Система для перетворення змінного струму у постійний для живлення навантажень

Система відноситься до галузі електротехніки, а більш конкретно — систем живлення навантаження постійним (випрямленим) струмом і може бути використана для живлення навантаження, яке має індуктивність, а саме електродвигунів щахтних контактних електровозів та міського транспорту (трамваїв, тролейбусів, метрополітену). Відома система живлення, яка містить трифазний трансформатор і три вентилі (керовані або не керовані), в якій всі три виводи вторинної обмотки трансформатора підключені до анодів вентилів, катоди котрих з'єднані разом і складають один з виводів перетворювача, а другим виводом є вивід від нульової точки вторинної обмотки, з'єднаної в зірку (Регинський В.Ю. Електроживлення радіопристроїв. Вид. 2-е перероблене. Л. "Енергія", 1970 р.). При відомій схемі живлення не можна використати ЕРС самоіндукції кола навантаження i за рахунок цього знизити енергоспоживання та покращити енергетичні параметри навантаження при визначених параметрах системи живлення. Цей недолік зумовлений тим, що ЕРС самоіндукції діє в той час, коли навантаження "відключається" від джерела. Так, наприклад, в системі живлення з трифазним однотактним випрямлячем ЕРС самоіндукції проявляється в моменти відключення живлення. В основу винаходу поставлено завдання створити таку систему для перетворення змінного струму в постійний для живлення навантаження, яка дозволила б покращити енергетичні показники індуктивного навантаження за рахунок використання ЕРС самоіндукції останнього в період пауз в електропостачанні. Вказане завдання розв'язується за рахунок того, що систему для перетворення змінного струму в постійний для живлення навантаження, яка містить трифазний трансформатор і трифазний вентиль ний випрямляч, перші однойменні виводи вентилів котрого з'єднані з відповідними виводами вторинної обмотки трансформатора, а другі однойменні виводи вентилів з'єднані разом, згідно з винаходом обладнано додатковим вентилем та довгою лінією, перші виводи проводів якої з'єднано з другими однойменними виводами вентилів випрямляча і одним із фазних проводів вторинної обмотки трансформатора відповідно, а другі виводи проводів довгої лінії використано як виводи для підключення навантаження, між якими включено додатковий вентиль таким чином, що другі однойменні виводи вентилів випрямляча з'єднано з тим із проводів довгої лінії , до якого підключено однойменний вивід додаткового вентиля. На фіг. 1 наведено схему реалізації системи; на фіг. 2 - діаграми напруги на виході випрямляча, струму випрямляча і струму в навантаженні; на фіг. З - осцилограми струмів і напруги. Система містить трифазний трансформатор 1, до виводу вторинної обмотки якого підключено перші однойменні виводи 2,3,4 трифазного вентильного випрямляча 5, що складається, наприклад, з діодів 6,7,8, а його другі однойменні виводи з'єднано між собою, створюючи вивід 9; довгу лінію 10, перші виводи проводів якої з'єднано з однойменними виводами випрямляча, з'єднаними разом, і з одним із фазних виводів вторинної обмотки трансформатора відповідно; додатковий вентиль 11, котрий підключено таким чином, що другі однойменні виводи вентилів випрямляча з'єднано з тим із проводів довгої лінії, до якого підключено однойменний вивід вентиля 11. Другі виводи довгої лінії призначені для підключення навантаження 12, активний опір якого Rн, а індуктивний Хн. Система працює таким чином. Випрямлена напруга на вихідних затисках 9 і 4 випрямляча 5, до яких підключено довгу лінію 10 і навантаження 12, зашунтовано діодом 11, є пульсуючою (див. фіг, 2б). В першу третину періоду напруга на навантаженні 12 формується вентилем 6, який проводить струм при позитивному значенні лінійної напруги на затискачах 2 і 4 вторинної обмотки живильного трансформатора 1. У другу третину періоду напруга на навантаженні формується вентилем 7, який проводить струм при позитивному значенні лінійної напруги на затискачах 3 і 4 живильного трансформатора. В останню третину періоду випрямлена напруга на затискачах 4 і 9 відсутня, оскільки в цей проміжок часу більш позитивною є лінійна напруга на затискачах 4 і 2 трансформатора і вона виявляється прикладеного зустрічно провідному напрямку вентилів 6 і 7, які заперті. Тому напруга на затискачах 4 і 9 діє на протязі часу t1, а на протязі часу t2 має місце пауза. Середнє значення напруги на виході випрямляча (заштрихована зона на фіг. 2б) визначається із співвідношення: 3 Uср= p 2 Uл , де Uл — лінійна напруга на