Ступенчатый преобразователь переменных напряжений в постоянное Советский патент 1982 года по МПК H02M7/06 

.1

Изобретение относится к электротехнике и может быт использовано как средство преобразования электри ческой энергии во вторичных источниках электропитания.

Известны 1,2,,..,т-лучевые вентильные преобразователи переменных напряжений в постоянное с последующей фильтрацией его переменной составляющей содержащие m источников переменных ЭДС, сдвинутых по фазе на ЗбО/т эл.град, относительно друг друга и неуправляемые или управляемые преобразовательные элементы, например, вентилиj образующие совместно с указанными ЭДС и линиями соединения m однолучевых ячеек преобразования, соединенных между собой в параллель. Причем ЭДС и вентили имеют одинаковое направление включения по всех лучах, а к выходу преобразователя через сглаживающий фильтр, например электростатический .

элемент, подключена нагрузка 11 и 2..

Известны также 1,2,,..т-фазные мостовые преобразователи переменных напряжений в постоянное с последукмцей фильтрацией переменной составляющей, содержащие m источников преобразуемых ЭДС, сдвинутых по фазе на 36d/m эл.град. относи д тельно друг друга, неуправляемые

и/или управляемые преобразовательные элементы (вентили), образующие 2, 3,...Л вентильных ячеек из соединенных последовательно согласно двух

,5 вентильны)( плеч в каждой из них, и Л линий, каждая из которых соединяет соответствующий выход источников ЭДС с внутренней точкой соединения вентильных плеч одной из Л

