Многолучевой стабилизированный источник постоянного напряжения

 

1. МНОГОЛУЧЕВОЙ СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ИСТОЧНИК ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНР1Я , содержалдай параллельно однополярно соединенные элементарные преобразовательно-дроссельные структуры (ЭПДС), каждая из которых состоит из дросселя и последовательно соединенного с ним элементарного преобразователя , представляющего собой параллельно однополярно соединенные лучевые ячейки преобразования из последовательно однонаправленно включенных в каждую из них основных источника фазосдвинутой ЭДС и преобразовательного элемента, и устройство управления, входы которого и объединенные выходы всех ЭПДС образуют выходные выводы, отличающийся тем, что, с целью расширения областей применения и повьшения надежности путем увеличения схемно-структурных возможностей и введения структурной избыточности , каждая из «п лучевых ячеек преобразования снабжена дополнительным источником фазосдвинутой ЭДС, включенным одним своим выводом синфазно с основным источником фазосдвинутой ЭДС, а другим своим выводом через дополнительно введенньй управляемый преобразовательный элемент - с однополярным ему выводом данной ячейки преобразования, совместно с которой дополнительные источники фазосдвинутой ЭДС и управляемый преобразовательный элемент образуют управляемую ячейку, все гп образованных таким образом управляеi мых ячеек распределены по { элементарным преобразователям управ (Л ляемыми ячейками в каждом i -м из С них, которые совместно с подключенным к ним дросселем образуют управляемую ЭПДС, параллельно каждой i -и из них дополнительно подключены k; -е управляемые ЭПДС, совпадающие по структуре построения и фазности ЭДС с осо новной управляемой ЭПДС и совместно с последней образующие -ю просекци онированную управляемую ЭПДС, к объе:л диненным выводам всех образованных :с х таким способом просекционированных управляемых ЭПДС дополнительно ключен сглаживающий фильтр, а выходы указанного устройства управления соединены с управляемыми входами введенных управляемых преобразовательных элементов так, что число основных управляемых ячеек составляетт , а общее число управляемых ячеек рапHoW )-Pg..yn, где для i -и управляемой просекционированной Э1ЩС:

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) Н 02 И 7/12

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ. ИЗОБРЕТЕНИЙ. И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К ABTGPCHQMV СВИДЕТЕЛЬС ГВУ (21) 3476054/24-07 (22) 02.08.82 (46) 30.05.84. Бюл. ¹ 20 (72) А.M. Репин, А.К. Кантаровский и Я.А. Каменомосткий

{53) 621.314.6(088.8) (56) i. Размадзе Ш.М. Преобразовательные схемы и системы. И., "Высшая школа", 1967, с. 52, 62, 180, 211, 269, 302.

2. Патент США ¹ 3210635,кл.321-5, 1965.

3. Патент ФРГ № 101.8141, кл. 21 сР 1202, 1956.

4. Патент ФРГ ¹ 1214774, кл. 21 d2 1202, 1968.

5. Патент ФРГ № 1150751, кл. 21 d2 1202, 1971. (54)(57) 1. ИНОГОЛУЧЕВОЙ СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ИСТОЧНИК ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий параллельно однополярно соединенные элементарные преобразовательно-дроссельные структуры (ЭПДС), каждая из которых состоит из дросселя и последовательно соединенного с ним элементарного преобразователя, представляющего собой параллельно однополярно соединенные лучевые ячейки преобразования из последовательно однонаправленно включенных в каждую из них основных источника фазосдвинутой ЭДС и преобразовательного элемента, и устройство управления, входы которого и объединенные выходы всех ЭПДС образуют выходные выводы, отличающийся тем, что, с целью расширения областей применения и повышения надежности путем увеличения схемно-структурных возможностей и введения структурной избыточности, каждая из m лучевых ячеек преобразования снабжена дополнительным источником фазосдвинутой

ЭДС, включенным одним своим выводом синфазно с основным источником фазосдвинутой ЭДС, а другим своим выводом через дополнительно введенный управляемый преобразовательный элемент — с однополярным ему выводом данной ячейки преобразования, совместно с которой дополнительные источники фазосдвинутой ЭДС и управляемый преобразовательный элемент образуют

9i,-ю управляемую ячейку, все и) образованных таким образом управляемых ячеек распределены по 1„ элементарным преобразователям с 1, управляемыми ячейками в каждом 1 -м из них, которые совместно с подключенным ф ® к ним дросселем образуют управляемую

ЭПДС, параллельно каждой 1 -й из них Я дополнительно подключены -е управ1 ляемые ЭПДС, совпадающие по структуре погтроения и фазности ЭДС с основной управляемой ЭПДС и совместно с последней образующие < -ю просекционированную управляемую ЭПДС, к объединенным выводам всех „ образованных таким способом просекционированных управляемых ЭПДС дополнительно подключен сглаживающий фильтр, а выходы указанного устройства управления соединены с управляемыми входами введенных управляемых преобразовательных элементов так, что число основных управляемых ячеек составляет:m =74>,> 2, ( а общее число управляемых ячеек равно > y =,? т, где для 1 — и управляемой просекционированной ЭПДС:

1095332 ;=1„;1(„;=1„;+ — общее число управляемых ячеек; . k . . — — число управляемых ячеЫ кй х< ек в k k -1 допол"

Хй нительных секциях; с =1,2,... — общее число секций;

Х Р Р ° ° °

= 2,Ь „, "п1 — число управляемых ячеек в основной управляемой ЭПДС;

4;1Я„;;М;=1, (х; — текущие номера управляемйх ячеек и секций соответственно, а „; а/Л ... /.1„

3. Источник по пп. 1 и 2, о тл и ч а ю шийся тем, что в качестве преобразовательных элементов становлены бескорпусные -вентили,подверженныер как и источники фазосдвинутых ЭДС и дроссели, принудительному обдуву посредством локально установленных электромикровентиляторов.

