Преобразователь переменных напряжений в постоянное

 

Союз Советскик

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (53)М. Кл. (22)Заявлено 10.04.80 (2l) 2906661/24-07 с присоединением заявки М

Н 02 М 7/10

Государствсииый комитет

СССР (23) Приоритет—

Опубликовано 15. 05. 82. Бюллетень Рй 18 (53) УДК 621, 314.6(088.8) по делам изебретеиий и открытий

Дата опубликования описания 15. 05. 82

« (72) Автор изобретении

А.М.Репин (7l) Заявитель (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННЫХ НАПРЯ) (ЕНИЙ

В ПОСТОЯННОЕ

Изобретение относится к электро- " технике и может быть использовано для преобразования электрической энергии во вторичных источниках электропитания, преимуцественно для получения сравнительно высокого напряжения при наличии более низковольтных модулей.

Известны 1-, 2-, 3-, m-лучевые вентильные преобразователи переменного напряжения в постоянное, содер10 жащие m источников переменных ЭДС, сдвинутых по фазе на 360 /m относио тельно друг друга; и вентили, образуюцие л однолучевых выпрямителей, соединенных в параллель, каждый из

tj которых состоит из последовательно соединенных одной из ЭДС и вентиля, причем последние имеют одинаковое направление включения во всех лучах, а к выходу преоб азователя подключе10 на нагрузка (11, 21 и (3).

Недостатками этих лучевых преобразователей являются сравнительно небольшая (не более 2K, m) длительность открытого состояния вентиля, ограничивающая коэффициент его использования во времени, невысокое (менее амплитуды Яс, ЭДС) значение среднего напряжения U> на нагрузке при заданном значении «1, сравнительно боЛьшое значение амплитуды S, требующееся для обеспечения заданно го значения ц, и, как следствие, определенные технические трудности при обеспечении надежной изоляции вторичных обмоток трансформатора в случае высоковольтной нагрузки, приводящие к увеличению его массо-габаритных и стоимостных показателей (МГСП); получение низкого напряжения

U и необходимость ограничения амплитуды $0 в случаях наличия вентилей с данной допустимой амплитудои U обратного напряжения, как следствйе, необходимость использования последовательного соединения вентилей в каждом луче, приводящая к увеличению

МГСП вентильного блока, особенно

28569 4 Ъ рых состоит из последовательно соединенных одного из указанных источни1О

15 при необходимости установки теплоотводящих радиаторов; сравнительно вы- сокие МГСП преобразователя в целом, обусловленные указанными выше факторами; а также невозможность получения от одного преобразователя разных по уровню напряжений для питания ряра нагрузок.

Наиболее близким к изобретению является ступенчато-лучевой преобразо,ватель, содержащий соединенные последовательно разнополярными выходами лучевые ступени, к свободным выходам которых подключена нагрузка (Ч ).

Однако вследствие крайне скудного числа известных схемных структур ступенчато-лучевого типа, содержащих к тому же одинаковое и равное двум или трем число лучей в каждой ступени, они обладают весьма ограниченными возможностями, в связи с чем указанные выше недостатки в целом сохраняются.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей, улучшение качественных и режимно-энергетических показателей, а именно увеличение длительности открытого состояния вентилей, превышающей присущее для 1.1-лучевых схем значение, равное 2Т/m при и 71 и Г при в=1, снижение амплитуды фазных ЭДС и амплитуды обратного напряжения на вентилях, влияющих на их массо- габаритные, стоимостные и надежностные показатели, повышение амплитудного и среднего значений напряжения на нагрузке без увеличения преобразуемого напряжения, уменьшение числа вентилей при их последовательном соединении, требующемся в случае необходимости надежного перекрытия возникающего на вентильном плече обратного напряжения, возможность обеспечения питанием многоканальной нагрузки без принятия специальных мер (дополнительных устройств) и, следовательно, без дополнительных потерь энергии, возможность построения более высоковольтных схем на основе сравнительно низковольтных схем лучевого типа, возможность построения любого количества конкретных схемных структур ступенчато-лучевого типа.

