CC BY
9
К ВОПРОСУ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОМПЛЕКСОВ УПРАВЛЕНИЯ АРТИЛЛЕРИЙСКИХ ПОДРАЗДЕЛЕНИЙ И ФОРМИРОВАНИЙ
А.М. ДЮРЯГИН *, В.В.КИСЕЛЁВ **, К.Н. МУЛЮКИН *
*Казанское высшее артиллерийское командное училище (военный институт) **Казанский государственный энергетический университет
В статье рассматривается способ снижения потерь энергии в трансформаторах систем вторичного электропитания комплексов управления артиллерийскими подразделениями и формированиями за счёт обеспечения постоянства коэффициента трансформации и линейности рабочей характеристики путём введения в цепь нагрузки дополнительных элементов, корректирующих угол сдвига фаз токов первичной и вторичной обмоток.
Опыт проведения контртеррористических операций с привлечением сил и средств из различных силовых структур показал высокую значимость артиллерийских подразделений и формирований вооружённых сил для достижения позитивных результатов. Важность задач, стоящих перед ними, требуют оснащения артиллерийских подразделений и формирований комплексами управления, имеющими в своём составе современные системы связи и обработки информации. Выполнение этих требований предполагает появление большого количества потребителей переменного тока в системах электроснабжения базовых шасси комплексов управления, рассчитанных на постоянный ток. В связи с этим возникает необходимость применения систем вторичного электропитания - статических преобразователей, от устойчивой и надёжной работы которых зависит эффективность выполнения боевых задач. Основу систем вторичного электропитания с точки зрения габаритно-весовых характеристик составляют трансформаторы (Тр). Считается, что их технические свойства хорошо изучены, они отличаются достаточно «высокой» надежностью, имеют высокий КПД (более 0,9) и поэтому не могут быть подвержены какому-то дальнейшему совершенствованию.
Однако следует заметить, что в статических преобразователях мобильных комплексов управления используются в основном трансформаторы малой и средней мощности, КПД которых не так высок (0,7-0,8). Кроме того, опыт эксплуатации трансформаторов в условиях проведения контртеррористических операций показывает, что часто они выходят из строя, «казалось бы» не имея для этого причин. Особенно это касается повышающих и высокочастотных трансформаторов. В связи с этим актуальной становится проблема изучения динамических свойств Тр с целью повышения его КПД и стабилизации коэффициента трансформации и, в конечном итоге, улучшения эксплуатационных характеристик систем вторичного электропитания в целом.
При рассмотрении принципа работы Тр всегда предполагается, что ток во вторичной обмотке находится в противофазе по отношению к току в первичной обмотке. Вследствие этого намагничивающие силы вычитаются и, таким образом, происходит отбор мощности из первичной во вторичную обмотку (рис. 1). Однако такое заключение справедливо только для индуктивной нагрузки. Большинство же
© А.М. Дюрягин, В.В. Киселев, К.Н. Мулюкин Проблемы энергетики, 2007, № 11-12
Тр работают на активную нагрузку, в связи с чем возникает угол рассогласования между противофазными значениями указанных токов.
Причем активная нагрузка вводит во вторичную обмотку эффект форсировки, т.е. угол смещения между токами оказывается не равным 180°, а равен 180°-ф. Этот угол ф в идеале должен стремиться к 0° (рис. 1). По этой причине в трансформаторе появляются высшие гармоники, которые порождают вихревые токи. И, как следствие всего этого, появляются повышенные потери, искажение формы сигналов.
/./г.
\ ’ -е\
и\
1и, 0
,Є]
а)
б)
Рис. 1. Векторные диаграммы трансформатора: а) токов и напряжений первичной обмотки; б) токов и напряжений вторичной обмотки
Трансформатор по сути своей работы преобразует энергию магнитного поля, обусловленную переменным током, протекающим в первичной обмотке, в электрическую энергию во вторичной обмотке. Иначе говоря, энергия магнитного поля магнитопровода выступает как бы посредником в преобразовании одной системы переменного тока в другую. Поэтому вполне естественно, что от ее формы и состояния зависит линейность (пропорциональность) в преобразовании электрической энергии.
