Нагрузочно-питающее устройство
Владельцы патента RU 2406097:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет" (RU)
Изобретение относится к области преобразовательной техники и может использоваться для испытания трансформаторов, выпрямителей, автономных инверторов, источников вторичного электропитания, электрических машин и других электротехнических устройств, которые потребляют электроэнергию и передают ее в нагрузку. Нагрузочно-питающее устройство представляет собой три обратимых преобразователя напряжения, включенных общими выводами на стороне постоянного напряжения и работающих как в выпрямительном, так и в инверторном режимах. Устройство содержит первый фильтр (1), объект испытания (2), первый (3) и второй (4) обратимые преобразователи напряжения, второй фильтр (5), сеть переменного тока (6), третий обратимый преобразователь напряжения (7), третий фильтр (8), системы управления (9) и (10) обратимых преобразователей напряжения (3) и (7) соответственно и блок задания режима (11). Технический результат заключается в повышении энергетических показателей устройства. 2 ил.
Устройство относится к области преобразовательной техники и может использоваться для испытания трансформаторов, выпрямителей, автономных инверторов, источников вторичного электропитания, электрических машин и других электротехнических устройств, которые потребляют электроэнергию и передают ее в нагрузку.
Из уровня техники известны регулируемые или нерегулируемые активные, активно-индуктивные или активно-емкостные нагрузки (Котеленец Н.Ф. Испытания, эксплуатация и ремонт электрических машин: учебник для вузов / Н.Ф.Котеленец, Н.А.Акимова, М.В.Антонов. - М.: Издательский центр «Академия», 2003. - 384 с.), содержащие реостат, индуктивность или емкость. К достоинствам такого устройства относятся относительно низкая стоимость и высокая надежность, возможность поддержания или регулирования тока в широких пределах за счет изменения сопротивления нагрузки. К недостаткам - трудность одновременной плавной регулировки нагрузки во всех фазах m-фазной нагружаемой системы, трудность регулирования угла сдвига φ между напряжением и током, невозможность изменять направление потока мощности, а главное, вся энергия, вырабатываемая источником вторичного напряжения, поглощается в нагрузочных реостатах, переходит в тепло и рассеивается в окружающую среду. Вследствие этого усложняется проведение испытаний и повышаются затраты. Такое устройство не может одновременно нагружать испытываемый объект и питать его напряжением с регулируемыми параметрами (величиной, частотой, формой).
Известна электронная нерассеивающая нагрузка (Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника / В.И.Мелешин. - М.: Техносфера, 2005. - 632 с.). Однако ее использование возможно только на постоянном токе, она не позволяет изменять направление потока мощности, не может одновременно нагружать испытываемый объект и питать его напряжением с регулируемыми параметрами (величиной, частотой, формой).
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является нагрузочно-питающее устройство (RU 2345376, МПК7 G01R 31/40. Нагрузочно-питающее устройство / Гельман М.В., Хусаинов Р.З., Терещина О.Г., Рахматулин P.M., Дудкин М.М. - №2007130645/28; заявл. 10.08.07; опубл. 27.01.09, Бюл. №3. - 5 с.), содержащее последовательно включенные m-фазный фильтр, подключенный к зажимам m-фазного объекта испытания, m-фазную нагрузку, второй m-фазный фильтр, подключенный к сети переменного тока, а m-фазная нагрузка выполнена на основе двух m-фазных обратимых преобразователей напряжения, соединенных на стороне постоянного тока, сторона переменного тока первого обратимого преобразователя напряжения присоединена к m-фазному фильтру, подключенному к объекту испытания, а сторона переменного тока второго обратимого преобразователя напряжения присоединена к m-фазному фильтру, подключенному к сети.
Недостатком устройства-прототипа является невозможность одновременно нагружать испытываемый объект и питать его напряжением с регулируемыми параметрами (величиной, частотой, формой).
