Устройство для выравнивания токов

 

(72) Авторы изобретения

М. Е. Гольдштейн и П. H. Сенигов т

Челябинский политехнический институт комсомола о:

) (71) Заявитель ьи»

"м и: .и (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫРАВНИВАНИЯ ТОКОВ

Изобретение относится к преобразовательной технике и предназначено для выравнивания токов параллельных вентильных ветвей статиЧеских преобразователей.

Известны устройства выравнивания токов между параллельными вентильными ветвями, содержащие магнитопроводы и магнитосвязанные с их помощью обмотки (1), (2) и((3).

Однако наличие в магнитопроводах этих делителей постоянной составляющей магнитного потока не позволяет эффективнр использовать эти магнитопроводы. В результате, определяемые из условия выравнивания токов па„13 раллельных ветвей массогабаритные показатели делителей существенны и также делители не находят, широкого применения.

Известен делитель тока между параллельными ветвями, содержащий магнитосвязанные с помощью магнитопровода обмотки, включенные в эти параллельные ветви, и колебательный контур. При этом параметры элементов колебательного контура (индуктивность обмотки и емкость конденсатора) таковы, что частота его собственных колебаний значительно (более чем в два раза) превышает частоту напряжения сети, питающей преобразователь.

Это приводит к тому, что колебания, развивающиеся в этом контуре на интервале непроводящего состояния вентильных ветвей,. полностью затухат ют к концу этого интервала, а материал магнитопровода полностью. размагничивается, что повышает эффективность его использования. В результате увеличивается индуктивность обмоток, включенных в параллельные ветви, и, как следствие, улучшается выравнивание токов этих ветвей (4).

Однако без увеличения массогабаритных показателей такого ye(pi»éñòâà например за Счет сечения его магнитопровода, невозможно дальнейшее улучf

930518

3 шение выравнивания токов параллельных ветвей.

Цель изобретения — улучшение вы-...". равнивания токов параллельных вентильных ветвей без увеличения массогабаритных показателей делителя тока.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве выравнивания токов между параллельными вентильными ветвями статического преобразова- 10 теля, содержащем магнитосвязанные с этими ветвями колебательные контуры, волНовое сопротивление колебательных контуров и их сопротивление выбирают, из сортношения

p< — ОМ

Р

Z где р - волновое сопротивление ко. лебательного контура, Ом;

2 - сопротивление {мнимая часть

" сопротивления) колебательного контура на частоте напряжения сети, питающей преобразователь, Ом (положительное значение сопротивления означает его индуктивный характер) Степень выравнивания средних за период значений токов параллельных вентильных ветвей определяется величинами вольтсекундных интегралов выравнивающих ЭДС на интервале проводящего состояния ветвей, вводимых в эти ветви с помощью делителя тока.

Причем, 4ем больше величины этих интегралов, тем выше степень выравнивания токов ветвей. Принципиальное отличие предлагаемого делителя тока от известного заключается в том, что при значениях отношения волново40

ro сопротивления колебательного контура к его сопротивлению на частоте напряжения сети, питающей преобразователь, лежащего в указанном диапазоне, напряжения на конденсаторах и токи намагничивания магнитопроводов делителя, в конце непроводящего интервала отличны от нуля (в известном делителе равны нулю) и имеют .такие значения и знаки, при которых величины вольтсекундных интегралов выравнивающих ЭДС, вводимых в параллельные ветви предлагаемым делителем, больше, чем известным (при равных их установленных мощностях, SS а значит, и массогабаритных показателях), а следовательно, выше и степень выравнивания токов этих ветвей. ф

На фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема индуктивного делитеЛя тока для трех параллельных вентильных ветвей; на фиг. 2—

4 ." временные диаграммы ЭДС "возмущения", появляющейся из-эа неидентичности параметров параллельных ветвей, тока намагничивания магнитопровода, напряжения на конденсаторе, имеющие место при работе предлагаемого делителя тока с разными значениями отношения волнового сопротивления колебательного контура к его сопротивлению.

