ВЫПРЯМИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА
RECTIFYING INSTALLATION

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может найти применение в сильноточных блоках питания электротехнических устройств и автоматики, а также в сварочных агрегатах.
Известна выпрямительная установка, содержащая однофазный силовой трансформатор с основной и дополнительной частями вторичной обмотки, включенными последовательно и согласно, рабочий и вольтодобавочный комплекты вентилей имеют выводы для подключения к нагрузке, вход рабочего комплекта вентилей, выполненный в виде однофазного моста, соединен с основной частью вторичной обмотки трансформатора, а вольтодобавочный - в виде двух последовательно соединенных вентилей, общая точка которых соединена с крайним выводом дополнительной части вторичной обмотки трансформатора через коммутатор, управляющий вход которого подключен к выводу блока управления (а.с. СССР №1555797, кл. Н02Р 15/00, 1990). Недостатком этой выпрямительной установки является не эффективное использование дополнительной части вторичной обмотки трансформатора, сужающее универсальность установки. Дополнительная часть вторичной обмотки используется только на период времени работы электромагнитных муфт, плит и другого электрооборудования станков в форсированном режиме. При отключении дополнительной части обмотки ключом коммутатора, она остается нерабочей и не используется для других целей. К недостатку следует отнести также большой коэффициент пульсаций выпрямленного тока, что приводит к потерям на вихревые токи в магнитопроводах электромагнитных муфт или плит, снижает КПД и коэффициент использования электроэнергии выпрямительной установкой.
Известна также выпрямительная установка (патент 2007828, МПК Н02М 7/06, 15.02.1994, бюл. №3, Выпрямительная установка), которая содержит однофазный силовой трансформатор с основной и дополнительной частями вторичной обмотки трансформатора; вольтодобавочный комплект вентилей - из двух последовательно включенных вентилей, соединен их общей точкой с крайним выводом дополнительной части вторичной обмотки трансформатора через коммутатор, управляющий вход коммутатора соединен с выходом блока управления, а выходы рабочего и вольтодобавочного комплектов вентилей подключены к нагрузке. Выпрямительная установка содержит также конденсатор с переменной емкостью и разрядный резистор, подключенные параллельно коммутатору. Величины реактивного сопротивления конденсатора и активного сопротивления нагрузки выбраны по условию Хс>>Rн. При этом угол сдвига фаз между вектором напряжения на всей вторичной обмотке после конденсатора и вектором напряжения на ее основной части окажется равным примерно 90°. Соответственно сдвиг по фазе между векторами токов в нагрузке от напряжения основной части вторичной обмотки и напряжения всей части вторичной обмотки также будет близким к 90°. Это позволило уменьшить массогабаритные параметры силового трансформатора за счет повышения коэффициента мощности тока, расширить область использования.
Выпрямительная установка, принятая за прототип (патент 2386203, МПК Н02М 7/06, 10.04.2010, Бюл. №10, Выпрямительная установка), не имеет коммутатор с блоком его управления. Она снабжена второй дополнительной частью вторичной обмотки трансформатора, подключенной согласно одним концом с первой дополнительной частью вторичной обмотки, а вторым концом со вторым конденсатором с переменной емкостью и разрядным резистором, соединенными между собой параллельно. Выпрямительная установка снабжена также вторым вольтодобавочным комплектом вентилей в виде двух последовательно соединенных вентилей, выходы которых имеют выводы для подключения к нагрузке, а общая точка их соединена со вторым конденсатором с переменной емкостью и разрядным резистором.
На фиг.1 представлена схема выпрямительной установки прототипа. Выпрямительная установка прототипа содержит однофазный силовой трансформатор 1 с основной 2, первой 3 и второй 4 дополнительными частями вторичной обмотки, включенными последовательно и согласно. Рабочий комплект вентилей 9-12 в виде однофазного моста подключен к основной части 2 вторичной обмотки трансформатора; общая точка первого вольтодобавочного комплекта вентилей 13-14 соединена с первым конденсатором с переменной емкостью 7 и разрядным резистором 8; общая точка второго вольтодобавочного комплекта вентилей 15-16 соединена со вторым конденсатором с переменной емкостью 5 и разрядным резистором 6. Выходы рабочего комплекта и двух вольтодобавочных комплектов вентилей подключены к нагрузке 17.
