CC BY
58
УДК 621.314 UDC 621.3124
ИСТОЧНИКИ НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯН- DC VOLTAGE SOURCES WITH IMPROVED
НОГО ТОКА С УЛУЧШЕННЫМИ ЭКСПЛУ- OPERATIONAL AND TECHNICAL CHARAC-
АТАЦИОННО-ТЕХНИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕ- TERISTICS
РИСТИКАМИ
Григораш Олег Владимирович Grigorash Oleg Vladimirovich
д.т.н., профессор, заведующий кафедрой, Doctor of Engineering Sciences, professor, head of the
grigorasch61 @mail.ru chair, grigorasch61 @mail.ru
Отмахов Г еоргий Сергеевич Otmakhov Georgiy Sergeevich
студент student
Кубанский государственный аграрный универси- Kuban State Agrarian University, Krasnodar, Russia
тет, Краснодар, Россия
В статье рассматриваются новые структурно- The article discusses the new structural schematics and
схемные решения и особенности работы источни- features of the DC voltage source with improved opera-
ков напряжения постоянного тока с улучшенными tional and technical characteristics
эксплуатационно-техническими характеристиками
Ключевые слова: АВТОНОМНЫЕ СИСТЕМЫ Keywords: AUTONOMOUS POWER SUPPLY
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ, ВЫПРЯМИТЕЛЬ, SYSTEMS, RECTIFIER, DC VOLTAGE SOURCE
ИСТОЧНИК НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Широкое распространение в автономных системах электроснабжения (АСЭ), в том числе в бесперебойных системах, которые в своей структуре содержат несколько независимых источника электроэнергии, получили источники напряжения постоянного тока - выпрямители [1, 2]. Выпрямители нашли применение и в АСЭ, где используются возобновляемые источники электроэнергии (ВИЭ) [3].
Выпрямители в основном являются источниками электроэнергии компьютерных систем, автоматических систем управления, систем стабилизации и преобразования параметров электроэнергии, устройств защиты и т. п. Кроме того, они являются источниками электроэнергии для заряда аккумуляторные батареи. Как известно, аккумуляторные батареи являются резервными (аварийными) источниками электроэнергии [2, 4].
Таким образом, от эксплуатационно-технических характеристик выпрямителей зависит надёжность работы компьютерных систем связи и обработки информации, автоматических системы управления технологиче-
скими процессами и производственными комплексами, а также резервных (аварийных) источников электроэнергии.
В статье рассматриваются новые структурно-схемные решения и особенности работы источников напряжения постоянного тока с улучшенными эксплуатационно-техническими характеристика, новизна которых подтверждена патентами РФ.
На рисунке 1 представлена функциональная схема источника напряжения постоянного тока выполняется на трансформаторе со средней точкой, а на рисунке 2 - диаграммы напряжений, поясняющие принцип работы системы его управления [5].
Рисунок 1 - Функциональная схема источника напряжения постоянного тока на трансформаторе со средней точкой
Выпрямитель содержит однофазный трансформатор Т с первичной обмоткой Ж1 и вторичной обмоткой со средней точкой Ж2, схему выпрямления СВ, выполненную на транзисторах УТ1 и УТ2, диод УО, фильтр Ф, содержащий дроссель Ь и конденсатор С, систему управления СУ. В состав СУ входят: делитель напряжения ДН, генератор пилообразного напряже-
ния ГПН, датчик полярности напряжения ДПН, компаратор К, первый и второй логические элементы И И1 и И2 соответственно, первый и второй усилители импульсов УИ1 и УИ2 соответственно. На рисунке 1 показаны входные выводы выпрямителя 1 и 2 для подключения источника питания и выходные выводы 3 и 4 для подключения нагрузки.
Рисунок 2 - Диаграммы напряжений, поясняющие принцип работы системы управления источником напряжения постоянного тока на трансформаторе
со средней точкой
Работа силовой части схемы выпрямителя. Входное однофазное напряжение переменного тока иВХ прикладывается к первичной обмотке Ж1 трансформатора Т, который преобразует его до требуемого уровня для нагрузки. Схема выпрямления СВ преобразует напряжение переменного
тока в напряжение постоянного тока, а фильтр Ф сглаживает пульсации выпрямленного напряжения, обеспечивая требуемое качество выходного напряжения постоянного тока иВЫХ на выводах 3 и 4.
