CC BY
180
УДК 621.314 UDC 621.314
ВЫПРЯМИТЕЛИ НА ТРАНСФОРМАТОРАХ THE RECTIFIER ON TRANSFORMERS WITH
С ВРАЩАЮЩИМСЯ МАГНИТНЫМ ROTATING MAGNETIC FIELD
ПОЛЕМ
Григораш Олег Владимирович Grigorash Oleg Vladimirovich
д.т.н., профессор, заведующий кафедрой, Doctor of Engineering Sciences, professor, head of
grigorasch61 @mail.ru the chair, [email protected]
Отмахов Г еоргий Сергеевич Otmahov Georgiy Sergeevich
студент student
Кубанский государственный аграрный универси- Kuban State Agrarian University, Krasnodar, Russia
тет, Краснодар, Россия
В статье рассматриваются новые структурно- The article discusses the new structural schematics
схемные решения источников напряжения посто- DC voltage sources with improved performance, per-
янного тока с улучшенными техническими ха- formed on transformers with a rotating magnetic
рактеристиками, выполненные на трансформато- field
рах с вращающимся магнитным полем
Ключевые слова: АВТОНОМНЫЕ СИСТЕМЫ Keywords: AUTONOMOUS POWER SUPPLY
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ, ВЫПРЯМИТЕЛЬ, SYSTEMS, RECTIFIER, DC VOLTAGE SOURCE,
ИСТОЧНИК НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО TRANSFORMER WITH A ROTATING
ТОКА, ТРАНСФОРМАТОР С MAGNETIC FIELD
ВРАЩАЮЩИМСЯ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ
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 [1, 2].
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 [3, 4]. 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 [5, 6].
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 [7 - 13].
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.
Рисунок 1 - Конструкция магнитной системы однофазно-однофазного ТВМП
Магнитная система ТВМП содержит тороидальную часть ТЧ (рисунок 1) на которой размещаются две первичные обмотки Ж11 и Ж12, 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 Ж2 по диагонали эллиптического вращающегося магнитного поля, создаваемого первичными обмотками (рисунок 1, ось Оі - О2). К выводам 1 и 2 первичной обмотки ТВМП Ж11 подключается ис-
точник напряжения переменного тока (см. рисунок 2, а). При этом, обмотка Ж12 подключается к источнику питания через фазосдвигающий конденсатор СФ.
а) б)
Рисунок 2 - Принципиальная электрическая схема (а) и векторная диаграмма
напряжений (б), поясняющая принцип работы однофазно-однофазного ТВМП
Фазосдвигающий конденсатор Сф обеспечивает сдвиг фаз напряжений и и^^12 относительно друг друга на угол рі = 90о (рисунок 2, б). Напряжение на вторичной обмотке трансформатора и^-21 определяется геометрическим сложением векторов напряжений и иш12. Если, к примеру, уменьшить емкость фазосдвигающего конденсатора Сф, то и уменьшится угол сдвига фаз между векторами напряжений ии/1 і и иш12, т.е. р2 < р1, результирующее напряжение будет увеличиваться и определяться вектором напряжения и22 (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).
Таким образом, рассмотренная конструкция ТВМП позволяет несложными техническими решениями обеспечивать стабилизацию выход-
ного 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.
и.
вх
ТВМП
)°|
-У-У|
УТ1
УТ2КК
I ___________________
: и2 | в | ф
У1
И1
У2
И2
СУ
і
ФИ
ДПН
и,
вых
ДН
иг
гпн
Рисунок 3 - Функциональная схема источника напряжения постоянного тока на ТВМП
Источник напряжения постоянного тока работает следующим образом. Входное однофазное напряжение переменного тока Пвх поступает на первичные обмотки ТВМП. Первичные обмотки наводят вращающееся магнитное поле в магнитопроводе трансформатора, вызывающее действие ЭДС во вторичной его обмотке. Величина напряжения и2 (рисунок 3) регулируется системой управления СУ через блок коммутации БК так, что при воздействии дестабилизирующих факторов выходное
напряжение преобразователя ивых, выпрямленное неуправляемым выпрямителем В и отфильтрованное фильтром Ф, остается неизменным.
