Ступенчато-мостовой вентильный преобразователь Советский патент 1982 года по МПК H02M7/10 

(54) СТУПЕНЧАТО-МССТОВОЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ Изобретение относится к эдектротеХ. нике и может быть использовано для преобразованияэлектрической энергии во вторичных источниках электропитания, преимущественно для получения сравнительно высокого напряжения при наличии более низковольтных модулей. Известны ступенчато-мостовые вентильные преобразователи переменного напряжения в постоянное, содержащие мостовые вентильнью преобразователи с нечетным числом источников переменны ЭДС в каждой ступени, которые соединены между собой последовательно разнополярными выходами, а к свободным из них подключена нагрузка l . Недостатками таких преобразователей являются сравнительно большое значение амллитуды ,Sa фазной, либо $сщ линейной, либо Saa диагональной ЭДС, требующееся для обеспечения заданного среднего зна чения VQ напряжения (Jo на нагрузке; сравнительно больщая амплитуда Ud , обратного напряжения на вентилях при. ПРЁОБГА ЗОВАТЕЛ Ь заданном значении Vo , получение сравнительно невысокого значения Vo . при данных значениях амплитуды Sa{ 5см, S аи), либо при наличии вентилей с данной допустимой амплитудой сравнительно высокий уровень пульсации переменной составляющей выходного напряжения.. Наиболее близким к предлагаемому является ступенчато-мостовой вентильный преобразователь, описанной вьпие структуры, выход которого зашунтирован электростатическим элементом, напри мер емкостным накопителем энергии 2), Этот преобразователь устраняет пооледний из указанных недостатков, однако сохраняет предыдущие из них. Общей особенностью известных ступенчато-мостовых вентильных преобразователей является также использование в них разнотипных соединений источников переменных ЭДС, например вторичных обмоток трансформаторов, относящихся к разным ступеням. Это требует обеспе- 3&1 чения разных по величине значений амплитудных ИЛИ действующих значений таких ЭДС, приводит к асимметрии внутренних сопротивлений и, как следствие, к появлению нежелательной низкочастотной модуляции выходного напряжения, снижению частоты пульсации его переменной составляющей, необходимости усложнения и увеличения массо-габаритных и стоимостных показателей (МГСП) сглаживак щИх фильтров. Кроме того, в известных преобразователях наблюдается сравнительно небол) шая длительность и значительная амплитуда (бросок) токовых ийпульсов вентилей и источников ЭДС, что снижает надежность и коэффициент их использова ния во времени. Цель изобретения улучшение режимно-энергетических и качественных показателей, К числу положительных достижений, обеспечиваемых предлагаемым устройством, относятся повышение напряжения Vo на нагрузке, снижение и одновреме ное выравнивание (симметрирование) амплитудных или действующих значений преобразуемых ЭДС, их внутренних сопротивлений и амплитуды обратного напряжения на вентилях, устранение, либо существённое снижение низкочастотной моду ляции выходного напр51жения, увеличение длительности открытого состояния вентитлей и снижение амплитудных значений токовых импульсов источников преобразуемых ЭДС, обеспечение возможности созДания значительного числа принципиально различных, конкретных схемных реализаций ступенчато- мостового тина., с емкостными накопителями. Поставленная цель достигается тем, что в ступенчато-мостовом вентильном преобразователе переменных напряжений в постоянное, содержащем мостовые вентильные преобразователи с нечетным чис лом источников преобразуемых ЭДС в каждой из ступеней, соединенных между собой последовательно разнополярными выходами, к свободным из которых подключена нагрузка, источники преобразуемь1х ЭДС в каждой i -и ступени соединены в Di лучевую звезду, а между обшей, ее точкой и одним выходом данной ступени и между этой точкой и другим выходом той же ступени дополнительно