ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ МОТОВИЛОВА (Трансформатор постоянного тока)

 
 

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ МОТОВИЛОВА (Трансформатор постоянного тока)




 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯк патенту Российской Федерации  RU/2016483 

 

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ МОТОВИЛОВА

 

Использование: устройства силовой преобразовательной техники повышенной мощности различных классов, различного применения. Сущность изобретения заключается в новой структурной организации преобразующего звена (например, инвертора), работающего на повышенной частоте, которая обеспечивает значительную нейтрализацию вредного действия индуктивностей рассеяния обмоток трансформатора. Достигается это использованием трансформатора с многосекционной первичной обмоткой и попеременным переключением с помощью диодов и ключей одной половины обмоток с параллельного их соединения на последовательное и обратно. Благодаря этому ток в первичных обмотках протекает непрерывно с определенной частичной модуляцией его значения, чем и достигается значительное подавление действия паразитных индуктивностей. 17 з.п. ф-лы, 29 ил.

 

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

 

Изобретение относится к преобразователям, используемым в системах вторичного электропитания с развязывающим высокочастотным (ВЧ) трансформаторным звеном, преимущественно в области сварки, электропривода, гальваники и других электротехнологий, а также электроэнергетики. При этом высокая частота работы служит как для уменьшения массы и габаритов преобразователя, так и для расширения его функциональных возможностей.

Известны аналогичные многофункциональные преобразователи в системах вторичного электропитания, содержащие соединенные последовательно между входом и выходом широкофункциональные преобразовательные компоненты (ПК) на базе инверторов и выпрямителей и развязывающий трансформатор [1-5], причем один из ПК может отсутствовать.

Прототипом изобретения является источник электропитания (преобразователь), описанный в [2]. Он имеет мощность 100 кВА, работает на частоте 10 кГц и содержит помимо ПК гальваноразвязывающий ВЧ-трансформатор, в первичной и вторичной обмотках которого - одинаковые количества витков 1 и 2 , уложенные в десять галет поровну. В каждой галете содержится по две секции, по одной от каждой обмотки. Обе секции намотаны "бифилярно" (бифилярным способом согласно [3]), что обеспечивает значительное снижение индуктивности рассеяния обмоток и реактивного сопротивления трансформатора. Функция повышения напряжения трансформатора выполняется при этом за счет того, что секции первичной обмотки соединены между собой параллельно, а вторичной обмотки - последовательно; коэффициент передачи трансформатора Кп = =10. Такой трансформатор согласно [2] может быть включен последовательно с выпрямителем, последовательно с инвертором, а также с ними обоими вместе. Дополнительные выпрямитель и инвертор могут стоять как на входе, так и на выходе преобразователя, в зависимости от соотношения рабочих частот, режима работы соответственно источника и нагрузки, для обеспечения их совместимости друг с другом и с преобразователем. Таким образом, в прототипе представлен преобразователь широкого функционального назначения, с широкофункциональными ПК, способными осуществлять регулирование, стабилизацию, изменение частоты, выпрямление, инвертирование и другие функции преобразования электрической энергии.

Недостаток прототипа обусловлен тем, что в данной области использования преобразователя описанного типа при повышенном уровне мощности (100-200 кВА), напряжения (3-10 кВ) и высокой частоте работы (f = 10 кГц и выше) основное ограничение по мощностному диапазону при заданной высокой частоте вносят индуктивности рассеяния обмоток трансформатора. Действительно, активное сопротивление 200-амперной обмотки ВЧ-трансформатора с длиной провода 10 м составляет менее 0,002 Ом, а падение напряжения на ней при плотности тока 2 А/мм2 не превышает 0,5 В. В то же время индуктивность рассеяния первичной обмотки ВЧ-трансформатора мощностью 10 кВА при напряжении выхода 10 кВ составляет 40 мкГн [4]. С увеличением мощности преобразователя Ls растет пропорционально диаметру провода обмотки и толщине изоляции, и при 100 кВА достигает 400 мкГн. Реактивное сопротивление на частоте 5 кГц составит

Ls = 5103 2 4 10-4 = 12,5 Ом, (1)

а падение напряжения на Ls составит U = =200 А 12,5 Ом = 2,4 кВ, что в 4,8 раза больше первичного напряжения и означает срыв работоспособности преобразователя.

Влияние толщины изоляции обмоток на практике приводит к 10-кратному изменению Ls и реактивного сопротивления преобразователя. Так, при размещении обмоток на одном стержне ВЧ-трансформатора Ls составляет 0,14 Гн, при размещении на разных стержнях - уже 1,5 Гн [5]. Причем поля рассеяния замыкаются по магнитопроводу, и поэтому индуктивности рассеяния обмоток трансформатора достаточно велики в структуре других паразитных параметров преобразователя. Так, индуктивность силовой цепи "первичный источник - транзистор - обратный диод" в импульсном стабилизаторе напряжения мощностью 80 Вт на частоте 500 кГц равно только 0,1 мкГн. При увеличении мощности этого преобразователя до 80 кВА сечение провода возрастет минимум в 1000 раз, его диаметр - в 32 раза, а Ls будет равна 3,2 мкГн [6]. Задача уменьшения Ls обмоток трансформатора могла бы быть решена резким повышением частоты работы и уменьшением размеров обмотки. Однако при росте частоты например в три раза, количество витков уменьшается в три раза, Ls - в три раза, а реактивное сопротивление

Z = 2 f 3 Ls/3 = 2 f Ls (2) остается без изменения. Более того, потери в магнитопроводе растут пропорционально частоте, что приводит к необходимости увеличения каналов охлаждения и увеличения Ls обмоток.

В прототипе уменьшение Ls достигнуто за счет бифилярного исполнения секций в кадой галете первичной и вторичной обмоток ВЧ-трансформатора. Однако значительная разница потенциалов между обмотками (10 кВ) внутри крайних галет из-за разных схем соединения секций первичной и вторичной обмоток, ее высокочастотный характер обусловливают необходимость изоляции повышенной прочности между секциями первичной и вторичной обмоток, что выливается в соответственно большие Ls обмоток и кладет таким образом предел применимости известных методов расширения мощностного диапазона работы высоковольтных преобразователей с ВЧ-трансформаторным звеном. Соответственно, оказывается невозможным улучшить массогабаритные показатели (МГП), функциональные возможности преобразователей мощностей свыше 100-200 кВА за счет повышения частоты работы с 50-400-1000 Гц до 10-20 кГц.

Цель изобретения состоит в расширении области использования по мощностному и частотному диапазонам и улучшении массогабаритных показателей преобразователя с гальванической развязкой.

Цель достигается тем, что в состав широкофункциональных ПК прототипа введены преобразовательные ячейки (ПЯ) на базе силовых трансформаторов, используемых в режиме постоянного тока. Схемы, аналогичные введенным ПЯ на базе силовых трансформаторов, обтекаемых постоянным током (СТПТ), известны по авторским свидетельствам на "Трансформаторы Мотовилова", "Преобразователи Мотовилова" и патенту США [7-13], и они не подпадают под вышеописанные ограничения мощности, связанные с влиянием индуктивностей рассеяния обмоток на реактивное сопротивление трансформатора. Однако они не обеспечивают функции гальванической развязки и служат для улучшения МГП преобразователя без гальванической развязки. Использование же последовательного включения их с развязывающим трансформатором ранее не предполагалось из-за неочевидности положительного эффекта. Действительно, при этом установленная мощность трансформаторов и масса преобразователя в целом увеличивалась, ухудшались МГП, появлялись описанные выше ограничения по мощностному и частотному диапазонам, обусловленные индуктивностями рассеяния обмоток развязывающего трансформатора, что приводило к очередному ухудшению преобразователя - сужению области использования по мощностному и частотному диапазонам и ухудшало его МГП.

В предложенном преобразователе положительный эффект достигается за счет оригинального разделения функций гальванической развязки и преобразования напряжения между трансформатором и введенными ПЯ. Причем достижение положительного эффекта становится возможным лишь при использовании СТПТ и особого вида развязывающего трансформатора, а именно - трансформатора с обмотками бифилярного выполнения. При выполнении этой оригинальной совокупности указанных условий становится возможным указанный положительный эффект предлагаемой схемы преобразователя, которая ранее не применялась и не рассматривалась из-за неочевидности положительного эффекта.

Действительно, коэффициент передачи преобразователя предлагаемого типа Кп делится на К1 и К2 между трансформатором и ПЯ. Поскольку К1меньше в Кп1 раз, чем в преобразователе без ПЯ, то в трансформаторе с обмотками бифилярного выполнения соответственно в Р раз уменьшается максимальное напряжение между секциями первичной и вторичной обмоток, где

P = . (3)

При К1 = 1 переменное напряжение между секциями развязывающего трансформатора отсутствует вообще, изоляция в общем случае (1 < К1 < Кп) может быть выполнена более тонкой и пропорционально ее толщине уменьшается Ls обмоток трансформатора. В результате соответственно падает реактивное сопротивление трансформатора и расширяется область использования по мощностному диапазону преобразователя в целом.

