Устройство электроснабжения потребителей постоянного и переменного тока

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в качестве устройства электроснабжения потребителей постоянного и переменного тока, предъявляющих повышенные требования к качеству постоянного и переменного напряжения.
Известно устройство электроснабжения потребителей постоянного и переменного тока, содержащее первичный двигатель с валом, редуктор, выполняющий функции привода переменной скорости, синхронный генератор с постоянными магнитами, выпрямитель, имеющий первый выход и второй выход, причем первый выход соединен с потребителями постоянного тока, а второй выход подключен к инвертору, соединенному с потребителями перемененного тока, при этом вал первичного двигателя соединен с валом редуктора, вал редуктора соединен с валом синхронного генератора с постоянными магнитами, статорная обмотка указанного генератора соединена с выпрямителем [1]. Данное устройство нашло широкое применение на многих объектах ввиду простоты его схемы, сравнительно высокой надежности и низкой стоимости, однако оно имеет и ряд недостатков, среди которых основными являются низкое качество постоянного напряжения (коэффициент пульсаций равен от 3 до 6%) и переменного напряжения (коэффициент искажения синусоидальности равен от 15 до 10%), что сужает область применения устройства.
Требуемый технический результат заключается в повышении качества постоянного напряжения за счет снижения коэффициента пульсаций и переменного напряжения за счет снижения коэффициента искажения синусоидальности.
Поставленный технический результат достигается тем, что в устройстве электроснабжения потребителей постоянного и переменного тока, содержащим первичный двигатель с валом, редуктор с валом, синхронный генератор с постоянными магнитами, выпрямитель, имеющий первый выход и второй выход, инвертор и потребители постоянного и переменного тока, при этом вал первичного двигателя соединен с валом редуктора, вал редуктора соединен с валом синхронного генератора с постоянными магнитами, статорная обмотка которого соединена с выпрямителем, к первому выхода которого подключен потребитель постоянного тока, а ко второму выходу - инвертор, соединенный с потребителем переменного тока, статорная обмотка указанного генератора выполнено из n трехфазных секций, сдвинутых в пространстве относительно друг друга на заданный угол; выпрямитель снабжен n схемами выпрямления Ларионова, причем указанные схемы выпрямления соединены последовательно и образуют общий минусовой провод источника постоянного тока; введен емкостный сглаживающий фильтр и шины постоянного тока, содержащие плюсовую шину и минусовую шину; причем трехфазные схемы статорной обмотки синхронного генератора с постоянными магнитами соединены с соответствующими схемами выпрямления Ларионова, общий плюсовой провод соединен с соответствующим выводом емкостного сглаживающего фильтра и соответствующей шиной источника постоянного тока, общий минусовой провод соединен с соответствующим выводом емкостного сглаживающего фильтра и соответствующей шиной источника постоянного тока, а инвертор выполнен из последовательно каскадно соединенных преобразователя постоянного тока в трехфазный переменный ток с выходным напряжением в виде неполного прямоугольника; схемы селекции гармоник и схемы преобразования переменного напряжения выделенных гармоник в источник постоянного тока; в каждой фазе схема селекции гармоник содержит согласующий трансформатор, первичная обмотка включена между соответствующим выходом преобразователя постоянного тока в трехфазный переменный ток и выводом нагрузки, а вторичная обмотка образует последовательный замкнутый контур с контурами соответствующих гармоник схемы преобразования переменного напряжения выделенных гармоник в постоянный ток при этом каждый из контуров гармоник содержит двухобмоточный дроссель, включенный по трансформаторной схеме, первичная обмотка которого соединена параллельно с соответствующим конденсатором, а вторичная обмотка подключена ко входу выпрямителя соответствующей схемы преобразования переменного напряжения выделенных гармоник в постоянный ток, выход которого подключен к шинам постоянного тока.
На фиг. 1 изображена структурная схема устройства электроснабжения потребителей постоянного и переменного тока. На фиг. 2 показана схема преобразования переменного тока в постоянный ток. На фиг. 3 представлена схема селекции гармоник и преобразования выделенных гармоник в постоянный ток в одной фазе инвертора.
