Пятифазный кольцевой преобразователь напряжения

(51)5 Н 02 И Ы С) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ ИЗОБРАВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) Авторское свидетельство СССР М 803089, кл. Н 02 М 7/06; 1981,Авторское свидетельство СССР М 928569, кл, Н 02 М 7/10, 1980.(54) ПЯТИФАЗНЫЙ КОЛЬЦЕВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ(57) Изобретение относится к электротехнике и может использоваться в качестве низковольтного источника электропитания постоянного напряжения с высоким качеством преобразования энергии при наличии пятилучевой системы источников фазных Изобретение относится к электротехнике и может использоваться в качестве низковольтного источника электропитания постоянного напряжения с высоким качеством преобразования энергии при наличии пятилучевой системы источников фазных ЭДС (Ф ЭДС), формирующихся посредством систем из любого числа исходных ЭДС. в том числе наиболее типовой трехфазной системы, а также в качестве источника переменного тока с соответствующим числом фаз, т.е. в качестве инвертора.Цель изобретения - расширение области применения,На фиг. 1 дана. обобщенная схема пятифаэного кольцевого преобразователя напряжения при наличии двух обобщенных пятилучевцх систем - гальванически связанных ФЭДС, причем первая и вторая системы содержат по пять источников каждая ЭДС(ФЭДС), формирующихся посредством системы из любого числа исходных ЭДС, в том числе трехфазной. Цель изобретения - расширение области применения, Это обеспечивается соединением двух пятилучевых обобщенных систем ФЭДС через преобразовательные элементы 1-10, собранные в замкнутое десятивентильное кольцо, и образованием нулевыми точками пятилучевых звезд ФЭДС двух выходных выводов +, -, Предлагаемый преобразователь напряжения обеспечивает десятикратную частоту пульсации выходного напряжения при исполнении его в качестве выпрямителя либо повышенное качество формы переменных напряжений при исполнении его качества инвертора, 9 з.п, ф-лц, 12 ил,(вф 1 = гпфг = 5), которые обозначены как 5 -системы и соединены между собой через преобразовательные элементы (ПЭ), образующие десятивентильное кольцо В 10, изображенное в виде петли, при этом точкой над цифрой пять, как и знаком сл в круге, отражен указанный признак связанности ФЭДС, а сами обобщенные 5 ф-системы изображены в фазовой плоскости в виде С) упрощенного и наглядного фазового кадра, представляющего собой окружность с расположенными на ней и в ее центре пятью полюсами или выводами ФЭДС и одним а треугольником вывода общей или нулевой точки их соединения, образующей один из двух выходных выводов+, -;на фиг. 2 - примеры топологической реализации 5 ф-системы при наличии пяти (пъ= =5, б), трех(ви, в-л) и двух(пъ = 2, м - и) исходных источников ЭДС, причем в по 1693700следнем случае при фазовом сдвиге исходных ЭДС на 90(м-о) и 120 (и) эл, град.;на фиг. 3 - то же, что на фиг, 1, в монтажном виде применительно к топологической реализации 5 ф-системы, представ ленной на фиг,2 б, причем каждая такая система источников ЭДС реализована на секциях пятифазной (в= 5) двухсекционной вентильной обмотки (ВО) электромагнитного аппарата (электрической машины, 10 трансформатора, автотрансформатора, сфазированнйх генераторов, параметрических устройств и др,), а соединение их выводов а, Ь, с, о, е и аь Ь, с 1, б 1, е 1 с попарно объединенными анодами, образующими 15 стоки кольца, и соответственно с попарно объединенными катодами, образующими истоки кольца, разных пар ПЭ показаны лишь для вывода б одной и вывода е другой пятифаэных звезд при изображениидесяти