Ступенчато-мостовой вентильный преобразователь

Ступенчато-мостовой вентильный преобразователь

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОП ИСАЙКЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскик

Социалистическик

Республик и>917281 (61) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 1 1.08.80 (21) 2973482/24-07 с присоединением заявки Jti (23) ПриоритетОпубликовано 30.03.82. Бюллетень №12

Дата опубликования описания 30,03 82 (51)М. Кл.

Н 02 М 7110

3Ъеударетвенный комитет

СССР ао делам изобретений и открытий

Рз ) À K 621 .31 4..6 (088.8) (72} Автор изобретения

А.М. Репин (7I ) Заявитель (54) СТУПЕНЧАТО-МОСТОВОЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ

ПРЕОБРА ЗОВАТЕЛ Ь

Изобретение относится к электротех. нике и может быть использовано для преобразования электрической энергии во вторичных источниках электропитания, преимущественно для получения сравнительно высокого напряжения при наличии более низковольтных модулей.

Известны ступенчато-мостовые вентильные преобразователи переменного напряжения в постоянное, содержащие

1О мостовые вентильные преобразователи с нечетным числом источников переменных

ЭДС в каждой ступени, которые соединены между собой последовательно разнополярными выходами, а к свободным

t5 из них подключена нагрузка(11 .

Недостатками таких преобразователей являются сравнительно большое значение амплитуды 8о фазной, либс 5 „линейной, либо S т. диагональной ЭДС, требующееся для обеспечения заданного среднего значения Vö напряжения Uo на нагрузке, сравнительно большая амплитуда 0> „ р, обратного напряжения на вентилях при

2 заданном значении Чо, получение сравнительно невысокого значения Vo . при данных значениях амплитуды

Sg(Ядд,, og), либо при наличии вентилей с даннои допустимой амплитудой Оабр, сравнительно высокий уровень пульсации переменной составляющей выходного на пряже ния.

Наиболее близким к предлагаемому является ступенчат -мостовой вентильный преобразователь, описанной выше структуры, выход которого зашунтирован электростатическим элементом, например емкостным накопителем энергии (2) .

Этот преобразователь устраняет поо ледний из указанных недостатков, однако сохраняет предыдущие из них.

Общей особенностью известных сту пенчато-мостовых вентильных преобразователей является также использование в них разнотипных соединений источников переменных ЭДС, например вторичных обмоток трансформаторов, относящихся к разным ступеням. Это требует обеспе3 9172 чения разных по величине значений амплитудных или действующих значений таких ЭДС, приводит к асимметрии внутренних сопротивлений и, как следствие, к . появлению нежелательной низкочастотной модуляции выходного напряжения, снижению частоты пульсации его переменной составляющей, необходимости усложнения и увеличения массо-габаритных и стоимостных показателей (МГСП) сглаживаю- 1О ших- фильтров.

Кроме того, в известных преобразователях наблюдается сравнительно небол шая длительность и значительная амп15 литуда (бросок) токовых импульсов вен1 илей и источников ЭДС, что снижает надежность и коэффициент их использова ния во времени.

Бель изобретения - улучшение режимно-энергетических и качественных показа- телей.

К числу положительных аостижений, обеспечиваемых предлагаемым устройством, относятся повышение напряжения

Vo на нагрузке, снижение и одновременное выравнивание (симметрирование) амплитудных или действующих значений преl образуемых ЭДС, их внутренних сопротивлений и амплитуды обратного напряже« ния на вентилях, ус ранение, либо существенное снижение низкочастотной модуляции выходного напряжения, увеличение длительности открытого состояния вентилей и снижение амплитудных значений токовых импульсов источников преобразуе- З5 мых ЭДС, обеспечение возможности создания значительного числа принципиально различных, конкретных схемных реализаций ступенчато мостового типа с емкостными накопителями.

