Преобразователь переменных напряжений в постоянное Советский патент 1982 года по МПК H02M7/10 

(З) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ПОСТОЯННОЕ

t

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для преобразования электрической энергии во вторичных источниках электропитания, преимущественно для получения сравнительно высокого напряжения при наличии более низковольтных модулей.

Известны 1-, 2-, 3, т-лучевые вентильные преобразова/ели переменного напряжения в постоянное, содержащие m источников переменных ЭДС, сдвинутых по фазе на относительно друг друга; и вентили, образующие ш однолучевых выпрямителей, соединенных в параллель, каждый из которых состоит из последовательно соединенных одной из ЭДС и вентиля, причем последние имеют одинаковое направление включения во всех лучах, а к выходу преобразователя подключена нагрузка l,L2l и з.

Недостатками этих лучевых преобразователей являются сравнительно небольшая (не более 2,т длительность открытого состояния вентиля, ограничивающая коэффициент его использования во времени, невысокое (менее амплитуды Sg ЭДС) значение среднего напря чения Uf, на нагрузке при заданном значении , сравнительно большое значение амплитуды Sg, требующееся.для обеспечения заданно го значения UQ, и, как следствие, определенные технические трудности

10 при обеспечении надежной изоляции вторичных обмоток трансформатора в случае высоковольтной нагрузки, приводящие к увеличению его массо-габаритных и стоимостных показателей

ts (МГСП); получение низкого напряжения UQ и необходимость ограничения амплитуды SQ в случаях наличия вентилей с данной допустимой амплитудой LL „р обратного напряжения, как следствие,