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователе переменных напря жений в постоянное, содержащем и источников переменных ЭДС и вентили, образующие m-лучей, каждый из котока ЗДС и вентиля, причем последние имеют одинаковое направление включения во всех лучах, объединенных в ступени, которые содержат параллельно включенные лучи и соединены между собой последовательно разнополярными выходами, а к свободным выходам первой и последней ступеней подключена нагрузка, все ступени объединены в группы, группы - в звенья, соединенные между собой последовательно, при этом в каждую i @ ступень включено Оу4,а лучей, ix таких ступеней соединены в +-ю группу с общим числом,4 групп в п-ном звене, каждое из которых содержит одинаковое число,бу групп и у> И лучей так, что Ч=и 4 и- общее число лучей; ,чx Oyg- Z, 1)1, 4 — ЧИСЛО ЛУЧЕЙ В И-М ЗВЕНЕ;

V» - g q« - число лучей в,О-й груп«"=" пе любого звена; число лучей в i-й сту25 щук д 4 — целые положительные числа.

Кроме того, с целью снижения потерь мощности при обеспечении питания ряда нагрузок, последние подключены к выходам соответствующих ступеней как с одинаковым, так и с разными уровнями напряжения, с общей и/или разными потенциальными точками.

При этом на источник переменных

ЭДС не накладывается каких-либо ограничений в части способа формирования таких ЭДС. Они могут быть сформированы различным образом - непосредствен40 но или комбинационно.

В первом случае переменная ЭДС включается в луч непосредственно с выхода формирователя или генератора однофазного переменного напряжения или с данной обмотки преобразователь45 ного трансформатора, с обмотки электрической машины. Во втором случае переменная ЭДС формируется путем комбинации сдвинутых по фазе непосредственных ЭДС и/или их частей, например, соединением основных обмоток и/или их частей (отводов) или дополнительных обмоток с обеспечением необходимого фазового сдвига для результирующей ЭДС по отношению к таким же ЭДС других лучей. Причем векторы одних и тех же основных обмоток и/или их частей могут участвовать в формировании разных фазосдви9285

5 нутых векторов переменных ЭДС как данной, так и различных ступеней.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства; на фиг. 2-, 6 - принципиальные электрические схемы прос- тейших его реализаций при числе m=9 (фиг. 2,3), m=12 (фиг. 4), п=18 (фиr. 5), m=24 (фиг. 6).

Преобразователь 1 (фиг. 1) с подключенной к его выходам 2 и 3 нагруз- 1О кой 4 содержит пх. звеньев 5-6 от первого 5 по и>-е б звено, каждое из которых состоит из Дх групп 7-8 от первой 7 по>х-ю 8 группу с iyP ступенями 9-10 от первой 9 no i -ю 15

10 ступени в каждой группе 7-8 и с 41 < 1 лучами 11, соединенными в параллель в каждой ступени 9- 10, причем каждый ) ув -й луч 12 содержит последовательно соединенные одну из m 20

ЭДС 13 и вентиль 14 при их одинаковом со всеми остальными лучами 11 направлением включения, а все образованные указанным способом ступени соединены между собой последовательно разно- 25 полярными выводами 15-20, и свободные выводы 21 и 22 является выходами 2 и

3 преобразователя 1.

При этом обцее число m лучей равно числу п 4хи, 30 где Х,И= у, Мх - число лучей в и-м ,Jt4-. 4

qy.Î звене;

+xp „11 „ - число лучей в,4"й группе любого и-го звена;

35 их 1х " M4, „„ а- соответственно число звеньев в преобразователе групп в и-м звене, ступеней в ,0-й группе, лучей в

i-й ступени,б-й группы; п,n, à,i, 4 — целые положительные числа.

Обцее число ступеней равно

iq = n„E,i>> (1)

Так как все ступенй и нагрузка соединены между собой. последовательно, то при протекании тока через нагрузку хотя бы один из вентилей каждой ступени открыт, и нагрузка оказыва50 ется под напряжением, равным геометрической сумме токообразующих ЭДС всех i ступеней. Из числа 4х,цвентилей и соответствующих им ЭДС 4 - го луча ip -й ступени ток проводит тот

55 „.а-й. вентиль, 1),;, -я ЭДС которого имеет в данный момент наиболее (относительно положительного направления) 69 6. значение по сравнению с остальными

ЭДС данной i>-й ступени.