Кроме того, Г - образный ЬС- фильтр Ф выполняет функции накопителя электроэнергии и в момент времени, когда существует пауза между работой транзисторов УТ1 и УТ2, фильтр накопленную электроэнергию отдает в нагрузку, что уменьшает крутизну тока на выходе выпрямителя и улучшается тем самым его качество. Контур для протекания тока от фильтра в нагрузку создается диодом УБ [5].
Работа системы управления СУ (рисунок 1) по стабилизации выходного напряжения постоянного тока. С выходных выводов 3 и 4 сигнал пропорциональный величине выходного напряжения иВЫХ, являющийся ведущим для системы управления, через делитель напряжения ДН (сигнал идні) поступает на первый вход компаратора К (рисунок 2, а). На второй вход компаратора К поступает сигнал иГПН от источника опорного сигнала - генератора пилообразного напряжения ГПН (рисунок 2, а). Когда иГПН > Идш компаратор формирует управляющие импульсы иУ (рисунок 2, б), которые поступают на первые входы логических элементов И (И1 и И2, рисунок 1). На вторые входы логических элементов И (И1 и И2) поступает сигнал от датчика полярности напряжения ДПН. При положительной полуволне входного напряжения иВХ (рисунок 1) срабатывает логический элемент И1 и с его выхода управляющий сигнал иУ1 (рисунок 2, в) через усилитель импульсов УИ1 поступает на управляющий вход транзистора УТ1 , при отрицательной полуволне входного напряжения иВХ срабатывает логический элемент И2 и с его выхода управляющий сигнал иУ2 (рисунок 2, г), через усилитель импульсов УИ2 поступает на управляющий вход транзистора УТ2. Угол управления транзисторами а (рисунок 2, в) соответствует номинальному режиму работы. При поочередной работе транзисторов УТ1 и УТ2 на выходе схемы выпрямления СВ формируется напря-
жение и2 (рисунок 2, д). К примеру, напряжение иВЫХ, уменьшится, тогда уменьшится напряжение идН2 на выходе делителя напряжения ДН (рисунок 2, е), уменьшится угол управления транзисторами а2 < а1 (рисунок 2, ж) и увеличится напряжение и2 (рисунок 2, и), что приведет к увеличению напряжения на выходе источника электроэнергии.
На рисунке 3 приведена функциональная схема трехфазного выпрямителя выполненного на двух однофазных выпрямителях, на рисунке 4 -векторная диаграмма напряжений, а на рисунке 5 - диаграммы напряжений, поясняющие принцип работы выпрямителя [6].
Рисунок 3 - Функциональная схема трехфазного выпрямителя, выполненного на двух однофазных трансформаторах
Трехфазный выпрямитель (рисунок 3) содержит два однофазных трансформатора Т1 и Т2, первичные обмотки которых Ж11 и Ж12 включены между собой согласно, а их выводы и общая точка соединены с выводами А, В и С к которым подключается трехфазный источник напряжения, выпрямительную схему ВС, фильтр Ф и систему управления СУ, обеспечивающую стабилизацию напряжения. На рисунке 3 показаны выводы 1 и 2 для подключения нагрузки постоянного тока.
Трехфазный выпрямитель работает следующим образом. При подключении первичных обмоток Ж11 и Ж12 (рисунок 3) однофазных трансформаторов Т1 и Т2 к трехфазному источнику питания через выводы А, В и С во вторичных обмотках Ж21 и Ж22 трансформатора Т1 наводятся напряжения иЖ21 и иЖ22 соответственно, во вторичных обмотках Ж23 - Ж26 трансформатора Т2 наводятся напряжения иЖ23 - иЖ2б соответственно. С учетом напряжений источника питания иАВ и иВС (рисунок 4), при геометрическом сложении во вторичных обмотках трансформаторов Т1 и Т2, образуются напряжения иж22-ж25, иш22-ш2б, иж21-ж24 и иж21-ж2з сдвинутых друг относительно друга на угол 120о.