v
Устройство содержит (фиг. 1) первичный двигатель 1 с валом 1-1, редуктор 2 с валом 2-1, синхронный генератор с постоянными магнитами 3, статорная обмотка (не показана) которого выполнена (фиг. 2) из первой трехфазной секции 3-1, второй трехфазной секции 3-2 и так далее из 3n-ой трехфазной секции, сдвинутых в пространстве относительно друг друга на заданный угол, выпрямитель 4, содержащий первую 4-1, вторую 4-2 и так далее 4n-схему выпрямления Ларионова, емкостный сглаживающий фильтр 5, шины постоянного тока 6, содержащие плюсовую шину (не обозначена), имеющую клеммы 6-1 и 6-3, и минусовую шину (не обозначена), имеющую клеммы 6-2 и 6-4, потребитель постоянного тока 7, инвертор с синусоидальным напряжением 8 и потребитель переменного тока 9, причем первичный двигатель 1 соединен с редуктором 2 посредством вала 1-1, указанный редуктор соединен с синхронным генератором с постоянными магнитами 3 с помощью вала 2-1, трехфазные секции статорной обмотки указанного генератора соединены с соответствующими схемами выпрямления выпрямителя 4, при этом указанные схемы выпрямления соединены последовательно и общий плюсовой провод (не обозначен) соединен с соответствующей шиной источника постоянного тока 6, а общий минусовой провод схем выпрямления соединен с минусовой шиной источника постоянного тока 6, при этом сглаживающий фильтр 5 подключен к указанным общим проводам схем выпрямления на входе шин постоянного тока 6, потребитель постоянного тока 7 подключен к клеммам 6-1 и 6-2 указанных шин, инвертор 8 соединен с названными шинами с помощью клемм 6-3 и 6-4, а потребитель переменного тока 9 подключен к инвертору с синусоидальным напряжением 8, причем указанный инвертор содержит (фиг. 3) последовательно включенные преобразователь постоянного тока в трехфазный переменный ток 8-1, схему селекции гармоник 8-3 и схему преобразования переменного напряжения выделенных гармоник в постоянный ток 8-4… 8-n рекуперацией электрической энергии высших гармоник в сеть (источник постоянного тока 6), причем преобразователь постоянного тока в трехфазный переменный ток с выходным напряжением в виде неполного прямоугольника 8-1 является стандартным инвертором, на выходных клеммах которого а, б и с имеются гармоники 1, 5, 7 и так далее до 37-ой включительно, схема селекции гармоник 8-3 для всех фаз одинакова и схемы преобразования переменного напряжения выделенных гармоник в постоянный ток 8-4… 8-n выполнены по идентичным схемам: высшие гармоники фаз выделяются с помощью трансформаторов, затем поступают в резонансные контуры каждой из гармоник, усиливаются с помощью дросселя с трансформаторной схемой включения и поступают на выпрямительные схемы 8-4, 8-5 и так далее, 8-n, где кривая каждой гармоники выпрямляется и поступает на шины постоянного тока 6, при этом потребитель переменного тока 9 получает напряжение от инвертора 8, в кривой которого находится только первая гармоника. Механизм функционирования преобразований электрической энергии в устройстве можно пояснить с помощью мнемонической схемы: «аккумуляторная батарея (не показана), шины постоянного тока 6, подключенные к указанной батареи, преобразователь постоянного тока в трехфазный переменный ток 8-1 (фаза а), схема селекции гармоник 8-3, содержащая согласующий трансформатор, вторичная обмотка которого охватывает резонансные контуры гармоник с дросселем, включенным по трансформаторной схеме, вторичная обмотка которого соединена с соответствующим выпрямителем, выход которого соединен с шинами постоянного тока 6». Если электрическая энергия всех нечетных высших гармоник будет полностью преобразована в постоянный ток, то коэффициент искажения синусоидальности будет равен k<l %.
п
Число секций в статорной обмотке синхронного генератора с постоянными магнитами зависит от требуемого коэффициента пульсаций k, при этом
где 2 - число полупериодов; 3 - число фаз.
п
п
п
Для одной трехфазной секции или обмотки k≈6%, для двух секций к≈3% и так далее, при четырех секциях k≈0,1 %.
0
1
2
3
4
Углы сдвига трехфазных секций статорной обмотки изменяются пропорционально ряду: α=60°, α=30°, α=15°, α=7,5°, α=3,75° и так далее, соответственно для двух секций угол сдвига равен 30°, для четырех - 15° и так далее.
Устройство работает следующим образом.
При запуске первичного двигателя 1 в подвижном объекте, он начинает вращаться, и его движение передается с помощью вала 1-1 на редуктор 2. Движение от указанного редуктора передается синхронному генератору с постоянными магнитами 3 с помощью вала 2-1. Вращение вала указанного генератора приводит к тому, что в секциях статорной обмотки возникают ЭДС, потому что возбуждение обеспечивается вращающимися постоянными магнитами ротора. ЭДС первой, второй и так далее секций 3n поступают в схемы выпрямления Ларионова выпрямителя 4: схему 4-1, 4-2 и так далее и схему 4n, где происходит преобразование переменного напряжения в постоянное. Поскольку указанные схемы соединены последовательно, то образуется общий положительный провод и общий минусовой провод, к которым соответственно подключен емкостной сглаживающий фильтр 5, нейтрализующий пульсации в выпрямленном напряжении, и напряжение высокого качества поступает на шины постоянного тока 6. С указанных шин напряжение поступает на вход потребителя постоянного тока 7, благодаря клеммам 6-1 и 6-2, и на вход инвертора 8, благодаря клеммам 6-3 и 6-4 названных шин. С поступлением напряжения с шин постоянного тока 6, в инверторе 8 происходит преобразование постоянного напряжения в трехфазное переменное с формой неполного прямоугольника 8-1, то есть в нем имеют место 1 гармоника, 5, 7, 11 и так далее, все нечетные гармоники до 37 включительно, поэтому в схеме селекции 8-3 указанные гармоники выделяются с помощью резонансных контуров, после чего усиливаются дросселем, включенным по трансформаторной схеме и наступают на выпрямительные схемы 8-4, 8-5 и так далее до 8n, и в виде выпрямленного напряжения возвращаются на шины 6. Следует отметить, что число схем выпрямления выпрямителя 4 и число выпрямительных схем 8-4… 8n зависит от требуемого качества электрической энергии и этот вопрос решается на производстве при изготовлении устройства.
Таким образом, увеличение числа фаз выпрямителя и рекуперация электрической энергии в инверторе позволяют достичь требуемого результата, а именно уменьшить более чем на порядок коэффициент пульсаций и коэффициент искажения синусоидальности.
Источники, принятые во внимание
1. Липай Б.Р., Соломин А.Н., Тыричев П.А. Электромеханические системы. М., МЭИ, 2008, стр. 38, рис. 2.4.
2. Микроэлектронные энергосистемы. Под ред. Ю.И. Конева. М., Радио и связь, 1987, стр. 51, рис. 1.10.