Преобразовательный агрегат Советский патент 1992 года по МПК H02M7/162 

Изобретение относится к преобразовательной электротехнике и может использоваться в качестве вторичного источника электропитания на средние и высокие постоянные напряжения при расширенной но- менклатуре токов нагрузки и одновременном удовлетворении требований по обеспечению широких схемно-функ- циональных возможностей, а также высокого качества преобразования электроэнергии путем питания ряда нагрузок с по- вышенной частотной кратностью пульсации, некратной трем и равной десяти для каждой нагрузки, либо сверхвысокой (тридцатикратной) частотой пульсации для одной нагрузки при сравнительно малом числе секций вентильной обмотки (ВО) в случае реализации источников преобразуемых ЭДС на наиболее типовом, трехфазном

электромагнитном аппарате (ЭМА) - электрической машине, трансформаторе и др. Устройство реализуемо также в качестве источника переменных напряжений (в качестве инвертора).

Цель изобретения - расширение области применения.

На фиг.1 представлена схема преобразовательного агрегата при наличии в ней трех преобразовательных структур с системами из пяти ДЭДС(тд 5) в каждой структуре и с подключенными к каждому полюсу систем двумя последовательно-согласно соединенными между собой вентильными плечами, образующими одну вентильную ячейку из преобразовательных элементов (ПЭ) катодной и, соответственно, анодной их групп; на фиг.2 - примеры возможных топологических реализаций показанной на

ч

го

о

4

фиг.1 обобщенной 5с -системы; нафиг.За-в - векторные диаграммы знакопостоянных импульсов SJI (, k ГЗ)напряжения Uok на выходах + и - вентильных ячеек для случая соединения их в каждой к-й структуре по фиг.1 в пятиячейковый вентильный мост; на фиг.Зг - диаграмма тех же импульсов БД ц ) для случая параллельного соединения однополярных выводов этих к-мостов, образующих пятнадцатиячейковый мост (Л 15); на фиг.4 - то же, что на фиг.1, в монтажном виде для случая симметричной трехфазной системы исходных ЭДС переменного тока (ти 3 и 120°) и при реализации каждой из трех Sok-систем ДЭДС в соответствии с их топологией по фиг.2е; на фиг.5 - то же, что на фиг.1 или 4, но при соединении ПЭ в три пятиячейковых вентильных моста, соединенных разнополярными выводами посто- янного тока последовательно; на фиг.6 - то же, что на фиг.1 или 4, но при соединении разноименных групп ПЭ смежных структур в два десятивентильных кольца; на фиг.7 - то же, что на фиг.1 или 5 и 3, но для случая однотипных, не фазосдв инутых или синфазных первой и третьей 50 -систем ДЭДС и обратной (относительно предыдущих) второй системы ДЭДС, т.е. при 502 - системе, сдвинутой по фазе на 180 или кратной 36, но не кратной 72 эл.град. относительно первой 5о1 - системы.

Обобщенные системы преобразуемых ДЭДС с целью упрощения наглядности и удобства понимания и пояснения изобра- жены на фиг.1,5 и 7 не в традиционно монтажном виде, а в виде упрощенного фазового кадра, отображающего систему ДЭДС в фазовой плоскости. Фазокадр представлен окружностью с расположенны- ми на ней кружочками полюсов или выводов ДЭДС. Угол между ними соответствует фазовому сдвигу pKk одной ДЭДС относительно другой внутри данной k-й системы: #nk 72°, k 1,2,3. Так как в каждой систе- ме охвачены не автономные, а гальванически связанные между собой источники ДЭДС, то разноименные выводы разных ДЭДС в таких системах являются общими для каждой их пары. Поэтому число выводов и линий соединения их с блоками ПЭ уменьшается, давая основание обозначать используемые в устройстве системы из пяти ДЭДС в сокращенном виде как бо-системы. Здесь точка над цифрой 5, как и имеющийся знак ео в круге фазокадра, отражает признак связанности источников ДЭДС, а индекс о - указанную попарную общность их полюсов.