Поставленная цель достигается тем, что в ступенчато-мостовом вентильном преобразователе переменных напряжений в постоянное, содержащем мостовые вентильные преобразователи с нечетным чис- <5 лом источников преобразуемых ЭДС в каждой из ступеней, соединенных между собой последовательно раэнополярными . выходами, к свободным из которых подключена нагрузка, источники преобра» 56 зуемых ЭДС в каждой i -й ступени соединены s 0 лучевую звезду, а меж ду обшей. ее точкой и одним выходом данной ступени и между этой точкой и другИм выходом той же ступени допол«55 нительно подключены электростатические элементы, где I 1, 1< - целое, а

3,ggi — целое нечетное поло81 4 жйтельное число, дополнительное увеличение длительности и снижение, амплитуды токовых импульсов и источников преоб-. разуемых ЭДС аостигается тем, что каждый из этих источников подсоединен к средней точке зашунтированного допол»» нительным электростатическим, элементом дросселя, аополнительно включенного между вентильными плечами данной вентильной ячейки ßI -вентильного моста, кроме одной вентильной ячейки.

I.

Кроме того, с целью дополнительного улучшения режимно-энергетических показателей, в каждую линию; соединяющую источник преобразуемых ЭДС с соответ ствующей вентильной ячейкой, включен дополнительный (доэирующий) электростатический элемент, допускающий смену полярности напряжения на нем.

В частности источники преобразуемых

ЭДС и аозирующие электростатические элементы выполнены в виде трансформатора с конденсаторными обмотками.

Вместе с тем, с целью дополнительного снижения напряжения на вторичных обмотках неуправляемых и (или) управляемых трансформаторов, каждая 0 -я обмотка 1 -й ступени разделена на j t)i секций и на . их основе преобразованы дополнительные послеаовательно соединенные мостовые ступени упомянутой структуры с числом Oij лучей преобразуемых ЭДС в I j -й ступени, где

Й > 1, ) 9I - целое положительное число, включая нуль.

При этом преобразуемые ЭДС могут быть сформированы на обмотках неуправляемых и (или) управляемых трансфо маторов, выполненных на пространственных магнитоцроводах.

На фиг. 1 изображена общая структурная схема устройства; на фиг. 2 а; б, в - принципиальная электрическая схема конкретной, его реализации при числе ступеней i =4 и соединении источников преобразуемых ЭДС в каждой ступени в трехлучевую (pgI = gp =3) звезду при формировании этих ЭДС непосредственно на трех неразделенных (фиг. 2 а) или разделенных на части и соединенных, например, в зигзаг (фиг. 2 в) обмотках при наличии, либо отсутствии в них "дозируюших конденсаторов.

Ступенчато-мостовой вентильный преобразователь (фиг. 1) с подключенной к его выходам 1 и 2 нагрузкой 3, зашунтированной или незашунтированной электростатическим,элементом 4, содержит

5 917281. =1, !! . ступеней 5 и 6 с первой 5 по i < -ю 6 ступень, которые соединены между собой разнонолярными выходами

7 и 8 и содержат каждая мостовой вен тильный преобразователь 9, в которомисточники 10 преобразуемых ЭДС при их нечетном числе Ох!. соединены в

Дх „-лучевую звезду 11, между обшей точкой 12 которой и выходами 7 и 13 мостового вентильного преобразователя 9 О подключены дополнительные электростатические элементы, например конценсаторы

14 и 15, а свобоцный выход 13 первой . 5 и свободный выход 16 последней сту пени являются выхоцами Х и 2 устройства.

Устройство работает следующим образом

При отсутствии электростатических элементов 14 и 15 на нагрузке 3 формируется напряжение U.о, равное векторной сумме диагональных (при трехлучевой звезде - линейных) ЭДС Я, Я! всех х ступеней 5 и 6 !

Х 25

lJo o= Z 8gi !

При наличии дополнительно подключенных электростатических элементов 14 и

1 5 на выходе 7 мостового вентильного преобразователя 9 формируется напряжение О!!!, равное примерно удвоенному значению амплитуды Qв источников 10 преобразуемых ЭДС.

0Ы -2$Ы {2)

Удвоенное напряжение по (2) обусловлено тем, что каждый электростатический элемент 14 и 15 через соответственно анодную и катоцную вентильные группы моста заряжаются примерно цо амплитуцного значения S

Тогда напряжение U0 на выхоцах 1 и 2 предлагаемого устройства равно !

Х

ОО =K 0о! (3) " !