подклю51ень1 электростатические элементы, где i 1, i;( - целое, а О/ 3,1))(| - целое нечетное поло1жительное число, дополнительное увеличение штательности и снижение, амплитуды токсдаых импульсов и источников преобразуемых ЭДС достигается тем, что каждый из этих источников подсоединен к средней точке зашунтированного дополнительным электростатическим, элементом дросселя, дополнительно включенного между вентильными плечами данной вен тильной ячейки % -вентильного моста, кроме одной вентильной ячейки. Кроме того, с целью дополнительного улучшения режимно-энергетических покат- , зателей, в каждую линию, соединяющую источник преобразуемых ЭДС с соответствующей вентильной ячейкой, включен дополнительный (дозирующий) электростатический элемент, допускающий смену полярности напряжения t нем. В частности источники преобразуемых ЭДС и дозирующие электростатические элементы выполнены в виде трансформатора с конденсаторными обмотками. Вместе с тем, с целью дополнительного снижения нагфяжения на вторичных обмотках неуправляемых и (или) управляемых трансформаторов, каждая )( -я обмотка i -иступени разделена на j PI секций и на . их основе преобразованы дополнительные последовательно соединенные мостовые ступени упса1янутой структуры с числом лучей преобразуемых ЭДС в И -и ступени, где Dij 1, J Pi - целое положительное число, включая нуль При этом преобразуемые ЭДС могут быть сфор пфованы на обмотках неуправляемых и (или) управляемых трансфо маторов, выполненвых на пространстве ньгх магнитопроводах. На фиг. 1 изображена общая структурная схема устройства; на фвг. 2 а, б, в - гфинципиальная электрическая схема конкретной его реализации при числе I Р( И соединении источниступенейков преобразуемых ЭДС в каждой ступени в трехлучевую ( Pxi je 3) звезду при формировании этих ЭДС непосредственно на трех неразделенных (фиг. 2 а) или раздепейных на части и соединенных, например, в зигзаг (фиг. 2 в) обмотках 1ФИ наличии, либо отсутствии в них дозирующих ковценсаторов. Ступенчато-мостовой вентильный преобразователь (-фиг. 1) с подключенной к его выходам 1 и 2 нагрузкой 3, зашунтированной или незашунтированной электростатцческим, элементом 4, содержит ступеней 5 и б с первой 5 j( -ю 6 ступень, которые соединены между собой разнополярными выходами 7 и 8 и содержат каждая мостовойвентильный преобразователь 9, в котором источники 10 преобразуемых ЭДС при их нечетном числе )х{ соединень в pjjj -лучевую звезду 11, между обшей точкой 12 которой и выходами 7 и 13 МОСТОВОГО вентильного преобразователя 9 подключены дополнительные электростатичесжие элементы, например конденсаторы 14 и 15, а свободный выход 13 первой 5 и свободный выход 16 последней ступени являются выходами 1 и 2 устройства. .Устройство работает следующим образом. При отсутствии электростатических элементов 14 и 15 на нагрузке 3 формируется напряжение Цц , рэавное. векторной сумме диагональных (при трехлучевой звезде - линейных) ЭДС 3 всех I X ступеней 5 и 6 iX - Uo S I(1) При наличии дополнительно подкпюче ных электростатических элементов 14 и 15 на выходе 7 мостового вентильного преобразователя 9 формируется напряжение UDJ , равное примерно удвоенному значению амплитуды S of источников 10 преобразуемых ЭДС. ио1-г5ш(2 Удвоенное напряжение по (2) обуслов лено тем, что каждый электростатический элемент 14 и 15 через соответстве но анодную и катодную вентильные груп- пы моста заряжаются примерно до амплитудного значения So . , Тогда напряжение U о на выходах 1 и2 предлагаемого устройства равно ио-1иы(3) . . Так как амплитуда Э CSQI диагональной ЭДС данного i -го вентильного моста всегда меньше удвоенного значения 2 5ai амплитуду S фазной ЭДС, то напряжение Uo по (3), обеспечиваемое предлагаемым устройством, всег да больше напряжения UQ по (), создаваемого известным устройством. Таким образом, при одинаковой с известным устройстве амплитуде SQ фаз ных или амплитуде ,$ aqt диагональ 1ых ЭДС и одинаковом числе х ступеней предлагаемое устройство обеспечивает по отношению.