Пятифазный кольцевой преобразователь напряжения Советский патент 1991 года по МПК H02M7/10 

(Л

С

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться в качестве низковольтного источника электропитания постоянного напряжения с высоким качеством преобразования энергии при наличии пятилучевой системы источников фазных ЭДС (ФЭДС), формирующихся посредством системы из любого числа исходных ЭДС, в том числе трехфазной. Цель изобретения - расширение области применения. Это обеспечивается соединением двух пятилучевых обобщенных систем ФЭДС через преобразовательные элементы 1-10, собранные в замкнутое десятивентильное кольцо, и образованием нулевыми точками пятилучевых звезд ФЭДС двух выходных выводов +, -. Предлагаемый преобразователь напряжения обеспечивает десятикратную частоту пульсации выходного напряжения при исполнении его в качестве выпрямителя либо повышенное качество формы переменных напряжений при исполнении его качества инвертора. 9 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться в качестве низковольтного источника электропитания постоянного напряжения с высоким качеством преобразования энергии при наличии пятилучевой системы источников фазных ЭДС (ФЭДС), формирующихся посредством систем из любого числа исходных ЭДС, в том числе наиболее типовой трехфазной системы, а также в качестве источника переменного тока с соответствующим числом фаз, т.е. в качестве инвертора.

Цель изобретения - расширение области применения.

На фиг. 1 дана обобщенная схема пяти- фазного кольцевого преобразователя напряжения при наличии двух обобщенных пятилучевых систем - гальванически связанных ФЭДС, причем первая и вторая системы содержат по пять источников каждая

(тф1 тф2 5), которые обозначены как Sq, -системы и соединены между собой через преобразовательные элементы (ПЭ), образующие десятивентильное кольцо В 10, изображенное в виде петли, при этом точкой над цифрой пять, как и знаком со в круге, отражен указанный признак связанности ФЭДС, а сами обобщенные 5ф-систе- мы изображены в фазовой плоскости в виде упрощенного и наглядного фазового кадра, представляющего собой окружность с расположенными на ней и в ее центре пятью полюсами или выводами ФЭДС и одним треугольником вывода общей или нулевой точки их соединения, образующей один из двух выходных выводов +, -;

на фиг; 2 - примеры топологической реализации ёф-системы при наличии пяти (тн 5, б), трех(ти 3, в-л) и двух (ти 2, м-п) исходных источников ЭДС, причем в поOs О GJ XI О О

следнем случае при фазовом сдвиге исходных ЭДС на 90 (м-о) и 120 (п) эл. град.;

на фиг. 3 - то же, что на фиг, 1, в монтажном виде применительно к топологической реализации 5ф-системы, представ- ленной на фиг,2б, причем каждая такая система источников ЭДС реализована на секциях пятифазной (гпи 5) двухсекционной вентильной обмотки (ВО) электромагнитного аппарата (электрической машины, трансформатора, автотрансформатора, сфазированных генераторов, параметрических устройств и др.), а соединение их выводов а, Ь, с, d, е и ai, bi, ci, di, ei с попарно объединенными анодами, образующими стоки кольца, и соответственно с попарно объединенными катодами, образующими истоки кольца, разных пар ПЭ показаны лишь для вывода d одной и вывода ei другой пятифазных звезд при изображении десяти- вентильного кольца в Ю в виде правильного пятиугольника с парой встречно включенных ПЭ на каждой его стороне и в каждой его вершине, при этом попарно объединенные аноды ПЭ (стоки)кольца В Ю и попарно объединенные их катоды (истоки) обозначены на кольце теми же буквами, что и выводы секций пятифазной ВО или полюсы двух 5ф-систем их источников ЭДС;

на фиг. 4 - то же, в наиболее компакт- ном виде путем изображения десятивен- тильного кольца в Ю в форме правильного десятиугольника с одним ПЭ на каждой его стороне, а фазных ЭДС - утолщенными линиями, причем вторая пятифазная система ЭДС (5ф1-система) изображена условно обратной относительно первой 5ф-системы, т.е. условно сдвинутой на 180 эл. град., но в действительности обе 5ф-системы однотип- ны с совпадающими звездами секций ВО (фиг. 3) или фазокадрами (фиг. 1);

на фиг. 5 - векторная диаграмма, поясняющая в фазовой плоскости принцип формирования десяти импульсов S ( fi 1,ТО) знакопостоянного выходного напряжения Uo (фиг. 3 и 4) для случая, когда амплитуды синусоидальных ФЭДС равны между собой в данной и обеих 5ф-системах (8афк 5афк1 Заф, , b, с, d, e}, а любая ФЭДС сдвинута по фазе относительно смежной с ней на 72 эл. град.;