=1

Так как амплйтуда 5 ац.! диагональной ЭДС данного -го вентильного моста всегда меньше удвоенного значения

2 Я д, амплитуд S+, фаз ной ЭДС, то напряжение Оо по (3), обеспечи50 ваемое предлагаемым устройством, всег» да больше напряжения Ио по (/1/), д. 1 создаваемого известным устройством.

Таким образом, при одинаковой с известным устройством BMIUIHTyae S +,фаз- ных или амплитуде $ р, диагональных

ЭДС и одщиковом числе ip(ступеней предлагаемое устройство обеспечивает по отношению, к известному увеличение выходного напряжения в А= Uo /0о раэ., Соответственно, при оцинаковом с известным устройством значении выхоцного напряжения U амплитуда S преобразуемых ЭДС в предлагаемом устройстве может быть уменьшена, а так» же уменьшена пропорциональная этой амплитуде 3,„ амплитуда 0„,Я . обратного напряжения на вентилях.

При этом, кратность П частоты пулье. сации переменной составляющей выхоцного напряжения и сравнительно низкий ее уровень сохранены в предлагаемом устройстве по отношению к известному и, следовательно, сохранены присущие известному устройству его важные достоин ства.

Так как период огибающей выхоцного напряжения каждой ступени больше перио да огибающей напряжения на выходе устройства, то интервал отдачи энергии или разряда дополнительного электростатического элемента увеличен в предлагаемом устройстве по отношению к известному и, следовательно, увеличены интервал заряда этого элемента и длительность токовых импульсов. вентилей и- источников преобразуемых ЭДС, а амплитуда этих импульсов снижена.

Снижение амплитуцных значений обратного напряжения и импульсов токов вентипей и источников преобразуемых

ЭДС, а также расширение длительности этих импульсов позволяет использовать менее высоковольтные и менее мощные вентили и/или меньшее их число при последовательном соединении и менее высо ковольтные обмотки трансформаторов при лучшем их использовании, что снижает

МГСД трансформаторного и вентильного блоков и acего устройства в целом.

Конкретные числовые данные по достижению положительных качеств и физическую сущность процессов удобно проиллюстрировать на примере частной реали/» зации предлагаемого устройства (фиг. 2 8 б, в).

На фиг. 2 приведены принципиальная электрическая схема четырехступенчатого мостового вентильного преобразователя при соединении источников преобразуемых

ЭДС в трехлучевую звезду в каждой Моо товой ступени, образованных с необходимым сдвигом фаз путем соответствующего соединения обмоток четырех трехфазных или цвенадцати оцнофазных трансформато!. ров (фиг. 2 a) и соответствующие ступе

М7281

7 ням и выходному напряжению векторные диаграммы (фиг. 2 б).

Ступенчато-мостовой вентильный преобразователь (фиг. 2 а ) с подкпюченной к его выходам 1 и 2 нагрузКой 3, эа- s

Ътуйтирова нной: или не эашунтированной электростатическим элементом, например конденсатором 4, содержит четыре мосто. вые ступени 5, 6, 17 и 18, соединенные между собой последовательно разно- I0 полярными выходами 7, 8, 19-22 и содержащие каждая мостовые вентильные преобразователи 9, 23-25„источники преобразуемых ЭДС которых, формируемые .вторичными обмотками 26-29 трано-15 форматоров 30-33, соединены в каждой ступени 5, 6, 17 и 18 в трехлучевую звезду.

Между общими (" нулевыми" ) точками 12, 34 36 вторичных обмоток 26- 20

29 подключены дополнительные электростатические элементы, например конденсаторы:.14, 15, 37-42 (" нулевые" конденсаторы), а свободные выходы 13 и

16 первой 5 и последней 6 мостовых ступеней являются выходами 1 и 2 уст.ройства.

Трансформаторы 30-33 обеспечивают фазовый сдвиг переменных ЭДС, формируемых на вторичных обмотках 26-29, на 30

15 an. град. и, следовательно, 24-кратную частоту пульсации напряжения 0y на нагрузке 3 (фиг. 2 б).

При отсутствии "нулевых" конденсаторов 14, 15, 37-42 на выходах 7, 13, 35

8, 16, 20, 19, 21, 22 мостовых преобразователей 9, 23-25 формируются напряжения Dos Upped, U iц.ц (/ и, амплитуда 0 ав которых равна амплитуде 5 „„линейных ЭДС, т. е. 40

Одо = S< = Й где 5< амйлитуда фазных ЭДС или напряжения на каждой из обмоток 26-29.

