Выпрямительная установка

Использование: изобретение относится к электротехнике и может найти применение в блоках для питания выпрямленным током электромагнитных устройств автоматики, заряда химических источников тока, электролиза и, возможно, в сварочных агрегатах. Сущность изобретения: выпрямительная установка содержит однофазный силовой трансформатор (1) с основной (2), первой (3) и второй (4) дополнительными частями вторичной обмотки, включенными последовательно и согласно. Рабочий комплект вентилей (9-12) в виде однофазного моста подключен к основной части (2) вторичной обмотки трансформатора; общая точка первого вольтодобавочного комплекта вентилей (13-14) соединена с конденсатором с переменной емкостью (7) и разрядным резистором (8); общая точка второго вольтодобавочного комплекта вентилей (15-16) соединена с конденсатором с переменной емкостью (5) и разрядным резистором (6). Выходы рабочего комплекта и двух вольтодобавочных комплектов вентилей имеют выводы для подключения к нагрузке (17). Согласованная работа рабочего и вольтодобавочных комплектов вентилей обеспечивается сдвигом по фазе между напряжениями, подводимыми к вентильным группам. Технический результат - улучшение качества выпрямленного тока, упрощение и повышение коэффициента мощности. 3 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может найти применение в сильноточных блоках питания электротехнических устройств и автоматики, а также в сварочных агрегатах.

Известны выпрямительные установки, используемые для питания электронных устройств, содержащие силовой трансформатор, комплект вентилей, выполненный в виде однофазного моста, вход комплекта вентилей соединен с вторичной обмоткой трансформатора, а выход имеет выводы для подключения нагрузки (Иванов-Цыганков А.И. Электротехнические устройства радиосистем. М., 1973, с.24). Недостатком таких выпрямительных установок, работающих на низкоомную нагрузку, является низкое качество выпрямленного тока из-за большой величины коэффициента пульсаций, а также невысокий коэффициент использования электроэнергии. С целью повышения качества выпрямленного тока в таких сильноточных установках после однофазного моста включают в качестве сглаживающего фильтра индуктивный дроссель. Это приводит к увеличению массогабаритных параметров однофазных выпрямительных установок.

Известна также выпрямительная установка, содержащая однофазный силовой трансформатор с основной и дополнительной частями вторичной обмотки, включенными последовательно и согласно, рабочий и вольтодобавочный комплекты вентилей имеют выводы для подключения к нагрузке, вход рабочего комплекта вентилей, выполненный в виде однофазного моста, соединен с основной частью вторичной обмотки трансформатора, а вольтодобавочный - в виде двух последовательно соединенных вентилей, общая точка которых соединена с крайним выводом дополнительной части вторичной обмотки трансформатора через коммутатор, управляющий вход которого подключен к выводу блока управления (А.с. СССР №1555797, кл. Н02Р 15/00, 1990). Недостатком этой выпрямительной установки является неэффективное использование дополнительной части вторичной обмотки трансформатора, сужающее универсальность установки. Дополнительная часть вторичной обмотки используется только на период времени работы электромагнитных муфт, плит и другого электрооборудования станков в форсированном режиме. При отключении дополнительной части обмотки ключом коммутатора она остается нерабочей и не используется для других целей. К недостатку следует отнести также большой коэффициент пульсаций выпрямленного тока, что приводит к потерям на вихревые токи в магнитопроводах электромагнитных муфт или плит, снижает КПД и коэффициент использования электроэнергии выпрямительной установкой.

Выпрямительная установка, принятая за прототип (Патент 2007828, МПК Н02М 7/06, 15.02.1994, бюл. №3, выпрямительная установка), показана на фиг.1. Выпрямительная установка прототипа содержит однофазный силовой трансформатор 1 с основной 2 и дополнительной 3 частями вторичной обмотки трансформатора; вольтодобавочный комплект вентилей - из двух последовательно включенных вентилей 8 и 9 - соединен их общей точкой с крайним выводом дополнительной части 3 вторичной обмотки трансформатора через коммутатор 10; управляющий вход коммутатора соединен с выходом блока 11 управления, а выходы рабочего и вольтодобавочного комплектов вентилей подключены к нагрузке 12. Выпрямительная установка содержит также конденсатор с переменной емкостью 13 и разрядный резистор 14, подключенные параллельно коммутатору 10. Величины реактивного сопротивления конденсатора и активного сопротивления нагрузки выбраны по условию Хс>>Rн. При этом угол сдвига фаз между вектором напряжения на всей вторичной обмотке после конденсатора и вектором напряжения на ее основной части окажется равным примерно 90°. Соответственно сдвиг по фазе между векторами токов в нагрузке от напряжения основной части вторичной обмотки и напряжения всей части вторичной обмотки также будет близким к 90°. Это позволило уменьшить массогабаритные параметры силового трансформатора за счет повышения коэффициента мощности тока, расширить область использования.