на фиг. 6 - то же, что на фиг. 4 для случая, когда однотипные 5ф-системы сформированы при наличии лишь трех источников исходных ЭДС (т.е. при трехфазной их системе, ти 3);

на фиг. 7,- то же, в монтажном виде при реализации 5ф-систем на секциях трехфазной ВО и изображении кольца В 10 в виде вентильного пятиугольника;

на фиг, 8 - то же, что на фиг, 5, для исполнения по фиг. 6 и 7;

на фиг. 9 -.то же, что на фиг. 6, при ином образовании 5ф-систем из исходной трехфазной;

на фиг, 10 - то же, применительно к реализации 5ф-систем на основе базовой схемы соединения источников двух ортогональных ЭДС по топологии на фиг, 2 м;

на фиг, 11 - то же, в монтажном виде при изображении кольца в Ю в виде безвентильного пятиугольника;

на фиг. 12 - то же, что на фиг. 8, для исполнения преобразователя по фиг. 10 или 11.

Приняты обозначения П fn/fc кратность частоты пульсации выходного напряжения относительно частоты преобразуемых ЭДС (частоты fc питающей сети или первичного генератора); kn AU0/V0, kni Saol/Vo - коэффициенты пульсации по полному ее размаху и амплитуде первой гармоники относительно среднего значения выходного напряжения при идеализированных условиях - без учета потерь на элементах контуров токопрохождения, при полной амплитудно-фазовой симметрии ФЭДС, синусоидальной их форме, симметрии процессов и пр. (фиг. 5); Чг - число отдельных частей источника ФЭДС или секций ВО; W , W2o - суммарная амплитуда всех ФЭДС или суммарное число витков ВО относительно амплитудного Uao и среднего V0 значений выходного напряжения в режиме XX, причем эти витковые числа в конкретных цифрах определяются как удвоенное значение аналогичных чисел, известных для одно- мостовых преобразователей с той же (одной) 5ф-системой; В, D - отношение действующего значения напряжения и тока данной секции ВО к средним значениям напряжения и соответственно тока нагрузки в идеализированном случае; КПрм - коэффициент превышения габаритной мощности ВО () относительно полезной мощности нагрузки (Вт),

Устройство (фиг, 1) содержит десять ПЭ 1-10, представленных в виде десятивен- тильного кольца, обозначенного как , и пять источников фазных ЭДС переменного тока, изображенных в обобщенном виде как два пятиполюсных с нулевым выводом фа- зокадра. Причем ФЭДС могут быть сформированы из частей источников исходных ЭДС, разделены каждая на две секции и образуют ими две пятилучевые звезды, представленные в обобщенном виде какёф- и 5ф1-системы ФЭДС с выводами или полю- сами а, Ь, с, d, e в первой и одноименными

им выводами (полюсами) ai, bi, сь di, ei во второй системах.

Присоединения полюсов и ПЭ показаны на фиг. 3, 4, 6, 9 и 10 применительно к конкретным реализациям этих обобщенных 5 5ф-систем.

Нечетные ПЭ 1,3, 5, 7, 9 подключены анодами к пяти выводам {а...е} первой 5ф- системы, общая или нулевая точка 0 которой образует первый выходной вывод -. Второй 10 выходной вывод + образован общей или нулевой точкой Oi второй 5ф1-системы, а обе системы ФЭДС выполнены обобщенными (фиг. 1).

Общность таких пятиполюсных систем 15 заключается в возможности сформировать пятифазную систему самым различным образом, в том числе и однозначно как в известном устройстве путем соответствующей конкретной их реализации из частей исход- 20 ных источников ЭДС. В частных случаях это может быть выполнено как показано на фиг.

2,4, 9, 10 при числе исходных ЭДС ти 2

3,5 и фазовом их сдвиге соответственно на 90,120,72 эл. град. При этом число ти может 25 быть любым, положительным, целым (тиЈ

М), а к выводам +, - может быть подключена любая нагрузка.

Четные ПЭ 2, 4, 6, 8, 10 подключены катодами к пяти выводам {a...e}i второй 5ф- 30 системы, а анодами - к выводам {а...е} первой 5ф-системы. Присоединенные к ней анодами нечетные ПЭ 1, 3, 5, 7, 9 подключены катодами к пяти выводам {a...e}i 5ф1-си- стемы, а все ПЭ 1-10 образуют 35 десятивентильное кольцо из последовательно попарно встречных включенных ПЭ.

