Ступенчатый преобразователь переменных напряжений в постоянное

 

(72) Автор изобретения

А.М.Репин (7l) Заявитель,/ .

{54) СТУПЕНЧАТЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЪ ПЕРЕИЕННЫХ

НАПРЯЖЕНИЙ В ПОСТОЯННОЕ.1

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

Известны 1,2,...,m-лучевые вен-. тильные преобразователи переменных напряжений в постоянное с последующей фильтрацией его переменной составляющей содержащие m источников переменных ЭДС, сдвинутых по фазе на 360/а эл.град. относительно друг друга и неуправляемые или управляемые преобразовательные элементы, например, вентили, образующие совместно с указанными ЭДС и линиями соединения в однолучевых ячеек преобразования, соединенных между собой в параллель. Причем ЭДС и вентили имеют одинаковое направление включения по всех лучах, а к выходу преобразователя через сглаживающий фильтр, например электростатический, 2 элемент, подключена нагрузка (1) и (2.).

Известны также 1,2,...m-фазные мостовые преобразователи переменных напряжений в постоянное с последующей фильтрацией переменной составляющей, содержащие m источников преобразуемых ЭДС, сдвинутых по фазе на 360/m эл. град. относительно друг друга, неуправляемые и/или управляемые преобразовательные элементы (вентили), образующие 2, 3,...Л вентильных ячеек из соединенных последовательно согласно двух вентильных плеч в каждой из них, и Л линий, каждая из которых соеди. няет соответствующий выход источников .ЭДС с внутренней точкой соединения вентильных плеч одной из Л

zo вентильных ячеек. Причем ЭДС и вентили имеют одинаковое направление включения во всех источниках ЭДС и ,вентильных ячейках и совместно с соответствующими линиями образуют Т-о6

3 9592 разные ячейки преобразования. Вентильные ячейки соединены при этом параллельно между собой и образуют

Л-ячейковый вентильный мост, к выходу которого через сглаживающий фильтр подключена нагрузка. Преобразуемые ЭДС в этих устройствах, формируются как непосредственно на неразделенных обмотках трансформатора, электрических машин,так и пу- lo тем соответствующего соединения их отдельных частей. При амплитудно-фа,зовой симметрии токооЬразующих ЭДС указанные соединения ячеек преобразования обеспечивают П-кратное уве- 1s личение частоты f ä пульсации выходного напряжения 0о по отношению к частоте f преобразуемых ЭДС и резкое снижение коэффициента пульсации

Кп — -д0 /V с ростом m, Н, где д00уровень или полный размах мгновенного значения выходного напряжения 00 от минимума до максимума, Чо - его среднее значение.

Дальнейшее эффективное подавление пульсации обеспечивается сглаживающими фильтрами, что в совокупности с уменьшением ее уровня трансформаторно-вентильным путем является важным достоинством указанных преобразователей (3).

Недостатками таких устройств являются относительно низкие качественные и режимно-энергетические показатели и ограниченные функциональные и конструктивно-технологические возмож- З ности при необходимости обеспечения питанием сравнительно высоковольтной нагрузки.

Наиболее близким к предлагаемому является преобразователь переменных напряжений в постоянное с последующей фильтрацией его переменной составляющей, содержащий М ячеек преоЬразования, выполненных каждая из последовательно соединенных источника ЭДС, линии и вентильной ячейки, распределенных по ступеням и включенных параллельно однонаправленно в каждой иэ них, причем один выход одной иэ ступеней подключен к одному из входов сглаживающего фильтра, принятых за исходные, однополярный с этим входом выход которого соединен с нагрузкой (4 ).

Этот преобразователь частично 55 устраняет минусы лучевых и мостовых (одноступенчатых) схем, однако вследствие малого числа конкретных схем37 4 ных Реализаций ступенчатого типа, coAepNaULHx к тому же одинаковое и ограниченное число ячеек преоЬразования в каждой ступени при небольшом (равном двум - четырем) общем числе ступеней, он обладает ограниченными возможностями .

Кроме того, подключение сглаживающего фильтра непосредственно на выходе устройства приводит к относительно плохим его массо-габаритным и стоимостным показателям (МГСП), что обусловлено, в частности, необходимостью выбора электростатических элементов (например конденсаторов) не только на полное (номинальное) высокое напряжение нагрузки, но и с соответствующим по пульсациям и переходным процессам (броскам напряжения) запасом.

Это устройство обеспечивает питанием лищь одну нагрузку, в то время как в ряде случаев их имеется не— сколько. В связи с этим, в сглаживающий фильтр включают дополнительные фильтрующие звенья с электростатическими элементами в поперечных и электромагнитными элементами, либо резисторами вместо них в продольных ветвях каждого звена фильтра. Последнее приводит, однако, к увеличению массы и обьема электростатических элементов (конденсаторов), обусловленных высоким напряжением на каждом из них, влиянию каждой нагрузки одновременно на все источники преобразуемых ЭДС и друг на друга ввиду непосредственной их гальванической связи; снижению КПДустройства вследствие дополнительных потерь активной мощности, рассеиваемой в балластных резисторах

t ухудшению качественных и режимноэ нер гети ческих показателей устройства в целом.