Поскольку эти остальные ЭДС 3ц-й ступени определяют в любой момент по" тенциал подключенных к ним электродов соответствующих вентилей, то будучи в данный момент меньшими по значению, чем ЭДС открытого вентиля, они между катодами и анодами этих вентилей образуют с этой ЭДС положительную разность потенциалов, запирая их.

Следовательно, при открытом одном из 4х,рвентилей данной 1 гй ступени остальные11х,у -1 вентилей закрыты, и амплитуда Уд напряжения Бо на нагрузке равна не арифметической сумме амплитуд S „„ i x ЭДС S, определяемой как

Б,® - и ; Б „, (2) или (при амплитудйо-фазовой симметрии ЭДС, когда Syq = Яс1) как

"со = ixS а а равна модулю mod о / вектора д, равного векторной сумме 1 ЭДС S 7 проводящих в данный момент ток,или, иначе, сумме векторов S„. этих i-x

ЭДС всех 3.1 ступеней

Uaо= m Цо,. (Я

Dо =,Ь„ (4) или, при синусоидальной форме ЭДС и

Sa Sa х,а=а хо

0 ора So sin3gsinQ, (5) где i - ойределяется из (1), а

Q4 = / хо, Я = + m Ж из (2-6) очевидно, что Ус о < U ипри определенных амплитудно-фазовых соотношениях ЭДС, амплитуда Ц оасегда больше Яо тв и или, пРи S = $с1в всегда больше (равна) Яс .

Таким образом последовательное соединениц лучевых ступеней позволяет при определенных условиях увеличить напряже уе Ба на нагрузке в A=U JSg раз по отношению к амплитуде Sg ЭДС лучевых преобразователей, либо обеспечить в А раз меньшей амплитудой одинаковую с прототипом амплитуду U©,.

Соответствуюцим образом в преобразователе снижена амплитуда Ус о„рбратного напряжения на вентиле, определяющая его вентильную прочность, что позволяет использовать значитель. но менее высоковольтные и, значит, с лучшими МГСП силовые вентили.

При этом. длительность .„. „ открытого состояния 4jp -го вентиля, будучи при 9Х1 >1 не менее 27/1Х„д, а связи с ф . <л всегда больше значения

7 92856

2 /m, соответствующего известным mлучевым преобразователям, что по сравнению с последними улучшает использование вентилей в предлагаемом уст ройстве по времени их работы.

Более того, в соответствии с условием проводимости вентилей (Ug> О) вентили некоторых ступеней, в том числе однолучевых, могут, согласно (4), быть открыты даже в тех случаях, 10 когда ЭДС данной ступени имеет отрицательное значение. Это приводит к дальнейшему увеличению длительности соответствующих вентилей, обес1 0 печивая еще одно отличие решения от всех известных.

Так как каждая степень устройства представляет собой один из известных преобраеователей лучевого типа, то указанная возможность работы вентилей при отрицательных значе-. ниях ЭДС, и, соответственно, большая чем 2 !с/4;, (в однолучевых ступенях — большая, чем F, в том числе равная 2T) длительность .„ !открыто- д го состояниями >-го вентиля, является принципиально важной особенностью преобразователя, отличающей его от известных преобразователей лучевого и ступенчато-лучевого типов, что так- 30 же предопределяет более широкие функциональные возможности устройства.

Увеличение длительности открытого состояния вентилей в преобразователе наряду с уменьшением обратного напря35 жения на них улучшает использование устанавливаемых в устройство вентилей. Все это приводит к конечном итоге к улучшению массо-габаритных, стоимостных и надежностных показате40 лей трансформаторов, вентилей, сис- . темы охлаждения (теплоотвода), всего устройства в целом.

9 8

Преобразователь 1 (фиг. 2а) к выходам 2 и 3 которого подключена нагрузка 4, содержит три ступени 23

/ . 24 и 25 трехлучевых выпрямителей, соединенных между собой последовательно разнополярными выходами и с нагрузкой 4 свободными выходами 2 и

3, являющимися выходами преобразователя

В соответствии с приведенными (фиг. 2а) векторными диаграммами, ступени 24 и 25 обеспечивают по отношению к ступени 23 фазовый сдвиг

ЭДС последовательно на 40 эл.град. за счет соединения основных и дополнительных частей обмоток в зигзаг.