к известному увеличение выходного напряжения в А Uo /Up раз. Соответственно, при одинаковом с известным устройством значении выхоаного напряжения Uo амплитуоа S. преобразуемых ЭДС в предлагаемом устройстве может быть уменьшена, а же уменьшена пропорциональная этой амплитуде Sq амплитуда Ua oSp. обратного напряжения на вентилях, При этом, кратность П частоты пуль«чсации переменной составляющей выходного напряжения и сравнительно низкий ее уровень сохранены в предлагаемом устройстве по отношению к известному и, следовательно, сохранены присущие известному устройству его важные достоинства . Так как период огибающей выходного напряжения каждой ступени больше периода огибающей напряжения на выходе устройства, то интервал отдачи энергии или разряда дополнительного электростатичеокого элемента увеличен в предлагаемом стройстве по отношению -к известному и, следовательно, увеличены интервал заряда этого элемента и длительность токовых импульсов, вентилей и-источников преобразуемых ЭДС, а амплитуда этих импульсов снижена. Снижение амплитудных значений обратного напряжения и импульсов токов вентидей и источников преобразуемых ЭДС, а также расширение длительности этих импульсов позволяет использовать менее высоковольтные и менее мощные вентили и/или меньшее их число при послеаовательиом соединении и менее высоковольтные обмотки трансформаторов при лучшем их использовании, что снижает МГСД трансформаторного и вентильного блоков и всего устройства в целом. Кошфетные числовые данные по достижению положительных качеств и физическую сущность процессов удобно проиллюстрировать на примере частной реалиА зации предлагаемого устройства (фиг. 2 в б, в). На фиг. 2 приведены принципиальная электрическая схема четырехступенчатого . мостового вентильного преобразователя при соединении источников преобразуемых ЭДС в трехлучевую звезду в каждой моо товой ступени, образованных с необход мым сдвигом фаз путем соответствующего соединения обмоток четырех трехфазных или двенадцати однофазных тpaнcфopмaтof ров (фиг. 2 а) и соответствующие ступевям-и выходному напряжению векторные анаграммы (фиг. 2 б). Ступенчато-мостовой вентильный преобразователь (фиг. 2 а ) с подключенной к его выходам 1 и 2 нагрузКой 3, за1иунтиррваннЬй: или не зашунтированной электростатическим элементом, например конденсатором 4, содержит четыре мосто вые ступени 5, 6, 17 и 18, соедине ные-между собой последовательно разнополярными выходами 7, 8, 19-22 и содержащие каждая мостовые вентильные преобразователи 9, 23-25,, источники преобразуемых ЭДС которых, формируемые вторичными обмотками 26-29 тран форматоров 30-33, соединены в каждой ступени 5, 6, 17 и18 в трехлучевую звезду. Между общими (нулевыми) точками 12, 34-36 вторичных обмоток 2629 подключены дополнительные электростатические элементы, например конценсаторы 14, 15, 37-42 (нулевые ко денсаторы), а свободные выходы 1-3 и 16 первой 5 и последней 6 мостовых ступеней являются выходами 1 и 2 уст ройства. Трансформаторы 30-33 обеспечивают фазовый сдвиг переменных ЭДС, формиру мых на вторичных обмотках26-29, на 15 ал. град, и, следовательно, 24-кратную частоту пульсации напряжения Uujj на нагрузке 3 (фиг. 26). При отсутствии нулевых конденсаторов 14, 15, 37-42 на выходах 7, 13 8, 16, 20, 19 21, 22 мостовых преобразователей 9, 23-25 формируются напряжения Ues , Uo2.a , Uozii . и амплитуда U aoi которых равна амплитуде Зол, линейных ЭДС, т. е. Uaoi Syj So, , где 5« амплитуда фазных ЭДС или напряжения на каждой из обмоток 26-29. При этом на выходах 1 и 2 устройства формируется напряжение U о5 с амплитудой и ООП равной, согласно ( 1 ), модулю векторной суммы сдвинутых по фазе линейных ЭДС мсзстовых ступеней 5, 6, 17, 18; . Uaon 6,645й Длительность Л импульсов тока вентилей и источников ЭДС зависит от обобщенной , лостоянной времени нагруз ки 3 и шунтирующего ее конденсатора 4 В предельном случае (т. е. щзи пренебрежении внутренними потерями) указанная длительность не прешлшает значения периода огибающей выходного дапряже- ния, т. е. 15 эл. град. Таким образом, через вентили и обмотки трансформаторов известного ус- ройства протекают узкие токовые импульсы, а их амплитуды.