4. Источник по пп. 1-3, о т л ич а ю шийся тем, что фазосдвинутые ЭДС -й управляемой ЭПДС сдвинуты по фазе на 360/Q„ эл. град. отХ1 носительно друг друга, а фазосдвинутые ЭДС данной управляемой ЭДС данной управляемой ЭПДС сдвинуты по фазе на 360/чч эл.град. по отношению к фазосдвгнутым ЭДС смежной управляемой ЭПДС, 5. Источник по пп. 1-4, о т л ич а ю шийся тем, что источники фазосдвинутых ЭДС выполнены на автономных магнитных системах. где 1 - наименьшее из всех - Х, чисМ Q ло управляемых ячеек.

2. Источник по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что управляемые преобразовательные элементы выполнены в виде параллельного соединения Р„ цепей из последовательно соединеннйх неуправляемого преобразовательного элемента и одной из рабочих обмоток дополнительно введенного магнитного усилителя, причем обмотки управления всех п /2 введенных магнитных усилителей соединены между собой последовательно, а два свободных вывода об.,оток управления первого и последнего магнитных усилителей образуют упомянутые управляемые входы управляемых преобразовательных элементов.

6. Источникпоп. 5, отличаюшийся тем, что источники фазосдвинутых ЭДС выполнены в виде однофазных трансформаторов с просекционированными вентильными обмотками со средними точками и сетевыми обмотками, соединенными в неполные треугольники с изменяющимся (при щ)12) коэффициентом неполноты.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве вторичного источника электропитания, преимущественно для низковольтных сильноточных устройств, требующих для своего питания единицы вольт, единицы-десятки ампер и выше, а также в качестве источника для питания устройств и аппаратуры цифровой техники микросхемного исполнения.

Известны 6-, 12-, 18- и 24-лучевые источники постоянного напряжения, в которых общее число 111лучевых ячеек преобразования, состоящих каждая иэ последовательно однонаправленно соединенных источника переменной фаэосдвинутой (ФС) ЭДС и преобразователь ного элемента (например, вентиля), 3 распределено пб „ более простых (" элементарных" ) преобразователей, каждое q -е из которых при * 1,4у содержит 9 параллельно однополярно

5 включенных ячеек преобразования 1.1).

Каждый 1 -й элементарный преобразователь одним из своих выходов подключен к своему дросселю и образует

1п < --ю элементарную преобразовательнодроссельную структуру (ЭПДС). Все 1>

ЭДПС соединены между собой параллельно однополярными выходами, которые н,.посредственно или через фильтр

)5 обраь:тот выходы устройства (1j — (3).

Дроссели ЭПДС попарно или тройками магнитно связаны между собой (выполнены на одном магнитопроводе) з 1095 и образуют двух- или трехфазные уравнительные реакторы (УР) .

6-лучевые источники содержат три двухлучевых ЭПДС (а=3//2=6) с одним трехфазным УР, подключенным к средним точкам трех нтильных обмоток, либо две трехлучевых ЭПДС (81=2//3=6) с одним двухфазным УР, присоединенным к нулевым точкам двух обратных .рехлучевых звезд шести вентильных 10 обмоток (1).

12-лучевые источники содержат четыре трехлучевых ЭПДС (!m=4//3=12) с двумя двухфазными УР, подключенными каждый к нулевым точкам одной из.фа- 15 зосдвинутых пар обратных трехлучевых звезд двенадцати вентильных обмоток (1) и (2) или подключенных к объединенным одноименными электродами вентилям одной из пар ЭПДС, вен- 2О .тильные обмотки в которых со средними точками в их основных частях соединены в двухсторонние неравноплечные зигзаги (3), либо две 6-лучевые ЭПДС (m=2//6=12) с одним УР между нулевыми р5 точками двух (левого и правого) одно" сторонних неравноплечных зигзагов.

18- и 24-лучевые источники содер" жат соответственно шесть или восемь трехлучевых ЭПДС (m=6//3=18,m =8//3= щ

=24) с уравнительными реакторами между нулевыми точками трехлучевых звезд вентильных обмоток и с тремя (при m=18) либо четырьмя (при в=24) дросселями, включенными между средними точками уравнительных реакторов и выходом источника (1j .

Фазовый сдвиг преобразуемых ЭДС обеспечивается путем соединения вентильных обмоток в неравноплечные 4> зигзаги (при включении сетевых обмоток в звезду или треугольник (1) и ()

3) либо — при включении вентильных

4 ) обмоток в трехлучевые звезды — путем, соединения сетевых обмоток в звезду 4> и треугольник, включенных параллельно или последовательно (при а = 12) либо (при1ь = 18, 24) — дополнительно в неравноплечные з гзаги (1J

При этом преобразуемые ЭДС данной

ЭПДС сдвинуты по фазе на 360/9О эл. град. относительно друг друга, а

ЭДС данной ЭПДС по отношению к ЭДС смежной ЭПДС вЂ” на 360/m эл.град.