Целью предлагаемого изобретения является упрощение, улучшение качества выпрямленного тока и еще большее повышение коэффициента мощности при использовании выпрямительной установки для заряда химических источников тока, электролизе растворов и, возможно, сварке, а также уменьшение массогабаритных параметров силового трансформатора.

Поставленная цель достигается тем, что предлагаемая выпрямительная установка, в отличие от прототипа, не имеет коммутатора с блоком его управления. Она снабжена второй дополнительной частью вторичной обмотки трансформатора, подключенной согласно одним концом с первой дополнительной частью вторичной обмотки, а вторым концом со вторым конденсатором с переменной емкостью и разрядным резистором, соединенными между собой параллельно. Выпрямительная установка снабжена также вторым вольтодобавочным комплектом вентилей - в виде двух последовательно соединенных вентилей, выходы которых имеют выводы для подключения к нагрузке, а общая точка их соединена со вторым конденсатором с переменной емкостью и разрядным резистором.

На фиг.2 представлена схема предлагаемой выпрямительной установки. Выпрямительная установка содержит однофазный силовой трансформатор 1 с основной 2, первой 3 и второй 4 дополнительными частями вторичной обмотки, включенными последовательно и согласно. Рабочий комплект вентилей 9-12 в виде однофазного моста подключен к основной части 2 вторичной обмотки трансформатора; общая точка первого вольтодобавочного комплекта вентилей 13-14 соединена с первым конденсатором с переменной емкостью 7 и разрядным резистором 8; общая точка второго вольтодобавочного комплекта вентилей 15-16 соединена со вторым конденсатором с переменной емкостью 5 и разрядным резистором 6. Выходы рабочего комплекта и двух вольтодобавочных комплектов вентилей имеют выводы для подключения к нагрузке 17.

Предлагаемамая выпрямительная установка работает следующим образом. При включении выпрямительной установки в сеть напряжение основной части вторичной обмотки 2 трансформатора подводится к мостовому выпрямителю, состоящему из вентилей 9, 10, 11, 12, в нагрузке 17 протекает постоянный пульсирующий ток с амплитудой I₂, показанный на фиг.3. Одновременно напряжение согласно соединенных вторичных обмоток 2 и 3 трансформатора через конденсатор 7 подводится к мостовому выпрямителю, состоящему из вентилей 9, 10, 13, 14, в нагрузке возникает пульсирующий ток с амплитудой I₃, а напряжение согласно соединенных вторичных обмоток 2, 3 и 4 трансформатора через конденсатор 5 подводится к мостовому выпрямителю, состоящему из вентилей 9, 10, 15, 16, в нагрузке возникает пульсирующий ток с амплитудой I₄, фиг.3.

Импульсы постоянного тока I₃ и I₄ согласно соединенных вторичных обмоток 2 и 3 трансформатора сдвинуты по фазе относительно импульсов тока I₂ основной части вторичной обмотки 2, соответственно на 45° и 90°. Сдвиги по фазе создаются выбором величин емкости конденсаторов 7 и 5. При этом обеспечивается согласованная работа моста из вентилей 9, 10, 11, 12 с выпрямительными мостами из вентилей 9, 10, 13, 14 и 9, 10, 15, 16 соответственно. Разрядные резисторы 8 и 6 необходимы для разряда конденсаторов 7 и 5 при отключении нагрузки 17. Аналогичные сдвиги по фазе возникают между напряжениями до диодных мостов U₂ и U'_2,3 и U₂ и U'_2,4, фиг.2. Среднее значение выпрямленного тока в нагрузке за половину периода питающего напряжения определяется полным импульсом тока I₂ и верхними частями импульсов I₃ и I₄, фиг.3. Качество выпрямленного тока оценивают коэффициентом пульсаций, определяемым отношением амплитуды импульсов постоянного тока к среднему значению тока. При наличии импульсов токов I₃ и I₄ среднее значение выпрямленного тока окажется значительно больше, коэффициент пульсаций выпрямленного тока будет меньше, а качество тока выше. Роль конденсаторов 5 и 7 этим не ограничивается. Их реактивная мощность, Qc₅+Qc₇=Хс₅·I² ₄+Хс₇·I² ₃, компенсирует часть реактивной индуктивной мощности тока силового трансформатора. При этом увеличивается величина коэффициента мощности тока Cosφ, уменьшается значение полного тока первичной обмотки и полной мощности тока силового трансформатора, а значит, и габариты магнитопровода, и площадь сечения проводника первичной обмотки могут быть уменьшены.