вентильного кольца В 10 в виде правильного пятиугольника с парой встречно включенных ПЭ на каждой его стороне и в каждой его вершине, при этом попарно объединенные аноды ПЭ (стоки) кольца В 10 и 251попарно объединенные их катоды (истоки) обозначены на кольце теми же буквами, что и выводы секций пятифазной ВО или полюсы двух 5 ф-систем их источников ЭДС;на фиг. 4 - то же, в наиболее компактном виде путем изображения десятивентильного кольца В 10 в форме правильного десятиугольника с одним ПЗ на каждой его стороне, а фазных ЭДС - утолщенными линиями, причем вторая пятифазная система 35.ЭДС (Бф-система) изображена условно обратной относительно первой 5 ф-системы, . т.е. условно сдвинутой на 180 эл. градно в действительности обе 5 ф-системы однотипны с совпадающими звездами секций ВО 40 (фиг. 3) или фазокадрами (фиг, 1);на фиг. 5- векторная диаграмма, поясняющая в фазовой плоскости принцип формирования десяти импульсов Я (,и= 1,Т 0) знакопостоянного выходного напряжения 45 Оо (фиг, 3 и 4) для случая, когда амплитуды Я синусоидальных ФЭДС равны между собой в данной и обеих 5-системах (Я = =Яаф 1= Яаф Ь=(а, Ь, с, б, е), а любая ФЭДС сдвинута по фазе относительно смежной с 50нЬй на 72 эл. град.;на фиг. 6 - то же, что на фиг; 4 для случая, когда однотипные 5-системы сформированы при наличии лишь трех источников исходных ЭДС (т.е, при трехфаэной их 55системе,. аи " 3);на фиг. 7- то же, в монтажном виде при реализации 5 ф-систем на секциях трехфазной ВО и изображении кольца В 10 в виде вентильного пятиугольника; на фиг, 8 - то же, что на фиг, 5. для исполнения по фиг, 6 и 7;на фиг, 9 - то же, что на фиг. 6, при ином образовании 5 ф-систем из исходной трехфаз ной;на фиг, 10 - то же, применительно к реализации 5 ф-систем на основе базовой схемы соединения источников двух ортогональных ЗДС по топологии на фиг, 2 м;на фиг, 11 - тоже, в монтажном виде при изображении кольца В 10 в виде безвен 1тильного пятиугольника;на фиг. 12 - то же, что на фиг. 8, для исполнения поеобраэователя по фиг. 10 или 11.Приняты обозначения П = Ь/1 - кратность частоты пульсации выходного напряжения относительно частоты преобразуемых ЭДС (частоты Г питающей сети или первичного генератора); Кп = ЛО/Чо,Ь 1= - Яао 1/Чо - коэффициенты пульсации по полному ее размаху и амплитуде первой. гармоники относительно среднего значения выходного напряжения при идеализированных условиях - без учета потерь на элементах контуров токопрохождения, при полной амплитудно-фаэовой симметрии ФЭДС, синусоидальной их форме, симметрии процессов и пр, (фиг, 5); Ч - число отдельныхчастей источника ФЭДС или секций ВО; О/,, Я- суммарная амплитуда всех ФЭДС или суммарное число витков ВО относительно амплитудного Оао и среднего Чо значений выходного напряжения в режиме ХХ, причем.эти витковые числа в конкретных цифрах определяются как удвоенное значение аналогичных чисел, известных для одно- мостовых преобразователей с той же (одной) Бф-системой; В, О - отношение действующего значения напряжения и тока данной секции ВО к средним значениям напряжения и соответственно тока нагрузки в идеализированном случае; Кри - коэффициент превышения габаритной мощности ВО (В А) относительно полезной мощности нагрузки (Вт),Устройство (фиг, 1) содержит десять ПЭ 1-10, представленных в виде десятивентильного кольца, обозначенного как В 10, и пять источников фазных ЗДС переменного тока, изображенных в обобщенном виде как два пятиполюсных с нулевым выводом фазокадра. Причем ФЭДС могут быть сформированы из частей источников исходных ЭДС, разделены каждая на две секции и образуют ими две пятилучевые звезды, представленные в обобщенном виде как 6 фи 5 ф 1-системы ФЭДС с выводами или полюсами а, Ь, с, б. е в первой и одноименнымиим выводами (полюсами) а 1, Ь 1, с 1, б 1, е 1 вовторой системах.