Устройство для выравнивания токов Советский патент 1982 года по МПК H02M1/00 

(S УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫРАВНИВАНИЯ ТОКОВ

1, Изобретение относится к преобразо ательной технике и предназначено для выравнивания токов параллельных вентильных ветвей статических преоб разователей. Известны устройства выравнивания токов между параллельными вентильными ветвями, содержащие магнитопроводы и магнитосвязанные с их помощью обмотки С21и|ГЗ. Однако наличие в магнитопроводах этих делителей постоянной составляю щей магнитного потока не позволяет эффективнр использовать эти магнитопроводы. В результате, определяемые из условия выравнивания токов п раллельных Ёетвей массогабаритные показатели делителей су1це9твенны и также делители не находят .широкого применения. Известен делитель тока между параллельными ветвями, содержащий магнитосвязанные с помощью магнитопровода обмотки, включенные в эти параллельные ветви, и колебательный контур. При этом параметры элементов колебательного контура (индуктивность обмотки и емкость конденсатора) таковы, что частота его собственных колебаний знагчительно (более чем в два раза) превышает частоту напряжения сети, питающей преобразователь. Это приводит к тому, что колебания, развивающиеся в этом контуре на интервале непроводящего состояния вентильных ветвей,, полностью затуха-г ют к концу этого интервала, а материал магнитопровода полностью размагничивается, что повышает эффективность его использования. В результате увеличивается индуктивность обмоток, включенных в параллельные ветви, и, как следствие, улучшается выравнивание токов этих ветвей . Однако без увеличения массогабаритных показателей такого устройства, например за Счет сечения его магнитопровода, невозможно дальнейше улучшение выравнивания токов параллельных ветвей., Цель изобретения - улучшение выравнивания токов параллельных вентильных ветвей без увеличения массогабаритных показателей делителя тока Поставленная цель достигается тем, что в устройстве выравнивания токов между параллельными вентильными ветвями статического преобразователя, содер йа1цем магнитосвязанные с этими ветвями колебательные контуры, волйовоё сопротивление колебател ных контуров и их сопротивление выбирают, из сортношения Оi $0,34 волновое сопротивление ко:, где р лебательного контура. Ом; Z - сопротивление (мнимая часть сопротивления) колебательно го контура на частоте напря жения сети, питающей преобразователь. Ом. (положитель ное значение сопротивления означает его индуктивный характер) Степень выравнивания средних за период значений токов параллельных вентильных ветвей определяется величинами вольтсёкундных интегралов выравнивающих ЭДС на интервале проводя щего состояния ветвей, вводимых в эти ветви с помощью делителя тока. Причём, Мем больше величины этих интегралов, тем выше сТепень выравнивания токов ветвей. Принципиальное отличие предлагаемого делителя тока от известного заключается в том, что при значениях отношения волнового сопротивления колебательного контура к его сопротивлению на частоте напряжения сети, питающей преобразователь , лежащего в указанном диапазоне, напряжения на конденсаторах и токи намагничивания магнитопроводо делителя, в конце непроводящего интервала отличны от нуля (в известном делителе равны нулю) и имеют такие значения и знаки, при которых величины вольтсёкундных интегралов выравнивающих ЭДС, вводимых Ё параллельные ветви предлагаемым делителем, больше, чем известным (при равных их установленных мощностях, а значит, и массогабаритных показателях) , а следовательно, выше и степень выравнивания токов этих ветве На фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема индуктивного делителя тока для трех параллельных вентильных ветвей; на фиг. 2 г временные диаграммы ЭДС возмущения, появляющейся из-за неидентичности параметров параллельных ветвей, тока намагничивания магнитопровода, напряжения на конденсаторе, имеющие место при работе предлагаемого делителя тока с разными значениями отношения волнового сопротивления колебательного контура к его сопротивлению. Устройство (фиг. 1) содержит три магнитопровода 1 , обмотки 2 и 3 на каждом магнитопроводе; диод i и три конденсатора 5- Обмотки 2 включены в разные параллельные вентильные ветви. Диод it и все обмотки 3 соединены между собой последовательно, образуя замкнутый контур. При этом обмоТки 3 соединены между собой согласно, а полярность включения диода k такова, что он проводит ток одновременно с параллельными вентильными ветвями. Параллельно каждой обмотке 3 подключен один конденсатор 5- Индуктивность L обмотки 3 и емкость С конденсатора 5. образующих колебательный контур, выбраны такими, что выполняется соотношение ,3+, где р - волновое сопротивление колебательного контура. Ом (измеряется специальным прибором или рассчитывается при предварительно измеренных значениях индуктивности L и емкости С по выражению Р У17С1; Z - сопротивление (мнимая часть сопротивления) колебательного контура на частоте напряжения сети, питающей преобразователь. Ом (величина и характер его определяется относительно зажимов конденсатора 5 например, при помощи мосТа переменного