Рисунок 4 - Векторная диаграмма напряжений однофазных
выпрямителей
К примеру, при сложении векторов напряжений ПШ22 и ПШ25 образуется вектор напряжения UW22-W25 (рисунок 4), остальные вектора получены аналогично. Напряжения вторичных обмоток выпрямляется выпрямительной схемой ВС. Далее полученное пульсирующее напряжение иВС сглаживается фильтром Ф и прикладывается к выходным выводам выпрямителя 1 и 2 .
Система управления выпрямителем работает следующим образом. С выхода фильтра Ф сигнал постоянного тока пропорциональный выходному напряжению выпрямителя иВьХ (рисунок 3), являющийся ведущим для системы управления СУ, через делитель напряжения ДН поступает на первый вход формирователя импульсов управления ФИ (рисунок 5, а, идН1). На второй вход формирователя импульсов ФИ поступает сигнал иГПН (рисунок 5, а) от генератора пилообразного напряжения ГПН являющийся опорным сигналом системы управления СУ, и синхронизированным с напряжением вторичных обмоток Uw21-W24 (рисунок 3).
Рисунок 5 - Диаграммы напряжений, поясняющие принцип работы выпрямителя
Когда иГПН > идН1 формирователь импульсов ФИ формирует управляющий сигнал иУ с углом управления а! (рисунок 5, б) для тиристоров УБ1 и УБ2 выпрямительной схемы ВС (рисунок 3), который через усилители импульсов УИ1 и УИ2 поступают на управляющие электроды тиристо-
ров УБ1 и УБ2. Тиристоры УБ1, УБ2 и диоды У01, УБ2 открываются в последовательности УБ1 - УЭ1 - УБ2 - УЭ2, закрываются обратными напряжениями и при этом на выходе выпрямительной схемы формируется пульсирующее напряжение ивс (рисунок 5, в). К примеру, напряжение иВЫХ (рисунок 3) уменьшится, тогда уменьшится угол управления тиристорами а2 < а1 (рисунок 5, г, д) и увеличится напряжение на выходе выпрямительной схемы ивс (рисунок 5, е), что приведет к увеличению напряжения иВЫХ на выходных выводах выпрямителя 1 и 2 (рисунок 3).
На рисунке 6 приведена функциональная схема выпрямителя, где стабилизация напряжения осуществляется за счёт применения дросселя с обмоткой управления на входе выпрямителя [7].
Источник напряжения постоянного тока содержит управляющий дроссель УД с рабочей обмоткой РО и обмоткой управления О У, трансформатор со средней точкой Т, с первичной обмоткой Жц и вторичной обмоткой Ж2] и Ж22, имеющую среднюю точку, схему выпрямления В, выполненную на диодах УЭ1 и УЭ2, фильтр Ф, транзистор УТ и систему стабилизации напряжения ССН. На рисунке 6 показаны выводы 1 и 2 для подключения источника напряжения постоянного тока и выводы 3 и 4 для подключения нагрузки.
Источник напряжения постоянного тока работает следующим образом (рисунок 6). Входное однофазное напряжение источника питания переменного тока через выводы 1 и 2 прикладывается к рабочей обмотке РО управляющего дросселя УД и к первичной обмотке Жп трансформатора со средней точкой Т, что вызывает действие переменных ЭДС во вторичной обмотке Ж2] и Ж22. Напряжение переменного тока преобразуется схемой выпрямления В с помощью диодов УЭ1 и УЭ2 в напряжение постоянного тока и после его сглаживания фильтром Ф подключается к нагрузке через выводы 3 и 4.