Присоединения полюсов и ПЭ показаны на фиг. 3, 4, б, 9 и 10 применительно кконкретным реализациям этих обобщенных5 ф-систем,Нечетные ПЭ 1, 3, 5, 7, 9 подключеныанодами к пяти выводам (ае) первой 5 фсистемы, общая или нулевая точка 0 которойобразует первый выходкой вывод-. Второйвыходной вывод+ образован общей или нулевой точкой 01 второй 5 ф 1-системы, а обесистемы ФЭДС выполнены обобщенными(фиг, 1).Общность таких пятиполюсных системзаключается в возможности сформироватьпятифаэную систему самым различным образом, в том числе и однозначно как в известном устройстве путем соответствующейконкретной их реализации из частей исходных источников ЭДС, В частных случаях этоможет быть выполнено как показано на фиг,2, 4, 9, 10 при числе исходных ЭДС гпту = 23, 5 и фазовом их сдвиге соответственно на90, 120, 72 эл. град, При этом число щи можетбыть любым, положительным, целым (вией), а к выводам+, - может быть подключеналюбая нагрузка.Четкые ПЭ 2, 4, 6, 8, 10 подключеныкатодами к пяти выводам (ае) второй 5 фсистемы, а анодами - к выводам (а.е) первой 5 ф-системы. Присоединенные к нейанодами нечетные ПЭ 1, 3, 5, 7, 9 подключены катодами к пяти выводам (ае)1 5 ф 1-системы, а все ПЗ 1-10 образуютдесятивентильное кольцо В 10 из последо-.вательно попарно встречных включенных ПЭ,Причем все соединения выполнены так,что каждый вывод а, Ь, с, б, е первой пятилучевой системы соединен через два подключенных к нему одноименнымиэлектродами (анодами) ПЭ 10 и 1, 2 и 3, 4 и5, 6 и 7, 8 и 9 кольца В 10 соответственно с1двумя выводами с 1 и б 1, б 1 и е 1, е 1 и а 1, а; иЬ 1, Ь 1 и с 1 втооой пятилучевой системы.Обе обобщенные 5 ф-системы выполнены однотипными, т,е. при полностью совпадающих их фазокадрах (ае, О) с(ае, 0)1,Совпадение фазокадров означает точноесовпадение полюсов и нулевых точек системы ФЭДС в фазовой плоскости, причем вобщем случае необязательно, чтобы одна5 ф-система полностью повторяла другую систему, имела в точности такое же число источников исходных ЗДС, такое же число ихчастей, такие же их присоединения междусобой, соотношения и пр.В общем случае исполнение пятифазных систем ФЭДС допустимо разное, В частности, они могут быть реализованы путем50 55 тильным кольцом,В частности, ФЭДС первой фазы а первой 5 ф-системы соединена через ПЭ 1 с ФЭДС четвертой фазы б 1 второй 5 ф 1-системы, однотипной первой. Причем такие пятифазные системы именно однотипны в отличие от раэнотипных трехфазных шестилучевых систем в известном с двенадцативектильным кольцом,В результате алгебраического сложения ФЭДС фаз а и б 1(или геометрического вылюбой комбинации любых двух 5 ф-систем из числа показанных, например, на фиг. 2. Возможны другие исполнения, что характеризует широкие схемно-функциональные 5 возможности предлагаемого преобразователя по созданию практически неограниченного числа новых базовых схем пятифазных кольцевых преобразователей на основе десятивентильного кольца.10 Преобразователь (фиг. 1, 3, 4) работаетследующим образомТак как кольцо В 10 представляет собойв целом нелинейный элемент с односторонней проводимостью тока с пятью входами и 15 пятью выходами, устройство обеспечиваетпреобразование пяти переменных напряжений (ЭДС) в знакопостоянное или наоборот благодаря наличию в кольце пяти стоков и пяти истоков в преобразователе создается 20 десять контуров токопрохождения. Каждыйиз них содержит свой состав элементов - ПЭ, секций источников ФЭДС, связей и пр.