Причем все соединения выполнены так, что каждый вывод а, Ь, с, d, e первой пяти- лучевой системы соединен через два под- 40 ключенных к нему одноименными электродами (анодами) ПЭ10и1,2иЗ, 4и 5, 6 и 7, 8 и 9 кольца в Ю соответственно с двумя выводами ci и di, di и еч, ei и ai, ai и bi, bi и ci второй пятилучевой системы. 45

Обе обобщенные 5ф-системы выполнены однотипными, т.е. при полностью совпадающих их фазокадрах {а...е, 0}с{а...е, 0}i. Совпадение фазокадров означает точное совпадение полюсов и нулевых точек систе- 50 мы ФЭДС в фазовой плоскости, причем в общем случае необязательно, чтобы одна 5ф-система полностью повторяла другую систему, имела в точности такое же число источников исходных ЭДС, такое же число их 55 частей, такие же их присоединения между собой, соотношения и пр.

В общем случае исполнение пятифаз- ных систем ФЭДС допустимо разное. В частности, они могут быть реализованы путем

любой комбинации любых двух 5ф-систем из числа показанных, например, на фиг. 2. Возможны другие исполнения, что характеризует широкие схемно-функциональные возможности предлагаемого преобразователя по созданию практически неограниченного числа новых базовых схем пятифазных кольцевых преобразователей на основе десятивентильного кольца.

Преобразователь (фиг. 1, 3, 4) работает следующим образом.

Так как кольцо в ю представляет собой в целом нелинейный элемент с односторонней проводимостью тока с пятью входами и пятью выходами, устройство обеспечивает преобразование пяти переменных напряжений (ЭДС) в знакопостоянное или наоборот благодаря наличию в кольце пяти стоков и пяти истоков в преобразователе создается десять контуров токопрохождения. Каждый из них содержит свой состав элементов - ПЭ, секций источников ФЭДС, связей и пр. Все контуры работают поочередно в течение периода ЭДС на общую для них нагрузку 11.

Все десять контуров подключены к нагрузке параллельно, работая в импульсном режиме, последовательно переключаясь во времени. Переключение контуров происходит вследствие вентильного свойства ПЭ 1- 10 и образованного ими кольца в ю.

При протекании тока через один контур другие отключены в данный отрезок времени (в теоретически идеальном случае, когда возможное явление перекрытия или коммутации контуров не учитывается), что обусловлено наличием на ПЭ остальных контуров напряжения обратной полярности на катоде, - на аноде. В связи с этим такие ПЭ закрыты, не проводят ток нагрузки

Каждый из десяти контуров содержит две секции ФЭДС разных 5ф-систем. Они соединены последовательно встречно через подключенные между ними ПЭ 1-10. Причем секции разных пятифазных систем, соединяющиеся через открытый ПЭ между собой, различны по фазе, но не являются смежными, как в известном трехфазном кольцевом преобразователе с шестивен- тильным кольцом.

В частности, ФЭДС первой фазы а первой 5ф-системы соединена через ПЭ 1 с ФЭДС четвертой фазы di второй 5ф1-систе- мы, однотипной первой. Причем такие пяти- фазные системы именно однотипны в отличие от разнотипных трехфазных шести- лучевых систем в известном с двенадцати- вентильным кольцом.

В результате алгебраического сложения ФЭДС фаз а и di (или геометрического выитания их при рассмотрении встречного соединения векторов этих ФЭДС) на нагрузке формируется знакопостоянный импульс Si с амплитудой Uao, которая почти в ва раза больше амплитуды Заф любой 5 ФЭДС (фиг. 5): Uao 2cos 18° 5аф 1,902 И

3аф при Зафк Зафк1 Заф, рфк1

72°, Vk-Flpn этом ток нагрузки, формируемый алгебраически суммарной токообра- зугащей ЭДС, протекает через обе суммиру- 10 мые ФЭДС или секции ВО электромагнитного аппарата и через соединяющий их открытый ПЭ, Так при формировании импульса Si ток протекает по контуру вывод - - нулевая точка 0 первой 5ф-системы - ее 15 ФЭДС первой фазы а (фиг. 3, секция ао) - ее. вывод а - ПЭ 1 - вывод di ФЭДС четвертой фазы второй 5ф1-системы - сама четвертая ФЭДС (фиг. 3, секция diOi) - нулевая точка Oi - выходной вывод + - нагрузка 11. Ос- 20 тальные контуры, их состав, принцип формирования импульсов Sju ( (« 2,19) аналогичны,

Поскольку каждый сток кольца В(10 образован двумя однонаправленно подклго- 25 ченными ПЭ, то присоединенная к нему ФЭДС первой 5ф-системы поочередно складывается с двумя ФЭДС второй 5ф-системы, каждая из которых в связи с подключением ее к своему истоку кольца тоже п рисоедине- 30 на через новые два ПЭ х другим ФЭДС пео- вой пятилучевой системы.

