ВАРИАТОР

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована для испытания, ремонта и технического обслуживания тяговых электрических машин подвижного состава железнодорожного транспорта. Полезная модель может быть использована также на тяговых трансформаторных подстанциях железных дорог, городского электрического транспорта, для электропередачи постоянного тока в электроэнергетических системах, в устройствах плавного пуска электроустановок и для питания других потребителей электрической энергии. Вариатор является управляемым выпрямителем, с высоким КПД и уменьшенными потерями.
Известно использование вариатора в стенде для испытаний коллекторных тяговых электродвигателей локомотивов (RU, №190685, U1).
Известно устройство трехфазного выпрямителя (RU, №2367082, C1), которое состоит из трехфазного преобразовательного трансформатора, первичные и вторичные обмотки которого соединены по схеме звезда. Вторичные обмотки выполнены секционированными с последовательным соединением секций. К отпайкам первой секции вторичных обмоток трехфазного преобразовательного трансформатора присоединен трехфазный мостовой выпрямитель на диодах, а к отпайкам других секций вторичных обмоток - трехфазные управляемые мостовые выпрямители. Трехфазные мостовые выпрямители по выходу соединены последовательно, параллельно каждым выходам выпрямителей подключены накопители энергии большой емкости. Катоды силовых полупроводниковых приборов выпрямителей и плюсовые выводы накопителей энергии через дополнительные диоды и реактор соединены с плюсовой шиной сети постоянного тока. Аноды выпрямителя на диодах и минусовой вывод первого накопителя энергии соединены с минусовой шиной сети постоянного тока. Для обеспечения регулирования выходного напряжения трехфазный мостовой выпрямитель, соединенный с первой секцией вторичных обмоток трансформатора, выполняется на управляемых полупроводниковых приборах.
Регулирование в этом устройстве осуществляется за счет изменения угла регулирования тиристоров трехфазных управляемых мостовых выпрямителей в зоне регулирования. Регулируемые составляющие выпрямленного напряжения трехфазных мостовых выпрямителей суммируются с нерегулируемой составляющей выпрямленного напряжения. Для этого плавное регулирование выпрямленного напряжения в пределах одной зоны выполняется за счет изменения углов регулирования тиристоров катодной группы управляемых трехфазных мостовых выпрямителей фазовым способом.
Недостатками устройства являются существенные пульсации напряжения на малых углах регулирования, уход в отрицательную область при индуктивной нагрузке.
Решаемой полезной моделью задачей является улучшение технических характеристик.
Технический результат, достигаемый полезной моделью, - уменьшение пульсации во всем диапазоне регулирования независимо от нагрузки.
Для решения поставленной задачи с достижением технического результата заявленный вариатор содержит выпрямитель, подсоединенный к сети переменного тока, выполненный нерегулируемым, мостовым, с выводами «+» и «-», контактор, установленный в цепи «+» выпрямителя, предпусковое устройство, подсоединенное параллельно контактору. Дроссель подсоединен последовательно за контактором. Накопитель энергии подсоединен к цепи «+» выпрямителя за дросселем и к цепи «-» выпрямителя, реле напряжения, подсоединенное к цепи «+» и к цепи «-» за накопителем энергии и выход которого подсоединен к управляющему входу контактора. Импульсный преобразователь подсоединен к цепи «+» и к цепи «-» за реле напряжения. Диод подсоединен за импульсным преобразователем, катодом к цепи «+», а анодом к цепи «-». Датчик тока установлен в цепи «-» за диодом. Датчик напряжения подсоединен к цепи «+» и к цепи «-» за датчиком тока. Выводы «+» и «-» за датчиком напряжения служат выходами вариатора. Вариатор имеет блок управления, два входа которого подсоединены, соответственно, к датчику напряжения и к датчику тока, а управляющий выход подсоединен к управляющему входу импульсного преобразователя.
Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:
- выпрямитель был выполнен трехфазным;
- выпрямитель был выполнен однофазным.
Указанные преимущества, а также особенности настоящей полезной модели поясняются с помощью варианта ее выполнения со ссылками на фигуры.
Фиг. 1 изображает функциональную схему устройства;
Фиг. 2 - структурную схему блока управления;
Фиг. 3 - блок-схему алгоритма на фиг. 2.
Вариатор (фиг. 1) содержит выпрямитель 1, подсоединенный к однофазной или трехфазной сети переменного тока и выполненный однофазным или трехфазным, нерегулируемым, мостовым, с выводами «+» и «-». Устройство имеет контактор 2, установленный в цепи «+» выпрямителя 1, предпусковое устройство 3, подсоединенное параллельно контактору 2. Дроссель 4 установлен последовательно относительно контактора 2. Накопитель 5 энергии подсоединен за дросселем 4 к цепи «+» и к цепи «-» выпрямителя 1. Реле 6 напряжения подсоединено к цепи «+» и к цепи «-» за накопителем 5 энергии. Выход реле 6 напряжения подсоединен к управляющему входу контактора 2. Импульсный преобразователь 7 подсоединен к цепи «+» и к цепи «-» за реле 6 напряжения. Диод 8 подсоединен за импульсным преобразователем 7, катодом к цепи «+», а анодом к цепи «-». Датчик 9 тока установлен в цепи «-» за диодом 8. Датчик 10 напряжения подсоединен к цепи «+» за диодом 8 и к цепи «-» за датчиком 9 тока. Выводы «+» и «-» за датчиком 10 напряжения служат выходами вариатора. Устройство имеет блок 11 управления, два входа которого подсоединены, соответственно, к датчику 10 напряжения и к датчику 9 тока, а его управляющий выход подсоединен к управляющему входу импульсного преобразователя 7.