Кроме того, при большой постоянной времени электростатического элемента, устанавливаемого в таких устройствах в первую поперечную ветвь сглаживающих фильтров, в схемах формируются узкие токовые импульсы (броски тока) значительной амплитуды, что также снижает надежность и коэффициенты использования вентилей и источников ЭДС (трансформаторов) высоковольтных преобразователей, приводя к дополнительному ухудшению их МГСП

5 9592

Цель изобретения — расширение конструктивно-технологических возмож.ностей и улучшение качественных и режимно-энергетических показателей, в том числе снижение массы, объема, стоимости, повышение надежности, обеспечение питанием многоканальной нагрузки с одинаковым или/и. разными уровнями напряжения без существенных дополнительных потерь активной 10 мощности и, следовательно, без заметного снижения КПД; возможность модульного построения сравнительно высоковольтных устройств путем на бора их из более простых (унифици- 15 рованных) и более низковольтных (менее мощных) полупроводниковых модулей; возможность построения практически неограниченного количества принципиально различных конкретных схем- зо ных реализаций устройства, содержащих сглаживающие фильтры различных типов, Эта цель достигается тем, что в ступенчатом преобразователе перемен- 25 ных напряжений в постоянное с последующей фильтрацией его переменной составляющей, содержащем N ячеек преобразования, выполненных каждая из последовательно соединенных источника ЭДС, линии и вентильной ячейки, распределенных rio ступеням и вклю-, ченных параллельно однонаправленно . в каждой из них, один выход одной из -ступеней подключен к одному из входов сглаживающего фильтра, принятого за исходный, однополярный с этим входом, выход которого соединен с нагрузкой, указанные ступени распре" делены по группам и звеньям, каждое и-е звено из общего их числа пх.со|держит р.х групп с imp. ступенями в каждой уА.-й группе и с4х,- ячейками преобразования в каждой ip.-й ступе ни, другой вход исходного сглажива-! ющего фильтра соединен с однополярным с ним выходом исходной ступени . или группы, к остальным ip-м ступе,ням или их группам подключены допол:нительно введенные сглаживающие фильSO тры, образующие совместно с соответствующими им ступенями или группами преобразовательно-фильтровые структуры, которые соединены между собой последовательно разнополярными или/и

5S параллел ьно однополярными выходами, а к свободному из них подключена другим своим выходом нагрузка, при этом общее число ячеек преобр азова37 6 ния и число звеньев связаны между со бой соотношением: : „=и„,,их — число ячеек преобразогде

Х Х вания в И-м звене ,и=4

1хр число ячеек преобразо, . - вания в 4-й группе люХ и.. Х1и, 1о.=4 бого звена, число ячеек преобразования в i.-é ступени

Жй группы, целые полижительные числа.

Кроме того, в разные ip-å ступени включены разнотипные ячейки преоб" разования.

С целью дополнительного расшире" ния длительности и снижения амплитуды токовых импульсов мостовых ступеней с электростатическим элементом в первой поперечной ветви их сглаживающего фильтра, между вентильными плечами каждой вентильной ячейки данной мостовой ступени с электростатическим элементом в первой поперечной ветви ее сглаживающего фильтра подключен зашунтированный дополнительным электростатическим элементом дополнительный электромагнитный элемент, к средней точке которого подключена линия.

Электромагнитные элементы выполнены в виде линейных дросселей или трансформаторов, магнитно связанных либо не связанных между собой и/или между звеньями сглаживающих фильтров разных ступеней.

С целью дополнительного улучшения качественных показателей, хотя бы одно из звеньев сглаживающих филь" тров, содержащих электромагнитный и смежный с ним электростатический элементы, выполнены в виде элемента с совмещенными функциями индуктивности и конденсатора ("индукона").

С целью дополнительного улучшения режимно-энергетических показателей в каждую линию ячеек преобразования мостовых ступеней включен дополнительный "дозирующий" электростатический элемент, например, конденсатор, допускающий смену полярности напряжения на нем.

С целью дополнительного улучшения качественных показателей источники переменных ЭДС и "дозирующие" электростатические элементы выполне

N ПХ=МХ

7 95 ны в виде элемент а с совмещенными функциями трансформатора и конденсатора ("транскона") .

С целью дополнительного снижения амплитуды ЭДС и массо-габаритных показателей,фильтровых конденсаторов, каждая иэ ; ЭДС ячеек преобразования или их часть разделены на j секций (j .=0,1,2,. ..) и на их осйове образованы дополнительные преобразовательно-фильтровые структуры, включенные своими выходами последовательно разнополярно или/и параллельно однополярно между собой и с основными преобразовательно-фильтровыми структурами.

С целью дополнительного упрощения и повышения КПД при обеспечении питанием многоканальной нагрузки разли чные каналы мно го канал ьной на грузки подключены к выходам соответствующих преобразовательно-фил ьт ровых структур с одинаковыми или/и разными уровнями напряжения с общей или/и разными потенциальными точками.

