Преобразовательный агрегат

 

Изобретение может быть использовано в качестве вторичного источника электропитания на средние и повышенные напряжения нагрузки. Устройство содержит три преобразовательные структуры с источником переменного тока из гальванически связанных между собой пяти диагональных ЭДС (ДЭДС) в каждой структуре. Полюсы ДЭДС подключены к пяти ячейкам из последовательно-согласно включенных преобразовательных элементов, а системы ДЭДС второй и третьей структур сдвинуты по фазе относительно системы ДЭДС первой структуры на ±12 v эл.град. при всех целых v , кроме кратных трем. В результате обеспечивается симметрия исполнения электромагнитного аппарата и сверхвысокая частотная кратность пульсации, симметрия протекающих процессов и повышение однотипности. Это позволяет расширить схемно-функциональные возможности устройства и область его применения. 7 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5ц5 Н 02 M 1/162

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1М ! Qh

Ю (21) 4697926/07 (22) 30.05.89 (46) 23.03.92. Бюл. М 11 (71) Научно-исследовательский институт радиостроения (72) А.М.Репин (53) 621.314.5(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1248014, кл. Н 02 М 7/17, 1984.

Авторское свидетельство СССР

М 1288862, кл. Н 02 М 7/162, 1985, (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ АГРЕГАТ (57) Изобретение может быть использовано в качестве вторичного источника электропитания на средние и повышенные напряжения нагрузки. Устройство содержит три преобразовательные структуры с источником переменного тока из гальванически свяИзобретение относится к преобразовательной электротехнике и может использоваться в качестве вторичного источника электропитания на средние и высокие постоянные напряжения при расширенной номенклатуре токов нагрузки и одновременном удовлетворении требований по обеспечению широких схемно-функциональных возможностей, а также высокого качества преобразования электроэнергии путем питания ряда нагрузок с повышенной частотной кратностью пульсации, некратной трем и равной десяти для каждой нагрузки, либо сверхвысокой (тридцатикратной) частотой пульсации для одной нагрузки при сравнительно малом числе секций вентильной обмотки (ВО) в случае реализации источников преобразуемых

ЭДС на наиболее типовом, трехфазном

„„ Ы„„1721697 А1 занных между собой пяти диагональных

ЭДС (ДЭДС) в каждой структуре. Полюсы

ДЭДС подключены к пяти ячейкам из последовательно-согласно включенных преобразовательных элементов, а системы ДЭДС второй и третьей структур сдвинуты по фазе относительно системы ДЭДС первой структуры на 12 Р эл.град. при всех целых Р, кроме кратныхтрем. В результате обеспечивается симметрия исполнения электромагнитного аппарата и сверхвысокая частотная кратность пульсации. симметрия протекающих процессов и повышение однотипности.

Это позволяет расширить схемно-функциональные возможности устройства и область его применения. 7 ил; электромагнитном аппарате (ЭМА) — электрической машине, трансформаторе и др. Устройство реализуемо также в качестве источника переменных напряжений (в качестве инвертора).

Цель изобретения — расширение области применения.

На фиг.1 представлена схема преобразовательного агрегата при наличии в ней трех преобразовательных структур с системами из пяти ДЭДС(тл = 5) в каждой структуре и с подключенными к каждому полюсу систем двумя последовательно-согласно соединенными между собой вентильными плечами, образующими одну вентильную ячейку из преобразовательных элементов (ПЭ) катодной и, соответственно, анодной их групп; на фиг.2 — примеры возможных топологических реализаций показанной на

1721697 фиг.1 обобщенной 5o — системы; на фиг.За-в — векторные диаграммы знакопостоянных импульсов $ (p=fTO, k =1,3) напряжения

Vok На ВЫХОДаХ "+" И "-" ВЕНтИЛЬНЫХ ЯЧЕЕК для случая соединения их в каждой k-й структуре по фиг.1 в пятиячейковый вентильный мост; на фиг.Зг — диаграмма тех же импульсов $„(и = 1 30) для случая параллельного соединения однополярных выводов этих k-мостов, образующих пятнадцатиячейковый мост (Л15); на фиг.4— то же, что на фиг.1, в монтажном виде для случая симметричной трехфазной системы исходных ЭДС переменного тока (ви = 3 и уЪ= 120 ) и при реализации каждой из трех

