ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
AC POWER SUPPLY UNIT

Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразователям переменного тока в переменный с изменением числа фаз, и может быть использовано для питания устройств информационно-измерительных систем, в том числе студийной аудиоаппаратуры, а также локальных компьютерных сетей.
Известные источники электропитания таких устройств используют распределительную сеть напряжением 220 вольт, выполненную в соответствии с аналогом (СНиП 3.05.06-85, «Электротехнические устройства», стр.10). При включении вилки шнура сетевого питания той или иной нагрузки в одну из розеток такой распределительной сети эта нагрузка оказывается подключена через ряд распределительных устройств к одной из вторичных обмоток понижающего трансформатора, установленного на трансформаторной подстанции. Вторичные обмотки этого трансформатора собраны в «звезду», средняя точка которой заземлена согласно нормам безопасности.
Главный недостаток такой электросети, как источника питания, - возможность перегрузки «нейтрали» в случае, когда значительная доля потребляемой мощности приходится на долю нелинейных нагрузок, имеющих в своем составе бестрансформаторные импульсные источники питания (компьютеры, современные телевизоры, аудио- и видеоаппаратура с питанием от сети и т.д.). Такие устройства потребляют ток от сети лишь в течение коротких отрезков времени, когда мгновенное напряжение сети близко к максимальному значению. Такие токи в отличие от синусоидальных не могут скомпенсировать друг друга в «нейтрали», из-за чего ее провод может быть перегружен даже при идеально равномерной загрузке по фазам и потребляемой мощности, намного меньшей, чем предельно допустимая.
Наиболее близким аналогом, выбранным за прототип, является источник электропитания переменного тока, описанный в статье (журнал «Современные технологии автоматизации», №2, 2007 г. стр.104-108, Компьютеры и трехфазная электрическая сеть).
Устройство, содержащее трехфазный разделительный трансформатор, вторичные обмотки которого соединены с розетками, предназначенными для подключения нагрузок параллельно вторичным обмоткам трансформатора, причем вторичные обмотки трансформатора соединены в звезду. Перегрузка «нейтрали» на участке от подстанции к потребителям здесь невозможна, поскольку первичные обмотки разделительного трансформатора с ней не связаны. Провода местной «нейтрали» заранее можно выполнить с учетом особенностей нагрузки.
Недостатки прототипа - увеличение уровня помех в питающей сети, возникающих из-за нелинейности нагрузок, по сравнению со случаем питания без разделительного трансформатора, наличие помех на частоте питающей сети, проникающих в устройства по «общим землям», и неспособность обеспечить электропитание подключенных к нему нагрузок при обесточенной первичной сети. Напряжение помех в питающей сети, обусловленных нелинейностью нагрузок при прочих равных условиях пропорциональна индуктивности рассеяния вторичной обмотки трансформатора, к которой подключены нагрузки. Индуктивность рассеяния у конструктивно подобных трансформаторов, при прочих равных условиях, обратно пропорциональна их мощности. В большинстве случаев мощность разделительного трансформатора во много раз меньше мощности трансформатора на подстанции, а доля мощности, потребляемая нелинейными нагрузками, питающимися от разделительного трансформатора, наоборот, как правило, намного больше, чем в общей нагрузке трансформатора подстанции. По этим причинам напряжение помех, обусловленных нелинейностью нагрузок, при питании их по этой схеме выше, чем при питании их без разделительных трансформаторов. Помехи на частоте питающей сети обусловлены токами в «землю», которые протекают по конденсаторам, предназначенным для защиты от проникновения высокочастотных помех из питающей сети. Пара таких конденсаторов, соединяющих провода электропитания с корпусом устройств, есть почти в каждом из них. Корпус же по соображениям безопасности обыкновенно заземляют, открывая тем самым путь току через один из этих двух конденсаторов в «землю». Но корпуса устройств, как правило, соединены с «нулями» их источников питания, а «нули» разных устройств нередко являются одним из двух проводов, по которым устройства передают или принимают различные электрические сигналы. В результате этого токи, протекающие через указанные конденсаторы, ответвляются в «нулевые» сигнальные провода, искажая передаваемые по ним сигналы.
Целью изобретения является снижение уровня помех в цепях электропитания и обеспечение бесперебойности электропитания.
