Преобразователь электроэнергии

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве вторичного источника электропитания постоянного напряжения с высоким качеством преобразования энергии . Цель изобретения - расширение области применения. Устройство содержит электромагнитный аппарат с секционированными сетевыми обмотками. Вентильные обмотки, подключены к выпрямительным вентильным блокам. Секции сетевых обмоток соединены с секциями других фаз, образуя схему односторонний встречный зигзаг - замкнутый треугольник (Р-схему). Благодаря выполнению таких Р-схем левыми, правыми , прямыми, обратными при различных соотношениях витков первых и вторых секций обеспечивается практически неограниченное число преобразователей с различными значениями частотной кратности пульсаций и фазовыми сдвигами, что расширяет область применения устройства. 6 з.п. ф-лы, 14 ил. i СЛ со 4 4 N3

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (5D 4 Н 02 M 7/12

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

o,у „

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

Г1О ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3841383/24-07 (22) 14.12. 84 (46) 30.05.87. Бюл. Р 20 (72) А.М.Репин (53) 621.314.632 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР и 801204, кл. H 02 M 7/06, 1979.

Авторское свидетельство СССР

9 811452, кл. H 02 M 7/06, 1979. (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ (57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве вторичного источника электро. питания постоянного напряжения с высоким качеством преобразования энергии. Цель изобретения — расширение области применения ° Устройство содер„„SU„„1314424 А 1 жит электромагнитный аппарат с секционированными сетевыми обмотками. Вентильные обмотки подключены к выпрямительным вентильным блокам. Секции сетевых обмоток соединены с секциями других фаз, образуя схему односторонний встречный зигзаг — замкнутый треугольник (P-схему). Благодаря выполнению таких P ñõåì левыми, правыми, прямыми, обратными при различных соотношениях витков первых и вторых секций обеспечивается практически неограниченное число преобразователей с различными значениями частотной кратности пульсаций и фазовыми сдвигами, что расширяет область применения устройства. 6 э.п. ф-лы, 14 ил.

1 l 3144

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано н качестве вторичного источника электропитания постоянного напряжения широкими схемно-функциональными возможностями.

Цель изобретения — расширение областей применения °

На фиг.l изображена принципиальная lp электрическая схема устройства н монтажном виде при значениях Т=2, i»=2, =1 и подключении сетевых обмоток

»1 в правое или левое соединение в односторонний встречный зигзаг — замк- 15 нутый треугольник, напоминающее по топологическому изображению букву Р (фиг.2,3,5), в связи с чем такое соединение для простоты и удобства пояснения именуют P-схемой, причем 20 на фиг,l изображено соединение сетевых обмоток в левую и правую Р-схемы при обратной индексной последовательности фаз в однотипных замкнутых треугольниках первых секций каждой 25

P-схемы; на фиг,2 — то же, в топологическом виде; на фиг.3 — возможные исполнения левой P-схемы при изменении фазового угла ц 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, i„, =1,1 „„= 2, т. е. при полностью Одинаковых всех j-х Р-схемах, а также при выполненной транспозиции присоединения к входным выводам двух из трех выводов одной из Р-схем; на фиг. 6 и 7 — то же, при Т 3, - -» =2,,1х1 =2, jab 1 и Т 4, i х =2,,j „; =2, Ч ; на фиг. и — соеди-40 нение выводов Р-схем сетевых обмоток на фиг.4 через дополнительные элементы; на фиг. 9 — соединение вентильных обмоток в схеме на фиг.4 в трехлучевые звезды, сдвинутые по фазе 45 на 30 эл.град и связанные между со бой через шестивентильное кольцо; на фиг.!0-14 — то же, при соединении вентильных обмоток в фазосднинутые трезиги (фиг.lO) и грансеки (фиг.ll) при подключении их к 6-ячейковым (Л6 ) вентильным мостам, à неполные треугольники (фиг.12), подключенные к

3-ячейковым (ЛЗ) нентильным мостам, в трисеки (фиг.13), и в P-схемы (фиг.14). При этом выводы постоянного тока мостов могут быть соединены паралпельно 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 н соответствующие P-схемы например, фиг.1 и 4, а дополнительные фазовые сдвиги у, требующиеся, в частности, с целью получения 24-кратной частоты пульсации (П-24), обеспечиваются соединениями вентильных обмоток н однотипные (фиг.9,11,13) или в лево-правые (фиг.12,14) схемы.

При этом приведенные на фиг.3, lO-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 тога, электромагнитный аппарат (ЭМА) н 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 (нентильно-обмоточный блок — ВОБ).