Таким образом, известные решения S> содержат определенное разнообразие схемных построений источника постоянного напряжения и обеспечивают срав332 4 нительно малый уровень и высокую кратность П частоты пульсации выходного напряжения (П = Tn). Кроме того, по сравнению с источником, содержащим один общий для всех tn ячеек преобразования дроссель, рассмотренные решения позволяют перераспределитель ("расщепить") ток нагрузки по отдельным ЭПДС и благодаря этому изменить электромагнитные нагрузки в них.

Каждое из известных решений выполнено.лишь при частных и ограниченных значениях общего числа лучей л, числа ЭПДС х и. числа î ячеек преобразования в них. При этом число является четным и кратным шести

1х//Qî х о 6и3 n = 1,2...,), а число 1 — одинаковым при любых

О

1 =. 1, „ и преимущественно равным

4 трем. Изменение значенийщ,, требует создания нового решения, что является самостоятельной задачей.

Таким образом, ни одно из указанных устройств не обладает схемноструктурной общностью решения и выполнимо лишь при вполне определенных ограниченных условиях.

I

Кроме того, для регулирования выходного напряжения преобразовательные элементы (ПЭ) в известных схемах выполнены в виде тиратронов, экситронов, тиристоров, что при данных схемных решениях приводит к относительно сложной системе импульсно-фазового управления и синхронизации управляющих импульсов (СИФУ), к значительным броскам различных напряжений, в том числе выходного, к сравнительно вы-. сокому уровню помех и пульсаций, как следствие к повышенным МГСП сглаживающих фильтров, фильтров помех, экранов и пр.

Выполнение трансформаторов на трехстержневых плоских магнитопроводах с присущей им асимметрией магнитной цепи приводит к асимметрии пульсаций выходного напряжения, как следствие к ухудшению массогабаритных и стоимостных показателей сглаживающих фильтров и источника напряжения в целом.

Известны также источники постоянного напряжения, в которых с целью защиты в каждое из вентильных плеч последовательно с вентилем включен плавкий предохранитель (4), что в связи с их большим количеством является недостатком таких устройств.

1095332

Наиболее близким к предлагаемому является многолучевой стабилизированный источник постоянного напряжения, содержащий параллельно однополярно соединенные ЭПДС,каждая из которых состоит из дросселя и последовательно соединенного с ним элементарного преобразователя, представляющего со" бой параллельно однополярно соединенные лучевые ячейки преобразования из последовательно однонаправленно включенных в каждой иэ них источника фазосдвинутой ЭДС и преобразовательного элемента, и устройство управления, вход которого и объединенные выводы всех ЭПДС образуют выходные выводы. При этом ФС ЭДС формируются на вентильных, со средними точками, обмотках трансформаторов, подключенных сетевыми обмотками к трехфазной сети и выполненных на магнитных системах (51 .

Достоинством прототипа является простота его схемного построения, относительно повышенная частотная кратность пульсации выходного напряжения, Обеспечение расщепления тока нагрузки по отдельным ЭПДС с улучшенньг;ч по сравнению с нерасщепленным вариантом массогабаритными и стоимостными показателями (ИГСП), а также возможность относительно более простого управления выходным напряжением посредством регулируемых, магнитно не связанных между собой дросселей.

Основными недостатками прототипа являются: ограниченные схемно-структурные возможности решения вследствне 4О малого количества конкретных реализа ций, что обусловлено малым разнообразием общего числа лучей N, четным и кратным шести их значением (Al = 6), ограниченным числом вариантов по 45 числу „ЭПДС 6х= 3 или 6) и числу лучевых ячеек преобразования в них (4„ = 1 или 2), а также одинако"4 востью этого числа во всех 4 ЭПДС

Й« о при scex i = 1,)x); как след- 5О с вие предыдущего, относительно низкая надежность устройства, а также необходимость дополнительных творческих затрат в случае получения новой схемной реализации, обусловленной изменением значений т),4„, „ и, следовательно, необходимость выбора дополнительных средств решения и его осуществления; сравнительно повышенный уровень пульсации и помех (особенно с ростом угла управления), обусловленных относительно малым значением частотной кратности П, а также изменением напряжений, равным полной разности ЭДС работающей и вступающей в работу ячеек; проявление нежелательной низкочастотной модуляции выходного напряжения вследствие упомянутой асимметрии магнитной цепи; как следствие предыдущего, сравнитель но повышенные ИГСП сглаживающего фильтра, устанавливаемого на выходе устройства, а также фильтров помех, трансформаторного блока и источников питания в целом.

При этом для защиты ячеек преобразования в аварийных режимах требуется установка предохранителей в каждую из них, что ухудшает ИГСП устройства; в то же время разрыв одной или нескольких таких ячеек при их аварии приводит к значительным токовым перегрузкам остальных ячеек (в связи с малым их общим числом) и как следствие к выходу их из строя и устройства в целом, либо — при значительном запасе избыточности элементов по режимному (тепловому) состоянию и, значит, при повышенных их ИГСП вЂ” к изменению выходных параметров источника, приводящему к нарушению работоспособности потребителя; в этих случаях в соответствии с принципами теории надежности устанавливают, например, дополнительный (резервный) источник, полностью совпадающий с основным, что приводит к увеличению массы, объема, стоимости, ограничению области применения.