При этом на выходах 1 и 2 устройства формируется напряжение - U 0 с ys амплитудой Ц о, равной, согласно (. 1,: ), модулю векторной суммы сдвинутых по фазе линейных ЭДС мостовых ступеней 5, 6, 17 18; Оеiоп 6164SII.

Ъ

Длительность Я импульсов TDKB

50 вентилей и источников ЭДС зависит от обобщенной: постоянной времени нагрузки 3 и шунтирующего ее конденсатора 4.

В предельном случае (т. е. при пренебрежении внутренними потерями) указан.ная длительность не превышает значения периода огибающей выходного напряжения, т. е, Itä и 15 эл. град.

Таким образом, через вентили и обмотки трансформаторов известного ус ройства протекают узкие токовые импуль сы, а их амплитуды,(броски тока) значительны. При этом выходное напряжение сравнительно мало. . При наличии дополнительных электростатических элементов период огибающей напряжения на каждом из них составляет в пределе 360/3=120 эл. град.

Это объясняется тем, что каждый нулевой конденсатор 14, 15, 37-42 под« ключен к соответствующей трехлучевой схеме, период огибающей выходного нанряжения которой равен, как известно, 2l!(/ .3=120 эл. град..

Следовательно, длительность импульсов тока вентилей и источников преобразуемых ЭДС увеличена в предлагаемом устройстве по сравнению с известным, причем в пределе (т. е. без учета потерь) она увеличена в 120/15 =8 раэ, что улучшает использование вентилей и обмоток трансформаторов по времени их работы;

При этом амплитуды токовых импульсов снижены.

Так как любой иэ нулевых конденсаторов 14, 15, 37-42 заряжается пример.но до амплитуды Яа фазных ЭДС, а каждой их паре 14, 15", 37, 38; 39, 40

41, 42 они соединены последовательно согласно, то напряжение О в, формируемое на любом иэ выходов 7, 13; 8, 16;

19, 20, 21, 22 мостовых преобразователей 9, 23-25, имеет амплитуду О по, примерно равную удвоенному значению

Sö(g00j =2 5П), что На 0,268 д больше предельного значения, обеспечиваемого бесконденсаторной ступенью известного устройства. Поскольку восемь дополнительных электростатических элементов 14, 15, 37-42 соединены между собой разнополярно последовательно, то напряжение на выходах 2 и 3 устройства (фиг. 2 а) составляет -примерно 8Sq что примерно . на 1,36 ъдбольше, чем в известном устройстве, напротив, при одинаковом выходном напряжении 1/О амплитуда Sa фазных ЭДС (мпряжение на каждой из

Oi -й вторичной обмотке 26-29 трансформаторов 30-33) может быть уменьшена в предлагаемом устройстве (фиг. 2 а) по сравнению с известным и, следовательно; уменьшена амплитуда ,Uo 0$jI обратного напряжения на вентилях и улучшены МГСП устройства в цепом.

7281 10

9 91

Кроме того, последовательное включение электростатических элементов 14, 15, 37-42 привоаит к улучшению

МГСП накопителя энергии по сравнению с одним электростатическим элементом

4, так как каждый из восьми таких элементов находится под напряжением в

9 раз меньшим, чем в известном устройстве.

Уменьшение в 8 раз напряжения на дополнительных конденсаторах 14, 15, 37-42 приводит к резкому снижению: пропорциональной квадрату этого напряжения электростатической энергии в них и, как следствие, к значительному снижению их массы и объема, которые, как известно, связаны с этой энергией прямо пропорциональной зависимостью.

Вместе с тем устройство (фиг. 2 a) обеспечивает, как и известное, ту же

24-кратную частоту пульсации выходного напряжения, и, тем самым, устройство (фиг. 2 a} сохраняет обусловленное этим важное аостоинство сопоставляемо5

1О

2О

25 зо

4О

55 го решения.

