Двухфазный шестилучевой преобразователь напряжения Советский патент 1991 года по МПК H02M7/12 

сь

СЛ 4

to

Јь

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве низковольтного вторичного источника электропитания с шестикратной частотой пульсации знакопостоянного выходного напряжения при наличии двух фаз источника преобразуе-

Фиг.1

мого переменного напряжения с фазовым сдвигом 120 эл. град. Цель изобретения -ч- расширение схемно-функцио- нальных возможностей и области применения. Устройство содержит шесть преобразовательных элементов 1 - 6, одни одноименные электроды которое образуют один, два, три и-щ шесть выходных выводов одной полярности, и источник двух ЭДС, разделенных в одной фазе на три, а в другой на четыре секции. Средняя точка первой секции первой фазы образует выходной вывод другой полярности, а соответствующие выводы и отводы секций соеИзобретение относится к электротехнике и может использоваться в качестве низковольтного вторичного источника электропитания с шестикратной частотой пульсации знакопостоянного выходного напряжения при наличии двух фаз источника преобразуемого переменного напряжения с фазовым сдвигом 120 эл.град.

п «

Цель изобретения - расширение

схемно-функциональных возможностей и области приме не ния,

На фиг.1 изображена принципиальна электрическая схема двухфазного шес- тйлучевого преобразователя напряжения I обеспечивающего фазовый сдвиг Ср огибающей выходного напряжения относительно образующих его переменных ЭДС в поддиапазоне 30 эл. град., на фиг.2 - векторная диаграмма формирования в фазовой плоскости шести импульсов S/y ( (U 1,6) выходного знакопостоянного напряжения Ue, поясняющая принцип действия устройства по фиг.1 в течение одного периода преобразуемых ЭДС, на фиг. 5 и 4 - то же, для поддиапазона угла Cf Ј30, 60° эл.град. на фиг.5-8 - то же, частные реализации при (0 0 и 60 эл. град, соответственно, на фиг.9 - зависимость от угла L0 суммарных чисел витков всех секций вентильной обмотки (ВО) электромагнитного аппарата или сум- марной амплитуды разных ЭДС, а также отдельных суммарных значений ЭДС (витков ВО) по фазам а и b, на фиг. 10динены между собой и с другими одноименными электродами преобразовательных -элементов 1-6. Изменение положения отводов при установленных соотношениях секций, полусекций и их частей обеспечивает фазовый сдвиг огибающей выходного напряжения относительно образующих его ЭДС, что характеризует достижение интеграции ряда функций в одном устройстве и вследствие этого соответствующую экономию за счет отсутствия устройств, обычно применяемых для выj полнения тех же функций. 8 з.п. ф-лы, 2 табл., 16 ил.

0

5

0

5

0

5

то же, для относительных значений соответствующих секций и их частей; на фиг.11 и 12 - то же, что на фиг.1 и 2, для частного случая(0е 30°; на фиг.13 и 14 - то же, фрагмент соединенных дважды по три преобразовательных элемента (ПЭ), объединенных через соединенные согласно или встречно полусекции одного магнитно-связанного (выполненного на едином маг- нитопроводе) токоразделительного элемента со средней точкой, образующей выходной вывод, в частности, через обмотку двухфазного уравнитель- ного реактора (УР) или через два магнитно-несвязанных между собой элемента (в частности, через обмотки дросселей Ц и Ъ„) , на фиг. 15 и 16 - то же, при подключении через три дросселя или один трехобмоточный (трехфазный) УР трижды по два объединенных ПЭ.

Устройство (фиг.1) содержит шесть ПЭ 1-6, пронумерованных в порядке естественного вступления их в работу в данном контуре токопрохожде- ния в течение одного периода любой из двух преобразуемых ЭДС источника, сдвинутых по фазе на 120 эл.град. Одноименные электроды всех ПЭ 1-6 (катоды на фиг.1) объединены между собой и образуют положительный выходной вывод 7. В общем случае эти электроды ПЭ 1-6 могут служить и соответствующими автономными выходами.