5,k-систем ДЭДС в соответствии с их топологией по фиг.2е; на фиг,5 — то же, что на фиг.1 или 4, но при соединении ПЭ в три пятиячейковых вентильных моста, соединенных разнополярными выводами постоянного тока последовательно; на фиг.6 — то же, что на фиг.1 или 4, но при соединении разноименных групп ПЭ смежных структур в два десятивентильных кольца; на фиг.7— то же, что на фиг.1 или 5 и 3, но для случая однотипных, не фазосдвинутых или синфазных первой и третьей 5 -систем ДЭДС и обратной (относительно предыдущих) второй системы ДЭДС, т.е. при 5oz — системе, сдвинутой по фазе на 180 или кратной 36, но не кратной 72 эл.град. относительно первой

501 — системы.

Обобщенные системы преобразуемых

ДЭДС с целью упрощения наглядности и удобства понимания и пояснения изображены на фиг.1,5 и 7 не в традиционно монтажном виде, а в виде упрощенного фазового кадра, отображающего систему

ДЭДС в фазовой плоскости. Фазокадр представлен окружностью с расположенными на ней кружочками полюсов или выводов

ДЭДС. Угол между ними соответствует фазовому сдвигу yak одной ДЭДС относительно другой внутри данной k-й системы:

peak = 720, k = 1,2,3. Так как в каждой системе охвачены не автономные, а гальванически связанные между собой источники

ДЭДС, то разноименные выводы разных

ДЭДС в таких системах являются общими для каждой их пары, Поэтому число выводов и линий соединения их с блоками ПЭ уменьшается, давая основание обозначать используемые в устройстве системы из пяти

ДЭДС в сокращенном виде как 50-системы.

Здесь точка над цифрой 5, как и имеющийся знак со в круге фазокадра, отражает признак связанности источников ДЭДС, а индекс о — указанную попарную общность их

ПОЛЮСОВ.

Полюсы или выводы ДЭДС обозначены

ak ЬК, Ck, dk, ЕК, причЕм для фиг.1,4 — 7 Значвние k = 1,2,3, Комплекты вентильных ячеек обозначе5 ны в виде Л5к, Ч1 = Г;3 и изображены для упрощения в блочном виде, причем так, что выводы постоянного тока с формирующимися на них знакопостоянными напряжениями

Uok обозначены сравнительно уменьшенны10 ми кружочками со знаками "+" и "-".

Соединение двух последовательно-согласно включенных плеч или ПЭ данной вентильной ячейки выделено тем же по величине кружочком, что и присоединенный

15 к нему полюс 5 м-системы, а фазовый сдвиг р< для второй (k =2) и третьей(М = 3) систем на фиг.1 проиллюстрирован из всех возможных случаев лишь для одного из них pz,3 =

+ 24 относительно первой системы.

20 Различные топологии общего фазокадРа, Данного на фиг.2а ДлЯ обобЩенных 5okсистем, проиллюстрированы на фиг,2б-э в зависимости от числа m исходных источников преобразуемых ЭДС. При этом на

25 фиг,2б-г m = 5, p = 720, на фиг.2д,е,и-н,п,сч m = 3, Ъ =120, на фиг.2ж,з,о,ш,э m =

=2, и ъ= 900, на фиг.2р m> =2, Ъ = 120, Точки соединения отдельных секций исходных ЭДС друг с другом обозначены умень30 шенными кружочками для отличия от сравнительно увеличенных кружочков, принятых для полюсов 5о-системы, присоединенных к блоку ПЭ.

В скобках при S на фиг.3 и 7 указаны

35 обозначения пар полюсов 5ok-систем, между которыми вданном интерваледискретности формируются наибольшие значения

ДЭДС. Именно они создают на нагрузке фазосдвинутые импульсы S или $рзнакоk

40 ПОСтОяННОГО ВЫХОДНОГО НайряжЕНИя Uok u именно благодаря принятому изображению этих импульсов в фазовой плоскости в виде смещенных на угол 36 десяти пунктирных лепестков наглядно и просто иллюстрирует45 ся принцип действия каждой отдельно работающей преобразовательной структуры, что позволяет обойтись без дополнительного расширенного пояснения его в дальнейшем.