Полюсы или выводы ДЭДС обозначены ak, bk, Ck, dk, ek, причем для фиг. 1,4-7 значение k 1,2,3,

Комплекты вентильных ячеек обозначены в виде Л5 Vk ГЗ и изображены для упрощения в блочном виде, причем так, что вы воды постоя иного тока с формирующими ся на них знакопостоянными напряжениями Uok обозначены сравнительно уменьшенными кружочками со знаками + и -.

Соединение двух последовательно-согласно включенных плеч или ПЭ данной вентильной ячейки выделено тем же по величине кружочком, что и присоединенный к нему полюс 5 ok-системы, а фазовый сдвиг рь для второй (k 2) и третьей (k 3) систем на фиг.1 проиллюстрирован из всех возможных случаев лишь для одного из ,з 24° относительно первой системы.

Различные топологии общего фазокадра, данного на фиг.2а для обобщенных 50k- систем, проиллюстрированы на фиг.2б-э в зависимости от числа ти исходных источников преобразуемых ЭДС. При этом на фиг.2б-гти 5, уэи 72°, нафиг.2д,е,и-н,п,с- ч ти 3, РН 120°, на фиг.2ж,з,о,ш,э ти 2, и #Vr 90°, на фиг.2р ти 2, ри 120°. Точки соединения отдельных секций исходных ЭДС друг с другом обозначены уменьшенными кружочками для отличия от сравнительно увеличенных кружочков, принятых для полюсов 5о системы, присоединенных к блоку ПЭ.

В скобках при Sj на фиг.З и 7 указаны обозначения пар полюсов Sok-систем, между которыми в данном интервале дискретности формируются наибольшие значения ДЭДС. Именно они создают на нагрузке фазосдвинутые импульсы Su. или S/изнако- постоянного выходного напряжения Uok и именно благодаря принятому изображению этих импульсов в фазовой плоскости в виде смещенных на угол 36° десяти пунктирных лепестков наглядно и просто иллюстрируется принцип действия каждой отдельно работающей преобразовательной структуры, что позволяет обойтись без дополнительного расширенного пояснения его в дальнейшем.

Преобразовательный агрегат (фиг.1) содержит обобщенные системы 1-3 источников переменного тока из пяти гальванически связанных между собой диагональных ЭДС. Каждая k-я Sok-система ДЭДС снабжена выводами или полюсами {abcde}k, причем при k 1,2,3 на фиг.1 представлен частный случай, когда вторая 2 и третья 3 системы сдвинуты по фазе на ±24 эл.град. относительно первой системы 1. В

общем случае они могут быть сдвинуты на любой угол, однако для эффекта сверхвысокой (тридцатикратной, п 30) частоты пульсации значения фазового угла рь должны быть кратны 24, но не кратны 72 эл.град: #2,3 ±l 240/p72°,y{v,p}6 N 1,2,3,...

Исполнение Sok-систем возможно на секциях вентильной обмотки лишь одного либо трех отдельных трехфазных (при ти 3, фиг. 1,2,4) либо соответствующего числа однофазных ЭМА (трансформаторов, электрических машин и др.) на планарных или на пространственных магнитных системах (магнитопроводах и пр.) с обычными (из провода, шин, фольги и пр.) либо сверхпроводящими обмотками и при последовательном фазовом сдвиге одной 5о-системы относительно другой на 120 эл.град., либо при сдвиге второй и третьей систем на ±24° относительно первой 50-системы.

Устройство содержит также комплекты 4-6 вентильных ячеек по пять ячеек в каждом. В комплекты входят ПЭ 7-12, в каждой ячейке по два последовательно согласно включенных вентильных плеча или ПЭ 7 и 8,9 и 10, 11 и 12. Точка TR э {a...e}k соединения таких пар ПЭ, изображенная на фиг.1 кружочком в блочных комплектах 4-6, подключена посредством линии (на фиг.1 для упрощения не показанной) к соответствующему этой паре ПЭ выводу или полюсу {a...e}k к-й eok-системн 1-3 ДЭДС.