Поставленная цель достигается тем, что источник электропитания переменного тока, содержащий трехфазный разделительный трансформатор, первичные обмотки которого подключены к первичной трехфазной электросети, а нагрузки, разделенные по числу фаз на три группы, подключены параллельно к трем вторичным обмоткам, соединенным в «звезду», средняя точка которой заземлена, дополнительно снабжен мотор-генератором, в котором генератор выполнен по схеме синхронной электрической машины, устройством управления, соединенным с резервным источником питания, при этом обмотки генератора включены параллельно вторичным обмоткам трансформатора, которые выполнены с отводами от средней точки, причем отводы соединены между собой и заземлены, а крайние выводы вторичных обмоток изолированы от земли и друг от друга.
На чертеже представлена схема заявленного источника переменного тока.
Устройство содержит три входных контакта 1…3, предназначенные для подключения к трехфазной первичной питающей сети, трансформатор 4 с тремя первичными 5…7 и тремя вторичными 8…10 обмотками, а также розетки 12…14 для подключения нагрузок. Вторичные обмотки имеют отводы от середины, которые соединены между собой и заземлены в точке 11. Мотор-генератор 15, содержащий синхронный генератор 17, обмотки которого параллельно включены вторичным обмоткам трансформатора, и электродвигатель 16, который подключен к устройству управления 18, включающему резервный источник питания 19.
Устройство работает следующим образом. Если напряжение сети на входах 1…3 напряжения находятся в допустимых пределах, устройство управления 18 подает эти напряжения на первичные обмотки 5…7 трансформатора 4 и обесточивает электродвигатель 16 мотор-генератора 15. При этом напряжение 220 вольт с крайних выводов вторичных обмоток поступает в розетки 12…14 и далее на нагрузки, а также на обмотки синхронного генератора 17, который при этом работает, как двигатель, используя ротор обесточенного двигателя 16 как маховик. Для синхронной электрической машины это режим синхронного компенсатора, в котором она как бы шунтирует сопротивлением своих обмоток токи помех, как приходящих извне, так и возникающих в нагрузках при их работе. При этом для внешних помех индуктивности рассеяния вторичные обмотки трансформатора вместе с сопротивлениями обмоток генератора играют роль дополнительного фильтра. Так как сопротивление обмоток генератора невелико, напряжение помех между крайними по чертежу контактами розеток, а значит, и на питаемых от них нагрузках значительно уменьшается.
Заземление средних точек обмоток позволяет свести к минимуму токи с частотой, равной частоте сети в проводах, связанных с «землей». Это происходит потому, что при заземлении средней точки обмотки через два конденсатора, включенных между двумя проводами питания и «землей» для защиты от высокочастотных помех, поступающих из сети, текут равные по величине и противоположные по направлению токи, которые в «земляном» проводе взаимно компенсируют друг друга. В результате токи с частотой, равной частоте сети, в проводах, связанных с землей, значительно уменьшаются, а вместе с ними и искажения сигналов, обусловленные этими токами.
При выходе напряжений питающей сети на входах 1…3 за допустимые пределы, например, при их обесточивании устройство управления 18 отключает первичные обмотки 5…7 трансформатора 4 от входов 1…3 и подает напряжение питания от резервного источника 19 на электродвигатель 16 мотор-генератора 15. При этом его синхронный генератор 17 автоматически переходит в режим генератора и начинает вырабатывать ток, который поступает в розетки 12…14, благодаря чему питание подключенных к ним нагрузок не прерывается. Во время перехода с основного источника питания на резервный, когда напряжение с входов 1…3 уже не поступает на первичные обмотки 5…7 трансформатора 4, а напряжение от резервного источника питания 19 еще не поступает на электродвигатель 16, генератор 17 вырабатывает ток за счет кинетической энергии вращения собственного ротора и ротора электродвигателя 16, чем обеспечивается безударность перехода. При обратном переходе устройство управления выбирает момент, когда мгновенные напряжения, наводимые на первичных обмотках 5…7 трансформатора 4, оказываются близки по величине к соответствующим напряжениям на входах 1…3, подключает первичные обмотки 5…7 трансформатора 4 к входам 1…3 и отключает питание электродвигателя 16 мотор-генератора 15.