Устройство для испытания энергосистем постоянного тока

 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в качестве нагрузки при испытаниях и настройке различного рода энергосистем постоянного тока. Объектом испытаний является вторичный источник питания, получающий энергию постоянного тока от первичного источника электроэнергии. Технический результат - улучшение эксплуатационных, энергосберегающих и функциональных характеристик устройства, а именно уменьшение массы, габаритов, снижение рассеиваемой мощности, повышение КПД преобразования энергии, расширение функциональных возможностей для испытаний. Устройство состоит из датчика тока, преобразователя постоянного тока и накопительного конденсатора. В устройство введены регулятор напряжения, регулятор тока и три блока управления, причем энергия, потребляемая преобразователем, возвращается в первичные цепи постоянного тока, питающие испытываемые энергосистемы постоянного тока. 1 ил.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в качестве нагрузки при испытаниях и настройке различного рода энергосистем постоянного тока. Объектом испытаний является вторичный источник питания, получающий энергию постоянного тока от первичного источника электроэнергии.

Известны устройства [1] и [2], которые позволяют нагружать источники электропитания, с утилизацией потребленной электроэнергии в промышленную электрическую сеть. Основу конструкции этих устройств составляют низкочастотные ведомые сетью инверторы, что приводит к усложнению схем управления, уменьшению КПД преобразования, ухудшению массогабаритных характеристик.

Наиболее близким к изобретению является имитатор активной нагрузки источника постоянного тока [3], содержащий в силовом канале преобразователь постоянного тока. Примененный в указанном устройстве формирователь фронта тока нагрузки рассеивает энергию, что снижает КПД имитатора и усложняет схему управления. В имитаторе ток нагрузки формируется ведомым сетью инвертором, который имеет большую инерционность управления, что ухудшает точность воспроизведения динамических характеристик быстродействующих нагрузок. Двойное преобразование энергии в имитаторе приводит к общему ухудшению массогабаритных характеристик, снижению КПД и усложнению схемы управления. Указанная схема управления не позволяет задавать различные режимы имитации нагрузки, что сужает функциональные возможности устройства.

Задачей, решаемой изобретением, является улучшение эксплуатационных, энергосберегающих и функциональных характеристик устройства для испытания вторичных источников питания постоянного тока.

Поставленная задача решается тем, что в устройство для испытаний энергосистем постоянного тока, содержащее датчик тока, преобразователь постоянного тока и включенный параллельно входу преобразователя накопительный конденсатор, введены регулятор напряжения, регулятор тока и три блока управления, причем выходные клеммы первичного источника электроэнергии подключены к входным клеммам регулятора напряжения, плюсовая клемма выхода регулятора напряжения и минусовая клемма выхода преобразователя постоянного тока соединены вместе, минусовая клемма выхода регулятора напряжения присоединена к минусовой клемме входа вторичного источника питания, плюсовая клемма выхода преобразователя постоянного тока присоединена к плюсовой клемме входа вторичного источника питания, к выходным клеммам вторичного источника питания подключены через датчик тока входные клеммы регулятора тока, к выходным клеммам регулятора тока параллельно подключены клеммы накопительного конденсатора и входные клеммы преобразователя постоянного тока. Вход первого блока управления подключен к плюсовой клемме входа вторичного источника питания, нейтральный провод первого блока управления подключен к минусовой клемме входа вторичного источника питания, выход первого блока управления соединен с входом управления регулятором напряжения. Первые входы второго и третьего блоков управления подсоединены к выходу датчика тока, к плюсовой клемме входа регулятора тока подсоединены вторые входы второго и третьего блоков управления. Нейтральные провода второго и третьего блоков управления подключены к минусовой клемме выхода вторичного источника питания. Третий вход второго блока управления подсоединен к плюсовой клемме выхода регулятора тока, выход второго блока управления соединен с входом управления преобразователем постоянного тока, выход третьего блока управления соединен с входом управления регулятором тока. Первый блок управления состоит из первого усилителя-сумматора, первого задатчика напряжения, причем вход вычитания первого усилителя-сумматора является входом первого блока управления, первый задатчик напряжения подсоединен к входу сложения первого усилителя-сумматора, выход первого усилителя-сумматора является выходом первого блока управления, нейтральный провод первого блока управления является нейтральным проводом первого усилителя-сумматора. Второй блок управления состоит из второго, третьего усилителей-сумматоров, первого перемножителя, второго задатчика напряжения, причем выход второго усилителя-сумматора является выходом второго блока управления, второй задатчик напряжения подсоединен к входу сложения второго усилителя-сумматора, выход первого перемножителя подсоединен к входу вычитания второго усилителя-сумматора, первый вход первого перемножителя является первым входом второго блока управления, второй вход первого перемножителя соединен с выходом третьего усилителя-сумматора, вход сложения третьего усилителя-сумматора является вторым входом второго блока управления, вход вычитания третьего усилителя-сумматора является третьим входом второго блока управления, нейтральный провод второго блока управления является нейтральным проводом третьего усилителя-сумматора. Третий блок управления состоит из четвертого, пятого, шестого усилителей-сумматоров, второго, третьего перемножителей, третьего задатчика напряжения, трехпозиционного переключателя, причем первые входы второго, третьего перемножителей, вход вычитания пятого усилителя-сумматора подсоединены к первому входу третьего блока управления, второй вход третьего перемножителя, вход вычитания третьего усилителя-сумматора подсоединены к второму входу третьего блока управления, нейтральный провод третьего блока управления является нейтральным проводом третьего перемножителя, входы сложения пятого, шестого усилителей-сумматоров, второй вход второго перемножителя подсоединены к третьему задатчику напряжения, выход второго перемножителя соединен с входом сложения четвертого усилителя-сумматора, выход третьего перемножителя соединен с входом вычитания шестого усилителя-сумматора, переключающий контакт трехпозиционного переключателя является выходом третьего блока управления, выходы четвертого, пятого, шестого усилителей-сумматоров соединены соответственно с контактами коммутации трехпозиционного переключателя.