20 вентильных ячеек. Причем ЭДС и вентили имеют одинаковое направление включения во всех источниках ЭДС и вентильных ячейках и совместно с соответствующими Линиями образуют Т-об разные ячейки преобразования. Вентильные ячейки соединены при этом параллельно между собой и образуют Л-ячейковый вентильный мост, к выходу которого через сглаживающий фильтр подключена нагрузка. Преобразуемые ЭДС в этих устройствах, фор мируются как непосредственно на неразделенных обмотках трансформатора, электрических машин,так и путем соответствующего соединения их отдельных частей. При амплитудно-фа .зовой симметрии токообразующих ЭДС указанные соединения ячеек преобразования обеспечивают П-кратное увеличение частоты ff, пульсации выходного напряжения UQ по отношению к частоте f преобразуемых ЭДС и резкое снижение коэффициента пульсации Kn aUo/V с ростом т, Л, где лОо уровень или полный размах мгновенно го значения выходного напряжения UQ от минимума до максимума, VQ бго среднее значение. Дальнейшее эффективное подавлени пульсации обеспечивается сгла н 1вающими фильтрами, что в совокупности с уменьшением ее уровня трансформат но-вентильным путем является важным достоинством указанных преобразователей 3. Недостатками таких устройств являются относительно низкие качестве ные и режимно-энергетические показа тели и ограниченные функциональные конструктивно-технологические возмо ности При необходимости, обеспечения питанием сравнительно высоковольтной нагрузки. Наиболее близким к предлагаемому является преобразователь переменных напряжений в постоянное с последующей фильтрацией его переменной составляющей, содержащий N ячеек преобразования, выполненных каждая из последовательно соединенных источни ка ЭДС, линии и вентильной ячейки, распределенных по ступеням и включенных параллел-ьно однонаправленно в каждой из них, причем один выход одной из ступеней подключен к одном из входов сглаживающего фильтра, принятых за исходные, однополярный с этим входом выход которого соединен с нагрузкой . Этот преобразователь частично устраняет минусы лучевых и мостовых (одноступенчатых) схем, однако всл ствие малого числа конкретных схемных реализаций ступенчатого типа, содержащих к тому же одинаковое и ограниченное число ячеек преобразования в каждой ступени при небольшом . (равном двум - четырем) общем числе ступеней , он обладает ограниченными возможностями. Кроме того, подключение сглаживающего фильтра непосредственно на выходе устройства приводит к относительно плохим его массо-габаритным и стоимостным показателям (МГСП), что обусловлено, в частности, необходимостью выбора электростатических элементов (например конденсаторов) не только на полное (номинальное) высокое напряжение нагрузки, но и с соответствующим по пульсациям и перехбдным процессам (броскам напряжения) запасом. Это устройство обеспечивает питанием одну нагрузку, в то время как в ряде случаев их имеется несколько. В связи с этим, в сглаживающий фильтр включают дополнительные фильтрующие звенья с электростатическими элементами в поперечных и электромагнитными элементами, либо резисторами вместо них в продольных ветвях каждого звена фильтра. Последнее приводит, однако, к увеличению массы и объема электростатических элементов (конденсаторов) , обусловленных высоким напряжением на каждом из них, влиянию каждой нагрузки одновременно на все источники npeo6pa3yeNfcix ЭДС и друг на друга ввиду непосредственной их гальванической связи; снижению КПД устройства вследствие дополнительных потерь активной мощности, рассеиваемой в балластных резисторах; ухудшению качественных и режимноэнергетических показателей устройства в целом. Кроме того, при большой постоянной времени электростатического элемента, устанавливаемого в таких устройствах в первую поперечную ветвь сглаживающих фильтров, в схемах формируются узкие токовые импульсы (броски тока) значительной амплитуды, что также снижает надежность и коэффициенты использования вентилей и источников ЭДС (трансформаторов) высоковольтных преобразователей, приводя к дополнительному ухудшению их МГСП . 5 Цепь изобретения - расширение ко структивно-технологических аозмож.ностей и улучшение качественных и режимно-энергетических показателей, В том числе снижение массы, объема, стоимости, повышение надежности, . обеспечение питанием многоканальной нагрузки с одинаковым или/и разными уровнями напряжения без существенных дополнительных потерь активн мощности и, следовательно, без заметного снижения КПД; возможность модульного построения сравнительно высоковольтных устройств путем набора их из более простых (унифицированных) и более низковольтных (ме нее мощных) полупроводниковых моду лей возможность построения практически неограниченного количества пр ципиально различных конкретных схем ных реализаций устройства, содержащих сглаживающие фильтры различны типов. Эта цель достигается тем, что в ступенчатом преобразователе перемен ных напряжений в постоянное с последующей фильтрацией его переменно составляющей, содержащем N ячеек пр образования, выполненных каждая из последовательно соединённых источни ка ЭДС, линии и вентильной ячейки, распределенных по ступеням и включенных параллельно однонаправленно в каждой из них, один выход одной из -ступеней подключен к одному из входов сглаживающего фильтра, приня того за исходный, однополярный с эт входом, выход которого соединен с нагрузкой, указанные ступени распре делены по группам и звеньям, каждое п-е звено из общего их числа п соIдержит/W.X групп с ixjtt ступенями в I каждой ju-й группе и с , ячейками преобразования в каждой 1/и,-й ступени, другой вход исходного сглаживающего фильтра соединен с однополярным с ним 1ходом исходной ступени или группы, к остальным 1/(-м ступе;ням или их группам подключены дополнительно введенные сглаживающие филь тры, образующие совместно с соответствующими им ступенями или группами преобразовательно-фильтровые стру ктуры, которые соединены между собой последовательно разнополярными или/и параллельно однополярными выходами, а к свободному из них подключена другим своим выходом нагрузка, при этом общее число ячеек преобразова7«ния и число звеньев связаны между собой соотношением: , где -число ячеек преобразоX -7 л вания в М-м звене. число ячеек преобразоV 11,у.