В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в расширении функциональных возможностей, а именно: одновременного питания испытываемого электротехнического объекта напряжением с регулируемыми параметрами (величиной, частотой, формой) и его нагрузки от одного устройства, что уменьшает расход электроэнергии и удешевляет испытательное оборудование.
Особенность изобретения заключается в том, что в нагрузочно-питающее устройство, содержащее два обратимых преобразователя напряжения, соединенных на стороне постоянного напряжения, первый фильтр, подключенный входами к выходным зажимам объекта испытания, а выходами - к силовым входам первого обратимого преобразователя напряжения, систему управления первого обратимого преобразователя напряжения, выход которой соединен с входом управления первого обратимого преобразователя напряжения, а вход - с силовыми входами первого обратимого преобразователя напряжения, а также содержащее второй фильтр, подключенный входами к сети переменного тока, а выходами - к силовым входам второго обратимого преобразователя напряжения, согласно изобретению введены последовательно подключенные третий обратимый преобразователь напряжения и третий фильтр, подключенный к входным зажимам объекта испытания, а также система управления третьего обратимого преобразователя напряжения, выход которой соединен с управляющим входом третьего обратимого преобразователя напряжения, а вход - с силовыми входами третьего обратимого преобразователя напряжения, и введен блок задания режима, выходы которого соединены с дополнительными входами систем управления первого и третьего обратимых преобразователей напряжения, при этом третий обратимый преобразователь напряжения соединен с первым и вторым обратимыми преобразователями напряжения на стороне постоянного напряжения.
Поставленная техническая задача достигается за счет подключения третьего обратимого преобразователя напряжения совместно с системой управления, который позволяет осуществлять питание, а также рекуперацию энергии электротехническим объектом с помощью одного устройства, что уменьшает расход электроэнергии и удешевляет испытательное оборудование.
Когда питание на объект подается через третий обратимый преобразователь напряжения, первый обратимый преобразователь напряжения выполняет функцию нагрузки и рекуперирует энергию на сторону постоянного тока, общую для трех обратимых преобразователей напряжения. Когда объект начинает рекуперировать энергию через третий обратимый преобразователь напряжения, первый обратимый преобразователь напряжения начинает питать объект со стороны его выхода.
Из сети переменного тока потребляется только энергия, компенсирующая потери в схеме, а все перетоки энергии происходят только на стороне постоянного тока.
Таким образом, предлагаемое устройство обладает повышенными энергетическими показателями, позволяет осуществлять питание, а также рекуперацию энергии электротехническим объектом с помощью одного устройства, что уменьшает расход электроэнергии и удешевляет испытательное оборудование.
Изобретение поясняется чертежами:
фиг.1 - структурная схема предлагаемого устройства;
фиг.2 - структурная схема устройства при питании объекта постоянным или однофазным переменным током с выходом на трехфазном переменном.
В состав нагрузочно-питающего устройства (фиг.1) входят первый фильтр 1, подключенный к выходным зажимам m-фазного объекта испытания 2, два обратимых преобразователя напряжения 3 и 4, соединенных на стороне постоянного напряжения. Выходы фильтра 1 соединены с силовыми входами первого обратимого преобразователя напряжения 3. Силовые входы второго обратимого преобразователя напряжения 4 подключены через второй фильтр 5 к сети переменного тока 6. Третий обратимый преобразователь напряжения 7 стороной постоянного напряжения присоединен к стороне постоянного напряжения обратимых преобразователей напряжения 3 и 4, а его силовые входы через фильтр 8 подключены к входным зажимам объекта испытания. Системы управления 9 и 10 первого 3 и третьего 7 обратимых преобразователей напряжения подключены к управляющим входам первого 3 и третьего 7 обратимых преобразователей напряжения, а также входами - к силовым входам первого 3 и третьего 7 обратимых преобразователей напряжения соответственно. Блок задания режима, выходы которого соединены с дополнительными входами систем управления первого 3 и третьего 7 обратимых преобразователей напряжения.
