выпрямительная установка

Формула изобретения

ВЫПРЯМИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА, содержащая однофазный силовой трансформатор с основной и дополнительной частями вторичной обмотки, включенными последовательно и согласно, рабочий и вольтодобавочный комплекты вентилей, выходы которых имеют выводы для подключения к нагрузке, вход рабочего комплекта вентилей соединен с основной частью вторичной обмотки трансформатора, а также блок управления и коммутатор, причем рабочий комплект вентилей выполнен в виде однофазного моста, а вольтодобавочный - в виде двух последовательно соединенных вентилей, общая точка которых соединена с крайним выводом дополнительной части вторичной обмотки трансформатора через коммутатор, управляющий вход которого подключен к выходу блока управления, отличающаяся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, повышения эффективности использования силового трансформатора и коэффициента использования электроэнергии, а также улучшения качества выпрямленного тока, она дополнительно снабжена конденсатором с переменной емкостью и разрядным резистором, подключенными параллельно коммутатору.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и может найти применение в сильноточных блоках питания электротехнических устройств, устройств автоматики, а также в сварочных агрегатах.

Известны выпрямительные установки, используемые для питания электронных устройств, содержащие силовой трансформатор, комплект вентилей, выполненный в виде однофазного моста, вход комплекта вентилей соединен с вторичной обмоткой трансформатора, а выход имеет выводы для подключения нагрузки [1] . Недостатком таких выпрямительных установок, работающих на низкоомную нагрузку, является низкое качество выпрямленного тока из-за большой величины коэффициента пульсаций, а также невысокий коэффициент использования электроэнергии. С целью повышения качества выпрямительного тока в таких сильноточных установках после однофазного моста включают в качестве сглаживающего фильтра индуктивный дроссель. Это приводит к увеличению массогабаритных параметров однофазных выпрямительных установок.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому является выпрямительная установка, содержащая однофазный силовой трансформатор с основной и дополнительной частями вторичной обмотки, включенными последовательно и согласно, рабочий и вольтодобавочный комплекты вентилей имеют выводы для подключения к нагрузке, вход рабочего комплекта вентилей, выполненный в виде однофазного моста, соединен с основной частью вторичной обмотки трансформатора, а вольтодобавочный - в виде двух последовательно соединенных вентилей, общая точка которых соединена с крайним выводом дополнительной части вторичной обмотки трансформатора через коммутатор, управляющий вход которого подключен к выходу блока управления [2] .

Недостатком выпрямительной установки прототипа является не эффективное использование дополнительной части вторичной обмотки трансформатора, сужающее универсальность установки. Дополнительная часть обмотки используется только на период времени работы электромагнитных муфт, плит и другого электрооборудования станков в форсированном режиме. При отключении дополнительной части обмотки ключом коммутатора, она остается нерабочей и не используется для других целей. Недостатком установки прототипа является также большой коэффициент пульсаций выпрямленного тока, что приводит к потерям на вихревые токи в магнитопроводах электромагнитных муфт или плит, снижает КПД и коэффициент использования электроэнергии выпрямительной установкой.

Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности использования силового трансформатора, повышение коэффициента использования электроэнергии, улучшение качества выпрямленного тока и расширениe области использования выпрямительной установки, например в сильноточных блоках питания электроустройств с малой величиной сопротивления нагрузки, в которых необходимо сглаживание пульсаций выпрямленного тока - заряд химических источников тока, электролиз растворов и, возможно, сварка на постоянном токе проволокой и др.

Поставленная цель достигается тем, что выпрямительная установка, содержащая однофазный силовой трансформатор с основной и дополнительной частями вторичной обмотки, включенными последовательно и согласно, рабочий и вольтодобавочный комплект вентилей, выходы которых имеют выводы для подключения к нагрузке, вход рабочего комплекта вентилей, выполненный в виде однофазного моста, соединен с основной частью вторичной обмотки трансформатора, а вольтдобавочный - в виде двух последовательно соединенных вентилей, общая точка которых соединена с крайним выводом дополнительной части вторичной обмотки трансформатора через коммутатор, управляющий вход которого подключен к выходу блока управления, снабжена конденсатором с переменной емкостью и разрядным резистором, подключенными параллельно коммутатору.

На фиг. 1 представлена схема выпрямительной установки.