затискачах вторинної обмотки трансформатора, В. При Uл=380 В випрямлена напруга Ucep= = 250 В, тобто така ж, як у відомій схемі трифазного однотактного випрямляча, до якого навантаження підключається між з'єднаними разом катодами трьох вентилів і нульовою точкою вторинної обмотки живильного трифазного трансформатора. Оскільки у випрямленій напрузі щоперіоду з'являється пауза тривалістю 1/3 періоду промислової частоти, то це еквівалентно відключенню джерела на таку тривалість (6,6 мс) . Проте в колі навантаження 12 струм протікає і на протязі паузи. Це пояснюється тим, що на початку паузи, коли напруга джерела не діє, починає діяти ЕРС самоіндукції Е кола навантаження і в контурі, створеному навантаженням 12 і вентилем 11, підключеним до його затискачів, протікає затухаючий в часі струм, залежний від опору навантаження, та коефіцієнта затухання і не залежний від опору довгої лінії 10, через яку навантаження підключене до випрямляча 5. E -dt l Rн І в= , Тому загальний струм в колі навантаження Ін, зумовлений не лише струмом Іо, створеним джерелом, але й струмом Ів, створюваним ЕРС самоіндукції. Середнє значення струмів в колі навантаження (Інс) г в лінії (Іос), створюваного джерелом, в колі вентиля 11 визначається із співвідношень: 4Um 4 2 = Uл І нс= 3pR н 3pR н ; І ос= Um Z æ 50 sin j 1 + l dt 2 + l - dt 2 - l - dt1 100 cos j ö ç ÷ × + ç 37,5 ÷ d l dt2 - l -dt1 è ø; І ос= Um Z æ 50 sin j l dt 2 + l - dt 2 - l -dt1 - 1 ö ç ÷ ç ÷ d l dt 2 - l - dt1 è ø, де Um - амплітуда лінійної напруги вторинної обмотки трансформатора, В; 2 2 Rн + Xн Z - позірний опір навантаження, Ом, Z= ; Хн - індуктивний опір навантаження, Ом; Хн=2p fLн=235,5L н; f - частота слідування здвоєного імпульсу випрямленої напруги, f=37,5 Гц; d - коефіцієнт затухання, d=Rн/Lн. Результати розрахунків виконаних для тягового електродвигуна типу ЕТ-46 з параметрами Rдв=0,075 Ом, L=0,077 × 10-3 Гц, n=1320 об/хв в установленому режимі, живленні від трансформатора з напругою вторинної обмотки Uл=380 В, наведено в таблиці. Згідно з даними, середнє за період значення струму, зумовленого напругою джерела, складає 74% від струму в колі двигуна, а струм, зумовлений ЕРС самоіндукції, складає 26%. Параметри Значення параметрів А % Струм в колі двигуна 186,6 100 Струм в лінії, зумовлений джерелом 138,0 74 Струм в колі вентиля 11, зумовлений ЕРС самоіндукції 48,6 26 Із збільшенням індуктивності струм Ів збільшується, частка І 0 в загальному струмі навантаження зменшується і лише при LН=0, коли навантаження чисто активне І 0=І н, І в=0. Розрахункові параметри підтверджуються осцилограмами струмів тягового електродвигуна ЕДР-25 при n=720 об/хв і середній випрямленій напрузі U=265 В в установленому режимі (див. фіг. 3). На осцилограмі видно, що при середньому струмі в колі двигуна 200 А струм в лінії, зумовлений джерелом, дорівнює 160 А, що складає 80% від струму двигуна, а струм вентиля 11 дорівнює 47 А, що складає 23,5% від струму двигуна. Це свідчить про те, що струм в колі двигуна неперервний, хоч і пульсуючий. Зменшення пульсацій можна забезпечити включенням в коло навантаження додаткової індуктивності. Пропонована схема для перетворення змінного струму в постійний дозволяє забезпечити необхідні характеристики навантаження при меншому споживанні енергії від джерела в порівнянні з відомими системами, наприклад, системою з трифазним однотактним випрямлячем для живлення навантаження. В пропонованій системі використовується ЕРС самоіндукції, яка віддає енергію в навантаження, в той час, коли джерело заперте і живлення його перерване. Важливою властивістю системи є те, що струм від джерела, проходячи по обмотці двигуна, що має індуктивність, одночасно створює корисний ефект — обертаючий момент і збуджує ЕРС самоіндукції, значення якої тим більше, чим більша амплітуда струму чи напруги джерела. З іншого боку, якщо в пропонованій системі живлення середній струм в лінії від джерела буде таким же, як в прототипі, то за рахунок струму, зумовленого ЕРС самоіндукції, обертаючий момент (тягове зусилля) двигуна буде більшим. Проте необхідно враховувати два обмеження: має забезпечуватися режим неперервного струму, а збільшення потужності в навантаженні має бути більшим ніж збільшення потужності втрат в міді і сталі електродвигуна за рахунок пульсацій струму в його обмотках та пульсацій магнітного потоку в сталі полюсів і якорі. Фіг. 1 Фіг. 2 Фіг. 3 Тираж 50 екз. Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м. Ужгород, вул. Гагаріна, 101 (03122) 3 – 72 – 89 (03122) 2 – 57 – 03