Результат интеллектуальной деятельности: Способ параллельно-последовательного переключения источников однонаправленного тока с использованием шинных диодов

Область техники:

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к схемам построения источников электропитания и может быть использовано для включения нескольких источников постоянного напряжения, таких как, химические источники постоянного тока, генераторов переменного тока или многообмоточных трансформаторов, обмотки которых подключены к выпрямителям. Изобретение позволяет кратно изменять уровень выходного напряжения, обеспечивая равномерную токовую нагрузку на питающие источники, не требуя при этом сложных схем управления. Изобретение целесообразно использовать с синхронными генераторами, имеющими широкий диапазон изменения скорости и не имеющими возможность регулирования поля ротора, например, с генераторами, имеющими ротор с постоянным магнитным полем. В таком случае, изобретение обеспечивает высокий уровень генерируемого напряжения на малых оборотах, например при оборотах холостого хода приводного двигателя внутреннего сгорания и позволяет избежать перенапряжений при повышенных оборотах двигателя. Так же изобретение может быть применено при создании схем преобразователей систем возбуждения синхронных генераторов. В таком случае, изобретение позволяет реализовывать надежные схемы форсировки генераторов в аварийном режиме с возможностью работы с высоким коэффициентом мощности в нормальном режиме.

Уровень техники:

Из существующего уровня техники известна схема, используемая в патенте RU 2370875 в которой один источник и несколько индуктивных накопителей позволяют решить задачу расширения диапазона регулирования выходного напряжения за счет накопления энергии на индуктивностях и организации их переключения. Изобретение позволяет получить несколько уровней напряжения от одного источника.

Также известна схема высоковольтного источника питания, содержащего трансформаторно-выпрямительные блоки подключенные к понижающему широтно-импульсному регулятору описанные в полезной модели RU 123606. Схема позволяет включить последовательно несколько источников выпрямленного тока и решает задачи регулирования напряжения за счет широтно-импульсного регулирования напряжения одного из выпрямительных модулей. Указанные схемы можно принять в качестве аналогов по совокупности признаков, наиболее близкими к совокупности существенных признаков изобретения. В приведенных аналогах реализуются схемы регулирования напряжения с постоянным динамическим воздействием на переключающие элементы, что требует формирование управляющих воздействий на открытие и закрытие элемента силовой цепи с заданной периодичностью тактового генератора. Помимо этого, указанные прототипы при осуществлении снижения напряжения не позволяют увеличить токовую нагрузку, как это могло бы быть выполнено при переключения источников тока с последовательного включения на параллельное.

Задача изобретения состоит в создании простой схемы соединения нескольких источников постоянного напряжения таким образом, чтобы путем минимальных воздействий на схему, с применением максимально простого управления, можно было бы изменять схему включения источников с параллельного на последовательное и наоборот, сохраняя неизменным мощность преобразователя и обеспечивая равномерную загрузку на источники напряжения.

Раскрытие изобретения

Предметом изобретения является способ, позволяющий построить схему, в основе своей имеющую источники постоянного напряжения, а также вспомогательные элементы, позволяющих изменить подключение источников напряжения. Вспомогательными элементами схемы являются пассивные элементы - шинные диоды, и активные элементы, осуществляющие переключение схемы - ключевые элементы, которые могут иметь различную физическую основу, но функционально предназначенные для соединения заданных узлов электрической цепи. В зависимости от требований к мощности, ресурсу и быстродействию в качестве ключевых элементов могут применяться запираемые тиристоры, тиристоры, транзисторы, контакторы с электромагнитным или контакторы с механическим приводом. Максимальное количество источников напряжения в изобретении ничем не ограничено и может быть равно n, где n - любое целое положительное число равное или большее двух. Способ, лежащий в основе изобретения, поясняет схема, приведенная на Фиг. 1 и построенная для n источников напряжения 1-1, 1-2, 1-3, … 1-n. Существенным признаком является отсутствие между источниками напряжений прямых электрических связей. Два крайних вывода схемы - крайний левый, от отрицательного вывода источника 1-1, и крайний правый, от положительного вывода источника 1-n предназначены для подключения нагрузки. Между собой, источники соединены ключевыми элементами 2-1, 2-2, …, 2-(n-1), выполненными в виде запираемых тиристоров. Тиристоры включены согласно с источниками так, чтобы в открытом состоянии образовывать цепь из последовательно включенных источников. Описанную цепь можно назвать главной, поскольку именно ее составляющие обеспечивают максимальный уровень выходного напряжения при проводящем состоянии всех ключевых элементов.

Помимо главной цепи схемы, состоящей из источников и ключевых элементов, схема включает в себя две вспомогательных цепи из последовательно включенных шинных диодов. Цепь диодов 3-1, 3-2, …, 3-(n-1) представляет собой цепь последовательно согласно включенных диодов, у которой анод первого диода подключен к отрицательному выводу первого источника постоянного напряжения, а катод последнего диода цепи подключен к отрицательному выводу последнего источника. Узел соединения предыдущего диода с последующим подключаются к узлу соединения предыдущего ключевого элемента и последующего источника постоянного напряжения. Описанная цепь шинных диодов называется цепью диодов отрицательной шины. Количество диодов такой цепи равно n-1.