2
3
4
При включении выпрямительной установки в сеть напряжение основной части вторичной обмотки 2 трансформатора подводится к мостовому выпрямителю, состоящему из вентилей 9, 10, 11, 12, в нагрузке 17 протекает постоянный пульсирующий ток I с наибольшей амплитудой, показанный на фиг.3. Одновременно напряжение согласно соединенных вторичных обмоток 2 и 3 трансформатора через конденсатор 7 подводится к мостовому выпрямителю, состоящему из вентилей 9, 10, 13.14, в нагрузке возникает пульсирующий ток с меньшей амплитудой I, а напряжение согласно соединенных вторичных обмоток 2, 3 и 4 трансформатора через конденсатор 5 подводится к мостовому выпрямителю, состоящему из вентилей 9, 10, 15.16, в нагрузке возникает пульсирующий ток также с меньшей амплитудой I.
Задачей предлагаемого изобретения является улучшение качества выпрямленного тока при использовании выпрямительной установки для заряда химических источников тока, электролизе растворов и, возможно, сварке на постоянном токе проволокой и др.
Решение поставленной задачи достигается тем, что предлагаемая установка снабжена дополнительным третьим конденсатором с подключенным параллельно ему резистором. Одним концом третий конденсатор соединен с выходом второго конденсатора с переменной емкостью и разрядным резистором, а вторым концом - с третьим вольтодобавочным комплектом вентилей - в виде двух последовательно соединенных вентилей. Выводы третьего вольтодобавочного комплекта вентилей подключены к нагрузке, а общая точка их соединена с третьим конденсатором с переменной емкостью и разрядным резистором.
На фиг.2 представлена схема предлагаемой выпрямительной установки. Выпрямительная установка содержит однофазный силовой трансформатор 1 с основной 2, первой 3 и второй 4 дополнительными частями вторичной обмотки, включенными последовательно и согласно. Рабочий комплект вентилей 11-14 в виде однофазного моста подключен к основной части 2 вторичной обмотки трансформатора. Общая точка первого вольтодобавочного комплекта вентилей 15-16 соединена с первым конденсатором с переменной емкостью 7 и разрядным резистором 8; общая точка второго вольтодобавочного комплекта вентилей 17-18 соединена со вторым конденсатором с переменной емкостью 5 и разрядным резистором 6, общая точка третьего вольтодобавочного комплекта вентилей 19-20 соединена с третьим конденсатором с переменной емкостью 9 и разрядным резистором 10. Выходы рабочего комплекта и трех вольтодобавочных комплектов вентилей имеют выводы для подключения к нагрузке 21.
2
3
4
5
Предлагаемая выпрямительная установка работает следующим образом. При включении выпрямительной установки в сеть напряжение основной части вторичной обмотки 2 трансформатора подводится к мостовому выпрямителю, состоящему из вентилей 11, 12, 13, 14, в нагрузке 21 протекает постоянный пульсирующий ток с амплитудой I, показан на фиг.3. Напряжение согласно соединенных вторичных обмоток 2 и 3 трансформатора через конденсатор 7 подводится к мостовому выпрямителю, состоящему из вентилей 11, 12, 15, 16, в нагрузке 21 возникает пульсирующий ток с амплитудой I. Напряжение согласно соединенных вторичных обмоток 2, 3 и 4 трансформатора через конденсатор 5 подводится к мостовому выпрямителю, состоящему из вентилей 11, 12, 17, 18, в нагрузке 21 возникает пульсирующий ток с амплитудой I. К мостовому выпрямителю, состоящему из вентилей 11, 12, 19, 20, подводится напряжение через конденсаторы 5 и 9, в нагрузке 21 возникает пульсирующий ток I.
3
4
2
2
2,3
2
2,4
4
3
4
4
2
Импульсы постоянного тока I и I согласно соединенных вторичных обмоток 2 и 3 трансформатора сдвинуты по фазе относительно импульсов тока I основной части вторичной обмотки 2, примерно на 45° и 90° соответственно. Сдвиги по фазе создаются выбором величин емкости конденсаторов 7 и 5. При этом обеспечивается согласованная работа моста из вентилей 11, 12, 13, 14 с выпрямительными мостами из вентилей 11, 12, 15, 16 и 11, 12, 17, 18 соответственно. Разрядные резисторы 8 и 6 необходимы для разряда конденсаторов 7 и 5 при отключении нагрузки 17. Аналогичные сдвиги по фазе возникают между напряжениями до диодных мостов U и U и U и U, показаны на фиг.2. Импульсы тока 15 имеют сдвиг по фазе относительно импульсов тока I примерно на 45°. Этот сдвиг по фазе обеспечивается выбранной величиной емкости конденсатора 9 и включением его к выходу конденсатора 5. При этом выход конденсатора 5, вход конденсатора 9 и общая точка вольтодобавочного комплекта диодов 17, 18 образуют электрический узел, в котором электрическая цепь из конденсатора 9 и параллельно подключенного резистора 10 является самостоятельной. Сдвинутые по фазе импульсы токов I, I и I относительно импульса тока I показаны на фиг.3.
