Трехфазный совмещенный пятилучевой преобразователь напряжения Советский патент 1991 года по МПК H02M7/12 

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться в качестве низковольтного источника электропитания с пятикратной частотой пульсации при наличии трехфазного источника переменных ЭДС, а также в качестве инвертора.

Цель изобретения - упрощение при одновременном обеспечении нетрадиционной частотной кратности пульсации, некратной трем и двум.

На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема трехфазного пятилуче- вого преобразователя напряжения при наличии трехфазной системы ЭДС, реализованной на секциях трехфазной вентильной обмотки (ВО) электромагнитного аппарата (ЭМА), при совмещении использования соответствующих частей одних и тех же секций в процессе формирования разных по фазе токообразующих ЭДС или разных последовательно сдвинутых во времени (пофазе) импульсов S/г выходного напряжения U0 для случая, когда все связанные между собой выводы трех разных по фазе секций ВО одноименны; на фиг.2 - векторная пятилучевая диаграмма, поясняющая в фазовой плоскости принцип формирования указанных импульсов в течение одного периода преобразуемых ЭДС ВО; на фиг.З и 4 - то же, при измененных соотношениях секций ВО и их частей, а также при ином расположении другого отвода секции первой фазы относительно первого ее отвода и при выполнении объединенных выводов секций второй и третьей фаз разноименными относительно связанного с ними вывода секции первой фазы; на фиг.5 и 6 - то же, что на фиг.2 и 4, для обратных схем относительно

О

чэ

ю ю

СО

прямых схем на фиг.1 и 3 соответственно при транспозиции выводов каждой из трех секций.

Предлагаемый преобразователь содержит пять преобразовательных элементов (ПЭ) 1-5 и систему трех переменных ЭДС, сдвинутых по фазе на 120 эл. град., реализованную на трех секциях ах, by, cz трехфазной ВО ЭМА, Каждая секция by и cz второй и третьей фаз снабжена одним (bi, ci), a секция ах первой фазы двумя (ai, 82) отводами.

Одноименные выводы b и с (в данном случае концы секций на фиг.1 в отличие от начал у и z в схеме на фиг.З) объединены между собой, образуя положительный (+), а отвод 32 - отрицательный (-) выводы, причем отрицательный вывод - является также нулевой точкой О пятилучевой звезды токооб- разующих или фазных ЭДС (ФЭДС) S/г (и Т1э), показанных на фиг.2 или фиг.4 векторами в виде точек со стрелками, оканчивающимися на большой пунктирной окружности. Эта окружность описывает указанные векторами амплитуды импульсов, иллюстрируя их равенство.

К отводу ai и выводу х (к началу) секции ах первой фазы присоединены попарно одноименными электродами (анодами) четыре ПЭ 2,5 и 3,4. Другие их электроды (катоды) подключены по одному к соответствующим выводам (к началам у, z на фиг.1 или к концам Ь, с на фиг.З) и соответственно к двум отводам bi, ci секций by, cz второй и третьей фаз. К другому выводу а (к концу) секции ах первой фазы присоединен ПЭ 1, причем присоединен он тем же электродом (анодом), что и предыдущие четыре ПЭ 2-5.

Другой электрод (катод) ПЭ 1 присоединен к объединенным выводам секций by и cz второй и третьей фаз, т.е. к положительному выходному выводу +. Между выводами + и - может быть подключена нагрузка, причем как непосредственно, так и через другие устройства (фильтр, стабилизатор и пр).

Каждая из равных между собой секций этих двух фаз и большая из двух ее частей (между отводом bi или ci и образующим выходной вывод + выводом b или с на фиг.1 либо у или z на фиг.З), а также часть (аа2 на фиг.1, либо aai на фиг.З) секции ах первой фазы от присоединенного к ПЭ 1 вывода до ее отвода, образующего отрицательный выходной вывод -, могут быть установлены в соотношениях (by cz): (bbi cci-на фиг.1, либо biy ciz на фиг.З) :(аа2 на фиг.1, либо aai на фиг.3) 1,1016:0,679:1.

Для получения требующихся на практике действующих значений напряжения на этих частях и секциях относительно среднего значения выходного напряжения необходимо и достаточно для неуправляемого режима умножить указанные числа на 0,75586, что дает 0,83265:0,51323:0,75586.

При этом присоединенный к ПЭ 1 вывод

а секции ах первой фазы выполнен на фиг.1 одноименным, а на фиг.З - разноименным относительно объединенных между собой одноименных выводов b и с (фиг.1), либо у и

z (фиг.З) секций by, cz второй и третьей фаз, а отвод ai (фиг.1), либо ai (фиг.З) секции ах выполнен между другим ее отводом 32 (фиг.1), либо ai (фиг.З) и выводом а, присоединенным к ПЭ 1.

