Ступенчато-мостовой вентильный преобразователь

3 9172чения разных по величине значений амплитудных или действующих значений таких ЭДС, приводит к асимметрии внутренних сопротивлений и, как слецствие, кпоявлению нежелательной низкочастотноймодуляции выходного напряжения, снижению частоты пульсации его переменнойсоставляющей, необходимости усложненияи увеличения массо-габаритных и стоимостных показателей (МГСП) сглаживаю ших фильтров,Кроме того, в известных преобразователях наблюдается сравнительно небольшая длительность и значительная амп 15литуда (бросок) токовых импульсов вентилей и источников ЭДС, что снижаетнадежность и коэффициент их использования во времени,Бель изобретения - улучшение режимно-энергетических и качественных показа-телей.К числу положительных аостижений,обеспечиваемых предлагаемым устройством, относятся повышение напряжения25Чо на нагрузке, снижение и одновременное выравнивание (симметрирование) амплитудных или действующих значений преГобразуемых ЭДС, их внутренних сопротивлений и амплитуды обратного напряжения на вентилях, устранение, либо существенное снижение низкочастотной модуляции выходного напряжения, увеличениедлительности открытого состояния вентилей и снижение амплитудных значений токовых импульсов источников преобразуе- З 5мых ЭДС, обеспечение возможности создания значительного числа принципиальноразличных, конкретных схемных реализаций ступенчато мостового типа с емкостными накопителями.Поставленная цель достигается тем,что в ступенчато-мостовом вентильномпреобразователе переменных напряженийв постоянное, содержащем мостовые вентильные преобразователи с нечетным чис- Юлом источников преобразуемых ЭДС вкаждой из ступеней, соединенных междусобой последовательно раэнополярными. выходами, к свободным из которых подключена нагрузка, источники преобра 56зуемых ЭДС в каждой-й ступенисоединены в О лучевую звезду, а между общей ее точкой и одним выходомданной ступени и между этой точкой идругИм выхоцом той же ступени допол 55нительно подключены электростатическиеэлементы, где=1,х - целое, а3,0 х - целое нечетное поло 81 4жйтельное число, дополнительное увеличение длительности и снижение, амплитуды токовых импульсов и источников преоб-. разуемых ЭДС достигается тем, чтокаждый из этих источников подсоединенк средней точке зашунтированного дополнительным электростатическим,элементом дросселя, аополнительно включенногомежду вентильными плечами данной вентильной ячейки 9 -вентильного моста,кроме оаной вентильной ячейки,.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 дозирующие электростатическиеэлементы выполнены в виде трансформатора с конденсаторными обмотками.Вместе с тем, с целью дополнительного снижения напряжения на вторичныхобмотках неуправляемых и (или) управляемых трансформаторов, каждая О -яобмотка 3 -йступени разделена наРсекций и на . их основе преобразованыдополнительные послеаовательно соединенные мостовые ступени упомянутойструктуры с числом О) лучей преобразуемых ЭДС в ц -й ступени, гдеЙ1,Р - целое положительноечисло, включая нуль.При этом преобразуемые ЭДС могутбыть сформированы на обмотках неуправляемых и (или) управляемых трансфоматоров, 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 числеступеней , =4 и соединении источников преобразуемых ЭДС в кажцой ступенив трехлучевую ( 1 = ) =3) звезцупри формировании этих ЭДС непосредственно на трех неразделенных (фиг. 2 а)или разделенных на части и соединенных,например, в зигзаг (фиг. 2 в) обмоткахпри наличии, либо отсутствии в них "дозирующих" конденсаторов,Ступенчато-мостовой вентильный преобразователь (фиг, 1) с подключенной кего выходам 1 и 2 нагрузкой 3, зашунтированной или незашунтированной электростатическим,элементом 4, содержит. =1,х ступеней 5 и 6 с первой 5пох -ю 6 ступень, которые соединенымежду собой разноолярными выходами7 и 8 и содержат каждая мостовойвентильный преобразователь 9, в котором 5источники 10 преобразуемых ЭДС приих нечетном числе Ох. соединены вОх-лучевую звезду 11, между обшейточкой 12 которой и выходами 7 и 13мостового вентильного преобразователя 9 Оподключены дополнительные электростатические элементы, например конденсаторы14 и 15, а свободный выход 13 первой. 5 и свободный выход 16 последней ступени являются выходами 1 и 2 устройства,Устройство работает следующим образомПри отсутствии электростатическихэлементов 14 и 1 5 на нагрузке 3 формируется напряжение О.