Преобразователь электроэнергии

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК дц 4 Н 02 М 7/ ИСАНИЕ ИЭОБРЕТЕНИ 088.8)идетельство М 7/06, 1 тельство С М 7/06, 1 СССР79.СР одерСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано вкачестве вторичного источника электропитания постоянного напряжения с вы-соким качеством преобразования энергии. Цель изобретения - расширениеобласти примененияУстройство с,.ЯО 1314424 жит электромагнитный аппарат с секционированными сетевыми обмотками. Вентильные обмотки подключены к выпрямительным вентильным блокам. Секциисетевых обмоток соединены с секциямидругих фаз, образуя схему односторонний встречный зигзаг - замкнутыйтреугольник (Р-схему). Благодаря выполнению таких Р-схем левыми, правыми, прямыми, обратными при различныхсоотношениях витков первых и вторыхсекций обеспечивается практическинеограниченное число преобразователей с различными значениями частотной кратности пульсаций и фазовымисдвигами, что расширяет область применения устройства. 6 э.п. ф-лы,14 ил.1314424 д=г Составитель Е.МельниковаТехред М.Ходанич ед М,Товт орректор А,Тяско каз 221 Тираж 66 ИИПИ Государ о делам изо Москва, ЖодписноР ственного комитетабретений и открытий5, Раушская наб., д 5 113035 Производственно-полиграФическое предприятие, г,ужгород, ул,Проектная, 1 13144Изобретение относится к электротехнике и может быть использованов качестве вторичного источникаэлектропитания постоянного напряженияширокими схемно-Функциональными возможностями,Цель изобретения - расширениеобластей применения. На фиг.1 изображена принципиальная 1 О электрическая схема устройства в монтажном виде при значениях Т=2, 1=2,=1 и подключении сетевых обмоток ов правое или левое соединение в односторонний встречный зигзаг - замк нутый треугольник, напоминающее по топологическому изображению букву Р (фиг.2,3,5), в связи с чем такое соединение для простоты и удобства пояснения именуют Р-схемой, причем 20 на фиг,1 изображено соединение сетевых обмоток в левую и правую Р-схемы при обратной индексной последовательности Фаз в однотипных замкнутых треугольниках первых секций каждой 25 Р-схемы; на Фиг,2 - то же, в топологическом виде; на Фиг.З - возможные исполнения левой Р-схемы при изменении фазового угла у системы ЭДС обмоток относительно системы ЭДС 30 питающего генератора (сети); на фиг.4 и 5 - то же, что на Фиг.1,2 при Т=2, , =1) = 2, т.е. при полностью одинаковых всех )-х Р-схемах, а также при выполненной транс- позиции присоединения к входным выводам двух из трех выводов одной из Р-схем; на фиг. б и 7 - то же, при Т=З,х =21 х 2 )х 1=2; =2, Ч .; на фиг.й - соединение выводов Р-схем сетевых обмоток на фиг.4 через дополнительные элементы; на фиг. 9 - соединение вентильных обмоток в схеме на фиг.4 в трех- лучевые звезды, сдвинутые по Фазе 45 на 30 эл.град и связанные между собой через шестивентильное кольцо; на фиг.0-14 - то же, при соединении вентильных обмоток в фазосдвинутые трезиги (фиг,1 О) и грансеки (фиг.11) при подключении их к б-ячейковым (Лб ) вентильным мостам, а неполные треугольники (фиг.12), подключенные к 3-ячейковым (ЛЭ) вентильным мостам, в трисеки (Фиг.13), и в Р-схемы 55 (фиг.14). При этом выводы постоянного тока мостов могут быть соединены параллельно или последовательно между собой через магнитно связанные или несвязанные индуктивные элементы при наличии или отсутствии конденсаторов, шунтируюших эти элементы или мосты, а указанные на схемах основные фазовые сдвиги одной схемной структуры относительно другой обеспечиваются за счет соединения сетевых обмоток в соответствующие Р-схемы например, Фиг,1 и 4 , а дополнительные фазовые сдвиги у, требующиеся, в частности, с целью получения 24-кратной частоты пульсации (П), обеспечиваются соединениями вентильных обмоток н однотипные (фиг,9,11,13) или в лево-правые (фиг,12,4) схемы.При этом приведенные на фиг.З, 10-14 схемные реализации устройства для отличия от монтажного их вида на фиг.1,4,6-9 изображены в более компактном и наглядном топологическом виде, что, как видно из их сопоставления, упрощает пояснение и понимание сущности электрических связей.