На фиг. 1 изображена общая ьструктурная схема преобразователя; на фиг. 2а и 3 — эквивалентные электрические схемы ряда простейших его реализаций; на фиг. 2б - соответствующие схеме фиг. 2а осциллограммы, иллюстрирующие формы преобразуемых ЭДС, выходного напряжения и напряжения на сглаживающих фильтрах устройства и аналога; на фиг. 4-6— ряд конкретных принципиальных электрических схем ступенчато-лучевого (фиг. 4а-n}, ступенчато-мостового (фи г. 5а-д) и ступенчато-комбинированного (фи r. 6а- в) типов с различными сглаживающими фильтрами и способами их включения, а также при наличии или отсутствии "дозирующих" конденсаторов, последовательном либо частично параллельном соединении преобразовательно-фил ьтровых структур с магнитно не связанными либо свя занными между собой электромагнитными элементами и включенными в вентильные ячейки дополнительными электромагнитными элементами, зашунтированными дополнительными конденсаторами.

Преобразователь 1 с подключенной к его выходам 2 и 3 нагрузкой 4 содержит п=1, пх звеньев 5 и 6 от первого 5 по и„-е 6 звено каждое из которых состоит иэ,и-=1, Q< групп 7 и

8 от первой 7 по,их-ю 8 группу с 1,к=

9237 8 =1, ix< ступенями 9 и 10 от первой

9 по 1х,„-ю 10 ступень в каждой группе 7 и 8 и с V =1,Мх, ц ячейками 11 преобразования в каждой ступени

9 и 10.

Ячейки 11 преобразования содержат источники 12 преобразуемых ЭДС, соединенные через линии 13 с вентильными ячейками 14, выходы 15 и 16 кото10 рых являются выходами 17 и 18 исходной ступени 9, и к ним подключен исходный сглаживающий фильтр 19, К выходам 20-25 остальных ступеней или групп преобразователя 1 подключены

15 дополнительные сглаживающие фильтры

26-30, которые совместно с соответствующими им ступенями или группами образуют преобразовательно-фильтровые структуры (ПФС), соединенные меж20 ду собой последовательно разнополярными или параллельно однополярными выходами 31-36, свободные выходы 37 и и .38 которых являются выходами 2 и

3 преобразователя 1. При этом общее число N ячеек преобразования и число и „ звеньев связаны между собой соот ношением:

30 У Х число ячеек преобразоХ „ Х вания в и -звене,,и=1 дахр. — число ячеек преобразова=, > „4х,ы ния в и-й группе любого

1 и= звена, чи сло я чеек. преобр азования в 1-й ступени р.-й группы, „) — целые положительные чис1 / " t

40 ла.

Устройство работает следующим образом.

Пусть на выходе сглаживающего фильтра 1 (--й ступени формируется напряжение 0„, равное амплитуде Ь„ .преобразуемйх ЭДС. Тогда из фиг. 1 следует, что по отношению к известному одноступенчатому устройству напряжение 00 на нагрузке 4 преобразовате50

".х ля 1 увеличено в Д п„ i раз при (х „„XF одинаковых с аналогом, значениях амплитуды Зс1 фазных или амплитуды S дисМ( агональных ЭДС. Соответственно во

55 столько же раз может быть уменьшена амплитуда S (*1в преобразователе 1 (фиг, 1) по сравнению с сопоставля- ( емым решением, если требуется обеспе40

Сущность процессов в преобраэова" теле 39 (фиг. 2а) иллюстрируют осциллограммы (фиг. 26), на которых индексы напряжений соответствуют позиционным обозначениям элементов (фиг. 2а) за исключением обозначений О с,, U a, относящихся соответственно к среднему и мгновенному значениям напряжения на нагрузке двухлучевого одноступенчатого аналога.

Из фиг. 2б видно,, что напряжение 041 на нагрузке 42 устройства (фиг. 2а) примерно в два раза больше напряжения О С1аналога при одинаковой амплитуде.S преобразуемых

ЭДС в них. Соответственно эта амплитуда Sa может быть установлена в устройстве (фиг. 2а) в 2 раза мень95923 чить одинаковое для них напряже- ние 0о

Так как амплитуда U oy обратного напряжения на вентилях, определяющая их вентильную прочность, связана непосредственно с амплитудой Sa(A) преобразуемых ЭДС, то уменьшение в А раз амплитуды Sa(+p предлагаемом преобразователе приводит к резкому снижению амплитуды Ua у по сравнению с указанным решением и, следовательно, к соответствующему уменьшению числа вентилей в случае последовательного их соединения в каждом вентильном плече.

Снижение амплитуды Ua o в устройстве позволяет .использовать менее высоковольтные и, значит, с лучшими ИГСП силовые вентили,. а уменьшение амплитуды Sa(+1 упрощает решение проблем, связанных с обеспечением надежной изоляции высоковольтных обмоток трансформаторов.

Так как число вентильных плеч и источников преобразуемых ЭДС в устройстве сохраняется по отношению к сопоставляемому решению, то использование менее высоковольтных обмоток трансформаторов, а также меньшего числа вентилей (в случае их поЗо следовательного соединения) или с лучшими их МГСП (при одинаковом с аналогом числе) повышает надежность и снижает массу и объем вентильного и трансформаторного блоков.

Несмотря на увеличение числа сгла- З5 живающих фильтров, на МГСП которых влияют в основном электростатические элементы (конденсаторы), их ИГСП в целом также снижены по сравнению с известным преобразователем, так как при одинаковом с ним напряжении

U напряжение на каждом электростао тическом элементе, включенном в поперечные ветви фильтров, уменьшено в А раз и соответственно в А раэ .. уменьшена пропорциональная квадрату этого напряжения электростатическая энергия в каждом из них, определяющая, как известно, их масбу и объем. 50

При этом, указанные свойства достигаются без ухудшения режимов работы и без увели чени я коли че ст ва я чеек преобразования, и, следовательно, беэ дополнительного включения новых .55 из них и новых вспомогательных устройств, обеспечивающих нормальное режимное состояние элементов.