30 необходимость использования последовательного соединения вентилей в каждом луче, приводящая к увеличению МГСП вентильного блока, особенно при необходимости установки теплоот водящих радиаторов; сравнительно высокие МГСП преобразователя в целом, обусловленные указанными выше факторами; а также невозможность получения от одного преобразователя разных по уровню напряжений для питания ряда нагрузок. Наиболее близким к изобретению яв ляется ступенчато-лучевой преобразо;Ватель, содержащий соединенные после довательно разнополярными выходами лучевые ступени, к свободным выходам которых подключена нагрузка Г Однако вследствие крайне скудного числа известных схемных структур сту пенчато-лучевого типа, содержащих к тому же одинаковое и равное двум или трем число лучей в каждой ступени, они обладают весьма ограниченными возможностями, в связи с чем указанные выше недостатки в целом сохраняю ся. . Цель изобретения - расширение функциональных возможностей, улучшение качественных, и режимно-энергетических показателей, а именно увеличение длительности открытого состояния вентилей, превышающей присущее для т-лучевых схем значение, равное при m 71 иТс при , снижение амплитуды фазных ЭДС и амплитуды обратного напряжения на вентилях, влияющих на их массо-габаритные, стоимостные и надежностные .показатели, повышение амплитудного и среднего значений напряжения нанагрузке без увеличения преобразуемого напряжения,уменьшение числа вентилей при их последовательном соединении, требующемся в случае необходимости надежного перекрытия возникающего i на вентильном плече обратного напряжения, возможность обеспечения питанием многоканальной нагрузки без при нятия специальных мер (дополнительны устройств) и, следовательно, без дополнительных потерь энергии, возможность построения более высоковольтны схем на основе сравнительно низковольтных схем лучевого типа, возможность построения любого количества конкретных схемных структур ступенчато-лучевого типа. Поставленная цель достигается тем что в преобразователе переменных нап жений в постоянное, содержащем m источников переменных ЭДС и вентили, образующие т-лучей, каждый из которых СОСТОИТ из последовательно соединенных одного из указанных источника ЭДС и вентиля, причем последние имеют одинаковое направление включения во всех лучах, объединенных в ступени, которые содержат параллельно включенные лучи и соединены между собой последовательно разнополярными выходами, а к свободным выходам первой и последней ступеней подключена нагрузка, все ступени объединены в группы, группы - в звенья соединенные между собой последовательно, при этом в каждую i/rio ступень включеноl)xf лучей, ix таких ступеней соединены в Л-ю группу с общим числом/ у групп в п-ном звене, каждое из которых содержит одинако- . вое число групп и-1)у, лучей так, что )..,.- общее число лучей: Л А ЛМ )чи S л)х, - ЧИСЛО лучей в п-м звене; ,SA)-,, число лучей в групi -.-i ng любого звена; :п число лучей в i-й ступени группы; vTl VI, ,1,-V целые положительные числа.. Кроме того, с целью снижения потерь мощности при обеспечении питания ряда нагрузок, последние подключены к выходам соответствующих ступеней как с одинаковым, так и с разными уровнями напря хения, с общей и/или разными потенциальными точками. При этом на источник переменных ЭДС не накладывается каких-либо ограничений в части способа формирования таких ЭДС. Они могут быть сформированы различным образом - непосредственно или комбинационно. В первом случае переменная ЭДС включается в луч непосредственно с выхода формирователя или генератора однофазного переменного напряжения или с данной обмотки преобразовательного трансформатора, с обмотки электрической машины. Во втором случае переменная ЭДС формируется путем комбинации сдвинутых по фазе непосредственных ЭДС и/или их частей, например, соединением основных обмоток и/или их частей (отводов) или дополнительных обмоток с обеспечением необходимого фазового сдвига для результирующей ЭДС по отношению к таким же ЭДС других лучей. Причем векторы одних и тех же основных обмоток и/или их частей могут участвовать в формировании разных фазосдвинутых векторов переменных ЭДС как данной, так и различных ступеней. На фиг, 1 изображена структурная схема устройства; на фиг. 2г6 - прин ципиальные электрические схемы простейших его реализаций при числе (фиг. 2,3), (фиг. i), (фиг. 5), (фиг. 6). Преобразователь- 1 (фиг. 1) с подключенной к его выходам 2 и 3 нагруз кой 4 содержит Пх- звеньев 5-6 от первого 5 по 6 звено, каждое из которых состоит из /t(x групп 7-8 от первой 7 по 8 группу с i ступенями 9-10 от первой 9 по ix/j 10 ступени в каждой группе 7-8 и с лучами 11, соединенными в параллель в каждой ступени 9-10, причем каждый- -и луч 12 содержит пос ледовательно соединенные одну из m ЭДС 13 и вентиль 14 при их одинаково со всеми остальными лучами 11 направ лением включения, а все образованные указанным способом ступени соединены между собой последовательно разнополярными выводами 15-20, и свободны выводы 21 и 22 являются выходами 2 и 3 .преобразователя 1.При этом общее число m лучей равно. ЧИСЛу П хУ ч где л)хи,Л число лучей в п-м звене; лг.