Все контуры работают поочередно в течение периода ЭДС на общую для них нагруз ку 11,Все десять контуров подключены к нагрузке параллельно, работая в импульсном режиме; последовательно переключаясь во времени. Переключение контуров происхо дит вследствие вентильного свойства ПЗ 1 -10 и образованного ими кольца В 10При протекании тока через один контурдругие отключены в данный отрезок времени (в теоретически идеальном случае, когда 35 возможное явление перекрытия или коммутации контуров не учитывается), что обусловлено.наличием на ПЭ остальных контуров напряжения обратной полярности на катоде, - на аноде. В связи с этим такие 40 ПЭ закрыты, не проводят ток нагрузки.Каждый из десяти контуров содержитдве секции ФЭДС разных 5 ф-систем. Они соединены последовательно встречно через подключенные между ними ПЭ 1 - 10. При чем секции разных пятифаэных систем. соединяющиеся через открытый ПЭ междусобой, различны по фазе, но не являютсясмежными, как в известном трехфазном кольцевом преобразователе с шестивен 169370045 50 литуде Яаф (при одинаковых значениях 1.-) или увеличения Чс (при одинаковых Яа), в коэффициентах использОвания и превышения габаритной мощности в реализации (фиг. 3) составляет 3 (й,а Яаф, Ч В, =- = О ф/Чо) = 1,9; Э(Кы, К а, Ки) =: 1,345; З(Кари == 3,113; Э(Кпр) = 75,18:34,076:=2,21 раза при одинаковых значениях П = 10, Ь = 57.:, В ==10, гпи =5Двойное участие каждой ФЗДС в работе показано из фиг, 5, причем повторное участие второй 5 ф 1-системы в формиоавании последующего выходного импульса, смежного с предыдущим, показана утопчитания их при рассмотрении встречногосоединения векторов этих ФЗДС) на нагрузке формируется знакопостоянный импульс Я 1 с амплитудой Оао, которая почти вдва раза больше амплитуды Яаф любой 5ФЭДС (фиг. 5): Оао = 2 соз 18 Яаф ==1,90214=72, ЪкЯри атом ток нагрузки, формируемый алгебраически суммарной токоабразующей ЭДС, протекает через обе суммируемь 1 е ФЭДС или секции ВО электромагнитного аппарата и через соединяющий ихоткрытый ПЭ, Так при формировании импульса Я 1 ток протекает по контуру вывод -"- нулевая точка О первой 5 ф-системы - ее 15ФЭДС первой фазы а (фиг. 3, секция аа) - еевывод а - ПЗ 1 - вывод с 1 ФЗДС четвертойфазы второй 5 ф 1-системьсама четверталФЭДС (фиг, 3, секция а 101) - нулевал точка01 - выходной вывод "+" - нагрузка 11, Остальные контуры, их состав, принцип формирования импульсов Яр (,и =: ,10)аналогичны,Поскольку каждый сток кольца В 10 образован двумя однонаправленно падключенными ПЭ, то присоединенная к немуФЭДС первой 5 ф-системы поочередно складывается с двумя ФЭДС второй 5 ф-системы,каждая из которых в связи с подключениемее к своему истоку кольца тсже присоединена через новые два ПЭ к другим ФЭДС пеавой пятилучевой системы,Таким образом, любая ФЗДС обеих плтифазных систем участвует в работе двух издесяти контуров токопрохаждения, что существенно улучшает использование габаритной мощности ВО и ЗМА в целом,массогабаритные и стоимостные показатели (МГСП) относительно сравнимых десяти- .лучевых схем (схем гп 10) с тай же 40равноценной деся гикратнай частотой пульсации,В частности экономил 3 относительнасхемы гп 10 в суммарном числе витков, ампщенным пунктиром в отличие от сплошных линий топологическага изображения тех же ФЭДС при первом их участии, В итоге упрощается определение суммарных витков ВО, суммарных амплитуд ЗДС, Витковое их число Я а (или Я 0) находится непосредсгвенно (фиг, 5) путем суммирования только утолщенных линий ФЗДС. Причем несмотря на то, чта общее число отдельных частей (секций) ФЗДС равно десяти (Ч 2 = 10). а суммарное виткавое число составляет всего лишь около пяти (5,2573), эффекты достигаются благодаря соединению секций разных 5 ф-систем через ПЗ в равноплечий, двусторонний с равными сторонами, встречно- встречный зигзаг - пятилучевую звезду (фиг, 5).