Сетевые обмотки разделены в каждой фазе на 2Т секций (AX,BY,CZJ,. причем k=1, 2; Т =,j .y 1;,j,. =1, 1

1 i =1 i»; Рх, i»3f N ральные числа (применительно к реализации на фиг. l: i=I,2; i „=2;,1 „; =1 при всех i, Т =) + 1 = 2).

При этом первые 2 АХ, BY, CZJ и вторые 1ВУ, CZ, AX } . секции сете21 ных обмоток соединены попарно пофазно в односторонние нстречные зигзаги в порядке индексной последовательности фаз, например, B«Y«Z 2 „С 2 „

1 I 1,2 А 1 2 С 2 2 2,2 а первые секции

jAX, BY, С73" каждой из i-x или,); -х троек разноименных по фазе зигзагов соединены согласно последовательно между собой и топологически образуют правильные замкнутые треугольники

А„„В „С" А 2 В„,2 С,, фиг.2..

13144

При этом эти первые секции ) АХ...

"1,i соединены так, что вторые секции

1.АХ...),, например С2 „Ег „A2 Х2, В Y на фиг. 1 и 2, подключенные

2,1 2,1 5 к соответствующей вершине треугольников (например, к вершинам А1,, В„„ >

С„ „ на фиг.1 и 2), является гете/ рофазными относительно двух первых секций (А1 „ X „„,В „„ Y„ „ ), образую- !0 щих данную вершину (А, „ ). .Этим данное соединение, именуемое P-схемой, отличается от известного соединения в неполный треугольник, к вершине замкнутого треугольника которого под-!5 ключена часть одной на образующих вершину фазных обмоток, и, следовательно, эта часть является синфазной, а не гетерофазной, как в P-схеме, что приводит к иным результатам.

От известной, в котором первые секции соединены в трехлучевую звезду, предлагаемая P ñõåìà отличается тем, что эти секции образуют замкнутый треугольник с соответствующим располо- 25 жением вторых секций.

Свободные выводы С г „, Е2 2, А2 „, Х2 ; В г,,У2 г вторых секций, являющиеся выводами P ñõåì, образуют соответствующие им входные выводы 30

А.В,С, причем в данном случае указанные свободные выводы образуют входные выводы парами, например С2 „ и

Ег, и непосредственно, т.е. беэ дополнительно подключенных к ним элементов.

Преобразователь работает следующим образом.

При подключении входных выводов 40

P-схем к первичному источнику энергии переменного тока (к сети) в секциях сетевых обмоток первой их тройки формируются переменные ЭДС, фазы которых, как это видно из топологической 45 схемы на фиг.2, сдвинуты на 120 эл. град. внутри данной тройки и на угол у относительно соответствующих с

ЭДС сети, образованных между входными выводами А,В,С. Угол у зависит с от соотношения витков вторых и первых секций сетевых обмоток, которое может быть установлено в каждой фазе равным коэффициенту гетерзига

) Зг (P qñ,) Vi .

В этом случае в одноименных с первой тройкой секциях второй их тройки формируются переменные ЭДС с таким же фазовым сдвигом с, как выше, 24 4 но с противоположным знаком. Следовательно, в синфазных сетевым вентильных обмотках общей структуры

ВОБ, например, в одинаково намотанных фазных секциях а и а, со1,1 12 ответствующих сетевым секциям A 1

1,1 и А12, формируются переменные ЭДС

1 с фазовым сдвигом у между ними, Равным 2 p . Общее число m таких

И фазосдвинутых (ФС) ЭДС по схеме на фиг.1 и 4 равно шести (тя =6), а их попарно симметричный фазовый сдвиг в 30 при 90 между ближайшими ЭДС смежных пар обеспечивается при К,, — 2/?3-1 0,)547.

Относительно известной схемы соединения трехфазных сетевых секций в правильный замкнутый треугольник с отводом в каждой фазе, образующим входной вывод, экономия Эк в соотношении /u> второй и первой частей фазных секций (при требующихся в практических устройствах значениях — 5, 7,5, 1О, 15, 20, 22,5 о (30 ) обеспечивается в Р-схеме в

1,74; 1,63; ),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 угла возможны в Р-схеме в пределах (О, 90 С, где знак - (с 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 в диапазон при условии, если

Ф число витков первой секции сохраняется физически реальным. В противном случае, когда „=0, угол ) = 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 устройстве увеличен соответственно в 1,5;

1,5 и 3 раза при дополнительно существенном расширении множества возможных дискретов

Относительно традиционной схемы звезда//треугольник, обеспечивающей лишь единственную выборку угла Ч (4/с=

30 ), в устройстве достигается фак-. тически бесчисленное множество выбо-. рок g, причем в обе стороны от ука!