В общем случае, при i = Im - sin ш*, энергия магнитного поля W,
определяется выражением
Ц
1 2 1 2 Wм =-L - i2 =-L - im 22
sin2 ш* = — LI2 -(1 -cos2mt).
2
1
2
(1)
Как следует из (1), энергия магнитного поля имеет импульсный характер удвоенной частоты с постоянной составляющей, образующей полюсность намагниченности («М> - «З») или («З» - «М>). Постоянная составляющая определяется фазой тока, приходящего в первичную обмотку Тр.
Из изложенного можно сделать вывод о том, что если два тока (первичной и вторичной обмотки) не будут в противофазе, то, по крайней мере, нарушится линейность в преобразовании энергии магнитных полей обеих обмоток, вследствие чего возрастёт число высших гармоник. Они создадут дополнительные потери в стали.
Таким образом, задача улучшения динамических свойств трансформатора сводится к тому, чтобы обеспечить противофазность токов в первичной и
о
вторичной обмотках. Для этого необходимо угол ф сделать равным 0 .
На рис. 2 показана электрическая схема Тр, назовем его линейным трансформатором, которая позволяет решить эту проблему [1].
Она включает в себя собственную часть Тр - это первичная обмотка, с подводимым к ней напряжением и і; три вторичных обмотки, одна из которых (Ь= Ьз + ) исполняет роль рабочей обмотки, а две другие (Ьі, Ь2), включенные
встречно, - роль обмоток обратной связи; и дополнительные устройства.
? ~£/і ?
Рис. 2. Электрическая принципиальная схема линейного трансформатора
В качестве дополнительных устройств в схеме используются: диоды (Д1 ^ Д 4), конденсаторы (С1 = С2 =С) и гасящие резисторы (= Й2 =Л).
Электрическую схему (рис. 3) можно представить в форме мостовой. В диагональ этого моста (точки а, в) включается нагрузка в виде резистора Лн.
Для распознания фазы тока, приходящего в первичную обмотку, и служат диодные цепочки (Д1- Д 2, Д 3- Д 4); они же попеременно в каждый следующий полупериод обеспечивают направленность токов разрядки конденсаторов (С1, С2 ). Гасящие резисторы (Л, Л2 ) служат для исключения больших скачков тока в первичной обмотке. Но проведенные экспериментальные исследования на понижающих Тр малой мощности (до 500 Вт) показали, что они могут быть исключены из схемы, ибо омического сопротивления рабочих обмоток вполне достаточно для решения задачи.
Требования к схеме заключаются в том, чтобы, во-первых, правая и левая части (относительно нагрузки Ян) мостовой схемы были симметричными; во-вторых, напряжение на рабочей обмотке (и р) должно быть в два раза больше, чем напряжения на обмотках обратной связи (и ос), или выполнялось условие шЬ = 2шЬі = 2шЬ2; в-третьих, схема должна быть настроена на резонанс, т.е.
1
шЬ =---------. В этом случае предлагаемый Тр проявляет оптимальные технические
шС
характеристики.
При отсутствии нагрузки, т.е. при Лн =да, которая включается в диагональ
моста между точками а и в, схема работает следующим образом.
Пусть по приходу первой полуволны во вторичных обмотках полярность напряжения сформировалась так, как указано на схеме (рис. 1): знаки «+» и «-» без скобок. В этом случае оба конденсатора будут заряжаться до максимума амплитудного напряжения рабочей обмотки (ир). Причем время зарядки
конденсатора С 2 по отношению к времени зарядки конденсатора С і будет смещено на четверть периода переменного сигнала. Пройдя максимум амплитуды, сигналы на рабочей обмотке (и ь ) и обмотках обратной связи (иьі и иь2) будут уменьшаться. В работу вступают конденсаторы - они имеют возможность разряжаться. Запасенная ими электрическая энергия будет возвращаться обратно в обмотки: конденсатор С і будет разряжаться на рабочую обмотку, а конденсатор С2 - на обмотки обратной связи, преобразуя
электрическую энергию вновь в энергию магнитного поля. Во второй полупериод картина будет повторяться, но уже с запаздыванием, со смещением по времени или по фазе. В последующие периоды плечи моста будут работать как бы в «маятниковом» режиме - сколько энергии было получено конденсаторами, столько ее будет возвращено обратно в обмотки индуктивности Тр. Естественно, омическое сопротивление обмоток присутствует всегда. Поэтому потери не исключены. Но факт в том, что при экспериментальных исследованиях нескольких разных по типу Тр установлено, что ток холостого хода линейного трансформатора, выполненного по схеме рис. 2, более чем в два раза меньше, чем у такого же Тр, но с отключенными дополнительно введенными устройствами (рис. 4, 5, 6).