о , равноевекторной сумме диагональных (при трехлучевой звезде - линейных) ЭДС Я,Явсехх ступеней 5 и 6Х 25Оо =ЕЛАеПри наличии дополнительно подключенных электростатических элементов 14 и15 на выходе 7 мостового вентильногопреобразователя 9 формируется напряжение Оо, равное примерно удвоенномузначению амплитуды о источников 10преобразуемых ЭДС,Оо =256 (2) "Удвоенное напряжение по (2) обусловлено тем, что каждый электростатический элемент 14 и 15 через соответственно анодную и катоаную вентильные группы моста заряжаются примерно ао амплитудного значения 3,Тогда напряжение она выходах 1и 2 предлагаемого устройства равноХ -з:1Так как амплйтуда 5 аф диагональной ЭДС данного-го вентильного моста всегда меньше удвоенного значения2 5 д, амплитуд Я , фаэной ЭДС,то напряжение Оо по (3) обеспечи 50ваемое предлагаемым устройством, всегда больше напряжения Ио по (/1/),д 1создаваемого известным устройством,Таким образом, при одинаковой с известным устройством амплитуде 3,; фазных или амплитуде ,3 д, диагональныхЭДС и одинаковом числе 1 ступенейпредлагаемое устройство обеспечивает по отношению. к известному увеличениевыходного напряжения в А= Оо /Оо раэ.,Соответственно, при одинаковом сизвестным устройством значении выходного напряжения О амплитудапреобразуемых ЭДС в предлагаемомустройстве может быть уменьшена, а также уменьшена пропорциональная этойамплитуде 3, амплитуда О 05, обратного напряжения на вентилях,При этом, кратность П частоты пулье.сации переменной составляющей выходного напряжения и сравнительно низкий ееуровень сохранены в предлагаемом устройстве по отношению к известному и,следовательно, сохранены присущие известному устройству его важные достоинства,Так как период огибающей выходногонапряжения каждой ступени больше периода огибающей напряжения на выходе устройства, то интервал отдачи энергии илиразряда дополнительного электростатического элемента увеличен в предлагаемомустройстве по отношению к известному и,следовательно, увеличены интервал зарядаэтого элемента и длительность токовыхимпульсов, вентилей и источников преобразуемых ЭДС, а амплитуда этих импульсовснижена.Снижение амплитудных значений обратного напряжения и импульсов токоввентилей и источников преобразуемыхЭДС, а также расширение длительностиэтих импульсов позволяет использоватьменее высоковольтные и менее мощныевентили и/или меньшее их число при последовательном соединении и менее высоковольтные обмотки трансформаторов прилучшем их использовании, что снижаетМГСД трансформаторного и вентильногоблоков и всего 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 двенадцати оанофазных трансформато ров (фиг. 2 а) и соответствующие ступе7281 10 9 91Кроме того, последовательное включение электростатических элементов 14, 15, 37-42 приводит 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 а) обеспечивает, как и известное, ту же 24-кратную частоту пульсации выходного напряжения, и, тем самым, устройство (фиг. 2 а) сохраняет обусловленное этим важное достоинство сопоставляемо 5 0 15 20 25 30 35 40 45 50 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, по. сравнению с известным уст ройством, уровень нежелательной ниэкэчастотной модуляции выходного напряжения. Этим улучшается качество этого напряжения и качество преобразуемой (потребляемой) энергии, а также улучшаются МГСП выходных фильтров и/илисредств 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, содержащегочетыре трехячейковые (Л=З) вентильных моста и один шестифазный, например с шестистержневым пространственным маг нитопроводом, либо шесть однофаэных, 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 трехфаэной сети, а каждой из четырех вторичных трехфазных обмоток 26-29 - в зигзаг.Таким образом, по отношению к уст ройству (фиг. 2 а) 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 целом.Предлагаемые преобразоватепи несмотря 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 приводит к дальнейшему снижению 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 двумя 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 трех- стержневым 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 четырехступенчатым известным устрой ством, в котором каждая из двух одних вторичных трехфазных обмотрк соединена в звезду, а каждая из двух других треугольник, общее число витков вторичных обмоток в устройстве (фиг. 2 в).