При этом соответствующие системы 1-3 и гальванически соединенные с ними вентильные комплекты -б образуют три аналогичные между собой преобразовательные структуры. Одни од оименные электроды первых ПЭ 7 всех пяти вектильных ячеек первого комплекта 4 (на фиг.1 аноды ПЭ 7 анодной их группы) и соотвэтственно, другие (разноименные предыдущим) одноименные электроды в горых ПЭ 12 всех пяти вентильных ячеек третьего комплекта 6 (на фиг.1 катоды ПЭ 12 катодной их группы) могут быть объединен ы, обрлзуя первый (на фиг.1 отрицательный) и второй (на фиг.1 положительный) выходные выроды -Uoi и +U03.

.Соответствующие- указанным электроды ПЭ 8-11 также могут быть объединены по пять, образуя с предыдущими ПЭ пятия- чейковые вентильные мосты /15k (k 1,2,3), а также дополнительные вы одные выводы для подключения автономных нагрузок либо одной общей нагрузки при разнополярно последовательном (фиг.5) или однополярно параллельном соединении выводов + и - комплектов 4-6. Эти иыводь могут быть соединены между собоп непосредственно либо через вспомогательные, в частности то- коразделительные, электроэлементы при питании сильноточной нагрузки.

Преобразовательный агрегат (фиг.1) раоотает следующим образом.

Так как каждая бок-система 1-3 содержит по пять источников сдвинутых по фазе переменных ДЭДС, то на выходных выводах + и - комплектов 4-6 преобразоватеяьных ячеек каждой k-й преобразовательной структуры формируются напряжения Uok (k 1,2,3), которые вследствие выпрямляющего действия ПЭ 7-12 являются, знакопостоянными. При этом при последовательно симметричном фазовом сдвиге ДЭДС на 72 эл.град. внутри каждой Sok-сис- темы эти знакопостоянные напряжения содержат за один период преобразуемых переменных ЭДС десять одинаковых импульсов 5(фиг.З) с равными амплитудами, длительностями и фазовым (временным) сдвигом на 36 эл.град. Каждый импульс формируется конкретной ДЭДС одного из fi-x. контуров токопрохождения, циклически естественным образом переключающихся в течение одного периода ЭДС (ju, Тп).

Удвоение числа знакопостоянных импульсов относительно числа ДЭДС происхо- дит вследствие используемого

присоединения каждого полюса {a...e}k 5ok- системы к точке Tk з {a...e}k из двух последовательно-согласно включенных вентильных плеч или ПЭ 7 и 8, 9 и 10, 11 и 12. Именно эти плечи обеспечивают выпрямление обоих пслупериодрв переменных ДЭДС в с эотв ;тствии с известным принципом действия мостовых структур.

Таким образом, при объединенных электродах (катодах) ПЗ катодной и, соответственно, разноимэнных им других электродах (анодах) ПЭ анодной их групп каждая преобразовательная структура обеспечивает на выходных выводах практически постоянное напряжение U0k с очень малым

уровнем AUok его переменной составляющей (пульсации) относительно среднего его значения V0 при одновременно в 10 раз увеличенной частоте fnk относительно частоты fc преобразуемых ЭДС или первичного

генератора энерг/ш (сети и пр.): kn AUo/V0k , П U/fc 10 (фиг.За-в).

Если системы 2 и 3 ДЭДС второй и третьей преобразовательных структур сдвинуты по фазе отногчтэльно первой 50-системы 1 на угол ргз i v24° при всех целых v , кроме V Зр при р € N 1,2,..., в частности на угол ,з ± 24° (фиг. 1,4-6) или на ±120° (фиг .4), то системы знакопостоянных импульсов S, и Sj«P выходных

напряжений Uo2 и Uo3 оказываются сдвинутыми по фазе на ±6 эл. град, относительно условно принятого начала отсчета по вертикали на фиг.З или на ±12 эл.град. на фиг.Зб.в относительно импульсов SJM первой системы, показанной на фиг.За.

Тем самым при параллельном (фиг.Зг) или последовательном (фиг.5 и 6 с векторными диаграммами, аналогичными диаграмме на фиг.З г) соединении выводов постоянного тока вентильных ячеек достигается увеличение частотной кратности пульсации общего выходного напряжения до 30 раз (фиг.Зг и т.п.).