(броски тока) значительны. этом выходное напряжение сравнительно мало. При наличии дополнительных электростатических элементов период огибакхщей напря5кения на каждом из них составляет в пределе 360/3 120 эл. град. Это объясняется тем, что каждый нулевой конденсатор 14, 15, 37-42 подключен к соответствующей трехлучевой схеме, период огибающей выходного напряжения которой равен, как известно, . эл. град. Следовательно, длительность импульсов тока вентилей и источников преобразуемых ЭДС увеличена в предлагаемом устройстве по сраьнению с известным, в пределе (т. е. без учета потерь) она увеличена в 12О/15 8 раз, что улучшает использование вентилей и обмоток трансформаторов по времени их работы. При этом амплитудь токовых импульсов снижены. Так как любой из нулевых конденсаторов 14, 15, 37-42 заряжается пример но до амплитуды Sa фззных ЭДС, а каждой их паре 14, 15Г 37, 38: 39, 40; 41, 42 они соединены последовательно л согласно, то напряжение Uo , формируемое на любом из выходов 7, 13, 8, 16, 19, 20; 21, 22 мостовых преобразователей 9, 23-25, имеет амплитуду Uaoi, примерно равную удвоеннмду значению (1/во) 2 So) , что на О, больше предельного значения, обеспечиваемого бесконденсаторной ступенью известного устройства. Поскольку дополнительных электростатических элементов 14, 15, 37-42 соединены между собой разно- i полярно последовательно, то напряжение на выходах 2 и 3 устройства (фиг. 2 а) составляет -примерно 8л$о , что примерно . на 1,36 So больше, чем в известном устройстве. Напротив, при одинаковом выходном напряжении V амплитуда 6л фазных ЭДС (напряжение на каждой из Di -и вторичной обмотке 26-29 трансформаторов ЗО-ЗЗ) может быть уменьшена в предлагаемом устройстве (фнг. 2- а) по сравнению с известным и, cпeдoвaтeльнOi уменьшена амплитуда .i/o обратного напряжения на вентилях и улучшены МГСП уст5Ьойства в целом. Кроме того, последовательное включение электростатических элалентов 14, 15, 37-42 приводит к улучшению МГСП накопителя энергии по сравнению с одним электростатическим элементе 4, так как каждый из восьми таких элементов находится под напряжением в 8 раз меньшим, чем в известном ycivройстве. Уменьшение в 8 раз напряжения на дополнительных конденсаторах 14, 15, 37-42 приводит к резкому снижению пропорциональной квадрату этого напряжения электростатической энергии в них и, как следствие, к значительному ей жению их массы и объема, которые, как известно, связаны с этой энергией прямо пропорциональной зависимостью. Вместе с тем устройство (фиг. 2 а) обеспечивает, как и известное, ту же 24--кратную частоту пульсации выходного напряжения,, и, теМ самым, устройство (фиг. 2 а) сохраняет обусловленное этим важное достоинство сопоставляемого решения. Так как, кроме того, в устройстве (фиг.2 а) отсутствуют разнотипные соединения вторичных обмоток трансформаторов, оно обеспечивает необходимую симметрию формируемых ЭДС и внутренних сопротивлений (индуктивностей рассеяния, активных сопротивлений обмоток трансформаторов, вентилей и пр.) и тем самым не создает, либо сушественно снижает, по сравнению с известным устройством, уровень нежелательной низкочастотной модуляции выходного напряжения. Этим улучшается качество этого напряжения и качество преобразуемой (потребляемой) энергии, а также улучшаются МГСП выходных фильтров и/или средств стабилизации по сравнению с ;извест1О 1МИ ступенчатыми преобразователями, .