50 Преобразовательный агрегат (фиг.1) содержит обобщенные системы 1 — 3 источников переменного тока из пяти гальванически связанных между собой диагональных ЭДС, Каждая k-я 50 -система

55 ДЭДС снабжена выводами или полюсами (abcde)k, причем при k = 1,2,3 на фиг.1 представлен частный случай, когда вторая 2 и третья 3 системы сдвинуты по фазе на +24 эл.град. относительно первой системы 1. В

1721697 общем случае они могут быть сдвинуты на любой угол, однако для эффекта сверхвысокой (тридцатикратной, и = 30) частоты пульсации значения фазового угла р< должны быть кратны 24, но не кратны 72 эл,град; г,з = «-Р 24 p72,У(и, p) а N = 1,2,3,...

Исполнение 50 -систем возможно на секциях вентильной обмотки лишь одного либо трех отдельных трехфазных (при mö =

=3, фиг.1,2,4) либо соответствующего числа однофазных ЭМА (трансформаторов, электрических машин и др.) на планарных или на пространственных магнитных системах (магнитопроводах и пр.) с обычными(из провода, шин, фольги и пр.) либо сверхпроводящими обмотками и при последовательном фазовом сдвиге одной 5о-системы относительно другой на 120 эл.град., либо при сдвиге второй и третьей систем íà +24 относительно первой So-системы.

Устройство содержит также комплекты

4 — 6 вентильных ячеек по пять ячеек в каждом. В комплекты входят ПЭ 7 — 12, в каждой ячейке по два последовательно согласно включенных вентильных плеча или ПЭ 7 и

8,9 и 10, 11 и 12. Точка т э (а...e)k соединения таких пар ПЗ, изображенная на фиг.1 кружочком в блочных комплектах 4-6, подключена посредс -вом линии (на фиг.1 для упрощения не показанной) к соответствующему этой паре ПЭ выводу или полюсу

{а...e)k k-й 5pk-системы 1 — 3 ДЭДС.

При этом соответствующие системы 1-3 и гальванически соединенные с ними вентильные комплекты — 6 образуют три аналогичные между собои преобразовательные . структуры. Одни од оименные электроды первых ПЭ 7 всех пяти веьтильных ячеек первого комплекта 4 (на фиг.1 аноды ПЭ 7 анодной их группы) и,соотв:тственно, другие (разноименные предыдущим) одноименные электроды в горых ПЭ 12 всех пяти вентильных ячеек тр тьего комплекта 6 (на фиг.1 катоды ПЭ 12 катодной их группы) могут быть объедине ы, образуя первый (на фиг.1 отрицательный) и второй (на фиг.1 положительный) выходные выроды -Uo) и

"+0оз". ,Соответствующие указанным электроды ПЭ 8-11 также могут быть объединены по пять, образуя с предыдушими ПЭ пятиячейковые вентильные мосты Л5 (k = 1,2,3), а также дополнительные вы одные выводы для подключения автономных нагрузок либо одной общей нагрузки при разнополярно последовательном (фиг.5) или однополярно параллельном соединении выводов "+" и "-" комплектов 4-6, Эти цыводь могут быть соединены между собой непосредственно ли5

15 бо через вспомогательные, в частности токоразделительные, электроэлементы при питании сильноточной нагрузки, Преобразовательный агрегат (фиг.1) работает следующим образом.

Так как каждая 5ok-система 1-3 содержит по пять источников сдвинутых по фазе переменных ДЭДС, то на выходных выводах

"+" и "-" комплектов 4-6 преобразовательных ячеек каждой k-й преобразовательной структуры формируются напряжения

Uok (k = 1,2,3), которые вследствие выпрямляющего действия ПЭ 7 — 12 являются. знакопостоянными. При этом при последовательно симметричном фазовом сдвиге

ДЭДС на 72 эл.град. внутри каждой 5м-системы эти знакопостоянные напряжения содержат за один период преобразуемых переменных ЭДС десять одинаковых им20 пульсов $ „(фиг.3) с равными амплитудами, k длительностями и фазовым (временным) сдвигом на 36 зл.град. Каждый импульс формируется конкретной ДЭДС одного из и-х контуров токопрохождения, циклически ес25 тественным образом переключающихся в течение одного периода ЭДС (,и = 1,п).

Удвоение числа знакопостоянных импульсов относительно числа ДЭДС происходит вследствие используемого

30 присоединения каждого полюса (а...e)k 5okсистемы к точке т э {а...e)k из двух последовательно-согласно включенных вентильных плеч или ПЭ 7 и 8, 9 и 10; 11 и

12, Именно эти плечи обеспечивают вы35 чрямление обо х полупериодов переменных ДЭДС в с )отв:тствии с известным принципом дейс гвия мостовых структур.