Здесь отметим, что, несмотря на постоянный обмен энергиями между индуктивностями и емкостями, в диагонали моста (между точками а и в ) всегда имеет разность потенциалов. т.е.
и ав = и р + иь.
Включение в диагональ моста нагрузки (Ян Ф 0) картину процессов в цепях практически не изменит. Оно приведет только к перераспределению токов в цепях. При уменьшении амплитуды полуволны они начнут разряжаться -конденсатор С 2 непосредственно через рабочую обмотку, конденсатор С і через индуктивность Ьі и нагрузку. Причем, если напряжение на конденсаторе С2 окажется меньше, чем на конденсаторе С і, то последний может частично
6і
разряжаться непосредственно и через рабочую обмотку. Иными словами, во всех случаях разряд обоих конденсаторов создает запаздывание тока во вторичных обмотках. После окончания переходного процесса, за счет использования принципа «маятниковости», согласно которому оба плеча моста должны в конечном итоге сбалансироваться по времени, ток во вторичных обмотках Тр будет в противофазе по отношению к току первичной обмотки.
Проведенные экспериментальные исследования на Тр типа ТН-56-220-50, ТН-6і-220-50, ТАН-і04-і27/220-50 и т.п. полностью подтвердили справедливость приведенных выводов.
На рис. 3, 4, 5 показаны рабочие характеристики различных Тр при различных видах нагрузки. На всех графиках видно, что характеристика линейного Тр проходит ниже, чем у обычного и имеет более линейный характер. Кроме того, снижение тока холостого хода более чем в два раза позволяет говорить о существенной коррекции потерь в стали, как раз и определяемых величиной тока холостого хода, которые не изменяются при переходе от режима холостого хода к режиму нагрузки.
Без устройства С=50 мкФ
2
Рис. 3. Рабочая характеристика трансформатора ТН-56-220-50 при активной нагрузке
ЁМКОСТНАЯ НАГРУЗКА
АКТИВНАЯ НАГРУЗКА
12, А
С=200 мкФ -Без устройства
12, тА
Рис. 4. Рабочая характеристика трансформатора ТН-6і-220-50 при ёмкостной нагрузке © Проблемы энергетики, 2007, № 11-12
Учёт предложенного способа снижения потерь при конструировании трансформаторов систем вторичного электропитания мобильных комплексов управления позволит ощутимо повысить КПД входящих в их состав статических преобразователей, увеличить их срок службы и надёжность.
ИНДУКТИВНАЯ НАГРУЗКА
С=200мкФ
Без устройства
Рис. 5. Рабочая характеристика трансформатора ТН-61-220-50 при индуктивной нагрузке
Summary
In this article we examine the way of the power waste reduction in the transformers in the systems of the second power supply by the guaranteeing the constancy of the transformation ratio and linearity of the performance value by the connecting the load with the subsidiary correcting angle of shear of alternating current primary and secondary coil elements in the control complexes of the artillery sub-units and units.
Литература
1. Решение о выдаче патента на полезную модель № 2006116763 (018228) Российская Федерация. МПК Н01Р27/00(2006.01). Линейный трансформатор / И.И. Ермаков, В.В. Киселёв, К.Н. Мулюкин, Ю.И. Попов - заяв. 15.05.2006
2. Ермаков И.И., Киселёв В.В., Гильфанов К.Х. Методика синтеза нестационарных электрических линий с распределёнными параметрами. -Казань.: КГЭУ, 2006. - 168 с.
Поступила 13.06.2007