Хвзния в//-й группе лю1Д: звена, / число ячеек преобразо вания в L-й ступени /АИ группы, W п (/ л) - целые полижительные П . ч 1 числа. Кроме того, в разные i/x-e ступени включены разнотипные ячейки преобразования. С целью дополнительного расшире ния длительности и снижения амплитуды токовых импульсов мостовых ступеней с электростатическим элементом в первой поперечной ветви их сглаживающего фильтра, между вентильными плечами каждой вентильной ячейки данной мостовой ступени с электростатическим элементом в первой поперечной ветви ее сглаживающего фильтра подключен 3ашунтированный дополнительным электростатическим элементом дополнительный электромагнитный элемент, к средней точке которого подключена линия. Электромагнитные элементы выполнень( в виде линейных дросселей или трансформаторов, магнитно связанных либо не связанных между собой и/или между звеньями сглаживающих фильтров разных ступеней, С целью дополнительного улучшения качественных показателей, хотя бы одно из звеньев сглаживающих фильтров, содержащих электромагнитный и смежный с ним электростатический элементы, выполнены в виде элемента с совмещенными функциями- индуктивности и конденсатора (индукона). С целью дополнительного улучшения режимно-энергетических показателей в каждую линию ячеек преобразования мостовых ступеней включен дополнительный дозирующий электроcтatичecкий элемент, например, конденсатор , допускающий смену полярности напряжения на нем, С целью дополнительного улучшения качественных показателей источники переменных ЭДС и дозирующие электростатические элементы выполне ны в виде элемента с совмещенными функциями трансформатора и конденсатора (транскона). С целью дополнительного снижения амплитуды ЭДС и массо-габаритных показателей,фильтровых конденсаторов, каждая из V ЭДС ячеек преобразования или их часть разделены на j секций (j.0,1 ,2,...) и на их основе образованы дополнитель ные преобразовательно-фильтровые структуры, включенные своими выходами последовательно разнополярно или/и параллельно однополярно между собой и с основными преобразовательно-фильтровыми структурами. С целью дополнительного упрощения и повышения КПД при обеспечении питанием многоканальной нагрузки различные каналы многоканальной нагрузки подключены к выходам соответствующих преобразовательно-фильтровых структур с одинаковыми или/и разными уровнями напряжения с общей или/и разными потенциальными точками На фиг, 1 изображена общая «структурная схема преобразователя; на фиг. 2а и 3 эквивалентные электрические схемы ряда простейших его реализаций} на фиг. 26 - соответствующие схеме фиг. 2а осциллограмма, иллюстрирующие формы преобразуемых ЭДС, выходного напряжения и напряжения на сглаживаодих фильтрах устройства и аналога; на фиг. +-6 ряд конкретных принципиальных электрических схем ступенчато-лучевого (фиг. la-n), ступенчато-мостового (фиг. ) и ступенчато-комбинированного (фиг. ба-в) типов с различными сглаживающими фильтрами и способами их включения, а также при наличии или отсутствии дозирующих конденсаторов, последовательном либо частично параллельном соединении ги чс11,1К1чпи FiaudJiJicji опип oucuKincnnn - J. „ преобразовательно-фильтровых структур с магнитно не связанными либо св занными между собой электромагнитными элементами и включенными в вентильные ячейки дополнительными электромагнитными элементами, защунтиро ванными дополнительными конденсато . Преобразователь 1 с подключенной к его выходам 2 и 3 нагрузкой содержит , n звеньев 5 и 6 от первого 5 по п,-е 6 звено, каждое из которых состоит из/ ,/ групп 7 и 8 от первой 7 8 группу с / 9 78 л/л ступенями 9 и 10 от первой 9 по 10 ступень в каждой группе 7 и 8 и с V; 1 ,Vxi ячейками 11 преобразования в каждой ступени 9 и 10. Ячейки П преобразования содержат источники 12 преобразуемых ЭДС, соединенные через линии 13 с вентильными ячейками 1, выходы 15 и 16 которых являются выходами 17 и 18 исходной ступени 9, и к ним подключен исходный сглаживающий фильтр 19, К выходам 20-25 остальных ступеней или групп преобразователя 1 подключены дополнительные сглаживающие фильтры 26-30, которые совместно с соответствущими им ступенями или группами образуют преобразовательно-фильтровые структуры (ПФС), соединенные между собой последовательно разнополярными или параллельно однополярными выходами , свободные выходы 37 и и 38 которых являются выходами 2 и 3 преобразователя 1. При этом общее число N ячеек преобразования и число Пх звеньев связаны между собой соотношением:число ячеек преобразогде Vv-ZI V X -3;. Х/ХВания в п-звене, х/х.-число ячеек преобразоваУу , . ния в /и.