Вторая вспомогательная цепь - цепь диодов 4-1, 4-2, …, 4-(n-1) представляет собой цепь последовательно согласно включенных диодов у которой анод первого диода подключен к положительному выводу первого источника постоянного напряжения, а катод последнего диода цепи подключен к положительному выводу последнего источника. Узел соединения предыдущего диода с последующим подключаются к узлу соединения предыдущего источника постоянного напряжения и последующего ключевого элемента. Описанная цепь шинных диодов называется цепью диодов положительной шины. Количество диодов такой цепи также равно n-1.

Описанный способ организации главной и вспомогательных цепей позволяет образовать схему их любого числа источников, большего двух, при этом, можно заметить, что за исключением начального и конечного фрагмента, схема будет состоять из схожих повторяющихся фрагментов.

Рассмотрим работу элементов схемы, построенной согласно способу, изложенному выше.

Перевод в проводящее состояние ключевых элементов главной цепи приводит к последовательному включению источников постоянного напряжения. Элементы вспомогательных цепей - шинные диоды положительной и отрицательной шины, хотя и имеют соединение с главной цепью, в работе ее в таком случае не принимают участие, поскольку диоды находятся в запертом состоянии. Так, шинный диод отрицательной шины будет находится под суммарным напряжением напряжения предыдущего источника напряжения и напряжения прямого падения на последующем ключевом элементе, приложенного к диоду в обратном направлении. Одновременно с этим, шинный диод положительной шины будет находится под суммарным напряжением напряжения последующего источника и напряжения прямого падения на предыдущем ключевом элементе, приложенного к диоду в обратном направлении.

Рассмотрим вариант, когда один из ключевых элементов переведен в непроводящее состояние. В таком случае, источники постоянного напряжения, предшествующие такому ключевому элементу, не имеют возможности передавать ток в нагрузку через последующие источники и становятся подключенными к нагрузке через последовательно включенные шинные диоды положительной шины. Соответственно, источники постоянного напряжения, следующие за ключевым элементом, теряют возможность быть подключенными к нагрузке через предшествующие источники и становятся подключенными к нагрузке через последовательно включенные шинные диоды отрицательной шины. Можно констатировать, что схема обладает следующим свойством -перевод в проводящее состояние ключевого элемента главной цепи приводит к запиранию обратным напряжением диодов вспомогательных цепей и наоборот, перевод ключевого элемента в непроводящее состояние приводит к включению в работу диодов вспомогательных цепей. Используя данное свойство схемы и выбирая определенные сочетания включения ключевых элементов, можно достигнуть одновременного параллельного включения нескольких источников при последовательном включении отдельных источников или групп источников. Ток каждого источника протекает через включенные ключевые элементы и источники, следующие за ними, до тех пор, пока в схеме не встретится ключевой элемент, находящийся в непроводящем состоянии. Начиная с этого узла ток начинает течь через шинные диоды до тех пор, пока на его пути не встретится узел схемы с проводящим ключевым элементом.

Особенностью схемы является то, что в случае параллельной работы нескольких источников ток каждого источника встречает одинаковое число обходных диодов. В зависимости от положения источника в своей группе количество шинных диодов отрицательной и положительной шины будет разниться, однако, суммарное число последовательно включенных диодов в цепи каждого источника будет постоянно. Эта особенность схемы позволяет обеспечить равномерную загрузку источников при прочих равных обстоятельствах.

Число вариантов получаемых напряжений на выходе схемы зависит от числа источников, взятых для ее построения. Минимально возможное число вариантов напряжения на выходе - два, возможно получить построив схему согласно заявленного способа с двумя источниками однонаправленного тока, одним ключевым элементом и с использованием одного шинного диода отрицательной шины и одного шинного диода положительной шины. Для такой схемы, в случае находящегося в проводящем состоянии ключевого элемента, напряжение на нагрузке будет равно:

Uвых.=2×E-Uk3, где

Uвых - выходное напряжение схемы,

Е - напряжение источника;

Uкэ - падение напряжения на ключевом элементе при протекании тока через него.

Если в такой схеме ключевой элемент будет находиться в непроводящем состоянии, то выходное напряжение схемы составит Uвых.=Е-Uшд, где

Uшд - прямое падение напряжения на шинном диоде при протекании через него тока источника.

В таком случае, ток источника подключенного к нагрузке отрицательным выводом будет протекать через шинный диод положительной шины к нагрузке, а ток источника, подключенного положительным выводом к нагрузке, будет протекать через шинный диод отрицательной шины к отрицательному выводу нагрузки.

В общем случае, при построении схемы согласно способа с использованием n источников, выходное напряжение схемы при всех проводящих ключевых элементах составит Uвых=n×Е-(n-1)×Uкэ.