Так, например, если при частоте 20 кГц предельно достижимая мощность преобразователя обычного выполнения на выходное напряжение 30 кВ достигает 50 кВА при МГП около 500 Вт/кг, то для предлагаемого преобразователя МГП ПЯ составит около 2 кВА/кг. При этом толщина изоляции обмоток развязывающего трансформатора может быть уменьшена в 30/0,5 кВ раз. Соответственно более чем в 60 раз уменьшается Ls обмоток. Это означает, что при соответствующем увеличении окна магнитопровода можно примерно в 450 раз (в 603/2 раз) увеличить сечение обмоток, силу тока и мощность преобразователя в целом. Поскольку МГП собственно высокочастотного трансформатора обычно составляет около 10 кВА/кг, а крупногабаритные реактивные элементы традиционной инверторной схемы в данном случае отпадают, то общий МГП преобразователя, состоящего из введенной ПЯ и трансформатора, можно ожидать на уровне не менее 1,5 кВА/кг, а уровень установленной мощности преобразователя в целом составит 45050 кВА = =22,5 МВт, что свидетельствует о прорыве в силовую электроэнергетику - качественно новую область использования многофункциональных высокочастотных преобразователей по мощностному диапазону. В развитие основной концепции изобретения предлагаются несколько дополнительных технических решений, относящихся к частным разновидностям развязывающего трансформатора и схем подключения различного вида ПЯ на базе известных СТПТ внутри преобразователя (внутри ПК).

Сущность изобретения поясняется фиг.4-29, где на фиг.1, 3, 5-8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 21-24 изображены принципиальные электрические схемы конкретных выполнений преобразователя; на фиг.25, 26, 29 и 27, 28 - эквивалентные электрические схемы и диаграммы их работы.

На фиг.1 показана схема преобразователя с входным ПК 1, содержащим одну ПЯ 2-15 повышающего типа с Кп 1 и с выходным ПК в виде выпрямителя 16-19.

На фиг. 3 входной ПК 1 выполнен в виде инвертора 20, 21, а выходной ПК 22 содержит ПЯ 23, 24 с Кп больше единицы.

На фиг.5 показан вариант подключения выхода преобразователя по фиг.3 к нагрузке переменного тока.

На фиг.6, 10 выходной и входной ПК 22 и 1 содержат по несколько ПЯ, соединенных по схемам соответственно понижающего и повышающего типов.

На фиг. 7, 8, 12 изображены соответственно примеры выполнения элемента 25 в схеме по фиг.6, подключения входа ПК 22 в схеме по фиг.6 к развязывающему трансформатору и вариант выполнения ПЯ с Кп больше 0,5 и меньше 1.

На фиг.14, 16, 18 приведены примеры подключения входов и выходов выходного ПК (17,3), (22), (22) при использовании ПЯ с Кп = Н/Н+1; 0,5; 1/Н, где Н - половина количества всех обмоток трансформатора в ПЯ.

На фиг. 20 приведен пример соединения секций первичной и вторичной обмоток развязывающего трансформатора, отличающегося уменьшенными индуктивностями рассеяния. 26-33 - точки соединения выводов секций.

На фиг.21 - схема включения преобразовательного конденсатора внутри ПЯ; на фиг. 22 - схема подключения нагрузки непосредственно к развязывающему трансформатору; на фиг.23 - схема подключения первичного источника 34 переменного напряжения высокой частоты к развязывающему трансформатору 35 с первичной обмоткой 36 однофазного выполнения, под которым понимается выполнение обмотки только с двумя крайними выводами; на фиг.24 - схема подключения источника 34 к обмотке трансформатора 35, имеющей парафазное выполнение (обмотка 36), под которым понимается наличие двух крайних ("парафазных") и одного дополнительного ("нулевого") выводов, причем последний соединен с общей точкой соединения полуобмоток первичной обмотки.

На фиг. 25, 26 и 27 изображены соответственно эквивалентные схемы для параллельного, последовательного соединений обмоток СТПТ и диаграмма токов в них.

На фиг.29 и 28 изображены соответственно схема для анализа работы ограничителей Д 10, Т10 (эквивалентная схема) и диаграмма напряжений, имеющихся на элементах схемы при ее работе.

Преобразователь (1, 35, 16-19, 36-41) по 1-му пункту формулы, изображенный на фиг.1, содержит развязывающий трансформатор 35 с бифилярным выполнением витков первичной 36 и вторичной 37 обмоток, имеющих С 2 (здесь С = 2) секций 36 и 37, из которых Дт имеют однофазные, а Пт - парафазные (здесь Дт = 2, Пт = 0) выполнения, и включенных в общей цепи с трансформатором 35 между входом 38, 39 и выходом 40, 41 преобразователя (для подключения соответственно первичного источника 34 и нагрузки 42) 1 = Г12 = 2 многофункциональные ПК: входной ПК1 (Г1) и выходной ПК 16-19 (Г2) (здесь Г12 = 2) с Пк= 0 парафазными и Дк = 4, где Пкк = =4, однофазными (38, 39, 40, 41, катоды Д 8; аноды Д18, Д19) входами и выходами на базе Вку 0 (Вку = 4) управляемых 2, 3, 10 и Вкку = 16 неуправляемых 4-9, 16-19 вентилей. Эти многофункциональные ПК предназначены для выполнения Ф1 функций (Ф = 4) - повышения напряжения, выпрямления и инвертирования тока, регулирования его амплитуды; причем однофазными входами и выходами преобразователя и ПК здесь являются соответственно двухполюсный выход ПК 1, образованный катодами вентилей 8 в группах элементов 14 и 15 и двухполюсный вход ПК 16-19, образованный анодами Д18, Д19, двухполюсный выход 40, 41 выходного ПК 16-19 и преобразователя и двухполюсный вход 38, 39 преобразователя и входного ПК 1. Кроме того, преобразователь 1-35 содержит блок (на схеме не приведен) формирования сигналов управления режимом работы преобразователя, выходы которого соединены с управляющими входами соответствующих управляемых вентилей 2, 3.

Предлагаемый преобразователь отличается от прототипа следующей совокупностью отличительных признаков.

Входной 1 и выходной 16-19 ПК содержат соответственно по Л i-х и по М j-х ПЯ, где i = 1-Л; j = 1-М, Л+М 1 (здесь М = 0, Л = 1) ПЯ, соединенные согласно-последовательно между входом (38, 39 и катоды 16, 17) и выходом (40, 41 и катоды диодов 8 в группах 14, 15) каждого ПК, имеющего вышеописанные Пяi,j парафазных и Дяi,j однофазных входов и выходов, где Дяi,jяi,j = 2; Пяi,j 2. В данном случае Пя1,0 = 0, Дя1,0= 2, а однофазные вход и выход ПЯ 14, 15 совпадают с вышеописанными входом и выходом входного ПК 1. Данная i-я (i = 1/ПЯ 14, 15), как и остальные i-е и j-е ПЯ в других вариантах выполнения преобразователя выполнена на основе параллельного включения пары 14, 15 групп элементов 4-13 и содержит четное число обмоток 2Нi,j; где Нi,j 1 (здесь Н1,0 = 3), поровну (по 3) в обеих группах. Внутренние соединения элементов 4-13 в обеих группах 14, 15 выполнены симметрично (одинаково), ориентация одноименных полюсов обмоток 11-13, отмеченных точками внутри каждой группы 14(15), одинакова, а в разных группах 14 и 15 - противоположна относительно входа 38, 39 ПЯ и выхода ПЯ от катодов. Диодов 8 в группах 14, 15. В данной паре групп элементов 14, 15 содержится по 2Вi,j = 2(3Hi,j-3) вентилей 4-10 (здесь 2В1,0 = 14). В случае данной схемы среди указанных вентилей Вi,jy 0 (здесь Вi,jy = 2) - управляемые, в том числе - полууправляемые (динисторы 10). В случае полностью управляемого варианта выполнения каких-либо из этих вентилей (при наличии в них отдельных управляющих входов) они подсоединены этими управляющими входами к соответствующим парафазным выходам упомянутого блока управления. Посредством вентилей 6, 7 обмотки 11-13 в группах 14, 15 связаны также с входом (полюс 38 входа) и выходом (выводы обмотки 36) ПЯ 14, 15; в данном примере - посредством вентилей 4, 5, 8, 9. Юi,j и Жi,jпервых полюсов соответственно входа и выхода ПЯ (здесь Ю1,0 = 1, первый полюс входа есть точка 38) связаны в данном случае непосредственно с разноименными выводами первых обмоток 11 обеих групп 14, 15. Причем всегда соблюдается соотношение Юi,j + +Жi,j = 1. В данном случае первый полюс 38 входа первой ПЯ 14, 15 связан с первыми полюсами 38 входов (38, 39) ПК 1 и преобразователя в целом, а второй полюс 39 входа 38, 39 преобразователя связан (так как Л = 1) с полюсами выхода входного ПК 1 (т.е. с выводами обмотки 36) посредством управляемых ключей 2, 3, подсоединенных управляющими входами к соответствующим выходам упомянутого блока управления.

Управляемые вентили 10 (динисторы) являются ограничителями напряжения, они включены между крайними полюсами (катоды Д8) выходов и первыми полюсами 38 входов данных ПЯ, ПК и преобразователя (его входа) в целом. В качестве вентилей 4-10 и 16-19 могут быть использованы также тиристоры и другие управляемые приборы с вентильными свойствами. Последовательно и параллельно с вентилем 10 могут быть включены различные цепочки для улучшения функциональных свойств и характеристик вентиля по частоте, току и напряжению, и такие же ограничители напряжения могут быть включены и в других точках схемы согласно [7-12]. Могут быть использованы и другие варианты организации последовательно-параллельной связи указанных обмоток 11-13 посредством вентилей 4-9, описанные, например, в [7-12], а также последовательное включение с обмотками дросселей и резисторов. Обмотки 11-13 не обязательно содержат равные количества витков, а трансформатор 35, как и в известных преобразователях, может быть защищен от случайных перенапряжений включением различных типов ограничителей напряжения между обмотками 35 и 37 между этими обмотками и корпусом ("земля") преобразователя, или его общей шиной, шиной питания и т.п. Параллельно обмоткам 11-13 могут быть включены конденсаторы для обеспечения временных параметров переходного процесса.