Таким образом, при объединенных электродах (катодах) ПЗ катодной и, соот40 ветственно, разноимзнных им других электродах (анодах) ПЭ анодной их групп каждая преобразовательная структура обеспечивает на выходных выводах практически постоянное напряжение 14 с очень малым

45 уровнем hUpk его переменной составляющей (пульсации) относительно среднего его значения Чо при одновременно в 10 раз увеличенной частоте flak относительно частоты fc преобразуемых ЭДС или первичного

50 генератора энесг.ли (сети и пр.): k> =

=Ж4/Vok 5, П< = f k/fc = 10 (фиг.3а — в).

Если системы 2 и 3 ДЭДС второй и третьей преобразовательных структур сдвинуты по фазе относительно первой 5О-систе55 мы 1 на угол щ з = + v 24 при всех целых

v, кроме и=Зр при р e N =1,2„., в частности на угол рг,з = +. 24 (фиг.1,4 — 6) или на 120 (фи .4), то системы знакопостоянных импул сов Sp u Syf выходных (г) n) 1721697 напряжений Uoz u Uoa оказываются сдвинутыми по фазе Hà +6 зл. град. относительно условно принятого начала отсчета по вертикали на фиг.3 или íà 12 эл.град. на фиг.Зб,в относительно импульсов S>" пер(1 вой системы, показанной на фиг.3а.

Тем самым при параллельном (фиг.Зг) или последовательном (фиг.5 и 6 с векторными диаграммами, аналогичными диаграмме на фиг.3 r) соединении выводов постоянного тока вентильных ячеек достигается увеличение частотной кратности пульсации общего выходного напряжения до 30 раз (фиг.Зг и т.п,).

При этом в случае наличия лишь трехфазной системы исходных ЭДС, как наиболее типичной, возможно получение не только одной системы из пяти гальванически связанных ДЭДС, т.е. Sp-системы, представленной, например, в исполнениях по фиг.2д.е.и-н,п,с-ч, но также получение трех 5ок-систем, симметрично сдвинутых по фазе относительно друг друга и притом не только на разных, но и, например, на одном трехфазном ЭМА с секциями вентильной обмотки, полностью одинаковыми в разных его фазах по числу секций, числу их витков и соотношений между ними. В результате повышается коэффициент однотипности или унификации, улучшается технологичность изготовления, симметрия электромагнитных процессов и конструкции.

Такие исполнения агрегата, как следует из фиг.1,2,4-7, реализуемы не в единичном, а в большом количестве базовых вариантов, подобно тому, как это в монтажном виде показано, в частности, на фиг.4 применительно к топологической реализации 5о-системы ДЭДС по фиг.3е. Аналогичным показанному на фиг.4 образом реализуются конкретные монтажные исполнения множества других топологий 5о-систем, в том числе приведенных, как частные, на фиг.2.

Расширенные возможности иллюстрирует схема на фиг.5, в которой возможно подключение одной, двух, трех и более нагрузок (на фиг.5 для простоты не показанных) с общими или разными потенциальными точками (выводами). Возможна также автономная работа мостов на свои индивидуальные нагрузки либо работа при параллельном соединении однополярными выводами двух или трех мостов для питания соответствующих нагрузок напряжениями в соответствии с лепестковыми диаграммами на фиг.3.

В случае последовательного соединения структур можно уменьшить число ВлПЭ, одновременно последовательно обтекаемых током нагрузки в каждом,и-м контуре токопрохождения (,и= 1,30), и тем улучшить

КПД относительно схемы на фиг.5 при необходимости обеспечить нагрузку повышен5 ным или высоким напряжением со сверхвысокой частотной кратностью пульсации за счет наличия отдельных фазосдвинутых 5о-систем ДЭДС. Эффект достигается соединением ПЭ катодной группы предыду10 щей структуры в десятивентильное кольцо с

П Э анодной груп и ы последующей структуры (фиг.6).