Система стабилизации напряжения ССН работает следующим образом. С выхода напряжение постоянного тока поступает на второй вход системы стабилизации, на первый вход которой, поступает напряжение источника переменного тока, являющееся источником опорного сигнала. При сравнении сигналов система стабилизации формирует управляющий сигнал для транзистора УТ. К примеру, если уменьшится напряжение постоянного тока, то увеличится длительность управляющего сигнала и увеличится время открытого состояния транзистора УТ , что приведет к увеличению тока в обмотке управления ОУ управляющего дросселя УД, являющегося током подмагничивания, и уменьшению сопротивления рабочей обмотки РО и соответственно уменьшению падения напряжения на этой обмотке. Поскольку рабочая обмотка РО управляющего дросселя УД включена последовательно с первичной обмоткой Жц трансформатора со средней точкой Т, то это приведет к увеличению напряжения на первичной обмотке трансформатора, а значит увеличению напряжения на его вторичных обмотках и на выходе источника электроэнергии постоянного тока.
т
в
3
2
1
О-
о-
УД ро Щ
Ж22 У02
22 У
-Е*
ф
-о
-о +
ОУ
4
УТ
ССН
Рисунок 6 - Функциональная схема выпрямителя, с дросселем управления
Применение в составе АСЭ предложенных структурно-схемных решений источников напряжения постоянного, позволит улучшить эксплуатационно-технические характеристики ветроэлектрических станций в комплексе.
Список литературы
1. Григораш О.В. Системы автономного электроснабжения / О.В. Григораш, Н. И. Богатырёв, Н. Н. Курзин. - Краснодар: Б/И. — 2001.
2. Григораш О.В. Модульные системы гарантированного электроснабжения / О.В. Григораш, С.В. Божко, Д.А. Нормов и др. — Краснодар: КВВАУЛ. — 2005.
3. Григораш О.В. Возобновляемые источники электроэнергии / О.В. Григораш, Ю.П. Степура, Р. А. Сулейманов, Е.А. Власенко, А.Г. Власов. — Краснодар, 2012.
4. Богатырев Н.И. Преобразователи электрической энергии: основы теории, расчета и проектирования / Н.И. Богатырев, О. В. Григораш, Н. Н. Курзин и др. — Краснодар, 2002.
5. Григораш О.В. Статические преобразователи и стабилизаторы автономных систем электроснабжения / О.В. Григораш, Ю.П. Степура, А.Е. Усков. — Краснодар, 2011.
6. Трехфазный стабилизированный выпрямитель. Григораш О.В., Усков А.Е., Энговатова В.В. и др. Патент на изобретение RUS 2337463, 27.10.2008.
7. Источник напряжения постоянного тока Григораш О.В., Божко С.В., Хамула А. А. и др. Полезная модель RUS 80033, 20.01.2009.
References
1. Grigorash O.V. Sistemy avtonomnogo jelektrosnabzhenija / O.V. Grigorash, N. I. Bogatyrjov, N. N. Kurzin. — Krasnodar: B/I. — 2001.
2. Grigorash O.V. Modul'nye sistemy garantirovannogo jelektrosnabzhenija / O.V. Grigorash, S.V. Bozhko, D.A. Normov i dr. — Krasnodar: KVVAUL. — 2005.
3. Grigorash O.V. Vozobnovljaemye istochniki jelektrojenergii / O.V. Grigorash, Ju.P. Stepura, R.A. Sulejmanov, E.A. Vlasenko, A.G. Vlasov. — Krasnodar, 2012.
4. Bogatyrev N.I. Preobrazovateli jelektricheskoj jenergii: osnovy teorii, ras-cheta i proektirovanija / N.I. Bogatyrev, O.V. Grigorash, N.N. Kurzin i dr. — Krasno-dar, 2002.
5. Grigorash O.V. Staticheskie preobrazovateli i stabilizatory avtonomnyh sistem jelektrosnabzhenija / O.V. Grigorash, Ju.P. Stepura, A.E. Uskov. — Krasnodar, 2011.
6. Trehfaznyj stabilizirovannyj vyprjamitel'. Grigorash O.V., Uskov A.E., Jengovatova V.V. i dr. Patent na izobretenie RUS 2337463, 27.10.2008.
7. Istochnik naprjazhenija postojannogo toka Grigorash O.V., Bozhko S.V., Hamula A.A. i dr. Poleznaja model' RUS 80033, 20.01.2009.