7 10

Кроме того, устройство позволяет беэ принятия. специальных мер (напри" мер, беэ включения балластных резисторов) обеспечить питанием значительное число нагрузок путем подключения их к разным ступеням или группам сфильтрами, причем как с одинаковыми, так и разными уровнями напряжения, с общей или/и разными потенциальными точками.

Таким образом, по сравнению с известными преобразователями реализация предлагаемого устройства позволяет улучшить ряд качественных и режимноэнергетических показателей и расширить функциональные возможности при одновременной простоте схемно-технического решения.

На фиг. 2а дана простейшая эквивалентная схема двухступенчатого преобразователя с емкостными сглаживающими фильтрами, выполненная согласно фиг. при соблюдении следующих условий реализации: N=2, пх=1,,и х =1, 1х=2, 4g =1, или равноценных им условий: И=2 пх=1 х 2ь 1х 1ю хи, =1При этом N: n х-— 1х =2: " 2, — — 1+1=2;

N, n, pà, i, М - целые положительные числа.

Преобразователь 39 (фиг. 2а), к выходам 40 и 41 которого подключена нагрузка 42, содержит две ступени 43 и 44 однолучевых ячеек преобразования, зашунтированных каждая конденсаторами 45 и 46, которые сов" местно со ступенями 43 и 44 образу" ют ПФС, соединенные между собой последовательно разнополярными выходами 47 и 48, а их свободные выходы

49 и 50 являются выходами 40 и 41 преобразователя 39.

11 . 95923 шей, чем в сопоставляемой схеме, в случае необходимости обеспечения одинакового напряжения U

Аналогично, амплитуда U o обратного напряжения на. вентиле в уст- 5 ройстве (фиг. 2в) снижена в 2 раза . при одинаковых значениях Up, что с учетом совпадающего с. сопоставляемым решением чиела вентильных плеч приводит к снижению числа вентилей в >О случае необходимости последовательного их включения, либо возможности установить менее высоковольтные, и следовательно, с лучшими ИГСП .преобразовательные элементы. Кроме то- д го, устройство (фиг. 2а) может обесO печить питанием две нагрузки с равным по уровню и одинаковым па полярности, либо с одинаковым по уровню и противоположнЫм- по полярности .напряжением, ур либо три нагрузки с. разным по уров- ню и полярности напряжением, что. без принятия специальных мер недостижимо в известном устройстве.

При й-ступенчатом варианте рас2S смотренной реализации (фиг.- 2a) те же показатели S, Оо, 0с,о еще более улучшаются, в. частности, среднее значение выходного напряжения при этом составляет 0ои NS . В то же вре30 мя, известно, что.сумма последовательно соединенных симметричных Ilo амплитуде и форме ЭДС, сдвинутых по фазе на 360/й эл.град.. относительно друг друга, равна нулю, и, следовательно, подобная схемная .реализация известного преобразователя с одним общим для всех ступеней сглаживающим фильтром на выходе схемы принципиально не выполнима, что свидетельствует о его ограниченных функциональных возможностях и одновременном устранении этого недостатка . в предлагаемом устройстве.

Улучшение ряда показателей и расширение различных возможностей в устройстве иллюстрируют схемные реализации, приведенные на фиг. 3-6.

На фиг. За, б даны эквивалентные электрические схемы двухступенчатых реализаций преобразователя 51 и

52 с двумя .(фиг. За) и тремя (фиг.Зб} ячейками преобразования и одним емкостным фильтром 53-56 в каждой из ступеней 57-60. При этом, согласно общей структурной схеме (фиг. 1) соблюдены следующие условия реали. зации: й=4, n„=l, +„=1, i „=2,4 x„=2 (фиг. За) и й=6, пх=1,Нх =1 1х =2

7 12, х; =3 {Фиг. Зб) или равноценных им условий: N=4 пх=1, ц.х -— 2, 1х„ц=1, ax+=2 и N=6, nx=i x=2 1хи;1 /ха=

=3. Причем N:nx=4x —— 4:1=4 xp,=2+2=4 (фиг. За) и и пх= х=.6:1=6 1х =3+3=6 (фиг. Зб).

Как"видно из фиг. 3а, б, источники ЭДС и преобразовательные элементы имеют одинаковое направление включения во всех ячейках преобразования, а. преобразовательно-фильт" ровые структуры, образованные ступенями 57-60 и сглаживающими фильрами 53-56, соединены между собой последовательно разнополярными выходами 61-64. К их свободным выходам

65-68, являющимся выходами 68-72 преобразователя 51-52, подключена нагрузка 73 и 74, на которой формируется напряжение 0О, содержащее постоянную U и переменную 0 составляющие. При этом кратность частоты колебаний этой переменной составляющей (пульсации), обеспечиваемая известными преобразователяье, сохранена в указанных реализациях устройства, и, тем самым., сохранено важное достоинство известных решений при одновременном улучшении Ml Cll сглаживающих фильтров и устройства в це". . лом.

