Источники электроэнергии устройств управления, контроля и защиты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Источники электроэнергии устройств управления, контроля и защиты

Практически во всех системах автоматического управления, контроля и защиты генераторов, двигателей, стабилизаторов и преобразователей электроэнергии питание осуществляется постоянным током широкого диапазона напряжений и мощностей.

Эксплуатируемые в настоящее время источники электроэнергии постоянного тока - вторичные источники питания (ВИП) имеют относительно низкие показатели эксплуатационно-технических характеристик (ЭТХ), в том числе показатели надежности, КПД и массогабаритные показатели (МГП). МГП, как правило, имеют первостепенное значение для транспортных автономных систем электроснабжения (АСЭ) поскольку масса и габариты ВИП, иногда превышает массу и габариты питаемых ими потребителей электроэнергии [1, 2].

Перспективным направлением в решении задачи улучшения МГП ВИП является повышение рабочей частоты преобразования электроэнергии, которое реализуется с помощью промежуточного звена повышенной частоты (ЗПЧ) [3].

На рисунке 1 приведены типовые структурные схемы ВИП с ЗПЧ. На рисунке 1, а приведена часто применяемая в АСЭ структурная схема выпрямителя с ограниченной мощностью источников электроэнергии. Схема содержит трансформатор Т, неуправляемый выпрямитель В, фильтры Ф1 и Ф2. Регулирование напряжения на повышенной частоте осуществляется импульсным регулятором ИР. Преимуществом схемы является сравнительно слабое влияние на напряжение первичного источника за счет применения неуправляемого выпрямителя. Высшие гармоники, создаваемые при работе импульсного регулятора ИР отфильтровываются фильтром Ф2.

Структурные схемы выпрямителей, показанных на рисунках 1, б и в имеют бестрансформаторные входы. Функции регулирования и согласования напряжения источника питания с напряжением потребителей выполняются ЗПЧ. В структурной схеме, приведенной на рисунок 1, б ЗПЧ выполнено на базе инвертора И, а в структурной схеме на рисунке 1, в-импульсного регулятора ИР постоянного тока, имеющего гальваническую развязку, осуществляющую двухобмоточнымм дросселями фильтров Ф1 и Ф2.

конвертор электрический трансформатор

Наибольший эффект получается при использовании ЗПЧ в преобразователях напряжения постоянного тока в постоянный - конверторах, при этом напряжение на выходе преобразователя может быть больше или меньше входного напряжения. В конверторах регулирование напряжения может осуществляться импульсный регулятором ИР (рисунок 1, г) или инвертором И (рисунок 1, д). Параметры входных фильтров Ф1 и Ф2 конверторов отличаются от параметров входных фильтров выпрямителей, так как питание преобразователей осуществляется непосредственно от источников напряжения постоянного тока.

Одним из функциональных элементов выпрямителей и конверторов является импульсный регулятор ИР (см. рисунок 1). На рисунке 2 приведены основные схемы ИР с понижением и повышением выходного напряжения, а также комбинированная схема [4, 5].

Рисунок 2. Принципиальные электрические схемы импульсных регуляторов: с понижением напряжения (а); повышением напряжения (б); комбинированная (в)

Схема ИР с понижением выходного напряжения (рисунок 2, а) работает в двух режимах. В первом режиме система управления СУ открывает транзистор VT. Ток от источника к нагрузке будет протекать по цепи: «+», VT_ЭК, L, R_Н, «-». В этот промежуток времени дроссель L накапливает электроэнергию, а конденсатор С заряжается.

Во втором режиме работы система управления СУ закрывает транзистор VT. Источником электроэнергии для нагрузки является энергия, накопленная дросселем L и конденсатором С.

Соответствующим подбором параметров реактивных элементов L и С достигается непрерывность протекания тока через нагрузки. Регулирование напряжения осуществляется изменением длительности паузы между открытым и закрытым состоянием транзистора. Напряжение на нагрузке имеет максимальное значение при включенном транзисторе. При отключении транзистора напряжение на нагрузке уменьшается, т.е. рассмотренная схема ИР может регулировать среднее значение напряжения источника в сторону его уменьшения.

Изменив в схеме ИР расположение дросселя L, транзистора VT и диода VD с такой целью, чтобы после отключения транзистора запасенная энергия в дросселе добавлялась к источнику регулируемого напряжения, в этом случае на выходе ИР повышается выходное напряжение (рисунок 2, б).