Техническим результатом изобретения являются уменьшение массы и габаритов, повышение КПД преобразования энергии, снижение рассеиваемой мощности при имитации динамических нагрузок, расширение функциональных возможностей.

На чертеже представлено устройство, предназначенное для испытания вторичного источника питания 1, который в штатном режиме питается постоянным током от первичного источника электроэнергии 2.

Силовая цепь устройства для испытаний энергосистем постоянного тока состоит из регулятора напряжения 3, преобразователя постоянного тока 4, регулятора тока 5, накопительного конденсатора 6, датчика тока 7.

Выходные клеммы первичного источника электроэнергии 2 подключены к входным клеммам регулятора напряжения 3. Плюсовая клемма выхода регулятора напряжения 3 и минусовая клемма выхода преобразователя постоянного тока 4 соединены вместе. Минусовая клемма выхода регулятора напряжения 3 присоединена к минусовой клемме входа вторичного источника питания 1. Плюсовая клемма выхода преобразователя постоянного тока 4 присоединена к плюсовой клемме входа испытываемого вторичного источника питания 1. К выходным клеммам вторичного источника питания 1 подключены через датчик тока 7 входные клеммы регулятора тока 5. К выходным клеммам регулятора тока 5 параллельно подключены клеммы накопительного конденсатора 6 и входные клеммы преобразователя постоянного тока 4.

Управляющая часть устройства для испытаний энергосистем постоянного тока состоит из трех блоков управления 8, 9, 10. Вход первого блока управления 8 подключен к плюсовой клемме входа вторичного источника питания 1, нейтральный провод первого блока управления 30 подключен к минусовой клемме входа вторичного источника питания 1, выход первого блока управления 8 соединен с входом управления регулятором напряжения 3. Первые входы второго и третьего блоков управления 9, 10 подсоединены к выходу датчика тока 7. К плюсовой клемме входа регулятора тока 5 подсоединены вторые входы второго и третьего блоков управления 9, 10. Нейтральные провода второго 28 и третьего 29 блоков управления подключены к минусовой клемме выхода вторичного источника питания 1. Третий вход второго блока управления 9 подсоединен к плюсовой клемме выхода регулятора тока 5. Выход второго блока управления 9 соединен с входом управления преобразователем постоянного тока 4. Выход третьего блока управления 10 соединен с входом управления регулятором тока 5.

Первый блок управления 8 состоит из первого усилителя-сумматора 11, первого задатчика напряжения 12. Вход вычитания первого усилителя-сумматора 11 является входом первого блока управления 8. Первый задатчик напряжения 12 подсоединен к входу сложения первого усилителя-сумматора 11. Выход первого усилителя-сумматора 11 является выходом первого блока управления 8. Нейтральный провод первого блока управления 30 является нейтральным проводом первого усилителя-сумматора 11.

