УСТРОЙСТВО КОМБИНИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ПЕРЕМЕННОГО И ПОСТОЯННОГО ТОКА

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована при разработках автономных или вторичных систем электроснабжения, в частности -транспортных, на базе магистральных синхронных генераторов, а также стационарных, с питанием от трехфазной сети через трансформатор.
Известно устройство комбинированного электропитания переменного и постоянного тока состоящее из многофазного синхронного генератора, выходные трехфазные обмотки которого подключены к двум группам зажимов питания нагрузок переменного тока и через трансформаторно-выпрямительный блок - к зажимам питания нагрузок постоянного тока (Электрооборудование летательных аппаратов: учебник для вузов под редакцией С.А.Грузкова. Том 1. Системы электроснабжения летательных аппаратов. - М.: Издательство МЭИ, 2005 г. - 568 с., стр.485, рис.14.4а).
Недостатком известного устройства комбинированного электропитания переменного и постоянного тока является низкое качество питающей электроэнергии, а именно:
большие нелинейные искажения (несинусоидальность) переменных напряжений и большие пульсации постоянных (выпрямленных) напряжений из-за воздействий диодных коммутаций в выпрямителях и импульсных возмущений со стороны нагрузок постоянного тока.
Известно устройство комбинированного электропитания переменного и постоянного тока, содержащее многофазный синхронный генератор с двумя группами якорных трехфазных обмоток, выводы которых подключены к соответствующим группам зажимов питания нагрузок переменного тока и через управляемую схему выпрямления на базе тиристоров с фазовым управлением - к плюсовому и минусовому зажимам питания нагрузок постоянного тока, соединенные через соответствующие первый и второй конденсаторы с нейтральным выходным зажимом, а также схему управления, выходы которой подключены к управляющим выводам тиристоров (С.Резников, Д.Чуев. Эффективные структуры транспортных каналов генерирования постоянного повышенного напряжения с электротрансмиссионной системой запуска силовых установок. Ж.Силовая электроника, №2, 2006 г., с.24-25, стр.24, рис.1).
Недостатком известного устройства комбинированного электропитания переменного и постоянного тока является относительно низкое качество питающей электроэнергии, а именно:
а) большие нелинейные искажения (несинусоидальность) переменных напряжений и большие пульсации постоянных (выпрямленных) напряжений из-за воздействий тиристорных коммутаций в выпрямителях и импульсных возмущений со стороны нагрузок постоянного тока, а также
б) отсутствие симметрии относительно единой заземленной нейтрали из-за невозможности одновременного заземления нулевых точек якорных обмоток генератора, соединенных в звезду, и нейтрального выходного зажима (при отсутствии дополнительного развязывающего трансформатора).
По технической сущности наиболее близким к предлагаемому является последний из двух вышеуказанных известных устройств комбинированного электропитания переменного и постоянного тока.
Задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является повышение качества питающей электроэнергии, а именно: улучшение формы (снижение искажений и пульсаций) переменных и постоянных напряжений и их симметрии относительно единой заземленной нейтрали.
Указанный результат обеспечивается благодаря тому, что в устройстве комбинированного электропитания переменного и постоянного тока, содержащем электромагнитный источник шестифазного напряжения с двумя группами выходных трехфазных обмоток, первые выводы которых подключены к соответствующим группам зажимов питания нагрузок переменного тока и через управляемую схему выпрямления с электронными ключами - к плюсовому и минусовому зажимам питания нагрузок постоянного тока, соединенным через соответствующие первый и второй конденсаторы с нейтральным выходным зажимом, а также схему управления, выходы которой подключены к управляющим выводам электронных ключей, управляемая схема выпрямления содержит шестифазный мостовой диодный выпрямитель, входные выводы которого через соответствующие дроссели соединены с первыми выводами выходных трехфазных обмоток, заземленными через соответствующие дополнительные конденсаторы, а также через электронные ключи, выполненные с двусторонней проводимостью, заземлены вместе со вторыми выводами указанных обмоток и нейтральным выходным зажимом, а также благодаря тому, что группы выходных трехфазных обмоток электромагнитного источника шестифазного напряжения выполнены со взаимным 30ти - градусным фазово-временным сдвигом, причем при использовании в качестве указанного источника трехфазного трансформатора с первичной трехфазной обмоткой, подключенной к питающей сети, каждая из обмоток второй группы его выходных обмоток содержит
две последовательно соединенные между собой равновитковые секции, расположенные на различных попарно-чередующихся стержнях трехстержневого магнитопровода и имеющие каждая число витков, в √3 раз меньше, чем каждая обмотка первой группы.
По существу технический результат обеспечивается благодаря выполнению управляемой схемы выпрямления по схеме шестифазного выпрямителя с широтно-импульсным корректором коэффициента мощности со средней выходной точкой, эквипотенциальной с общей нулевой точкой выходных трехфазных обмоток электромагнитного источника.
Дополнительным техническим результатом предложения является расширение области его применения, а именно - не только в автономных системах электроснабжения на базе магистральных синхронных генераторов, но и во вторичных, с питанием от трехфазной сети через трансформатор. В последнем случае обычно используются две вторичные обмотки по схеме типа « звезда - треугольник », не имеющей общей нулевой точки для заземления вместе с нейтральным выходным зажимом.
Лабораторные испытания подтверждают возможность широкого промышленного использования предложенного устройства комбинированного электропитания переменного и постоянного тока.
На фиг. приведена принципиальная схема силовой части предлагаемого устройства комбинированного электропитания переменного и постоянного тока.