-Oy-tl- S - . . число лучей в Х/-Й ф- группе любого п-го звена; yty,,)(,- соответственно число звеньев в преобразователе групп в п-м звене, ступеней в Д-й группе, лучей в i-й ступени й груп пы; п,п,,i, -V - целые положительные числа. Общее число равно 1ч x.ix/J ) Так как все ступени и нагрузка со динены между собой, последовательно, то при протекании тока через нагрузку хотя бы один из вентилей жаждой ступени открыт, и нагрузка оказывается под напряжением, равным геометрической сумме токообразующих ЭДС всех iy ступеней. Из числа Oy-ixiвенти лей и соответствующих им ЭДС-т -го луча i -и ступени ток проводит тот -,,-и, вентиль , ЭДС которого име ет в данный момент наиболее (относи тельно положительного направления) 9« значение по сравнению с остальными ЭДС данной ступении Поскольку эти остальные ЭДС -й ступени определяют в любой момент потенциал подключенных к ним электродов соответствующих вентилей, то, будучи в данный момент меньшими по значению, чем ЭДС открытого вентиля, они между катодами и анодами этих вентилей образуют с этой ЭДС положительную разность потенциалов, запирая их. Следовательно, при открытом одном из- у вентилей данной ступени остальныеVy -1 вентилей закрыты, и амплитуда Uofo напряжения U на нагрузке равна не арифметической сумме амплитуд i-x ЭДС , определяеМОИ как (1X UQO ,(2) (при амплитудно-фазовой симметЭДС, когда Sc( ) как Uao ixS а.ф а равна модулю /mod JQ/ вектора IL, равного векторной сумме iv ЭДС S-, „ проводящих в данный момент ток,или, иначе, сумме векторов этих i-x ЭДС всех i)c ступеней Й Un -. или, при синусоидальной форме ЭДС и Sqi So, Ох д-Vxo .UQP SQ , где ij-определяется из (1), a Щ , (2-6) очевидно, что UQO Ugp и при опреде ленных амплитудно-фазовых соотношениях ЭДСо амплитуда Кдоисегда больше 8о(уучиили, при S, всегда больше (равна) SQ. Таким образом последовательное соадиненио лучевых ступеней позволяет при определенных условиях увеличить напряжец е UQ на нагрузкев A Uao/Sci раз по отношению к амплитуде SQ ЭДС лучевых преобразователей, либо обеспечить в А раз меньшей амплитудбй одинаковую с прототипом амЛлитуду U--.. Соответствующим образом в преобразователе снижена амплитуда ид дрбратного напряжения на вентиле, определяющая его вентильнуюпрочность, что позволяет использовать значительно менее высоковольтные и, значит, с лучшими МГСП силовые вентили. При этом, длительность Xxj л открытого состояния -i -го вентиля, будучи при- 1 не менее связи с Оч-{д 1П всегда больше значения 79 , соответствующего известным mлучевым преобразователям, что по сравнению с последнимиулучшает испо зование вентилей в предлагаемом устройстве по времени их работы. Более того, в соответствии с уело вием проводимости вентилей (Uo 0) вентили некоторых ступеней, в том числе однолучевых, могут, согласно (4), быть открыты даже в тех случаях когда ЭДС данной ступени имеет отрицательное значение. Это приводит к дальнейшему увеличению длительности X -yj соответствующих вентилей, обеспечивая еще одно отличие решения от всех известных. Так как каждая степень устройства представляет собой один из известных преобразователей лучевого типа, то указанная возможность работы вентилей при отрицатель ных значениях ЭДС, и, соответственно, большая чем 2 IC/i).,,.J (в однолучевых ступенях - большая, чем 1Г, в том числе равная 21Г) длительностьх лоткрытого вентиля, является го состояния принципиально важной особенностью преобразователя, отличающей его от известных преобразователей лучевого и ступенчато-лучевого типов, что так же предопределяет более широкие функ циональные возможности устройства. Увеличение длительности открытого состояния вентилей в преобразователе наряду с уменьшением обратного напря жения на них улучшает использование устанавливаемых в устройство вентилей. Все это приводит к конечном итоге к улучшению массо-габаритных, стоимостных и надежностных показателей трансформаторов, вентилей, системы охлаждения (теплоотвода), всего устройства в целом. На фиг. 2 приведены принципиальные электрические схемы и соответствующие им векторные диаграммы трех(фиг. 2а).и Двух (фиг. 26) ступенчатых девятилучевых преобразователей, выполненных (фиг. 1) на одном трехфазном или трех однофазных трансформаторах при соблюдении следующих условий реализации: , ,, ,)(фиг.2а)и ,, V ly 2,-)yY 3, (фиг. 2П) или равноценных им условий: , , 3, 1хА(1, (фиг. 2а) и , , 1,V 5, л)2 6 (фиг. 26). 98 . Преобразователь 1 (фиг. 2aJ к выходам 2 и 3 которого подключена нагрузка k, содержит три ступени 23 i2k и 25 трехлучевых выпрямителей, соединенных между собой последовательно разнополярными выходами и с нагрузкой 4 свободными выходами 2 и 3, являющимися выходами преобразователя 1. В соответствии с приведенными (фиг. 2а) векторными диаграммами, ступени 24 и 25 обеспечивакзт по отношению к ступени 23 фазовый сдвиг ЭДС последовательно на 40 эл.