CC BY
62
Научный журнал КубГАУ, №99(05), 2014 года
1
УДК 621.314
КОНВЕРТОРЫ СИСТЕМ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С УЛУЧШЕННЫМИ ТЕХНИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
Григораш Олег Владимирович
д.т.н., профессор, заведующий кафедрой,
grigorasch61 @mail.ru
Отмахов Г еоргий Сергеевич студент
Кубанский государственный аграрный университет, Краснодар, Россия
В статье рассматриваются структурно-схемные решения силовых схем и систем стабилизации напряжения конверторов с улучшенными эксплуатационно-техническими характеристиками
Ключевые слова: СИСТЕМА БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ, ИСТОЧНИК НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА, КОНВЕРТОР, СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ
UDC 621.314
CONVERTERS OF UNINTERRUPTIBLE POWER SUPPLY WITH IMPROVED PERFORMANCE
Grigorash Oleg Vladimirovich
Doctor of engineering sciences, professor, head of the
chair, [email protected]
Otmahov Georgij Sergeevich student
Kuban State Agrarian University, Krasnodar, Russia
The article discusses structural schematics power circuits and voltage stabilization systems of converters with improved operational and technical characteristics
Keywords: UNINTERRUPTIBLE POWER SUPPLY SYSTEM, DC VOLTAGE SOURCE, CONVERTER, VOLTAGE REGULATOR
Известно, что для электроснабжения автоматизированных устройств управления и защиты в основном применяются источники напряжения постоянного тока, выпрямители и конверторы, последние могут потреблять электроэнергию, как от выпрямителей, так и аккумуляторных батарей. Конверторы осуществляют преобразование напряжения постоянного тока одного уровня в напряжение постоянного тока повышенной или пониженной величины (в сравнении с входным напряжением) [1, 2].
Широкое применение конверторы находят в настоящее время в автономных системах электроснабжения, выполненные с использованием возобновляемых источников энергии [3, 4].
Конструктивно конверторы содержат три преобразователя: инвертор (И), трансформатор (Т) и выпрямитель (В) (рисунок 1). Инвертор преобразует напряжение постоянного тока в переменное, как правило, повышенной частоты, трансформатор согласует напряжение источника питания с нагрузкой, а выпрямитель преобразовывает напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока.
http://ej.kubagro.ru/2014/05/pdf/07.pdf
Научный журнал КубГАУ, №99(05), 2014 года
2
Стабилизация выходного напряжения конверторов может осуществляться как за счет силовых электронных приборов инвертора, так и за счет электронных приборов выпрямителя В, в этом случае его силовая схема его выполняется на тиристорах или транзисторах [5]. Для обеспечения требуемого качества выходного напряжения на выходе конверторов применяются сглаживающие фильтры Ф (рисунок 1).
+
+
Uвых
Рисунок 1 - Структурная схема конвертора
От эксплуатационно-технических характеристик конверторов зависят и характеристики систем, обеспечивающих бесперебойное электроснабжение ответственных потребителей электроэнергии. Основными недостатками эксплуатируемых в настоящее время конверторов являются низкие значения КПД и показателей надежности, из-за большого числа полупроводниковых приборов, содержащихся в силовой части инвертора и выпрямителя, а также конверторы имеют относительно сложные системы стабилизации параметров электроэнергии и системы защиты [6].
В статье предлагаются новые структурно-схемные решения конверторов с улучшенными эксплуатационно-техническими характеристиками, новизна технических решений которых подтверждена патентами РФ [7, 8].
Для того чтобы уменьшить массу и габариты трансформатора, рабочая частота инвертора выбирается по возможности высокой (в диапазоне 3 - 20 кГц). Несмотря на то, что поток преобразуемой электроэнергии в конверторах проходит через несколько преобразователей
http://ej.kubagro.ru/2014/05/pdf/07.pdf
Научный журнал КубГАУ, №99(05), 2014 года
3
электроэнергии и понижает в комплексе его КПД, однако промежуточная повышенная частота тока позволяет значительно уменьшить массу конвертора (5 - 30 раз, в зависимости от мощности) [9].
