Индуктивно-емкостный преобразователь источника напряжения в источник тока

 

Союз Советскик

Социалистических

Республик

ОЛ,MCAHЙЕ

ИЗОБРЕТЕИ ИЯ (11) 521558! й.:,, ff еояд : е,-rp

Ф;Фз .,„ riф Л (61) Дополнительное к авт. свил-ву— (22) Заявлено!.2.04,74 (21) 2 )1c 269/07 (51) N. Кл.

2 с. ();i 3/06

Н (1 М 5/064

r/xa

2036040/07 с присоединением зат вки Ыс, 20804 83/07

Государственный комитет

Совета Министров СССР оо делам изобретений и открытий (23) Приоритет (43) Опубликовано.1 . >.07.76. Бюллетень Яе 26 (53) уД1(621.д1.6. . 721 (0HH. с. ) (45) Дата опубликования описания 26.10.76 (72) Авторы изобретения

И В В,заков М Н ю орбс,нов С И акре вский и В. H. Губарович

Институт электродинамики АН Украинской ССР (71) Заявитель (S4) ИНДУКТИВНО-ЕМКОСТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИСТОЧНИКА

НАПРЯЖЕНИЯ В ИСТОЧНИК ТОКА

Изобретение относится к электротехнике может быть использовано для питания репируемым стабилизируемым переменным

;током нагрузок, сопротивление которых изl ,меняется в широких пределах от короткого

Ьамыкания до максимального), например дпя питания газоразрядных и дуговых ламп, электрически к нагрузок, электрот;,рми гесфт1х установок и т.д.

В известном преобразователе, выполнен-- ит ном по схеме трехфазной звезды, в одтту фазу которой включена нагрузочная цепь, а

Ь две другие - реактивные элементы (линейный дроссепь и конденсатор), настроен-! ные и резонанс на частоте питающего неп- IS ряжения источника, плавное регулирование вепичины стабилизированного тока в нагрузочной фазе осуществляется за счет его модуляции (фазо-импульсной и широтно-им-.пульсной) с помощью тиристорного ключа _#_ переменного тока, подключенного параллельно нагрузке и состоящего иэ двух встречно-параппельно соединенных тиристоров 13 ..

Недостатками такого уотройства явпяют-,,cs периодические провалы до пуля в кривой 25

2 тока нагрузки при его) плавном регупирова нии и узкий диапазон плавного регупйрова- ) ния величины тока нагрузки, Наиболее близким из известных устройств явпяетс".я индуктивно-емкостный преобра зователь источника напряжения в источ лик тока, содержащий для каждой фазы нагрузки цепи с индуктивным и емкостным элементами, настроенными в рЬэонанс,на частоте питающей сети, соединетпые с выводами дпя подключении нагрузки в звезду, и блок коммутации, соединенный с реактивными элементами и синхронно изменяющий их сопротивление при сохранении резонанса Г2), С цепью повышения плавности регупиро вон@я среднего значения тока каждая цепь выпопиена l3 виде двух последовательно со епинециых реактивных элементов, а бпок коммутации подключен к их общим точкам.

Кроме того, цепи с индуктивтть1ми и ем костными элементами выпопненъf в виде мос« товых схем, одна диагональ-каждой из которых включена в пуч),звезды, а коммути .руюшне элементы блока коммутации вкпю521558 чены во вторую диагональ, причем реактив>>ые сопротивления противопопожных плеч ка3хдого из мостов равны по величине и дроссепи противоположных ппеч моста рас;:опожепы на одном сердечнике.

При небольших мощностях нагрузки (от сотен ватт до единиц киловатт) цепь с индуктивными элементами выполнена в виде двух разыых дросселей, один из которых пинейный> другой — нелинейный, а коммути- 1© рую1ций эпемент блока коммутации включен между общими точками реактивных элемен тов в каждой цепи.

B другом варианте предлагаемого преобразователя цепь с индуктивными элементами выполнена в виде однообмоточного и двухобмоточного дроссопей, причем первичная обмотка двухобмоточного дроссепя вхпючена последовательно с однообмоточным, а вторичная в11>1ючона встречно--параллельно первичной через допопнитепьный коммутирующий элемент бпока коммутации.

l la фи1. 1 > 2 33 3 3>реистав>1ены три раз>1ич13ых вариа>31 в предпагаемого преобра.зовате>1я.