Устройство на Фиг. содержит выходные выводы А,В,С для подключения первичного источника трехфазного переменного тока, электромагнитный аппарат (ЭМА) в трансформаторном исполнении на одном шестистержневом или двух трехфазных пространственных, или шести однофазных магнитопроводах (МП) с сетевыми и вентильными обмотками, а также вентильные блоки, образующие с вентильными обмотками общую преобразовательную структуру (вентильно-обмоточный блок - ВОБ).Сетевые обмотки разделены в каждой фазе на 2 Т секцийАХ,В 1,СЕ, причем 1=1, 2; Т = ,1 ) 11Л,;=1 э -х Г 1 х,-х 3 ф ральные числа (применительно к реализации на фиг.1: =1,2;=2;,1; =1 при всех , Т =1 + 1 = 2).При этом первыеАХ, ВУ, СЕ; и вторые 1 ВУ, СЕ, АХ. секции сете 2вых обмоток соединены Попарно пофазно в односторонние встречные зигзаги в порядке индексной последовательности фаз, например, ВУ 7,С1,2 А ,2 С 1, а первые секции АХ, ВУ, С 7," каждой из 3.-х или ,), -х троек разноименных по Фазе зигзагов соединены согласно последовательно между собой и топологически образуют правильные замкнутые треугольники -АВ,С,; А ВС Фиг 2.13144 При этом эти первые секцииАХ"1,1 соединены так, что вторые секции 1 АХ 1 например, С 2 А, Х, В У на фиг. 1 и 2, подключенные2,1 г,1 5 к соответствующей вершине треугольников (например, к вершинам А 1 ВСна фиг,1 и 2), является гете/рофазными относительно двух первых секций (А Х ,ВУ), образую- О щих данную вершину (А,), Этим данное соединение, именуемое Р-схемой, отличается от известного соединения в неполный треугольник, к вершине замкнутого треугольника которого подключена часть одной на образующих вершину фазных обмоток, и, следовательно, эта часть является синфазной, а не гетерофазной, как в Р-схеме, что приводит к иным результатам. От известной, в котором первые секции соединены в трехлучевую звезду, предлагаемая Р-схема отличается тем, что эти секции образуют замкнутый треугольник с соответствующим располо жением вторых секций.вободные выоды С1 2А ф Х , В,Увторых секций, являющиеся выводами Р-схем, образуют соответствующие им входные выводы 30 А,В,С, причем в данном случае указанные свободные выводя образуют входные выводя парами, например Си 2 , и непосредственно, т.е. беэ дополнительно подключенных к ним элементов.Преобразователь работает следующим образом. При подключении входных выводов 40Р-схем к первичному источнику энергиипеременного тока (к сети) в секцияхсетевых обмоток первой их тройки формируются переменные ЭДС, фазы которых, как это видно из топологической 45схемы на фиг.2, сдвинуты на 120 эл.град. внутри данной тройки и наугол у относительно соответствующихсЭДС сети, образованных между входными выводами А,В,С. Угол у зависитсот соотношения витков вторых и первых секций сетевых обмоток, котороеможет быть установлено в каждой фазе равным коэффициенту гетерзигаК= (М Ч,)/З,55В этом случае в одноименных с первой тройкой секциях второй их тройкиформируются переменняе ЭДС с такимже фазовям сдвигом с, как выше,24 4но с противоположным знаком, Следовательно, в синфазных сетевым вентильных обмотках общей структуры ВОБ, например, в одинаково намотанных фазных секциях а и а , со 12 1 ответствующих сетевым секциям А 1 и А, формируются переменные ЭЛС/с фазовым сдвигом Ч между ними, Равным 2 ч . Общее число ш такихИ фазосдвинутых (ФС) ЭДС по схеме на фиг,1 и 4 равно шести (п 1 и =6), а их попарно симметричный фазовый сдвиг в 30 при 90 между ближайшими ЭДС смежных пар обеспечивается при К ,. - 2/ 13-1 0,1547.Относительно известной схемы соединения трехфазных сетевых секций в правильный замкнутый треугольник с отводом в каждой фазе, образующим входной вывод, экономия Эк в соотношении ь /и), второй и первой частей фазных секций (при требующихся в практических устройствах значениях- 5 , 7,5 , 1 О , 15 , 20 , 22,5о(30 )обеспечивается в Р-схеме в 1,74; 1,63; 1,53; ,37; 1,23; 1,6, (1) раз, а относительно схемы неполный треугольник - в 2,36; 2,6; 2,88", 3,73, 5,4; 7,08, (00)раз.При этом значения углавозможны в Р-схеме в пределах О , 90 Г, где знакс расположением прямой скобки в противоположную сторону от принадлежащего ей значения, соответствует тому, что такое значение, являясь предельным, не входит в указанный диапазон и считается гипотетическим. В данном случае оно не входит вдиапазон при условии, если число витков первой секции сохраняется физически реальным. В противном случае, когда ы=0, угол р = 90 Следовательно, относительно известных схем (односторонний встречный зигзаг - трехлучевая звезда, правильный замкнутый треугольник с отводом в каждой фазе и неполный треугольник) верхний предел угла у в устройствеувеличен соответственно в 1,5;1,5 и 3 раза при дополнительно существенном расширении множества возможных дискретовОтносительно традиционной схемы звезда//треугольник, обеспечивающей лишь еДинственнУю выбоРкУ Угла Ч( сс=30 ), в устройстве достигается фак-, тически бесчисленное множество выбо-, рок с, причем в обе стороны от ука15 20 25 45 50 55 5 131 эанных 30. Зкономия Э 1 в соотношении витков для данного значенияобесс печивается при этом в Р-схеме в 1,732 раза.При вышеуказанном соотношении витков (К= О,547), а также в случае соединения вентильных обмоток в полностью одинаковые схемы и подключения к соответствующим из них, например, двух трехячейковых, параллельно или последовательно соединенныхвентильных мостов (фиг,12, первый итретий или второй и четвертый мосты)на выходных выводах постоянного тока этих двух, связанных между собой,элементарных преобразовательныхструктур образуется постоянное напряжение с 2-кратной частотой пульсации. Наряду с хорошим спектральным составом потребляемого тока намалом уровне потока реактивной мощности данный результат характеризуетвысокое качество преобразования энергии,Вентильные обмотки могут быть соединены в любые схемы, в частности влучевые или угольные звезды, замкнутые, открытые, неполные (фиг.12) треугольники, квадраты, многоугольникиразличные зигзаги, трисеки (фиг,13),трезиги (фиг,10), грансеки (фиг.11),Р-схемы (Фиг.14) и пр., а преобразовательные элементы вентильных блоков(фиг.0-14), А-схемы (фиг.9) и др,Если вентильные обмотки даннойфазы разделены на секции и разноимен.ные по фазе секции в одной структуреВОБ соединены в схему, между выводами которой, присоединенными к выводампеременного тока данного трехячейкового моста, формируется системаЭДС, сдвинутая по фазе на 30 эл,град.относительно аналоговой системы ЭДСдругой структуры той же - -й Р-схемысетевых обмоток, то вышеуказанное.соотношение витков сетевых секцийможет быть еще более уменьшено: Кз=0,076. Тем самым относительно прототипа обеспечена экономия в витках вторыхо секций в Э ( /= 3 соз у /соз (30 +Г ) раз, в частности в 2,164, 2,3 бб, 3 раза при одинаковых с проо тотипом значениях= 7,5, 15 30 одинаковом числе витков первых секций и общем числе секций. Благодаря сое 4424 6динЕнию первых секций сетевых обмоток в замкнутый треугольник (против соединения их в трехлучевую звезду в прототипе) положительный эффект достигается при одновременно существенно уменьшенных амплитудных значениях токов в этих секциях, что дополнительно отличает данное решение. При этом указанный сдвиг систем ЭДС вентильных обмоток на 30 может быть обеспечен соединением их в две схемы (левую и правую), обеспечивающие соответствующий индивидуальный угол фазового поворота, например,= О, + 7,5, + 15 . В частности, они могут быть соединены взигзаги трезиги (фиг.10 ч = + 7 5- + 15), грансеки (фиг.11,- + 7,5, Ч = Т), неполные треугольники (фиг.12, Ч,= + 15, Ч = + 7,5),трисеки (Фиг.13,= + 7,5, Р = О)Р-схемы (Фиг,14, с = +7,5, ч= + 5или= + 5,= + 7,5) и прлибо, в крайнем случае, в правильные трехлучевую звезду и треугольник(1= 30). При этом во всех этих реализациях необходимый уголобеспечисвается соединением в Р-схемы именносетевых обмоток, и, таким образом,наибольшей унификацией из приведенных на фиг.9 - 14 обладает реализация по фиг, 14,Вместе с тем, устройство реализуе 35мо на одном С-стержневом (на фиг,1С=6), на Т трехфазных пространственных или ЗТ однофазных трансформаторах, что отражает широкие конструктивные возможности решения. Вьпчеуказанное выполнение вентильных обмотокс Фазовым сдвигом их систем ЭДС на30 может быть реализовано без раз- о деления их на дополнительные секции,что возможно в случае, если дополнительно просекционировать первую ивторую Р-схемы сетевых обмоток нафиг,1, намотав их с соответствующимиим вентильными обмотками на дополнитЕльных стержнях, т.