При й/2 двухлучевых или й/3 трехлучевых ступеней с емкостным фильтром в каждой из них схемные реализации устройства обеспечивают улучшение режимных показателей Up Яд, 0цо примерно в N/2 или й/3 раз (при одинаковых значениях Sg, 0, 0 „о соответственно) по сравнению с одноступенчатым аналогом с и ячейками преобразования в них.

По сравнению с известным преобразователем с одним общим фильтровым . конденсатором включение дополнительных й/2 - 1 или й/3 - 1 фильтровых конденсаторов в предлагаемом устройстве снижает напряжение на них в й/2 или й/3 раз и, соответственно, уменьшает в (N/2) или .(й/3) раз пропорциональную их массе и объему электростатическую энергию.в них.

Рассмотренные схемные реализации устройства содержат одно звено и одну группу, либо одно звено с соответствующим числом групп при одной ступени в каждой из них, либо ряд зве-. ньев с одной группой в каждом звене и одной ступенью в каждой группе.

Причем, во всех случаях каждая сту14 и тип преобразовательных элементов, Указанные ячейки могут быть выполнены как лучевого (фиг, ? и 3), так и Т-образного или любого иного типа. Преобразуемые ЭДС могут быть сформированы как непосредственно на неразделенных обмотках трансформаторов, электрических машин, так и/или путем соответствующей комбинации сое:динений их отдельных частей. Преобразовательwe элементы могут быть как неуправляемыми, так и/или управляемыми, а также механическими и/или электронными и/или полупроводниковыми и пр. Отдельные ступени, группы или звенья могут представлять собой самостоятельные модули, более низковольтные и существенно менее мощные, чем вентильный преобразова-. тель в целом.

Из всего следует, что согласно общей структурной схеме (фиг. 1) или эквивалентным схемам (фиг. 2 и. 3 или подобным им) возможна реализация практически не ограниченного числа конкретных принципиальных электрических схем, что свидетельствует о широких схемно-функциональных и конструктивно-технологических возможностях предлагаемого устройства, улучшения его ряда показателей.

Некоторые варианты таких конкрет-. ных схем с соответствующими им векторными диаграммами, иллюстрирующими формирование в фазовой плоскости фазных, диагональных и токообразующих

ЭДС, приведены на фиr. 4-6. Изображены соответственно ступенчато-луче" вые, ступенчато-мостовые и ступенчато-комбинированные схемные реализации при различных значениях И=а, * i .x 4 х у

1р.х под схемами, а также различных типах сглаживающих фил ьт ров, местах и способах их включения.

Реализации на фиг. 4-6 представ. ляют собой одназвенные пх — — 1 схемы, содержащие две (фиг, 4б, з-п, ба, б), три (фиг. 4а, ж, бв), четыре (фиг.4е) и шесть (фиг, 4д) лучевые или две (фиг. 5а-в, 6) . и три (фиг. г, д) мостовых ступеней. Каждая из таких ступеней содержит,в свою очередь, соответственно две (фиг. 4д), три (фиг. 4а, б, е, 5а, r, 6.), четыре (фиг. 4ж, бв), шесть (фиг, 4б, з, и, 5а, г, д) девять (фиг. 4к, л, н, 5б, г), двенадцать (фиг.4м, о) и двадцать четыре (Фиг. 4п)ячейки преоб13 959237 пень реализации содержит одинаковое число ячеек преобразования при всех

4 =1 ° х °

На фиг. Зв дана эквивалентная электрическая схема, содержащая две ПФС с фильтрами 75 и 76 и ступенями 77 и 78, в каждой из которых число ячеек преобразования различно. Соблюдены следующие условия реализации:

N=3, nx=1 ц.х =1 .1х=2 1 = l =2, 10 причем N: пх= х=3: 1=3,1хp. =1+2=3

Из фиг. 2 и За, видно, что число ступеней в каждой ПФС схемных реализаций устройства одинаково. Эквивалентная электрическая схема при различном числе ступеней в.каждой из двух ПФС приведена на фиг, Зг, Одна из ПФС содержит одну ступень

79 с индивидуальным сглаживающим фильтром 80, а другая — две ступени

81 с общим для них сглаживающим фильтром 82, 1Таким образом, конкретные резуль.таты улучшения качественных и режимно-энергетических показателей зави- 25 сят от конкретных значений чисел й, пх р. 1х gx + а также от спосо ба подключения сглаживающих фильтров.

При этом последние могут быть не толь-. ко емкостного, но также индуктивного или иного типов. Достижение положительных свойств проявляется в этих случаях различным образом в зависимости от конкретных схемных реализа.ций сопоставляемых решений. Причем, если при однозвенном, групповом сое35 ди нении ступеней с произвольным их числом 1х в р.-х группах и числом ячеек преобразования в ið-õ сту-

X jpпенях улучшение потенциальных вели40 чин по сравнению с одноступенчатым устройством. зависит от числа Ах .определяемого суммой всех 1х ступеней всех групп звена, то при и„-звенном соединении улучшение, свойственное

45 однозвенному варианту, возрастает в и< раз. Тем самым, .общее улучшение А показателей схемы определяется произведением пхАх.