ищ
а)
и '
б)
и ФИ 1
в)
иуГТГ
г)
иуУТ2 ‘
д)
и ‘
е)
и ФИ ‘
ж)
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 ивых, являющийся ведущим для системы стабилизации, через делитель напряжения ДН поступает на один из входов формирователя импульсов ФИ (рисунок 4, б идН). На второй вход формирователя импульсов поступает сигнал иГПН от источника опорного сигнала - генератора пилообразного напряжения ГПН (рисунок 4, б), работа которого синхронизирована с входным напряжением источника напряжения ивх (рисунок 4, а). Когда сигнал иГПН > ивх формирователь импульсов ФИ формирует импульсы иФИ (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 ивх срабатывает логиче-
ский элемент И1 и сигнал управления иуУТ1 (рисунок 4, г) через усилитель импульсов У1 поступает на управляющий электрод транзистора УТ1 (рисунок 3), при отрицательной полуволне ивх срабатывают соответственно элементы И2 и У2 и управляющий сигнал иуУТ2 поступает на управляющий электрод транзистора УТ2 (рисунок 4, д). Угол управления транзисторами аі соответствует номинальному режиму работы. К примеру, напряжение ивых уменьшилось. Уменьшится напряжение на выходе делителя напряжения ДН, уменьшится угол управления транзисторами до величины равной а2 (рисунок 4, е, ж), увеличится время открытого состояния транзисторов УТ, УТ2 и соответственно увеличится напряжение во вторичной обмотке ТВМП (рисунок 4, в), а значит, увеличится напряжения на выходе преобразователя ивых.
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 [5].
На рисунке 5 приведена конструкция магнитопровода однофазнотрёхфазного ТВМП, а на рисунке 6 - принципиальная его электрическая схема.
ТЧ
Рисунок 5 - Однофазно-трёхфазный ТВМП
Однофазно-трехфазный ТВМП содержит тороидальную часть ТЧ с двумя первичными обмотками Жц и Ж12, с выводами 1, 2 и 3, 4 соответственно. На сердечнике С размещаются три вторичные обмотки Ж21, Ж22 и Ж23, сдвинутые одна относительно другой на угол 120о. 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 Ж11 и Ж12, подключенные к фазосдвигающему конденсатору С и содержит симметричные кратные числу три вторичные обмотки с общей начальной точкой Ж2, концы которых соединены через блок диодов УП в общую точку. Кроме того, выпрямитель содержит транзистор УТ, включённым через обмотку управления к катодной группе блока диодов и к общей начальной точке обмоток Ж2, 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 иВХ (рисунок 7) через рабочую обмотку РО управляющего дросселя УД поступает на первичные обмотки Ж11 и Ж12 ТВМП. При протекании тока по рабочей обмотке РО дросселя и первичным обмоткам Ж11 и Ж12 ТВМП на обмотках наводятся переменные ЭДС. Кроме того при протекании тока в первичных обмотках Ж11, Ж12 и фазосдвигающем конденсаторе С в магни-топроводе ТВМП создается вращающееся магнитное поле, вызывающее действие переменной ЭДС во вторичных обмотках Ж2. К примеру, если ТВМП содержит шесть симметричных обмоток (сдвинутых друг относи-
сф
тельно друга на угол 60°), то блок УО будет содержать шесть диодов, которые преобразуют переменное напряжение в напряжение постоянного тока иВЫХ. Для повышения качества выходного напряжения на выходе выпрямителя может быть установлен фильтр.
ТВМП \Т)
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 УТ таким образом, что выходное напряжение иВЫХ остается неизменным. К примеру, если напряжение на выходе источника уменьшится, то система управления СУ увеличит время открытого состояния транзистора УТ, 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 управляюще-
го дросселя УД включена последовательно с первичными обмотками ТВМП, то это приведет к увеличению напряжения на первичных обмотках ТВМП, а значит увеличится напряжение ивых 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. Патент на изобретение RUS 2337463, 27.10.2008.