В отличие ат известных аналогичных схем с непосредственной (гальванической, а не через ПЗ, как в предлагаемом устройстве) связью разноименных па фазе секций такая связь в кольцевом преобразователе образована через сток - исток кольца В 10, В связи с двойным (совмещенным) участием всех секций ФЗДС обеик 5 ф-систем, сформированная система двустороннего зигзага относится,: типу совмещенной, Образование ссвмещеннога пятифазного двустороннего зигзага обеспечивает снижение числа секций, числа их с:уммарных витков, улучшение габаритной мощности, МГСП, КПД, надежности относительно несовмещенных реализаций,Благодаря наличию в каждом,и -м контуре лишь.одного ПЗ из имеющихся десяти, паследова;ельна обтеаемога током нагрузки (Вп=- 1, чр =- 1,10), потери напряжения в предлагаемом устройстве в два раза меньше, чем в известном, в котором Вор пр = 2, 1 р, Зта улучшает КПД, расширяет возможности преобразователя за счет перехода в диапазон более низких напряжений потребителя, улучшенил энергетичегких показателей и надежности,Так как каждая ФЗДС пятилучевой звезды первой 5-системы после сложения ее с двумя ФЭДС другой их пятилучевай звезды формирует на нагрузке два импульса, то выходное напряжение О 0, несмотря на наличие лишь пяти фаз источника ФЭДС, содержит за адин их период десять последовательно примыкающих друг к другу импульсов Яр (фиг. 5, 8, 12),В результате на выходе преобразователя образуется пульсирующее, квазипостолнное напряжение О 0, постоянная составляющая которого (или среднее значение чо) близка к амплитудному его значению У 0 = (1 ОУл ) 83 п 18 Оао = 0,98363 Оао, 1693700 10510 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Частота переменной составляющей или пульсации больше частоты преобразуемых ЭДС в десять раз г 1 = 10. Уровень пульсации Кп составляет 5 О по полному размаху, Это в два и, соответственно, в четыре раза лучше, чем в известном, что существенно улучшает МГСП фильтров при заданном уровне пульсации на полезной нагрузке, В частности это примерно в 16 раз снижает необходимое произведение Е С индуктивности и емкости элементов Г-образногоС-фильтра на выходе преобразователя.Такой эффект достигается в любой из возможных реализаций устройства, получаемых из фиг. 1, а общность исполнения пятифазных систем ФЭДС обеспечивает практически неограниченное множество новых схемно-технических базовых устройств с десятивентильным кольцом, в частности показанных на фиг, 2 - 12, При этом принцип действия таких исполнений аналогичен указанному, как и соответствующие особенности и эффекты, что применительно к реализациям на фиг. 6, 7 и 10, 11 ясно из кустовых диаграмм на фиг, 8 и 12.В итоге существенно расширены схем- но-функционально-конструктивные и технологические возможности устройства и, как следствие, области практического применения его в различных отраслях народного хозяйства страны,Формула изобретения 1, Пятифазный кольцевой преобразователь напряжения, содержащий десять преобразовательных элементов или вентильных плеч и пять источников фазных ЭДС переменного тока, которые сформированы из исходных источников ЭДС и соединены в две пятилучевые звезды с выводами а, Ь, с, б, е в первой и одноименными им по фазе выводами а 1, Ь 1, с 1, б, е во второй звездах с подключенными к ним по одному преобразовательными элементами, причем к