Второй блок управления 9 состоит из второго, третьего усилителей-сумматоров 13, 14, первого перемножителя 15, второго задатчика напряжения 16. Выход второго усилителя-сумматора 13 является выходом второго блока управления 9. Второй задатчик напряжения 16 подсоединен к входу сложения второго усилителя-сумматора 13. Выход первого перемножителя 15 подсоединен к входу вычитания второго усилителя-сумматора 13. Первый вход первого перемножителя 15 является первым входом второго блока управления 9. Второй вход первого перемножителя 15 соединен с выходом третьего усилителя-сумматора 14. Вход сложения третьего усилителя-сумматора 14 является вторым входом второго блока управления 9. Вход вычитания третьего усилителя-сумматора 14 является третьим входом второго блока управления 9. Нейтральный провод второго блока управления 28 является нейтральным проводом третьего усилителя-сумматора 14.

Третий блок управления 10 состоит из четвертого, пятого, шестого усилителей-сумматоров 17, 18, 19, второго, третьего перемножителей 20, 21, третьего задатчика напряжения 22, трехпозиционного переключателя 23. Первые входы второго, третьего перемножителей 20, 21, вход вычитания пятого усилителя-сумматора 18 подсоединены к первому входу третьего блока управления 10. Второй вход третьего перемножителя 21, вход вычитания третьего усилителя-сумматора 17 подсоединены к второму входу третьего блока управления 10. Входы сложения пятого, шестого усилителей-сумматоров 18, 19, второй вход второго перемножителя 20 подсоединены к третьему задатчику напряжения 22. Выход второго перемножителя 20 соединен с входом сложения четвертого усилителя-сумматора 17. Выход третьего перемножителя 21 соединен с входом вычитания шестого усилителя-сумматора 19. Нейтральный провод третьего блока управления 29 является нейтральным проводом третьего перемножителя 21. Переключающий контакт 24 трехпозиционного переключателя 23 является выходом третьего блока управления. Выходы четвертого, пятого, шестого усилителей-сумматоров 17, 18, 19 соединены соответственно с контактами коммутации 25, 26, 27 трехпозиционного переключателя 23.

Устройство для испытаний энергосистем постоянного тока работает следующим образом.

Управление регулятором тока 5 с третьего блока 10 обеспечивает требуемую характеристику нагрузки вторичного источника питания 1. Режим нагрузки выбирается переключателем 23, величина нагрузки - задатчиком 22.

В положении коммутации контакта 26 выход усилителя-сумматора 18 подключен к входу управления регулятора тока 5, при этом задается режим требуемого тока нагрузки. Напряжение, пропорциональное действующему току нагрузки, с датчика тока 7 сравнивается в усилителе-сумматоре 18 с напряжением задатчика 22, которое пропорционально соответственно требуемому току нагрузки, и на выходе блока управления 10 вырабатывается сигнал управления, пропорциональный отклонению действующего тока нагрузки от требуемого.

В положении коммутации контакта 27 выход усилителя-сумматора 19 подключен к входу управления регулятора тока 5, при этом задается режим требуемой мощности нагрузки. На один вход перемножителя 21 подается напряжение, пропорциональное действующему току нагрузки с датчика тока 7, на другой вход подается сигнал действующего напряжения нагрузки. Напряжение с выхода перемножителя 21, пропорциональное действующему значению мощности нагрузки, сравнивается в усилителе-сумматоре 19 с напряжением задатчика 22, которое пропорционально соответственно требуемой мощности нагрузки, и на выходе блока управления 10 вырабатывается сигнал управления, пропорциональный отклонению действующей мощности нагрузки от требуемой.

В положении коммутации контакта 25 выход усилителя-сумматора 17 подключен к входу управления регулятора тока 5, при этом задается режим требуемого сопротивления нагрузки. На один вход перемножителя 20 подается напряжение, пропорциональное действующему току нагрузки, с датчика тока 7, на другой вход подается напряжение задатчика 22, которое пропорционально соответственно требуемому сопротивлению нагрузки. Сигнал с выхода перемножителя 20 подается на вход вычитания усилителя-сумматора 17, где сравнивается с сигналом действующего значения напряжения на нагрузке, и на выходе блока управления 10 вырабатывается сигнал управления, пропорциональный отклонению действующего сопротивления нагрузки от требуемого. Это следует из следующих соображений: U₇=I•K₇; U₂₂=R_T•K₂₂; Δ =K₁₇•(U₇•U₂₂-U)=K₁₇•(I•R_T•K₇•K₂₂-I•R)=K₁₇•I•(R_T-R), U₇ - напряжение с датчика тока 7; I - действующее значение тока нагрузки; K₇ - коэффициент пропорциональности датчика тока 7; U₂₂ - напряжение задатчика 22; R_T - требуемое сопротивление нагрузки; К₂₂ - коэффициент пропорциональности задатчика 22; Δ - сигнал на выходе усилителя-сумматора 17;
U - действующее значение напряжения нагрузки;
R - действующее значение сопротивления нагрузки;
K₁₇ - коэффициент пропорциональности усилителя-сумматора 17;
К₇•К₂₂=1 - это соотношение обеспечивается соответственным выбором коэффициентов пропорциональности датчика тока 7 и задатчика 22.