Вариатор (фиг. 1) может использоваться как для однофазной цепи переменного тока, так и для трехфазной, для чего выпрямитель 1 выполняется однофазным или трехфазным, соответственно.
Работает вариатор (фиг. 1) следующим образом.
При подаче однофазного или трехфазного переменного напряжения на вход вариатора, выпрямитель 1 преобразует его в постоянное напряжение максимального значения. Выпрямитель 1 (нерегулируемый) полупроводникового типа, состоящий из диодов, собранных по мостовой схеме (например, выпрямитель Ларионова).
Предпусковое устройство 3 ограничивает ток заряда накопителя 5 энергии во время включения до максимального напряжения. Дроссель 4 ограничивает ток заряда накопителя 5 во время работы. Накопитель 5 энергии - молекулярный, с большой емкостью, например, ионистор. Реле 6 напряжения включает контактор 2 во время включения при достижении максимального напряжения заряда накопителя 5 энергии. Датчик 10 напряжения формирует сигнал выходного напряжения вариатора в блок 11 управления. Датчик 9 тока «ДТ» подает сигнал выходного тока нагрузки вариатора в блок 11 управления, на основании чего тот принимает решения об отсутствии или необходимости отключения всей работы системы. Блок 11 управления на основании полученных данных от датчика 10 напряжения и датчика 9 переходит к управлению импульсного преобразователя 7, установленного перед выходом вариатора.
Контактор 2 шунтирует предпусковое устройство 3 после полного заряда накопителя 5 энергии, посредством электрического сигнала на катушку контактора 2 с реле 6 напряжения.
Импульсный преобразователь 7 является широтным импульсным модулятором (ШИМ), который регулирует выходное напряжение устройства вариатора путем изменения ширины электрического импульса.
Диод 8 (обратный) предназначен для исключения перенапряжения нагрузки на выходе вариатора, при внезапном отключении импульсного преобразователя 7.
Блок 11 управления осуществляет: поддержание заданного напряжения на выходе, ограничение максимального тока вариатора, а также в случае необходимости подачу сигнала для индикации выходного напряжения и выходного тока.
Заданное значение напряжения регулируется по алгоритму блока 11 управления в пределах от 0 до максимального напряжения.
В результате применения накопителя 5 энергии в заявленном вариаторе получается идеально сглаженное выпрямленное напряжение, которое регулируется импульсным преобразователем 7 (ШИМ) на частоте много превышающей частоту сети, на которой работает тиристорный преобразователь аналога, тем самым пульсации напряжения на выходе ШИМ импульсного преобразователя 7 в соответствующие разы меньше, а благодаря применению обратного диода 8, пульсации тока минимальны.
Блок 11 управления (фиг. 2) выполнен на базе блока 12 обработки сигналов и в его состав входят широтно-импульсный модулятор 13 (ШИМ) импульсного-преобразователя 7, блок 14 настройки напряжения, блок 15 задания напряжения, блок 16 задания тока, которые являются входами настройки и задания значений указанных величин блока 11 управления.
Блок 12 обработки сигналов (фиг. 2) получает заданное от внешнего управления значение необходимого на выходе вариатора напряжения с блока 14 и при значении выходного напряжения с блока 12 отличного от заданного напряжения с блока 14 блок 12 обработки сигналов изменяет ШИМ 13, который управляет импульсным преобразователем 7. Если значение тока на выходе вариатора с датчика 9 тока выше заданного значения в токовой уставке блока 16, то блок 12 обработки сигналов изменят значение ШИМ 13 для снижения выходного напряжения блока 15.
При реализации устройства (фиг. 2, 3) в блок 15 задания напряжения и блок 16 задания тока устанавливаются максимальные значения напряжения и тока на выходе импульсного преобразователя 7 в блоке 20 (фиг. 3). В процессе работы устройства через блок 14 настройки напряжения вводится значение напряжение на выходе импульсного преобразователя 7 в блоке 21. Если введенное значение больше установленного максимального значения в блоке 15 задания напряжения, оно по умолчанию приравнивается к максимальному в блоке 22. После установки необходимого значения напряжения на выходе импульсного преобразователя 7 блок 12 обработки сигналов считывает значения с датчика 9 тока и датчика 10 напряжения и если полученные значения тока и напряжения меньше максимальных установленных в блоках 16 задания тока и 15 задания напряжения, блок 12 обработки сигналов увеличивает значение ШИМ 13. Если полученные значение напряжение или тока больше заданных максимальных в блоках 15 и 16, то блок 12 обработки сигналов уменьшает значение ШИМ 13 в блоке 23 (фиг. 3). Блок 23 сравнения значений тока и напряжения повторяется до момента, пока полученное значение тока от датчика 9 тока или значение напряжения от датчика 10 напряжения, не будут равны максимальному значению тока, заданному в блоке 16 задания тока или установленному введенному значению напряжения в блоке 14 настройки напряжения соответственно. Блок 23 сравнения тока и напряжения повторяется на всем этапе работы устройства, до отключения питания.
Наиболее успешно заявленный «Вариатор» промышленно применим для испытания, ремонта и технического обслуживания тяговых электрических машин подвижного состава железнодорожного транспорта.