5 131 эанных 30 . Зкономия Э1 в соотношении витков для данного значения q обесс печивается при этом в P-схеме в

1,732 раза.

При вышеуказанном соотношении витков (k „ = 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 соединенных нентильных мостов (фиг.12, первый и третий или второй и четвертый мосты) на выходных выводах постоянного тока этих двух, связанных между собой, элементарных преобразовательных структур образуется постоянное напряжение с !2-кратной частотой пульсации. Наряду с хорошим спектральным составом потребляемого тока на малом уровне потока реактивной мощности данный результат характеризует высокое качество преобразования энергии.

Вентильные обмотки могут быть соединены в любые схемы, в частности в лучевые или угольные звезды, замкнутые, открытые, неполные (фиг.12) треугольники, квадраты, многоугольники различные зигзаги, трисеки (фиг.13), трезиги (фиг.10), грансеки (фиг.11), P-схемы (фиг.14) и пр., а преобразовательные элементы вентильных блоков (неуправляемые или/ и управляемые) в лучевые, кольцевые, мостовые (фиг.!0-14), А-схемы (фиг.9) и др, Если вентильные обмотки данной фазы разделены на секции и разноименные по фазе секции в одной структуре

ВОБ соединены в схему, между выводами которой, присоединенными к выводам переменного тока данного трехячейкового моста, формируется система

ЭДС, сдвинутая по фазе на 30эл.град. относительно аналоговой системы ЭДС другой структуры той же -й P cõåìû сетевых обмоток, то вышеуказанное. соотношение витков сетевых секций может быть еще более уменьшено: k „=

0,076.

Тем самым относительно прототипа обеспечена экономия в витках вторых о секций в 3 / = 3 cos y /cos (30 +

+ q ) раз, в частности н 2,164, 2,3бб, 3 раза при одинаковых с проо тотипом значениях (с= 7,5, 15, 30, одинаковом числе витков первых секций и общем числе секций. Благодаря сое—

4424 6 динЕнию первых секций сетеных обмоток н 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), обеспечинающие соответствующий индивидуальный угол фазового поворота, например, = О, + 7,5, + 15 . В частности, они могут быть соединены в зигзаги, трезиги (фиг.10, y = + 7,5, ц = + 15), грансеки (фиг.11, — + 7,5, g = !Т), неполныв треугольники (фиг.12, q + 15, q = + 7,5), трисеки (фиг.13, = + 7,5, 9 = О),, P-схемы (фиг.14, q = +7,5, ч = + 15 или q = + 15, = + 7,5) и пр., либо, в крайнем случае, в правильные трехлученую звезду и треугольник (1= 30 ). При этом во всех этих реализациях необходимый угол q обеспечис нается соединением в P-схемы именно сетевых обмоток, и, таким образом, наибольшей унификацией из приведенных на фиг.9 — 14 обладает реализация по фиг. 14.

Вместе с тем, устройство реализуе35 мо на одном С-стержневом (на фиг.1

С=6), на Т трехфазных пространственных или ЗТ однофазных трансформаторах, что отражает широкие конструктивные возможности решения. Вышеуказанное выполнение вентильных обмоток с ь азовым сдвигом их систем ЭДС на

30 может быть реализовано без разо деления их на дополнительные секции, что возможно в случае, если дополнительно просекционировать первую и вторую P-схемы сетевых обмоток на фиг.1, намотав их с соответствующими им вентильными обмотками на дополнитЕльных стержнях, т.е. реализовать решение c i„= 2,;1х, = 2,М i.

Однако н том и другом случаях на выходе лучевых, мостовых или кольце-, вых схем структуры ВОБ обеспечивается 24-кратная частота пульсации, что дополнительно улучшает качество пре— образования энергии.

Возможно дополнительное повышение однотипности трансформаторов, если при полном сохранении соеди1314424

7 нения в каждой из двух P-схем (как это пРи ) = 1,,1к, )к = 2, з к =1 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

P-схемах сетевых обмоток к входу А присоединены одноименные выводы С

2

С> одноименных вторых секций обоих 1р

Р-схем, а выводы А", В" первой и В

А второй P-схем подключены к выво2 дам В,С транспозированно.

Благодаря унификации комплектность 15

ЗИП уменьшается максимально в Т раз при выполнении на трехфазных или в ЗТ раз — на однофазных трансформаторах.