Преобразователь содержит также двухфазный источник переменных ЭДС, который может быть реализован, в ча516

стности, на секциях вентильной ВО 8 электромагнитного аппарата (ЭМА). В качестве ЭМА применены электрическая машина, трансформатор (в частности, два однофазных трансформатора), параметрическая система и другие подобные устройства. Положительное направление и соответствующий фазовый сдвиг ЭДС показаны на фиг.1 большими стрелками у фазных секций ВО.

Источник переменных ЭДС или ВО 8 ЭМА разделены в первой фазе на три (ах, а,х, агхг), а во второй - на четыре секции by, b,y,, yг, , причем секции , b,y представляют собой гальванически разделенные по- лусекцич первой секции со средней точкой, отвод по которой преобразуется в два вывода отдельных полусекций. Средкял точка О первой секции ах первой фазы образует другой (отрицательный на фиг.1) выходной вывод 9. Между выводами 7 и 9 может быть подключена нагрузка 10. .

Зыводы а и х первой секции ах первой фазы подключены к разноименным т выводам у и Ь{ второй и третьей секций by и bfy, второй фазы.источника ЭДС. К выводам b и у, этих секций, а также к вызодам у и Ь3 первой секции второй фазы, разделенной на полусекции и Ь3уэ, подключены по одному другими электродами (анодами на фиг.1) четыре ПЭ 2, 5, 6 и 3.

Вторая и третья секции by и Ь,у второй фазы выводами у и Ь присоединены согласно к выводам а и х первой секции ах первой фазы, к введенным отводам а и а которой вывода- ми b и уч подключены встречно и, соответственно, согласно полусекции

Ь2У2. И Ь3у3.

Вторая и третья секции afх , и первой фазы одними разноименными вы- водами а( и х присоединены по одной к другим электродам (анодам на фиг.1) днух остальных ПЭ 1 и 4. Другими выводами хч и аг эти секции подключены по одной согласно и, соот- ветственно, встречно к двум отводам b и Ь( второй и третьей секций by и bfy, второй фазы.

При этом вторые секции а , by первой и второй фаз могут быть равны третьим их секциям агх, Ь,у,. Относительно каждой полусекции bayz,

зторой фазы, а от введенного.

первой секции вт также части b у (b,b,)

76

отвода b1 (b,) второй (третьей) ее секции by (b,yf) до ее вывода у (Ь() присоединенного к смежной по фазе секции ах, указанные секции а(х, и by могут быть установлены в соотношениях (а,х( a,xz):(by bfy( ) : : (bty2 Ь3у3):(Ь у b, b() sinq : cos ( 30°) : c..s( 30°) : : , а полусекция ао (ох) первой секции пгрвой фазы и ее часть а о (оа) от дополнительного отвода а (а) до средней точки О-в соотношениях (ао ох):(а о оа) сиз (у + 30° ) : sin (о, где (J b, ЗОДэл.град. - некоторый фазовый угол, определяющий сдвиг во времени огибающей данного импульса выходного напряжения относительно образующей его ЭДС, причем прямая скобка означает, что принадлежащее ей значение угла относится к данному поддиапазону без исключения из него. Данные табл.1 и 2 поясняют работу предлагаемого преобразователя.

Устройство (фиг.1) работает следующим образом.

Переменные ЭДС двух фаз ВО ЭМА посредством ПЭ 1-6 преобразуются в постоянное напряжение U0, содержащее за один период ЭДС шесть энакопос- тоянных импульсов 3/ц(Д 11б,фиг.2) Каждый импульс формируется путем сложения разных по величине и фазе частей преобразуемых ЭДС, причем принцип векторного формирования и фазовые сдвиги импульсов ясны из фиг.2.

Знакопостоянное напряжение U0 (фиг.2) на нагрузке 10, при соблюдении указанного соотношения этих частей ЭДС пульсирует с шестикратной частотой относительно частоты ЭЦС (П 6) при сравнительно малом уровне пульсации, равном теоретически 14% по полному размаху относительно V. Тем самым значение постоянQ

ной составляющей на нагрузке 0 блрэ ко к значению амплитуды импульса vo 3/Щиро 0,955 U0(J.