град. за счет соединения основных и дополнительных частей обмоток в зигзаг. В результате на нагрузке формируется напряжение U(3, девять лучей векторной диаграммы которого, приведенных на фиг. 2а, расположены по отношению друг к другу под углом 40. Модуль вектора, определяющий амплитуду UOQ выходного напряжения Uo, согласно (5) равен 2,53 So, где SQI амплитуда любой из девяти ЭДС, Среднее значение UQ напряжения Up, определяемое как 0 )dV, (7) составляет 2,+85. На фиг. 26, с сохранением обозначений и типа трансформаторов (фиг.2а) показан двухступенчатый девятилучевой преобразователь, в котором шеетилучевая ступень 2Ц образована соединением трех основных и шести дополнительных частей обмоток, соединенных в зигзаг и обеспечивающих, в соответствии с приведенными на 5)иг. 26 векторными диаграммами, фазовый сдвиг ЭДС на120 эл. град, по отношению к противополярным векторам ЭДС ступени Преобразователь (фиг. 26) также составлен в соответствии со структурой (фиг. 1) и число m его лучей определяется из выражения, общего для любых несимметричных однозвенных схем, как х х :j.,.v/. W Для симметричных схем, в том числе для устройства (фиг. 2а)( содержаих ij( ступеней по -ijj лучей в каждой из них, число m равно m )х Если группа содержит if cryпеней с одинаковым внутри группы числом -,ей/х- УЧбй каждой cryheни, то число определяется как - iJ/XX.40//0) В соответствии с изложенным под схемами (фиг. 2а, б) указаны необходимые данные по условиям схемной реализации структуры (фиг. 1} определению числа m согласно выражениям (9 и 10) и значения Uao, гЙ согласно выражениям (5 и 7). На фиг. 3 приведены принципиальная электрическая схема формирования девяти ЭДС, основанная на использовании одного девятифазного (пространственного), либо трех трехфазных или девяти однофазных трансформаторов (фиг. За), векторные диаграммы (фиг. 36) и варианты принципиальных электрических схем трех- (фиг. Зв) двухт(фиг. Зг) и четырехг(фиг. Зд) ступенчатых девятилучевых преобразователей, реализованных согласно общей структурной схеме (фиг. 1)и в соответствии с условиями реализации, приведенными на фиг. Зв, г, д. Аналогичным образом реализуются другие типы ступенчато-лучевых вентильных преобразователей, некоторые принципиальные электрические схемы формирования ЭДС которых, векторные диаграммы и принципиальные электриче кие схемы ряда простейших их вариантов показаны на фиг. ,5,6 с сохранением общей картины их изображения, принятой на фиг. 3, и присущего им общего свойства, обеспечивающего построение сравнительно высоковольтных преобразователей путем набора их из более низковольтных унифицированн модулей. Последнее также характеризует рас ширение функционально-конструктивных возможностей решения по сравнению с известными. Кроме того, преобразователь позволяет без принятия специальных мер, |И, следовательно, без дополнительных устройств и потерь мощности в них, обеспечить питанием значительное число нагрузок, причем как с одинаковым, так и разными уровнями напряжени с общей или разными потенциальными точ ками .Используемые при этом вентили могут быть как неуправляемыми, так и управляемыми, а последние - как симметрично управляемыми (в последовате льности следующих друг за другом ЭДС так и управляемыми в любой комбина 92355 9 ционной последовательности, например, с помощью микропроцессорной системы управления. Таким образом, реализуется ступенчато-лучевой вентильный преобразователь переменных напряжений в постоянное , в котором расширены функциональные возможности и достигнуто улучшение ряда качественных и режимно-энергэтических показателей при одновременнои простоте схемно-те(нического решения. Фор|чула изобретения 1. Преобразователь переменных напряжений в постоянное,содержиттисточников переменных ЭДСи вентили,образующие m лучей, каждый из которых состоит из последовательно соединенных одного из указанных источника ЭДС и вентиля, причем последние имеют одинаковое напряжение включения во всех лучах,об,ъединенных в ступени,которые содержат параллельно включенные лучи и соединены между собой последовательно разнополярными выходами,а к свободным выходам первой и последней ступеней подключена нагрузка, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, улучшения качественных и режимноэнергетических показателей, все ступени объединены в группы, группы в звенья, соединенные между собой последовательно, при этом в каждую ступень включеноЛ л лучей,iy таких ступеней соединено в /J-ю группу с общим числом групп в п-ом, звене, каждое из которых содержит одинаковое число групп и1)у,лучейтак, что - общее число лучей; ЛА число лучей в п-ном JI /t м звене; v S x-iUr число лучей в -ой группе любого звена; - число лучей в 1-ой ступени ДДОЙ группы, m,n,l,i,, - целые положительные числа. 2. .Преобразователь по п. 1, о т личающийся тем, что, с целью снижения потерь мощности при обеспечении питания ряда нагрузок, последние подключены к выходам соответствующих ступеней как с одинаковым, так и с разными уровнями напряжения, с

n

и-или разными потенциальными точками.

Источники информации, примятые во внимание при экспертизе

-Jle

15

-cz

928569

1Z

k. Патент СССР № 777, кл. Н 02 М 7/10, 1925.

щ и

ш

Т/Т--J 18

FL-

2Т

Фиг.1

Й ,

,y;, J,

afl ,o,

/ .z.J

, ,Цг л

,

|Д,А./, чДиАш/, Л.

Я nfi fvn rvn- rvn rrn

7-т

.

V

s.

/m tz , х хГ-г.

I/O/ J.86$e , (,625a

m .j f2

.y.-j;

(Уо ,a

w ,

«V-Ji/i--, г.,

Уо 2.75„

, //, , t,,,,

t AU--2yxtr

ffi

-CIZl--

,

.hrZ,