Многоканальный источник постоянного тока
Изобретение относится к области электротехники, в частности проектированию источников постоянного тока. Устройство содержит нерегулируемый N-секционный магнитоэлектрический генератор, приводимый во вращение валом двигателя. Каждая из m-фазных обмоток, входящих в соответствующую секцию, подключена к m-фазному стабилизированному мостовому выпрямителю на тиристорах, выход которого подсоединен к цепи нагрузки. Нулевые выводы обмоток присоединены к выходным выводам постоянного тока соответствующих выпрямителей через токозадающие резисторы, зашунтированные конденсатором. Между фазами обмоток генератора и их нулевыми выводами включены плавкие предохранители, разрывающие цепь при коротком замыкании в обмотках, линиях питания или в тиристорах. При коротком замыкании в цепях нагрузки канал переходит на режим стабилизации тока нагрузки и выгорания плавких предохранителей в фазах обмоток не происходит. Техническим результатом является повышение надежности в режимах короткого замыкания при сохранении оптимальных массогабаритных показателей. 1 ил.
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при проектировании автономных многоканальных источников питания для широкого класса потребителей.
Известен источник питания постоянного тока, выполненный в виде генератора, обмотка которого через тиристорный выпрямитель подсоединена к цепи нагрузки (1). Известное устройство характеризуется низкой надежностью в виду отсутствия защиты потребителей и элементов выпрямителя от перегрузки по току при коротких замыканиях в цепях обмоток генератора.
Наиболее близким к данному изобретению устройством является многоканальный источник постоянного тока, содержащий соединенный c валом двигателя нерегулируемый N-секционный магнитоэлектрический генератор, в электромагнитной системе которого расположены N секций m-фазных обмоток, в каждой из N секций первые концы фаз обмотки соединены друг с другом, образуя ее нулевой вывод, вторые концы фаз подключены к входным выводам переменного тока соответствующего m-фазного стабилизированного выпрямителя, выполненного по мостовой схеме на тиристорах, выходные выводы постоянного тока которого являются выходными выводами устройства, служащими для подсоединения к цепи нагрузки, блок управления, управляющий по напряжению вход которого соединен через узел сравнения по напряжению с выходом датчика напряжения цепи нагрузки (2). Известное устройство формирует стабилизированное напряжение в N каналах потребителей при высокой функциональной надежности, обеспечиваемой тем, что при выходе из строя одного из каналов оставшиеся полностью выполняют свои функции. Однако при возникновении короткого замыкания в одной из нагрузок в цепи возникают перегрузки по току такой величины (определяемой электромагнитной мощностью всего N-секционного генератора), что могут выгореть не только соответствующие фазы обмотки, но и силовые тиристоры выпрямителя соответствующего канала. Это приведет к сбою в работе блока управления, питание которого осуществляется от генератора или потребует введения дополнительных автономных источников питания блока управления, что усложнит устройство в целом.
Положительным результатом, который может быть достигнут при использовании данного изобретения, является повышение надежности работы в режимах короткого замыкания при сохранении оптимальных массогабаритных показателей и простоте изготовления.
Положительный результат достигается тем, что в многоканальном источнике постоянного тока, содержащем соединенный с валом двигателя нерегулируемый N-секционный магнитоэлектрический генератор с N m-фазными обмотками, в каждой из N секций первые концы фаз обмотки соединены друг с другом, образуя ее нулевой вывод, вторые концы фаз подключены к входным выводам переменного тока соответствующего m-фазного стабилизированного выпрямителя, выполненного по мостовой схеме на тиристорах, выходные выводы постоянного тока которого подсоединены к цепи нагрузки, блок управления, управляющий по напряжению вход которого соединен через узел сравнения по напряжению с выходом датчика напряжения цепи нагрузки (2), согласно изобретению в каждой из N обмоток указанное соединение друг с другом первых концов фаз осуществлено через введенные плавкие предохранители, нулевой вывод каждой из N обмоток соединен с каждым выходным выводом постоянного тока соответствующего выпрямителя через введенный соответствующий токозадающий резистор, зашунтированный введенным конденсатором, в цепь нагрузки введен датчик тока, выход которого соединен через узел сравнения по току с управляющим токовым входом блока управления, имеющим так же вход синхронизации, соединенный с соответствующей обмоткой, причем емкость каждого конденсатора выбрана из условия обеспечения резонансной частоты LC-контура, образованного конденсатором и эквивалентной индуктивностью рассеяния, большей максимальной частоты генератора, а каждый плавкий предохранитель выбран обеспечивающим пропускание максимального тока Imax, удовлетворяющего условию: Imax=N Iко, где Iко - ток короткого замыкания в цепи нагрузки при односекционном выполнении генератора.