Схема ИР (рисунок 2, б) также работает в двух режимах. В первом режиме транзистор VT открыт. Ток от источника питания через транзистор протекает по цепи: «+», L, VT_ЭК, «-». Диод VD в этом режиме работы закрыт Питание нагрузки R_н осуществляется энергией запасенной конденсатором С, напряжение которого с течением времени уменьшается.

Во втором режиме работы схемы система управления СУ закрывает транзистор VT. Ток от источника питания к нагрузке протекает по цепи: «+» L, VD, R_Н, «-». При этом к источнику напряжения постоянного тока U_П подключается последовательно дроссель L и нагрузка R_н. Конденсатор в этом режиме заряжается. В результате питание нагрузки осуществляется от двух источников U_П и L. Таким образом, ИР работает на повышение напряжения.

Схема ИР с понижением напряжения (рисунок 2, а) потребляет прерывистый ток от источника напряжения постоянного тока U_П, а схема с повышением напряжения (рисунок 2, б) имеет прерывистый ток, поступающий в конденсатор выходного фильтра. Эти недостатки устраняются комбинированной схемой ИР (рисунок 2, в).

Схема комбинированного ИР позволяет снизить пульсации входного и выходного тока регулятора практически до нуля. В свою очередь уменьшение пульсаций токов позволит уменьшить емкость входного и выходного фильтров, и таким образом, улучшить МГП регуляторов и их КПД.

На рисунке 3 показан один из вариантов принципиальной электрической схемы конвертора (см. рисунок 1, д). Для того чтобы уменьшить массу и габариты трансформатора, а также улучшить качество выходного напряжения конвертора, рабочая частота транзисторных инверторов находится в пределах от 1 кГц до 5 кГц [3]. Стабилизация выходного напряжения конверторов может осуществляться как за счет силовых ключей инвертора, так и за счет выпрямителя В, у которого силовая схема может быть выполнена на управляемых полупроводниковых приборах.

Рисунок 3. Принципиальная электрическая схема конвертора

Система управления конвертором поочередно формирует импульсы управления для транзисторов VT1 или VT2. Поэтому во вторичной обмотке трансформатора W₂, будет протекать переменный ток и индуцировать в ней переменную ЭДС и соответственно переменное напряжение, первая гармоника которого изменяется по синусоидальному закону.

Стабилизация выходного напряжения конвертора осуществляется широтно-импульсным методом, за счет изменения времени открытого состояния силовых транзисторов, а также паузы когда они оба закрыты.

На рисунке 4 приведена принципиальная силовая электрическая схема конвертора на резонансном инверторе в состав которого входят тиристоры VS1 и VS2, а также коммутирующий конденсатор С_К. Выпрямитель, выполнен на диодах VD1 и VD2.

Резонансный (колебательный) контур в преобразователе образуется коммутирующим конденсатором С_к и дросселем L выходного фильтра.

Рисунок 4. Принципиальная электрическая схема конвертора на резонансном инверторе

К примеру, в исходном состоянии конденсатор С_к разряжен. Когда система управления открывает тиристор VS1, то конденсатор С_к начинает заряжаться. Ток заряда будет протекать по цепи: «+» VS1, С_К, W1, «-». После заряда конденсатора закроется тиристор VS1. Система управления откроет тиристор VS2. В этом случае источником питания для нагрузки будет энергия, накопленная конденсатором С_к, при этом ток разряда также будет протекать по первичной обмотке трансформатора W1.

В результате заряда и разряда конденсатора ток в первичной обмотке трансформатора будет изменять направление, тем самым индуцировать во вторичной обмотке трансформатора переменную ЭДС, которая выпрямителем со средней точкой на диодах VD1 и VD2 преобразуется в напряжение постоянного тока. Выходной LC-фильтр сглаживает пульсации, обеспечивая необходимое качество напряжения постоянного тока на выходе преобразователя.

Перспективным является направление применение в составе конверторов трансформаторов с вращающимся магнитным полем (ТВМП) (рисунок 5) [6, 7].

На рисунке 5, а приведена функциональная схема конвертора, выполненного на резонансном инверторе и однофазно-однофазном ТВМП. В исходном состоянии конденсатор инвертора С1 разряжен. Для формирования положительной полуволны напряжения на выходе инвертора система управления СУ открывает транзистор VT1. Конденсатор инвертора С1 начинает заряжаться от источника питания постоянного тока U_П таким образом, что его один из выводов будет иметь положительный потенциал как указано на рисунке 5, а. Ток заряда конденсатора инвертора С1 будет протекать через первичные обмотки ТВМП и фазосдвигающий конденсатор С2. Для формирования отрицательной полуволны выходного напряжения инвертора СУ закрывает транзистор VT1 и открывает транзистор VT2. В этом случае конденсатор инвертора C1 будет являться источником питания для нагрузки, и его ток разряда будет протекать по первичным обмоткам трансформатора и фазосдвигающий конденсатор С2 в обратном направлении.