В результате этого сигнал управления блока 10 устанавливает ток через регулятор 5, соответствующий заданной величине режима нагрузки для испытаний вторичного источника питания 1.

Накопительный конденсатор 6 обеспечивает для преобразователя постоянного тока 4 импульсы тока, пиковое значение которых больше значения тока через регулятор тока 5.

Блок 9 организует канал управления мощностью рассеивания регулятора тока 5. Задатчик 16 вырабатывает напряжение, пропорциональное заданной минимальной допустимой мощности рассеивания на регуляторе тока 5. Усилитель-сумматор 14 выдает падение напряжения на регуляторе тока 5, датчик тока 7 выдает напряжение, пропорциональное действующему току через регулятор тока 5, и оба сигнала поступают на входы перемножителя 15, на выходе которого получается напряжение, пропорциональное действующему значению мощности рассеиваемой регулятором тока 5. Усилитель-сумматор 13 сравнивает это напряжение с напряжением задатчика 16 и выдает сигнал, пропорциональный отклонению действующей мощности рассеивания регулятором тока 5 от заданного значения. Сигнал управления преобразователем постоянного тока 4 изменяет его входную мощность потребления энергии. Вследствие этого блок 9 соответственно будет управлять входной мощностью преобразователя постоянного тока 4 так, что напряжение на накопительном конденсаторе 6 приблизится к напряжению на выходе испытываемого вторичного источника питания 1 настолько, что мощность, рассеиваемая регулятором тока 5, будет равна мощности, установленной задатчиком 16. Преобразователь постоянного тока 4 при таком законе управления вместе с накопительным конденсатором 6 образует для регулятора тока 5 непрерывную нагрузку, тем самым обеспечивая рабочие условия его функционирования.

Задатчиком 12 выставляется требуемое значение входного напряжения для вторичного источника питания 1. Усилитель-сумматор 11 сравнивает это напряжение с действующим значением напряжения на входе вторичного источника питания 1 и выдает сигнал, пропорциональный отклонению действующего значения напряжения от заданного. Регулятор напряжения 3 под воздействием сигнала блока управления 8 устанавливает такое напряжение на своем выходе, которое в сумме с напряжением на выходе преобразователя тока 4 будет равно напряжению задатчика 12. Из-за того, что устройства 1, 4, 5, 6 всегда имеют реальные потери энергии, то мощности на выходе преобразователя постоянного тока 4 будет не хватать для обеспечения мощности питания вторичного источника питания 1 при заданной нагрузке, поэтому от первичного источника электроэнергии 2 будет потребляться мощность, равная мощности потерь в цепях устройств.

Регулятор напряжения 3 может быть выполнен по известной схеме импульсного регулятора напряжения понижающего типа, преобразователь постоянного тока 4 - в виде известной схемы импульсного преобразователя постоянного напряжения в постоянное с управляемым коэффициентом преобразования. Регулятор тока 5 выполняется в виде известной схемы транзисторного регулятора тока непрерывного типа.

Так как энергия, потребляемая устройством, возвращается в цепи постоянного тока, питающие испытываемый вторичный источник питания, то это позволяет отказаться от двойного преобразования энергии, применить высокочастотный импульсный преобразователь энергии, который обладает более высоким КПД, меньшими массой, габаритами и инерционностью управления. Одновременно это позволяет: расширить функциональные возможности за счет управления входным напряжением испытываемого вторичного источника питания, снизить потребляемую мощность от первичного источника электроэнергии до мощности потерь на испытываемом вторичном источнике питания и в цепях устройства, при этом отсутствует необходимость во внешнем потребителе мощности - промышленной электрической сети. Схема формирования тока нагрузки с последовательным включением регулирующего элемента - транзисторного регулятора тока, со стабилизацией мощности рассеивания на нем, позволяет устранить потери мощности при имитации динамических нагрузок, исключить устройство предварительного заряда накопительного конденсатора, ввести дополнительно два режима имитации - заданной мощности и сопротивления нагрузки. В целом все введенные изменения позволяют уменьшить массу и габариты всего устройства, повысить КПД преобразования энергии, снизить рассеиваемую мощность при имитации динамических нагрузок, расширить функциональные возможности.