Устройство (фиг. 1) содержит три магнитопровода 1, обмотки 2 и 3 на каждом магнитопроводе диод 4 и три конденсатора . Обмотки 2 включены в разные параллельные вентильные ветви. Диод 4 и все обмотки 3 соединены между собой последовательно, образуя замкнутый контур. При этом обмотки 3 соединены между собой согласно, а ffoflRðíoñòü включения диода 4 такова, что он проводит ток одновременно с параллельными вентильными ветвями. Параллельно каждой ,обмотке 3 подключен один конденсатор 5. Индуктивность L обмотки 3 и емкость С конденсатора 5, образующих колебательный контур, выбраны такими., что выполняется соотношение

О < (Ю,34, 9 где 9 - волновое сопротивление колебательного контура, Ом (измеряется специальным прибором или рассчитывается при предварительно измеренных значениях индуктивности L и емкости С по выражению у = Е7с);

2 - -сопротивление (мнимая часть сопротивления) колебательного контура на частоте напряжения сети, питающей преобразователь, Ом (величина и характер его определяется относительно зажимов конденсатора 5, например, при помощи моста переменного тока с фазочувствительным индикатором).

На фиг. 2 кривая 6 изображает изменение во времени ЭДС "возмущения" прикладываемую к параллельной ветви, и появляющиеся из-эа неидентичности параметров элементов этих ветвей, \ например> вентилей, кривая 7 - на15

2О

25 зо

5 пряжения на конденсаторе 5, кривая

8 - тока намагничивания магнитопровода 1.

Выравнивание токов параллельных ветвей делителем осуществляется как и в известном, путем введения в эти ветви на интервале их проводящего состояния выравнивающих ЭДС, равных по величине напряжениям на соответствующих конденсаторах 5 (кривая 7). Напряжение на конденсаторе в течение всего проводящего интервала имеет тот же знак, что и ЭДС

"возмущения" (кривая 6) и, частично компенсируя ее, способствует снижению небаланса тока этой ветви. Аналогичные процессы наблюдаются во всех ветвях, что,. в конечном счете, приводит к улучшению токораспределения.

Величина вольтсекундного интеграла напряжения, конденсатора 5 на проводящем интервале в сильной степени зависит от величины и полярности этого напряжения, величины и напряжения тока намагничивания магнитопровода в конце непроводящего интервала (кривые 7 и 8). При полярности напряжения конденсатора 5 в конце непроводящего интервала аналогичной полярности ЭДС "возмущения" и направлении тока намагничивания магнитопровода 1, так что он стремится зарядить конденсатор до напряжения той же полярности, что и ЭДС "возмущения", создаются условия, когда вольтсекундный интеграл напряжения конденсатора 5 на rlpoводящем интервале, появляющийся за счет энергии, запасенной в реактивных элементах колебательного контура (обмотке 3, конденсаторе 5) к началу этого интервала, будет отличен от нуля и иметь знак, аналогичный знаку вольтсекундного интеграла при нулевых значениях напряже ния конденсатора 5 и тока намагничивания в конце непроводящего интервала.

Энергия, запасенная в конденсаторе 5, к началу проводящего интервала (определяется величиной напряжения на конденсаторе и его емкостью), в течение этого интервала частично переходит в энергию магнитного поля обмотки 3 и частично рассеивается на активных сопротивлениях элементов, входящих в параллельную ветвь (вентилей, предохранителей, шин), что сопровождается разрядом конден930518 6 сатора 5. При этом напряжение конденсатора 5 на приводящем интервале изменяется таким образом, что его вольтсекундный интеграл на этом интервале (в практических случаях, когда 2 С<0,00667 с, где 2 - суммарное активное сопротивление элементов вентильной ветви, С вЂ” емкость конденсатора 5) имеет знак, совпадающий с полярностью этого напряжения, и если их знаки совпадают с полярностью ЭДС "возмущения", этот вольтсекундный интеграл и интеграл, соответствующий нулевым значениям напряжения конденсатора

5 и тока намагничЧвания, имеют один знак.

