Система для преобразования переменного тока в постоянный для питания нагрузки

 

Система для преобразования переменного тока в постоянный для питания нагрузки, содержащая трехфазный трансформатор и трехфазный вентильный выпрямитель, первые одноименные выводы вентилей которого соединены с соответствующими фазными выводами вторичной обмотки трансформатора, а вторые одноименные выводы вентилей выпрямителя соединены между собой, отличающаяся тем, что введены дополнительный вентиль и длинная линия, первые выводы проводов которой соединены со вторыми одноименными выводами вентилей выпрямителя и одним из фазных выводов вторичной обмотки трансформатора соответственно, а вторые выводы проводов длинной линии использованы в качестве выводов для подключения нагрузки, между которыми включен дополнительный вентиль таким образом, что вторые одноименные выводы вентилей выпрямителя соединены с тем из проводов длинной линии, к которому подключен одноименный вывод дополнительного вентиля. 3 ил., 1 табл.

Техническое решение относится к области электротехники, а более конкретно к системам питания нагрузки постоянным (выпрямленным) током и может быть использовано для питания нагрузки, обладающей индуктивностью, а именно электродвигателей с последовательным возбуждением, применяемых для шахтных контактных электровозов и городского транспорта (трамваев, троллейбусов, метрополитена).

Известна система питания, содержащая трехфазный трансформатор и три вентиля (управляемых или неуправляемых), в которой все три вывода вторичной обмотки трансформатора подсоединены к анодам вентилей, катоды которых вместе и образуют один из выводов преобразователя, а вторым выводом является вывод от нулевой точки вторичной обмотки, соединенной в звезду (Рогинский В.Ю. Электропитание радиоустройств. Изд. 2-е, переработанное. Л. Энергия, 1970).

При известной схеме питания нельзя использовать ЭДС самоиндукции цепи нагрузки и за счет этого снизить энергопотребление ее от источника питания и улучшить энергетические параметры нагрузки при определенных параметрах системы питания. Этот недостаток обусловлен тем, что ЭДС самоиндукции действует в момент, когда нагрузка "отключается" от источника. Так, например, в системе питания с трехфазным однотактным выпрямителем ЭДС самоиндукции проявляется в момент отключения питания.

В основу изобретения поставлена задача создать такую систему для преобразования переменного тока в постоянный для питания нагрузки, которая бы позволила улучшить энергетические показатели индуктивной нагрузки за счет использования ЭДС самоиндукции последней в период пауз в электроснабжении.

Указанная задача решается за счет того, что система для преобразования переменного тока в постоянный для питания нагрузки, содержащая трехфазный трансформатор и трехфазный вентильный выпрямитель, первые одноименные выводы вентилей которого соединены с соответствующими выводами вторичной обмотки трансформатора, а вторые одноименный выводы вентилей соединены вместе, снабжена дополнительным вентилем и длинной линией, первые выводы проводов которой соединены с вторым одноименными выводами вентилей выпрямителя и одним из фазных проводов вторичной обмотки трансформатора соответственно, а вторые вывода проводов длинной линии использованы в качестве выводов для подключения нагрузки, между которыми включен дополнительный вентиль таким образом, что вторые одноименные выводы вентилей выпрямителя соединены с тем из проводов длинной линии, к которому подключен одноименный вывод дополнительного вентиля.

На фиг. 1 приведена схема реализации; на фиг. 2 диаграммы напряжения на выходе выпрямителя, тока выпрямителя и тока в нагрузке; на фиг. 3 - осциллограммы токов и напряжений.

Система содержит трехфазный трансформатор 1, к выходу вторичной обмотки которого подсоединены первые одноименные выводы 2, 3, 4 трехфазного вентильного выпрямителя 5, состоящего, например, из диодов 6, 7, 8, а его вторые одноименные выводы соединены между собой, образуя вывод 9; длинную линию 10, первые выводы проводов которой соединены с одноименными выводами выпрямителя, соединенными вместе, и с одним из фазных выводов вторичной обмотки трансформатора соответственно; дополнительный вентиль 11, который подключен таким образом, что вторые одноименные выводы вентилей выпрямителя соединены с тем из проводов длинной линии, к которому подключен одноименный вывод вентиля 11. Вторые выводы длинной линии предназначены для подключения нагрузки 12, активное сопротивление которой R_н, а индуктивное - X_н.

Система работает следующим образом. Выпрямительное напряжение на выходных зажимах 9 и 4 выпрямителя 5, к которым подсоединены длинная линия 10 и нагрузка 12, зашунтированная диодом 11, пульсирующее (см. фиг. 2б). В первую треть периода напряжения на нагрузке 12 формируется вентилем 6, который проводит ток при положительном значении линейного напряжения на зажимах 2 и 4 вторичной обмотки питающего трансформатора 1. Во вторую треть периода напряжение на нагрузке формируется вентилем 7, который проводит ток при положительном значении линейного напряжения на зажимах 3 и 4 питающего трансформатора. В последнюю треть периода выпрямленное напряжение на зажимах 4 и 9 отсутствует, поскольку в этот промежуток времени более положительным является линейное напряжение на зажимах 4 и 2 трансформатора и оно сказывается приложением встречно проводящему направлению вентилей 6 и 7, которые заперты. Поэтому напряжение на зажимах 9 и 4 действует в течение времени t₁, а в течение времени t₂ имеет место пауза. Среднее значение напряжения на выходе выпрямителя (заштрихованная область на фиг. 2б) определяется из соотношения: где U_л линейное напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора, В.