При изменении положения отводов в соответствии с установленными соотношениями и направлениями малых стрелок (фиг.1) огибающая выходного напряжения сдвигается по фазе на угол Ц в пределах| Ь; 30 эл. град, относительно образующих его ЭДС, что на примере первого импульса S показанс на фиг.2. Этим характеризуется совмещение или интеграция в одном уст10

15

20

ройстве ряда функций - преобразования вида напряжения, частоты и уровня пульсации, а также изменения фазового сдвига ее огибающей, обеспечиваемых без введения специальных фазосдвигающих устройств, филътпоз и частотных умножителей.

Частные реализации, соответствующие крайним значениям первого поддиапазона угла (Я, проще схемы общего исполнения, показанной на фиг. 5 и б 0| 0) и фиг. 11 и 12 (Ср 30°). Пр этом вторые и третьи секции первой фазы, а также все части первой ее секции и части обеих секций второй фазы (фиг.11) одинаковы между собой, а на фиг.5 одинаковы полусекции первых секций фаз и вторые и третьи секции второй фазы.

Схемы при промежуточных значениях угла 4 в данном его поддиапазоне ЈOj30J аналогичны. При этом конкретные значения секций, полусекций и их частей, а также характер изменения при различных углах Cf иллюстрируют кривые на фиг.10 при использовании конкретных числовых данных табл. 1.

Такое множество новых базовых схем 30 при той же шестикратной частоте пульсации напряжения на нагрузке 10 обеспечивает и другое общее исполнение преобразователя (фиг. 3), Являясь альтернативным предыдущему, оно соответствует другому поддиапазону угла Ц - Ј30 , эл. град. Поэтому принцип действия схем данного поддиапазона аналогичен рассмотренному. Несмотря на иные связи, чем на фиг.1, в данном исполнении (фиг. 3) тоже частично совмещено участие соответствующих частей секций В( в работе разных контуров формирования фазо- сдвинутых импульсов (фиг.4), в результате суммарное число витков ВО уменьшается,

Зависимости (фиг.9) значений

.г 6,11

gaiwufi „ПРИ Јf«fPiri arcctg (3 -Ш «1.0,8934° к 11° и

С{ С(Х2 60° -CfXffc49, 1066° 49,1° соответственно. Четырежды (по два раза в каждом поддиапазоне) витко- вое число составляет значение, равное свойственному обычной трехфазной шестилучевой схеме: Ug-ar , 6 при Cf Ср, 0°; IP 2фх, Ј21,7868°, Cf 30 + (30 ) 60 - ,33,2132° и q % 60е соответстве нно.

При ф Ц arctg(-j3Y2) 30 + + (fy. Ј 40,8934 °fi, 41 ° суммарные витки или амплитуды ЭЦС секвдг разных фаз аи Ь одинаковы ((Ј) 3,024. g0a Ya

В общем случае, т.е. при любых значениях, витковое число, представляющее собой сумму чисел витков фаз О и Ь, изменяется по косинусо- идальному закону, причем в первом поддиапазоне 30° $ как

25 Wfcq(Cf) - Wzeq+Wgab- 4K1/4) cos(Cf- -30°)+costol«.6,1 1 cos(cp-CPK(), а при V(, 60°3 как 6,11 cus(, что при частных значениях угла Cf отражено в таблице и на фиг.9.

Приведенные в таблице и на фиг,10 относительные значения, отмеченные чертой сверху (например, ао, by,...) отличаются от их абсолютных значений (без черты) в раза, т.е. п ()п. Действующие значения напряжений на тех же частях секций ВО относительно среднего значения V0 выходного напряжения в режиме XX обозначены в таблице звездочкой .

4Q Причем при любых значениях угла ( (т.е. (, 60°J) значение (2йУЗ-|э)гГяО,855п. Также при любых Cj соблюдаются равенства ао

35

45

ox j a|xi Я2.Х1 by b, b/ ja o

- by Ь4у, : Ь Ь,у3. Но при 30°Д значения ао - : а о

а,х

iAf t

ао

а,х,

}

а при VtpeDc; 60°J

i о . Этим обусловлена сравнительная простота значастей ЭДС (фиг.10) для данного под- 5 чительного множества схемных реалидиапазона угла -р представляют собой зеркальное отображение кривых предыдущего поддиапазона. Причем ото число Wy-минимально лишь один раз во всем диапа зоне Ц ЈG , 60 , а

заций по фиг. 1 и 3.