Применение в конструкции конверторов трансформаторов с вращающимся магнитным полем позволяет также улучшить их технические характеристики [10, 11].
Функциональная схема конвертора с промежуточным высокочастотным преобразованием, выполненная на резонансном инверторе приведена на рисунке 2. Схема содержит: резонансный инвертор РИ, выполненный на транзисторах VT1 и VT2, конденсатор инвертора С1, трансформатор с вращающимся магнитным полем T с первичными обмотками W11} W12 и вторичными обмотками W21, W22 , фазосдвигающий конденсатор C2, выпрямитель В, выполненный на диодах VD1 и VD2, обратный диод VD3, выходной фильтр Ф, содержащий дроссель Д и конденсатор С3, систему стабилизации напряжения ССН, в составе которой используются делитель напряжения ДН, формирователь импульсов ФИ , генератор опорного сигнала ГОС, распределитель импульсов РИ и усилители импульсов УИ1, УИ2. На рисунке 2 показаны также выводы для подключения источника питания конвертора с напряжением Uex и выводы для подключения нагрузки с напряжением ивых.
Конвертор работает следующим образом. Входное напряжение Uex постоянного тока поступает на вход резонансного инвертора РИ (рисунок 2). Резонансный контур в инверторе образуется конденсатором С1 и дросселем Д выходного фильтра Ф. К примеру, в исходном состоянии конденсатор инвертора C1 разряжен. Для формирования положительной полуволны выходного напряжения инвертора Ua6 система стабилизации напряжения ССН подает управляющий импульс на транзистор VT1 он открывается, и конденсатор инвертора C1 начинает заряжаться от источника входного напряжения Uex таким образом, что
http://ej.kubagro.ru/2014/05/pdf/07.pdf
Научный журнал КубГАУ, №99(05), 2014 года
4
его выводы будут иметь потенциалы, указанные знаками на рисунке 2. Ток заряда конденсатора инвертора C1 будет протекать через первичные обмотки W11, W12 трансформатора T и фазосдвигающий конденсатор C2. Для формирования отрицательной полуволны выходного напряжения инвертора система стабилизации ССН закрывает транзистор VT1 и открывает транзистор VT2. В этом случае конденсатор инвертора C1 будет являться источником питания для нагрузки, и его ток разряда протекает по первичным обмоткам трансформатора T и фазосдвигающий конденсатор C2 в обратном направлении.
Таким образом, по первичным обмоткам W11 и W12 трансформатора T протекает переменный ток, вызывающий действие вращающегося магнитного и соответственно ЭДС во вторичных обмотках W21, W22, которые размещены на сердечнике трансформатора. Выпрямитель В преобразует напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока, а выходной фильтр Ф сглаживает пульсации обеспечивая требуемое качество выходного напряжения конвертора ивых .
http://ej.kubagro.ru/2014/05/pdf/07.pdf
Научный журнал КубГАУ, №99(05), 2014 года
5
Система стабилизации напряжения конвертора работает следующим образом. С выхода конвертора сигнал пропорциональный величине выходного напряжения ивых, являющийся ведущим для системы стабилизации ССН, через делитель напряжения ДН поступает на один из входов формирователя импульсов ФИ (рисунок 2 и рисунок 3, а, идН). На второй вход формирователя импульсов ФИ поступает сигнал иГОС от генератора опорного сигнала ГОС (рисунок 2 и рисунок 3, а, иГОС).