Преобразователь по фиг.1 работает следующим образом.

Ключи 2, 3 замыкаются попеременно на высокой частоте согласно переключательным функциям по фиг.2. На каждом первом полупериоде при замкнутом К2 обмотки 11-13 группы 14 подключены параллельно источнику напряжения 34 через К2, и в них наводится напряжение Е. Соответствующая ЭДС Е, возникающая по закону электромагнитной индукции в обмотках 11-13 группы 15, вызывает запирание диодов 4, 5, 8, 9 и последовательное соединение этих обмоток через диоды 6, 7 с источником 34 и обмоткой 36 через замкнутый К2. На обмотке 36 выделяется напряжение обмоток 11-13 и первичного источника 34, всего 4Е. На каждом втором полупериоде соединения обмоток в каждой группе 14, 15 взаимно меняются с параллельного на последовательное и обратно, и к обмотке 36 прикладывается напряжение 4Е противоположного знака, что вызывает в ней прохождение переменного тока i11-13, равного току в каждой из обмоток 11-13. Соответствующий переменный ток i37 в обмотке 37 развязывающего трансформатора 35 выпрямляется мостом 16-19 и поступает в нагрузку 42 под напряжением 4Е.

При наличии согласно [7] обмотки намагничивания трансформатора ПЯ 14, 15 треугольный ток намагничивания (переменный) проходит по ней; по силовым обмоткам 11-13 обеих групп проходит только постоянный ток i11-13, определяемый напряжением Е и сопротивлением R нагрузки 42:

i11-13 = i = 4 E/R. (4)

Равные токи i одного направления в обмотках 11-13 обеих групп обеспечиваются как за счет периодического соединения обмоток каждой группы в одну последовательную цепочку, так и за счет влияния Ls обмоток при их параллельном соединении через вентили ПЯ (фиг.25). В установившемся режиме работы на первом полупериоде времени работы обмотки 11-13 группы 14 соединены последовательно и токи i в них соответственно равны между собой. На втором полупериоде времени работы эти же обмотки группы 14 соединены параллельно согласно эквивалентной схеме (фиг.25), и токи в них вначале равны между собой:

i11 = i12 = i . (5)

Затем токи начинают изменяться из-за разного количества диодов, содержащихся в параллельно включенных цепях, согласно уравнениям

UАБ = Uд4 - Е + Ls di12/dt;

UАБ = 0 - E + Ls di11/dt. (6) где Е - ЭДС в обмотках; i12 = i - i; i11 = i + +i .

Решение уравнений (6) дает для конца полупериода T/2

i = T/2 Uд4/2Ls . (7) Так, для параметров Р = 2 кВА; f = 20 кГц; Ls = 10-3 Гн [5] и Uд4 = 2 В разница токов достигает только 2 i = 510-2 А. С ростом мощности преобразователя соответственно возрастает Ls и уменьшается разбаланс токов в обмотках.

На третьем полупериоде обмотки с разными токами i + i и i - i соединяются последовательно согласно эквивалентной схеме (фиг.26). Разница токов 2 i замыкается через паразитную емкость обмотки и заряжает ее за время t1 = U/i Cп до напряжения U. Так, при U = 1000 В, Сп = 100 пФ в рассмотренном выше примере t1 равно всего 0,08 Т/2. Напряжение U за вычетом напряжения Е (500 В) на обмотке дает падение напряжения на индуктивности рассеяния обмотки Ls величиной 500 В и возрастание тока в ней на i (и соответствующее выравнивание токов в обмотках) за время t2 равно i Ls/500 В = 10-7 с, или, практически мгновенно, за время T/500. В итоге по окончании 0,5 периода работы схемы ток в каждой из обмоток 11-13 групп 14 и 15 придет к установившемуся значению i i согласно диаграмме (фиг.27). Установившийся режим после включения преобразователя мощностью, например, 2,5 кВА (Rн = 1600 Ом; Е = 500 В) наступает через время 31 , или

3 1= 3Ls/Rн = 310-3 Гн/1600 Ом 2 мкс, (8) т.е. практически мгновенно (фиг.27).

Работа согласно диаграммам (фиг.28) на индуктивную нагрузку в виде индуктивностей рассеяния обмоток трансформатора 35 обеспечивается посредством переходных конденсаторов, включенных параллельно обмоткам 11-13 (фиг.29) аналогично конденсаторам 43-45 на схеме (фиг.3), и посредством ограничителей 10 в обеих группах 14, 15. На фиг.29 (где дана эквивалентная схема устройства по фиг.1) приведены примеры ограничителей 10 двух видов - динисторного и тиристорного типов с гасящим резистором R10. Эта эквивалентная схема дана с учетом индуктивного характера нагрузки, а на фиг.28 приведены диаграммы ее работы. При размыкании ключа 3 ток i обмотки 11 (12, 13) замыкается через конденсатор Сп и перезаряжает его за время t3 до напряжения -Е (фиг. .28). Одновременно замыкается ограничитель 10, что обеспечивается для варианта а (фиг. 29) превышением номинального напряжения нагрузки Lн (перенапряжением в виде коротких импульсов), а для варианта б - сигналами включения, подаваемыми из блока управления на управляющие входы тиристоров 10 в группах 14, 15. После этого ток индуктивной нагрузки проходит по цепи 2-36-10-34, и напряжение на ключе 3 равно Е. Под действием этого напряжения (или противо ЭДС) ток нагрузки спадает до нуля за время

t4 = 3Lн/Rн, (9)

Так, при Lн = 10-5 Гн; Rн = 1600 Ом

t4 = 310-5/1600 0,210-7 с, (10)

что позволяет работать на частоте с полупериодом до 5 мкс (т.е. 250 кГц). Тепловая мощность каждого из ограничителей 10 при частоте 10 кГц, мощности 500 В 400 А = 200 кВА составит

Р10 = Iн2 Lн/2 Т/2 = 1 кВА, (11) а в сумме по обоим ограничителям в группах 14, 15 составит 1% от мощности нагрузки. При Lн = 1 мкГн эта величина равна 0,1 кВА.

При выключении нагрузки оба ключа 2, 3 размыкаются. Размыкание цепи силового тока, протекавшего через ключ 2(3), вызывает скачок напряжения на этом ключе, обусловленный индуктивностями рассеяния обмоток 11-13, что приводит к открыванию ограничителей 10 в группах 14, 15. Постоянные токи обмоток 11-13 далее замыкаются по цепям 11-6-12-7-13-10-11 и спадают до нуля по экспоненте. На трансформатор 35 и выход 41 напряжение не поступает с момента одновременного размыкания ключей 2, 3. При наличии резистора R10 в цепи ограничителя 10 ток обмоток 11-13 будет спадать быстрее.

Посредством вентилей (в тиристорном выполнении ( 8 и 9 обмотки 11, 12 могут быть постоянно отключены, а коэффициент передачи преобразователя при этом соответственно изменяется до значений соответственно 2 и 3, что обеспечивает регулирование напряжения на нагрузке 42. Последнее может быть обеспечено также периодическим отключением преобразователя, как указано выше. Перенапряжения между первичной и вторичной обмотками трансформатора 35, если они возможны по условиям эксплуатации преобразователя, устраняются соответствующими вышеуказанными ограничителями и цепями защиты трансформатора не показанными на фиг.

Эффект снижения реактивного сопротивления трансформатора и преобразователя в целом создается в данной схеме, как и в остальных рассмотренных ниже примерах реализации изобретения, за счет того, что коэффициент передачи трансформатора 35 Кт уменьшен до единицы, а функцию преобразования напряжения взамен него теперь несет трансформатор с обмотками 11-13, которые обтекаются постоянным током. Последний не создает в цепях прохождения силового тока преобразователя падения напряжения, обусловленного индуктивностями рассеяния обмоток 11-13, и потому введенный трансформатор в составе ПЯ 14, 15 может быть выполнен на повышенное напряжение, с более прочной изоляцией обмоток. Последнее и обусловливает расширение области использования по мощностному диапазону высокочастотных преобразователей, характеризующихся высокими МГП и широкими функциональными возможностями. С другой стороны, те же самые особенности конструкции позволяют резко повысить частоту преобразования в установках большой мощности за счет уменьшения реактивного сопротивления трансформатора, что и означает расширение области использования также и по частотному диапазону работы преобразователя.

Отметим, что увеличение количества высокочастотных цепей трансформатора, замыкающихся через диоды, в Н раз, не ведет к существенному возрастанию реактивного сопротивления трансформатора, поскольку сечение провода этих цепей уменьшается в H раз, а диаметр провода и индуктивность рассеяния - раз. В итоге суммарная индуктивность Ls параллельного соединения Н обмоток введенного трансформатора уменьшается при увеличении их количества

Ls = Ls/H . (13)

В то же время, индуктивность рассеяния выводов секций 11-13 при последовательном соединении их несколько возрастает. Если считать согласно [4,6] Ls одной цепи от обмотки 1 через диод 6 к обмотке 13 равной около 0,03 мкГн при Рн = =100 Вт, то при мощности преобразователя 100 кВА и мощности одной обмотки 10 кВА имеем Ls = 0,3 мкГн, и паразитное падение напряжения на Н обмотках, включенных последовательно, не превысит 0,6% от напряжения первичного источника 34.