Так как, кроме того, в устройстве (фиг. 2 а) отсутствуют разнотипные соединения вторичных обмоток трансформаторов, оно обеспечивает необходимую симметрию формируемых ЭДС и внутрен.них сопротивлений (индуктивностей рассеяния, активных сопротивлений обмоток трансформаторов, вентилей и пр.} и тем самым не создает, либо существенно снижает, пс. сравнению с известным уст ройством, уровень нежелательной ниэкэчастотной моауляции выходного напряжения. Этим улучшается качество этого напряжения и качество преобразуемой (потребляемой) энергии, а также улучшаются МГСП выходных фильтров и/или .средств стабилизации по сравнению с

: известными ступенчатыми преобразователями, содержащими разнотипные соединения.

Предлагаемое устройство некритично также в отношении способа формирования преобразуемых ЭДС. Они могут быть сформированы в каждом луче звезды как непосредственно на неразделенных обмотках трансформаторов, электрических машин (фиг. 2 а), так и путем соответствующего соединения их частей (фиг. 2 в).

На фиг. 2 в изображена принципиаль ная электрическая схема четырехступенчатого вентильного преобразователя описанной выше структуры, содержащего четыре трехячейковые (Л=З) вентильных моста и один шестифазный, например с шестистержневым пространственным маг» нитопроводом, либо шесть оанофаэных, либо два трехфазных трансформатора 43 и 44 при соединении каждой из двух первичных грехфазных обмоток 45 и 46 в неполный треугольник с соответствующим подключением их к трехфаэиой сети, а каждой из четырех вторичных трехфазных обмоток 20-29 - a зигзаг.

Таким образом, по отношению к уст ройству (фиг. 2 a) преобразователь (фиг. 2 в) требует разделения обмоток на части, их соответствующего соединения и изоляции, однако он содержит меньшее количество трансформаторов (стержней) и первичных обмоток при одновременно более повышенном (равном единице) коэффициенте однотипности, а также сохране » нии кратности частоты пульсации, равной двадцати четырем. Это обеспечивает лучшую (близкую к идеальной} симметрию внутренних сопротивлений, практически полное устранение низкочастотной составляющей выходного напряжения и, как следствие, достаточно высокую технопогичность изготовления устройства в в це.пом.

Предлагаемые преобразоватепи несмот ря на дополнительное подключение "нулевых" конденсаторов попускают также возможность секционирования вторичных обмоток и образования на их основе дополнительных ступеней с умножением напряжения на каждой из них, что привоаит к дальнейшему сии>кению напряжения на каждой части высоковольтных обмоток (их секциях), уменьшению размеров изоляционных промежутков и, вследствие этого, снижению МГСП устройства, однако кратность частоты пульсации выходного напряжения при этом не увеличивается.

Вариант четырехступенчатого преобразователя с одной первичной 47 и llayмя фазосдвинутыми и просекционированными вторичными 26 и 27 трехфазными обмотками, содержащими каждая соответственно по одной секции 28 и 29, выполненными на трех однофазных либо на одном трехфазном (например с трехстержневым пространственным магнитопроводом) неуправляемом или управляемом трансформаторе 48, показан на той . же фиг. 2 в, соответственно при исключенных первичных обмотках 45 и 46 и замене двух трансформаторов 43 и 44 на один трансформатор 48.

По сравнению с просекционированным четь«рехступенчатым известным устрой« ством, в котором каждая из двух одних вторичных трехфазных обмотрк соединена в звезду, а каждая из двух пругих6 треугольник, общее число витков вторичных обмоток в устройстве (фиг. 2 в).

«фосекционированный вариант на 4,ВФАд меньше при одинаковом. выходном напряи женин, где М р - число витков одной обмотки луча трехлучевой лэвездь«известного устройства. При этом благодаря полной однотипности обмоток в просекционированном варианте устройства (фиг. 2 в) обеспечена высокая симме« рия выходного напряжения, что также выгодно отличает предлагаемый преобра зователь от сопоставляемого известного с его принципиально присущей ему асим метрией. ю

Дополнительного расширения длительм ности и снижения амплитуды токовых импульсов вентилей и источников преобразуемых ЭДС можно достичь, если меж- 5 ду вентильными плечами каждой вентиль ной ячейки данного -го вентильного моста, кроме одной, пополнительно подключить,зашунтированный дополнительным электростатическим элементом (например, конденсатором) дроссель, к средней точке которого подключить линию .

