Способ формирования мощных импульсов тока в низкоомной нагрузке и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к силовой электронике и может использоваться в устройствах испытания автоматических выключателей. Достигаемым техническим результатом является уменьшение амплитуды импульсов тока, потребляемого от питающей сети. В способе формирования мощных импульсов тока в низкоомной нагрузке после прохождения напряжения питающей сети через ноль осуществляют одновременно с подключением питающей сети к виткам первичной обмотки трансформатора подключение конденсатора, заряженного до напряжения, выбираемого из соотношения, определяемого соотношением числа витков, к которым подключен конденсатор, к числу всех витков первичной обмотки, умноженным на амплитудное значение напряжения питающей сети. Устройство формирования мощных импульсов тока в низкоомной нагрузке содержит трансформатор с нагрузкой во вторичной обмотке, два двунаправленных ключа, источник переменного напряжения, устройство управления, конденсатор и устройство заряда. 2 с.п.ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к силовой электронике и может использоваться в устройствах испытания автоматических выключателей.

Известен способ формирования мощных импульсов тока, предполагающий применение трансформатора с нагрузкой во вторичной обмотке. Способ состоит в том, что первичную обмотку трансформатора подключают к питающей сети переменного тока в произвольный момент времени, то есть без синхронизации с напряжением питающей сети [1].

Однако известный способ характеризуется потреблением от питающей сети большого тока.

Наиболее близким к предлагаемому по своей технической сущности является способ, предполагающий применение трансформатора с нагрузкой во вторичной обмотке, характерный тем, что первичную обмотку трансформатора подключают к питающей сети по истечении заданного промежутка времени после прохождения напряжения питающей сети через ноль, то есть с синхронизацией с напряжением сети [2, 3].

Однако известный способ характеризуется потреблением из сети больших по амплитуде импульсов тока.

Известно устройство формирования мощных импульсов тока, содержащее трансформатор с нагрузкой во вторичной обмотке, двунаправленный ключ и источник переменного напряжения [1]. Импульсы тока нагрузки формируются при замыкании двунаправленного ключа, причем ключ замыкается в произвольный момент времени, то есть без синхронизации с напряжением источника переменного напряжения.

Однако известное устройство характеризуется потреблением от источника переменного напряжения большого тока.

Наиболее близким к предлагаемому по своей технической сущности является устройство, содержащее трансформатор с нагрузкой во вторичной обмотке, двунаправленный управляемый ключ, устройство управления и источник переменного напряжения. Импульсы тока нагрузки формируются при включении устройством управления двунаправленного ключа, причем ключ включается по истечении заданного промежутка времени после прохождения напряжения источника переменного напряжения через ноль, то есть с синхронизацией с напряжением источника переменного напряжения [2, 3].

Однако известное устройство характеризуется потреблением от источника переменного напряжения большого тока.

Задачей изобретения является уменьшение амплитуды импульсов тока, потребляемого от питающей сети (источника переменного напряжения).

Способ реализуется устройством формирования мощных импульсов тока в низкоомной нагрузке, содержащим трансформатор с нагрузкой во вторичной обмотке, двунаправленный управляемый ключ, источник переменного напряжения, устройство управления, устройство заряда, конденсатор и второй двунаправленный управляемый ключ, причем конденсатор подключен через второй двунаправленный управляемый ключ к части или ко всем виткам первичной обмотки трансформатора, а через устройство заряда - к источнику переменного напряжения.

На фиг. 1 дана структурная схема устройства, которая содержит трансформатор 1, к вторичной обмотке которого подключена нагрузка 2, первый двунаправленный управляемый ключ 3, первый вывод которого подключен к первому полюсу источника переменного напряжения 4, а второй вывод подключен к первому или второму выводу первичной обмотки трансформатора 1, конденсатор 5, первый вывод которого подключен ко второму полюсу источника переменного напряжения 4 и к третьему выводу первичной обмотки трансформатора 1, второй двунаправленный управляемый ключ 6, первый вывод которого подключен ко второму выводу конденсатора 5, а второй вывод подключен к первому или второму выводу первичной обмотки трансформатора 1, устройство заряда 7, вход которого подключен к первому полюсу источника переменного напряжения 4, а выход подключен ко второму выводу конденсатора 5, устройство управления 8, входы которого подключены к полюсам источника переменного напряжения 4, первый выход подключен к первому управляемому ключу 3, а второй выход подключен ко второму управляемому ключу 6.

