотношениях 1:0, 1:0,076, 1:0,1547, 1:0,21, 1:0,239.

2,,1 Г,г Г,2

2,2 2,2

ВОб

Фиг,/

фие.2

I

c -. /

Сриг.З

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве вторичного источника электропитания постоянного напряжения с вы- соким качеством преобразования энергии. Цель изобретения - расширение области применения. Устройство содержит электромагнитный аппарат с секционированными сетевыми обмотками. Вентильные обмотки, подключены к выпрямительным вентильным блокам. Секции сетевых обмоток соединены с секциями других фаз, образуя схему односторонний встречный зигзаг - замкнутый треугольник (Р-схему). Благодаря выполнению таких Р-схем левыми, правыми, прямыми, обратными при различных соотношениях витков первых и вторых секций обеспечивается практически неограниченное число преобразователей с различными значениями частотной кратности пульсаций и фазовыми сдвигами, что расширяет область применения устройства. 6 з.п. ф-лы, 14 ил. i СЛ со 4 4 N3

UB. f

B06

fi2

8

фие.5

A x

r,7 1,1

d/ii/r

BOS

(pus.ff

, ,f

2,1 2,; Xt, X/,

Т

c,;,; ,,;,

y 9 9 A X l , Aj Л

Г 72

Ч- ,г

фие,7

Cl А г в г

/ - VЧ/

Ск

М

I«П

J 4-.г«1

/.

Р

-дОс

Р

fcji-rw

с

.г, I

АА

Г 2

5| 4|

фие.б

QI

11

1/

V

г -75

Г

Vb-7,5

.;5- - .-

$

да

т:

Г /2

IT

fl&f/a. Й7

97г/г. //

фиа. 73

l±fj ff

фиг. 12

Составитель Е.Мельникова Редактор М.Товтин Техред МоХоданичКорректор А.Тяско

Заказ 2217/54 Тираж 661Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная,4

uz.ltf