Выпрямители на трансформаторах с вращающимся магнитным полем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кубанский государственный аграрный университет

ВЫПРЯМИТЕЛИ НА ТРАНСФОРМАТОРАХ С ВРАЩАЮЩИМСЯ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ

Григораш Олег Владимирович

Отмахов Георгий Сергеевич

Выпрямители - источники напряжения постоянного тока применяются в качестве источника электроэнергии автоматических систем управления и защиты, в системах бесперебойного электроснабжения, где они используются в качестве зарядных устройств для аккумуляторных батарей. От технических характеристик выпрямителей зависят эксплуатационно-технические характеристики системы электроснабжения в комплексе. Эксплуатируемые в настоящее время выпрямители имеют относительно низкие показатели надёжности и КПД, а также повышенный уровень электромагнитных помех, создаваемых силовыми электронными приборами. Одно из перспективных направлений, в решении задачи улучшения рассмотренных характеристик выпрямителей является применение в их конструкции трансформаторов с вращающимся магнитным полем (ТВМП). Применение ТВМП в составе выпрямителей позволит уменьшить число полупроводниковых приборов, упростить их системы управления, повысить показатели надежности и КПД.

Рисунок 1. - Конструкция магнитной системы однофазно-однофазного ТВМП:

В статье рассматриваются новые структурно-схемные решения и особенности работы источников напряжения постоянного тока с улучшенными техническими характеристиками, выполненные на ТВМП новизна технических решений которых подтверждена патентами РФ. Целесообразно рассмотреть принцип работы ТВМП в однофазном его исполнении. На рисунке 1 приведена конструкция магнитной системы ТВМП, а на рисунке 2 - принципиальная электрическая схема и векторная диаграмма напряжений, поясняющая принцип его работы по стабилизации напряжения. Магнитная система ТВМП содержит тороидальную часть ТЧ (рисунок 1) на которой размещаются две первичные обмотки W11 и W12, с выводами 1, 2 и 3, 4 соответственно, расположенными в пространстве относительно друг друга под углом 90о, а также сердечник С на котором размещается вторичная обмотка W2 по диагонали эллиптического вращающегося магнитного поля, создаваемого первичными обмотками (рисунок 1, ось О1, О2). К выводам 1 и 2 первичной обмотки ТВМП W11 подключается источник напряжения переменного тока (см. рисунок 2, а). При этом, обмотка W12 подключается к источнику питания через фазосдвигающий конденсатор СФ.

Рисунок 2. - Принципиальная электрическая схема (а) и векторная диаграмма напряжений (б), поясняющая принцип работы однофазно-однофазного ТВМП:

Фазосдвигающий конденсатор Сф обеспечивает сдвиг фаз напряжений UW11 и UW12 относительно друг друга на угол 1 = 90 (рисунок 2, б). Напряжение на вторичной обмотке трансформатора UW21 определяется геометрическим сложением векторов напряжений UW11 и UW12. Если, к примеру, уменьшить емкость фазосдвигающего конденсатора Сф, то и уменьшится угол сдвига фаз между векторами напряжений UW11 и UW12, т. е., 2 < 1, результирующее напряжение будет увеличиваться и определяться вектором напряжения U22 (рисунок 2, б). Но в этом случае вращающееся магнитное поле будет иметь форму эллипса, поэтому для увеличения диапазона регулирования выходного напряжения ТВМП необходимо, чтобы вторичная обмотка размещалась по оси О1 - О2 (рисунок 1).

Рисунок 3. - Функциональная схема источника напряжения постоянного тока на ТВМП:

Таким образом, рассмотренная конструкция ТВМП позволяет несложными техническими решениями обеспечивать стабилизацию выходного напряжения. Если же применить такой трансформатор в составе источника напряжения постоянного тока (выпрямителя), то можно уменьшить число полупроводниковых приборов, применяемых для стабилизации напряжения постоянного тока и упростить систему управления преобразователей. Один из вариантов технического решения функциональной схемы источника напряжения постоянного тока на ТВМП показан на рисунке 3, а на рисунке 4 приведены диаграммы напряжений, поясняющие принцип его работы. Источник напряжения постоянного тока работает следующим образом. Входное однофазное напряжение переменного тока Uвх поступает на первичные обмотки ТВМП. Первичные обмотки наводят вращающееся магнитное поле в магнитопроводе трансформатора, вызывающее действие ЭДС во вторичной его обмотке. Величина напряжения U2 (рисунок 3) регулируется системой управления СУ через блок коммутации БК так, что при воздействии дестабилизирующих факторов выходное напряжение преобразователя Uвых, выпрямленное неуправляемым выпрямителем В и отфильтрованное фильтром Ф, остается неизменным.

