Источник питания постоянной мощности

 

Изобретение может быть использовано в источниках питания электротехнологических нагрузок, требующих постоянства подводимой к ним мощности при изменении сопротивления нагрузки в широких пределах. Сущность изобретения: источник питания содержит индуктивно-емкостный преобразователь (ИЕП) из дросселя, состоящего из двух равных частей 1, соединенных согласно-последовательно и расположенных на разных стержнях магнитопровода, и конденсатора 2, имеющих равное реактивное сопротивление на частоте питающей сети, выпрямительные диоды 4. Каждая часть обмотки дросселя дополнительно снабжена обмоткой 3 подмагничивания, включенной встречно по отношению к этой части, расположенной с ней на том же стержне магнитопровода и подключенной одним выводом к аноду (катоду) соответствующего диода 4, а другим - к нагрузке 5. Свободные выводы катодов (анодов) диодов 4 подключены к соответствующим общим точкам соединения дросселя и конденсатора ИЕП, свободные выводы которых соединены с входными выводами для подключения соответствующих фаз питающей сети. 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках питания электротехнологических нагрузок, требующих постоянства подводимой к ним мощности при изменении сопротивления нагрузки в широких пределах (например, для питания электрических печей, мощных газоразрядных ламп, ламп накачки твердотелых лазеров, магнетронов для напыления металлов в вакуумных камерах и др.).

Известны системы электропитания с продольными реактивностями [1] для стабилизации мощности, потребляемой нагрузкой. Источник питания содержит трансформатор, продольную реактивность (дроссель, состоящий из двух частей: базовой нерегулируемой и регулируемой) и выпрямительный мост. Продольные реактивности включены на входе выпрямительного моста. Регулируемый дроссель имеет меньшую индуктивность, чем базовый, регулирование осуществляется с помощью тиристорного ключа. В источнике с продольными реактивностями рабочий режим соответствует средней части внешней характеристики, что обеспечивает его близость к режиму постоянной мощности.

Основным недостатком такого источника питания является ограниченный диапазон регулирования, который является следствием того, что оптимальный режим достигается лишь в средней части рабочей характеристики. Другим недостатком является наличие тиристорного ключа с соответствующей системой управления, что снижает надежность работы источника.

Известен также источник питания емкостного накопителя энергии постоянной мощностью [2] . Он содержит каскадно соединенные источник питания, преобразователь напряжения, индуктивно-емкостный преобразователь, подключенный к выпрямителю, а также второй выпрямитель, подключенный выходом согласно-параллельно выходу первого выпрямителя, питание которого осуществлено от вспомогательного трансформатора, первичная обмотка которого включена между одним из выходных зажимов преобразователя напряжения и соответствующим входным зажимом индуктивно-емкостного преобразователя. Вторичная обмотка вспомогательного трансформатора подключена к входу второго выпрямителя.

Недостатком такого источника питания является наличие двух трансформаторов, согласующего индуктивно-емкостного преобразователя и вспомогательного трансформатора, а также двух выпрямительных мостов, что приводит к ухудшению массогабаритных показателей и снижению коэффициента мощности, так как нагрузка вспомогательного трансформатора изменяется в широких пределах.

Цель изобретения - улучшение массогабаритных показателей и повышение коэффициента мощности источника питания постоянной мощности, содержащего индуктивно-емкостный преобразователь, состоящий m цепочек последовательно соединенных конденсаторов и дросселей, настроенных в резонанс на частоте питающей сети, и содержащего m диодных цепочек.

Цель достигается за счет того, что обмотка дросселя каждой цепочки индуктивно-емкостного преобразователя выполнена в виде двух равных частей, соединенных согласно-последовательно и расположенных на разных стержнях магнитопровода, и каждая часть обмотки дросселя дополнительно снабжена обмоткой подмагничивания, включенной встречно по отношению к этой части и расположенной с ней на том же стержне магнитопровода, причем каждая из указанных цепочек индуктивно-емкостного преобразователя включена между входными выводами для подключения соответствующей фазы питающей сети, общая точка соединения дросселя и конденсатора каждой цепочки подключена к общей точке соединения диодов одной из соответствующих диодных цепочек, свободный вывод анода одного из диодов, который через обмотку подмагничивания, принадлежащую одной части дросселя данной цепочки, соединен с одним из выходных выводов, а свободный вывод катода данного диода через обмотку подмагничивания, принадлежащую другой части дросселя той же цепочки, соединен с другим выходным выводом.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый источник отличается новым соотношением и взаиморасположением элементов, а также меньшим числом элементов по сравнению с прототипом. Таким образом, он соответствует критерию изобретения "новизна".

Выполнение дросселя индуктивно-емкостного преобразователя в виде двух равных частей с обмотками подмагничивания, включенными встречно-последовательно и введенными в плечи выпрямительного моста, позволяет исключить дополнительный трансформатор и второй выпрямительный мост, а также повысить коэффициент мощности, так как в прототипе трансформатор с жесткой внешней характеристикой работает в режиме, которому соответствует широкий диапазон изменения параметров нагрузки.

Выполнение индуктивно-емкостного преобразователя с обмотками подмагничивания, включенными встречно-последовательно в плечи выпрямительного моста, обеспечивает характеристику источника мощности без использования дополнительного комплекта электрооборудования, в который входит трансформатор и выпрямительный мост.

