Способ регулирования напряжения и мощности



Способ регулирования напряжения и мощности
Способ регулирования напряжения и мощности

 


Владельцы патента RU 2600572:

Федеральное государственное унитарное предприятие Экспериментальный завод научного приборостроения со Специальным конструкторским бюро Российской академии наук (RU)

Изобретение относится к области силовой электроники и предназначено для регулирования напряжения и мощности в мощных низковольтных однофазных резистивных нагревателях различных электротермических установок. Задачей предлагаемого изобретения является устранение недостатков, связанных с перекосом фаз и снижением коэффициента мощности, которые присутствуют при формировании выходной синусоиды напряжения транзисторного преобразователя со стандартной частотой 50 Гц. Способ регулирования напряжения и мощности, в котором используют транзисторный преобразователь, состоящий из входного трехфазного диодного выпрямителя, сглаживающего LC-фильтра звена постоянного тока и однофазного транзисторного мостового инвертора, на выход которого подключен LC-фильтр переменного тока, отличающийся тем, что транзисторный преобразователь питает низковольтные резистивные нагреватели через стандартный понижающий однофазный трансформатор синусоидальным напряжением с частотой, в полтора раза превышающей частоту питающей трехфазной сети. 3ил.

 

Заявляемое изобретение относится к области электротехники, в частности к области силовой электроники, и предназначено для регулирования напряжения и мощности в мощных низковольтных однофазных резистивных нагревателях различных электротермических установок, питаемых через стандартные однофазные низкочастотные трансформаторы частотой 50 Гц при наличии трехфазной сети частотой 50 Гц.

В России и за рубежом имеется большое количество предприятий, на которых используется мощное электротермическое оборудование, в составе которого для оптимизации конструкции используются низковольтные сильноточные однофазные нагреватели. Максимальное напряжение таких нагревателей составляет менее 10 В при токах, достигающих 10 кА, при этом требуется глубокое регулирование напряжения и мощности нагревателей. Питаются такие нагреватели через мощные однофазные силовые трансформаторы стандартной частоты.

Такое электротермическое оборудование применяется, в том числе, на предприятиях по выращиванию слитков искусственного сапфира по методу Киропулоса. Каждая применяемая электротермическая установка имеет мощность 60-80 кВт, а количество установок на предприятиях достигает нескольких сотен штук. Для регулирования напряжения и мощности эксплуатируемых в настоящее время установок массово применяются однофазные тиристорные регуляторы напряжения с известной схемой силовой части, представленной на фиг. 1 и известной из открытых источников, например рис. 2.95а на стр. 100 [1]. Регуляторы получают питание от двух фаз трехфазной сети и регулируют выходное напряжение, используя фазоимпульсный принцип регулирования напряжения.

Использованием однофазных регуляторов объясняется наличие крайне низкого уровня энергоэффективности потребления электроэнергии, так как:

- подключение регуляторов к двум из трех фаз вызывает неравномерное нагружение током фаз - «перекос фаз», полностью не устранимое даже при распределении и подключении электротермических установок к разным парам фаз;

- фазоимпульсный принцип регулирования напряжения является причиной низкого коэффициента мощности из-за сдвига фаз между кривыми напряжения и тока в нагрузке (значения коэффициента мощности близки к значениям 0,7-0,75);

- фазоимпульсный принцип регулирования напряжения приводит к появлению в сети высших гармоник тока и напряжения, отрицательно сказывающихся на других потребителях электроэнергии и энергосетевом оборудовании.

Применение трехфазных тиристорных схем с фазоимпульсным регулированием напряжения по первичной и вторичной стороне трехфазного трансформатора, приведенным на рис. 2, 3, 4 [2], для мощных низковольтных однофазных нагревателей также нецелесообразно из-за больших потерь в выпрямителях на вторичной стороне трехфазных трансформаторов, к тому же не устраняет приведенных выше недостатков схемы однофазного тиристорного регулятора.

Схемой, направленной на устранение всех недостатков вышеперечисленных тиристорных регуляторов, является схема, содержащая трехфазный диодный выпрямитель, однофазный транзисторный инвертор и выходной фильтр, изображенная на рис. 5 [2] и на фиг. 2. На выходе данной схемы с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) формируется регулируемое однофазное синусоидальное напряжение по широко известному алгоритму, которое прикладывается к первичной обмотке низкочастотного однофазного трансформатора, уже имеющегося в составе электротермических установок. В России используются трансформаторы со стандартной частотой 50 Гц. Приведенная схема неработоспособна без фильтра звена постоянного тока, однако главный ее недостаток состоит в том, что для нее не исследована и не указана оптимальная частота выходного напряжения, а предполагаемая частота выходного напряжения стандартна и равна 50 Гц, так как выходное напряжение прикладывается к первичной обмотке трансформатора, рассчитанного на питание от сети 50 Гц.