8. Источник напряжения постоянного тока Григораш О.В., Божко С.В., Хамула А. А. и др. Полезная модель RUS 80033, 20.01.2009.
9. Источник напряжения постоянного тока. Григораш О.В., Божко С.В., Хамула А. А. и др. Полезная модель RUS 80034, 20.01.2009.
10. Источник напряжения постоянного тока. Григораш О.В., Ракло А.В., Григораш С.О.. и др. Патент на изобретение RUS 2274891, 20.04.2006.
11. Стабилизированный источник напряжения постоянного тока. Богатырев
Н.И., Григораш О.В., и др. Патент на изобретение RUS 2198420, 10.02.2003.
12. Однофазно-однофазный трансформатор с вращающимся магнитным полем. Богатырев Н.И., Григораш О.В., Вронский О.В. и др. Патент на изобретение RUS 2335028, 27.09.2008.
13. Однофазно-трехфазный трансформатор с вращающимся магнитным полем. Григораш О.В., Власенко Е.А., Усков А.Е. и др. Патент на изобретение RUS 2417471,
27.04.2011.
References
1. Grigorash O.V., Bozhko S.V., Normov D.A. i dr. Modul'nye sistemy garanti-rovannogo jelektrosnabzhenija. Krasnodar. 2005.
2. Grigorash O.V. Vozobnovljaemye istochniki jelektrojenergii / O.V. Grigorash, Ju.P. Stepura, R.A. Sulejmanov, E.A. Vlasenko, A.G. Vlasov. - Krasnodar, 2012.
3. Bogatyrev N.I. Preobrazovateli jelektricheskoj jenergii: osnovy teorii, ras-cheta i proektirovanija / N.I. Bogatyrev, O.V. Grigorash, N.N. Kurzin i dr. - Krasno-dar, 2002.
4. Grigorash O.V. Staticheskie preobrazovateli i stabilizatory avtonomnyh sistem jelektrosnabzhenija / O.V. Grigorash, Ju.P. Stepura, A.E. Uskov. - Krasnodar, 2011.
5. Grigorash O.V. Preobrazovateli jelektricheskoj jenergii na baze transforma-torov s vrashhajushhimsja magnitnym polem dlja sistem avtonomnogo jelektrosnabzhenija. Promysh-lennaja jenergetika. 1997. № 7.
6. Grigorash O.V., Kabankov Ju.A. K voprosu primenenija transformatorov s vrashhajushhimsja magnitnym polem v sostave preobrazovatelej jelektrojenergii. Jelektro-tehnika. 2002. № 3.
7. Trehfaznyj stabilizirovannyj vyprjamitel'. Grigorash O.V., Uskov A.E., Jengovatova V.V. i dr. Patent na izobretenie RUS 2337463, 27.10.2008.
8. Istochnik naprjazhenija postojannogo toka Grigorash O.V., Bozhko S.V., Hamula A.A. i dr. Poleznaja model' RUS 80033, 20.01.2009.
9. Istochnik naprjazhenija postojannogo toka. Grigorash O.V., Bozhko S.V., Hamula A.A. i dr. Poleznaja model' RUS 80034, 20.01.2009.
10. Istochnik naprjazhenija postojannogo toka. Grigorash O.V., Raklo A.V., Grigorash S.O.. i dr. Patent na izobretenie RUS 2274891, 20.04.2006.
11. Stabilizirovannyj istochnik naprjazhenija postojannogo toka. Bogatyrev N.I., Grigorash O.V., i dr. Patent na izobretenie RUS 2198420, 10.02.2003.
12. Odnofazno-odnofaznyj transformator s vrashhajushhimsja magnitnym polem. Bogatyrev N.I., Grigorash O.V., Vronskij O.V. i dr. Patent na izobretenie RUS 2335028, 27.09.2008.
13. Odnofazno-trehfaznyj transformator s vrashhajushhimsja magnitnym polem. Grigorash O.V., Vlasenko E.A., Uskov A.E. i dr. Patent na izobretenie RUS 2417471,
27.04.2011.