Если пренебречь падением напряжения на ключевом элементе, то приближенно можно считать, что выходное напряжение равняется напряжению одного источника умноженному на количество источников.

При отключении всех ключевых элементов, все n источников будут включены параллельно. Разные шинные диоды будут иметь разную токовую нагрузку, но поскольку падение напряжения на полупроводниковом диоде незначительно зависит от токовой нагрузки, будем считать, что падение напряжения на всех диодах одинаково. В таком случае, выходное напряжение будет равно Uвых=Е-(n-1)×Uшд

Помимо вариантов управления ключевыми элементами с максимальным и минимальным напряжением на выходе схемы возможны также варианты, в которых схема представляет собой некоторое количество последовательно включенных групп, состоящих из источников включенных параллельно.

Количество возможных вариантов получаемого напряжения зависит от математических свойств числа источников n. Так, если n является числом четным, то для него возможны еще два варианта выходного напряжения. Вариант с величиной выходного напряжения приближенно равного 2×Е возможно получить, переведя все ключевые элементы в непроводящее состояние за исключением ключевого элемента с индексом n/2. В таком случае образуются две группы параллельно включенных источников соединенных одним ключевым элементом. Вариант с величиной выходного напряжения близкого к 0,5×n×Е возможно получить переведя все ключевые элементы с четным индексом в проводящее состояние, а ключевые элементы с нечетным индексом в непроводящее состояние. Формирование такого управляющего воздействия приведет к тому, что все задействованные в схеме источники напряжения образуют пары, в которых будет параллельное включение источников, но эти пары будут соединены последовательно ключевыми элементами, что позволит получить напряжение приближенное по величине к половине от максимально возможного.

Для числа источников n кратного трем возможен вариант с величиной выходного напряжения 3×Е. Для реализации такого варианта необходимо все ключевые элементы перевести в непроводящее состояние за исключением ключевых элементов с индексами n/3 и 2/3 n. Формирование такого управляющего воздействия приведет к тому, что все задействованные в схеме источники напряжения образуют группы числом n/3, в которых будет параллельное включение, а эти группы будут соединены последовательно двумя ключевыми элементами, что позволит получить напряжение приближенное по величине к трем величинам напряжения одного источника. Также, при n кратным трем возможна такая организация управления, когда все источники будут разбиты на тройки, в которых источники будут работать параллельно. Сами же тройки будут включены последовательно, что позволит получить выходное напряжение близкое к одной трети от максимально возможного для данной схемы.

Руководствуясь признаками делимости чисел, для каждого числа n можно подобрать варианты управления, дополнительные к описанным выше, позволяющие получить новые уровни выходного напряжения. Следует также учитывать, что описанные выше варианты обеспечивают равномерную загрузку источников и являются наиболее предпочтительными. Помимо описанных выше вариантов возможны также варианты управления с неравномерной нагрузкой источников. Они также могут быть реализованы при переводе какой-то части ключевых элементов в проводящее состояние, но представляют практический интерес только в каких-то специфичных случаях, выходящих из общепринятой практики, поэтому не описываются здесь.

Приведенная на фиг. 1 схема, выполненная согласно изобретению, использует в качестве ключевого элемента запираемый тиристор, как устройство наиболее простое в реализации функции управления, имеющее значительный ресурс и невысокую стоимость.

Помимо реализации ключевого элемента на запираемом тиристоре изобретение имеет варианты реализации с ключевыми элементами другого типа. Так, возможен вариант реализации изобретения с ключевым элементом, выполненным на транзисторе. В случае если предъявляются не высокие требования к ресурсу и частоте переключений, в качестве ключевых элементов могут быть применены контакты с электромагнитным приводом. Также возможен вариант реализации изобретения с использованием контактов с механическим приводом, например от центробежного регулятора скорости вращения генератора. Такой вариант реализации изобретения позволяет весьма простым способом компенсировать изменение напряжения генератора от скорости, не прибегая к организации сложных схем управления.

Краткое описание чертежей

На Фиг. 1 представлена схема, поясняющая способ соединения элементов согласно предлагаемого изобретения.

На чертеже представлено:

1-1, 1-2, 1-3, 1-(n-1), 1-n - источники постоянного напряжения;

2-1, 2-2, 2-3, 2-(n-1) - ключевые элементы;

3-1, 3-2, 3-3, 3-(n-1) - шинные диоды отрицательной шины;

4-1, 4-2, 4-3, 4-(n-1) - шинные диоды положительной шины.

Осуществление изобретения

Изобретение может быть реализовано с использованием компонентов, серийно выпускаемых промышленностью. Для подтверждения изобретения была подготовлена схема с использованием четырех литий-ионных батарей и трех тиристоров в качестве ключевых элементов. Были подтверждены все режимы переключения источников и проверено соответствие уровней напряжений расчетным.

Источники информации

1. Патент на изобретение RU 2370875 «ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ».

2. Патент на полезную модель RU 123606 «ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ».