МНОГОФАЗНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ
MULTIPHASE RECTIFIER

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве источника постоянного тока автономных объектов, потребители которых предъявляют повышенные требования к качеству электроэнергии.
Известен многофазный выпрямитель, содержащий функционально соединенные: клеммы сети, автоматический выключатель, магнитный усилитель, содержащий сердечник с рабочими обмотками и обмоткой подмагничивания, силовой трансформатор, схему выпрямления, сглаживающий фильтр и клеммы для подключения нагрузки, источник оперативного питания, блок стабилизации напряжения, блок выбора неисправной стороны, блок автоматики и блок контроля напряжения, при этом схема выпрямителя содержит три канала: силовой канал, образованный клеммами сети, автоматическим выключателем, магнитным усилителем, силовым трансформатором, схемой выпрямления, сглаживающим фильтром и клеммами для подключения нагрузки; канал стабилизации выходного напряжения выпрямителя, содержащий последовательно включенные измерительный орган, промежуточный усилитель, магнитный усилитель и канал защиты потребителей, содержащий блок контроля напряжения и блок выбора неисправной стороны [1]. Данный выпрямитель нашел широкое применение в системах электроснабжения автономных объектов в качестве источника питания потребителей постоянного тока ввиду сравнительной простоты и надежности его схемы, однако ему присущи и недостатки, среди которых выделяются малое быстродействие защиты от обрыва фаз сети и токов короткого замыкания и сравнительно низкое качество выпрямленного напряжения.
Техническим результатом изобретения является повышение быстродействия защит от обрыва фаз и токов короткого замыкания и повышение качества выпрямленного напряжения.
2
2
2
2
2
2
Требуемый технический результат достигается тем, что в многофазный выпрямитель, содержащий последовательно соединенные: клеммы сети, автоматический выключатель с катушкой управления, рабочие обмотки фаз магнитного усилителя, силовой трансформатор, силовую схему выпрямления и клеммы для подключения нагрузки, к которым подключены блок контроля напряжения и измерительный орган, выход измерительного органа соединен с входом промежуточного усилителя, выход которого подключен к обмотке подмагничивания магнитного усилителя, катушка управления автоматического выключателя подключена к источнику оперативного питания, введены: трехфазный блок контроля фаз, содержащий трехфазный измерительный трансформатор, первичная и вторичная обмотки которого соединены в звезду, измерительную схему выпрямления, лампу контроля фаз, первую и вторую параллельно включенные цепи, причем первая цепь содержит размыкающий контакт реле второй цепи, к которому подключен резистор, шунтируемый сглаживающим конденсатором, включенным последовательно с реле цепи, вторая цепь содержит параллельно включенные замыкающие контакты реле первой цепи и реле второй цепи, к которым подключен резистор, соединенный последовательно с реле второй цепи, при этом сводные выводы обоих реле соединены через стабилитрон и подключены к плюсовому выводу измерительной схемы выпрямления, а выводы названных цепей, соединенные с контактами реле, подключены к нулевой точке звезды вторичной обмотки измерительного трансформатора, при этом реле второй цепи снабжено замыкающим контактом, установленным в цепи питания лампы контроля фаз; трехфазный блок контроля тока, содержащий три идентичных трансформатора тока, каждый из которых содержит сердечник, токовую обмотку и потенциальную обмотку, первый, второй и третий диоды, сглаживающий конденсатор с параллельно подключенным к нему реле, причем начала потенциальных обмоток через первый, второй и третий диоды соответственно подключены к плюсовому выводу сглаживающего конденсатора, а концы потенциальных обмоток объединены в общую точку, которая подключена к минусовому выводу сглаживающего конденсатора, реле блока контроля тока снабжено размыкающим контактом; а силовой трансформатор выполнен по типу электрической машины с заторможенным ротором, содержащим внутренний сердечник, в пазах которого размещена первичная трехфазная обмотка, соединенная звездой, и внешний сердечник, соосный внутреннему, в пазах которого размещены первая, вторая, третья, четвертая, пятая, шестая, седьмая и восьмая вторичные трехфазные обмотки, соединенные звездой, причем указанные обмотки сдвинуты в пространстве относительно друг друга на угол α=2πp/z, где p - число пар полюсов, a z=2mpq - число пазов внешнего сердечника; m - число фаз вторичных обмоток; q - число пазов на полюс и фазу любой из вторичных обмоток, при этом силовая схема выпрямления выполнена из восьми выходов последовательно соединенных трехфазных мостовых схем выпрямления с плюсовым и минусовым выводами, между которыми установлен выходной сглаживающий конденсатор и которые подключены к клеммам для подключения нагрузки, а каждая из указанных мостовых схем выпрямления подключена к соответствующей вторичной обмотке силового трансформатора, причем катушка управления автоматического выключателя подключена к источнику оперативного питания минусовым выводом непосредственно, а плюсовым выводом через размыкающие контакты реле блока контроля тока и реле блока контроля напряжения.
На фиг. 1 представлена структурная схема многофазного выпрямителя. На фиг. 2 показана схема связи вторичных обмоток силового трансформатора с мостовыми схемами выпрямления.
2
2
2
2
2
2
Многофазный выпрямитель содержит (фиг. 1) функционально соединенные: клеммы сети 1 А, В и С, автоматический выключатель 2 с катушкой управления 3, трехфазный блок контроля фаз 4, содержащий трехфазный измерительный трансформатор 4-1, первичная и вторичная обмотки (не обозначены) которого соединены в звезду, трехфазную мостовую схему измерительного выпрямителя 4-2, подключенную к вторичной обмотке указанного трансформатора 4-1 и нагруженную лампой контроля фаз 4-3, первую 4-4 и вторую 4-5 параллельные цепи, причем первая цепь 4-4 содержит размыкающий контакт 4-6 реле второй цепи, к которому последовательно подключен резистор 4-7, зашунтированный сглаживающим конденсатором 4-8, с соединенным последовательно реле первой цепи 4-9. Вторая цепь 4-5 содержит параллельно включенные замыкающие контакты 4-10 и 4-11 реле первой и второй цепи 4-9 и 4-13 соответственно, к которым подключен резистор 4-12, последовательно соединенный с реле 4-13, при этом свободные выводы реле 4-9 и 4-13 (не обозначены) соединены между собой с помощью стабилитрона 4-14 и подключены к плюсовому выводу схемы выпрямления 4-2, а общие выводы цепей 4-4 и 4-5, соединенные с контактами 4-6, 4-10 и 4-11, подключены к нулевой точке звезды (не обозначена) вторичной обмотки трансформатора 4-1, причем реле 4-13 снабжено замыкающим контактом 15, установленным в цепи питания лампы контроля фаз 4-3; трехфазный блок контроля тока 5, содержащий первый трансформатор тока 5-1, второй трансформатор тока 5-2 и третий трансформатор тока 5-3, начала выходных обмоток (не обозначены) которых соединены через диоды 5-4, 5-5 и 5-6 соответственно с плюсовым выводом сглаживающего конденсатора 5-7 и первым выводом реле 5-8, а концы указанных обмоток также соединены в общую точку и подключены к минусовому выводу конденсатора 5-7 и второму выводу реле 5-8, которое снабжено размыкающим контактом 16; магнитный усилитель 6, выполняющий функции дросселя насыщения и снабженный рабочими обмотками 6-1, 6-2 и 6-3 и обмоткой подмагничивания 6-4, силовой трансформатор 7, выполненный по типу электрической машины с замороженным ротором и содержащим внутренний сердечник 7-1 (фиг. 2), в пазах (не показаны) которого размещена первичная трехфазная обмотка (a, b и с) 7-2, соединенная звездой и внешний сердечник 7-3, соосный внутреннему, в пазах которого размещены первая 7-4, вторая 7-5, третья 7-6, четвертая 7-7, пятая 7-8, шестая 7-9, седьмая 7-10 и восьмая 7-11 вторичные трехфазные обмотки, соединенные звездой, причем указанные обмотки сдвинуты в пространстве друг относительно друга на угол α=2πp/z, где p - число пар полюсов, a z=2mpq, где m - число фаз всех вторичных обмоток; q - число пазов на полюс и фазу любой из вторичных обмоток, причем первая вторичная обмотка 7-4 подключена к трехфазной схеме выпрямления 8-1, вторая вторичная обмотка 7-5 подключена к трехфазной схеме выпрямления 8-2, третья вторичная обмотка 7-6 подключена к трехфазной схеме выпрямления 8-3, четвертая вторичная обмотка 7-7 подключена к трехфазной схеме выпрямления 8-4, пятая вторичная обмотка 7-8 подключена к трехфазной схеме выпрямления 8-5, шестая вторичная обмотка 7-9 подключена к трехфазной схеме выпрямления 8-6, седьмая вторичная обмотка 7-10 подключена к трехфазной схеме выпрямления 8-7 и восьмая вторичная обмотка 7-11 подключена к трехфазной схеме выпрямления 8-8, при этом выходы схем выпрямления 8-1…8-8 соединены между собой последовательно, минусовый вывод схемы выпрямления 7-16 подключен к минусовому выводу выходного сглаживающего конденсатора 8-9, а плюсовый вывод схемы выпрямления 8-6 подключен к плюсовому выводу указанного конденсатора, при этом плюсовой и минусовой выводы конденсатора 8-9 соединены непосредственно с соответствующими выводами клемм для подключения нагрузки 9. К клеммам для подключения нагрузки 9 подключен блок контроля напряжения 10; реле которого снабжено размыкающим контактом 17, и измерительный орган напряжения 11, выход которого соединен с выходом промежуточного усилителя 12, выход которого (не обозначен) соединен с обмоткой подмагничивания 6-4 магнитного усилителя 6, при этом катушка управления 3 подключена к источнику оперативного питания 13 минусовым выводом (не обозначен) непосредственно, а плюсовым выводом (не обозначен) через последовательно соединенные размыкающий контакт 16 реле 5-8 трехфазного блока контроля тока 5 и размыкающий контакт 17 реле блока контроля напряжения 10, причем трехфазный измерительный трансформатор 4-1 трехфазного блока контроля фаз 4 подключен к одноименным фазам сети А, В и С, а трансформаторы тока 5-1, 5-2 и 5-3 блока контроля тока 5 включены в рассечку соответствующих фаз сети.
Многофазный выпрямитель работает следующим образом. В его функционировании можно выделить несколько режимов, при этом запуск во всех режимах неизменен. В статическом режиме (сеть исправна, коротких замыканий нет, напряжение на выходе соответствует номинальному значению) при использовании пусковой аппаратуры (не показана) срабатывает катушка управления 3, втягивает якорь вовнутрь катушки и автоматический выключатель 2 замыкает свои силовые контакты, тогда напряжение сети с клемм сети 1 А, В и С поступает на трехфазный блок контроля фаз 4 и трехфазный блок контроля тока 5. Поскольку токи фаз равны номинальным, то потенциальные обмотки трансформаторов тока 5-1, 5-2 и 5-3 вырабатывают сигналы, сумма которого недостаточна для срабатывания реле 5-8, которое является реле постоянного тока. ЭДС указанных обмоток выпрямляются диодами 5-4, 5-5 и 5-6, а их суммарная величина имеет сглаженную форму благодаря конденсатору 5-7. Поскольку реле 5-8 не сработает, то его контакт 16 остается в замкнутом состоянии. Напряжения фаз сети поступают на рабочие обмотки фаз 6-1, 6-2 и 6-3 магнитного усилителя 6. Кроме того, напряжения фаз сети А, В и С поступают на первичную обмотку трехфазного трансформатора 4-1 блока контроля фаз 4, где понижается по амплитуде до заданного значения. Затем оно поступает на измерительную схему выпрямления 4-2, где переменный ток преобразуется в постоянный. К плюсовому выводу схемы выпрямления 4-2 подключен первый вывод (не обозначен) лампы контроля фаз 4-3 непосредственно, а к минусовому выводу указанной схемы подключен второй вывод (не обозначен) указанной лампы через замыкающий контакт 15. При наличии напряжения между нулевой точкой звезды вторичной обмотки измерительного трансформатора 4-1 и плюсовым выводом схемы выпрямления 4-2 начинают работать первая 4-4 и вторая 4-5 параллельные цепи в следующей последовательности. При замкнутом контакте 4-6, принадлежащем реле второй цепи 4-13, протекают токи через резистор 4-7, сглаживающий конденсатор 4-8 и реле первой цепи 4-9, в результате чего данное реле сработает и замкнет замыкающий контакт 4-10 второй параллельной цепи 4-5. Если напряжение в цепи реле равно заданному, то стабилитрон 4-14 открывается и реле 4-13 сработает, при этом оно самоблокируется контактом 4-11 и обеспечивает работу лампы контроля фаз 4-3, замыкая контакт 15, горение указанной лампы свидетельствует о наличии напряжения на всех трех клеммах сети, при этом, сработав, реле 4-13 отключает реле 4-9, разрывая контакт 4-6 в первой цепи 4-4. При пропадании любой фазы сети напряжение на выходе схемы выпрямления уменьшается, стабилитрон 4-14 будет закрыт и реле 4-13 остается в нерабочем состоянии. Выходные напряжения с рабочих обмоток 6-1, 6-2 и 6-3 магнитного усилителя 6 поступают на первичную трехфазную обмотку 7-2 (фиг. 2) клеммы a, b и с, расположенную в пазах внутреннего сердечника 7-1 силового трансформатора 7. Симметричная система токов сети образует в указанной обмотке круговое вращающееся магнитное поле (КВМП), магнитные линии которого пересекают витки вторичных обмоток 7-4, 7-5, 7-6, 7-7, 7-8, 7-9, 7-10 и 7-11, размещенных в пазах сердечника 7-3, и наводят в каждой из них ЭДС
i
oi
где f - частота сети; w - число витков фазы i-й обмотки; Ф - магнитный поток; k - обмоточный коэффициент i-й обмотки, при этом обмотка 7-4 подключена к мостовой схеме выпрямления 8-1, обмотка 7-5 соединена с мостовой схемой выпрямления 8-2, обмотка 7-6 подключена к мостовой схеме выпрямления 8-3, обмотка 7-7 соединена с мостовой схемой выпрямления 8-4, обмотка 7-8 подключена к мостовой схеме выпрямления 8-5, обмотка 7-9 соединена с мостовой схемой выпрямления 8-6, обмотка 7-10 подключена к мостовой схеме выпрямления 8-7, обмотка 7-11 соединена с мостовой схемой выпрямления 8-8, при этом все мостовые схемы выпрямления 8-1…8-8 соединены между собой последовательно и образуют минусовой вывод (не обозначен), к которому соответствующим выводом подключен сглаживающий конденсатор 8-9, и плюсовой вывод (не обозначен), к которому одноименным выводом подключен указанный конденсатор. Названные выводы схем выпрямления 8-1…8-8 соединены с одноименными выводами клемм для подключения нагрузки. Таким образом, силовая схема выпрямления 8 содержит восемь мостовых схем выпрямления 8-1…8-8 и выходной сглаживающий конденсатор 8-9, при этом коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения равен
где m=3⋅8, m=3 - число фаз; 8 - число обмоток.
Величина выходного напряжения выпрямителя контролируется блоком контроля напряжения 9, выполненным по стандартной схеме, и при необходимости стабилизируется за счет изменения падения напряжения ΔU на рабочих обмотках 6-1, 6-2 и 6-3 магнитного усилителя 6. Если выходное напряжение на клеммах для подключения нагрузки 8 меньше номинального значения, то реализуется зависимость
6
н
где U - напряжение на выходе магнитного усилителя 6; I - ток нагрузки; L - индуктивность фазы рабочей обмотки указанного усилителя.
6
ном
L
6
ном
ном
Если U<U, то в измерительном органе формируется сигнал на увеличение тока подмагничивания в обмотке 6-4. Увеличение подмагничивания сердечника названного усилителя 6 приводит к уменьшению индуктивности рабочих обмоток, т.е. к уменьшению индуктивного сопротивления x=2πfL, поэтому падение напряжения на рабочих обмотках уменьшается, а выходное напряжение U=U, где U - номинальное значение напряжения. При реализации статического режима контакт 16 реле 5-8 трехфазного блока контроля тока и контакт 17 реле блока контроля напряжения всегда будут замкнуты, а катушка управления 3 будет в работе. В первом динамическом режиме, когда может измениться число фаз сети, механизм функционирования трехфазного блока описан выше, по которому, если при пуске выпрямителя лампа контроля фаз 4-3 блока 4 не загорится, то сеть неисправна и устройство включать нельзя. Если во втором динамическом режиме ток короткого замыкания в устройствах 6, 7 и 8 возникнет, то сработает реле 5-8 блока 5 и разрывается цепь питания катушки управления 3, размыкающий контакт 16 которого разомкнется и выпрямитель обесточится. В третьем динамическом режиме при увеличении выходного напряжения выше допустимого сработает реле блока контроля напряжения и его контакт 17 в цепи питания катушки управления 3 разомкнется, выпрямитель обесточится.
Таким образом, введение трехфазных блоков: контроля фаз и контроля тока повышает быстродействие защит в выпрямителе, а увеличение числа фаз выпрямления обеспечивает требуемое качество выпрямленного напряжения, чем и достигается требуемый технический результат.
Источники информации
1. Атрощенко В.А., Розанов Ю.К., Кабанков Ю.А., Мамонтов В.И., Юрченков В.Н., Сухинин А.М. Преобразовательные устройства систем автономного электроснабжения. М.: МО СССР, 1987, стр. 23, рис. 2.9, стр. 27, рис. 2.11.