-й группе любого f звена, ,- число ячеек, преобразования в i -и ступени уи-й группы, N п Lt V целые положительные числа. Устройство работает следующим обоазом. Пусть на выходе сглаживающего фильтра1 --й ступени формируется напря..,, сf-t - - жение и/ч,,,. равное амплитуде b-,..,-npe,о/u „, ., ,.r- TVn образуемых ЭДС. Тогда из фиг. 1 следует, что по отношению к известному одноступенчатому устройству напряжение UQ на нагрузке k. преобразовате. Я 1 увеличено в Дг Пу 1 i раз при yus-f одинаковых с аналогом/значениях амплитуды Siy фазных или амплитуды S. диагональных ЭДС. Соответственно во столько же раз может быть уменьшена амплитуда S (д}В преобразователе 1 (фиг. 1) по сравнению с сопоставля- емым решением, если требуется обеспеЭ. чить одинаковое для них напряженйе UQ . Так как амплитуда Ua об обратного напряжения на вентилях, определяющая их вентильную прочность, связана непосредственно с амплитудой SQ/ преобразуемых ЭДС, то уменьшение в А раз амплитуды Зд/дув предлагаемо преобразователе приводит к резкому снижению амплитуды Ucj.Q5 Рзвнению с указанным решением и, следова тельно, к соответствующему уменьшению числа вентилей в случае последовательного их соединения в каждом вентильном плече. Снижение амплитуды в устройстве позволяет использовать менее высоковольтные и, значит, с луч шими МГСП силовые вецтили, а уменьшение амплитуды $д(д)упрощает решение проблем, связанных с обеспечением надежной изоляции высоковольтных обмоток трансформаторов. Так как число вентильных плеч и источников преобразуемых ЭДС в устройстве сохраняется по отношению к сопоставляемому решени, то использование менее высоковольтных обмоток трансформаторов, а также меньшего числа вентилей (в случае их по следовательного соединения) или с лучшими их МГСП (при одинаковом с аналогом числе) повышает надежность и снижает массу и объем вентильного и трансформаторного блоков. Несмотря на увеличение числа сгл жйвающих фильтров, на МГСП которых влияют в Основном электростатически элементь (конденсаторы), их МГСП в целом также снижены по сравнежю с известным преобразователем, так как при одинаковом с ним напряжении UQ напряжение на каждом электростатическом элементе, включенном в поперечные ветви фильтров, уменьшено в А раз и соответственно в А раз/ уменьшена пропорциональная квадрату этого напряжения электростатическая энергия в каждом из них, определяющая, как известно, их мас.йу и объем. При этом, указанные свойства достигаются без ухудшения режимов работы и без увеличения количества яч ек преобразования, и, следовательно без дополнительного включения новых из них и новых вспомогательных устройств, обеспечивающих нормальное р жимное состояние элементов. 7 Кроме того, устройство позволяет без принятия специальных мер (например, без включения балластных резисторов) обеспечить питанием значительное число нагрузок путем подключения их к разным ступеням или группам с.фильтрами, причем как с одинаковыми, так и разными уровнями напряжения, с общей или/и разными потенциальными точками. Таким образом, по сравнению с известными преобразователями реализация предлагаемого устройства позволяет улучшить ряд качественных и режимноэнергетических показателей и расширить функциональные возможности при одновременной простоте схемно-технического решения. На фиг. 2а дана простейшая эквивалентная схема двухступенчатого преобразователя с емкостными сглаживающими фильтрами, выполненная согласно фиг, 1 при соблюдении следующих условий реализации: , ,, ,У5 1 , или равноценных им условий: , ,, ix 1..1. При этом N:n;(,л)х 1 + N, п,, i, л/ - целые положительные числа. Преобразователь 39 (фиг, 2а), к выходам 0 и А1 которого подключена нагрузка 2, содержит две ступени и однолучевых ячеек преобразования , зашунтированных каждая конденсаторами iS и 6, которые совместно со ступенями iB и 44 образуют ПФС, соединенные между собой последовательно разнополярными выходами 47 и 48, а их свободные выходы 49 и 50 являются выходами 40 и 41 преобразователя 39. Сущность процессов в преобразовав теле 39 (фиг, 2а) иллюстрируют осциллограммы (фиг, 26), на которых ндексы напряжений соответствуют позиционным обозначениям элементов (фиг, 2а) за исключением обозначений Цц, Ца, относящихся соответственно к среднему и мгновенному значениям напряжения на нагрузке даухлучевого одноступенчатого аналога. Из фиг, 26 видно,, что напряжение нагрузке 42 устройства (фиг, 2а) примерно в два раза больше напряжения (аиапога при одинаковой амплитуде So преобразуемых ЭДС в них. Соответственно эта амплитуда S(3 может быть установлена в устройстве (фиг, 2а) в 2 раза меньшей, чем в сопоставляемой схеме, в случае необходимости обеспечения одинакового напряжения UQ, Аналогично, амплитуда идобо рзтного напряжения на. вентиле в устройстве (фиг |2а) снижена в 2 раза при одинаковых значениях UQ, что с учетом совпадакнцего с сопоставляемым решением числа вентильных плеч приводит к снижению числа вентилей в случае необходимости последовательного их включения, либо возможности установить менее высоковольтные, и следовательно, с лучшими МГСП .преобразовательные элементы. Кроме того, устройство (фиг. 2а) может обес печить питанием две нагрузки с равны по уровню и одинаковым по полярности либо с одинаковым по уровню и противопрложным- по полярности напряжением либо три нагрузки с разным псэ уровню и полярности напряжением, что без принятия специальных мер недостижимо в известном устройстве. При N-ступенчатом варианте рассмотренной реализации (фиг. 2в) те же показатели , UQ, и,,о5ещ® более улучшаются, в частности, среднее значение выходного напряжения при этом составляет DO М5д. В то же ер мя, известно, что сумма последовательно соединенных симметричных по амплитуде и форме ЗДС, сдвинутых по фазе на ЗбО/М .. относительно друг друга, равна нулю, и, следовательно, подобная схемная реализация известного преобразователя с одним общим для всех ступеней сгл живающим фильтром на выходе схелы принципиально не выполнима, что сви детельствует о его ограниченных фу циональных возможностях и одновременном устранении этого недостат в предлагаемом устройстве. Улу1«иение ряда показателей и рас ширение различных возможностей в ус ррйстве иллюстрируют схемные реализации, приведенные на фиг. 3-6. На фиг. За, б даны эквивалентные электрические схемы двухступенчатых реализаций преобразователя 51 и 52 с двумя (фиг. За) и тремя (.фиг,3 ячейками преобразования и одним емкостным фильтром 53-56 в каждой из ступеней 57-60, При этом, согласно общей структурной схеме (фиг. 1) соблюдены следующие условия реали. зации: , , 2,-iy 2 (фиг. За) и , , . 