Рисунок 4. - Диаграммы напряжений, поясняющие принцип работы системы управления выпрямителем (см. рисунок 3):

Система управления выпрямителя, обеспечивающая стабилизацию напряжения работает следующим образом. С выхода преобразователя сигнал пропорциональный величине выходного напряжения Uвых, являющийся ведущим для системы стабилизации, через делитель напряжения ДН поступает на один из входов формирователя импульсов ФИ (рисунок 4, б UДН). На второй вход формирователя импульсов поступает сигнал UГПН от источника опорного сигнала - генератора пилообразного напряжения ГПН (рисунок 4, б), работа которого синхронизирована с входным напряжением источника напряжения Uвх (рисунок 4, а). Когда сигнал UГПН > Uвх формирователь импульсов ФИ формирует импульсы UФИ (рисунок 4, в), которые поступают на один из входов логических элементов И1 и И2 (рисунок 3). На вторые входы логических элементов поступает сигнал от датчика полярности напряжения ДПН. При положительной полуволне входного напряжения Uвх срабатывает логический элемент И1 и сигнал управления UуVT1 (рисунок 4, г) через усилитель импульсов У1 поступает на управляющий электрод транзистора VT1 (рисунок 3), при отрицательной полуволне Uвх срабатывают соответственно элементы И2 и У2 и управляющий сигнал UуVT2 поступает на управляющий электрод транзистора VT2 (рисунок 4, д). Угол управления транзисторами 1 соответствует номинальному режиму работы. К примеру, напряжение Uвых уменьшилось. Уменьшится напряжение на выходе делителя напряжения ДН, уменьшится угол управления транзисторами до величины равной 2 (рисунок 4, е, ж), увеличится время открытого состояния транзисторов VT, VT2 и соответственно увеличится напряжение во вторичной обмотке ТВМП (рисунок 4, в), а значит, увеличится напряжения на выходе преобразователя Uвых. Применение в рассматриваемой схеме выпрямителя на ТВМП блока коммутации на транзисторных ключах и предложенной системы стабилизации напряжения, позволяет повысить надежность работы источника напряжения постоянного тока и быстродействие его системы управления в сравнение с известными техническими решениями выпрямителей. Важным преимуществом ТВМП является то, что он позволяет из однофазного напряжения переменного тока получать многофазную систему напряжений, в том числе трехфазную симметричную. В этом случае на сердечнике магнитопровода размещается несколько вторичных обмоток с соответствующим пространственным сдвигом одна относительно другой. Такое техническое решение ТВМП позволяет исключать из состава автономных систем электроснабжения (АСЭ) трехфазные преобразователи, выполненные на полупроводниковых приборах, а трехфазную систему напряжений получать с помощью однофазных полупроводниковых преобразователей и ТВМП с однофазным входом и трехфазным выходом. На рисунке 5 приведена конструкция магнитопровода однофазно-трёхфазного ТВМП, а на рисунке 6 - принципиальная его электрическая схема.

Рисунок 5. - Однофазно-трёхфазный ТВМП:

Однофазно-трехфазный ТВМП содержит тороидальную часть ТЧ с двумя первичными обмотками W11 и W12, с выводами 1, 2 и 3, 4 соответственно.

На сердечнике С размещаются три вторичные обмотки W21, W22 и W23, сдвинутые одна относительно другой на угол 120. ТВМП имеет выводы 1 и 2 для подключения источника питания переменного тока, фазосдвигающий конденсатор Сф и выводы 5, 6 и 7 для подключения нагрузки. Стабилизация напряжения выпрямителей, выполненных на однофазно-трёхфазных (многофазных) ТВМП имеет свои особенности, которые целесообразно рассмотреть на функциональной схема выпрямителя, выполненная на однофазно-многофазном ТВМП (рисунок 7).

Источник напряжения постоянного тока (выпрямитель) содержит управляющий дроссель УД с рабочей обмоткой РО и обмоткой управления ОУ, трансформатор с вращающимся магнитным полем ТВМП, содержащий первичные обмотки W11 и W12, подключенные к фазосдвигающему конденсатору C и содержит симметричные кратные числу три вторичные обмотки с общей начальной точкой W2, концы которых соединены через блок диодов VD в общую точку.