тока с фазочувствительным индикатором) . На фиг. 2 кривая 6 изображает изменени е во времени ЭДС возмущения прикладываемую к параллельной ветви, и появляющиеся из-за неидентичности параметров элементов этих ветвей, например, вентилей, кривая 7 напряжения на конденсаторе 5 кривая 8 - тока намагничивания магнитопровода 1, Выравнивание токов параллельных ветвей делителем осуществляется как ив известном, путем введения в эти ветви на интервале их проводящего состояния выравнивающих ЭДС, равных по величине напряжениям на соот ветствующих конденсаторах 5 (кривая 7). Напряжение на конденсаторе в течение всего проводящего интервала имеет тот же знак, что и ЭДС возмущения (кривая 6) и, частично компенсируя её, способствует снижению небаланса тока этой ветви. Аналогичные процессы наблюда- ются во всех ветвях, что,, в конечном счете, приводит к улучшению токораспределения. Величина вольтсекундного интегра ла напряжения .конденсатора 5 на про водящем интервале в сильной степени зависит от величины и полярности этого напряжения, величины и напряжения тока намагничивания магнитопровода в конце непроводящего интервала (кривые 7 и 8). При полярности напряжения конденсатора 5 в конце непроводящего интервала аналогичной полярности ЭДС возмуще ния и направлении тока намагничивания магнитопровода 1, так что он стремится зарядить конденсатор до напряжения той же полярности, чт и ЭДС возмущения, создаются условия, когда вольтсекундный интеграл напряжения конденсатора 5 на Проводящем интервале, появляющийся за счет энергии, запасенной в реактивных элементах колебательного контура (обмотке 3, конденсаторе 5) началу этого интервала, будет отличен от нуля и иметь знак, аналогичный знаку вольтсекундного интеграла при нулевых значениях напряжения конденсатора 5 и тока намагничивания в конце непроводящего интер вала. . Энергия, запасенная в конденсато ре 5 к началу проводящего интервала (определяется величиной напряжения на конденсаторе и его емкостью) в течение этого интервала частично переходит в энергию магнитного поля обмотки 3 и частично рассеивается на активных сопротивлениях элементов, входящих в параллельную ветвь (вентилей,, предохранителей, шин), что сопровождается разрядом конден86сатора 5. При этом напряжение конденсатора 5 на приводящем интервале изменяется таким образом, что его во/1ьтсекундный интеграл на этом интервале (в практических случаях, когда Z ,00667 с , где 2 - суммарное активное сопротивление элементов вентильной ветви, С - емкость конденсатора 5) имеет знак, совпадающий с полярностью этого напряжения, и если их знаки совпадают с полярностью ЭДС возмущения, этот вольтсекундный интеграл и интеграл, соответствующий нулевым значениям напряжения конденсатора 5 и тока намагничивания, имеют один знак. Энергия, запасенная в обмотке 3 к .началу проводящего интервала (определяется величиной тока нама1- ничивания магнитопровода 1 и индуктивностью обмотки З) в течение этого интервала частично рассеивается на активных сопротивлениях элементов параллельной ветви и частично переходит в энергию электрического поля конденсатора 5 заряжая его. При этом напряжение конденсатора 5 на проводящем интервале изменяется так, что его вольтсекундный интеграл на этом интервале всегда одного знака, совпадающего с полярностью этого напряжения, и если полярности такого напряжения ,и ЭДС возмущения совпадают, этот вольтсекундный интеграл и интеграл, соответствующий нулевому значению напряжения конденсатора 5 и тока намагничивания, имеют один знак. .Таким образом, если в конце непроводящего интервала создать условия, когда напряжение на конденсаторе 5 и ЭДС возмущения имеют одинаковую полярность кривые 7 и 6), а направление тока намагничивания магнитопровода 1 таково р (кривая 8), что он стремится зарядить конденсатор 5 до напряжения той же полярности, вольтсекундные интегралы напряжения конденсатора 5 (на проводящем интервале), появляющиеся за счет энергии, запасенной соответственно в конденсаторе 5 и обмотке 3i будут иметь один знак, одинаковый со знаком интеграла, имеющего место в известном делителе (), при н.левых .значениях напряжения коненсатора 5 и тока намагничивания в конце Непроводящего интервала. Поэтому результирующий вольтсекундный 7 интеграл, равный сумме рассмотренны трех его, составляющих в предлагаемом делителе будет больше, а следовательно, и его эффективность по вы равниванию токов параллельных ветве будет выше, чем в известном делител В случае, когда слагаемые вольтсекундных напряжения конденсатора 5 на проводящем интервале, появляющиеся за счет энергии, запасенной в реактивных элементах колебательного контура в конце непроводящего интервала, имеют разные знаки, положител ный эффект будет, если их алгебраическая сумма имеет знак, аналогичный знаку интеграла при отсутствии энергии в обоих реактивных элементах контура в конце непроводящего интервала. .