В макетном образце выпрямительной установки, используемой для заряда двух последовательно соединенных кислотных аккумуляторных батарей с номинальным напряжением 12 В и электрической емкостью 140 А·ч каждый силовой трансформатор выбран мощностью тока 500 В·А. Для заряда таких батарей выпрямленное напряжение должно составлять не более 30 В. Это напряжение с учетом ЭДС аккумуляторных батарей при их полном заряде достаточно для создания зарядного тока 20 А. Внутреннее сопротивление одной аккумуляторной батареи составляет примерно 0,1 Ом. Напряжение основной части вторичной обмотки U₂ выбрано 28 В. Эта величина напряжения меньше необходимого. Напряжение U_2,4 вторичной обмотки выбрано 56 В, а напряжение U_2,3 примерно 30 В. Дополнительные части вторичной обмотки выполнены проводом меньшей площади сечения. Диодный мост 9, 10, 11, 12 изготовлен из диодов В-25, а диодные мосты 9, 10, 13, 14 и 9, 10, 15, 16 изготовлены из диодов В-10. Величина сопротивления разрядных резисторов выбрана 1 кОм. Конденсаторы 5 и 7 выбраны из соотношения Хс=50-100 Rн, где Rн - внутреннее сопротивление последовательно соединенных аккумуляторных батарей - составляет не более 0,2 Ом.

Сдвиги по фазе между током I₄ и напряжением U'_2,4 в 90° и током I₃ и напряжением U'_2,3 в 45° возникают, соответственно, если электрическая емкость конденсатора С₅≈160 мкФ, его реактивное сопротивление Х₅=20 Ом, а электрическая емкость конденсатора С₄≈3185 мкФ, его реактивное сопротивление Х₄≈1 Ом.

Известно, что заряд химических источников тока, либо электролиз, протекает с большим коэффициентом использования тока, когда качество выпрямленного тока выше. С целью повышения качества выпрямленного тока зарядные устройства изготавливают трехфазными, в однофазных используют индуктивные дроссели - фильтры, рассчитанные на полный зарядный ток. Применение таких дросселей увеличивает массогабаритные параметры выпрямительных установок. Регулирование средних значений тока в нагрузке в предлагаемой выпрямительной установке осуществляли путем изменения числа витков основной и дополнительных частей вторичной обмотки трансформатора.

Выпрямительная установка, содержащая однофазный силовой трансформатор с основной и дополнительной частями вторичной обмотки, включенными последовательно и согласно, рабочий и вольтодобавочный комплекты вентилей, выходы которых имеют выводы для подключения к нагрузке, вход рабочего комплекта вентилей, выполненный в виде однофазного моста соединен с основной частью вторичной обмотки трансформатора, вольтодобавочный комплект вентилей - в виде двух последовательно соединенных вентилей, общая точка которых соединена с крайним выводом дополнительной части вторичной обмотки трансформатора через конденсатор с переменной емкостью с подключенным параллельно к нему резистору, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительной вторичной обмоткой, одним концом последовательно согласно соединенной с крайним выводом имеющейся дополнительной частью вторичной обмотки, другим концом к конденсатору с переменной емкостью и резистору, соединенными между собой параллельно, дополнительным вольтодобавочным комплектом вентилей, общая точка которых соединена с конденсатором с переменной емкостью и резистором, а выходы имеют выводы для подключения к нагрузке.