2
3
4
5
3
4
5
4
3
5
2
2
2
Среднее значение выпрямленного тока в нагрузке за половину периода питающего напряжения определяется полным импульсом тока I и верхними частями импульсов I, I и I, показаны на фиг.3. Качество выпрямленного тока оценивают коэффициентом пульсаций, определяемым отношением амплитуды импульсов постоянного тока к среднему значению тока. При наличии импульсов токов I, I и I, среднее значение выпрямленного тока окажется значительно больше, коэффициент пульсаций выпрямленного тока будет меньше, а качество тока выше. Роль конденсаторов 5, 7 и 9 этим не ограничивается. Их реактивная мощность, Qc5+Qc7+Qc9=Хс5·I +Хс7·I +Хс9·I , компенсирует часть реактивной индуктивной мощности тока силового трансформатора. При этом увеличивается величина коэффициента мощности тока Cos φ, уменьшается значение полного тока первичной обмотки и полной мощности тока силового трансформатора, а значит, и габариты магнитопровода, и площадь сечения проводника первичной обмотки могут быть уменьшены.
2
2,4
2,3
В макетном образце выпрямительной установки, используемой для заряда двух последовательно соединенных кислотных аккумуляторных батарей с номинальным напряжением 12 В и электрической емкостью 140 А·ч каждая, силовой трансформатор выбран мощностью тока 500 В·А. Для заряда таких батарей выпрямленное напряжение должно составлять не более 30 В. Это напряжение с учетом ЭДС аккумуляторных батарей при их полном заряде достаточно для создания зарядного тока 20 А. Внутреннее сопротивление одной аккумуляторной батареи составляет примерно 0,1 Ом. Напряжение основной части вторичной обмотки U выбрано 28 В. Эта величина напряжения меньше необходимого. Напряжение U вторичной обмотки выбрано 56 В, а напряжение U примерно 30 В. Дополнительные части вторичной обмотки выполнены проводом меньшей площади сечения. Диодный мост 11, 12, 13, 14 изготовлен из диодов В - 25, а вольтодобавочные комплекты 15, 16; 17, 18 и 19, 20 изготовлены из диодов В-10. Величина сопротивления разрядных резисторов выбрана 1 кОм. Конденсаторы 5, 7, 9 выбраны из соотношения Хс=50÷100 Rн, где Rн - внутреннее сопротивление последовательно соединенных аккумуляторных батарей, составляет не более 0,2 Ом.
4
2,4
3
2,3
2,4
5
5
7
9
Сдвиги по фазе между током I и напряжением U' примерно в 90°, током I и напряжением U' примерно в 45°, током 15 и напряжением U'' примерно 45° возникают, соответственно, если электрическая емкость конденсатора С≈160 мкФ, его реактивное сопротивление Х=20 Ом, а электрическая емкость конденсаторов С≈3185 мкФ и С≈3185 мкФ, их реактивное сопротивление по 1 Ом каждый.
Известно, что заряд химических источников тока, либо электролиз, протекает с большим коэффициентом использования тока, когда качество выпрямленного тока выше. С целью повышения качества выпрямленного тока зарядные устройства изготавливают трехфазными, в однофазных используют индуктивные дроссели - фильтры, рассчитанные на полный зарядный ток. Применение таких дросселей увеличивает массогабаритные параметры выпрямительных установок. Регулирование средних значений тока в нагрузке в предлагаемой выпрямительной установке осуществляли путем изменения числа витков основной и дополнительных частей вторичной обмотки трансформатора
Технический результат: расширение возможности выпрямительной установки, уменьшение коэффициента пульсаций выпрямленного электрического тока, увеличение коэффициента мощности электрического тока Cos φ, при этом уменьшается значение полного тока первичной обмотки и полной мощности электрического тока силового трансформатора.