Цель изобретения — расширение областей применения и повышение на дежно .ти путем увеличения схемноструктурных возможностей и введения структурной избыточности. При этом

/ снижаются также уровни пульсации и помех, улучшаются, масса, габариты, стоимость.

Поставленная цель достигается тем, что в многолучевом стабилизированном источнике постоянного напряже" ния, содержащем параллельно однополярно соединенные элементарные преобразовательно-дроссельные структуры (ЭПДС), каждая из которых состоит из дросселя и последовательно соединенного с ним элементарного преобразователя, представляющего собой параллель1095332 8 ;=Я;;1 ;=1,К„; — текущие номера управляемых ячеек и секций соответственно, но однополярно соединенные лучевые ячейки преобразования из последовательно однонаправленно включенных в каждую из них основных источника фазосдвинутой ЭДС и преобразовательного 5 элемента, и устГ:" ство управления, входные выводЫ которого И объединенные выводы всех ЭПДС обвазуют выходные выводы, каждая из tn лучевых ячеек преобразования снабжена дополнительным источником фазосдвинутой ЭДС, включенным одним своим выводом синфазно с основным источником фазосдвинутой ЭДС, а другим выводом через дополнительно введенный управляемый 15 преобразовательный элемент — с однополярным ему выводом данной ячейки преобразования, совместно с которой дополнительные источники фазосдвинутой ЭДС и управляемый преобразова- 20 .тельный элемент образуют ; -ю управ-, ляемую ячейку, все П1 образованных таким образом управляемых ячеек распределены по j> элементарным преобразователям с „, управляемыми ячейками 25 в каждом -м из них, которые совместно с подключенным к ним дросселем образуют управляемую ЭПДС, па" раллельно каждой -й иэ них дополнительно подключены 3 -е управляемые

ЭПДС, совпадающие по структуре построения и фазности ЭДС с основной управляемой ЭПДС и совместно с последней образующие j -ю просекционированную управляемую ЭПДС, к объединеннымз5 выводам всех 1, образованных таким способом просекционированных управляемых ЭПДС дополнительно подключен сглаживающий фильтр, а выходы указанного устройства управления соединены 4О с управляемыми входами введенных управляемых преобразовательных элементов . так, что число основных управляемых ячеек составляета Õ4 >2, Х» а общее (суммарное) число управляемых45 ячеек равно П1 =сЯ; щ,где для -й управляемой просекционированной

ОПДС: !

1 х" х х, х 1т,- общее число упРавляемых ячеек;

,= х, 1 „„ — число управляемых ячеек в с„; = „;-1 дополнительных секциях;

К = < 2 ... — общее число секций;

xi i

> = 2,3 йФ вЂ” число управляемых ячеек в основной управляемой

ЭПДС3 где х,„„„- наименьшее из всех „; число управляемых ячеек.

Кроме того, управляемые преобразовательные элементы выполнены в виде параллельного соединения Р„ цепей

Хч из последовательно соединенных неуправляемого вентиля и одной иэ рабочих обмоток дополнительно введенного магнитного усилителя, причем обмотки управления всех% /2 введенных магнитных усилителей соединены между собой последовательно,.а два свободных вывода обмоток управления первого и последнего магнитных усилителей образуют упомянутые управляемые входы управляемых преобразовательных элементов.

В качестве преобразовательных элементов установлены бескорпусные вентили, подверженные, как и источники фазосдвинутых ЭДС и дроссели, принудительному обдуву посредством локально установленных электромикровентиляторов.

Фазосдвинутые ЭДС -й управляемой

ЭПЦС сдвинуты по фазе на 360/1, эл. град. относительно друг друга, а фазосдвинутые ЭДС данной управляемой

ЭПДС сдвинуты по фазе на 360/ rn эл.град. по отношению к фазосдвинутым

ЭДС смежной управляемой ЭПДС.

Источники фазосдвинутых ЭДС выполнены на автономных магнитных системах.

Источники фазосдвинутых ЭДС выполнены в виде однофазных трансформаторов с просекционированными вентильными обмотками со средними точками и сетевыми обмотками, соединенными в. неполные треугольники с изменяющимся (приm> 12) коэффициентом неполноты.

На фиг.1 представлена общая структурная схема устройства, на фиг.2-5конкретные схемные решения устройства при различных условиях реализаЦИИ.

Устройство на фиг.1 содержит ак просекционированных управляемых ЭПДС

1-3 с первой по1 -ю ЭПДС, каждая из которых состоит из основной 4 и

g . =K -1 дополнительных 5 и 6 ynXi М равляемых ЭПДС (секций) .