3 (фиг, 36) или равноценных им условий: N, ,, , и , ,, ,УХЛС 3. Причем , (фиг. За) и N:nv Vx-6:1 6,V.,, Сфиг. 36). . Каквидно из фиг. За, б, источник ЭДС и преобразовательные элементы имеют одинаковое направление включения во всех ячейках преобразования, а. преобразовательно-фильтровые структуры, образованные ступенями и сглаживающими фйльрами , соединены между собой последовательно разнополярными выходами 61-6Л. К их свободным выходам 65-68, ЯВЛЯЮ1ЦИМСЯ выходами 68-72 преобразователя 51-52, подключена нагрузка 73 и 7, на которой формиРУется напряжение UQ, содержащее постоянную Uj, и переменную и сосгавляющие. Пди этом кратность частоты колебаний этой переменной составляющей (пульсации), обеспечиваемая известными преобразователями, сохранена в указанных реализациях устройства, и, тем самым, сохранено важное достоинство известных решений при одновременном улучшении МГСП сглаживающих фильтров и устройства в целом. При N/2 двухлучевых или N/3 трехлучевых ступеней с емкостным фильтром в каждой из них схемные реализации устройства обеспечивают улучшение режимных показателей DO, SQ, и обпримерно в N/2 или N/3 раз (при одинаковых значениях SQ, UQ, U jjCOOTBeTственно) по сравнению с одноступенчатым аналогом с N ячейками преобразования в них. По сравнению с известным преобразователем с одним общим фильтровым конденсатором включение дополнительных N/2 - 1 или N/3 - 1 фильтровых конденсаторов в предлагаемом устройстве снижает напряжение на них в N/2 или N/3 раз и, соответственно, уменьшает в (N/2) или (N/3.)раз пропорциональную их массе и объему , электростатическую энергию в них. Рассмотренныесхемные реализации устройства содержат одно звено и одну группу, либо одно звено с соответствующим числом групп при одной ступени в каждой из них, либо ряд звеньев с одной группой в каждом звене и одной ступенью в каждой группе. Причем, во всех случаях каждая ступень реализации содержит одинаковое ЧИСЛО ячеек преобразования при всех . 1,. На фиг. Зв дана эквивалентная эле трическая схема, содержащая две ПФС с фильтрами 75 и 76 и ступенями 77 и 78, в каждой из которых число ячеек преобразования различно. Соблюдены следующие условия реализации: , ,, , i, л), причем Из фиг. 2 и За, видно, что число ступеней в каждой ПФС схемных реализаций устройства Одинаково. Эквивалентная электрическая схема при различном числе ступеней в каждой из двух ПФС приведена на фиг. 3г. Одна из ПФС содержит одну ступень 79 с индивидуальным сглаживающим фильтром 80, а другая - две ступени 81 с общим для них сглаживающим филь тром 82. |Таким образом, конкретные результаты улучшения качественных и режимно-энергетических показателей зависят от конкретных значений чисел N, х x/xVxi u, а также от спосо ба подключения сглаживающих фильтров При этом последние могут быть не тол ко емкостного, но также индуктивно го или иного типов. Цостижение положительных свойств проявляется в этих случаях различным образом в зависимости от конкретных схемных реализаций сопоставляемых решений. Причем, если при одноз&енном, групповом соединении ступеней с произвольным их числом IX/A- группах и числом V ячеек преобразования в i/i-x ступенях улучшение потенциальных величин по сравнению с одноступенчатым устройством зависит от числа А-;, .опр деляемого суммой всех i ступеней всех групп звена, то при n)-звeниoм соединении улучшение, свойственное однозвенному варианту, возрастает в п раз. Тем самым, .общее улучшение А показателей схемы определяет.ся произведением . Аналогичным образом улучшаются ка чественные и режимные показатели и расширя.ются функциональные и констру тивные возможности предлагаемого уст ройства по отношению к равноценной реализации известного. При этом, в любом случае Не накладывается каких-либо ограничений на способ формирования преобразуемых ЭДС|, тип ячеек преобразования 9 1/4 и тип преобразовательных элементов. Указанные ячейки могут быть выполнены как лучевого (фиг, 2 и 3), так и Т-образного или любого иного типа. Преобразуемые ЭДС могут быть сформированы как непосредственно на неразделенных обмотках трансформаторов, электрических машин, так и/или путей соответствующей комбинации сое|динений их отдельных частей. Преобразовательные элементы могут быть как неуправляемыми, так и/или управляемыми, а также механическими и/или электронными и/или полупроводниковыми и пр. Отдельные ступени, группы или звенья могут представлять собой самостоятельные модули, более низковольтные и существенно менее мощные, чем вентильный преобразователь в целом. Из всего следует, что согласно общей структурной схеме (фиг. 1) или эквивалентным схемам (фиг. 2 и 3 или подобным им) возможна реализация практически не ограниченного числа конкретных принципиальных электрических схем, что свидетельствует о широких схемно-функциональных и конструктивно-технологических возможностях предлагаемого устройства, улучшения его ряда показателей. Некоторые варианты таких.конкрет-ных схем с соответствующими им векторными диаграммами, иллюстрирующими формирование в фазовой плоскости фазных, диагональных и токообразующих ЭДС, приведены на фиг. k-6. Изображены соответственно ступенчато-лучевые, ступенчато-мостовые и ступенчато-комбинированные схемные реализации при р.азлимных значения.х , М.М, Л, /i X .x указанных . под схемами, а также различных типах сглаживающих фильтров, местах и способах их включения. Реализации на фиг. 4-6 представ- . ляют собой однозвенные схемы, содержащие две (фиг. +6, з-п, 6а, б), три (фиг. 4а, ж, 6в), четыре (фиг.) - шесть (фиг. д) лучевые или две (фиг. 5а-в, 6), и три (фиг. 5г, д) остовых ступеней. Каждая из таких тупеней содержит ,в свою очередь, оответственно две (фиг. ), три (фиг. а, б, е, 5а,.