Дополнительный дроссель обеспечивает более раннее открытие и более позднее закрытие вентилей, а дополнительный электростатический элемент - циркуля35 цию энергии, накапливаемой в просселе,, а также улучшение качества потребляемой энергии.

Дополнительного улучшения режимно40 энергетических показателей устройства можно достичь, если в каждую линию ячеек преобразования включить дополнительный (дозирующий) электростатический элемент, например, конденсатор 49 (фиг. 2 в), допускающий смену поляр45 ности напряжения на нем.

Такое включение позволяет без дополнительных потерь активной мощности улучшить качество потребляемой энергии и качество переходных йроцессов за счет перераспределения (позирования) нака««ливаемой в элементах энергииЕсли в послепнем случае источники, преобразуемых ЭДС выполнены в виде трансформатора или электрической машины, то возможно дополнительное улучшение МГСП устройства путем выполнения этих источников и позирующих электро статических элементов и виде элементов с совмещенными функциями трансформатора и конденсатора (типа транскон ).

При этом положительные свойства достигаются за счет совмещения .функций двух элементов в одном, что также рао-! ширяет функционально-конструктивные воз можности предлагаемого устройства.

Таким образом, реализуется предлагаемый ступенчато-мостовой вентильный преобразователь переменных напряжений в постоянное, в котором достигнуто улучшение ряда качественных и режимно-энергетических показателей при одновременной простоте схемно-технического решения.

Формула изобретения

1. Ступенчато-мостовой вентильный преобразователь переменных напряжений в постоянное, содержащий мостовые вентильные преобразователи с нечетным числом источников преобразуемых ЭДС в каждой из ступеней, соепиненных межпу собой последовательно разнополярными выходами, к свободным из которых подключена нагрузка, о т л и ч а ю щ и й» с я тем, что, с целью улучшения режимно-энергетических и качественных показателей, источнйки преобразуемых ЗДС в каждой и ступени соединены в

-лучевую звезду, а межпу общей ее точкой и одним" выходом данной ступени и между этой точкой и другим выходом той же ступени дополнительно подключе« ны электростатические элементы, rue j 1,1 - целое, а );=3, P<< - целое нечетное положительное число.

2. Преобразователь по п. 1 о т л ич а ю шийся тем, что, с целью дополнительного увеличения длительности и снижения амплитуды токовых импульсов и источников преобразуемых ЭДС, каж» дый из этих источников подсоепинен к средней.точке эашунтированного дополнительным электростатическим элементом дросселя, дополнительно включенного между вентильными плечами данной вентильной ячейки I)j -вентииьного моста, кроме одной вентильной ячейки.

3. Преобразователь по. и. 1, о т л ича ющий ся тем, что, сцельюдополнительного улучшения режимнс энергьтических показателей, в каждую линию, соединяющую источник преобразуемых

ЭДС с соответствующей вентильной ячей- .

13 91 кой, включен дополнительный дозирукядий электростатический элемент, допускающий смену полярности напряжения на нем.

4. Преобразователь по пп. 1 и 3, отличающийся тем, что источники преобразуемых ЭДС и дозирующие электростатические элементы выполнены в виде трансформатора с конденсаторными обмотками.

5. Преобразователь по и. 1, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью дополнительного снижения напряжения на вторичных обмотках неуправляемых и (или) управляемых трансформаторов, каждая Oi -я обмотка 1 -й ступени разделена на фо; секций и на их основе образованы дополнительные последовательно соединенные мостовые ступени

7281 14 упомянутой структуры с числом Q лу4 чей преобразуемых ЭДС в ij -й ступе ни, где Рц )1,) р; целое положи тельное число, включая нуль.

6. Преобразователь по пп. 1 и 8, отлнчающийсятем, àðå образуемые ЭДС сформированы íà o6Mow ках неуправляемых и (или) управляемых трансформаторов, выполненных на пространственных магнитопроводах.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе .

1. Авторское свидетельство СССР

¹ 57985, кл. Н 02 М 7/06, 1940, 15 2. Белопольский И.И. и др. Транаио» торные стабилизаторы на повышенные s высокие напряжения; М., Энергия, 1971, с, 60.