Аналогичным образом улучшаются качественные и режимные показатели и

50 расширяются функциональные и конструктивные возможности предлагаемого уст:ройства по отношению к равноценной реализации известного, При этом, в любом случае не накладывается каких-либо ограничений на способ формирования преобразуемых ЭД, тип ячеек преобразования

15 959237 1ь разования при общем их числе в устрой- по отношению к ЭДС и стве равном девяти (фиг. 4а, 6,5а, в) ни. двенадцати (фиг. 4д-и, 5r, в), восем- Отдельное звено с фнадцати (фиг. 4к, л, н), двадцати фильтра данной ступе одной (фиг. 5 г), двадцати четырем или группы (фиг. 4а, (фиг. 4м, о) и, сорока восьми (фиг.4п) выполнено в виде Г-( учета йервых конденс

Образование преобразуемых ЭДС в ной вет ви фил ьтра, и фаэовой плоскости, их векторная на- тиром) или П-(фиг. 4 правленность и фазовые сдвиги пока- i6 таких конденсаторов) заны на векторных диаграммах, приве- тра. Причем в смежны денных у соответствующих им схем кие фильтры могут бы (фиг, 4-6). При этом, формирование вого (фиг. 4а, б, ддвенадцати фазосдвинутых ЭДС (фиг.4в, так и разного (фиг. г) является общим для схем (фиг. 4д, s типов. е), а также для других подобных схем, Вместе с тем при вь м, при образованных, например, путем подклю- ньев, групп или ступ чения к вторичным обмоткам трансфор- го типа, содержащих маторов, показанных на фиг, 4в, двух- однотипные сглажива ячейковых .(однофазных) или трехячей- рв (фиг. 4д-ж к л н

° р 3 у ковых (трехфазных) вентильных мостов образователе повышаю с последовательно-согласно соединен- ты однотипности и те ными между собой фильтрами, изображен- устройства, атакже р ными, например, на фиг. 4д, е. можности использован

При этом, преобразуемые ЭДС явля- gs модульного построени ясь фазными либо линейными или» ди- телей. агональными в лучевых и мостовых схе- Так как в преоб

3 р мах, могут быть, сформированы 8 кон- даются условия М <

x1,и кретных реализациях различным обра- у (Л (в мостовых

Хi+ эом: непосредственно, т.е. прямым сня-3о тельность А1,открыт тием напряжения с неразделенных вто- + . -ro вентиля в пре

Р

1,и. ричных обмоток (фиг. 4а, б, д, е, стве больше длительн

5a, r ), либо путем соответствующе- и-или Л-ячейковых ве го, например, в зигзаг, соединения разователей. их разделенных частей (фиг. 4а, б, Следовательно, ис ж"и, 5а-г, 6).

ýs точников ЗДС в предл

Использование частей обмоток мо- . стве улучшается по в жет осуществляться также различным по сравнению с извес образом: автономно, т.е. при одно- при одинаковой посто двухразовом - в лучевых (фиг. 4а-и . сглаживающих фильтра или двухразовом за период ЭДС уча- Причем схемные ре ю стии данной части обмотки в мосто- ства допускают парал вых (фиг. 5а, r, 6) схемах, либо ние однополярными вы комплексно, т.е. при многократном части преобраэовател за период ЭДС участии данной части структур (фиг. 4л-и

4s

° р обмотки с целью формирования разнюх, бо их групп или звень сдвинутых по фазе переменных ЭДС 8 то же время разные (фиг. 4о, и, 5Ь, r, д). ПфС мог т с е т

Причем фазы таких переменных ЭДС

М„ -х ячеек преобразования данной 50

1,йй ступени могут быть сдвинуты симметрично на 360/,„. эл.град. относительно друг друга (фиг. 4а, д, к, м, н, о, и, 5а-д, 6 ), а фазы переменных ЭДС последующей ступени могут Н быть сдвинуты на 360/ rn - в лучевых (фиг. 4а, б, д-з, к-и) или 360/Ив мостовых ступенях (фиг. 5в) зо.град. редыдущей ступеглажи вающего ни (фиг. 4-6) д) может быт ь фиг. 4 и 5, без аторов в продольоказанных пунки 5, с учет,ом образного фильх ступенях тать как одинакоз, к, л, н, 5а-д), 4а, м, о, и, 6) соединении звееней одинаково" соответствующие ющие фильтры

56, в), в прется коэффициенхнологичности асширяются возня преимуществ я преобразовааэователе соблюл(в лучевых) и схемах), то длиого состояния длагаемом устройости Л известных нтильных преобпользование исагаемом устройремени их работы тным устройством янной времени в в них. ализации устройлельное включеходами хотя бы ьно-фильтровых

56, ба, в), лиев (фиг. 66) . ступени таких у од ржа ь разнотипные ячейки преобразования (фиг. 6) при параллельно-последовательном (фиг. 56, ба, в) или последовательно-параллельном (фиг. 66) соединении ПфС.

Так как различные ПФС устройства соединены между собой последовательно, то регулирование (стабилизация) выходного напряжения может быть осуществлено посредством преобразова" тельных элементов лишь одной такой ПФС (фиг. 2-6) в широ95923

17 ком (фиг. 2-5) или локализованном (фиг. бв) диапазоне. При этом в качестве управляемых преобразовательных элементов могут быть установлены любые приборы ключевого типа - тиристоры, транзисторы, магнитные усилители, герсиконы с неуправляемыми вентилями и пр.