Рисунок 3 - Диаграммы напряжений, поясняющие работу системы стабилизации напряжения конвертора, выполненного на резонансном инверторе
Когда сигнал иГОС > идН формирователь импульсов ФИ формирует импульсы управления (рисунок 3, а, б), которые через распределитель импульсов РИ и усилители импульсов УИ1, УИ2 поступают на управляющие электроды транзистора VT1 или транзистора VT2 (рисунок 2). Работа распределителя импульсов РИ синхронизирована с опорным напряжением генератора ГОС, для обеспечения формирования положительной и отрицательной полуволн выходного напряжения иаб резонансного инвертора РИ. Угол управления транзисторами а1 (рисунок 3, б) соответствует номинальному режиму работы конвертора.
http://ej.kubagro.ru/2014/05/pdf/07.pdf
Научный журнал КубГАУ, №99(05), 2014 года
6
Если, к примеру, выходное напряжение конвертора ивых уменьшится, то уменьшится напряжение на выходе делителя напряжения ДН и уменьшится угол управления транзисторами до величины a2, а значит увеличится выходное напряжение резонансного инвертора Ua6 (рисунок 3, в ,г) и соответственно увеличится выходное напряжение конвертора
Uвых-
Выходной фильтр Ф конвертора кроме функций создания колебательного контура и обеспечения требуемого качества выходного напряжения, выполняет функции накопителя электрической энергии и в моменты времени, когда существует пауза между работой транзисторов VT1 и VT2, фильтр накопленную электроэнергию отдает в нагрузку, тем самым улучшает качество выходного напряжения конвертора. Контур для протекания тока от фильтра в нагрузку, когда закрыты транзисторы, создается обратным диодом VD3.
Предложенное техническое решение преобразователя позволяет улучшить его показатели надежности, КПД и качества выходного напряжения [8].
Высокие показатели надёжности имеет конвертор, функциональная схема которого приведена на рисунке 4.
Новизна технического решения заключается в том, что в конверторе применяется трансформатор, содержащий среднюю точку в первичной и во вторичной обмотках, выпрямитель, выполнен на двух диодах, а высокочастотный инвертор - на двух транзисторах, система управления которого обеспечивает стабилизацию выходного напряжения. Поскольку выпрямитель соединён последовательно с входными выводами стабилизатора, то выходное напряжение стабилизатора напряжения постоянного тока определяется по формуле
иВЫХ = иВХ + иВ.
http://ej.kubagro.ru/2014/05/pdf/07.pdf
Научный журнал КубГАУ, №99(05), 2014 года
7
Таким образом, выпрямитель выполняет функции вольтодобавочного устройства, питание которого осуществляется от высокочастотного инвертора.
Конвертор работает следующим образом. С выхода генератора пилообразного напряжения ГПН (рисунок 4) сигнал иГПН (рисунок 5, а) поступает на первый вход формирователя импульсов ФИ, на второй вход которого сигнал идН (рисунок 5, а) поступает от делителя напряжения ДН (рисунок 4), вход которого соединён с выходом конвертора. Когда иГПН > идН на выходе формирователя импульсов формируется управляющий сигнал иФИ (рисунок 5, б), который через распределитель импульсов РИ и усилители импульсов УИ1 и УИ2, поступает на управляющие электроды тран-
Рисунок 4 - Функциональная схема конвертора на трансформаторе, содержащем средние точки в первичной и вторичной обмотках
Если, к примеру, напряжение на выход конвертора уменьшится, то и уменьшится напряжение идН (рисунок 5, в), уменьшится угол управления транзисторами с а1 до а2 (рисунок 5, б, г). Временной интервал открытого
http://ej.kubagro.ru/2014/05/pdf/07.pdf
Научный журнал КубГАУ, №99(05), 2014 года
8
состояния транзисторов VT1 и VT2 увеличится, а значит и увеличится выходное напряжение выпрямителя UB и соответственно выходное напряжение стабилизатора иВЫХ.
игпн
Рисунок 5 - Диаграммы напряжений, поясняющие принцип стабилизации напряжения конвертора (рисунок 4)
На рисунке 6 приведена функциональная схема конвертора, питание которого осуществляется от двух источников напряжения постоянного тока UBX1 и UBX2, а на рисунке 7 - диаграммы напряжений, поясняющие принцип работы его системы стабилизации напряжения.