Поскольку первая и вторая первичные обмотки ТВМП смещены в пространстве одна относительно другой на угол 90^о и подключены между собой через фазосдвигающий конденсатор C2, то в тороидальном магнитопроводе трансформатора образуется вращающееся магнитное поле, вызывающее действие ЭДС во вторичных обмотках.

Рисунок 5. Функциональные схемы конверторов на однофазно-однофазном (а) и однофазно-трехфазном (б) трансформаторах с вращающимся магнитным полем

Схема выпрямителя со средней точкой В преобразует напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока, а выходной фильтр Ф сглаживает пульсации обеспечивая требуемое качество выходного напряжения преобразователя.

На рисунке 5, б приведена функциональная схема конвертора, выполненного на базе однофазно-трехфазного ТВМП. Принципиальное отличие в работе схемы состоит в наличии трех вторичных обмоток ТВМП, которые сдвинуты одна относительно другой на угол 120^о, поэтому на их выводах, подключаемых к выпрямителю В, формируется симметричная трехфазная система напряжений переменного тока. Рассмотренная схема имеет улучшенное качество выходного напряжения и на ее выходе может не применяться выходной фильтр.

Применение в конструкции конвертора резонансного инвертора экономически целесообразно при мощностях преобразователя не превышающих 1 кВт.

Использование ЗПЧ позволит значительно улучшить массогабаритные показатели ВИП устройств управления, контроля и защиты. Кроме того, применение в составе ВИП ТВМП упростит конструкцию источника напряжения постоянного тока и уменьшит уровень электромагнитных помех, создаваемых полупроводниковыми приборами [8, 9].

Таким образом, рассмотренные особенности работы импульсных регуляторов и перспективные структурно-схемные решения конверторов, выполненных на ТВМП, позволят повысить эффективность предпроектных работ по разработке ВИП с улучшенными эксплуатационно-техническими характеристиками.

Список литературы

1. Атрощенко В.А. Современное состояние и перспективы развития систем автономного электроснабжения [Текст] В.А. Атрощенко, О.В. Григораш, В.В. Ланчу // Промышленная энергетика. - 1994. - №5. - С. 33-36.

2. Григораш О.В. Статические преобразователи электроэнергии [Текст] / О.В. Григораш, О.В. Новокрещенов, А.А. Хамула и др. - Краснодар. - 2006. - 264 с.

3. Богатырев Н.И. Преобразователи электрической энергии: основы теории, расчета и проектирования [Текст] / Н.И. Боагытев, О.В. Григораш, Н.Н. Курзин и др. - Краснодар. - 2002. - 358 с.

4. Григораш О.В. Стабилизаторы напряжения постоянного тока / О.В. Григораш, М.А. Попучиева // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2017. - №05 (129). С. 1043-1056. - IDA [article ID]: 1291705074. - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2017/05/pdf/74.pdf.

5. Григораш О.В. Статические преобразователи и стабилизаторы автономных систем электроснабжения [Текст] / О.В. Григораш, Ю.П. Степура, А.Е. Усков. - Краснодар. - 2011. - 188 с.

6. Григораш О.В. Преобразователи электрической энергии на базе трансформаторов с вращающимся магнитным полем для систем автономного электроснабжения [Текст] / О.В. Григораш // Промышленная энергетика. - 1997. - №7. - С. 21 - 25.

7. Григораш О.В. К вопросу применения трансформаторов с вращающимся магнитным полем в составе преобразователей электроэнергии [Текст] / О.В. Григораш, Ю.А. Кабанков // Электротехника. - 2002. - №3. - С. 22-26.

8. Григораш О.В. К вопросу электромагнитной совместимости основных узлов систем автономного электроснабжения [Текст] / О.В. Григораш, А.В. Дацко, С.В. Мелехов // Промышленная энергетика. - 2001. - №2. - С. 44 - 47.

9. Григораш О.В. Электрические аппараты низкого напряжения [Текст] / О.В. Григораш, Н.И. Богатырев, Н.Н. Курзин, Г.В. Тельнов. - Краснодар: КубГАУ. - 2000. - 313 с.

Размещено на Allbest.ru