Рассмотренное удвоенное множество новых базовых схем с шестикратной частотой пульсации (П « 6) можно дополнительно увеличить в несколько

именно при Ср 30° : ) раз, если образовать не один, как paj Ю/-4з 5,774. Максимально оно дважды (по разу в каждом поддиапазоне), и оба этих значения одинаковы:

нее (фиг. 1, 3, 5 и 11, а два, три или шесть автономных выходов для под ключения соответствующего числа на- ,

0

5

0

30

.г 6,11

gaiwufi „ПРИ Јf«fPiri arcctg (3 -Ш «1.0,8934° к 11° и

С{ С(Х2 60° -CfXffc49, 1066° 49,1° соответственно. Четырежды (по два раза в каждом поддиапазоне) витко- вое число составляет значение, равное свойственному обычной трехфазной шестилучевой схеме: Ug-ar , 6 при Cf Ср, 0°; IP 2фх, Ј21,7868°, Cf 30 + (30 ) 60 - ,33,2132° и q % 60е соответстве нно.

При ф Ц arctg(-j3Y2) 30 + + (fy. Ј 40,8934 °fi, 41 ° суммарные витки или амплитуды ЭЦС секвдг разных фаз аи Ь одинаковы ((Ј) 3,024. g0a Ya

В общем случае, т.е. при любых значениях, витковое число, представляющее собой сумму чисел витков фаз О и Ь, изменяется по косинусо- идальному закону, причем в первом поддиапазоне 30° $ как

5 Wfcq(Cf) - Wzeq+Wgab- 4K1/4) cos(Cf- -30°)+costol«.6,1 1 cos(cp-CPK(), а при V(, 60°3 как 6,11 cus(, что при частных значениях угла Cf отражено в таблице и на фиг.9.

Приведенные в таблице и на фиг,10 относительные значения, отмеченные чертой сверху (например, ао, by,...) отличаются от их абсолютных значений (без черты) в раза, т.е. п ()п. Действующие значения напряжений на тех же частях секций ВО относительно среднего значения V0 выходного напряжения в режиме XX обозначены в таблице звездочкой .

4Q Причем при любых значениях угла ( (т.е. (, 60°J) значение (2йУЗ-|э)гГяО,855п. Также при любых Cj соблюдаются равенства ао

35

45

ox j a|xi Я2.Х1 by b, b/ ja o

- by Ь4у, : Ь Ь,у3. Но при 30°Д значения ао - : а о

а,х

iAf t

ао

а,х,

}

а при VtpeDc; 60°J

i о . Этим обусловлена сравнительная простота значительного множества схемных реализаций по фиг. 1 и 3.

Рассмотренное удвоенное множество новых базовых схем с шестикратной частотой пульсации (П « 6) можно дополнительно увеличить в несколько

раз, если образовать не один, как pajраз, если образовать не один, как pajнее (фиг. 1, 3, 5 и 11, а два, три или шесть автономных выходов для под ключения соответствующего числа на- ,

грузок либо одной нагрузки через два (фиг. 13 и 14), три (фиг. 15 и 16) или шесть токоразделительных элементов - катушек дросселей, уравнительного реактора и др.

При этом при изложении принципа действия устройства в случае схемы соединения дважды по три ПЭ (фиг.13) в обозначениях формирующихся импульсов и выходного напряжения используется верхний индекс (2), а для схемы соединения трижды по два ПЭ (фиг,15) - верхний индекс (3). Фрагменты соединения (фиг. 13 и 15) при учете указанных на них номеров ПЭ относятся ко всем возможным базовым реализациям, получаемым из фиг. 1 и 3 т.е. при любых значениях угла С но векторная диаграмма, поясняющая сущность работы схемы по фиг, 13, дана с целью упрощения и конкретизации лишь для случая U 30 (фиг. 11).