Энергия, запасенная в обмотке

3 к .началу проводящего интервала (определяется величиной тока намагничивания магнитопровода 1 и индуктивностью обмотки 3), в течение этого интервала частично рассеивается на активных сопротивлениях элементов параллельной ветви и частично переходит в энергию электрического поля конденсатора 5, заряжая

его. При этом напряжение конденсатора 5 на проводящем интервале изменяется так, что его вольтсекундныи интеграл на этом интервале всегда одного знака, совпадающего с полярностью этого напряжения, и если полярности такого напряжения,и ЭДС

"возмущения" совпадают, этот вольтсекундный интеграл и интеграл, соответствующий нулевому значению напряжения конденсатора 5 и тока намагничивания, имеют один знак. .Таким образом, если в конце непроводящего интервала создать ус" ловия, когда напряжение на конденсаторе 5 и ЭДС "возмущения" имеют одинаковую полярность кривые 7 и 6), а направление тока намагничивания магнитопровода 1 таково (кривая 8), что он стремится зарядить конденсатор 5 до напряжения той же полярности, вольтсекундные интегралы напряжения конденсатора 5 (на проводящем интервале), появляющиеся за счет энергии, запасенной соответственно в конденсаторе 5 и обмотке

3, будут иметь один знак, одинаковый со знаком интеграла, имеющего место в известном делителе (4), при ноевых значениях напряжения кон- денсатора 5 и тока намагничивания в конце непроводящего интервала. Поэтому результирующий вольтсекундный

7 9305 интеграл, равный сумме рассмотренных трех его составляющих в предлагаемом делителе будет больше, а следо вательно, и его эффективность по выравниванию токов параллельных ветвей будет выше, чем в известном делителе.

В случае, когда слагаемые вольтсекундных напряжения конденсатора 5 на проводящем интервале, появляющиеся за счет энергии, запасенной в 10 реактивных элементах колебательного контура в конце непроводящего интервала, имеют разные знаки, положительный эффект будет, если их алгебраическая сумма имеет знак, аналогичный М знаку интеграла при отсутствии энергии в обоих реактивных элементах

i контура в конце непроводящего интервала. .8 конкретном преобразователе с р0 заданным режимом работы на полярность напряжения конденсатора 5, найравление тока намагничивания магнитопровода 1 и их величины оказывает влияние индуктивность L обмотки 3 и ем- 2з кость C конДенсатора 5, образующие колебательный контур делителя, а фактически отношение .частот свободных колебаний контура LQ =1/ КС к часо тоте напряжения сетию), питающей преобразователь, а также и емкость конденсатора 5. Это следует из того, что характер процессов, протекающих в колебательном контуре на непроводящем интервале, определяется всецело частотои свободных колебач

35 ний, этого контура, а на проводящем интервале еще и емкость конденсатора 5, определяющей характер и степень рассеивания энергии контура на ак40 травных сопротивлениях элементов параллельной ветви.

Введем параметры делителя, определяющие процессы на непроводящем и проводящем интервалах: .волновое сопротивление его колебательных кон45 туров

Р= и сопротивление (мнимая часть сопротивления) цепи колебательного кон- 50 тура, состоящей из параллельно соединенных обмотки 3 и конденсатора 5, 18» 8 определяемого при частоте напряжения сети, питающей преобразователь, Характерно, что отношенйе этих сопротивлений однозначно определяется отношением частотИ Q Действительно, Р î (1) Определим диапазон значений этого отношения, в котором делитель тока обладает большей эффективностью чем известный при его. установке в трехфазных преобразователях и практически возможных случаях (5 х 10" Т; г » 2 10 Ом; Т» 2 ° 10 С; =40 град.эл.; P =Т/2гС r1,25, где Т вЂ” период напряжения сети, питающей преобразователь, у - интервал коммутации вентилей). Для этого воспользуемся фиг. 3 и 4, на которых кривые 9 и 10 изображают изменение во времени ЭДС "возмущения", кривые

11 и 12 - напряжение на конденсаторе 5, кривые 13 и 14 - тока намагничивания магнитопровода 1.

При этом кривые на фиг. 3 и 4 построены соответственно для минимального и максимального значений отношения р /Z, определяющих соответственно нижнюю и верхнюю границу диапазона значений этого отношения, при котором еще существует положительный эффект. Определим соответствующие им отношения частот L6 /и).

При этом заметим, что кривые 11 и

12 на непроводящем интервале имеют вид гармонических функций, изменяющихся в соответствии с процессами, происходящими в колебательном контуре, с угловой частотой и о.