Источники информации
1. Авторское свидетельство SU 1048559, кл. Н 02 Р 9/42, Н 02 J 3/00.

2. Авторское свидетельство SU 1050068, кл. Н 02 М 7/48.

3. Авторское свидетельство SU 1545202, кл. G 05 В 17/02, Н 02 М 7/537.

Формула изобретения

Устройство для испытания энергосистем постоянного тока, содержащее датчик тока, преобразователь постоянного тока и включенный параллельно входу преобразователя постоянного тока накопительный конденсатор, отличающееся тем, что в устройство введены регулятор напряжения, регулятор тока и три блока управления, причем выходные клеммы первичного источника электроэнергии подключены к входным клеммам регулятора напряжения, плюсовая клемма выхода регулятора напряжения и минусовая клемма выхода преобразователя постоянного тока соединены вместе, минусовая клемма выхода регулятора напряжения присоединена к минусовой клемме входа вторичного источника питания, плюсовая клемма выхода преобразователя постоянного тока присоединена к плюсовой клемме входа вторичного источника питания, к выходным клеммам вторичного источника питания подключены через датчик тока входные клеммы регулятора тока, к выходным клеммам регулятора тока параллельно подключены клеммы накопительного конденсатора и входные клеммы преобразователя постоянного тока, вход первого блока управления подключен к плюсовой клемме входа вторичного источника питания, нейтральный провод первого блока управления подключен к минусовой клемме входа вторичного источника питания, выход первого блока управления соединен с входом управления регулятором напряжения, первые входы второго и третьего блоков управления подсоединены к выходу датчика тока, к плюсовой клемме входа регулятора тока подсоединены вторые входы второго и третьего блоков управления, нейтральные провода второго и третьего блоков управления подключены к минусовой клемме выхода вторичного источника питания, третий вход второго блока управления подсоединен к плюсовой клемме выхода регулятора тока, выход второго блока управления соединен с входом управления преобразователем постоянного тока, выход третьего блока управления соединен с входом управления регулятором тока, первый блок управления состоит из первого усилителя-сумматора, первого задатчика напряжения, причем вход вычитания первого усилителя-сумматора является входом первого блока управления, первый задатчик напряжения подсоединен к входу сложения первого усилителя-сумматора, выход первого усилителя-сумматора является выходом первого блока управления, нейтральный провод первого блока управления является нейтральным проводом первого усилителя-сумматора, второй блок управления состоит из второго, третьего усилителей-сумматоров, первого перемножителя, второго задатчика напряжения, причем выход второго усилителя-сумматора является выходом второго блока управления, второй задатчик напряжения подсоединен к входу сложения второго усилителя-сумматора, выход первого перемножителя подсоединен к входу вычитания второго усилителя-сумматора, первый вход первого перемножителя является первым входом второго блока управления, второй вход первого перемножителя соединен с выходом третьего усилителя-сумматора, вход сложения третьего усилителя-сумматора является вторым входом второго блока управления, вход вычитания третьего усилителя-сумматора является третьим входом второго блока управления, нейтральный провод второго блока управления является нейтральным проводом третьего усилителя-сумматора, третий блок управления состоит из четвертого, пятого, шестого усилителей-сумматоров, второго, третьего перемножителей, третьего задатчика напряжения, трехпозиционного переключателя, причем первые входы второго, третьего перемножителей, вход вычитания пятого усилителя-сумматора подсоединены к первому входу третьего блока управления, второй вход третьего перемножителя, вход вычитания третьего усилителя-сумматора подсоединены к второму входу третьего блока управления, нейтральный провод третьего блока управления является нейтральным проводом третьего перемножителя, входы сложения пятого, шестого усилителей-сумматоров, второй вход второго перемножителя подсоединены к третьему задатчику напряжения, выход второго перемножителя соединен с входом сложения четвертого усилителя-сумматора, выход третьего перемножителя соединен с входом вычитания шестого усилителя-сумматора, переключающий контакт трехпозиционного переключателя является выходом третьего блока управления, выходы четвертого, пятого, шестого усилителей-сумматоров соединены соответственно с контактами коммутации трехпозиционного переключателя.

РИСУНКИ

Рисунок 1