выводам первой пятилучевой звезды элементы подключены анодами, а общая ее точка образует первый выходной вывод, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения области применения, указанные пятилучевые звезды источников фазных ЭДС выполнены в виде двух обобщенных систем, в каждой из которых пять источников фазных ЭДС сформированы произвольным образом путем конкретной реализации их из частей источников исходных ЭДС, общая точка второй пятилучевой системы фазных ЭДС образует второй выходной вывод, подключенные к ней пять преобразовательных элементов присоединены к ее выводам катодами, аноды этих элементов подключены по одному к соответствующим выводам первой пятилучевой системы фазных ЭДС, а пять ее преобразовательных элементов присоединены по одному свободными катодами к соответствующим выводам второй пятилучевой системы фазных ЭДС (ФЭДС) и совместно с ее пятью преобразовательными элементами образуют десятивентильное кольцо из последовательно попарно встречно включенных элементов,2. Преобразователь по и. 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что попарно обьединенные аноды преобразовательных элементов десятивентильного кольца, присоединенные к выводам а, Ь, с, б, е первой пятилучевой системы ФЭДС, образуют пять стоков кольца, а попарно обьединенные катоды его элементов, присоединенные к выводам а 1, Ь, с 1, о 1, е 1 второй пятилучевой системы ФЭДС, образуют пять его истоков,3. Преобразователь по пп. 1 и 2, о т л ич а ю щ и й с я тем, что фазные ЭДС каждой пятилучевой их системы последовательно сдвинуты по фазе на 72 эл,град. одна относительно другой,4, Преобразователь по пп, 1-3, о т л ич а ю щ и й с я тем, что все ФЭДС данной пятилучевой их системы выполнены по величине одинаковыми,5. Преобразователь по и, 4, о т л и ч а ющ и й с я тем, что одинаковыми выполнены ФЭДС обеих пятилучевых систем.6. Преобразователь по пп, 1 - 5, о т л ич а ю щ и й с ятем, что каждый вывода, Ь. с, б, е первой пятилучевой системы ФЭДС соединен через два подключенных к нему преобразовательных элемента десятивентильного кольца соответственно с выводами с 1 и б 1, б и е, е и а 1, аи Ь, Ь и с второй пятилучевой системы ФЭДС.7. Преобразователь по пп. 1 - 6, о т л ич а ю щ и й с я тем, что первая и вторая пятилучевые системы ФЭДС выполнены однотипными между собой с совпадающими полюсами и нулевыми точками в случае изображения данной обобщенной системы ФЭДС и фаэовой плоскости в виде фазового кадра с пятью полюсами на окружности и нулевой точкой в ее центре при их соответствии пяти указанным выводам и общей точке пятилучевой звезды ФЭДС 8. Преобразователь по пп, 1-7, о т л ич а ю щ и й с я тем, что пятилучевые системы ФЭДС выполнены на основе системы, содержащей гпту исходных источников ЭДС, где гптуй (1, 2, 3, 4, 5, Мх), й - множество целых положительных чисел,9, Преобразователь по п. 7, о т л и ч а ющ и й с я тем, что полюсы на окружности фазокадра расположены последовательночерез 72, 1693700 1210, Преобразователь по пп, 1-9, о т л ич а ю щ и й с я тем, что при реализации источников ЭДС в виде секций вентильной обмотки электромагнитного аппарата секции одной из пятилучевой системы ФЭДСвыполнены в качестве сетевых и снабженыдополнительными отводами или витками,образующими входн ые в ы воды.=О а,х, Ь,Ь 10 2 г оставитель В.Гороковехред М,Моргентал Ципл р ректор улл кто аказ 4083 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва; Ж, Раушская наб., 4/5 роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 1 аггзз) ф У гг) гг 2 (аг а, у 2 2 1 ггг аа г)а7, уф,ха) д (агх 235 ф 2 уг 2 г У,аг 4 г ) Г, 1 у 4 г)