109

Однополярные выходы 7-9 и 10-12 всех „; секцнч управляемых ЭПДС

4-6 с первой (4) по k»- -ю (6) объединены между собой и образуют выходы

13-18 j -х просекционированных управ- ляемых ЭПДС 1-3. Выходы 13 15, 17 и 14, 16, 18 ЭПДС 1-3 соединены между собой в параллель и образуют выходные выводы 19 и 20 устройства. К ним подключены нагрузка 21, дополнительно 1О введенный сглаживающий фильтр 22 и устройство управления 23 своими входами 24 и 25. .При этом все k< управляемых

ЭПДС 4-6 совпадают между собой по ts структуре построения и фазности ЭДС, и каждая k -я из них представляет собой последовательное соединение ; дросселя 26 и, параллельно включенных между собой управляемых ячеек jp

27-29. Каждая управляемая ячейка 2729 содержит неуправляемую лучевую ячейку преобразования 30 иэ последовательно однонанравленно включенных во всех п1 ячейках источника 31 фазо- 2s сдвинутой ЭДС и преобразовательного элемента 32, а также дополнительный источник ФС ЭДС 33, и дополнительно введенный управляемый ПЭ (УПЭ) 34, включенный между дополнительным ис- gp точником 33 ФС ЭДС и однополярным ему выводом 35 данной ячейки преобразования 30.

При этом, лучевых ячеек преоби разования 30 образуют элементарный преобразователь, а совместно с подключенным к нему дросселем 26 — элементарную преобразовательно-дроссельную структуру (ЭПДС). Подключение к каждой лучевой ячейке праобразова-.о4О ния 30 дополнительных источников 33

ФС ЭДС и УПЭ 34 образует, -ю управляемую ячейку 28, которая совместно с остальными õ, -1 управляемыми ячейками 27 и 29 образует k -й управляемый 45 элементарный преобразователь 36, а совместно с дросселем 26 — k„ -ю управляемую ЭПДС. Управляемые входы

37-43 упомянутых УПЭ 34 всех т ячеек преобразования всех. управляемых

ЭПДС 1-3 соединены с выходами 44 и

45 устройства управления 23. Причем источники ФС ЭДС 31 и 33 могут быть выполнены на автономных магнитных системах, в частности в виде однофаз- 5 ных трансформаторов с просекционированными вентильными обмотками, снабженными каждая средней точкой, и

5332 сетевыми обмотками, соединенными в неполные треугольники с изменяющимся (при Ф > 12) коэффициентом неполноты, показывающим отношение числа витков продолженной от треугольника части к . общему числу витков данной обмотки.

При этом общее,суммарное) число управляемых ячеек составляет уп

Л ; я, а число основных управляемйх ячеек 27-29 во всех 1х управляемых ЭПДС 1-3 равноИ =2 „;> 2, где для каждой 4 -й управляемой просекционированной ЭПДС 1-3:

9 " „4„;=Я„ . — общее число управляемых ячеек, выполненных в виде ячейки 27; »; »„ — число управляемых ячеек в»»„= »„;-1 дополнительных секциях, выполненных в виде секций 5 и 6;

1сх;=1,2„„- общее число секций, выполненных в виде секций

4-6; „ "- 2,3„,.й(й — число управляемых ячеек, х выполненных в виде ячейки 27, в основной управляемой ЭПДС 4;

1;=1Я„;;1с„= ф„,,- текущие номера управляемых ячеек 27-29 и секций

4-6 соответственно;

1 1, 1 х ) % х Л " Ф щ Ям уи и где », — наименьшее из всех

031 П число управляемых ячеек, выполненных в виде ячейки 27.

Таким образом, в общей структуре фиг.1 реализовано -единое схемно-техническое решение, позволяющее при изменении значенийт, „,1„;, <„; получить практически неограниченное количество конкретных схемных реализа ций.

При этом конкретные реализации устройства в отличие от прототипа и аналогов могут содержать любое число щ и Ф ячеек преобразования, а также одинаковое (1 =1О, фиг. 2, 4, 5) или не одинаковое (4 Ô9,, фиг.3) число лучевых ячеек в каждой 1 -й

ЭПДС (= 2,3,4,...) .

Этим существенно расширены схемно-структурные возможности объекта, а требующиеся для его конкретных решений усилия при изменении щ,1„, 1, значительно сокращены.

Устройство по фнг. 1 работает следующим образом.

1095

11

Пусть соблюдается амплитуднофазовая симметрия основных 31 и дополнительных 33 источников ФС ЭДС и, следовательно, их амплитуды5 аЪ осн и 0g;Aoo соответственно равнй между (0 1ОЕМ: : OCH» 41 ДОП.= ОДОП» а = аФ„ осн+ а4 !»оп = а при всех "

1»11), а йх фазы внутри каждой, -й управляемой ЭПДС 1-3 сдвинуты на

360/4», эл.град., а фазы ЭДС данной 10 управляемой ЭПДС сдвинуты на Зо0/ю эл.град. по отношению к ЭДС смежной управляемой ЭПДС.

Допустим также, что УПЭ 34 закрыты, и все щ лучевых управляемых элементарных преобразователей 36 работают как неуправляемые.

В этом случае каждая из,(-х просекционированных ЭПДС 1-3 формирует

1 на выходе постоянное напряжение с щ кратностью частоты пульсации П, Х!» и в каждый данный момент одновремейно проводят ток k»„,ëó÷åâûõ ячеек.