содержащими разнотипные соединения., Предлагаемое устройство некритично также в отношении способа формирования преобразуемых ЭДС. Они могут быть сформированы в каждом луче звезды как непосредственно на неразделенных обмот ках трансформаторов, электрических машин (фиг. 2 а), так и путем соответствующего соединения их частей (фиг. 2 в). На фяг. 2 в изображена приншшиал ная электрическая схема четырехступе чатого вентильного преобразователя опи санной выше структуры, со держащегочетыре трехячейковые () вентильных оста и один шестифазный, например с естистержневым пространственным маг нитопроводом, либо шесть однофазных, либо два трехфазных трансформатора 43 44 при соединении каждой из двух первичных трехфазных обмоток 45 и 46 в неполный треугольник с соответствующим подключением их к трехфазной сети, а каждой из четырех вторичных трехфазных обмоток - в зигзаг. - Таким образом, по отношению к устройству (фг1г. 2 а) преобразователь (фиг. 2 в) требует разделения обмоток на части, их соответствующего соединения и изоляции, однако он содержит меньшее количество трансформаторов (стержней) и первичных обмоток, при одновременно более повышенном (равном единице) коэффициенте однотипности, а также сохранен: НИИ кратности частоты пульсации, равйой двадцати четырем. Это обеспечивает лучшую (близкую к идеальной) симметрию внутрен -т:х сопротивлений, практически полное устранение низкочастотной составляющей выходного напряжения и, кик следствие, достаточно высокую техно- погичность изготовления устройства в в целом. Предлагаемые преобразоватеп 1 несмотря на дополнительное подключение нулевых конденсаторов допускают также возможность секционирования вторичных обмоток и образования на их основе дополнительных ступеней с умножением напряжения на каждой из них, что приводит к дальнейшему снижению напряжения на каждой части высоковольтных обмоток (их секщгях), уменьшению размеров изоляционных промежутков и, вследствие этого, снижению МГСП устройства, однако кратность частоты пульсации выходного напряжения при этом не увеличивается.. Вариант четырехступенчатого преобразователя с одной первичной 47 и двумя фазосдвинутыми и просекциогафова ными вторичными 26 и 27 трехфазными обмотками, содержащими каждая соответственно по одной секции 28 и 29, выполненными на трех однофазных либо на одном трехфазном (например с трехстержневым пространственным магнито проводом) неуправляемом или управляемом трансформаторе 4.8, показан на той же фиг. 2 в, соответственно при исклк ченных первичных обмотках 45 и 46 и замене двух трансформаторов 43 и 44 на один трансформатор 48. 11 По сравнению с просекпионированным четыредступенчатым известным устройством, в котором каждбш из двух одних вторичных трехфазных обмотрк соединена в звезду, а каждая из двух других - 6 треугольник, общее число витков вто ричных обмотрк в устройстве (фиг. 2 в) 1фосекционированный вариант на 4, меньше при одинаковом выходном напря жении, где число витков одной обмотки пуча трехлучевой :;:звезды известного устройства. При этом благодаря полной однотипности обмоток в просекционированном варианте устройства (фиг. 2 в) обеспечена высокая симмет рия выходного напряжения, что также выгодно отличает -предлагаемый преобразователь от сопоставляемого известного с его принципиально присущей ему асим метрией. ДополНЕтельного расширения длительй ности и снижения амплитуды токовых импульсов вентилей и источников преобразуемых ЭДС 1МОЖНО достичь, если меж Ду вентильными плечами каждой вентиль ной ячейки данного ( -го вентильного моста, кроме одной, дополнительно подключить .