Дальнейшего расширения возможностей и существенного улучшения различных

15 показателей (массогабаритных, энергетических и пр.) можно достичь соединением одноименных полюсов 5о-систем ДЭДС разных структур через один ПЭ, как это показано на фиг.7. В данной реализации сое20 динены непосредственно через один ПЭ не разноименные, как в схеме на фиг.б, а одноименные полюсы разных систем, причем первая и третья из них однотипны (с полностью совпадающими фазокадрами), а третья

25 -обратная предыдущим. В результате число

ПЭ (вентильных плеч) на стыке первой с второй и второй с третьей структур уменьшено в 2 раза относительно реализаций на фиг.5 и 6. При этом обеспечивается значе30 ние П = 10, а при одинаковом со ступенчатомостовой схемой по фиг.5 выходном напряжении преобразовательные элементы в схемах по фиг.б и 7 должны иметь двойной запас по обратному напряжению. При одно35 типных же ПЭ схемы по фиг.6 и 7 выгоднее использовать для потребителей в области более пониженного выходного напряжения относительно обеспечиваемого при таких же ПЭ схемой по фиг.5. Но в любом случае

40 схемы на фиг.4 — 7 тоже, как частные, реализуемы в соответствии с общим решением по фиг.1, что также характеризует существенную общность данного технического решения и широкие схемно-функциональные, 45 конструктивно-технологические возможности. Этим предопределено существенное расширение областей практического применения данного агрегата в различных промышленных отраслях.

50 Формула изобретения

Преобразовательный агрегат, содержащий источники переменных ЭДС с пятью выводами или полюсами, каждый из которых подключен посредством линии к точке

55 соединения двух последовательно-согласно включенных вентильных плеч из преобразовательных элементов, образующих основную вентильную ячейку, причем одни одноименные свободные электроды первых

1721697

35

55 элементов всех пяти основных ячеек объединены и образуют первый выходной вывод, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения, источники переменных ЭДС выполнены в виде первой общей системы из пяти диагональных

ЭДС (ДЭДС) при соответствующей конкретной их реализации, которая совместно с указанными пятью основными вентильными ячейками образует первую преобразовательную. структуру, при этом введены аналогичные первой вторая и третья преобразовательные структуры, содержащие соответственно вторую и третью дополнительные общие системы ДЭДС, к полюсам которых при соответствующем конкретном исполнении систем подключены вторые и третьи комплекты дополнительных вентильных ячеек по пять ячеек в каждом комплекте, а все три системы ДЭДС выполнены однотипными (с совпадающими их фазокадрами) либо вторая и третья системы реализованы с фазовым сдвигом относительно первой системы на +24и эл.град, при всех целых, кроме кратных трем, либо однотипными выполнены первая и третья системы, а вторая — сдвинутой по фазе со знаком "плюс" или "минус" относительно первой и третьей систем на одно из значений ряда 36 (1+ 2п) эл.град., при-всех целых и, включая ноль, при этом свободные электроды преобразовательных элементов вентильных ячеек образуют соответствующие выходные выводы, либо одноименные из

5 них в каждой структуре объединены между собой, образуя в них пятиячейковые вентильные мосты, выводы постоянного тока которых выполнены автономными либо соединены между собой последовательно раз10 нополярно или параллельно однополярно, непосредственно или через вспомогательные электроэлементы, либо преобразовательные элементы с разноименными свободными электродами первой и второй и

15 соответственно второй и третьей структур в случае выполнения их систем ДЭДС однотипными или с фазовым сдвигом на 24m эл.град. соединены между собой в два десятивентильных кольца либо — при однотип20 ных лишь первой и третьей систем — оба преобразовательных элемента с разноименными свободными электродами первой и второй и соответственно второй и третьей структур, подключенные к одно25 именным полюсам их систем ДЭДС, соединены последовательно-согласно между собой, образуя одноплечую цепь, а оба этих элемента выполнены в виде одного преобразовательного элемента, образуя одновен30 тильную цепь.

1721697

Фиг.2

0(01) (g7 c7) Syo и,= о

3 з з)

3 (53d3)

8q(b,ã,)

cëeç) (Е1 С1)S в

td,b,>S а) (сба1)s6 oz (а,d )З, И= ЗД (Иг z) (Pzcz)S>

2 (е,ь,) 5

, (С Г ) ц г

4 (c2a2,)

,) 5 5ь ta ê Ö) г)

Фиг.3 у

S ф Й „

/7=A и„ г(1 ) (3

Г 7 Ц > 5

И,а ) Б/(с а ) г о 5 lS (>2 2) Ю З

2 Age ) 1721697

ug

П=ЗО

1721697

Редактор С. Пекарь

Заказ 958 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Я

Составитель А. Репин

Техред М.Моргентал Корректор Л. Патай