Эти ячейки циклически сменяются че рез каждые 360/4„ эл.град. по их р соответствующим текущим номерам в каждой l

Так как все Х ЭПДС соединены между собой параллельно, а каждая из них формирует постоянное напряжение с фазосдвинутыми пульсациями, то об1 щее выходное напряжение Ц с амплитуО дой, равной примерно амплитуде основных ФС ЭДС, содержит по00 ! стоянную Ц и переменную0 „ составляющие с малым уровнем и высокой об- щей кратностью частоты пульсации П, 1х равной K х. х.1

Повышенная частота пульсации и ее сравнительно малый уровень снижают массу, объем, стоимость с глажив ающего фильтра 2 2 и улучшают работу систе- .мы автоматического регулирования напряжения, в частности устройства управления 23 °

Если УПЭ 34 не закрыты, работа устройства происходит аналогично описанному, но неупраг пяемые ПЭ (НПЭ)

3 2 при этом закрыты приложенным к ним обратным напряжением (дополнительными ЭДС), а амплитуда 0 а, выходного напряжения U оказывается примерно равной амплитуде 5д .

При работе устройства в режиме стабилизации выходного напряжения SS рассмотренные выше состояния поочередно чередуются, так что н а начальном участке периода пул ь с ации работают

332 12 неуправляемые лучевые ячейки преобразования 30 (проводят ток НПЭ 32), а затем открываются УПЭ 34. Иоменты открытия последних изменяются .в соответствии с сигналом управления управляющих выходов 44 и 45 устройства

23. При этом моменты открытия автоматически изменяются так, что постоянная составляющая выходного напряжения поддерживается неизменной.

Таким образом, изменение огибающей напряжения на входе фильтра (скачок) в момент открытия УПЭ 34 примерно равно Яа Хо„, что в несколько раз меньше скачка по всему мгновенному значению ЭДС в прототипе. Этим достигается снижение уровня пульсации и помех и улучшение ИГСП сглаживающего фильтра 22, фильтров помех, экранов и источника постоянного напряжения в целом.

Использование большого числа m параллельно соединенных лучевых ячеек преобразования с включенными в каждую из них полупроводниковыми вентилями позволяет не только перераспределить большой ток нагрузки по отдельным существенно менее слаботочным цепям (и этим улучшить общие ИГСП устройства по сравнению с прототипом), но и значительно повысить надежность источника за счет введенной структурной и режимной избыточности.

Так, если в одной или нескольких ячейках произойдет авария типа "обрыв", то остальные вентили возьмут на себя дополнительную подгрузку, которая, вследствие значительного числа оставшихся работоспособными .вентилей, является для каждого из них практически несущественной.

При аварии вентиля типа "короткое замыкание" (кз) две изб„; -х ФС ЭДС любых двух параллельно соединенных ячеек.27-29 данного элементарного преобразователя 36 оказываются замкнутыми накоротка через "здоровый" вентиль одной из этих ячеек, что приводит к протеканию через них значительного тока, выделению большого количества тепла в полупроводниковой структуре вентиля, как следствие к ее перегоранию. Тем самым возникает авария типа

11обрыв11» рассмотренная выше» а вентиль, работающий в нормальном режиме как преобразовательный элемент, сра20

13 1095 батывает в аварийном режиме как предохранитель.

Этим достигается не только улучшение надежности объекта, но и улучшение его МГСП вследствие использова5 ния 11 элементов против 2п1 с разными функцйями в них.

При этом введенные в каждой -й

ЭПДС 1 „. дополнительные ЭПДС (секции) i наряду со снижением тока в отдельных 10 управляемых ячейках и улучшением

ИГСП и повышением надежности, установлены не с целью обычного резервирования, а для преобразования переменного напряжения в постоянное и

:поддержания:.его неизменным.

Следовательно, по отношению к резервированным вариантам прототипа и аналогов данное решение обеспечивает снижение массы, объема, стоимости, например, в два раза.

Одна из конкретных схемных реализаций устройства, выполненного согласно его схемной структуре фиг.1, приведена на фиг.2 при следующих условиях реализации: rn>= 24 m = 12;

Многолучевой стабилизированный источник постоянного напряжения по фиг.2 содержит устройство управления

46 с входами 47 и 48 и выходами 49 и 50 и параллельно однонаправленно .соединенные ЭПДС, каждая из которых состоит из дросселя 51 (52,53) и

35 последовательно соединенного.с ним элементарного преобразователя 54 (55, 56). Такой преобразователь 54 (55, 56) представляет собой парал" лельно однонаправленно соединенные лучевые ячейки преобразования 57-60" (61-64,65-68) из последовательно включенных в каждой из них источника

ФС ЭДС 69 (70-72; 73-76; 77-80) и

ПЭ (вентиля) 8 1 (82-84, 85-88, 89-92).

П8и этом ФС ЭДС формируются на вентильных, со средними точками 93-98, .обмотках трансформаторов, подключенных сетевыми обмотками 99-104 к трехфазной сети t05 и выполненных на маг50 нитных системах 106-110. Выходы 111113 scex ЭПДС и присоединенные к ним входами 47 и 48 устройства управления

46 образуют выходные выходы 114-115 устройства к которым подключена наS 55 грузка 116.

Каж4ая (57) из щ лучевых ячеек преобразования 57-68 снабжена дополнительным источником ФС ЭДС 117 (118332 14

128), включенным одним своим выводом синфазно с основным источником ФС ЭДС

69 (70-80), а другим выводом через дополнительно введенньй УПЭ 129 (130132, 133-136, 137-140) — с однополярным ему выводом данной ячейки преобразования 57 (59- 58). При этом каждьй управляемый ПЭ 129 (130-140) выполнен в виде параллельного соединения Р„ 1 цепей (на фиг..2 для простоты изображения принято Р 1; = Р0 = 1) из последовательно соединенных дополнительного НПЭ 141 (142-152) и одной из рабочих обмоток 153 (154-158) дополнительно введенного магнитного усилителя (МУ) 159 (160-164).