На чертеже представлена электрическая схема устройства.
Устройство содержит нерегулируемый N-секционный магнитоэлектрический генератор 1, приводимый во вращение валом двигателя. Генератор 1 содержит N идентичных секций, в каждой из которых первые концы фаз соответствующей m-фазной обмотки соединены друг с другом через плавкие предохранители 2, образуя ее нулевой вывод. Вторые концы фаз каждой из обмоток подсоединены посредством линии питания к входным выводам переменного тока соответствующих m-фазных стабилизированных выпрямителей 3, выходные выводы постоянного тока которых подключены к цепям нагрузок. Последовательно в цепь нагрузки каждого канала, образованного соответствующей секцией обмотки и выпрямителем 3, включен датчик тока 4, выход которого подсоединен к входу узла сравнения по току 5, выход которого подключен к управляющему по току входу блока управления 6. Параллельно цепи нагрузки подключен датчик напряжения, выход которого через узел сравнения по напряжению 7 подсоединен к управляющему по напряжению входу блока управления 6, вход синхронизации которого связан с выводами соответствующей обмотки генератора 1. Питание каждого блока управления 6 осуществляется от соответствующей обмотки генератора 1. Нулевой вывод каждой из обмоток соединен с соответствующими выходными выводами выпрямителя 3 через токозадающие резисторы 8, 9, зашунтированные конденсаторами 10, 11. Емкость каждого конденсатора 10, 11 выбрана из условия обеспечения резонансной частоты LC-контура, образованного соответствующим конденсатором 10, 11 и эквивалентной индуктивностью рассеяния, большей максимальной частоты генератора 1. Эквивалентная индуктивность рассеяния включает в себя индуктивность рассеяния m-фаз обмотки соответствующего канала и индуктивность линии питания между фазами обмотки, включая ее нулевой вывод, и выпрямителем 3.
Нерегулируемый магнитоэлектрический генератор 1 переменного тока приводится во вращение от вала электродвигателя с переменной частотой вращения. На каждой из N секций обмоток генератора 1 формируется переменное m-фазное напряжение, поступающее после выпрямления к соответствующим цепям N нагрузок. Таким образом на выходе устройств образуется N каналов питания нагрузок стабилизированным постоянным напряжением.
При возникновении короткого замыкания в одном из N каналов (замыкание одной из фаз на корпус, включая межвитковое замыкание, а так же замыкание в линии питания или в тиристорах) выгорают плавкие предохранители, установленные в фазах обмоток. Разрыв соответствующих цепей предохранителями происходит при максимальном токе (токе короткого замыкания) Imax=N Iкз о, где N - число каналов, Iкз о - ток короткого замыкания на выходе канала при N=1, т.е. при системе генерирования с одним каналом (односекционном выполнении генератора). При этом ток короткого замыкания в цепи нагрузки любого канала, достигающий значительной величины при многоканальном исполнении на базе одного генератора, не вызывает выгорания этих предохранителей, т.к. этот режим регулируется переходом работы канала с режима стабилизации по напряжению на режим стабилизации по току (при превышении тока нагрузки заданной величины, определяемой порогом срабатывания узла сравнения по току). В этом случае блок управления 6 формирует сигнал, изменяющий угол отпирания тиристоров выпрямителя 3, тем самым ограничивая выходной ток выпрямителя 3. Переход работы схемы в режим стабилизации тока нагрузки позволяет ограничить ток нагрузки выпрямителя на любом уровне, зависящем от допустимой токовой нагрузки генератора 1 и типа защиты потребителей канала генерирования, а в случае защиты потребителей плавкими предохранителями - от их ампер-секундной характеристики. Таким образом в схеме обеспечивается селективность защиты схемы при коротком замыкании в цепях обмоток генератора 1, линиях питания, тиристорах выпрямителя 3 (путем выгорания плавких предохранителей) по отношению к защите при коротком замыкании в нагрузке.