При этом в последнем случае также несущественно различие соединений во 20 второй P-схеме на фиг.1, так как это различие касается не внутренних (в самом трансформаторе), а лишь внешних, 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 Зр сформируются в любом случае фазосдвинутые (ФС ) системы 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, соответ 4р ств ющих сетевым фазйым обмоткам А, 1 и A„, сдвинуты по фазе относительно друг друга, как это следует из фиг.5, на угол 1 = 60 + 2 .

Ь

В 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 5р 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.

Так как даже при наличии лиип 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 черезвычайно широких схемных возможностях данного решения.

При kz 0,076 и обеспечении m „ = — 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,,j = 2,,j = 1, Т = 3). При одинаково намотанных и одинаково соединенных (или несоединенных ) вен ильных фазных обмотках на них формируются девять

ФС ЭДС, причем фазовый сдвиг их относи гельно друг друга может быть обеспечен симметричным по 20, если в первых двух схемах (i = 1, ) =1 и 2) сетевых обмоток установить соотношение витков вторых (AX...)11 и первых

2,1

1АХ...j " секций, т.е. коэффициент

11 1

К г, равным О, 364, а в третьей Р-схеме — равным нули, т. е. без вторых секций (фиг.6).

На фиг.7 показана одна из возможных реализаций при як=2, j„„ =2,9 i, причем в P-схемах с i =1 значение

k>„ = 0,23914, а с i =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 P-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

L, C4, 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

9 13144 выводи А,В,С вЂ” в качестве выходных для формирования переменного тока.

Формула изобретения

1. Преобразователь электроэнергии, содержащий электромагнитный аппарат с трехфаэными сетевыми и вентильными обмотками, разделенными на секции, причем вентильные обмотки подключены 10 к вентильным блокам, образующим по цепи постоянного тока выходные выводы, первая секция данной фазы сетевых обмоток соединена встречно с второй секцией смежной фазы в порядке ин- 15 дексной последовательности фаз, по схеме односторонний встречный зигзаг, свободный вывод второй секции которого образует соответствующий входной вывод, отличающийся тем, 20 что, с целью расширения областей применения, число секций в каждой фазе сетевых обмоток равно 2Т, при этом Т= 2,3,4,... — целое положительное число, первые секции разных фаэ каждого иэ Т зигзагов соединены между собой в замкнутый треугольник и подключены к гетерофазной двум первым секциям второй секции в каждой его вершине (P-схема). 30

2. Преобразователь по п.!, о т л и ч а ю шийся тем, что первые и вторые секции в зигзаге соеди24 l0 иены в прямом или обратном порядке индексной последовательности фаз.

3 ° Преобразователь по пп.l и 2, отличающийся тем, что .числа витков первой и второй секций зигзагов сетевых обмоток установлены в каждой абазе в соотношении (tpРс) I 3, где 0 < g(90

4.Преобразователь, по пп.1-3, отличающийся тем, что при Т =,) „) 1- j -= 1,,)„,; j.-1, з.„ СИ, где И = 1,2,... натуральные числа, все,), -е P-схемы выполнены при данном i полностью одинаковыми.

5. Преобразователь по п.4, о т— л и ч а ю шийся тем, что все

P — ñxåìû при i:=1 и i 2,3,4, а также при i =3, i» = 4 образуют левые, а при i =2,4 и i< =2,3,4 правые соединения.

6. Преобразователь по п.5, о т л и ч а ю шийся тем, что при — 1 выводы двух вторых разноименных по фазе секций, образующие входные выводы, по крайней мере в одной з -й P-схеме транспозированы.

7. Преобразователь по пп.3,5,6, отличающийся тем, что указанные числа витков установлены при соответствующих значениях в соотношениях 1:О, 1:0,076, 1:0,1547, 1:0,21, 1:0,739.

АР,Х

В г

1314424

Рие. 3 х, у1

В2

С

А22 2 У2

Хл 1

Фое. 5 у 2

822

i 314424

1314424

Lp Сф

ГY

4ф С4

ГУ1

4 C4 гч . 1.3

Ю= 1Р

=72

)7= Q

=ze

=Д

a * г

П 12

1314424 а=г

П=В

Составитель Е.Мельникова

Техред M.Õîäàíè÷

Редактор M.Òoíòèí

Корректор A.Òÿñêo

Заказ 2217/54

Тираж 661 Подписное

ВНИИПИ Гбсударственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г,Ужгород, ул.Проектная,4