Дополнительный источник ФС ЭДС 117 (118-128) и управляемый преобразовательный элемент 129 (130-140) совместно с данной ячейкой преобразования

57 (58-60) образуют „-ю управляемую ячейку. Все р образованных таким способом преобразовательных ячеек распределены по s . элементарным преобразователям 54-56 (на фиг. 21„= 3) с, управляемыми ячейками в каждом -м из них (на фиг.2 число управляемых ячеек в каждом из трех управляемых преобразователей 54-56 равно четырем: 1 = 90 = 4 при всех = 1,3).

Каж ьй такой управляемьй элементарный преобразователь совместно с подключенным к нему дросселем 51 (5253) образует управляемую ЭПДС.

Параллельно первой ЭПДС, состоящей из дросселя 51 и элементарного управляемого преобразователя 54 с

МУ 159 и 160, подключена дополнительная управляемая ЭПДС 165 с МУ

166 и 167 и дросселем 168. Ее структура построения и фазность основных и дополнительных ЭДС (формирующихс@ на вентильных обмотках 169 и 170) совпадают с основной управляемой

ЭПДС вЂ” в данном случае,с первой.

Аналогично образованы дополнительные управляемые ЭПДС 171 и 172 других основных управляемых ЭПДС, К объединенным выходам 173-175 всех х образованных таким способом просекционированных управляемых ЭПДС дополнительно подключен сглаживающий фильтр 176, а обмотки управления

177-189 всех введенных МУ соединены между собой последовательно. Два сво" бодных вывода 190 и 19 l обмоток управления 177 и 189 первого 159 и последнего 167 МУ соединены с выходами 49 и 50 устройства управления 46.

15 1095

Источники ФС ЭДС на фиг.2 выполнены на автономных магнитных системах

106-110 в виде однофазных трансформаторов с просекционированными вентильными обмотками, сетевые обмотки 99101, 102-104: которых соединены в неполные треугольники. Причем в связи се ф12 коэффициент неполноты этого треугольника одинаков во всех сетевых обмотках 99-104, а требующийся 10 фазовый сдвиг преобразуемых ЭДС, формирующихся на вентильных обмотках, обеспечивается за счет подключения одной тройки обмоток (99-!01) к разным фазам сети 105 по отношению к дру 15, гой их тройке (102-104).

Направление векторов таких ФС ЗДС в фазовой плоскости показано на фиг.2 под сетевыми обмотками 99-104.

При этом три верхних вектора по от- 2р ношению к трем нижним сдвинуты на

30, а между собой — на 120. о о

Создание источников ЗДС на автономных магнитных системах 106-110 и введение однотипных соединений всех 25 обмоток улучшает симметрию пульсации . выходного напряжения и ИГСП сглаживающего фильтра и повышает технологичность изготовления устройства по сравнению с его аналогами. 30

При этом число управляемых ячеек в основной ЭПДС (фиг.2) равно. х; =Оо= 4; общее число ЭПДС к -ч / хм,„=

=р/ =12/4=3; число секций в каждой

1-й ЗПДС 1х, =ko=2; число дополнительных секций „„ =-k; 1=2-1=1 число управляемых ячеек в k дополнительных секциях - =4 k =9 1= 4 ° 1=4 а xi х1 о общее число управляемых ячеек для

1-й ЭПДС3 » = х; "Х о"о=4 2=8; число основных управляемых ячеек, Al=. 1 „ = < 4»„ =Зло =3" 4=12;, общее число- управляемььх ячеек п1.=.Я,.=31-;3 8=24.

Так как на фиг.2 j =3 и g =1 =4 о при всех 1 =1, „, то ФС ЭДС управляе-д мой ЭПДС сдвинуты на 360/1о =360/4=

= 90 эл,град, относительно друг друга, а ФС ЭДС данной управляемой ЭПДС сдвинуты по отношенлю к ФС ЭДС смежной управляемой ЭДС на 360/п)=360/12=30

50 эл.град. Эти фазовые сдвиги проиллюстрированы на векторных диаграммах, приведенных на фиг.2 в местах выходных выводов каждой основной и дополнительной управляемых ЗПДС.

Работа схемной реализации по фиг.2 осуществляется в соответствии с принципом действия устройства, описанным выше для общей его структуры. В ре16

332 зультате на выходе устройства формируется постоянное напряжение, которое, как это видно из общей векторной диаграммы на фиг.2, пульсирует. с частотой, превышающей частоту преобразуемых ЭДС в 12 раз.

Схемные варианты устройства с 24-и

6-кратной частотой пульсации даны на фиг. 3-5 при выполнении следующих условий реализации:rn = 24,щ = 24, „= 7, д = 2 4 = ЗЯь = 6, ф„; 1, Р„.),= 1, П д = 2, П,1) = 3, Пь = 6, П = 24 (фиг ° 3);my = 18,% =

Устройство по фиг. 3 содержит семь управляемых ЭПДС 192-198 три из которых (192-194) образованы каждая двумя, две других (195-196) — тремя и две остальных (197-198) — шестью управляемыми ячейками. Тем самым разные 1 -е ЗПДС содержат неодинаковое число управляемых ячеек,. что по сравнению с аналогами и прототипами, содержащими только одинаковое и равное преимущественно трем число таких ячеек, также иллюстрирует более широкие схемно-структурные воэможности решения.