В конкретном преобразователе с заданным режимом работы на полярност напряжения конденсатора 5, направление токанамагничивания магнитопровода 1 И их величины оказывает влияние индуктивность L обмотки 3 и емкость С конденсатора 5, образующие колебательный контур делителя, а фак тически отношение частот свободных колебаний контура ио 1/УГС к частоте напряжения сетиЦ), питающей преобразователь, а также и емкость конденсатора 5- Это следует из того, что характер процессов, протекающих в колебательном контуре на непроводящем интервале, определяется всецело частотой свободных колеба ний, этого контура, а на проводящем интервале еще и емкость конденсатора 5 определяющей характер и степен рассеивания энергии контура на активных сопротивлениях элементов параллельной ветви. Введем параметры делителя, определяющие процессы на непроводящем и проводящем интервалах: .волновое сопротивление его колебательных конТУРОВИ )tивлeниe (мнимая часть сопротивления) цепи колебательного контура, состоящей из параллельйо соединенных обмотки 3 и конденсатора 5, 8 определяемого при частоте напряжения сети, питающей преобразователь. Характерно, что отношение этих сопротивлений однозначно определяется отношением частоти/ /и Действительно, Р .. и UJ Определим диапазон значений этого отношения, в котором делитель тока обладает большей эффективностью чем известный при его установке в трехфазных преобразователях и практически возможн ь1Х случаях (L7/ 5 г 210 0м; Т 2.10 С; град.эл.; р Т/2гС 1,25, где Т - период напряжения сети, питающей преобразователь, f - интервал коммутации вентилей). Для этого воспользуемся фиг. 3 и , на которых кривые 9 и 10 изображают изменение во времени ЭДС возмущения, кривые 11и 12 - напряженке на конденсаторе 5, кривые 13 и I - тока намагничивания магнитопровода 1. При этом кривые на фиг. 3 и Ц построены соответственно для минимального и максимального значений отношения р/2, определяющих соответственно нижнюю и верхнюю границу диапазона значений этого отношения, при котором еще существует положительный эффект. Определим соответствующие им отношения частот . При этом заметим, что кривые 11 и 12на непроводящем интервале имеют вид гармонических функций, изменяющихся в соответствии с процессами, происходящими в колебательном контуре, с угловой частотой и. Обозначим через t длительность непроводящего интервала. Тогда с одной стороны. 1-6с другой, из кривой 11 t TOH а из кривой 12 где 6 интервал проводящего состояния вентилйных ветвей при-5 0, С периоды свободных колебаний колебательных контуров, определяемые соответственно нижней и верхней границами их угловых частот , Приравнивая кривые части выражеНИЙЛ2) и (3) и (2) и () , получим y.,25 То„ Т-6-Г у(1+ хд+0,75 Tog Учитывая в этих уравнениях, что Т 23Г/и/, , Тоь 2ЛД«;о8 решаем порознь их относительно частного угловых частот и получим Из фиг 3 и 4 соответственно сле ет (кривые 11 и 12), что положитель ный эффект за счет увеличения вольт секундного интеграла достигается пр / (для упрощения ана лиза примем граничные значения этих параметров У1/То 1Л; У 0, что несколько сужает диапазон искомых значений отношения p/Z) Значения 0,0555 и (/1 0, соответственно максимальное и минимальное значения интервалов, которые расчитаны из условия равенства нулю алгебраической суммы воль секундных интегралов напряжения кон денсатора 5 на проводящем интервале появляющихся за счет энергии, запасенной соответственно в обмотке 3 и конденсаторе 5 к началу этого интервала. Расчеты отношений угловых частот по выражениям (5) и (6) при соответствующем трехфазным преобразователям, значении и соответственно значениях 6 ,1 11 и с последующим использованием их результатов при расчете граничных значений отношения p/Z по выражению (1) пбказали, что допустимые значения такого отношения сопротивлений лежат в диапа.зрне (Т), В известном же делителе имеет место неравенство 2и), после учета которого в выражении ( 1) получаем 1.5 . (8) Как следует из неравенства 7 и 8 области допустимых значений отношёния f/l предлагаемого и известного делителей не пересекаются, поэтому по значению этого отношения делители можно отличать.друг от друга. Использование предлагаемого делителя тока позволит при проектировании статических преобразователей большой мощности принимать меньшее значение коэффициента, учитывающего неравномерность распределения тока . по параллельным вентильным ветвям, не увеличивая при этом массогабаритные показатели делителя. Формула изобретения Устройство для выравнивания токов между параллельными вентильными ветвями статических преобразователей, содержащее магнитосвязанные с этими ветвями колебательные контуры, отличаю щ.,е е с я тем, что, с целью улучшения выравнивания токов без увеличения массогабаритных показателей делителя тока, волновое сопротивление колебательных контуров и их сопротивление выбрано из соотношения 0 ,3, где f - волновое сопротивление колебательного контура, Z - сопротивление (мнимая часть сопротивления) колебательного контура на частоте напряжения сети, питающей преобразователь. Источники информацищ, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент США N 3013200, кл. 321-27, заявл. 30.Об.59, опублик. 12.12.61, фиг. 9. 2.Быков Ю.М. и Шипилло В.П. Исследование индуктивных схем выравниг вания токов параллельно включенных вентилей.- Электричество, 1968, (Г 7, с. 67-72. 3.Патент Англии № 1079129 опубли(. 1967. i. Патент США № , кл. 321-27, опублик. 19б2.

я

л

Фм.1