Каждый обратимый преобразователь напряжения 3, 4 и 7 выполнен по схеме m-фазного автономного инвертора напряжения, работающего как в инверторном, так и в выпрямительном режимах (фиг.2). Однофазный обратимый преобразователь напряжения 7 может также работать в режиме реверсивного рекуперирующего преобразователя постоянного напряжения.
Принцип работы устройства следующий.
Второй обратимый преобразователь напряжения 4 (фиг.1, 2) потребляет энергию из сети переменного тока 6 с заданным cosφ (близким к 1), обеспечивая стабилизацию напряжения на емкостном накопителе, роль которого выполняет конденсатор Cd (фиг.2), включенный на стороне постоянного напряжения нагрузочно-питающего устройства и являющийся общим для всех трех обратимых преобразователей напряжения 3, 4 и 7.
Третий обратимый преобразователь напряжения 7, подключенный к стороне постоянного напряжения первого 3 и второго 4 обратимых преобразователей напряжения, преобразует энергию с выхода второго обратимого преобразователя напряжения 4 в энергию с заданным напряжением постоянного или переменного тока, подаваемую на вход испытываемого объекта 2. Система управления 10 совместно с третьим обратимым преобразователем напряжения 7 работает в режиме источника питания, формируя заданное напряжение постоянного или переменного тока с регулируемой амплитудой и частотой. Режим работы системы управления 10 задается блоком задания режима 11.
Первый обратимый преобразователь напряжения 3 имитирует заданное сопротивление нагрузки за счет обеспечения заданного системой управления 9 тока, линейно зависящего от напряжения фазы объекта испытания 2 и угла сдвига φ между напряжением и током, и возвращает энергию на сторону постоянного напряжения, на которой включены первый 3, второй 4 и третий 7 обратимые преобразователи напряжения. Система управления 9 первого обратимого преобразователя напряжения 3 работает в режиме нагрузки, задаваемом блоком задания режима 11.
При переходе испытываемого объекта 2 в режим рекуперации третий 7 и первый 3 обратимые преобразователи напряжения меняются ролями. При этом блок задания режима 11 задает для системы управления 9 первого обратимого преобразователя напряжения 3 режим источника питания, а для системы управления 10 третьего обратимого преобразователя напряжения 7 режим нагрузки.
Из сети переменного тока 6 через второй обратимый преобразователь напряжения 4 потребляется только энергия, компенсирующая потери в схеме, а все перетоки энергии происходят только на стороне постоянного напряжения через третий обратимый преобразователь напряжения 7, фильтр 8, объект испытания 2, фильтр 1 и первый обратимый преобразователь напряжения 3 (фиг.1, 2).
Системы управления 9 и 10 первого 3 и третьего 7 обратимых преобразователей напряжения соответственно строятся на основе современных микроконтроллеров, что позволяет на программном уровне реализовывать практически любые законы управления обратимым преобразователем напряжения, в частности формировать сигнал заданной фиксированной амплитуды и частоты на переменном токе и амплитуды на постоянном токе (режим источника питания) или заданный ток, пропорциональный выходному напряжению объекта испытания и сдвинутый относительно него на заданный угол φ (режим нагрузки).
Системы управления 9 и 10 первого 3 и третьего 7 обратимых преобразователей напряжения (фиг.1, 2) могут быть выполнены с релейным управлением или в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ). В первом случае, когда один из обратимых преобразователей напряжения 3 или 7 работает в режиме нагрузки, транзисторы стойки моста включаются в моменты, когда ток нагрузки i1 уменьшается ниже заданного значения iзад, и выключаются, когда превышает. Чем меньше ширина токового коридора Δi, тем точнее формируется синусоида, но тем выше частота коммутации транзисторов. При ШИМ-регулировании формируется гладкая составляющая напряжения на зажимах ab (фиг.2) так, чтобы под действием разности этого напряжения и напряжения сети протекал синусоидальный ток, сдвинутый на заданный угол φ между напряжением и током.