Таким образом, любая ФЭДС обеих пя- тифазных систем участвует в работе двух из десяти контуров токопрохождения, что су- 35 щественно улучшает использование габаритной мощности ВО и ЭМА в целом, массогабармтные и стоимостные показатели (МГСП) относительно сравнимых десят /i- лучевых схем (схем m 10) с той же 40 равноценной десятикратной частотой пульсации,

В частности экономия Э относительно схемы тЮ в суммарном числе витков, амплитуде 5аф (при одинаковых значениях V3) 45 или увеличения V0 (при одинаковых Заф), в коэффициентах использования м превышения габаритной мощности в реализации (фиг. 3) составляет Э (Wza. Заф , V0, Вф иф/У0)1,9; Э(Ки1, Кии, Ки) 1.345; Э(Кпрн} 50 127,33:69,02 1,845; Э(КЛР|) 60,745:19.513 «3,113; Э(Кпр} 75,18:34,076 «2,21 раза при одинаковых значениях П 10, kn 5%, В 10, лпи - 5,

Двойное участие каждой ФЭДС в рабо- 55 те показано из фиг, 5. причем повторное участие второй 5ф1-системы в формировании последующего выходного импульса, смежного с предыдущим, показано утолщенным пунктиром в отличие от сплошных линий топологического изображения тех же ФЭДС при первом их участии, В итоге упрощается определение суммарных витков ВО, суммарных амплитуд ЭДС. Витковое их число Wza (или Wzo) находится непосред- стзенно (фиг, 5) путем суммирования только утолщенных линий ФЭДС. Причем несмотря на то, что общее число отдельных частей (секций) ФЭДС равно десяти (Ч2 10). а суммарное витковое число составляет всего лишь около пяти (5,2573), эффекты достигаются благодаря соединению секций разных 5ф-систем через ПЭ в равноплечий, двусторонний с разными сторонами, встречно- встречный зигзаг - пятилучевую звезду (фиг, 5),

В отличие от известных аналогичных схем с непосредственной (гальванической, э не через ПЭ, как в предлагаемом устройстве) связью разноименных по фазе секций такая связь в кольцевом преобразователе образована через сток - исток кольца в ю. В связи с двойным (совмещенным) участием всех секций ФЭДС обеих 5ф-систем, сформированная система двустороннего зигзага относится к типу совмещенной. Образование совмеш,енного пятифазного двустороннего зигзага обеспечивает снижение числа секций, числа их суммарных витков, улучшение габаритной мощности. МГСП, КПД. надежности относительно несовмещенных реализаций.

Благодаря наличию в каждом fi-м контуре лишь одного ПЭ из имеющихся десяти, последовательно обтекаемого током нагрузки (Bn/j 1, Vyu 1,10), потери напряжения в предлагаемом устройстве в два раза меньше, чем в известном, в котором Bn/t пр 2,V/f , Это улучшает КПД, расширяет возможности преобразователя за счет перехода в диапазон более низких напряжений потребителя, улучшения энергетических показателей и надежности,

Так как каждая ФЭДС пятилучевой звезды первой 5ф смстемы после сложения ее с двумя ФЭДС другой их пятилучевой звезды формирует на нагрузке два импульса, то выходное напряжение Uo, несмотря на наличие лишь пяти фаз источника ФЭДС, содержит за один их период десять последовательно примыкающих друг к другу импульсов Syt/. (фиг. 5, 8, 12).

В результате на выходе преобразователя образуется пульсирующее, квазипосто- пнное напряжение Uo, постоянная составляющая которого (или среднее значение V0) близка к амплитудному его значению Уо (10/я) sin 18° Uso 0,98363 Uao.