просекционированный вариант на 4,8 ба меньше при одинаковом. выходном напряг жении, где Мг - число витков одной обмотки луча трехлучевой,звезды 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 преобразователь от сопоставляемого известногос его принципиально присущей ему асим метрией.20Дополнительного расширения длительм ности и снижения амплитуды токовых импульсов вентилей и источников преобразуемых ЭДС можно достичь, если меж ду вентильными плечами каждой вентильной ячейки данного-го вентильного моста, кроме одной, дополнительно 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 - циркуля 35 цию энергии, накапливаемой в дросселе а также улучшение качества потребляемой энергии.Дополнительного улучшения режимно 40 энергетических показателей устройства можно достичь, если в каждую линию ячеек преобразования включить дополнительный (дозирующий) электростатический элемент, например, конденсатор 49 (фиг, 2 в), допускающие смену поляр 45 ности напряжения на нем.Такое включение позволяет без дополнительных потерь активной мощности улучшить качество потребляемой энергии и качество переходных процессов за счет перерасределения (дозирования) накаливаемой в элементах энергии.Если в последнем случае источники, преобразуемых ЭДС выполнены в виде трансформатора или электрической машины, то возможно дополнительное улучшение МГСП устройства путем выполнения этих источников и дозирующих электро статических элементов и виде элементовс совмещенными функциями трансформатора и конденсатора (типа "транскон").При этом положительные свойства достигаются за счет совмещения .функцийдвух элементов в одном, что также раоширяет функционально-конструктивные возможности предлагаемого устройства,Таким образом, реализуется предлагаемый ступенчато-мостовой вентильныйпреобразователь переменных напряженийв постоянное, в котором достигнуто улучшение ряда качественных и режимно-энергетических показателей при одновременной простоте схемно-технического решения,Формула изобретения1. Ступенчато-мостовой вентильныйпреобразователь переменных напряженийв постоянное, содержащий мостовые вентильные преобразователи с нечетным числом источников преобразуемых ЭДС вкаждой из ступеней, соединенных междусобой последовательно разнополярнымивыходами, к свободным из которых подключена нагрузка, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью улучшения режимно-энергетических и качественных показателей, источнйки преобразуемых ЗДСв каждойй ступени соединены в-лучевую звезду, а между общей ееточкой и одним" выходом данной ступении между этой точкой и другим выходомтой же ступени дополнительно подключены электростатические элементы,где 1,1 - целое, а)=З,р - целое нечетное положительное число.2. Преобразователь по п, 1 о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с цельюдополнительного увеличения длительности иснижения амплитуды токовых импульсови источников преобразуемых ЭДС, каждый из этих источников подсоединен ксредней. точке эашунтированного дополнительным электростатическим элементомдросселя, дополнительно включенногомежду вентильными плечами данной вентильной ячейки )1 -вентииьного моста,кроме одной вентильной ячейки.3, Преобразователь по. и, 1, о т л ича ющий ся тем, что, сцельюдополнительного улучшения режимнэнергьтических показателей, в каждую линию,соединяющую источник преобразуемыхЭДС с соответствующей вентильной ячей-,13 91 кой, включен дополнительный дозирующий электростатический элемент, допускающий смену полярности напряжения на нем,4. Преобразователь по пп, 1 и 3, о т л и ч а ю щ и й с я 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 щ и й с я тем, что, с целью дополнительного снижения напряжения на вторичных обмотках неуправляемых и (или) управляемых трансформаторов, каждая 0 -я обмотка -й ступени разделена на фо; секций и на нх основе образованы дополнительные последовательно соединенные мостовые ступени 7281 14.упомянутой структуры с числом 0 ), лффчей преобразуемых ЭДС в 1) -й ступени, где Рц ) 1, р;аелое положтельное число, включая нуль.ь 6. Преобразователь по пп. 1 и 8,отлнчающийсятем, чтоцреобразуемые ЭДС сформированы на обмоъках неуправляемых и,или) управляемыхтрансформаторов, выполненных на простраа О ственных магнитппроводах.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе .1. Авторское свиаетельствр СССР% 57985, кл. Н 02 М 7/06, 1940,5 2. Белопольский И.И. и др. Транзиоторные стабилизаторы на повышенные ивысокие напряжения; М., "Энергия,1971, с, 60.