Обозначим через tH длительность непроводящего интервала. Тогда с одной стороны, t T6-у (2) с другой, из кривой 11

t<=y„fx„+ g Тон

1 а из кривой 12 н=у » х > Тов (4) где b - интервал проводящего состояния вентильных ветвей при =О, С

T0HТо - периоды свободных колебаний колебательных контуров, определя-. емые соотВетственно нижней и верхней

)0) 1, ас

МЯ, 1- 4 1С

1иЦ, —.

)WC границами их угловых частот ц)вн, сдов

Приравнивая кривые части выражений.(2) и (3) и (2) и (4), получим

Т-Ь=3 = у„+х +0,25 Тон

Т-6-0- уп+ х +О, 75 Т зо

7 и отно9 93051

Учитывая в этих уравнениях, что

T 2" d T0H =2 / он Ъ» =2> < 08 решаем порознь их относительно частного угловых частот и получим

J1+X1 5

®Он О,М вЂ” (5)

Т

„ц О,V5 - —

%XI}

ОН 1ОЬ 1Π— у- — 1Т

Из фиг 3 и 4 соответственно следует (кривые 11 и 12), что положительный эффект за счет увеличения вольтсекундного интеграла достигается при у /ТОН <1/4, у} 0 (для упрощения анализа примем граничные значения этих параметров у /Тон=1/4; у} =О, что несколько сужает диапазон искомых значений отношения y/2)

Значения х q/Toì =0,0555 и М }/То »=

=0,0417 соответственно максимальное и минимальное значения интервалов, которые расчитаны из условия равенства нулю алгебраической суммы вольтсекундных интеГралов напряжения конденсатора 5 на проводящем интервале, появляющихся за счет энергии, запасенной соответственно в обмотке 3 ЭО и конденсаторе 5 к началу этого интервала.

Расчеты отношений угловых частот по выражениям (5) и (6) при соответствующем трехфазным преобразователям.значении b /Т=1 /3 и соответственно значениях о /Т=0,111 и у/Т=О с последующим использованием их результатов при расчете граничных значений отношения о/2 по выражению io (1) пЬказали, что допустимые значения такого отношения сопротивлений лежат в диапазоне

9 !

О - «O>+ (Т), 2 43

В известном же делителе имеет место неравенство ы}о 02и}, после учета которого в выражении (1) по" лучаем

Р ъ 1 5

Как следует из неравенства

8 области допустимых значений

8 10 шения p/2 и редла га емого и мЛ вест ного делителей не пересекаются, поэтому по значению этого отношения делители можно отличать. друг от друга.

Использование предлагаемого делителя тока позволит при проектировании статических преобразователей большой мощности принимать меньшее значение коэффициента, учитывающего неравномерность распределения тока по параллельным. вентильным ветвям, не увеличивая при этом массогабаритные показатели делителя.

Формула изобретения

Устройство для выравнивания токов между параллельными вентильными ветвями статических преобразователей, содержащее магнитосвязанные с этими ветвями колебательные контуры, о т л и ч а ю щ..е е с я тем, что,. с целью улучшения выравнивания токов без увеличения массогабаритных показателей делителя тока, волновое сопротивление колебательных контуров .и их сопротивление выбрано из соотношения

0 < - <0.,34 ) где у - волновое сопротивление колебательного контура, 1 - сопротивление (мнимая часть сопротивления) колебательного контура на частоте напряжения сети, питающей преобразователь.

Источники информацию, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент США tf 3013200, кл. 321-27, заявл. 30.06;59, опублик.

12.12.61, фиг. 9.

2. Быков 8.М. и Шипилло В.П. Исследование индуктивных схем выравни.вания токов параллельно включенных вентилей.-"Электричество", 1968,. !

1" 7, с. 67-72.

3. Патент Англии Н 1079129, опублик. 1967.

4. Патент США И 2994028, кл. 321-27, опублик. 1962.

930518

Составитель Г. Мыцык

Редактор А. Шандор Техред Е. Харитончик Корректор У. Пономаренко

Эаказ 3 9/75 Тираж 719 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,