В результате на нагрузке 4 формируется напряжение Ug, девять лучей векторной диаграммы которого, приведенных на фиг. 2а, расположены по о отношению друг к другу под углом 40.

Модуль вектора, определяющий амплитуду Ugo выходного напряжения Uo согласно (5) равен 2,53 $а, где $ с!— амплитуда любой из девяти ЭДС.

Среднее значение Uo напряжения Uo, определяемое как

uo = 1ХУ ®И, (7) составляет 2,485>

На фиг. 26, с сохранением обозначений и типа трансформаторов (фиг.2а) .показан двухступенчатый девятилучевой преобразователь, в котором шестилучевая ступень 24 образована соединением трех основных и шести дополнительных частей обмоток, соединенных в зигзаг и обеспечивающих, в соответствии с приведенными на фиг. 26 векторными диаграммами, фазовый сдвиг

ЭДС на120 эл. град. по отношению к противополярным векторам ЭДС ступени !

23.

55

На фиг. 2 приведены принципиальные электрические схемы и соответствующие им векторные диаграммы трех(фиг. 2а) и двух (фиг. 2б) ступенчатых девятилучевых преобразователей, выполненных (фиг. 1) на одном трехфазном или трех однофазных трансформаторах при соблюдении следующих условий реализации: щ=9, =1,д! =1, 1 3,1 4 =3(фиг.2а)и m=9, „=, ЛХ =1

11 =2,.!!у =3 41 g =6 (фиг. 26) или равноценных им условий: m=9, n<=1, Ц.Х =3, 3.Х,ц=1,, Хр=3 (фиг. 2а) и m=9, п =1 т p)(=2 > 3.)(p= 1 э 1(.1- 3 т 4у2= б (фи г. 2б) .

Преобразователь (фиг ° 26) также составлен в соответствии со структурой (фиг. 1) и число m его лучей определяется из выражения, общего для любых несимметричных однозвенных схем, как

ОХ х

m =Е g 1)<„.> (8)

Я=4„4 Х" О

Для симметричных схем, в том числе для устройства (фиг. 2а) содержащих i ступеней по 41 лучей в каждой из них, число m равно

m — 1,)(!1 к (9)

Если,Ц -я группа содержит i pc yпеней с одинаковым внутри груйпы чис69 l0 ционной последовательности, например, с помощью микропроцессорной системы управления.

Таким образом, реализуется ступенчато-лучевой вентильный преобразователь переменных напряжений в постоянное, в котором расширены функциональные возможности и достигнуто улучше" ние ряда качественных и режимно-энергетических показателей при одновременной простоте схемно-технического решения.

Преобразователь переменных напряжений в постоянное,содержитm источников переменных ЭДС и вентили, образующие m лучей, каждый из которых состоит из последовательно соединенных одного из указанных источника ЗДС и вентиля, причем последние имеют одинаковое напряжение включения во всех лучах, объединенных в ступени, которые содержат параллельно включенные лучи и соединены между собой последовательно разнополярными выходами, а к свободным выходам первой и последней ступеней подключена нагрузка, о т л и ч а ю " шийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, улучшения качественных и режимноэнергетических показателей, все ступени объединены в группы, группыв звенья, соединенные между собой последовательно, при этом в каждую

i P -ю ступень включено р лучей, leap таких ступеней соединено в,Ю -ю группу с общим числом р групп в и-ом„ звене, каждое из которых содержит одинаковое число Р > групп и 0„„лучей. так, что

m=I1>4y - общее число лучей;

;их О и= - число лучей в и-ном

ДМ звене;

4 =- Я 4> г число лучей в,4-ой

)(,И „,р группе любого звена; число лучей в i-ой . ступени,0-ой группы, m,o.,Ùi, 0, - целые положительные числа, 2..Преобразователь по п. 1, о т " ли ч ающи "ся тем,,что, с целью снижения потерь мощности при обеспечении питания ряда нагрузок, последние подключены к выходам соответствующих ступеней как с одянаковым, так и с разными уровнями напряжения, с

9 9285 лом4 в „лучей в каждой q -й стуйени, то число определяется как ,их т = 7, j>>4> Q D)

В соответствии с изложенным под схемами (фиг. 2а, б) указаны необходимые данные по условиям схемной реализации структуры (фиг. 1) определению числа m согласно выражениям (9 и 10) и значения Ugp, Ио соглас- 1о но выражениям (5 и 7).