ПреОбраЗОВа.1еиЬ (СМ. фИГ. 1) 11Одхпючен. к источнику 1 трехфазного напряжения и состоит из двух разных пинейных двухобмоточнь>х дросс >пей в фвзе. 8, обмотки каждого из которых 2 3, 4 и 5 имеют одинаковое число витков и вкпючены cor le 1 ырех KoIIJIe11саторов 6, 7, 8 > H 9 в фазе С, емкости которых попарно равны (6 и 0,7 и Й), двух блоков коммутации

10 и 11 в фазах В >л с с общей системой

35 управпения и на1рузочной цеп1 12, подкпючешюй к фазе А.

Блок коммутации может быть выполнен в ВИДЕ ПОПуцрОВОДНИКОВОГО (тИРИСТОРНОГО,, 40 ! с им неторного, транзисторного) ключа пере менного тоха с системой управления 13, 1

;ипхройизиров>333пой по току нагрузки ипи по одному из 11а31ряжеиий, действующих q схеме-,, 45

Пепи с цндуктивнь ми и ем::остными зпе ментами, вкпюче1ппле H реактивные фазы (пучи) э>>езд;л> выпопцены s виде мостовых схем, об>разова1п1ых обмотками 2, 3, 4 и 5 дроссейей в фазе В и конденсаторами Е

1>, 1, H и 9 в ф>ъзе C таким образом, что реактивны ; сопротивпении противоположных

lllleч каждого из мостов равны Ilo вепичине и обм;>тх» 2 и 3, 4 и 5 дроссепей протиьч 1о>«ж>1>лх ш1еч моста в фазе В распопж>пы»l> одном сердечник». 11ричем одна ди>ц оь»пь к>>жной и;3 мостовых схем вкпюче>ь> ь пу l;.>1>ез31ь1 ° а коммутирующие элемен т»3 1>>1охг> коммутации включены Ви вторую дц>» оцуп. 69

B непроводящем состоянии коммутирующих элементов эквивалентные реактивные сопротивления индуктивной и емкостной це пей (фаз) схемы определяются реактивными зпементами с большими сопротивпенкями, а в проводящем состоянии„наоборот — реактивными элементами с меньшими соп тивпениями. едоватепьно, непроводяшему

;состоянию ключевых элементов соответст вуют максимальное значение эквивалентных сопротивлений реактивных фаз схемы и ми нимапьная величина тока нагрузки, à про1 водящему-минимальные эквивалентные СО.-т противпения реактивных фаз и,максимап ная величина тока нагрузки.

В обоих состояниях коммутирующих эпе ментов стабилизирующие свойства преобразоватепя сохраняются при изменении сопротивления нагрузки. Это достигается за счет того, что ицдуктивности обмотокLp,1

1 . и у линейных дросселей с взаи>ч1о-. ицдуктивной связью и емкости конденсатор В СФ. С1 СВ и С9 вь|бираются из сохр пения условий резонанса в проводящем и непроводяшем стояниях ключевых элементов

3В LС -mL С i (L)

Ст ., С1О (2.); с L c иди:d. p -i (Ю

4 У 8* = — -(ф) гДе il>I.. пОстОянны е кОэффициенты.

При этом соотношение между максимапь „„ASCII ми тока нагрузки А (диапазон и кратность регулирования) опредепяется комбинацией параметров реактивных элементов с учетом сохранения условий резонанса (1) - (3), т. ,выбором коэффициентов 4 и ф по формупам (4)!

nasa Р В ва1>иайте преобразоватепя, представленного на фиг. 2, цепь с индуктивными эпе,ментами выполнена в виде последователь но соединенных линейного 14 и непинейиого 15 дроссепей, а цепь с емкостными .элементами выполнена в виде последова тельно соединенных конденсаторов 16 и 17, Ьпок коммутации 10 подключен между общими точками соединенных поспедоватепь по,дроссепей 14 и 15 и между общими точками соединенных поспедоватеп но кон денсаторов 16 и 17, .Э 2 1:-3,3 ", - Ф

В непроводящем состоянии ключевого элемента эквивалентные сопротивления ре„активных фаз (лучей) звезды максимальны .

1ток во всез фазах схемы минимален, нели нейный дроссель 15 так же, как и линейный дроссепь 14, работает в ненасыщенном режиме и реактивные эпемеьпы настроены в резонанс.

В проводящем состоянии ключевого эпе мента структура схемы изменяется таким 19 образом, что линейный дроссель 14 и кон. ненсежр 16 тмсие HBcтс ж в рееоненс,, эквивалентные сопротивления реактивных схемы минименьны, е тои во всех ф .-

I зах максимален. Поэтому нелинейный дрос- 15 сель 1 5 насыщается и образует совместно с кон1 денсатором 1 7 параллельный нерезонансный, контур, который оказываешься включенным

;последовательно с сопротивлением нагруз,ки 13 в фазу А, так как прежняя нулевая 20 ,точка звезды (общая точка элементов 12, 1

16 и 17) смещается в проводящем состоянии ключевого элемента в общую точку реактивных элементов 14, 15, 16 и 17.