е, реализоватьрещение с 1. = 2,; , = 2, 3.,Однако в том и другом случаях навыходе лучевых, мостовых или кольце-,вых схем структуры ВОБ обеспечивается 24-кратная частота пульсации, чтодополнительно улучшает качество преобразования энергии,Возможно дополнительное повышение однотипности трансформаторов,если при полном сохранении соеди34424 7нения в каждой из двух Р-схем (как это при ) = 1)к, ,1 к = 2к = показано на Фиг.4 ) взаимно поменять местами (транспозировать ) присоединения двух или трех выводов в одной из схем. В частности, на фиг.4 показан случай, когда в первой и второй Р-схемах сетевых обмоток к входу А присоединены одноименные выводы С 2С 2 одноименных вторых секций обоих 10 Р-схем, авыводы А, В" первой и В 2А второй Р-схем подключены к выводам В,С транспозированно. Благодаря унификации комплектность 15ЗИП уменьшается максимально в Т разпри выполнении на трехфазных или в ЗТраз - на однофазных трансформаторах.При этом в последнем случае такженесущественно различие соединений во 20второй Р-схеме на фиг,1, так какэто различие касается не внутренних(в самом трансформаторе), а лишьвнешних, присоединений. При этом во всех случаях общей или опорной Фазой сети может быть любая из них. Выбор не имеет существенного значения для сетевых обмоток. В них при выполнении транспозиции Зп сформируются в любом случае фазосдвинутые (ФСсистемы ЭДС. Но конкретизация и знание опорной фазы сети существенны для вентильных обмоток, для построения на их основе элементарных преобразовательных структур. При входе А, выбранном на фиг.4 в качестве опорного, переменные ЭДС одинаково намотанных вентильных фазных обмоток а и а 2, соответ 40 ствющих сетевым Фазйым обмоткам А, и А, сдвинуты по фазе относительно друг друга, как это следует из фиг.5, на угол ( = 60 + 2 Ю.ЬВ частности, при упомянутом значении К = 0,1547 эти ЭДС сдвинуты на угол у = 90 , т.е. ортогонально, и, таким образом, на вентильных обмотках формируется три фазосдвинутые относительно друг друга системы 50 ортогональных ЭДС. Из них могут быть сформированы, разумеется, и другие системы, например, две ФС системы, содержащие каждая три симметрично сдвинутые по фазе на 120 переменные ЭДС или одну систему из шести ЭДС, либо шесть систем, каждая из которых содержит одну ЗДС, сдвинутую по фазе относительно остальных из них. 8Так как даже при наличии лишь одной пары ортогональных ЭДС возможна реализация очень большого количества принципиально различных схем вентильных преобразователей энергии, то при наличии трех таких фазосдвинутых пар ФС ЗДС, а также других систем, возможно практически неограниченное их число, что также свидетельствует о чрезвычайно широких схемных возможностях данного решения.При К 0,076 и обеспечении ш= - 12 возможно еще большее число различных систем, в частности, шесть систем ортогональных ЭДС, и бесчисленное количество преобразовательных схем,Нечетное число ш , например ш=9, возможно, в частности, в реализации, показанной на Фиг.6 (хк= 2, ,)к= 1 к 2 = 1, Т = 3). ПРи одинаково намотанных и одинаково соединенных (или несоединенных ) вентильных Фазных обмотках на них формируются девять ФС ЭДС, причем фазовый сдвиг их относигельно друг друга может быть обеспечен симметричным но 20 , если в первых двух схемах (. = 1, ) =1 и 2) сетевых обмоток установить соотношение витков вторых АХ)1 и первых2,1 1 АХ " секций, т.е. коэффициент1,1К г, равным 0,364, а в третьей Р-схеме - равным нули, т.е. без вторых секций (Фиг.6). На Фиг,7 показана одна из возможных реализаций при к=21 к =2,У ., причем в Р-схемах с=1 значение К = 0,23914, а с=2 - 0,1547. В этом случае на вентильных обмотках формируется минимум 12 ФС ЗДС, и, следовательно, на выходе вентильного блока ВОБ может быть получено, как минимум, П=24.Возможны многие другие реализации, что характеризует широкую общность решения, его практически неограниченные возможности.При этом одноименные выводы Р-схем сетевых обмоток могут быть подключены к входным выводам А,В,С, как непосредственно (Фиг.1-7), так и через дополнительные элементы, например, через разделительные индуктивности с коммутирующими С и/или Фильтровыми Ь, С элементами либо без них (фиг.8 для Фиг.4). Можно также в качестве входных выводов образовать выходные выводы ВОБ для подключения источников энергии постоянного тока, а входные