При формировании данного выход- . кого импульса S „, (фиг.13 и 14) и S (фиг, 15 и 16) в работе одновременно участвуют в первом случае два, а во втором - три контура токопрохож- дения, подключенных в данный момент параллельно через соответствующие открытые ПЭ на одну общую для них нагрузку. Такая одновременная работа контуров показана на фиг.14 и 16 двумя параллельными линиями (//)t помещенными на этих диаграммах между указанными на них номерами ПЭ, проводящих ток нагрузки в данном временном подынтервале.

Введенные разделительные индуктивные элементы (два дросселя L j, L2 или один двухфазный УР, фиг. 13) создают дополнительный фазовый сдвиг выходных импульсов S «, (фиг. 14) относительно ИСХОДНЫХ ИМПУЛЬСОВ S flj

(фиг. 12). Причем этот сдвиг составляет в данном случае 30 эл.град.

При введении же трех разделительных дросселей (или одного трехобмо- точного УР) (фиг.15) выходные импульсы sЈ (фиг. 16) совпадают по фазе с исходными (фиг. 12), но амплитуды выходных напряжений в том и другом случаях уменьшаются (фиг. 14 и 16). В первом случае, т.е. в схе- ме с L|, Ъг (фиг. 13), амплитуда U 0 (фиг. 14) импульсов составляет f5/2 относительно амплитуды Uao xx выходного напряжения U0 в схеме без

т

10

15

20

,

25 1011) или с ними (фиг.13,

30

35

40

45

50

55

,f, L2 (фиг. в режиме хх).

Такое снижение амплитуд показано на фиг.14 двумя параллельными пунктирными окружностями при равенстве большей окружности исходной, показанной на фиг.2, 4, 8 и 12. В соответствии с уменьшением амплитуд импульсов среднее значение V выходного напряжения для любых реализаций по фиг.1 и 3 с разделительным индуктивным элементом по флг. 13 составляет ()( AO,827UaoX)t и такое значение, несмотря на II 6, совпадает с обеспечинаемым известной трехлучевой схемой с трехкратной частотой пульсации (П 3) при свойственном, однако, этой схеме негативном явлении - постоянном под- магничивании магнитопровода.

Уменьшенное значение амплитуды U0JQ в схемах по фиг. 1 и 3 с элементами по фиг. 15 показано на фиг.16 меньшей окружностью, и такое значение, несмотря на П 6, составляет 2/3 к- 0,67 относительно Uao xx при среднем значении выходного напряжения VЈ (2/1Г)иаоХх«0,637УаоХх, рав- ном обеспечиваемому известной двух- лучевой схемой при этом же значении аохх но при свойственной ей лишь двухкратной частоте пульсации ().

Помимо расширения функций за счет обеспечения многоканальности питания одним схемно-и конструктивно совмещенным устройством, исполнения его по типу соединений на фиг. 13 и 15 позволяют реализовать дополнительные функции - дополнительного фазового сдвига (фиг.14), снижения амплитуды напряжения на нагрузке до уровней 0,866 (фиг. 13, 14) и 0,67 (фиг.15, 16) относительно амплитуды, обеспечиваемой при отсутствии индуктивно- разделительных элементов.

При этом также снижается амплитуда тока через ПЭ 1-6 и секции ВО соответственно в 2 (фиг. 13) и 3 раза (фиг. 15) при одновременном расширении длительности импульсов тока через каждый ПЭ в 2 (до 120°, фиг.13 и 14) и 3 раза (до 180°, фиг. 15 и 16). Это приводит к снижению действующего значения тока через соответствующие секции и их части до 0,71 (фиг. 13) и 0,58 (фиг. 15) относительно их тока в схемах с общим выходом при индуктивном или активном

и

характере нагрузки и одинаковом ее токе.

Уменьшение тока секций улучшает использование габаритной мощности источника переменных ЭДС, например, трансформаторного оборудования и как следствие, улучшает массогабари ные и стоимостные его показатели.