Устройство формирования мощных импульсов тока в низкоомной нагрузке работает следующим образом. Устройство заряда 7 предварительно заряжает конденсатор 5 до напряжения U_с, определяемого по формуле где U_{п.сети m} - амплитудное значение напряжения источника переменного напряжения (питающей сети); W_1с - количество витков первичной обмотки трансформатора, к которым подключается конденсатор; W_{1п. сети} - количество витков первичной обмотки трансформатора, к которым подключается источник переменного напряжения (питающая сеть).

После этого, при достижении напряжением источника переменного напряжения амплитудного значения, соответствующего минимальному напряжению на устройстве заряда 7, устройство управления 8 одновременно включает двунаправленные управляемые ключи 3 и 6. Ток конденсатора 5 компенсирует реактивную составляющую тока первичной обмотки трансформатора 1, и поэтому ток, потребляемый от источника переменного напряжения 4 и протекающий через двунаправленный управляемый ключ 3, оказывается значительно меньше того тока, который потреблялся бы от источника переменного напряжения в случае отсутствия конденсатора 5, второго двунаправленного управляемого ключа 6 и устройства заряда 7.

На фиг. 2 даны временные диаграммы, соответствующие формированию импульсов в нагрузке для случая, когда W_1с = W_{1п. сети} (и поэтому U_с = U_{п.сети m}). При этом второй вывод первого двунаправленного управляемого ключа 3 и второй вывод второго двунаправленного управляемого ключа 6 подключены к первому выводу первичной обмотки трансформатора. Использованы следующие обозначения: U_{п. сети} - напряжение источника переменного напряжения (питающей сети): U_{п. сети m} - амплитудное значение напряжения питающей сети; U_с - напряжение на конденсаторе; i_{п. сети} - ток, потребляемый от питающей сети; i_с - ток конденсатора;
i_w1 - ток первичной обмотки трансформатора (2-й вывод первичной обмотки трансформатора отключен);
i_w2 - ток вторичной обмотки трансформатора;
t₁ - момент времени подключения предварительно заряженного конденсатора и питающей сети к первичной обмотке трансформатора; до момента времени t₁ конденсатор заряжен до амплитудного значения напряжения питающей сети, после этого момента напряжение на конденсаторе равно напряжению питающей сети.

Сущность предлагаемого решения заключается в том, что реактивная составляющая тока первичной обмотки компенсируется током конденсатора, причем подключение предварительно заряженного конденсатора и питающей сети к первичной обмотке трансформатора именно по предлагаемому способу исключает броски тока и обеспечивает уже на начальном этапе формирования импульсов протекание токов, амплитуды которых не превышают их амплитудных значений в установившемся режиме работы.

Использование предлагаемого способа формирования мощных импульсов тока для нагрузки, имеющей значительную индуктивную составляющую полного сопротивления нагрузки, а также для трансформатора, имеющего значительную индуктивность рассеяния, позволяет значительно уменьшить амплитуды импульсов тока, потребляемого от питающей сети.

Возможность осуществления изобретения подтверждается результатами математического моделирования средствами системы схемотехнического моделирования Micro-Cap5 фирмы Spectrum Software. Моделирование выполнялось для трех вариантов соотношения количества витков W_1с и W _{1п. сети}. Во всех вариантах частота питающей сети 50 Гц; действующее значение напряжения питающей сети 220 В (амплитудное значение 310 В); сечение железа сердечника трансформатора 50 см²; коэффициент магнитной связи трансформатора 1; индуктивность нагрузки 2 мкГн; активное сопротивление нагрузки 100 мкОм.

Эквивалентная схема нагрузки состоит из соединенных последовательно указанных индуктивности и активного сопротивления. Указанные параметры соответствуют реальным значениям параметров устройств испытания автоматических выключателей.