В случаях, когда конкретная реализация вентильного преобразователя содержит ПФС из схем мостового типа с электростатическим элементом (например конденсатором) в первой поперечной ветви их сглаживающих фильтров, дальнейшего увеличения длитель- 15 ности и, как следствие, снижения амплитуды импульсов тока вентилей и источников ЭДС можно достичь, если меж- . ду вентильными плечами каждой вентильной ячейки данного,вентильного в . моста дополнительно подключить зашунтированный дополнительным электростатическим элементом электромагнитный элемент (например, индуктивност.ь), а линию подсоединить к его средней точке (фиг. 5а, д, бв).

В этом случае дополнительный электромагнитный элемент обеспечивает расширение интервала протекания тока через вентили и источник ЭДС, à дополнительный .электростатический элемент обеспечивает циркуляцию энергии, накапливаемой в .дополнительном электромагнитном элементе.

Причем электромагнитные элементы фильтров могут быть выполнены в виде линейных дросселей, трансформаторов или иных элементов, магнитно не связанных (фиг. 4д, ж, 6) или связанных (фиг. 4а, б, е, з, и, л-п, 5) между собой (фиг» 4 и 5) и (фиг. 46, е, м, 5а, в, д) или (фиг. 4а, з, л-н, п, 56) между звеньями сглаживающих фильтров разных ступеней.

Дальнейшего улучшения ИГСП сглаживающих фильтров можно достичь пу45 тем включения в них элементов c соамещенными функциями индуктивности и конденсатора ("индуконов"), так как в этом случае вместо двух конструктивно и функционально разделенных элементов (электростатического и электромагнитного) используется один, Последнее также способствует расширению функционально- конструкти в5S ных возможностей предлагаемого решения по сравнению с известными, что особенно проявляется в многоступен7 18 ,чатых схемах или/и при наличии мно" гоз венных фил ьт ров, Дополнительного улучшения режимно-энергетических показателей вентильного преобразователя, содержащего мостовые ступени, можно достичь, если в каждую линию ячеек преобразования включить дополнительный (дозирующий) электростатический элемент, например, конденсатор, допускающий смену полярности напряжения на нем (фиг.4а б) .

Такое включение позволяет без дополнительных потерь активной мощности улучшить качество потребляемой энергии за счет компенсации реактивной мощности сглаживающих фильтров, а также улучшить качество переходных . процессов в них вследствие форсирования установления процессов и соответствующего перераспределения (дозирования) энергии реактивных элементов.

Если в последнем случае источниками переменных ЭДС являются трансформатор или электрическая машина, то дополнительного улучшения ИГСП вентильного преобразователя можно достичь путем выполнения этих источников ЭДС и дозирующих электростатических элементов мостовых ступеней в виде трансформаторов с конденсаторными обмотками в виде "трансконов". Достигаемые при этом положительные свойства обеспечиваются, как и в случае включения "индуконов", за счет совмещения функций двух элементов в одном, что расширяет функционально-конструктивные возможности устройства.

При этом средние значения 0; напряжений Оо, всех i-x ступеней суммируются арифметически (Оо=Е Оо,), а их пульсации - геометрически (ьОО=

=Е 0о аЕ Оо).

" Следовательно, коэффициент пульсаций К„=а0 /О выходного напряжения в этом случае меньше арифметической суммы коэффициентов пульсации Кп„ отдельных ступеней (K„< С K„,. = », д и,, (и . ), 1 что также выгодно отличает предлагаемое устройство от решений, основанных на секционировании обмоток..

Вместе с тем, возможность такого секционирования не исключается в предлагаемом устройстве, что без из-менения кратности частоты пульсации, но с целью дополнительного снижения требуемого значения амплитуды

19 95923 преобразуемых ЭДС и массо-габаритных показателей фильтровых конденсаторов при заданном выходном напряжении можно достичь, если хотя бы в i-й ступени разделить 4 -е обмотки íà j частей (секций) и,образовать на их основе дополнительные лучевые или/и мостовые ступени с фильтрами упомянутой структуры, последовательно или/и параллельно согласно включен- 1в ныи . между собой и фильтрами исходных ступеней.

Таким образом, в предлагаемом ступенчатом вентильном преобразователе переменных напряжений в постоянное с последующей фильтрацией его переменной составляющей достигнуто улучшение ряда качественных и режимно-энергетических показателей и рвс" ширены функциональные и конструктивное возможности при одновременной простоте схемно-технического решения.

Формула изобретения

2$ !. Ступенчатый преобразователь переменных напряжений в постоянное с последующей фильтрацией его перемен» ной составляющей, содержащий и ячеек преобразования, выполненных каждая из

30 последовательно соединенных источника ЭДС, линии и вентильной ячейки, распределенных.по ступеням и включенных параллельно однонаправленно в каждОЙ из них Один выход ОднОЙ из сту». 3$ пеней подключен к одному из входов сглаживающего фильтра, принятого за исходный, однополярный с этим вхо" дом, выход которого соединен с нагрузкой,. отличающийся тем, что, с целью расширения конструктивно-технологинеских воэможностей и улучшения качественных и режимно-энергетических возможностей и улучшения качественных и режимно-энергетических показателей, указанные ступени распределены по группам и звеньям, каждое и -е звено из общего их числа пx содержит р х групп с X ступенями в каждой р.-й группе и сф„„ ячейками преобразования в каждой i -й ступени, другой вход исходного сглаживающего фильтра соединен с однополярным ему выходом исходной ступени или группы, к остальным 1 -ступеням