Принцип работы конвертора. Система стабилизации напряжения ССН поочередно открывает транзисторы VT1 или VT2 и по первичной обмотке трансформатора T протекает переменный ток, который во вторичной обмотке наводит переменную ЭДС. Выпрямитель, выполненный на двух диодах VD1 и VD2, преобразует напряжение переменного тока в постоянны, а выходной Г-образный фильтр Ф сглаживает его пульсации обеспечивая требуемое качество выходного напряжения иВЫХ (рисунок 6).
Система ССН стабилизирует напряжение следующим образом. С выхода конвертора сигнал поступает на вход делителя напряжения ДН (рисунок 6), выходной сигнал которого идН (рисунок 7, а) пропорциональ-
http://ej.kubagro.ru/2014/05/pdf/07.pdf
Научный журнал КубГАУ, №99(05), 2014 года
9
ный величине выходного напряжения иВЫХ , является ведущим сигналом для системы стабилизации напряжения ССН. Сигнал идН поступает на первый вход формирователя импульсов ФИ, на второй вход которого поступает сигнал пилообразной формы иГОС от генератора опорного сигнала ГОС (рисунок 7, а). Когда иГОС > идН, формирователь импульсов ФИ формирует импульсы управления иу (рисунок 7, б), которые через распределитель импульсов РИ и усилители импульсов УИ1 и УИ2 (рисунок 7, в, г) поступают на управляющие электроды транзисторов VT1 или VT2. На выходе выпрямителя формируется напряжение иВ (рисунок 7, д).
Рисунок 6 - Функциональная схема конвертора, питание которого осуществляется от двух источников электроэнергии
К примеру, когда выходное напряжение ивых (рисунок 6) уменьшится, тогда и уменьшится напряжение идН на выходе делителя напряжения ДН (рисунок 7, е). Это приведет к увеличению длительности управляющих сигналов иу (рисунок 7, ж), поступающих на транзисторы VT1 и VT2, они
http://ej.kubagro.ru/2014/05/pdf/07.pdf
Научный журнал КубГАУ, №99(05), 2014 года
10
больше времени будут открыты, и будет увеличиваться напряжение иВ (рисунок 7, з) на выходе выпрямителя и соответственно выходное напряжение на выходе конвертора иВЫХ.
Рисунок 7 - Диаграммы напряжений, поясняющие принцип стабилизации напряжения конвертора (рисунок 6)
Таким образом, рассмотренные структурно-схемные решения силовых схем конверторов и их систем стабилизации напряжения имеют улучшенные эксплуатационно-технические характеристики (массогабаритные показатели, показатели надёжности и КПД) в сравнении с известными техническими решениями конверторов, за счёт применения промежуточного высокочастотного преобразования и уменьшенного количества силовых электронных приборов.
http://ej.kubagro.ru/2014/05/pdf/07.pdf
Научный журнал КубГАУ, №99(05), 2014 года
11
Список литературы
1. Григораш О.В., Божко С.В., Нормов Д.А. и др. Модульные системы гарантированного электроснабжения. Краснодар. 2005.
2. Григораш О.В., Богатырев Н.И., Курзин Н.Н. Системы автономного электроснабжения. Краснодар. 2001. С. 333.
3. Григораш О.В., Степура Ю.П., Сулейманов Р.А. и др. Возобновляемые источники электроэнергии. Краснодар. 2012. С.272.
4. Григораш О.В., Степура Ю.П., Пономаренко А.С. и др. Современное состояние производства электроэнергии возобновляемыми источниками в мире и России. Труды Кубанского государственного агарного университета. 2012. № 6. С.159-163.
5. Богатьрев Н.И., Григораш О.В., Курзин Н.Н. и др. Преобразователи электрической энергии: основы теории, расчета и проектирования. Краснодар. 2002. С. 358.