В режиме источника питания формируется требуемая амплитуда и частота на выходе одного из обратимых преобразователей напряжения 3 или 7 (только амплитуда для постоянного тока) за счет системы управления 9 или 10, работающей в режиме ШИМ-регулирования.
Во втором обратимом преобразователе напряжения 4 применяется стандартная система управления [www.siemens.ru], обеспечивающая поддержание напряжения на конденсаторе Cd и расчет сетевого тока.
Если при релейном регулировании заданный ток совпадает с напряжением сети 6 по форме и по фазе, то cosφ=1 и схема обладает высокими энергетическими показателями.
Промышленная применимость
Опытный образец рассмотренного устройства был опробован в автоматизированном лабораторном комплексе по преобразовательной технике в ООО НПП «Учебная техника - Профи» при Южно-Уральском государственном университете.
В качестве объекта испытания был взят трехфазный автономный инвертор напряжения, который может работать как в выпрямительном, так и в инверторном режимах. В случае его работы в выпрямительном режиме питание испытываемого объекта осуществлялось от первого обратимого преобразователя, который преобразует энергию, получаемую на стороне постоянного напряжения через второй обратимый преобразователь напряжения, в трехфазную энергию с заданным напряжением и частотой, формируемой системой управления первым обратимым преобразователем напряжения. Роль нагрузки выполняет третий обратимый преобразователь напряжения за счет обеспечения заданного системой управления постоянного тока и который рекуперирует энергию трехфазного автономного инвертора напряжения на сторону постоянного напряжения нагрузочно-питающего устройства. При переходе трехфазного автономного инвертора напряжения в инверторный режим первый и третий обратимые преобразователи напряжения меняются ролями. В результате этого обмен энергией происходит между первым и третьим обратимыми преобразователями напряжения и трехфазным автономным инвертором напряжения, источником энергии которых является постоянное напряжение, формируемое вторым обратимым преобразователем напряжения, подключенного через второй фильтр к сети переменного тока. Второй обратимый преобразователь потребляет только энергию, необходимую на покрытие потерь в схеме. Таким образом, предлагаемое нагрузочно-питающее устройство позволяет осуществить одновременное питание и нагружение трехфазного автономного инвертора напряжения от одного устройства, уменьшить расход потребления электроэнергии из сети за счет рекуперации энергии от исследуемого объекта на сторону постоянного напряжения и уменьшить габариты стенда за счет возможности одновременного питания и нагружения исследуемого объекта от одного устройства, а значит, и сократить расходы на испытательное оборудование.
Нагрузочно-питающее устройство для испытания электротехнических объектов с входом и выходом на постоянном или m-фазном переменном токе, содержащее два обратимых преобразователя напряжения, соединенных на стороне постоянного напряжения, первый фильтр, подключенный входами к выходным зажимам объекта испытания, а выходами - к силовым входам первого обратимого преобразователя напряжения, систему управления первого обратимого преобразователя напряжения, выход которой соединен с входом управления первого обратимого преобразователя напряжения, а вход - с силовыми входами первого обратимого преобразователя напряжения, а также содержащее второй фильтр, подключенный входами к сети переменного тока, а выходами - к силовым входам второго обратимого преобразователя напряжения, отличающееся тем, что в него введены последовательно подключенные третий обратимый преобразователь напряжения и третий фильтр, подключенный к входным зажимам объекта испытания, а также система управления третьего обратимого преобразователя напряжения, выход которой соединен с управляющим входом третьего обратимого преобразователя напряжения, а вход - с силовыми входами третьего обратимого преобразователя напряжения, и введен блок задания режима, выходы которого соединены с дополнительными входами систем управления первого и третьего обратимых преобразователей напряжения, при этом третий обратимый преобразователь напряжения соединен с первым и вторым обратимыми преобразователями напряжения на стороне постоянного напряжения.