Устройство комбинированного электропитания переменного и постоянного тока содержит электромагнитный источник (1) шестифазного напряжения с двумя группами (2, 3) выходных трехфазных обмоток. Первые выводы обмоток подключены к соответствующим группам (4, 5) зажимов питания нагрузок переменного тока и через управляемую схему выпрямления (6) с электронными ключами (7) с двусторонней проводимостью на базе встречно соединенных транзисторов - к плюсовому (8) и минусовому (9) зажимам питания нагрузок постоянного тока, соединенным через соответствующие первый (10) и второй (11) конденсаторы с нейтральным выходным зажимом (12). Выходы схемы управления (13) подключены к управляющим выводам электронных ключей. Управляемая схема выпрямления содержит шестифазный мостовой диодный выпрямитель (14), входные выводы которого через соответствующие дроссели (15) соединены с первыми выводами выходных трехфазных обмоток, заземленными через соответствующие дополнительные конденсаторы (16), а также через электронные ключи заземлены
вместе со вторыми выводами указанных обмоток и нейтральным выходным зажимом. Группы выходных трехфазных обмоток электромагнитного источника шестифазного напряжения выполнены со взаимным 30ти - градусным фазово-временным сдвигом. Для этого в случае использования в качестве указанного источника трехфазного трансформатора с первичной трехфазной обмоткой (17), подключенной к питающей трехфазной сети, каждая из обмоток второй группы его выходных обмоток содержит две последовательно соединенные между собой равновитковые секции, расположенные на различных попарно-чередующихся стержнях трехстержневого магнитопровода и имеющие каждая число витков, в √3 раз меньше, чем каждая обмотка первой группы. В случае использования в качестве электромагнитного источника синхронного шестифазного генератора с роторным магнитоэлектрическим или электромагнитным возбудителем (18) с приводом постоянной частоты вращения (со) выходные, т.е.якорные обмотки могут быть реализованы аналогичным образом или по известной двухгрупповой схеме «звезда - звезда» со взаимным 30™ - градусным (в электрических градусах) пространственным сдвигом (по аналогии с прототипом). Схема управления (13) выполнена с возможностью широтно-импульсной модуляции своих выходных сигналов в функции соответствующих отклонений мгновенных значений токов в дросселях (15) и напряжений на дополнительных конденсаторах (16) от заданных синусоидальных форм с помощью цепей обратных связей.
а′b′с
"b"с"
a′m
а"m
Устройство комбинированного электропитания переменного и постоянного тока работает следующим образом. На первых выводах каждой из двух групп (2, 3) выходных трехфазных обмоток электромагнитного источника (1) шестифазного напряжения индуцируется трехфазная система ЭДС (Е и Еа). Взаимный 30ти - градусный фазово-временной сдвиг этих двух систем ЭДС обеспечивается тем, что, например, ЭДС Еа= является фазной по отношению к обмоткам группы 2, а ЭДС - линейной по отношению к двум последовательно соединенным между собой секциям одной из обмоток группы 3, т.к. секции расположены с пространственным сдвигом в 120 эл. градусов. При этом амплитуды ЭДС E и Е равны между собой благодаря тому, что число витков каждой секции, а следовательно и ЭДС в ней в √3 раз меньше, чем число витков одной обмотки группы 2, тогда как линейная ЭДС для пары этих секций в √3 раз больше фазной ЭДС в каждой секции. Таким образом трехфазные и однофазные нагрузки переменного тока, подключенные к группам (4) и (5) выходных зажимов, могут использовать два трехфазных канала питания с единой заземленной нейтралью (зажимы 0 на фиг.).
При отсутствии нагрузок постоянного тока на выходных зажимах (8, 9), т.е. на
am
выходных выводах шестифазного мостового диодного выпрямителя (14) возникает постоянное напряжение ±U, по абсолютной величине равное удвоенному амплитудному значению амплитуды фазных ЭДС, т.е. U=2E, т.к. выпрямитель (14) с конденсаторами (10, 11) представляет собой известную многофазную схему удвоения амплитуды фазного напряжения (наподобие известного трехфазного Виенна-выпрямителя). При этом потенциалы выходных зажимов (8) и (9) симметричны относительно заземленного нейтрального выходного зажима (12) (с нулевым потенциалом), что дает возможность запитывать также нагрузки с напряжением 0.5U, существенно не нарушая симметрии потенциалов на зажимах (8) и (9) относительно заземленной нейтрали.
При подключении нагрузок постоянного тока из-за коммутаций диодов выпрямителя (14), а также из-за возможных импульсных возмущений со стороны нагрузок происходят отклонения мгновенных значений токов в дросселях (15) и напряжений на дополнительных конденсаторах (16) от заданных синусоидальных форм, соответствующих коэффициенту входной мощности выпрямителя близкому к единице. При этом существенно снижается качество питающей электроэнергии, а именно: возникают большие нелинейные искажения (несинусоидальность) переменных напряжений на зажимах (4, 5) и большие пульсации постоянных напряжений на зажимах (8, 9), а также повышается нескомпенсированная реактивная мощность, развиваемая дросселями (15). С целью демпфирования и компенсации указанных явлений с помощью цепей отрицательных обратных связей производится автоматическое широтно-импульсное регулирование выходных сигналов схемы управления (13), поступающих на управляющие выводы электронных ключей (7) способных с высокой частотой заземлять входные выводы выпрямителя, т.е. осуществлять широко известное повышающее импульсное широтно-импульсное регулирование (циклонвертирование в пределах каждого полупериода низкочастотных ЭДС обмоток 2, 3). Управление относительными длительностями выходных импульсных сигналов схемы (13) производится автоматически благодаря наличию датчиков тока и напряжения в фильтрующих цепочках с дросселями (15) и конденсаторами (16).