При U_л 380 В выпрямленное напряжение U_ср. 250 В, т.е. такое же, как в известной схеме трехфазного однотактного выпрямителя, к которому нагрузка подсоединяется между соединенными вместе катодами трех вентилей и нулевой точкой вторичной обмотки питающего трехфазного трансформатора.

Поскольку в выпрямленном напряжении ежепериодно появляется пауза длительностью 1/3 периода промышленной частоты, это эквивалентно отключению источника на такую длительность (6,6 мс). Однако в цепи нагрузки 12 ток протекает и в течение паузы. Это объясняется тем, что в начале паузы, когда напряжение источника не действует, начинает действовать ЭДС самоиндукции E цепи нагрузки и в контуре, образованном нагрузкой 12 и вентилем 11, подсоединенным к ее зажимам, протекает затухающий во времени ток, зависящий от сопротивления нагрузки и коэффициента затухания δ и не зависящей от сопротивления длинной линии 10, посредством которой нагрузка подсоединена к выпрямителю 5.

Поэтому общий ток в цепи нагрузки I_н обусловлен не только током I_с, создаваемым источником, но и током I_в, создаваемым ЭДС самоиндукции. Среднее значение токов в цепи нагрузки (I_нс), в линии (I_ос), создаваемого источником, в цепи вентиля 11 (I_вс), создаваемого ЭДС самоиндукцией, определяется из соотношений: где U_m амплитуда линейного напряжения вторичной обмотки трансформатора, В;
Z кажущееся сопротивление нагрузки, Ом; ;
X_н индуктивное сопротивление нагрузки, Ом; X_н= 2πL_нf;
f частота следования сдвоенного импульса выпрямленного напряжения, f= 37,5 Гц;
δ коэффициент затухания, d = R_н/X_н.
Результаты расчетов, выполненные для тягового электродвигателя типа ЭТ-46 с параметрами R_дв 0,075 Ом, L 0,077 10^-3 Гц, n 1320 об/мин в установившемся режиме, питание от трансформатора с напряжением вторичной обмотки U_л 380 В, приведены в таблице. Согласно данным, среднее за период значение тока, обусловленного напряжение источника, составляет 74% тока в цепи двигателя, а ток, обусловленный ЭДС самоиндукции, составляет 25%
С увеличением индуктивности ток I_в увеличивается, доля I_о в общем токе нагрузки уменьшается и только при L_н 0, когда нагрузка чисто активная I_о I_н, I_в 0.

Расчетные параметры находят подтверждение в осциллограмме токов тягового электродвигателя ЭДС-25, при n 720 об/мин и средним выпрямленном напряжении И 265 В в установившемся режиме (см. фиг. 4). На осциллограмме видно, что при средней токе в цепи двигателя 200 А ток в линии, обусловленный источником, равен 160 А, что составляет 80% тока двигателя, а ток вентиля 11 равен 47 А, что составляет 23,5% тока двигателя. Это свидетельствует о том, что ток в цепи двигателя непрерывный, хотя и пульсирующий. Уменьшение пульсации можно обеспечить включением в цепь нагрузки добавочной индуктивности.

Предлагаемая система для преобразования переменного тока в постоянный позволяет обеспечить необходимые характеристики нагрузки при меньшем потреблении энергии от источника по сравнению с известными системами, например системой с трехфазным однотактным выпрямителем для питания нагрузки. В предлагаемой системе используется ЭДС самоиндукции, отдающая энергию в нагрузку в то время, когда источник заперт и питание от него прервано. Важным свойством системы является то, что ток от источника, проходя по обмотке двигателя, обладающей индуктивностью, одновременно создает полезный эффект - вращающий момент и возбуждает ЭДС самоиндукции, значение которой тем больше, чем больше амплитуда тока или напряжения источника. С другой стороны, если в предлагаемой системе питания средний ток в линии от источника будет таким же, как в прототипе, то за счет тока, обусловленного ЭДС самоиндукции, вращающий момент (тяговое усилие) двигателя будет больше. Однако необходимо учитывать два ограничения: должен обеспечиваться режим непрерывного тока, а увеличение мощности в нагрузке должно быть большим, чем увеличение мощности потерь в меди и стали электродвигателя за счет пульсации тока в его обмотках и пульсации магнитного потока в стали полюсов и якоря.

Формула изобретения

Система для преобразования переменного тока в постоянный для питания нагрузки, содержащая трехфазный трансформатор и трехфазный вентильный выпрямитель, первые одноименные выводы вентилей которого соединены с соответствующими фазными выводами вторичной обмотки трансформатора, а вторые одноименные выводы вентилей выпрямителя соединены между собой, отличающаяся тем, что введены дополнительный вентиль и длинная линия, первые выводы проводов которой соединены с вторыми одноименными выводами вентилей выпрямителя и одним из фазных выводов вторичной обмотки трансформатора соответственно, а вторые выводы проводов длинной линии использованы в качестве выводов для подключения нагрузки, между которыми включен дополнительный вентиль таким образом, что вторые одноименные выводы вентилей выпрямителя соединены с тем из проводов длинной линии, к которому подключен одноименный вывод дополнительного вентиля.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4