Кроме того, части а2Х и aix от отводов секции ах от присоединенного к паре ПЭ ее вывода х могут быть установлены относительно всей этой секции в соотношениях 0,47:1,328:1,47 (фиг.1), либо

0,908:1,148:2,148, что в относительных действующих значениях соответствует 0.35525:1.004:1.111; 0,68632:0,86773:1,6236. При этом на фиг.2 и 4 использованы для соотношений секций и их частей упрощенные обозначения а,Ь,с и (a,b,c)i, принятые относительно начал x,y,z этих секций.

Преобразователь работает следующим образом.

Как следует из фиг.2 и 4, при наличии на

секциях ВО трех переменных ЭДС, сдвинутых по фазе последовательно на 120 эл. град, на подключенной к выводам +, - нагрузке формируются пять знакопостоянных импульсов 5(1,5), образующих в

фазовой плоскости пятилучевую звезду с нулевым выводом или нулевой точкой О в цен- трег

При установленных выше соотношениях секций ВО и их частей эти пять импульсов

одинаковы по амплитуде и длительности и каждый из них сдвинут во времени (по фазе) на 72 эл. град, относительно друг друга при идеализированных условиях работы (без учета потерь и пр.). Каждый импульс формируется путем алгебраического сложения ЭДС соответствующих секций и их частей, причем такое сложение осуществлено не за счет непосредственного, гальванического соединения отдельных секций, а через открывающиеся в соответствующий момент ПЭ 1-5. При этом порядковый номер открытого ПЭ в конкретном контуре токопрохож- дения совпадает с текущим значением индекса л 1,5 соответствующего импуль5 са Sfi на фиг.2 и 4.

Из фиг. 1-4 видно, что все пять переключающихся контуров работают на одну общую для них нагрузку, в результате чею формирующееся на ней напряжение квазипостоянно. Постоянная его составляющая близка к амплитудному значению V0 Vo/Uao (5/л-) sin 36° 0,9355. Переменная составляющая (пульсация) сравнительно невелика: Кп 20,42% по полному размаху или Кп1 8,33% по амплитуде первой гармоники относительно среднего значения V0 выходного напряжения при идеализированных условиях неуправляемого режима работы.

Частота колебания огибающей выходного напряжения (его пульсации) в 5 раз больше частоты питающей сети: П 5. Тем самым, несмотря на наличие трехфазной системы преобразуемых ЭДС, обеспечиваемая устройством частотная кратность пульсации некратна трем, как это свойствен но подавляющему большинству известных лучевых и мостовых преобразователей. Она некратна и двум, что тоже обязательно характерно всем известным мостовым структурам.

Вместе с тем, из фиг.2 и 4 видно, что каждый из пяти переключающихся контуров токопрохождения содержит только ему присущий состав элементов, но при одновременном совмещении (интеграции) использования отдельных из них в разных контурах в любом из контуров ток нагрузки протекает лишь через один ПЭ. Поэтому число Вп 1, что в 2 раза меньше, чем в известных мостовых схемах, и обеспечивает относительно их более высокий КПД, Именно меньшие потери мощности обусловливают преимущественную применимость и наибольшую выгоду практического использования устройства в качестве низковольтного ВИП.

Кроме того, из фиг.2 и 4 следует, что соответствующие части секций всех трех фаз(а1, 32, Э2хи bbi, cci на фиг.1, либо biyi, ciz на фиг.З) участвуют в работе (обеспечивают нагрузку питанием) не только в данном (как это свойственно обычным лучевым схемам), но и в последующем или предыдущем токопрохождения, и такое совмещение функций тоже положительно характеризует данное устройство, обеспечивая относительно известных преобразователей с несовмещенными секциями существенную экономию в числе секций ВО ЭМА, суммарном числе их витков и пр.

Относительно мостового аналога, обеспечивающего формирование тех же пяти преобразуемых (диагональных) ЭДС, данное содержит в 5:3 1,7 раза меньше секций трехфазной ВО, во столько же раз меньше общее число выводов от них, в 2 раза меньше общее число ПЭ и число Вп ПЭ, одновременно последовательно обтекаемых током

нагрузки в каждом контуре гокопрохожде ния, лучший вследствие этого КПД при использовании в качеств низковольного ВИП. По сравнению с прототипом в устрой- 5 стве в 1,2 раза меньше чисто ПЭ (Эв 1,2), в 1,1 раза меньше суммарное число витков ВО (3w 1.1), проще электрические связи, монтаж, технология, более благоприятный по определенным оценкам спектральный со10 став выходного напряжения, лучше возможности использования в многоканальных ВИП.

Возможности расширяются при реализации устройства по обратным схемам

5 (фиг.5 и 6), в которых начала и концы секций относительно схем на фиг.1 и 3 взаимно изменены во всех фазах (транспозированы). Для этого достаточно заменить на фиг. 1 и 3 обозначения a, ai, 32, х, Ь, у, с. z соответст0 венно на х, аг, ai, а, у, b. z, с. Аналогичную перестановку применительно к соотношениям схем на фиг.5 и 6 претерпевают при этом и значения частей, указанных на фиг.2 и 4. При этом к типу используемых ПЭ не

5 предъявляется особых ограничений, но в конкретных условиях эксплуатации требуются соответствующие ПЭ, в частности для низковольтных ВИП - с малым падением прямого напряжения, например ПЭ с барь0 ером Шоттки, с МОП-структурой и пр. Однако в общем случае возможно применение любых ПЭ - механических, электронных, полупроводниковых, неуправляемых, управляемых, в том числе одно- или

5 двухпозиционно управляемых (на включение или/и на выключение).