Кроме того, выпрямитель содержит транзистор VT, включённым через обмотку управления к катодной группе блока диодов и к общей начальной точке обмоток W2, а также к системе управления СУ. На рисунке 7 показаны входные выводы 1 и 2 для подключения источника питания и выходные выводы 3 и 4 для подключения нагрузки.

Рисунок 6. - Принципиальная электрическая схема однофазно-трёхфазного ТВМП:

Источник напряжения постоянного тока работает следующим образом. Входное однофазное напряжение источника переменного тока UВХ (рисунок 7) через рабочую обмотку РО управляющего дросселя УД поступает на первичные обмотки W11 и W12 ТВМП.

При протекании тока по рабочей обмотке РО дросселя и первичным обмоткам W11 и W12 ТВМП на обмотках наводятся переменные ЭДС. Кроме того при протекании тока в первичных обмотках W11, W12 и фазосдвигающем конденсаторе С в магнитопроводе ТВМП создается вращающееся магнитное поле, вызывающее действие переменной ЭДС во вторичных обмотках W2. К примеру, если ТВМП содержит шесть симметричных обмоток (сдвинутых друг относительно друга на угол 60°), то блок VD будет содержать шесть диодов, которые преобразуют переменное напряжение в напряжение постоянного тока UВЫХ. Для повышения качества выходного напряжения на выходе выпрямителя может быть установлен фильтр. трансформатор технический выпрямитель

Рисунок 7. - Функциональная схема выпрямителя на однофазно-многофазном ТВМП:

При возникновении дестабилизирующих факторов на выходе источника напряжения постоянного тока (изменение величины и характера нагрузки) система управления СУ изменяет время открытого состояния транзистора VT таким образом, что выходное напряжение UВЫХ остается неизменным. К примеру, если напряжение на выходе источника уменьшится, то система управления СУ увеличит время открытого состояния транзистора VT, а это приведет к увеличению тока подмагничивания в обмотке управления ОУ управляющего дросселя УД и уменьшению сопротивления рабочей обмотки РО и соответственно уменьшению падения напряжения на этой обмотке. Поскольку рабочая обмотка РО управляющего дросселя УД включена последовательно с первичными обмотками ТВМП.

Это приведет к увеличению напряжения на первичных обмотках ТВМП, а значит увеличится напряжение UВЫХ на выходе источника электроэнергии постоянного тока.

Таким образом, применение в составе систем электроснабжения рассмотренных новых структурно-схемных решения источников напряжения постоянного тока на ТВМП позволит улучшить не только характеристики выпрямителей, но и системы электроснабжения в комплексе, что важно в особенности для АСЭ.

Список литературы

1. Григораш О.В., Божко С.В., Нормов Д.А. и др. Модульные системы гарантированного электроснабжения. Краснодар. 2005.

2. Григораш О.В. Возобновляемые источники электроэнергии / О.В. Григораш, Ю.П. Степура, Р.А. Сулейманов, Е.А. Власенко, А.Г. Власов. - Краснодар, 2012.

3. Богатырев Н.И. Преобразователи электрической энергии: основы теории, расчета и проектирования / Н.И. Богатырев, О.В. Григораш, Н.Н. Курзин и др. - Краснодар, 2002.

4. Григораш О.В. Статические преобразователи и стабилизаторы автономных систем электроснабжения / О.В. Григораш, Ю.П. Степура, А.Е. Усков. - Краснодар, 2011.

5. Григораш О.В. Преобразователи электрической энергии на базе трансформаторов с вращающимся магнитным полем для систем автономного электроснабжения. Промышленная энергетика. 1997. №7.

6. Григораш О.В., Кабанков Ю.А. К вопросу применения трансформаторов с вращающимся магнитным полем в составе преобразователей электроэнергии. Электротехника. 2002. №3.

7. Трехфазный стабилизированный выпрямитель. Григораш О.В., Усков А.Е., Энговатова В.В. и др.

8. Источник напряжения постоянного тока Григораш О.В., Божко С.В., Хамула А.А. и др.

9. Стабилизированный источник напряжения постоянного тока. Богатырев Н.И., Григораш О.В., и др.

12. Однофазно-однофазный трансформатор с вращающимся магнитным полем. Богатырев Н.И., Григораш О.В., Вронский О.В. и др.

13. Однофазно-трехфазный трансформатор с вращающимся магнитным полем. Григораш О.В., Власенко Е.А., Усков А.Е. и др.

Размещено на Allbest.ru