При этом в случае наличия лишь трехфазной системы исходных ЭДС, как наиболее типичной, возможно получение не только одной системы из пяти гальванически связанных ДЭДС, т.е. 50-системы, представленной, например, в исполнениях по фиг.2д.е.и-н,п,с-ч, но также получение трех Sok-систем, симметрично сдвинутых по фазе относительно друг друга и притом не только на разных, но и, например, на одном трехфазном ЭМА с секциями вентильной обмотки, полностью одинаковыми в разных его фазах по числу секций, числу их витков и соотношений между ними. В результате повышается коэффициент однотипности или унификации, улучшается технологичность изготовления, симметрия электромагнитных процессов и конструкции.

Такие исполнения агрегата, как следует из фиг. 1,2,4-7, реализуемы не в единичном, а в большом количестве базовых вариантов, подобно тому, как это в монтажном виде показано, в частности, на фиг.4 применительно к топологической реализации 5о-си- стемы ДЭДС по фиг.Зе. Аналогичным показанному на фиг.4 образом реализуются конкретные монтажные исполнения множества других топологий бсгсистем, в том числе приведенных, как частные, на фиг.2.

Расширенные возможности иллюстрирует схема на фиг.5, в которой возможно подключение одной, двух, трех и более нагрузок (на фиг.5 для простоты не показанных) с общими или разными потенциальными точками (выводами). Возможна также автономная работа мостов на свои индивидуальные нагрузки либо работа при параллельном соединении однополяр- ными выводами двух или трех мостов для питания соответствующих нагрузок напряжениями в соответствии с лепестковыми диаграммами на фиг.З.

В случае последовательного соединения структур можно уменьшить число ВППЭ, одновременно последовательно обтекаемых током нагрузки в каждом //-м контуре токопрохождения ( ц- 1,30), и тем улучшить КПД относительно схемы на фиг.5 при необходимости обеспечить нагрузку повышенным или высоким напряжением со сверхвысокой частотной кратностью пульсации за счет наличия отдельных фазосдви- нутых 5о-систем ДЭДС. Эффект достигается соединением ПЭ катодной группы предыдущей структуры в десятивентильное кольцо с ПЭ анодной группы последующей структуры (фиг.6).

Дальнейшего расширения возможностей и существенного улучшения различных

показателей (массогабаритных, энергетических и пр.) можно достичь соединением одноименных полюсов 5о-систем ДЭДС разных структур через один ПЭ, как это показано на фиг.7. В данной реализации соединены непосредственно через один ПЭ не разноименные, как в схеме на фиг.6, а одноименные полюсы разных систем, причем первая и третья из них однотипны (с полностью совпадающими фазокадрами), а третья

-обратная предыдущим. В результате число ПЭ (вентильных плеч) на стыке первой с второй и второй с третьей структур уменьшено в 2 раза относительно реализаций на фиг.5 и 6. При этом обеспечивается значение П 10, а при одинаковом со ступенчато- мостовой схемой по фиг.5 выходном напряжении преобразовательные элементы в схемах по фиг.6 и 7 должны иметь двойной запас по обратному напряжению. При однотипных же ПЭ схемы по фиг.6 и 7 выгоднее использовать для потребителей в области более пониженного выходного напряжения относительно обеспечиваемого при таких же ПЭ схемой по фиг,5. Но в любом случае

схемы на фиг.4-7 тоже, как частные, реализуемы в соответствии с общим решением по фиг.1, что также характеризует существенную общность дзнного технического решения и широкие схемно-функциональные,

конструктивно-технологические возможности. Этим предопределено существенное расширение областей практического применения данного агрегата в различных промышленных отраслях.

Формула изобретения

Преобразовательный агрегат, содержащий источники переменных ЭДС с пятью выводами или полюсами, каждый из которых подключен посредством линии к точке

соединения двух последовательно-согласно включенных вентильных плеч из преобразовательных элементов, образующих основную вентильную ячейку, причем одни одноименные свободные электроды первых

элементов всех пяти основных ячеек объединены и образуют первый выходной вывод, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения, источники переменных ЭДС выполнены в виде первой общей системы из пяти диагональных ЭДС (ДЭДС) при соответствующей конкретной их реализации, которая совместно с указанными пятью основными вентильными ячейками образует первую преобразовательную структуру, при этом введены аналогичные первой вторая и третья преобразовательные структуры, содержащие соответственно вторую и третью допол- нительные общие системы ДЭДС, к полюсам которых при соответствующем конкретном исполнении систем подключены вторые и третьи комплекты дополнитель- ных вентильных ячеек по пять ячеек в каждом комплекте, а все три системы ДЭДС выполнены однотипными (с совпадающими их фазокадрами) либо вторая и третья системы реализованы с фазовым сдвигом относительно первой системы на ±24v эл.град. при всех целых V, кроме кратных трем, либо однотипными выполнены первая и третья системы, а вторая - сдвинутой по фазе со знаком плюс или минус относительно первой и третьей систем на одно из значений ряда 36 (1 + 2п) эл.град., при всех целых

п, включая ноль, при этом свободные электроды преобразовательных элементов вентильных ячеек образуют соответствующие выходные выводы, либо одноименные из

них в каждой структуре объединены между собой, образуя в них пятиячейковые вентильные мосты, выводы постоянного тока которых выполнены автономными либо соединены между собой последовательно разнополярно или параллельно однополярно, непосредственно или через вспомогательные электроэлементы, либо преобразовательные элементы с разноименными свободными электродами первой и второй и

соответственно второй и третьей структур в случае выполнения их систем ДЭДС однотипными или с фазовым сдвигом на 24v эл.град. соединены между собой в два деся- тивентильных кольца либо - при однотипных лишь первой и третьей систем - оба преобразовательных элемента с разноименными свободными электродами первой и второй и соответственно второй и третьей структур, подключенные к одноименным полюсам их систем ДЭДС, соединены последовательно-согласно между собой, образуя одноплечую цепь, а оба этих элемента выполнены в виде одного преобразовательного элемента, образуя одновентильную цепь.

Изобретение может быть использовано в качестве вторичного источника электропитания на средние и повышенные напряжения нагрузки. Устройство содержит три преобразовательные структуры с источником переменного тока из гальванически связанных между собой пяти диагональных ЭДС (ДЭДС) в каждой структуре. Полюсы ДЭДС подключены к пяти ячейкам из последовательно-согласно включенных преобразовательных элементов, а системы ДЭДС второй и третьей структур сдвинуты по фазе относительно системы ДЭДС первой структуры на ±12 v эл.град. при всех целых v , кроме кратных трем. В результате обеспечивается симметрия исполнения электромагнитного аппарата и сверхвысокая частотная кратность пульсации, симметрия протекающих процессов и повышение однотипности. Это позволяет расширить схемно-функцио- нальные возможности устройства и область его применения. 7 ил.

4 +Ц 2

8

-ч7

2

.д%4

s, te 5, л

. „Ai.7t .,„ .. .| VAS,W

fe,c,)sj

(efmsj(

(rf,i,)s

Я) frf,0,)S|

SjVc,tf,;

WOEля,

r WML-jSf f W)

-,W) s/-1

)(c;e7; ы|ч v 3

/,, S7 Ц 4- %(С3Јз)

в) (4,0,) SKW

пг-ю и,

г(ъгег Szs

JO I 5. -

(o2cj)s;

(e2c2)S8

(«i«v)s7

5) () e

Фиг.З

517 S

JO I 5. -

517 S

х2 а2 3а3 У а х5 с п „ гпэазГгъе

y3bs

9УЬ%

Ъ

- -

w/;. у ч u -z Z2C

по е;

CJ

Z%/r5 Пг-3

«/J/% /

2 J(120°A-24°)

Фиг А

ЖЖА2

tfWwJ

nX2i7ii№afJO

т

п±,+,+,+ 2

52ГЖУ7 2 о7 1ЗД;Жф

L-L-t-LX f;с 7 .

ТТТТоО Фиг.5

CJ

Z%/r5 Пг-3

«/J/% /

F-ff

5(-Ш°л+2Ф)

AJL .

-о f-O +

-о - -о +

со

s

3 Л И

QJ

го QJ

rr

Csl м

оГ О о сз

И

rr

r

I

u