На фиг.2,4 и 6 указаны также соотношения секций и их частей при упрощенном

0 обозначении их, принятом относительно начал секций. Обозначено: 42 3 - число секций всех трех фаз ВО; В 5 - общее число преобразовательных элементов (ПЭ), Вп 1 - число ПЭ, последовательно обтекаемых

5 током нагрузки в каждом из пяти циклически сменяющихся во времени контуров токопрохождения: W а - суммарное число витков ВО относительно амплитуды выходного напряжения.

0

Все ПЭ пронумерованы в порядке естественного вступления их в работу в течение одного периода преобразуемых ЭДС, т.е. в порядке естественного открытия ПЭ под

5 действием возникающего на них прямого напряжения (плюсом на аноде, минусом на катоде) при закрытых остальных ПЭ вследствие образующегося на них обратного напряжения (плюсом на катоде, минусом на аноде).

Формула изобретения 1. Трехфазный совмещенный пятилуче- вой преобразователь напряжения, содержащий пять преобразовательных элементов и источник трехфазных ЭДС с двумя отводами в секции первой фазы и одним отводом в одинаковых секциях второй и третьей фаз, причем одни одноименные выводы этих двух секций объединены и образуют один, а один из двух отводов секции первой фазы - другой выходные выводы, к другому отводу этой секции и к одному из ее выводов присоединены попарно одноименными электродами четыре преобразовательных элемента, которые другими электродами подключены по одному к двум свободным выводам и соответственно к двум отводам секций второй и третьей фаз, а к другому выводу секции первой фазы присоединен одноименным с предыдущими элементами электродом пятый преобразовательный элемент, отличающийся тем, что, с целью упрощения при одновременном обеспечении нетрадиционной частотной кратности пульсации, некратной трем и двум, свободный электрод пятого преобразовательного элемента подключен к обьединенным выводам секций второй и третьей фаз, одна из этих равных секций и большая ее часть между отводом и выводом, образующим один из выходных выводов, а также часть секции первой фазы от присоединенного к пятому элементу вывода до ее отвода, образующего другой выходной вывод, установлены в соотношениях 1.1016:0,679:1.

2.Преобразователь 1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что присоединенный к пятому

элементу вывод секции первой фазы выполнен одноименным относительно объединенных одноименных выводов секций второй и третьей фаз.

3.Преобразователь по пп.1 и 2, о т л и- чающийся тем. что указанный вывод

секции первой фазы выполнен разноименным относительно упомянутых объединенных выводов.

4.Преобразователь по п.2, отличаю- щ и и с я тем, что другой отвод секции первой

фазы выполнен между ее образующим выходной вывод отводом и присоединенным к пятому элементу выводом, а части от одного и от другого отводов до присоединенного к паре элементов вывода установлены относительно всей секции первой фазы в соотношениях 0,47:1,328:1.47.

5.Преобразователь по пп.З и 4, о т л и- чающийся тем, что другой отвод секции

первой фазы выполнен между ее образующим выходной вывод отводом и присоединенным к одной из пар элементов выводом. а указанные части этой секции установлены относительно ее в соотношениях

1,148:0,908:2,148.

6.Преобразователь по пп.2-5, отличающийся тем, что указанные присоединения выполнены обратными путем транспозиции выводов секций.

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться в качестве низ- ковольтного вторичного источника электропитания с пятикратной частотой пульсации при наличии трехфазного источника переменных ЭДС. Цель изобретения - упрощение при одновременном обеспечении нетрадиционной частотной кратности пульсации, некратной трем и двум. Цель достигается путем соединения выводов и отводов трех секций разных фаз посредством пяти преобразовательных элементов, при возможной реализации четырех вариантов исполнения. В каждом из них определенные части каждой из трех секций используются не при обычном формировании лишь одного выходного импульса, а также смежных импульсов, что характеризует совмещение их функций. При установленных соотношениях секций и их частей все варианты схем обеспечивают пятикратную частоту пульсации при сравнительно малом ее уровне. 5 з.п. ф-лы, 6 ил. сл с

л о аг ц, а

Фие.1

V 3f C if Si

Q:(b c) -a1:az: (Ь,С,,47:1,1010: Г,326-0,47:(, 4226; ,e7J

фиг. 2

ил

I

Vk&7

/7-5

Sj

a:():Ot иг : (.m-1,1016:

1,24--1 -Ot2Z6 .m.) 4f3jB 5;WM t,&1

Фиг. 6