В качестве аналога может быть применена схема, приведенная на фиг. 2. Использование данной схемы призвано устранить все недостатки вышеперечисленных тиристорных схем, однако это не так. Более подробное исследование с использованием математического моделирования с последующим испытанием опытного образца транзисторного преобразователя мощностью 80 кВт показало, что при равенстве частоты входного и выходного напряжения токи, потребляемые нагрузкой из разных фаз, существенно не равны между собой, а коэффициент мощности составляет не 0,95, а 0,93. Коэффициент несимметрии токов, вычисляемый по формуле:

,

где IA, IB, IC - действующие значения токов фаз, ΔImax - наибольшая разность токов двух фаз, достигает значения 12%.

Этот эффект связан с противоречием между трехфазным характером выпрямления сетевого напряжения и однофазным характером потребления энергии с одинаковой частотой.

Объясняется описанный выше эффект тем, что при одинаковой частоте входного и выходного напряжения выходная синусоида напряжения по-разному расположена по отношению к трем синусоидам входного сетевого напряжения и доли энергии, поступающие на выход схемы и в нагрузку из разных фаз сети различны. (При формировании однофазной выходной синусоиды, когда ее частота в несколько раз превышает частоту трехфазной питающей сети, эффект «перекоса фаз» нивелируется, а при наличии трехфазного инвертора отсутствует).

Задачей предлагаемого изобретения является устранение недостатков, связанных с перекосом фаз и снижением коэффициента мощности, которые присутствуют при формировании выходной синусоиды напряжения транзисторного преобразователя со стандартной частотой 50 Гц.

Техническим результатом от использования изобретения является снижение нагрузки на питающую трехфазную сеть и улучшение формы питающих напряжений, повышение энергоэффективности работы электротехнического оборудования и повышение срока его эксплуатации, возможность модернизации существующих электротермических установок без замены существующих дорогостоящих силовых трансформаторов.

Экономический эффект связан со снижением финансовых затрат на потребление электроэнергии в расчете на единицу продукции, повышением надежности и эффективности работы электротехнического оборудования электротермических установок и оборудования электрических сетей.

Указанная задача решается с помощью способа регулирования напряжения и мощности, в котором используют транзисторный преобразователь, состоящий из входного трехфазного диодного выпрямителя, сглаживающего LC-фильтра звена постоянного тока и однофазного транзисторного мостового инвертора, на выход которого подключен LC-фильтр переменного тока, отличающегося тем, что транзисторный преобразователь питает низковольтные резистивные нагреватели через стандартный понижающий однофазный трансформатор синусоидальным напряжением с частотой, в полтора раза превышающей частоту питающей трехфазной сети.

Исследования показали, что по мере увеличения частоты выходного напряжения выше 50 Гц «перекос фаз» снижается и становится равным нулю, когда частота выходной синусоиды в 1,5 раза превышает частоту трехфазной питающей сети, а коэффициент мощности увеличивается и становится максимальным и равным 0,95.

Из всего вышесказанного следует, что для выравнивания токов фаз и получения максимального коэффициента мощности при частоте питающей сети 50 Гц на выходе преобразователя необходимо формировать синусоиду напряжения с частотой 75 Гц.

Схема транзисторного преобразователя с подключенной нагрузкой и указанием частоты питающей сети 50 Гц и частоты выходного напряжения 75 Гц изображена на фиг. 3.

На схеме фиг. 3 введена следующая нумерация блоков: 1 - трехфазный диодный мостовой выпрямитель, 2 - сглаживающий LC-фильтр звена постоянного тока, 3 - однофазный транзисторный мостовой инвертор, 4 - выходной LC-фильтр переменного тока, 5 - однофазный силовой трансформатор, 6 - однофазная низковольтная резистивная нагрузка.

Так как напряжение повышенной частоты 75 Гц прикладывается к первичной обмотке однофазного силового трансформатора, рассчитанного на питание от сети частотой 50 Гц, то необходимо оценить влияние эффекта повышения частоты питающего напряжения на трансформатор.