5$ или их группам подключены дополнительно введенные сглаживающие фильтры, образующие совместно с соответствую20 щими им ступенями или группами преобразовательно-фильтровые структуры, кокоторые соединены между собой последовательно. Разнополярными или/и параллельно однополярными выходами а

Э к свободному из них подключена дру" гим своИм выводом нагрузка, при этом общее число ячеек преобразования и число звеньев связаны между собой соотношением

/4: и)(- 1 х ,иx где - число ячеек преобразова,у, ния в и-м звене, 1>Р†:число ячеек преобразова4 -, 4х, ния в р-й группе любого звена, 1„„- число ячеек преобразования в i-й ступени р -й группы1

„ g целые положительные числа.

2. Преобразователь по и. 1, о тл и ч а ю шийся тем, что, в разные l+-e ступени включены разнотипные ячейки преобразования, 3. Преобразователь по и. 2, о тл и чающий с я тем,,что, с целью дополнительного расширения длительности и снижения амплитуды токовых импульсов мостовых ступеней с электростатическим элементом в первой поперечной ветви .их сглаживающего фильтра, между вентильными плечами каждой вентильной .ячейки данной ступени подключен зашунтированный дополнительным электростатическим элементом дополнительный электромагнитный элемент,к средней тйчке которого подключена линия.

4. Преобразователь по и. 3, о тл и ч а ю шийся тем, что электромагнитные элементы выполнены в виде линейных дросселей или трансформаторов, магнитно связанных либо не связанных между собой и/или между звеньями сглаживающих фильтров разных ступеней.

5. Преобразователь по и. 3 о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью дополнительного улучшения качественных показателей, хотя бы одно из звеньев сглаживающих фильтров, содержащих электромагнитный и смежный с ним электростатический элементы, выполнено в виде элемента с совмещенными функциями индуктивности и конденсатора.

9237

21 95

6. Преобразователь по и. 1, о тличающийся тем, что, с целью дополнительного снижения амплитуды ЭДС и массо-габаритных показателей фильтровых конденсаторов, каждая из 4, ЭДС ячеек преобразования или их часть разделены на 1 ; секций (1„ !=О, 1,2,...) .и на их основе образованы дополнительные преобразовательно-фильтровые структуры, включенные своими выходами последовательно разнополярно или/и параллельно однополярно между собой и с основными преобразовательно-филь тровыми структурами.

7. Преобразователь по и. 2, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью дополнительного улучшения режимно-энергетических показателей, в каждую линию ячеек преобразования мостовых ступеней включен дополнительный ("дозирующийн) электростатический элемент, например, конденсатор, допускающнй смену полярности напряжения на нем.

8. Преобразователь по и. 2, о т.л и ч а ю шийся тем, что, с целью дополнительного улучшения качественных показателей, источники переменных ЭДС и "дозирующие" элек-. тростатические элементы выполнены в .виде элемента с совмещенными функ" циями трансформатора и конденсатора.

9. Преобразователь по и. 2, о тли чающийся тем, что, с целью дополнительного упрощения и повышения КПД при обеспечении питанием многоканальной нагрузки, 10 различные ее каналы подключены к выходам соответствующих преобразовательно-фильтровых структур с одинаковыми или/и разными уровнями напряжения, с общей или/и разными потенIs циальными точками.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Терентьев Б.П. Электропитание

2ф радиоустройств. И., "Связь", 1948, : с. 52. 57, 69.

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

Устройства вторичного электро2s питания РЭА. Материалы семинара. И., ИДНТП, 1976.

4, Белопольский И.И., Тихонов В,И.

Транзисторные стабилизаторы на повышенные и высокие напряжения. M., "Энергия", 1971, с. 60. 959237

) !

Г р у )

1 .)

1 ((ФУ

7Ф

AÈ ах 1фх 1, х 2,pcs-2 К Я-б,ля-), „ь f, ti=g К)Й д

1 — в»

Ф. Х-Я, ж-1,%-1

Ф.2, Я 1 1 fry Фи.д рп= Эхд -У„,/%- х-д, фИ д фи2, си1 ба-2 у> З,/хг- / м jclr1+ У ух1 хх g)leaf 7/lд-д,/и .3

9592gy

d>8- 11 ф т

И-Я

У ффЯс fg м ф

Ь .

I л 2АУ и, Кг«1

Ж тджх )F, p f, i > ф =4 д у g дД =р х р фЫ4

959231 э

О

Еу

Экю л з

- - -а

4 -а, //у -4, I

/ Д

g-д г Э

-b (- +g с, Ъ» й

/1 AD Фс) Г / 1! 1 Ь

4 / а

,,- I „"-,, -,, Я ) !1 г $Я д,--9 л- --г

Фо А

М г

Au(4

/Д »1

1 .!

Н2" з+1а6 Я.JJ 2<3+fк И ° x=2 к -4 i»-, g,-,-у -ф1 > - n- ze

«А

: Й .

1

-- и г 2

- г /к г

/

/ ф

l

Уу

959237

Ф М Р4И»ИФРЭ«й

pi Я tigdlN/, Уур Л

/У» Ф

ВНИИПИ Заказ 7023/74 Тираж 721 Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4