Стабильность тока нагрузки этого варианта схемы устройства сохраняется в обсе их граничных состояниях ключевого элемента, так как индуктивность 1 линейного

14 дросселя 14 и индуктивность 1„нелиней4У ного дрели 15 в ненасыщенном Режиме 30 и емкости конденсаторов С„ и С выби17 раются из условий резонанса.

2. ш L, С =1 (Ь) Ch Pl 1, (7)

1У

С

17 где ot. — — — .(8)

14 16 постоянные коэффициенты. диапазон регулирования тока нагрузки в этом случае равен

A= — -1м-— .1 мин

В варианте преобразователя, показанн го на фиг. 3, цепь с индуктивными элемен- тами выполнена в виде однообмоточного 14 бр и двухобмоточного 18 дроссепей Первичная обмотка 19 двухобмоточного дросселя, включена последовательно с дросселя 14> а вторичная 20 вкпючена встречно-парад пепьно первичной 19 через дополнительный 55

1 коммутирующий элемент блока коммутации Д1.

В непровошппем (разомкнутйм) состоянии ключей 10 и 21 вторичная обмотка 20 двухобмоточного дросселя 18 обесточена, ja эквивалентная индуктивность поопедавв- <60

6 тельно соединенных дросселя 14 и первичной обмотки 19 дросселя в фазе В и экви валентиая емкость поспедоватедьно соеди ненных конденсаторов 16 и 17 в фазе С схемы образуют резонансный контур„нмлроенный на- частоту источника питания 1, В проводящем (замкнутом) состоянии, ключей 10 и 21 изменяется структурасхемы относительно непроводящего состояния ключей таким обрмом, что нулевой точкой является общая точка дросселей 14 и 18 и конденсаторов 16 и 17 (вместя прежней нулевой точки О звезды в разомкнутом состоянии ключей), дроссепь 14 в фазе В и конденсатор 16 в фазе С оказываются на встроенными в резонанс, а в фазу А схемы э, н;Медовательно с нагрузкой оказывается вкпюченнйм некоторое реактивйое сопро-« ,тивление, Равное эквивалентному сопротив пению випоче1иых параллельно двухобмоточ4 ного дросселя 18 и конденсатора 17, Так как обмотки 19 и 20 дросселя 18 включены встречно-параллельно друг другу и в общем случае "могут быть разными, то ве:личина эквивалентного, сопротивления дрос» селя 18 оказывается значительно меньше величины индуктивного сопротивления каж дой его обмотки и величины емкостного сопротивления конденсатора. Поэтому параллельный контур, образовашплй дроссепем

18 и конденсатором 17 в замкнутом со« стоянии ключей, не оказывается настроенным в Резонанс (не образуется фильтрпробка" ), а эквивалентное реактивное сопротивление, вносимое в фазу нагрузки, достаточно мало. Если же обмотки 19 и

20 дросселя 18 одинаковы, то его эквйвапентная индуктивность минимальна (весьма мала) и равна эквивалентной индуктивности рассеяния его обмоток. Практически в этом случае дроссель 18 щунтирует кон денсатор 17 и в фжу нагрузки вносится весьма малое активное сопротивление параллельно включенпь1х обмоток 19 и 20 этого дросселя.

1 1

Следовательно„oe счет изменения струк

;туры схемы синхронно изменяются величины инггуктинного и емкос.люго сопротивлений реактивных элементов в двух фазах трехфазной звезды BpR соРяэанении усповихй ре» зонансе во всех состояниях ключей, а имеи но: при переходе ключей 10 и 21 из не проводящего состряния в проводящее умень шакая реактивные сопротивления Фнз В и

С,,вслед.ствйе чего увеличивается ч .к в епи "нагрузии а его стабильность практи

1 эски остается неизменной

Индуктнвиости и емкости реактивных эпемептов ьы61!раются нз условия резонанс!1. )Й нас 31)ойки ю1. С ь

К19 С

14. 16

С ипи

С

19 1!