Так как в схеме фиг.3 числор)) 12, первые шесть сетевых обмоток 199 соединены между собой тройками с коэффициентом неполноты, обеспечивающим фазовый сдвиг ЭДС на +7,5 эл.град,, а вторые шесть сетевых обмоток 200 соединены с другим коэффициентом неполноты, обеспечивающим фазовый сдвиг ЭДС на +22,5 эл.град.

Посредством таких однотипных и более экономичных, чем в аналогах, соединений достигается необходимый сдвиг фаз преобразуемых ЭДС на вентильных обмотках источника и увеличение частоты пульсации в 24 раза (Н = 24) .

Устройство по фиг. 4 состоит из трех управляемых ЭПДС 201-203, каждая из которых содержит по три двухлучевых управляемых секции

204-206 (207-209, 210-212) с четырьмя параллельно соединенными цепями

213 управления в каждой из них.

Выполнение УПЭ в виде параллельного соединения Рх, цепей 213 из последовательно соединенных дополнительного НПЭ и одной из рабочих

1095332

17 обмоток дополнительно введенного МУ позволяет осуществить дополнительное расщепление тока нагрузки по вентильным цепям и рабочим обмоткам магнитных усилителей, тем самым исполв-5 зовать менее сильноточные вентили и меньшего диаметра обмоточные провода, что улучшает их ИГСП и надежность; использовать указанные рабочие обмотки одновременно в качестве выравниваю-10 щих индуктивных элементов, ограничивающих выход из строя параллельно соединенных вентилей из-за различия их ампер-вольтовых характеристик; использовать индуктивности указанных рабочих обмоток в качестве дополнительных индуктивных делителей тока, что по сравнению с резистивными делителями обеспечивает значительно мень" шие потери активной мощности и повышает КПД; обеспечить тем самым по сравнению с аналогами и прототипами улучшение ИГСП управляемых преобразовательных элементов за счет совмещения ряда функций в одном функциональ- 25 ном элементе, в том числе описанной функции предохранителя.

На фиг ° 5 дроссели разных ЭПДС выполнены на общем для них магнитопро- 30 воде (магнитно связаны), что позволяет использовать с этой целью сек" ционированные дроссели.

Последовательное соединение обмоток управления всеха /2 введенных магнитных усилителей позволяет свести до двух число управляемых входов

УПЭ, что, наряду с достаточностью формирования управляющего сигнала 4О в форме постоянного .тока, значительно проще, чем СИФУ известных объектов, поскольку по сравнению с последней не требуется формировать последовательность управляющих импульсов опре- 45 деленной амплитуды и длительности, синхронизировать их с определенными моментами преобразуемых ЭДС, подавать в отдельности на каждый из га УПЭ например, тиристор9 управляющие импуль- 50 сы по многим отдельным каналам, по отношению к последним обеспечить необходимую помехоустойчивость и надежность.

Указанная сравнительная простота системы управления данного источника позволяет также достаточно просто реализовать электрическую схему устройства управления, защиты и коммутации, выполнить их в микросхемном исполнении на основе серийно выпускаемых микросхем и довести до 3-5Х их массу и объем относительно общего веса и габаритов источника.

Этим обеспечивается дополнительное улучшение МГСП системы управления и устройства в целом.

Применение бескорпусных вентилей в качестве основных и вновь введенI ных ПЭ, подверженных, как и источники ФС ЭДС (трансформаторы) и дроссе-, ли, принудительному обдуву посредством локально установленных электромикровентиляторов позволяет по сравнению с известными решениями дополнительно повысить режимную избыточность указанных элементов и, тем самым, улучшить .их надежность, либо установить менее мощные и, значит, . с лучшими МГСП элементы.

Кроме того, выполнение источников

ФС ЭДС в виде дискретных, а не моноблочных элементов обеспечивает, в ряде случаев, лучшие возможности конвекционного и принудительного теплоотвода, как следствие возможности увеличения тепловых (энергетических) нагрузок на каждый из них, дополнительного снижения их МГСП, а также более гибкие возможности унификации и компоновки элементов при изменяющихся от изделия к .изделию требованиях к конфигурации общей конструкции источников питания, что особенно важно для подвижных объектов.

Таким образом, технико-экономический эффект данного решения, на основе которого разработан и изготовлен ряд источников электропитания на выходные мощнрсти 50, 100, 250, 500, 1000 и

1500 Вт с выходным напряжением 5 В, заключается в существенном расширении схемно"структурных возможностей, улучшении массогабаритных i и стоимостных показателей, снижении уровня пульсации и помех, а также значительном повышении надежности за счет введения структурной избыточности.

1095332

1095332

1095332

1095332

1095332 +N À 4ы=.З, Р„рр„ а 6

Рис. 5

Заказ 3617/39 Тираж 667 Поуисиое щШ 11па„ец.„ g ÓóóÎððÄ, Ул ° IIP0QKTTH8Re