Включение резисторов 8, 9 между нулевыми выводами обмоток генератора 1 и выходными выводами постоянного тока соответствующих выпрямителей 3 позволяет обеспечивать протекание дополнительного тока (на уровне не менее тока удержания тиристоров Iуд=Uвых/R8, 9, где Uвых - выходное напряжение канала) через включенные тиристоры данного канала независимо от коммутации тиристоров остальных соседних фаз. Это позволяет снизить требования к блоку управления 6 выпрямителем в режиме короткого замыкания в нагрузке, когда напряжение на выходе резко искажается и возрастает поле помех, воздействующих на блок управления 6. Кроме того, введение указанных резисторов обеспечивает возможность работы выпрямителя в режиме холостого хода.
Для повышения устойчивости работы выпрямителя 3 при коротком замыкании в одном из каналов резисторы 8, 9 шунтируются конденсаторами 10, 11, образующими совместно с указанными эквивалентными индуктивностями рассеяния LC-контур раздельно-фазовой коммутации. Если резонансная частота этого контура больше максимальной частоты напряжения генератора, то коммутация тиристоров каждой фазы осуществляется независимо от состояния проводимости тиристоров соседних фаз при выходе их из строя. При этом какие-либо индуктивности на стороне постоянного тока отсутствуют, а фильтрация выходного напряжения в нагрузке осуществляется только конденсаторами 10, 11 и эквивалентной индуктивностью фаз обмоток генератора 1 и линии питания. В результате чего происходит уменьшение искажений напряжения генератора 1, и, следовательно, уменьшение влияния поля помех на систему импульсно-фазового управления, а так же снижение величин dI/dt и dU/dt тиристоров выпрямителей и уменьшение ударного тока через тиристоры в момент выгорания плавких предохранителей.
Данное устройство может быть использовано при проектировании мобильных газотурбинных электростанций, в качестве источника электрической энергии которых применяются высокооборотные генераторы с прямым (безредукторным) приводом и статическими полупроводниковыми преобразователями на выходе.
Источники информации
1. "Тиристоры" под ред. В.А.Лабунцова и др. М.: Энергия, с.216, 1971 г.
2. Журнал "Конверсия в машиностроении" ISSN 0869-6772, №4, с.60-61, 2002 г.
Формула изобретения
Многоканальный источник постоянного тока, содержащий соединенный с валом двигателя нерегулируемый N-секционный магнитоэлектрический генератор с m-фазной обмоткой в каждой из N секций, при этом первые концы фаз обмотки соединены друг с другом, образуя ее нулевой вывод, вторые концы фаз подключены к входным выводам переменного тока соответствующего m-фазного стабилизированного выпрямителя, выполненного по мостовой схеме на тиристорах, выходные выводы постоянного тока которого являются выходными выводами устройства, служащими для подсоединения к цепи нагрузки, блок управления, управляющий по напряжению вход которого соединен через узел сравнения по напряжению с выходом датчика напряжения цепи нагрузки, отличающийся тем, что в каждом из N обмоток указанное соединение друг с другом первых концов фаз осуществлено через введенные плавкие предохранители, нулевой вывод каждой из N обмоток соединен с каждым выходным выводом постоянного тока соответствующего m-фазного стабилизированного выпрямителя через введенный соответствующий токозадающий резистор, зашунтированный введенным конденсатором, в цепь нагрузки включен датчик тока, выход которого соединен через введенный узел сравнения по току с управляющим токовым входом блока управления, имеющим также вход синхронизации, соединенный с соответствующей обмоткой, причем емкость каждого конденсатора выбрана из условия обеспечения резонансной частоты LC-контура, образованного указанным конденсатором и эквивалентной индуктивностью рассеяния, включающей в себя индуктивность рассеяния m-фаз обмотки и индуктивность линии питания между фазами, включая ее нулевой вывод, и выпрямителем, большей максимальной частоты генератора, а каждый плавкий предохранитель выполнен обеспечивающим пропускание максимального тока Imax, удовлетворяющего условию: Imax=N Iко, где Iко - ток короткого замыкания в цепи нагрузки при односекционном выполнении генератора переменного тока.
РИСУНКИ