зашунтированный дополнигель ным электростатическим элементом (наПример, конденсатором) дроссель, к сре ней точке которого подключить линшо . Дополнительный дроссель обеспечивае более раннее открытие и более позднее закрытие вентилей, а дополнительный электростатический элемент - циркуляцию энергии, накапливаемой в дросселе, а также улучшение качества потребляемой энергии. Дополнительного улучшения режимноэнергетических показателей устройства можно достичь, если в каждую линию ячеек преобразования включить дополнительный (дозирующий) электростатический элемент, например, конденсатор 49 (фиг. 2 в), допускающий смену полярности напряжения на нем. Такое включение позволяет без дополнительных потерь активной мощности улучшить качество потребляемой энергии и качество переходных Процессов за перераспределения (дозирования) накапливаемой в элементах энергии. Если в последнем случае источники. преобразуемых ЭДС выполнены в виде трансформатора или электрической машины, то возможно дополнительное улучшение МГСП устройства путем выполнения этих источников и дозирующих электро61статических элементов в виде элементов с совмещенными функциями трансформатора и конденсатора (типа транскон). При этом положительные свойства достигаются за счет совмещения функций двух элементов в одном, что также раощиряет функционально-конструктивные воз-( можности предлагаемого устройства. Таким образом, реализуется предла- гаемый ступенчато-мостовой вентильный преобразователь переменных напряжений в постоянное, в котором достигнуто улучшение ряда качественных и режимно-энергетических показателей при одновременной простоте схемно-технического решения. Форм у л а изобретения 1. Ступенчато-мостовой вентильный преобразователь переменных напряжений в постоянное, содержащий мостовые вентильные преобразователи с нечетным источников преобразуемых ЭДС в каждой из ступеней, соединенных между собой последовательно разнополярными выходами, к свободным из которых подключена нагрузка, отличающий т&л, что, с целью улучшения режимно-энергетических и качественных показателей, источники преобразуемых ЭДС в каждой i и ступени соединены в )| -лучевую звезду, а между общей ее точкой и одникЗГ выходом данной ступени и между этой точкой и другим выходом той же ступени дополнительно подключены электростатические элементы, где 1 1, (jj - целое, а |),,pjjJ - целое нечетное положительное число. 2.Преобразователь по п. 1 отличающийся тем, что, с целью дополнительного увеличения длительности и снижения амплитуды токовых импульсов и источников преобразуемых ЭДС, каждый из этих источников подсоединен к средней.точке зашунтированного дополнительным электростатическим элементом дросселя, дополнительно включенного между вентильнь}ми плечами данной вентильной ячейки Pi -вентильного моста, кроме одной вентильной ячейки. 3.Преобразователь по. п. 1, о т л и чающийся тем, что, с целью дополнительного улучшения режимно-энергетических показателей, в каждую линию, соединяющую источник преобразуемых ЭДС с соответствующей вентильной ячей- . кой, включен дополнительный аозкруюший электростатический элетлент, допускающий смену полярности напряжения на нем. 4,Преобразователь по пп. 1 и 3, отличающийся тем, что источ- шаки преобразуемых ЭДС и аозируюише электростатические элементы вьшопнекы в виде трансформатора с конденсаторными охотками. 5.Преобразователь ло п. 1, о т л и чающийся тем, что, с целью дополнмтельвога снижения напряжения йа вторичных обмотках неуправляемых и (или) управляемых трансформаторов, каждая Di -я обмотка V -и ступени разделена на yjjj секций и на их основе образованы дополнительные последовательно соединенные мостовые ступёйи 91 1 упомянутой структуры с числом ОI уЯУ чей преобразуемых ЭДС в и -t ст пени, где Ру l,Jj)j - целое полож тельное число, включая нуль. 6. Преобраздаатель по пп. 1 и 5 отличающийся тем, tro пре образуемые ЭДС сформирована на обмот ках неуправляемых и (ЕЛИ) управляемых трансформаторов, выпрлнеиных на простраа ственных магнитопроводах.. Источники ии4юр |Ш ШИ, принятые во внимание lOtse. экспертизе 1.Авторское свиаетельствр СССР № 57985, кл. Н О2 М 7/Об, 1940. 2.Белрпольский И.И. и др. Травэно« торные стабилизаторы на повышенные в высокие напряжения. М., Энергия, 1971, с. во.

8

W

Й/г./