Выпрямительная установка содержит однофазный силовой трансформатор 1 с основной 2 и дополнительной 3 частями вторичной обмотки, включенными последовательно и согласно. Рабочий комплект вентилей 4-7 выполнен в виде однофазного моста и подключен входом к основной части 2 вторичной обмотки трансформатора 1; вольтдобавочный комплект - из двух последовательно включенных вентилей 8 и 9, соединен их общей точкой с крайним выводом дополнительной части 3 вторичной обмотки трансформатора через коммутатор 10; управляющий вход коммутатора соединен с выходом блока 11 управления, а выходы рабочего и вольтдобавочного комплектов вентилей подключены к нагрузке 12. Выпрямительная установка содержит также конденсатор с переменной емкостью 13 и разрядный резистор 14, подключенные параллельно коммутатору 10.

Выпрямительная установка при использовании ее в сильноточных блоках питания электротехнических устройств, работающих на низкоомную нагрузку, когда необходимо сглаживание пульсаций выпрямительного тока, работает следующим образом.

При включении выпрямительной установки в сеть напряжение основной части 2 вторичной обмотки трансформатора 1 подводится к мостовому выпрямителю, состоящему из вентилей 4,5,6,7, и в нагрузке 12 протекает пульсирующий постоянный ток с большой амплитудой. Одновременно напряжение согласно соединенных обмоток 2 и 3 трансформатора через конденсатор 13 подводится к мостовому выпрямителю, состоящему из вентилей 4,5,8,9, и в нагрузке возникает пульсирующий постоянный ток с значительно меньшей амплитудой из-за падения напряжения на конденсаторе 13. Импульсы постоянного тока с меньшей амплитудой из-за наличия конденсатора в цепи их формирования - обмотки 2,3, конденсатор 13, вентили 4,5,8,9, нагрузка, окажутся сдвинутыми по фазе относительно импульсов постоянного тока с большой амплитудой на величину, близкую к 90^о. Это обеспечивает согласованную работу моста из вентилей 4,5,6,7 и моста из вентилей 8,9,4,5. Ключ коммутатора 10 и управляющие устройства 11 не используются. Разрядный резистор 14 обеспечивает разряд конденсатора 13 при отключении нагрузки 12. При отсутствии разрядного резистора напряжение заряженного конденсатора, складываясь с напряжением обмоток 2,3 трансформатора, в момент подключения нагрузки может вызвать скачек тока. Напряжение на выходе установки в момент подключения нагрузки круто падает до величины напряжения основной обмотки трансформатора.

Выпрямительная установка при ее использовании для питания электромагнитных муфт и плит станков работает аналогично прототипу с той лишь разницей, что после времени форcировки, когда ключ коммутатора 10 под действием блока управления 11 размыкается, дополнительная часть вторичной обмотки трансформатора остается подключенной через конденсатор 13 с переменной емкостью к вольтдобавочному комплекту вентилей 8,9. Напряжение на нагрузке при этом значительно падает, а качество выпрямительного тока улучшается.

Предлагаемая выпрямительная установка позволяет повысить качество выпрямленного тока при работе на низкоомную нагрузку, уменьшить массогабаритные параметры силового трансформатора за счет повышения коэффициента мощности, расширить область использования. Физическое обоснование этого поясняется фиг. 2 и заключается в следующем.

При работе выпрямительной установки на низкоомную нагрузку, если емкость конденсатора 13 подобрать такой, что его реактивное сопротивление будет намного больше сопротивления нагрузки, то большая часть напряжения обмоток 2,3 падет на конденсаторе 13. В случае если напряжение обмоток 2,3 не на много отличается от напряжения обмотки 2, амплитуда тока i₂ окажется значительно больше амплитуды тока.

К диодному мосту из вентилей 4,5,6,7 приложено напряжение U₂, а к диодному мосту из вентилей 8,9,4,5 приложено напряжение U"_2,3, определяемое векторным управлением U"_2,3 = U_2,3 - U_c, где U_2,3 - напряжение обмоток 2,3, совпадающее по фазе с напряжением U₂, обмотки 2; U_c - падение напряжения на конденсаторе 13. Напряжение U"_2,3 отстает от напряжения U_c на угол 90^о, а от напряжений U_2,3 и U₂ на угол, определяемый соотношением реактивного сопротивления x_c конденсатора и сопротивления нагрузки R_н. Если x_c >> R_н, то угол сдвига фаз U_2,3^ U₂будет близким к 90^о. Соответственно угол сдвига фаз i₂ ^ i₃ будет также близким к 90^о.