г, 6.), четыре (фиг. Лж, 6в), шесть (фиг. , з, и, а, г, д) девять (фиг. Ак, л, н, $6, ), двенадцать (фиг.4м, о) и двадать четыре (фиг. 4п)ячейки преобразования при общем их числе в устро стве равном девяти (фиг. 4а, 6,За, в двенадцати (фиг. , 5г, в), восе.м «надцати (фиг. tK, л, н), двадцати одной (фиг. 5г), двадцати четырем (фиг. k, о) и, ророка восьми (фиг. ячейкам. Образование преобразуемых ЭДС в фазовой плоскости, их векторная направленность и фазовые сдвиги показаны на векторных диаграммах, приведенных у соответствующих им схем (( -6). При этом, формирование двенадцати фазосдвинутых ЭДС (фиг.«в г) является общим схем (фиг. д, е), а также для других подобных схем образованных, например, путем подклю чения к вторичным обмоткам трансформаторов, показанных на фиг. ke, двух ямейковых -(однофазных) или трехячей ковых (трехфазных) вентильных мосто с последовательно-согласно соединенными между собой фильтрами, изображе ными, например, на фиг. , е. При этом, преобразуемые ЭДС являясь фазными либо линейными или диагональными в лучевых и мостовых схе .мах, могут быть сформированы в конкретных реализациях различным образом: непосредственно, т.е. прямым сн тием напряжения с неразделенных вторичных обмоток (фиг. ka, б, д, е, 5а, г), либо путем соответствующего, например, в зигзаг, соединения их разделенных частей (фиг. а, б, ж-п, 5а-г, 6). Использование частей обмоток может осуществляться также различным образом: автономно, т.е. при одно-, двухразовом - в лучевых (фиг. 4а-и) или двухразовом за период ЭДС участии данной части обмотки в мостовых (фиг, 5а, г, 6) схемах, либо комплексно, т.е. при многократном за период ЭДС участии данной части обмотки с целью формирования разннх, сдвинутых по фазе переменных ЭДС (фиг. о, п, 56, г, д). , Причем фззы таких переменных ЭДС ,-x. ячеек преобразования данной ступени могут быть сдвинуты симметрично на ЗбО/1.эл.град. относительно друг друга (фиг. ta, д, к, м, н, о, п, 5а-д, 6), а фазы пере менных ЭДС последующей ступени могут быть сдвинуты на ЗбО/ m - в лучевых (фиг. а, б, д-з, к-п) или ЗбО/М в мостовых ступенях (фиг. 5в) эл.гра по отношению к ЭДС предыдущей ступени. Отдельное звено сглаживающего фильтра данной ступени (фиг. 4-6) или группы (фиг. а, д) может быть выполнено в виде Г-(фиг. и 5, без учета Первых конденсаторов в продольной ветви фильтра, показанных пунктиром) или П-{фиг. i и 5, с учетом таких конденсаторов) образного фильтра. Причем в смежных ступенях такие фильтры могут быть как одинакового (фиг. ka, б, д-з, к, л, н, 5а-д), так и разного (фиг. 4а, м, о, п, 6) типов. Вместе с тем, при соединении звеньев, групп или ступеней одинакового типа, содержащих соответствующие однотипные сглаживающие фильтры (фиг. Ад-ж, к, л, н, 56, в), в преобразователе повышаются коэффициенты однотипности и технологичности устройства, а также расширяются возможности использования преимуществ модульного построения преобразователей. Так как, в преобразователе соблюдаются условия-УХ т(в лучевых) и Vxija - (в мостовых схемах), то длительность A-i/Xоткрытого состояния вентиля в предлагаемом устройстве больше длительности Л известных п-или Л-ячейковых вентильных преобразователей. Следовательно, использование источников ЭДС в предлагаемом устройстве улу1«иается по времени их работы по сравнению с известным устройством при одинаковой постоянной времени сглаживающих фильтров в них. Причем схемные реализации устройства допускают параллельное включение однополярными выходами хотя бы 4acT4d преобразовательно-фильтровых структур (фиг, л-п, 56, 6а, в), либо их групп или звеньев (фиг. 6б). В то же время разные ступени таких ПФС могут содержать разнотипные ячейки преобразования (фиг. 6) при параллельно-последовательном (фиг. 56, 6а, в) или последовательно-параллельном (фиг. 6б) соединении ПФС. Так как различные ПФС устройства соединены между собой последовательно, то регулирование (стабилизация) выходного напряжения может быть осуществлено посредством преобразовательных элементов лишь одной такой ПФС (фиг. 2-6) в широком (фиг. 2-5) или Покализованном (фиг, 6в) диапазоне. При этом 8 качестве управляемых преобразовательных элементов могут быть установлены любые приборы ключевого типа - тиристоры, транзисторы, магниткые усилители, герсиконы с неуправля емыми вентилями и пр. В случаях, когда конкретная реали зация вентильного преобразователя содержит ПФС из схем мостового типа с электростатическим элементом (например конденсатйром) в первой поперечной ветви их сглаживаюи их фильтров, дальнейшего увеличения длитель ности и, как следствие, снижения амплитуды импульсов тока вентилей и ис точников ЭДС можно достичь, если меж ду вентильными плечами каждой вентильной ячейки данного гвентильного моста дополнительно подключить зашун тированный дополнительным электростатическим элементом электромагнитный элемент (например, индуктивность а линию подсоединить к его средней точке (фиг. 5а, д, 6в). В этом случае дополнительный элек тромагнитный элемент обеспечивает расширение интервала протекания тока через вентили и источник ЭДС, а допо нительный электростатический элемент обеспечивает циркуляцию энергии, накапливаемой в дополнительном электро магнитном элементе. Причем электромагнитные элементы фильтров могут быть выполнены в виде линейных дросселей, трансформаторов или иных элементов, магнитно не связанных (фиг, , ж, 6) или связанных ((twr, Аа, б, е , 3, и, л-п, 5) между собой (фиг, 4 и 5) и (фиг. б, е, м, 5а, в, д) или (фиг. 4а, з, л-н, п, 56) между звеньякм сглаживающих филь тров разных ступеней. Дальнейшего улучшения МГСП сглаживающих фильтров можно достичь путем включения в них элементов с совмещенными функциями индуктивности и конденсатора (индуконов), так как в этом случае вместо двух конструктивно и функционально разделенных элементов (электростатического и электромагнитного) используется один Последнее также способствует расширению функционально-конструктивных возможностей предлагаемого решения по сравнению с известными, что особенно проявляется в многоступен9J8 .чатых схемах или/и при наличии мно гозвенных фильтров, Дополнительного улучшения режимно-энергетических показателей вентильного преобразователя, содержащего мостовые ступени, можно,достичь, если в каждую линию ячеек преобразования включить дополнительный (дозирующий) электростатический элемент, например, конденсатор, допускающий смену полярности напряжения на нем (фиг.4а,б) Такое включение позволяет без дополнительных потерь активной мощности улучшить кэчество потребляемой энергии за счет компенсации реактивной мощности сглаживающих фильтров, а также улучшить качество переходных . процессов в них вследствие фЪрсирования установления процессов и соответствующего перераспределения (дозирования) энергии реактивных элементов. Если а последнем случае источниками переменных ЭДС являются трансформатор или электрическая машина, то дополнительного улучшения МГСП вентильного преобразователя можно достичь путем выполнения этих источников ЭДС и дозирующих электростатических элементов мостовых ступеней в виде трансформаторов с конденсат opHbtNH обмотками в виде трансконов. Достигаемые при этом положительные свойства обеспечиваются, как и в случае включения индуконов, за счет совмещения функций двух элементов в одном, что расширяет функционально-конструктивные возможности устройства При этом средние значения UQ напряжений Uoi всех i-x ступеней суммируются арифметически (Uo SiUoi), а их пульсации - геометрически (/sUp i;aUoi S Uoi). Следовательно, коэффициент пульсаций K aUo/UQ выходного напряжения в этом случае меньше арифметической суммы коэффициентов пульсации Kni отдельных ступеней (к 1: -1:ли.(и.), что также выгодно отличает предлагаемое устройство от решений, основанных на секционировании обмоток.. Вместе с тем, возможность такого секционирования не исключается в предлагаемом устройстве, что без изменения кратности частоты пульсации, но с целью дополнительного снижения требуемого значения амплитуды 95 преобразуемых ЭДС и массо-габаритных показателей фильтровых конденсаторов при заданном выходном напряжении мож но достичь, если хотя бы в -иступени разделить V-e обмотки наjy частей (секций) и,образовать на их основе дополнительные лучевые или/и мостовые ступени с фильтрами упомянутой структуры, последовательно или/и параллельно согласно включенными между собой и фильтрами исходных ступеней. Таким образом, в предлагаемом ступенчатом вентильном преобразователе переменных напряжений в постоянное с последующей фильтрацией его переменной составляющей достигнуто, улучшение ряда качественных и режимно-энергётических показателей и расширены функциональные и конструктивнне возможности при одновременной простоте схемно-технического решения Формула изобретения 1. Ступенчатый преобразователь переменных напряжений в постоянное с последующей фильтрацией его переменной составляющей, содержащий N ячеек преобразования, выполненных каждая и последовательно соединенных источника ЭДС, линии и вентильной ячейки, распределенных.по ступеням и включен ных параллельно однонаправленно в ка дой из них, один выход одной из ступеней подключен к одному из входов сглаживающего фильтра, принятого за исходный, однополяриый с этим входом, выход которого соединен с нагрузкой, отличающийся тем, что, с целью расширения констру тивно-технологинеских возможностей и улучшения качественных и режимно-эне гетических возможностей и улучшения качественных и режимно-энергетических показателей, указанные ступени распределены по группам и звеньям, каждое п-е звено из общего их числа п- содержит/а групп с iy .ц. ступенями в каждой/х-и группе и cVx;, ячейкa м преобразования в каждой ступени, другой вход исходного сглаживающего фильтра соединен с однополяр ным ему выходом исходной ступени или группы, к остальным i -ступеням или их группам подключены дополнител но введенные сглаживающие фильтры, образующие совместно с соответствую20ими им ступенями или группами преобразовательно-фильтровые структуры, кокоторые соединены между собой послеовательно разнополярными или/и пааллельно однополярными выходами, а к свободному из них подключена другим CBotiM выводом нагрузка, при этом бщее число ячеек преобразования и исло звеньев связаны между собой оотношением .М:пх ;х . где -, -число ячеек преобразоваJu- l / звене, -:число ячеек преобразова4 д 1и V ния в -й группе любого I звена, V.,.,- число ячеек преобразова-у( 1 ния в t-и ступени ix-и группы, N h,/u. -i А) положительные числа. 2. Преобразователь по п. 1, о т ли чающий ся тем, что, в разные l,-e ступени включены разнотипные ячейки преобразования. 3 Преобразователь по п. 2, отличающийся тем,,что, с целью дополнительного расширения длительности и снижения амплитуды токовых импульсоо мостовых ступеней с электростатическим элементом в первой поперечной ветви их сглаживаю-, щего фильтра, между вентильными плечами каждой вентильной .ячейки данной ступени подключен зашунтированный дополнительным электростатическим элементом дополнительный электромагнитный элемент,к средней т&чке которого подключена линия. t. Преобразователь по п. 3, отличающийся тем, что электромагнитные элементы выполнены в виде линейных дросселей или трансформаторов, магнитно связанных либо не связанных между собой и/или между звеньями сглаживающих фильтров разных ступеней. 5. Преобразователь по п. 3 о тл и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью дополнительного улучшения качественных показателей, хотя бы одно из звеньев сглаживающих фильтров, содержащих электромагнитный и смежный с ним электростатический элементы, выполнено в виде элемента с совмещенными функциями индуктивности и конденсатора.