Первый вариант соответствует соотношению W_1с = W_{1п. сети} (при этом U_с = U_{п.сети m}). Для математического моделирования использовалась схема, представленная на фиг. 3. Количество витков первичной обмотки W_1с = W_{1п. сети} = 440, количество витков вторичной обмотки W₂ = 8, емкость конденсатора C = 1700 мкФ. Для конденсатора задавалось начальное напряжение, равное амплитудному значению напряжения питающей сети (310 В). Для всех вариантов схем, отличающихся соотношением количества витков первичной обмотки, ключи К1 и К2 замыкались в момент времени, соответствующий амплитудному значению напряжения питающей сети. На фиг. 4 даны временные диаграммы, соответствующие первому варианту, при прежних обозначениях. Буква "m" на диаграммах обозначает 10^-3.

Второй вариант соответствует соотношению W_1с = 2W_{1п. сети} (при этом U_с = 2U_{п.сети m}). Для математического моделирования использовалась схема, представленная на фиг. 5. Количества витков таковы: W_1с = 880, W_{1п.сети m} = 440, W₂ = 8, емкость конденсатора C = 425 мкФ. Для конденсатора задавалось начальное напряжение, равное 2U_{п.сети m} (620 В). На фиг. 6 даны временные диаграммы, соответствующие второму варианту, при прежних обозначениях (ток i_w1 указан на фиг. 5).

Третий вариант соответствует соотношению W_1с = 0,5W_1п.сети (при этом U_с= 0,5U_{п.сети m}). Для математического моделирования использовалась схема, представленная на фиг. 7. Количества витков таковы: W_1с = 220, W_{1п. сети} = 440, W₂ = 8, емкость конденсатора = 6800 мкФ. Для конденсатора задавалось начальное напряжение, равное 0,5U_{п.сети m} (155 В). На фиг. 8 даны временные диаграммы, соответствующие третьему варианту, при прежних обозначениях (ток i_w1 указан на фиг. 7).

Из диаграмм фиг. 4, 6, 8 следует, что использование предлагаемого способа для всех трех вариантов соотношения количества витков уменьшает амплитуды импульсов тока, потребляемого от питающей сети, в одно и то же число раз (примерно в 7 раз). Для всех вариантов при исключении конденсатора из схемы ток, потребляемый от питающей сети, будет равен току i_w1. Но при этом необходимо учитывать следующие обстоятельства. При исключении конденсатора из схемы фиг. 5 ток i_w1 возрастет примерно в 2 раза при сохранении прежнего тока в нагрузке. При исключении конденсатора из схемы фиг. 7 ток i_w1 уменьшится примерно в 2 раза при сохранении прежнего тока в нагрузке.

Литература
1. Мусаэлян Э.С. Наладка и испытание электрооборудования электростанций и подстанций. - M.: Энергоатомиздат, 1986, с. 102-104.

2. Сообщение о применении методов экспериментального определения токов К3 в электрических сетях выпрямленного переменного оперативного тока. АО "Фирма ОРГРЭС".

3. Комплектное испытательное устройство "САТУРН-М", "САТУРН-М1". Техническое описание, инструкция по эксплуатации, паспорт. - М.: 1993.

Формула изобретения

1. Способ формирования мощных импульсов тока в низкоомной нагрузке, состоящий в том, что по истечении заданного промежутка времени после прохождения напряжения питающей сети через ноль первичную обмотку трансформатора подключают к питающей сети, отличающийся тем, что одновременно с подключением питающей сети к виткам первичной обмотки трансформатора в количестве W_1n.сети и в момент времени, соответствующий амплитудному значению U_{n.сети m} напряжения питающей сети, подключают конденсатор, заряженный до напряжения U_с, к виткам этой же обмотки в количестве W_1с, причем напряжение U_с выбирают из соотношения
2. Устройство формирования мощных импульсов тока в низкоомной нагрузке, содержащее трансформатор с нагрузкой во вторичной обмотке, двунаправленный управляемый ключ, источник переменного напряжения и устройство управления, отличающееся тем, что в него дополнительно введены устройство заряда, конденсатор и второй двунаправленный управляемый ключ, причем конденсатор подключен через второй двунаправленный управляемый ключ к части или ко всем виткам первичной обмотки трансформатора, а через устройство заряда - к источнику переменного напряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8