6. Григораш О.В., Степура Ю.П., Усков А.Е. Статические преобразователи и стабилизаторы автономных систем электроснабжения. Краснодар. 2011. С.188.
7. Устройство стабилизации напряжения постоянного тока. Григораш О.В., Шевченко А.А., Шульга Р.В. и др. Патент на изобретение RUS 2444832 10.03.2012.
8. Стабилизированный преобразователь напряжения постоянного тока. Богатырев Н.И., Григораш О.В., Дацко А.В. и др. Патент на изобретение RUS 2210100 10.08.2003.
9. Григораш О.В., Новокрещенов О.В., Хамула А. А. и др. Статические преобразователи электроэнергии. Краснодар. 2006. С. 264.
10. Григораш О.В. Преобразователи электрической энергии на базе трансформаторов с вращающимся магнитным полем для систем автономного электроснабжения. Промышленная энергетика. 1997. № 7.
11. Григораш О.В., Кабанков Ю.А. К вопросу применения трансформаторов с вращающимся магнитным полем в составе преобразователей электроэнергии. Электротехника. 2002. № 3.
References
1. Grigorash O.V., Bozhko S.V., Normov D.A. i dr. Modul'nye sistemy garanti-rovannogo jelektrosnabzhenija. Krasnodar. 2005.
2. Grigorash O.V., Bogatyrev N.I., Kurzin N.N. Sistemy avtonomnogo jelektrosnabzhenija. Krasnodar. 2001. S. 333.
3. Grigorash O.V., Stepura Ju.P., Sulejmanov R.A. i dr. Vozobnovljaemye istoch-niki jelektrojenergii. Krasnodar. 2012. S.272.
4. Grigorash O.V., Stepura Ju.P., Ponomarenko A.S. i dr. Sovremennoe sostoja-nie proizvodstva jelektrojenergii vozobnovljaemymi istochnikami v mire i Rossii. Trudy Ku-banskogo gosudarstvennogo agarnogo universiteta. 2012. № 6. S.159-163.
5. Bogat'rev N.I., Grigorash O.V., Kurzin N.N. i dr. Preobrazovateli jelektri-cheskoj jenergii: osnovy teorii, rascheta i proektirovanija. Krasnodar. 2002. S. 358.
6. Grigorash O.V., Stepura Ju.P., Uskov A.E. Staticheskie preobrazovateli i stabilizator avtonomnyh sistem jelektrosnabzhenija. Krasnodar. 2011. S.188.
7. Ustrojstvo stabilizacii naprjazhenija postojannogo toka. Grigorash O.V., Shevchenko A.A., Shul'ga R.V. i dr. Patent na izobretenie RUS 2444832 10.03.2012.
8. Stabilizirovannyj preobrazovatel' naprjazhenija postojannogo toka. Bogaty-rev N.I., Grigorash O.V., Dacko A.V. i dr. Patent na izobretenie RUS 2210100 10.08.2003.
9. Grigorash O.V., Novokreshhenov O.V., Hamula A.A. i dr. Staticheskie preobrazovateli jelektrojenergii. Krasnodar. 2006. S. 264.
http://ej.kubagro.ru/2014/05/pdf/07.pdf
Научный журнал КубГАУ, №99(05), 2014 года
12
10. Grigorash O.V. Preobrazovateli jelektricheskoj jenergii na baze transforma-torov s vrashhajushhimsja magnitnym polem dlja sistem avtonomnogo jelektrosnabzhenija. Promyshlennaja jenergetika. 1997. № 7.
11. Grigorash O.V., Kabankov Ju.A. K voprosu primenenija transformatorov s vrashhajushhimsja magnitnym polem v sostave preobrazovatelej jelektrojenergii. Jelektro-tehnika. 2002. № 3.
http://ej.kubagro.ru/2014/05/pdf/07.pdf