6.Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что, с целью дополнительного снижения амплитуды ЭДС и массо-габаритных показателей фильтровых конденсаторов,, каждая из л, ЭДС ячеек преобразования или их часть разделены на jjj секций (j,,l ,2,...) и на их основе образованы дополнительные преобразовательно-фильтровые структуры, включенные своикм выходами последовательно разнополярно или/и параллельно однополярно между собой

и с основными преобразовательно-филтровыми структурами.

7.Преобразователь по п. 2, о тличающийся тем, что, с целью дополнительного улучшения режимно-энергетических показателе,

в каждую линию ячеек преобразования мостовых ступеней включен дополнительный (дозирующий) электростатический элемент, например, конденсатор, допускающий смену полярности напряжения на нем.

8.Преобразователь по п. 2, о т ли чающийся тем, что, с целью дополнительного улучшения качественных показателей, источники переменных ЭДС и дозирующие электростатические элементы выполнены в виде элемента с совмещенными функциями трансформатора и конденсатора.

9. Преобразователь по п. 2, отличающийся тем, что, с целью дополнительного упрощения и повышения КПД при обеспечении питанием многоканальной нагрузки,

различные ее каналы подключены к выходам соответствующих преобразовательно-фильтровых структур с одинаковыми или/и разными уровнями напряжения, с общей или/и разными потенциальными точками

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Терентьев Б.П. Электропитание радиоустройств. М., Связь, ,

с. 52. 57, 69.

2.Журнал Вопросы радиоэлектроники, сер. ЭВТ, 1970, вып. 9.

3.Устройства вторичного эл ктропитания РЭА. Материалы семинара. М.,

МДНТП, 1976.

k, Белопольский ., Тихонов В.И. Транзисторные стабилизаторы на повышенные и высокие напряжения. М., Энергия, 1971, с. 60.

Jd

11 I iif---rri Y :

I

f

11

li

HI

I II 11I

ll 1-йHIM

y-f, /% /, ж /Ж ,

фм.

i .

I 4j/

:

LAJL/tl 4r

7J a 1 - 5г-;5 кг-л/ж«4х /- 5. ,ffx

.

HЬ

. 7# f, t-f, jf.)KinULZZIin

г

77 Гт ЯГ I

/- ;--Al/ i I

Ж-, , /fff

i-, //« ,J

A - л

г

1Лл- t ULAj

t.

UUJ liuu ixJ -tHh-r r.., fF, L-CZIH-i -CrZl-J -CZl-A x-ib txfff A/-/, -v-{:i.ib-.

.

К A r

J)hifc±bJ

ж.

pfff.

ЧЯ й- -V t

,,

/Г. ifit(t)gftfitha,n-ff

///

4 X ;

iTSfjT

;ppg±t

}lft±t.g

fr

ГШ:Й

p

Г7

Я)1

n , jttt, /«/, J/J-/|| a.

Л -- л aji nr V -OifL Ji-rv-« t V Vvv

/-t

/fJffS-ff 7 JH-f, /Д., д,./ЛУ, Af-J

л

г

,, /л«г б //л-3//j Й1«5/Aiiiii 3 -ff, ip ff, ff,Zrf4r o-i/WX. , -/ -r Y Sa 0,152 l/ao /y-/j Л f j /« -/f;/ /jr/ Ч Vf-Л y,V , V/--, -« zoi I t -4 . I M I / . , i 15 f /A 1П Vixf -V ft . ri . , /, K ;X 1 r / f/ %/ I MV ;«.-ei/ -C, -iPJL 4 . 1У14хМ N/ i 4 , KT :/ Л ;;.s/ Г4 / fl. / -J . xlL-- nfc, , « f« 4il:«. 5г

ilf ntt, Jftn ff tin-г, «V/ л Sifffff- №

6 fl;lЯ HУ 2 t : г, /rtf-/, Г«--#/Л /,/иО, ff-ft