Сравнение заявляемого решения с другими аналогичными техническими решениями показывает, что дроссели переменного тока с обмотками подмагничивания известны и используются на практике в системах электропитания. Однако при их введении в указанной связи совместно с остальными элементами в заявляемый источник, вышеуказанные обмотки обусловливают новые свойства, в результате чего формируется внешняя характеристика источника мощности. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".

Предлагаемый источник питания постоянной мощности, однофазная схема которого приведена на фиг.1, содержит дроссель индуктивно-емкостного преобразователя (ИЕП), состоящий из двух равных частей 1, и конденсатор 2, имеющие равное реактивное сопротивление на частоте питающей сети. Обмотки 3 подмагничивания, включенные последовательно-встречно обмоткам переменного тока дросселей ИЕП, введены в плечи 4 после диодов выпрямительного моста и подключены одним выводом соответственно к аноду (катоду) диодов, а другим - к нагрузке 5.

На фиг. 2 представлен трехфазный вариант (трехфазная схема) источника постоянной мощности. Источник содержит в каждой фазе дроссели, состоящие из двух равных частей 1, и конденсаторы 2, имеющие равное реактивное сопротивление на частоте питающей сети. Обмотки 3 подмагничивания этих дросселей введены последовательно-встречно в каждую фазу выпрямительного моста 4 и подключены одним выводом к аноду в анодной вентильной группе (к катоду в катодной вентильной группе), а другим - к нагрузке 5.

Источник питания работает следующим образом.

Дроссель 1 и конденсатор 2, настроенные в резонанс на частоте питающей сети, формируют на выходе источника питания характеристику источника тока, а постоянная составляющая выпрямленного однополупериодного тока, протекающего в обмотках, включенных в плечи выпрямительного моста, создает положительную обратную связь: чем больше ток в нагрузке, тем больше ток в обмотке, включенной в соответствующее плечо выпрямительного моста, подмагничивающий сердечники дросселей ИЕП, изменяя тем самым их магнитную проницаемость и формируя таким образом внешнюю характеристику источника постоянной мощности. При этом уменьшение индуктивности рабочих обмоток дросселей ИЕП за счет подмагничивания относительно ее резонансного значения приводит к увеличению тока по нелинейному закону при одновременном симметричном изменении индуктивности, выполненной конструктивно из двух равных частей.

Поскольку зависимость действующего значения тока в рабочих обмотках дросселей от изменения их индуктивности носит нелинейный (гиперболический) характер, то, следовательно, целесообразно изменять уровень тока нагрузки за счет изменения сопротивления индуктивных элементов преобразователя путем их симметричного подмагничивания в сторону уменьшения этого сопротивления относительно его значения, равного резонансному.

На фиг.3 представлены экспериментальная внешняя характеристика 6 предлагаемого источника питания и соответствующая теоретическая характеристика 7 источника питания постоянной мощности.

Таким образом, по сравнению с прототипом изобретение позволяет получить характеристику источника мощности без наличия дополнительного трансформатора с жесткой внешней характеристикой и дополнительного выпрямительного моста, за счет чего достигается существенное улучшение массогабаритных показателей источника питания.

Исключение дополнительного трансформатора по сравнению с устройством-прототипом позволяет одновременно повысить коэффициент мощности источника питания, так как нагрузка дополнительного трансформатора изменяется в широких пределах, снижая тем самым коэффициент мощности источника. Кроме того, в предлагаемом источнике снижены коммутационные помехи выпрямителя за счет включения обмоток дросселя в плечи выпрямительного моста, в результате чего происходит ограничение коммутационного тока благодаря индуктивности рассеяния дросселя.

Результаты проведенных экспериментальных исследований полностью подтверждают достоверность, эффективность и новизну предложенного технического решения.

Устройство, реализующее изобретение, использовано при создании источника питания электродуговой нагрузки.

Формула изобретения

ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ПОСТОЯННОЙ МОЩНОСТИ, содержащий входные выводы для подключения соответствующих фаз m-фазной питающей сети, индуктивно-емкостной преобразователь, состоящий из m цепочек, каждая из которых состоит из настроенных в резонанс при частоте питающей сети последовательно соединенных расположенной на магнитопроводе обмотки дросселя и конденсатора, а также m диодных цепочек из последовательно соединенных двух диодов каждая, и выходные выводы для подключения нагрузки, отличающийся тем, что, с целью улучшения массогабаритных показателей и повышения коэффициента мощности, обмотка дросселя каждой цепочки индуктивно-емкостного преобразователя выполнена в виде двух равных частей, соединенных согласно последовательно и расположенных на разных стержнях магнитопровода, и каждая часть обмотки дросселя дополнительно снабжена обмоткой подмагничивания, включенной встречно по отношению к этой части и расположенной с ней на том же стержне магнитопровода, причем каждая из указанных цепочек индуктивно-емкостного преобразователя включена между входными выводами для подключения соответствующей фазы питающей сети, общая точка соединения дросселя и конденсатора каждой цепочки подключена к общей точке соединения диодов одной из соответствующих диодных цепочек, свободный вывод анода одного из диодов которой через обмотку подмагничивания, принадлежащую одной части дросселя данной цепочки, соединен с одним из выходых выводов, а свободный вывод катода другого диода через обмотку подмагничивания, принадлежащую другой части дросселя той же цепочки, соединен с другим выходным выводом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3