ГДЕ С) = )Ъ =

14 16

Таким образом проводяшему состоянию ключей соответствует максимапы1ое, а не- 15 проводяшему-минимапы)ое действуюшее значение тока нагрузки. Диапазон регулирования токонагрузки в этом случае равен: м)3 кс 1 ,А— = 1.3-А 1-1Для всех вариантов схем рассмотренного преобразователя проиодяи:ему состоянию

25 ключевых элементов соответствует максимальная величина тока нагрузки, а непроводяшему — мини) !альная. Во всех нромежутОчных сОс Гояннях кпк)чевых эпементОИ, состояших !1з различных комбинаций временных интервапои нроводяшего и непроводян)его

30 состояний (импульсов и пауз) и определяемых способом модуляции, ток нагрузки изменяется в пределах между ми!!и малы3ы м и максимальным значен33ями. Таким образом, все варианты схем предложен))ого преобразователя fro3»

35 вопяют плавно регулировать величину тока нагрузки в указанных пределах. При этом диапазон регупирования величины тока нагрузки определяется выбором параметров реактив)п 1х элементов схемы, настроенных

40 в резонанс дпя обоих граничных состояний коммутирующих элементов.

Как показали расчеты и эксперименты, каждый вариант схемы предложенного пре(обрк)ов))тепя имеет свок) цепесооГ>раз)1ую

45 область применения.

Формула изобретения

1е Индук Ги))ноемкостнь)Й Щ)еоб(и)зователь

)источника напряжения в источник тока, содержа55

lпий дпя каждой $)J!i)r:I негру 3ки цапl! с ин дукттп)1п)ми и емкостными э))ементами, настрое)пп!к!и в р! зо)и))!с 3))3 частоте питоюшей сети, соединенные с выводами дпи подключения нагрузки в звезду, и блок коммутации, соедине)пп1Й с реактивными элементами и синхрошю изменяющий их сопротивление при сохранении резонанса, О т и и ч а lo ш и Й с я тем что с цепью повышения плавности регулирования среднего значения тока, каждая указанная цепь выполнена в виде двух поспедоватепьио сое-диненных реактив13ых элементов, а бпок коммутации подключен к их обшей точке.

2. Преобразователь по и. 1, о т п и— ч а ю ш и и с я тем, что, цепи с индук тивными и емкостными элементами выполнены В виде мОс Говых cxeM Одна диагОналь каждой из которых включена в луч звезды„ а коммутируюшие элементы блока коммутации включе)11.! 3)о вторую дна) онапь, при 1ем 1)еь)к Г!)в)БА О сО11ротивпсния нрОт11вопопож ных плеч каждого из мостов равны по величине и д1)оссепи П1)ОГшзопопОжль:х плеч моста расположены 3!3 Одl1ом се1)де"1нике °

3, Преоо1)13ЗО))ате)1Ь ПО !1, 1, О Т П И ч а ю ш и Й с я тем, что цепь с индуктивными эпел!О!!та),.!31 1)ыпопнепа B виде двух р1)зных дроссепей, один из которых линейный, а другой — 3!олине)п3ый, а коммутируюший эпе forfT блока коммутации вк)почен л)ежду обшими точками реактивных элементов в каждой цепи.

4. Преобразователь rro п. 1, о т и ич а IG ш и Й с 33 тем, что коммутируюший элемент,блока комк)утации вк11ючен между обшимн точками реактивных элементов в каждой це, Е! цепь с и)1дуктивныл!и элементами выноп)1ен13 в виде однообмоточ)юго и двухобмоточпого дроссепей„ причем первичная Обмотка двухобмоточного дросселя вкл1очена последовательно с од11ообмоточным дроссепем, а вторичная включена встречнопара)Зле)1ь11О первич)!Ой через попон)!итепы1ый ком мути1)уюиfrN элемент блока кок!мутац)131.

5, Преобразователь по пп. 1, 4, о ти и ч а ю ш и и с я тем, что обмотки двухоб)!Оточного дроосе 1я выполнены один аковь1 ми, 6, Преобразователь по пп. 1, 4, 5 О т и и ч а ю !11 и и с я тем, что обмотки обоих дроссепей выполнены одинаковыми, а конденсаторы Одинаковой емкости.

Источники и)1фор) 3ац)!И,принятые во вни мание при экспертизе:

1. Труды МЗИ ст. "Электротермические установки, вып. 159, М, 1972, стр.51, 2. К. Д. Гуттерман и др, "Автоматическое Г)егупирова)!Ие электрических печей,"

1972, стр. 15-17, 1

8218ф8

Уиа1

1

I

l

I ю

О.

Фиа 2

Заказ 4884/551 Тираж 520 Подписное !, 0НИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР ло делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская иМ. ° д. 4/5,Филиал ППП Патент", r, Ужгород, ул. Проектиаи, 4

Составитель Г. Рабинович

Редактор Гi Яовжечкова Техред М. Левицкая КорректоР Н, друг