С одной стороны, с увеличением частоты синусоидального напряжения, приложенного к первичной обмотке трансформатора, растут потери в стали трансформатора. С другой стороны, при замене однофазного тиристорного регулятора (см. фиг. 1) на транзисторный преобразователь с синусоидальным выходным напряжением становятся равными нулю потери в стали от высших гармоник несинусоидального напряжения. Сравнительные испытания, проведенные на опытном образце транзисторного преобразователя и серийного тиристорного регулятора, показали, что с транзисторным преобразователем температура корпуса трансформатора при той же мощности нагрузки уменьшилась, а дребезг и шум снизились.

Изобретение иллюстрируется следующими чертежами:

Фиг. 1 - силовая часть однофазного тиристорного регулятора напряжения,

Фиг. 2 - схема, содержащая трехфазный выпрямитель и однофазный инвертор,

Фиг. 3 - схема изобретения (с подключенной нагрузкой).

Разработанный транзисторный преобразователь имеет широкую область применения как для модернизации существующего электротермического оборудования, так и для применения в электротермических установках нового поколения.

Транзисторный преобразователь реализован в виде опытного образца и принят к производству ФГУП «Экспериментальный завод научного приборостроения со Специальным конструкторским бюро РАН».

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Электрооборудование и автоматика электротермических установок: (Справочник) / Альтгаузен А.П., Бершидский И.М., Бершидский М.Д. и др., Под ред. А.П. Альтгаузена, М.Д. Бершидского, М.Я. Смелянского, В.М. Эдемского. - М.: Энергия, 1978. - 304 с., ил.

2. Тиристорный преобразователь как средство модернизации однофазных печей. http://www.elec.ru/articles/tiristornyj-preobrazovatel-kak-sredstvo-modernizac/

Способ регулирования напряжения и мощности, в котором используют транзисторный преобразователь, состоящий из входного трехфазного диодного выпрямителя, сглаживающего LC-фильтра звена постоянного тока и однофазного транзисторного мостового инвертора, на выход которого подключен LC-фильтр переменного тока, отличающийся тем, что транзисторный преобразователь питает низковольтные резистивные нагреватели через стандартный понижающий однофазный трансформатор синусоидальным напряжением с частотой, в полтора раза превышающей частоту питающей трехфазной сети.



 

Похожие патенты:

Настоящее изобретение относится к области электротехники и преобразовательной техники, в частности к статическим преобразователям электрической энергии, построенным по схеме двухзвенных электрических преобразователей.

Настоящее изобретение относится к области электротехники и силовой электроники, в частности к преобразователям электрической энергии, построенным по схеме двухзвенных электрических преобразователей.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в частотно-регулируемом электроприводе переменного тока, в частности в грузоподъемных механизмах, и предназначено для рекуперации электрической энергии в питающую сеть в режиме генераторного торможения при спуске тяжелого груза.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для потребителей, питающихся от сети. Техническим результатом является повышение точности установки отношения паразитных индуктивностей трансформатора между рабочими режимами.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в машине с управляемым преобразователем приводом. Технический результат - усовершенствование рабочих характеристик машин.

Изобретение относится к способу генерации напряжения, осуществляемому генераторным модулем (20) электрической сети (1) летательного аппарата, причем упомянутой электрической сети (1), содержащей линию (3) подачи электропитания, питаемую упомянутым генераторным модулем (20), шину (4) постоянного тока, питаемую от упомянутой линии (3) подачи электропитания через выпрямитель (5) и, по меньшей мере, один электропривод (9), питаемый переменным током от шины (4) постоянного тока через инвертор (8); причем способ генерации содержит этап, на котором подают напряжения (VAC) переменного тока как функцию от устанавливаемого значения напряжения и напряжения, измеренного в упомянутой бортовой сети (1) электропитания.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в вакуумных установках для плавки и термообработки металлов. Технический результат: непрерывный контроль симметрии и величины напряжения вывода индуктора относительно заземленной нейтрали питающей сети, быстрое снижение напряжения на нагрузке при увеличении контролируемого напряжения выше установленного значения, надежное и плавное выключение преобразователя при пробое вывода нагрузки на заземленную нейтраль, повышение электрического КПД индуктора, улучшение формы выходного тока.

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники, в частности к преобразователям электрической энергии, построенным по схеме двухзвенных электрических преобразователей.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для демпфирования крутильных колебаний во вращающейся системе. Технический результат - осуществление демпфирования колебаний без использования датчиков вращающегося момента.

Настоящее изобретение относится к области электротехники и силовой электроники, в частности к преобразователям электрической энергии, построенным по схеме двухзвенных электрических преобразователей. Технический результат - повышение энергетической эффективности устройства, уменьшение времени подготовки преобразователя частоты к работе, повышение надежности, а также улучшение эксплуатационных характеристик.
Наверх