На фиг. 2 представлены временные диаграммы: напряжений U_2,3; U₂; U"_2,3 и их фазовые соотношения; выпрямленного тока i₂ в нагрузке от действия только обмотки 2; выпрямленного тока i₃ в нагрузке от действия только обмоток 2,3; выпрямленного тока i_н в нагрузке от действия обмоток 2 и 2,3.

На фиг. 3 представлена векторная диаграмма токов и напряжений.

В момент времени, отмеченный цифрами 1-2, когда U₂ > U"_2,3 , в цепи нагрузки протекает ток i₂, открыты диоды 6,5. В момент времени 2-3, когда U₂ < U"_2,3 , открыты диоды 8,5, в нагрузке протекает ток i₃. Далее в момент времени 3-4 и 4-5 процессы повторяются с той лишь разницей, что будут открыты соответственно диоды 7,4 и 9,4.

Среднее значение выпрямленного тока в нагрузке за половину периода питающего напряжения определяется полным импульсом тока i₂ и заметрихованной частью импульса тока i₃. Качество выпрямленного тока оценивают коэффициентом пульсаций, определяемым отношением амплитуды импульсов постоянного тока к среднему значению тока. При наличии импульсов тока i₃ , сдвинутых по фазе относительно импульсов тока i₂ , среднее значение выпрямленного тока окажется больше, коэффициент пульсаций выпрямленного тока будет меньше, а качество тока выше.

Роль конденсатора 13 этим не ограничивается. Реактивная мощность конденсатора Q_c = I₃²x_c компенсирует часть реактивной индуктивной мощности силового трансформатора. Следствием этого является большая величина коэффициента мощности cos , меньшее значение полного тока первичной обмотки и полной мощности силового трансформатора, а значит и габариты магнитопровода и сечение проводника первичной обмотки могут быть уменьшены.

В макетном образце выпрямительной установки, используемой для заряда двух последовательно соединенных кислотных аккумуляторных батарей с номинальным напряжением 1 2 В и емкостью 140 А ч, каждая силовой трансформатор выбран мощностью 500 Вт. Для заряда таких батарей выпрямленное напряжение должно составлять не более 30 В. Это напряжение с учетом ЭДС аккумуляторных батарей при их полном заряде достаточно для создания зарядного тока 20 А. Внутреннее сопротивление одной аккумуляторной батареи составляет примерно 0,10 м.

Напряжение основной части вторичной обмотки U₂ выбрано 28 В. Это меньше необходимого. Напряжение U_2,3 вторичной обмотки выбрано 56 В. Дополнительная часть обмотки выполнена проводом меньшего сечения. Диодный мост 4,5,6,7 выполнен на базе диодов В-25, а диоды 8,9 выбраны типа В-10. Величина разрядного резистора выбрана 1 кОм. Емкость конденсатора 13 выбрана из соотношения x_c = 50-100 R_н, где R_н - внутреннее сопротивление последовательно соединенных аккумуляторных батарей, составляет не более 0,2 Ом.

Тогда минимальная емкость конденсатора 13 составит:

x_c = 100 0,2 = 20 Ом,

С= = 160 мкФ Ф, а максимальная емкость - 360 мкФ. Угол сдвига фаз между токами i₂ ^ i₃ в нагрузке составит:

_макс= arctg = arctg 89 ;

_мин = 86^о . Ток I₃ при максимальной величине емкости конденсатора составил 3 А.

Известно, что заряд химических источников тока (либо электролиз) от обычных зарядных устройств протекает с большим коэффициентом использования тока, когда качество выпрямленного тока выше. С целью повышения качества выпрямленного тока зарядные устройства выполняют трехфазными, либо в однофазных используют индуктивные дроссели, рассчитанные на полный зарядный ток. Применение таких дросселей увеличивает массогабаритные параметры выпрямительных установок.

Регулирование средних значений тока в нагрузке в предлагаемой выпрямительной установке осуществляли путем изменения числа витков вторичной и дополнительной обмотки и величины емкости конденсатора. (56) 1. Иванов-Цыганов А. И. Электротехнические устройства радиосистем. М. , 1973, с. 24.

2. Авторское свидетельство СССР N 1555797, кл. H 02 P 15/00, 1990.