Таким образом, Ls введенной ПЯ 14, 15 не накладывает ограничений на расширение мощностного диапазона, а Ls развязывающего трансформатора 35 резко уменьшена за счет снятия с него функции преобразования напряжения, соответствующего уменьшения толщины изоляции между секциями обмоток 36 и 37. Соответственно Ls уменьшено и проходное реактивное сопротивление трансформатора, что приводит к соответствующему расширению диапазона использования преобразователя по частоте преобразования электроэнергии. Это и обеспечивает новый положительный эффект предложенной схемы преобразователя.

Преобразователь по фиг.3, в отличие от преобразователя по фиг.1, имеет развязывающий трансформатор 35 на пониженное напряжение обмоток 36, 37, поскольку он включен до повышающей ПЯ 23, 24. Преобразователь предназначен для повышения постоянного напряжения. Входной 1 и выходной 16-19, 43-58 ПК характеризуются параметрами Г21 = 2; Л = 0; Пк = 2; Дк= 2; Вк = 21; Вку = 4; М = 1; Пя,о,1 = 1; Дя,о,1 = 1; 2Но,1 = 6; 2Во,1 = 12; 2Во,1,у = 0; Юо,1 = 1. Первым полюсом Юо,1 входа 0,1-й ПЯ 23, 24 является полюс 46 (Юо,1 = 1). Исполнение парафазных секций обмоток 36, 37 характеризуется параметрами Д1 = 0, Пт = 2, С = 2. Внутри входного ПК 1 установлены управляемые вентили-ключи 20, 21, предназначенные для инвертирования входного тока преобразователя, подключенные между первым полюсом 38 его входа и крайними выводами обмотки 36, имеющей парафазное односекционное выполнение. Общая точка обеих полуобмоток обмотки 36 соединена с вторым полюсом 39 входа преобразователя (подключена к общей шине "корпус"). Полюсы парафазного выхода (катоды диодов 48, 49 в группах 23, 24) ПК 22 подключены через первую пару 18, 19 упомянутых имеющихся вентилей непосредственно к первому полюсу 40 выхода преобразователя и через вторую пару 50, 51 упомянутых управляемых вентилей - к крайним выводам парафазной вторичной обмотки 37, общая точка обеих полуобмоток которой подключена непосредственно к первому полюсу 46 входа ПК 22 (являющемуся также первым полюсом входа ПЯ 23, 24), а крайние выводы обмотки 37 через третью пару 16, 17 упомянутых вентилей подключены к второму полюсу 41 выхода преобразователя. Общие шины 39 входа и 41 выхода преобразователя могут быть гальванически не связаны друг с другом и могут находиться под разными потенциалами. Параллельно обмоткам 53-55 включены переходные конденсаторы 43-45, которые могут быть снабжены дополнительными формирующими цепочками на основе диодов, дросселей, резисторов для обеспечения необходимых параметров переходного процесса.

Преобразователь по фиг.3 работает аналогично преобразователю по фиг.1. Ключи 20, 21 поочередно замыкаются на высокой частоте согласно диаграмме (фиг. 4) и формируют переменное напряжение Е и переменный ток в обеих полукобмотках обмотки 36. Такие же напряжения возбуждаются в обеих полуобмотках обмотки 37 развязывающего трансформатора 35. Импульсный ток проходит попеременно то по верхней, то - по нижней полуобмоткам обмотки 37. Ключи 50, 51 управляются импульсными сигналами управления из блока управления преобразователя, поступающими на управляющие входы ключей.

На каждом полупериоде времени работы преобразователя обмотки 53-55 в группах 23, 24 соединяются под воздействием наведенных в них ЭДС по очереди: последовательно в одной группе 23(24) и параллельно - в другой группе 24(23). Параллельное соединение обмоток группы 24(23) питается током от нижней (верхней) полуобмотки обмотки 37 по цепям 46 - (53, 48); (52, 54, 49); (56, 55) - 51 (или 50), и к этим обмоткам приложено напряжение Е от обмотки 37. Последовательное соединение обмоток группы 24 (или 23) питается током от верхней (нижней) полуобмотки обмотки 37 по цепи 46-53-57-54-58-55-19 (или 18) - 47, 40, 42, 16 (или 17), и в каждой обмотке 53-55 возбуждается ЭДС Е, которые суммируются и вместе с ЭДС Е обмотки 37 обусловливают появление постоянного напряжения 4Е, поступающего в нагрузку 42 поочередно через группы элементов 23, 24 по указанным последовательным цепям.

Конденсаторы 43-45 служат при этом для формирования задержки t/2 при смене полярности ЭДС на обмотках 53-55 и соответствующей задержки последовательного соединения обмоток с целью исключения сквозного тока через оба тиристора 50, 51. За время t/2 напряжение Е противоположной полярности, появившееся на верхней (нижней) полуобмотке обмотки 37 в контуре "37 - параллельные обмотки группы 23(24) - тиристор 50(51)" успевает запереть ранее открытый тиристор 50(51). После этого изменение полярности ЭДС в обмотках 53-55 группы 23(24), соответствующее изменение их соединения с параллельного типа на последовательное и резкое возрастание напряжения прямой полярности на запертом тиристоре 50(51) уже не вызовут сквозного тока - прохождения токов одновременно по обоим тиристорам 50, 51. Время t/2 определяется величиной начального тока обмотки 53 (54, 55), напряжением Е и постоянной времени цепи перезаряда конденсатора 43 (44, 45) "обмотка 53 - индуктивность рассеяния (или дроссель) - конденсатор 43", которая может быть увеличена за счет индуктивности рассеяния или дросселя, включаемого для этого последовательно с обмоткой. Задержка приводит к появлению разрывов в выходном напряжении, которые могут быть устранены применением различных фильтров в цепи нагрузки 42.

В схеме по фиг.5, содержащей ПЯ 23, 24, 46 (фиг.3), параметры Л0, М = 1, Пт 1, Г2 = 1, Пк1, Дк1, Дя,о,1 = 1, Пя,о,1 = 1, полюсы парафазного выхода выходного ПК 22 (катоды диодов 48 по фиг.3) подключены непосредственно к полюсам 40, 41 выхода преобразователя, один из которых может быть заземлен, и через вторую пару 50, 51 упомянутых управляемых вентилей - к крайним выводам вторичной обмотки 37 развязывающего трансформатора 35, общая точка полуобмоток которого соединена непосредственно с первым полюсом (с анодами диодов 52 в группах 23, 24) входа выходного ПК. При работе этой схемы импульсные токи проходят то по верхней, то - по нижней полуобмоткам обмотки 37. Параллельное соединение обмоток 53-55 внутри группы 23(24) обеспечивается включением тиристора 50(51), подключающего параллельно верхней (нижней) полуобмотке обмотки 37 группу 23(24) с обмотками 53-55. При этом второй тиристор 51(50) заперт и обмотки группы 24(23) образуют последовательную замкнутую цепь "верхняя (нижняя) полуобмотка обмотки 37 - обмотки 53, 54, 55 группы 24(23) - 41, 42, 40 (40, 42, 41) - диод 16(17) - 50(51) - 37", напряжение 4Е которой приложено к нагрузке 42. На каждом следующем полупериоде ранее открытый тиристор 50(51) запирается вышеописанным образом за время t/2, а тиристор 51(50) отпирается управляющим сигналом, и напряжение на нагрузке 42 изменяется на противоположное, последняя потребляет переменный ток.

В схеме преобразователя по фиг.6, предназначенной для регулирования и формирования непрерывной (без высших гармоник) кривой выходного напряжения, входной ПК 20, 21 выполнен и работает аналогично входному ПК 1 по фиг.3, а каждая из ПЯ 59, (60-66), 67 выходного ПК 22 (здесь количество ПЯ М = 3) подсоединена посредством первой пары упомянутых имеющихся вентилей (68, 69), (62, 65) первым полюсом выхода 70, 66 предыдущей ПЯ (60-66), 67 к обоим крайним выводам последних из Но,j(здесь Но,j = 1, последние обмотки - они же первые) обмоток 71, 72 последующей ПЯ 59 (60-66), которые в каждой ПЯ 59 (60-66), 67 подключены также через вторые (73, 74), (60, 63) и третьи (75, 76), (61, 64) имеющиеся пары упомянутых вентилей к крайним полюсам входа 77, 78 данного компонента ПК 22. Параметры С = 2; Пт = 2; Г1 + +Г2 = 2; Пк = =2 = Дк; Вк = 20 = Вку; Дя,о,j = =1 = Пя,о,j; 2Но,j = 2; 2Во,j = 6 = Во,j,у; Жо,j = 1. Первые полюсы однофазных выходов первых из Но,jобмоток (т.е. в данном случае - обеих полуобмоток единственной в каждой ПЯ обмотки, так как Но,j = 1, j = 1-3) 71, 72, принадлежащих к упомянутым двум группам элементам ПЯ. Крайние выводы последних обмоток первой ПЯ 67 подключены через первую пару вентилей (которые аналогичны вентилям 62, 64 и подключены анодами к входу 79 ПЯ 67) к введенным выводам 80, 81 для подключения к дополнительному источнику напряжения 25. Причем первый полюс 40 выхода выходного ПК 22 и первый полюс 40 (общая точка полуобмоток обмотки 71) последней ПЯ 59 соединены с первым полюсом 40 выхода преобразователя, а парафазный вход 77, 78, 46 ПК 22 подключен к парафазной обмотке 37.

В рассматриваемом примере общая точка 46 полуобмоток обмотки 37, имеющей парафазное выполнение, соединена с вторым полюсом 41 выхода преобразователя и заземлена (соединена с корпусом). Преобразователь может иметь и любую другую точку схемы для заземления или не иметь точки для заземления вовсе.

К схеме по фиг.6 относятся также возможные частные выполнения источника 25 (фиг.7) и схемы подключения входа и выхода ПК 22 для случая однофазного выполнения обмотки 37 (фиг.8). Схема по фиг.7 содержит выпрямительный мост 82 и управляемый транзисторный делитель напряжения 83-89, управляющий вход 86, 89 которого соединен с соответствующим выходом упомянутого блока управления. Схема на фиг.8 содержит пару диодов - вентилей 16, 17, посредством которых выводы однофазной обмотки 37 подключены к второму полюсу 41 выхода 41, 40 преобразователя.

В схемах по фиг.6 и 10 часть или все вентили ПЯ могут быть выполнены полностью управляемыми, симметричными или в виде диодов; часть их может отсутствовать в зависимости от функционального назначения преобразователя, переменного или постоянного характера тока на его выходе, диапазона изменения выходного напряжения. Все или часть ПЯ могут содержать многообмоточные трансформаторы (параметр Нi,j в этом случае больше единицы) и иметь схему внутренних соединений, обеспечивающих в совокупности коэффициент передачи, равный Нi,j/Hi,j + 1 (фиг.12), а также другие схемы соединений обмоток по [7-12], обеспечивающие Кп = 1/Hi,j и Кп = =Нi,j. Последовательно с обмотками могут быть включены токостабилизирующие цепочки на основе дросселей, а параллельно - переходные цепочки на основе конденсаторов.

При работе преобразователя по схеме (фиг.6) трансформатор 36, 37, как и в схемах по фиг.1,3, передает переменное напряжение (по диаграмме на фиг.9) на входы 77, 78 выходного ПК 22. Переменный ток из заземленной точки 46 обмотки 37 (или от земли через диод 17 или 16 в случае выполнения схемы подключения согласно фиг. 8) проходит через обмотку 37 на вход 77 или 78, далее через ПК 22, первый полюс 40 выхода, нагрузку 42 и через второй полюс 41 выхода преобразователя на общую шину ("землю"). В случае парафазного выполнения обмотки 37 (фиг.6) на входы 77, 78 подаются потенциалы разной полярности, а в случае однофазного выполнения обмотки 37 (фиг.8) на один из входов 77(78), связанный с открытым диодом 16(17), подается нулевой потенциал. ПК 22 выполняет функцию плавного регулирования напряжения соответственно в диапазонах (+Е - -Е) и (0 - +Е). Каждый из тиристоров ПК 22 находится либо в запертом состоянии, либо в режиме диода, что достигается подачей постоянного отпирающего или запирающего сигнала из блока управления на управляющий вход вентиля.

Номера вентилей выходного ПК 22, попеременно замыкающихся и размыкающихся в режиме диода на частоте изменения напряжения по входу 77, 78 даны в таблице в зависимости от необходимого уровня напряжения на выходе преобразователя и на нагрузке 42.

При наличии только одной ПЯ 59, на выводе 40 обмотки 71, работающей как индуктивный делитель напряжения на два (или как автотрансформатор с Кп = 0,5), возможны три уровня напряжения: U77, U78 и их полусумма, т.е. +Е, -Е и 0. При этом В68, В69 постоянно разомкнуты. При наличии в компоненте 22 двух ПЯ (59 и 60-66) на крайние выводы обмотки 71 может подаваться не только напряжение с обмотки 37, но и напряжение с предыдущей ПЯ 60-66 через ключи 68, 69 (т.е. +Е; -Е; 0). В результате на выходе 40 последней ПЯ может быть образовано уже не три, а пять различных уровней напряжения согласно указанной таблице: +Е, +Е/2, 0, -E/2, -E. Аналогичным образом, при каждом увеличении количества М ПЯ на единицу, количество выходных уровней, отличающихся от нуля, удваивается за счет деления интервалов между ними на два посредством введенной ПЯ, по закону У = 1+2м, где У - общее количество возможных уровней выходного напряжения, включая нуль. Уже при М = 7 величина У превышает 103, что эквивалентно достижению практически плавного регулирования выходного напряжения (с точностью до 0,1%). В диапазонах изменения выходного напряжения между дискретными уровнями по таблице источник 25 (фиг. 6, 7) обеспечивает функцию плавного изменения напряжения, что достигается подачей соответствующего уровня плавно изменяющегося напряжения на вход 86, 89 из блока управления и его повторением на эмиттере повторителя 83, имеющего динамическую нагрузку по току 84, 87. Мост 82 выпрямляет переменное напряжение, поступающее в источник 23 с входов 77, 78 (80, 81) из обмотки 36, 37, и подает его в качестве питания на повторитель 83.

Схема преобразователя по фиг. 10 имеет те же функции, что и рассмотренная схема по фиг.6, но с дискретным регулированием (шаг дискретизации равен Е) напряжения на выходе входного ПК 1 и преобразователя в целом. Параметр Л больше единицы, а параметр М равен нулю, в качестве выходного ПК 22 установлен выпрямитель 18, 19, причем вход данного выходного ПК (роль первых полюсов играют аноды диодов 18, 19, а роль второго полюса - точка 41) подключен непосредственно к вторичной обмотке 37 развязывающего трансформатора, а выход (катоды вентилей 18, 19) - к выходу (к первому полюсу 40 выхода) преобразователя. Здесь полюс 41 является общим вторым полюсом выхода преобразователя и выходного ПК и входа последнего. Обмотка 36 и две секции обмотки 37 намотаны одним проводом в три изолированные жилы. Вышеупомянутые параметры схемы С = 2; Пт = 1; Дт = 1; Г1 + Г2 = 2; Вк = 30; Вку = 28; Пк = 1; Дк = 3; Л = 4; 2Нi,o = 2; i = 1-4, Дяi,o = 2, Bi,o,y = 6, Юi,o =1.

Каждая из Л ПЯ 59 (60-66), 67, 90 входного ПК 1 подсоединена посредством первой пары имеющихся вентилей (67, 69), (62, 65) первым полюсом 70, 66, 79 однофазного входа последующей ПЯ (60-66), 67, 90 к крайним выводам последних (здесь они же - первые) из Hi,o обмоток (71, 72) предыдущей ПЯ 59, (60-66), 67, которые в каждой ПЯ 59-67, 90 подключены также через вторые (73, 74), (60, 63) и третьи (75, 76), (61, 64) пары имеющихся вентилей к крайним полюсам выхода (коллекторы К20, К21) входного ПК 1. Первые полюсы однофазных входов ПЯ 59, 60-66, 67, 90 образованы точкой соединения полуобмоток обмоток 71, 72 - разноименных выводов первых из 2Нi,o обмоток (здесь они же - последние) обеих групп элементов, упомянутых выше.

Крайние полюсы (выводы) выхода последней ПЯ 90 (крайние выводы последних обмоток (полуобмоток), аналогичных полуобмоткам обмоток 71 и 72, подключены через свою первую пару вентилей (аналогичную вентилям 62, 65) к второму полюсу 39 входа с нулевым потенциалом, как к введенному выводу для подключения дополнительного источника напряжения, упомянутого выше. Первые полюсы входа ПК 1 и первой ПЯ 59 соединены с первым полюсом 38 входа преобразователя, а крайние полюсы выхода (коллекторы К20, К21) ПК 1 подключены к обмотке 36. Последняя имеет однофазное выполнение. Между крайними полюсами однофазного выхода ПК 1 (роль которого играют аноды транзисторных ключей-вентилей 20 и 21) и первым полюсом входа ПЯ 59 (полюсом 38) включены ограничители напряжения в виде блока динисторов 10. Ключи 20, 21 могут быть снабжены диодами, включенными встречно-параллельно для защиты эмиттерного перехода транзистора.

К схеме по фиг.10 относятся также указанные выше возможные частные выполнения источника 25 (фиг.7), который может быть включен взамен последней ПЯ 90 входами 80, 81 к коллекторам К 20, К 21; выходом 79 - к входу 79 ПЯ 67, а управляющим входом (86, 89) - к упомянутому блоку управления, к выходу плавно регулируемого уровня напряжения. Выходной ПК и схема его подключения (от вторичной обмотки 37 трансформатора 35 до нагрузки 42) могут быть выполнены аналогично схемам по фиг.1 (элементы 37, 16-19, 40-42), схемам по фиг.22 (элементы 37, 40-42), которые показывают примеры подключения вторичной обмотки 37 к нагрузке 42.

При работе преобразователя по фиг.10 ключи 20, 21 замыкаются поочередно согласно диаграмме на фиг.11, что вызывает появление напряжения на верхней или нижней полуобмотках обмотки 71 в зависимости от того, какие вентили 73-76, 68, 69 открыты. В отличие от схемы по фиг.6, открытые вентили всех ПЯ в схеме по фигуре 10 устанавливаются в это состояние импульсными сигналами управления из вышеупомянутого блока управления отдельно на каждом полупериоде работы схемы согласно таблице, составленной при условии Л = =2. Выходное напряжение ПК 1 и преобразователя в целом регулируется согласно таблице в пределах от 0 до Е2л с шагом, равным Е. При работе преобразователя согласно первой и последней строчкам таблицы напряжение Е через полюс 38 входа и встречно-параллельно включенные полуобмотки обмотки 71, в зависимости от того, какой из ключей 20, 21 замкнут, поступает через данный ключ то на один, то на другой полюс обмотки 36 в виде переменного напряжения Е. Далее через трансформатор 36, 37 и выпрямитель 18, 19 оно поступает в нагрузку 42. В конце каждого полупериода запираются вентили 73, 75 (74, 76) и отпираются 74, 76 (73, 75), что может быть обеспечено как применением упомянутых запираемых типов вентилей, так и соответствующей работой ключей 20, 21 в условиях применения ограничителей и переходных конденсаторов, упомянутых выше. В последнем случае выключение тиристоров 73, 76 обеспечивается за счет паузы t/2 между импульсами управления ключами 20, 21 (график на фиг. 4), в течение которой ток обмоток 71 (72) замыкается через параллельный ей переходной конденсатор (аналогичный конденсатору 43 на фиг.3), а обесточенные тиристоры 73-76 соответственно запираются. Перенапряжение на транзисторе 20 (21), вызванное прерыванием тока в обмотке 36, ограничивается блоком динисторов 10, через который замыкается и спадает до нуля ток обмотки 36. Аналогичным образом обеспечивается запирание тиристоров 60-65 при работе преобразователя в соответствии с 2-й и 4-й строками таблицы.

Возможны и другие способы управления работой преобразователя по фиг.10, включая использование наборов вентилей, не указанных в таблице, с получением соответствующих уровней напряжения; использование особой очередности включения тиристоров, обеспечивающей их самовыключение без применения узлов искусственной коммутации; подключение параллельно обмотке 36 дополнительного коммутирующего конденсатора и др. Так, например, если вначале были замкнуты ключи 73, 69, 21, то отпирание ключа 68 вызовет обесточивание и запирание тиристора 73, а отпирание ключа 74 - запирание тиристора 69, после чего запирается К 21 и замыкается К 20. Такой алгоритм работы предусматривает, помимо упомянутых выше токостабилизирующих дросселей, использование и других мер предупреждения сквозного тока: повышения быстродействия ключей и тиристоров, различного рода ограничительных и защитных цепочек, схемотехника которых освещена в литературе по источникам питания и преобразователям. ПЯ понижающего типа, приведенная на фиг.12, выполнена аналогично ПЯ повышающего типа 14, 15 (фиг.1), т.е. является вариантом ее выполнения с теми же обмотками и вентилями, но с противоположной ориентацией последних. Она содержит такие же две симметричные группы элементов (4, 6, 8, 10-12) и 14, имеет по две обмотки 11, 12 в обеих группах (т.е. Нi,o = 2), причем первый полюс 70 однофазного выхода ПЯ соединен с разноименными выводами первых обмоток 11 в обеих группах, а к крайним выводам последних из Нi,o обмоток 12 обеих групп подключена первая пара вентилей 62, 65. В качестве этих вентилей в данном варианте ПЯ, предназначенном для непосредственного использования в схеме преобразователя (фиг.6) применены диоды. Упомянутые крайние выводы обмоток 12 ПЯ (аноды вентилей 4) подключены через вторую 60, 64 и третью 61, 63 пары вентилей к крайним полюсам 77, 78 парафазного входа 77, 46, 78 ПК 22 по схеме на фиг. 6. Ограничители 10 в обеих группах элементов подключены между первым полюсом выхода 70 и упомянутыми крайними выводами последних обмоток ПЯ (анодами В4 в группах 15, 14). При работе данной ПЯ (фиг.12) в составе преобразователя по фиг.6 (в котором она может быть подключена взамен ПЯ 70-66 своим выходом 70 и входом 66 к клеммам 70 и 66 преобразователя) эта ПЯ выполняет функции понижающего звена с Кп = 2/3.

На первом полупериоде времени работы ПЯ (диаграмма по фиг.13) может быть открыт один из трех ключей - 60, 62, 64, через который на обмотку 11 подается положительный уровень напряжения с входа 66 или с верхней (нижней) шины ПЯ соответственно. Причем отпирание ключа 60(64) автоматически приводит к запиранию диода 62, на аноде которого - заведомо более низкий уровень напряжения. Одновременно открывается вентиль 63 (или вентили 61, 65 соответственно при открытых вентилях 60, 64). В результате образуется параллельное соединение обмоток 12, 11 через вентили 4, 8 в группе элементов 4-12 и последовательное соединение таких же обмоток в группе 14 через вентиль 6. Напряжение, приложенное к анодам вентилей 4 в обеих группах 1-12 и 14, делится между параллельными и последовательными обмотками обеих групп в отношении 2 к 3, и на выходе 70 выделяется две трети входного напряжения ПЯ 70-66. На втором полупериоде времени состояния вентилей и ключей в обеих группах (60-62, 4, 6, 8) и (63-65,14) взаимно меняются с открытого на закрытое и с закрытого на открытое: закрываются 62 (или 60, или 64), 4, 8, а в группе 14 - вентиль 6, открываются 65 (или 63, или 61), 6, а в группе 14 - вентили 4, 8. Обмотки 11, 12 группы 15 соединяются последовательно, а обмотки 11, 12 группы 14 - параллельно, на выходе 70 по-прежнему выделяется две трети входного напряжения ПЯ 70-66. В случае разрыва цепи прохождения постоянного тока обмоток 11, 12 на входе или на выходе ПЯ соответственно возникающее перенапряжение открывает динисторы 10, через которые замыкаются и спадают до нуля токи обмоток 11, 12.

В случае использования ПЯ по фиг.12 в составе схемы преобразователя по фиг. 10, она, как и другие ПЯ входного ПК 1 и выходного ПК 22, может выполнять функцию повышающего звена (но с Кп = 3), и в этом качестве она является также и вариантом выполнения ПЯ 14, 15 по фиг.1. При этом функциональные назначения входа и выхода 70 и 60 ПЯ взаимно меняются, ориентация всех вентилей по фиг.12 должна быть изменена на противоположную (как у вентилей 4-10 в ПК 14, 15 схемы по фиг.1), а вся ПЯ в целом (фиг.12) подсоединяется взамен ПЯ 70-66 (фиг.10) своими выводами 70, 66 к выводам 70, 66 ПК 1. При работе ПЯ согласно диаграмме (фиг.13) отпирается вентиль 62 (или 60, 64) и обмотки 11, 12 верхней группы 4-12 соединяются параллельно между этим вентилем и входом 70. Соответственно обмотки 11, 12 группы 14 автоматически соединяются последовательно между входом 70 и открытым вентилем 61 или 63, подавая через него утроенную разницу потенциалов полюсов 66 и 70 на верхнюю (аноды вентилей 60, 61) или на нижнюю (аноды В 63, В 64) общие шины ПЯ и ПК 1.

ПЯ по фиг. 12 может быть подсоединена в схему по фиг.10 и в качестве понижающего варианта ПЯ данного типа (с Кп = 2/3). При этом ПЯ (фиг.12) подключается входом 70 к входу 66 ПЯ 67, а выходом 66 - к выходу ПЯ 59, взамен ПЯ 70-66 (фиг.10). При замыкании ключа 62 обмотки 11, 12 группы 15 соединяются параллельно между выводами 66, 70, а обмотки 11, 12 группы 14 соединяются последовательно между общей шиной и выводом 70 через отпертый тиристор 64. Соответственно, напряжение между этой шиной и выводом 70 составляет 2/3 от напряжения между данной шиной (аноды В 64, В 63) и выводом 66. При замыкании на втором полупериоде времени ключа 65 и размыкании ключа 62, которые в этом случае должны быть выполнены полностью управляемыми, автоматически запирается тиристор 63, отпирается тиристор 60, обмотки 11, 12 соединяются последовательно между верхней шиной (аноды В 60, В 61) и выводом 70, а обмотки в группе 14 - параллельно между выводами 70 и 66. На выводе 70 формируется напряжение, равное 2/3 напряжения между верхней шиной и выводом 66. Поскольку полярность напряжения на верхней и нижней шинах ПЯ 1 изменяется на противоположную на каждом полупериоде времени синхронно с работой ключей и вентилей (см. диаграмму по фиг.13), то напряжение на выводе 70 имеет неизменную полярность.

На схеме преобразователя по фиг.14, для которой параметры М = 1; Л = 0; 2Но,1 = =4; С = 2; Пт = 1; Дт = 1; Г1 + Г2 = 2; Вк = 10; Пк = 1; Дк= 3; Вку = 2; Ф > 1; Пя,о,1 = 0; Дя,о,1= = 2; 2Во,1 = 6; Во,1,у = 0; Жо,1 = 1; Кп = =Но,1о,1 + 1 = 2/3; в качестве входного ПК установлены полностью управляемые вентили (ключи) 20, 21 для инвертирования постоянного тока источника 34, крайние полюсы однофазного входа выходного ПК 16, 17, 23, 24 (аноды вентилей 52) подключены непосредственно к разноименным выводам последних обмоток 54 в группах 23 и 24 ПЯ 23, 24 и к вторичной обмотке 37 развязывающего трансформатора, а через цепочки, содержащие по Ц вентилей 16, 17 (здесь Ц = 1) - к второму полюсу 41 (через клемму 46) входа преобразователя, причем первый полюс 47 выхода ПЯ 23, 24 соединен с первым полюсом 40 выходов выходного ПК и преобразователя в целом и с разноименными выводами первых обмоток 53 в обеих группах 23 и 24 элементов данной ПЯ. Взамен полюсов 46, 41 могут быть заземлены и другие точки схемы. Данная схема полностью идентична схеме по фиг.3 (в части, относящейся к элементам групп 23, 24), но имеет иной тип подключения выходного ПК 23, 24, 16, 17 к обмотке 37 - однофазный - и иной тип подключения нагрузки 42 к выходу данного ПК - непосредственно к разноименным выводам первых обмоток 53 в обеих группах 23, 24. В совокупности это обеспечивает понижающий режим работы преобразователя.

При работе данного типа преобразователя (фиг.14) согласно диаграмме по фиг. 15, ключи 20, 21 формируют переменное напряжение на обмотке 36, на катоды диодов 16, 17 попеременно подается импульсное напряжение Е. На каждом первом полупериоде времени работы схемы оно приложено к диоду 16; обмотки 53, 54 в группе 23 соединены параллельно между анодом закрытого диода 16 и выводом 40, а такие же обмотки в группе 24 - последовательно между открытым диодом 17 и выводом 40. На каждом втором полупериоде типы соединений обмоток 53, 54 в обеих группах элементов 23, 24 меняются с последовательного на параллельное и обратно и на выводе 40 продолжает выделяться постоянное напряжение, определяемое делением напряжения Е в отношении два к трем, или H/H+1, и между параллельно и последовательно включенными обмотками обеих групп 23, 24 ПЯ (символы Н и другие, обозначающие параметры схемы, в некоторых местах текста употребляются, для упрощения, без подстрочных индексов).

На схеме по фиг.16, для которой М = 1; Л = 0; Но,1 = 1; Кп = 0,5; Ц = 1, показан преобразователь, полностью аналогичный по своей структуре, описанию работы и назначению одноименных элементов вышеописанному преобразователю по фиг. 14. Схема по фиг.16 отличается от вышеописанной схемы по фиг. 14 только меньшим количеством (два) обмоток 53 в группах 23, 24 ПЯ и соответствующим резким упрощением схемы выходного ПК (который содержит в данном случае только двухобмоточный трансформатор с первыми обмотками 53 в группах ПЯ 23, 24 и вентили 16, 17).

Полюсы парафазного входа (катоды В 16, В 17) подключены непосредственно к разноименным выводам первых (и последних их же) обмоток 53 в обеих группах 23 и 24 ПЯ 22 и к обмотке 37, а через цепочки вентилей 16, 17 - к второму полюсу 41 выхода преобразователя, причем первый полюс 40 выхода ПЯ 22 соединен с первым полюсом 40 выхода выходного ПК и первым полюсом 40 выхода преобразователя в целом и с разноименными выводами последних (они же первые) обмоток 53 обеих групп элементов ПЯ, При работе схемы согласно диаграмме по фиг.17 напряжение Е на обмотке 37 делится на два в последовательно соединенных обмотках 53 и на нагрузке 42 выделяется постоянное напряжение E/2.

Для схемы по фиг.18 параметры С = 2; Пт = 1 = Дт; Г1 + Г2 = 2; Пк = 1; Дк = 3; Вк = 10; Вку = 6; Ф > 1; М = 1; Л = 0; Но,1 = 2; Кп = 1/3; Пя,о,1 = 0; Дя,о,1 = 2; Во,1 = 2; Во,1,у = 4; Жо,1 = 1. Входная часть преобразователя 20, 21 построена и работает аналогично схемам по фиг.14, 16. Крайние полюса (выводы) выходного ПК 22 (т.е. катоды В18, В19) подключены к разноименным выводам последних обмоток 54, 91 обеих групп 23 и 24 и к обмотке 37, а через вентильные цепочки 16, 18 и 17, 19 - к второму полюсу 41 выхода преобразователя; причем первый полюс 40 выхода ПЯ и выходного ПК 22 и преобразователя в целом соединен с разноименными выводами первых обмоток 53, 92 в обеих указанных группах. Вентильные цепочки могут содержать согласно [7-11] всего по одному вентилю 16-19 (всего четыре цепочки по одному вентилю). Аноды вентилей 18, 19 в этом случае соединены непосредственно с полюсом 41, а не с катодами вентилей 16, 17, которые остаются в прежней схеме подключения. Вентили в рассматриваемой схеме, кроме диодов 16-19 - полностью управляемые и подключены управляющими входами к соответствующим выходам упомянутого блока управления преобразователем. ПЯ данного типа (ПЯ с параметрами Ц = 1; Кп = 1/Н) может содержать конденсаторы, включенные параллельно обмоткам или между обмотками разных групп (54 и 91, 53 и 92) и другие дополнительные цепи и узлы на базе тиристоров, динисторов, конденсаторов, дросселей, диодов и резисторов и т.п. для улучшения процессов коммутации, переходных процессов ограничения перенапряжений, сквозных токов и обеспечения других вспомогательных функций. Взамен всех диодов и в качестве управляемых ключей могут быть применены симметричные вентили (встречно-параллельные тиристоры, динисторы, включенные через выпрямительные мосты транзисторы) для обеспечения режима рекуперации энергии или работы на переменном токе низкой частоты источника 34. При работе схемы по фиг.18 ее входная часть 20, 21 работает согласно диаграмме по фиг.19 аналогично входной части рассмотренных выше схем (фиг.16, 14) и на катоды диодов 18, 19 поступает переменное напряжение. При подаче более высокого потенциала на катод вентиля 18, ключи и диоды 20, 94, 19, 17, 96 замкнуты, остальные - разомкнуты. Напряжение обмотки 37 делится на три между двумя последовательно соединенными обмотками 91, 92 и параллельно включенной с ними нагрузкой 42. На следующем полупериоде времени состояния ключей и вентилей меняются на противоположные, обмотки 91, 92 соединяются последовательно в один контур 37, 91, 95, 92, 42, 16, 18, а обмотки 53, 54 подключаются параллельно нагрузке 42 по цепям 54, 93, 40, 42, 41, 16, 18 и 53, 40, 42, 41, 16. На нагрузке 42 продолжает выделяться напряжение E/3 с более высоким потенциалом на полюсе 40.

На фиг. 20 изображен пример параллельного соединения секций первичной 36, 97, 98 и вторичной 37, 99, 100 обмоток трансформатора 35 через точки 26-33. Последовательно с секциями могут быть включены индуктивные или резистивные элементы - токовыравнивающие дроссели и резисторы для деления входного тока обмотки поровну между секциями, соединенными параллельно. Поскольку параметр Ls прямо пропорционален диаметру провода, а его сечение и сила тока - квадрату диаметра провода, то введение взамен одной обмотки нескольких, соединенных параллельно, приведет к уменьшению Ls каждой из них в раз, где Н - количество введенных обмоток или секций. Соответственно, Ls параллельно включенных секций будет меньше в Н раз, чем Ls несекционированной обмотки. При этом, в отличие от трансформатора прототипа с аналогичными секционированными обмотками, в трансформаторе по фиг.20 отсутствуют перенапряжения между первичной и вторичной обмотками вследствие одинаковых схем соединения секций на первичной и вторичной сторонах трансформатора и равенства первичного напряжения вторичному.

На фиг.21 дан пример включения преобразовательного конденсатора 101 между соседними обмотками 102 и 103 в группах элементов ПЯ, известный также из [7-11]. Так, в схеме по фиг.3 конденсатор может быть включен взамен диода 57 в группах 23, 24, что приведет к увеличению коэффициента передачи ПЯ на единицу. При работе ПЯ, имеющей преобразовательный конденсатор, последний заряжается до напряжения Е при параллельном соединении обмоток и конденсатора и частично разряжается на нагрузку при последовательном соединении обмоток и конденсатора, увеличивая напряжение на ней на Е.

На схеме по фиг. 22 выводы вторичной обмотки 37 трансформатора 35 подключены непосредственно к выходу 40, 41 преобразователя, что соответствует значению параметра Г2 = 0. При работе преобразователя нагрузка 42 находится под высокочастотным переменным напряжением обмотки 37.

На схеме по фиг.23, предназначенной для работы с источником 34 переменного напряжения, отсутствует входной ПК 1 (так как Г1 = 1), а вход 38, 39 и выход 104, 105 отсутствующего ПК 1 соединены накоротко.

При работе схемы переменный ток из источника 34 поступает непосредственно на вход первичной обмотки 36 развязывающего трансформатора 35 и далее преобразуется в выходном ПК 22 описанными выше способами.