Частота переменной составляющей или пульсации больше частоты преобразуемых ЭДС в десять раз П 10. Уровень пульсации Кп составляет 5% по полному размаху. Это в два и, соответственно, в четыре раза лучше, чем в известном, что существенно улучшает МГСП фильтров при заданном уровне пульсации на полезной нагрузке. В частности это примерно в 16 раз снижает необходимое произведение L-C индуктивности и емкости элементов Г-образного LC-фильтра на выходе преобразователя.

Такой эффект достигается в любой из возможных реализаций устройства, получаемых из фиг. 1, а общность исполнения пя- тифазных систем ФЭДС обеспечивает практически неограниченное множество новых схемно-технических базовых устройств с десятивентильным кольцом, в частности показанных на фиг, 2-12. При этом принцип действия таких исполнений аналогичен указанному, как и соответствующие особенности и эффекты, что применительно к реализациям на фиг. 6, 7 и 10, 11 ясно из кустовых диаграмм на фиг. 8 и 12.

В итоге существенно расширены схем- но-функционально-конструктивные и технологические возможности устройства и, как следствие, области практического применения его в различных отраслях народного хозяйства страны.

Формула изобретения

5 пятилучевой системы фазных ЭДС (ФЭДС) и совместно с ее пятью преобразовательными элементами образуют десятивентильное кольцо из последовательно попарно встречно включенных элементов.

5 системы ФЭДС, образуют пять стоков кольца, а попарно объединенные катоды его элементов, присоединенные к выводам ai, 01, ci, di. ei второй пятилучевой системы ФЭДС, образуют пять его истоков.

0 3. Преобразователь по пп. 1 и 2, о т л и- чающийся тем, что фазные ЭДС каждой пятилучевой их системы последовательно сдвинуты по фазе на 72 эл.град. одна относительно другой.

5 4. Преобразователь по пп. 1-3, отличающийся тем, что все ФЭДС данной пятилучевой их системы выполнены по величине одинаковыми.

ФЭДС обеих пятилучевых систем.

0 7. Преобразователь по пп. 1-6, отличающийся тем, что первая и вторая пятилучевые системы ФЭДС выполнены однотипными между собой с совпадающими полюсами и нулевыми точками в случае изо5 бражения данной обобщенной системы ФЭДС и фазовой плоскости в виде фазового кадра с пятью полюсами на окружности и нулевой точкой в ее центре при их соответствии пяти указанным выводам и общей точ0 ке пятилучевой звезды ФЭДС.

5 где ти Ј N {1, 2, 3, 4, 5Nx}, N - множество целых положительных чисел.

10, Преобразователь по пп. 1-9, отличающийся тем, что при реализации источников ЭДС в виде секций вентильной обмотки электромагнитного аппарата секФие.З

ции одной из пятилучевой системы ФЭДС выполнены в качестве сетевых и снабжены дополнительными отводами или витками, образующими входные выводы.

С

Ut

О,

a

,

- o,fri гмо (°,)ffgftyc1Jf S,(Oi(l,,i,ao)

d, ,,

:..,ш

Л. 07/J,bo)

„

Ш / ,COJ

Frrie.

a,

I

S

Jy,rfo;

I

a a 0,0.

11/7 Г V

(oJan69ao) $з(°М,5,со)

ти - 7 j, 2573,

/fn- 2%iWw 5,345,

КпР1 19,5% Нпрп -69%

Вф 0,378} Яф 0№7

Фие.5

Х1а} а а

; л/

гс

е

J 5ЛА o-

2 ггсг г3 с3 а,ь,2«с Ча 42W

Фае. 7

Фиг.б

а

U,

()

.frtl-.Jv2

(afxffiSs ly Vatf) -

3

()$ c z 8, y btya,1)

(}«№Ј& № . fayWrtW,

V°/ с|Ъ- в/ А7

$s(a ,х а,)

Wxty) а Ч сг/ ef

(в/в/,с,с г:х в/ГяГ Фуг.

/J fO

3

Sjlafaj,

,3,

fayWrtW,

7

04е./(7

V

5ф

У Ъ Ъ )

Фиг.11

°--ф-/7 / 7

(,ъ,, a abs afqdj/Tfya/x ii,, 7,а аг )

/21-.1N

(a/x tfa ,4)xljV

Ј р: V.y.XvV-yj ff/ff«

;Vt3,

(e/ef

, /,

7 PI Ч ЈЩ

.

,а,,аг) ,;. / rbhajaj)

(atafrfrtS, Xfl/ 5 j / A/ V aft blalaW

Itfbf t) .f&a A ЫУ.х а г)

(, б.уЩх а )$Г $5(,S,,х1а7г)

Фиг. 12

ЧУ Л,У