Вместе с тем, при одинаковом сре нем значении V0 напряжения нагрузки введение двух или трех разделительных элементов (фиг. 13 и 15) требуе увеличения амплитуд ЭДС и суммарног числа витков (фиг. 9) соответ- ственно в 2/-$ 1,155 и 3/2 1,5 раза, что, с учетом дросселей или У как конструктивно отдельных устройств, может привести к ухудшению массогабаритных показателей. Но с ростом тока нагрузки выигрыш за счет токоперераспределения при введении разделительных элементов может оказаться существеннее, что обуловливает полезность исполнений и п фиг.13, 15 и характеризует расширен возможностей и области практическог применения устройства в низковольтных ВИП. Формула изобретени

1. Двухфазный шеетилучевой преобразователь напряжения, содержащий шесть преобразовательных элементов, одни одноименные электроды которых образуют выходные выводы одной по- ляр-ности, и двухфазный источник переменных ЭДС, сдвинутых по1 фазе на 120 эл. град, относительно друг друга, при этом источник содержит в каждой фазе три секции, первая из которых в первой фазе образует своим отводом от средней точки выходной вывод другой полярности, а выводами эта секция подключена к разноименным выводам второй и третьей секций второй фазы, к свободным выводам которых, а также к выводам первой ее секции подключены по одному свободными электродами четыре из указанных преобразовательных элементов, отличающийся тем, что, с целью расширения схемно-функцио- нальных возможностей и области применения, первая секция первой фазы и подключенные к ней вторая и третья секции второй, фазы соединены между собой согласно или встречно; первая секция второй фазы гальванически раз

12

делена на две равные полусекции, .которые свободными выводами присоединены встречно или согласно по одной к двум дополнительным отводам, введенным по одному в каждую полусекцию первой секции первой фазы, вторая и третья секции которой одними разноименными выводами подключены по одной к свободным электродам двух остальных преобразовательных элементов, а другими разноименными выводами присоединены по одной согласно и соответственно встречно к двум отводам, введенным по одному во вторую и третью секции или в первую и вторую раздепьные полусекции второй фазы при соответствующих соотношениях секций и их частей от дополнительных в первой и введенных во второй фазных секциях отводов до средней точки и соответственно до вывода, присоединенного к смежной по фазе секции, установленных для двух поддиапазонов угла Ц - р; 30Q и JJ30; 60J эл. град., где (О- некоторый фазовый угол, а прямая скобка означает, что принадлежащая ей цифра относится к данному поддиапазону без исключения из него

Ъ , 60J эл. град, в соотношениях cos( 30°) : cos( 30°):. : sinU, полусекция первой секции первой фазы и ее часть от дополнительного отвода до средней точки - в соотношениях cos(): sin cp при

13

-tO 301 и sin cos(U + 30°) при Ч DO, 603 эл.град,

положительные (отрицательные) выходные выводы образуют один, два, три или шесть самостоятельных выходных выводов, причем «в первых трех альтернативных случаях такие выводы об- разованы путем объединения соответственно, всех шести или дважды по три либо трижды по два вывода.

ее секции и соответственно к третьей секции первой фазы, второй полусек- цми второй фазы и второй ее секции.

1

j

10

5494714

объединены одни электроды тех преобразовательных элементов, другие электроды которых подключены к второй секции первой фазы, второй полусекции второй фазы и третьей ее секции и соответственно к третьей секции первой фазы, первой полусекции второй фазы и второй ее секции.

9, Преобразователь по пп,5-8, о т- личающийся тем, что автономные выводы соединены между собой параллельно через магнитосвязанные или не связанные между собой токо- разделительные элементы.

Таблица 1

Таблица 2

Фиг. 2

US jbfc

/ v

ss/jf a «

.

x

w

Фиг.З

a У

Sf(1)

M

ЛНО (2)

t.4«

%м w

&ИГ.6

О 10 20 SO 40 $0( & 40 20 30 40 Ј0 & 3$&: 4Q

X

%,()

.8

(V

Фи.г И

77 Ј

Фиг. ft

а.

(«WS/Г }$ №№

I

tf/и-сГ- $l

(№#) Л ;(№№) (з/№)Г$з3(2/

Фаг. 16