На схеме по фиг.24 дан пример схемы по фиг.23 для случая парафазного выполнения первичной обмотки 36 развязывающего трансформатора 35, имеющей две полуобмотки 106 и 107, соединенные разноименными выводами, и заземленной в точке соединения полуобмоток. При работе схемы переменный ток из источника 34 проходит одновременно по обеим полуобмоткам 106, 107, наводя в них на крайних выводах 104, 105 полуобмоток равные и противоположные по знаку потенциалы. Далее электроэнергия передается во вторичную обмотку трансформатора 35, выходной ПК и в нагрузку, которые на данной схеме (фиг.24) не показаны.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



1. Преобразователь, содержащий трансформатор с бифилярным исполнением первичной и вторичной обмоток, имеющих C 2 секций, из которых Пт выполнено по парафазной, а Дт - по однофазной схемам, причем Пт + Дт = 2,2 Пт 0, а также включенные в общей цепи с трансформатором между входом и выходом преобразователя 2 Г1 + Г2 1 многофункциональных, выполненных на базе Вк вентилей преобразовательных компонентов (ПК) с входами и выходами, причем Г1 соответствует входному ПК, Г2 - выходному ПК, Пк входов и выходов ПК выполнено парафазными, а Дк - однофазными, где 4 Пк + Дк 2; 4 Пк 0, из числа Вк вентилей Вку выполнено управляемыми, причем Вку 0, ПК предназначены для выполнения комбинаций из Ф функций, где Ф 1, а перечень функций включает в себя: выпрямление, инвертирование, повышение, понижение напряжения (тока), регулирование его формы, амплитуды и частоты изменения, а также содержащий блок формирования сигналов управления режимом работы преобразователя, выходы которого соединены с управляющими входами соответствующих управляемых вентилей, отличающийся тем, что, с целью расширения области использования по мощностному и частотному диапазонам и улучшения массогабаритных показателей, входной и выходной ПК содержат соответственно Лi-х и Мj-х преобразовательных ячеек (ПЯ), где i = 1 Л, j = 1 М, Л + М 1, соединенных согласно последовательно между входом и выходом каждого ПК с Пя,j парафазными и Дяi,j однофазными входами и выходами в каждой из ПЯ, где Дяi,j + Пяi,j = 2; 2 Пяi,j 0, выполненных на основе параллельного включения пары групп элементов, содержащих четное число обмоток 2Нi,j, где Нi,j 1, поровну в обеих группах, выполненных по схеме соединений элементов взаимно симметрично с противоположной ориентацией обмоток в разных группах каждой пары и одинаковой-внутри каждой группы относительно входа и выхода ПЯ, причем в каждой паре групп содержится по 2Вi,j 2(3Нi,j - 3) вентилей, среди которых Вi,j,y 0 управляемые, подсоединенные имеющимися управляющими входами к соответствующим выходам упомянутого блока управления, обмотки внутри группы связаны посредством упомянутых вентилей согласно последовательно и параллельно между собой и с полюсами входа и выхода ПЯ (Юi,j + Жi,j) = 1 первых полюсов каждой i,j-й ПЯ связаны с разноименными выводами первых обмоток в обеих группах элементов данной ПЯ, причем Юi,j - число полюсов входа, Жi,j - число полюсов выхода i,j-й ПЯ, при этом (Юi,j + Жi,j)-е полюсы первой ПЯ входного ПК связаны с первыми полюсами входов данного ПК и преобразователя в целом, а второй полюс последнего при Л 1 связан с полюсами выхода входного ПК посредством управляемых вентилей, подсоединенных управляющими входами к соответствующим выходам упомянутого блока управления.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что между крайними полюсами парафазных выходов и первыми полюсами входов упомянутых ячеек включены ограничители напряжения на управляемых элементах, управляющие входы которых подсоединены к соответствующим выходам упомянутого блока управления.

3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что параллельно обмоткам в упомянутых группах элементов ПЯ подсоединены переходные конденсаторы.

4. Преобразователь по пп.1 - 3, отличающийся тем, что при Л=1 парафазный выход ПЯ входного ПК подсоединены непосредственно к парафазному выходу данного ПК и к крайним выводам первичной обмотки развязывающего трансформатора, а первые полюсы входов ПЯ, ПК и преобразователя в целом соединены с точкой соединения разноименных выводов первых обмоток обеих групп элементов ПЯ.

5. Преобразователь по пп.1 - 4, отличающийся тем, что М=0, а в качестве выходного ПК установлен выпрямитель, причем входы данного ПК и выпрямителя подключены непосредственно к вторичной обмотке развязывающего трансформатора, а выходы данного ПК и выпрямителя - к выходу преобразователя.

6. Преобразователь по пп. 1 - 3, отличающийся тем, что Л=0, а внутри входного ПК установлены вентили, предназначенные для инвертирования входного тока преобразователя, которые подключены между первым полюсом его входа и крайними выводами первичной обмотки развязывающего трансформатора, имеющей парафазное исполнение, общая точка полуобмоток которой соединена с вторым полюсом входа преобразователя.

7. Преобразователь по пп.1 - 4, 6, отличающийся тем, что М=1, а полюсы парафазного выхода выходного ПК подключены через первую пару упомянутых вентилей непосредственно к первому полюсу выхода преобразователя и через вторую пару упомянутых управляемых вентилей - к крайним выводам парафазной вторичной обмотки развязывающего трансформатора, общая точка полуобмоток которой подключена непосредственно к первому полюсу входа выходного ПК, а крайние выводы подключены через третью пару упомянутых вентилей к второму полюсу выхода преобразователя.

8. Преобразователь по пп.1 - 4, 6, отличающийся тем, что М=1, а полюсы парафазного выхода выходного ПК подключены непосредственно к полюсам выхода преобразователя и через вторую пару упомянутых управляемых вентилей - к крайним выводам вторичной обмотки развязывающего трансформатора, общая точка полуобмоток которой соединена непосредственно с первым полюсом входа выходного ПК.

9. Преобразователь по пп.7 и 8, отличающийся тем, что Н=1, полюсы парафазного входа выходного ПК подключены непосредственно к первым разноименным выводам обмоток обеих групп и к выводам вторичной обмотки развязывающего трансформатора, а через третью пару вентилей - к второму полюсу выхода преобразователя, причем первый полюс выхода ПЯ соединен непосредственно с первыми полюсами выходов данного ПК и преобразователя в целом и вторыми выводами обмоток в обеих группах элементов ПЯ.

10. Преобразователь по пп.1 - 4, 6, 8, отличающийся тем, что М=1, Н0,1= 1, полюсы парафазного входа выходного ПК подключены непосредственно к разноименным выводам последних обмоток групп ПЯ данного ПК и к вторичной обмотке развязывающего трансформатора, а через введенные вентильные цепочки, содержащие по Ц 1 последовательно соединенных вентилей, - к второму полюсу выхода преобразователя, причем первый полюс выхода ПЯ соединен непосредственно с первым полюсом выходов данного ПК и преобразователя и с разноименными выводами первых обмоток в обеих группах элементов ПЯ.

11. Преобразователь по пп.1 - 10, отличающийся тем, что каждая из Л ПЯ входного М ПЯ ПК подсоединена посредством первой пары упомянутых вентилей первым полюсом входа последующей ПЯ, образованным точкой соединения первых обмоток обеих групп элементов, к обоим крайним выводам последних из Нi,o обмоток предыдущей ПЯ, которые в каждой ПЯ подключены также через вторые и третьи пары упомянутых вентилей к крайним полюсам выхода данного ПК, а крайние выводы последних обмоток последней ПЯ подключены через первую пару вентилей к введенным выводам для подключения и к дополнительному источнику напряжения, причем первые полюсы входа входного ПК и первой ПЯ соединены с первым полюсом входа преобразователя, а выход данного ПК подключен к первичной обмотке развязывающего трансформатора.

12. Преобразователь по пп.1 - 10, отличающийся тем, что каждая из М ПЯ выходного ПК подсоединена посредством первой пары упомянутых вентилей первым полюсом выхода предыдущей ПЯ, образованным точкой соединения первых обмоток обеих групп элементов, к обоим крайним выводам последних из Нo,j обмоток следующей ПЯ, которые в каждой ПЯ подключены также через вторые и третьи пары упомянутых вентилей к крайним полюсам парафазного входа данного ПК, а крайние выводы последних обмоток первой ПЯ подключены через первую пару вентилей к введенным выводам для подключения их к дополнительному источнику напряжения, причем первые полюсы выхода выходного ПК и последней ПЯ соединены с первым полюсом выхода преобразователя, а вход данного ПК подключен к вторичной обмотке развязывающего трансформатора.

13. Преобразователь по пп.11 и 12, отличающийся тем, что при однофазном исполнении вторичной обмотки развязывающего трансформатора ее выводы подключены к второму полюсу выхода преобразователя через четвертую пару упомянутых вентилей.

14. Преобразователь по пп.11 и 12, отличающийся тем, что при парафазном исполнении вторичной обмотки развязывающего трансформатора общая точка соединения ее полуобмоток подключена к второму полюсу выхода преобразователя.

15. Преобразователь по пп.1 - 14, отличающийся тем, что обмотки развязывающего трансформатора, содержащие равные количества секций, соединены параллельно как на первичной, так и на вторичной сторонах трансформатора.

16. Преобразователь по пп.1 - 15, отличающийся тем, что при Нi,j 1 между разноименнными выводами соседних обмоток упомянутых групп элементов ПЯ включены введенные преобразовательные конденсаторы.

17. Преобразователь по пп.1 - 4, 11 и 12, отличающийся тем, что при М=0 выводы вторичной обмотки развязывающего трансформатора подключены непосредственно к выходу преобразователя.

18. Преобразователь по пп.1 - 3, 7 - 16, отличающийся тем, что при Л=0 вход и выход входного ПК соединены накоротко. 

 

Фиг1

Фиг12

Фиг14

 

Фиг16

 

Еще материалы:

 

1) Патент Трансформатор Мотовилова

2) Публикация -Новая электрофизика и силовые трансформаторы постоянного тока. Без топливная энергия.

 

88

9955



Обновлен 02 сен 2015. Создан 31 авг 2015