На фиг. 3 приведены принципиаль-ная электрическая схема формирования девяти ЭДС, основанная на использовании одного девятифаэного (прост- 15 Формула изобретения ранственного), либо трех трехфазных или девяти однофазных трансформаторов (фиг. За), векторные диаграммы (фиг. Зб) и варианты принципиальных электрических схем трех- (фиг. Зв) 2о двухи(фиг. Зг) и четырех;(фиг. Зд) ступенчатых девятилучевых преобразователей, реализованных согласно общей структурной схеме (фиг. 1)и в соответствии с условиями реализа- д ции, приведенными на фиг. Зв, г, д.

Аналогичным образом реализуются другие типы ступенчато-лучевых вентильных преобразователей, некоторые принципиальные электрические схемы щв формирования ЭДС которых, векторные диаграммы и принципиальные электрические схемы ряда простейших их вариантов показаны на фиг. 4,5,6 с сохранением общей картины их изображения, принятой на фиг. 3, и присущего им общего свойства, обеспечивающего построение сравнительно высоковольтных преобразователей путем набора их из более низковольтных унифицированных, модулей.

Последнее также характеризует расширение функционально-конструктивных возможностей решения по сравнению с известными.

Кроме того, преобразователь позволяет без принятия специальных мер, 1и, следовательно, без дополнительных устройств и потерь мощности в них, обеспечить питанием значительное число нагрузок, причем как с одина50 ковым,так и разными уровнями напряжениями с общей или разными потенциальными точ-.. ками.Используемые при этом вентили могут быть как неуправляемыми, так и управляемыми, а последние — как сим55 метрично управляемыми (в последовательности следующих друг за другом ЗДС) так и управляемыми в любой комбинаИсточники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Белопольский И.И., Источники питания радиоустройств, И,, "Эйергия",, 1М1, с. 69.

11 общей и -или разными потенциальными точками, 92856 Э 12

2. Белопольский И.И., Репин А.M., Христианов А.С,, Стабилизаторы низких и милливольтовых напряжений.М., "Энергия", 1974, с. 8, 10, 11.

3. Журнал "Приборы и средства автоматизации", 1963, N 3, с. 180.

4. Патент СССР и 777, кл. Н 02 И 7/10, 1925 °

928569

1 1 !

1 1!

Я=.3>3=3 х=4, х =, ап Ж а,, =г,еаза

Фиг 3

1 I

Щ= f»Ä+ 1х =9

Рд=2, 4r= >

Х2 Х 1

П2 г

Ю=92I 1 >=5 р„=г,i»= s

fp>= 1ь Ц(41= 2>, ХЮ

: m- f2

° ° в Я

A Г ГП ГО O O ГГ1 ГГП

Т о

=6 "3=12 х хв 2

Vgg= 385gg >

УО= 5,йга

? 5 = 12

iÄ=O, 0„;=, У,",=МОЯ,, у, = ю,зюр, In=3К Ч Ф 12, к х4

Ogg = 2ОЯ

v= z, s, = 2>2".2 Ф=12, А х =4 хг= и ig

Г

Я= p g о g д J» (у

Р» = t Xf =, yg =, ) 7 p$g Я

fp=Oagy Äq-Ä gg

УМ=2; 1Х1 =4, В„1, % = "и ="

A=gi6-"" Ц = "х =

У„= Np ) p9fpg

928569

f77= 1У

Icc

I I

Iñ

Iñ

lC

2D до т=ух2=1у Х =9 ОХа=22 аа= > 7 Ра

Ug=- 57Ц ц р 6 т=б г 2.3=78, m=6 я=В, p„=,i„,=к, i„„=s,è„;=ÿ, г p>s д ф=Як Я a fg х=д, РУ =6, У, = 2,Ифд е

928569

С:

С:

С:

1 l!

f5

Фи.б филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

rn= 8i J=?0, 4,= "х

У =бар (l = 66!Яр

ВНИИПИ Заказ 3278/72 Тираж 719 Подписное ул=4Ф 6 =гФ, к ".т оо 565 а

У, =162