НАГРУЗОЧНО-ПИТАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2009 года по МПК G01R31/40 

Устройство относится к области преобразовательной техники и может использоваться для испытания электротехнических устройств, электрических машин и трансформаторов, автономных инверторов, источников вторичного электропитания, аккумуляторных батарей, солнечных батарей или других источников электрической энергии.

Из уровня техники известны регулируемые или нерегулируемые активные, активно-индуктивные или активно-емкостные нагрузки (Котеленец Н.Ф. Испытания, эксплуатация и ремонт электрических машин: учебник для вузов / Н.Ф.Котеленец, Н.А.Акимова, М.В.Антонов. - М.: Издательский центр «Академия», 2003. - 384 с.), содержащие реостат, индуктивность или емкость. К достоинствам такого устройства относятся относительно низкая стоимость и высокая надежность, возможность поддержания или регулирования тока в широких пределах за счет изменения сопротивления нагрузки. К недостаткам - трудность одновременной плавной регулировки нагрузки во всех фазах m-фазной нагружаемой системы, трудность регулирования угла сдвига ϕ между напряжением и током, невозможность изменять направление потока мощности, а главное, вся энергия, вырабатываемая источником вторичного напряжения, поглощается в нагрузочных реостатах, переходит в тепло, и рассеивается в окружающую среду. Вследствие этого усложняется проведение испытаний и повышаются затраты.

Известно нагрузочное устройство, содержащее тиристорные преобразователи, которые позволяют осуществлять рекуперацию энергии в сеть, изменять направление потока мощности (Зорохович А.Е. Устройства для заряда и разряда аккумуляторных батарей / А.Е.Зорохович, В.П.Вольский, Ф.И.Эйгель. - М.: Энергия, 1975. - 208 с.). Однако их использование возможно только на постоянном токе, также такие устройства характеризуются низким коэффициентом мощности и оказывают вредное влияние на сеть, генерируя высшие гармоники.

Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является электронная нерассеивающая нагрузка (Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника. - М.: Техносфера, 2005. - 632 с.), содержащая источник электропитания, фильтры радиопомех на входе и выходе нагрузки, два преобразователя тока и ведомый сетью инвертор, между преобразователями устанавливают емкостной накопитель энергии.

Фильтры защищают сеть и источник электропитания от помех, генерируемых в узлах электронной нерассеивающей нагрузки. Первый преобразователь тока служит для формирования заданного выходного тока источника питания - входного тока нагрузки. Задача второго преобразователя - сформировать синусоидальный ток. Инвертор передает синусоидальный ток в сеть, обеспечивая совпадение фаз тока и напряжения в сети. Емкостной накопитель энергии компенсирует мгновенную разницу между постоянной во времени входной мощностью электронной нагрузки и мгновенной мощностью, передаваемой в сеть и изменяющейся с удвоенной частотой сети.

Недостатком устройства-прототипа является невозможность изменения в нем направления потока мощности, сложное трехступенчатое преобразование энергии, а также возможность работы только на постоянном токе.

В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в возможности одновременного плавного регулирования полного сопротивления и угла сдвига ϕ между напряжением и током во всех фазах нагружаемого устройства и получение высоких энергетических показателей (cosϕ=1) при передаче энергии в сеть, а также в возможности передачи энергии от испытываемого объекта в сеть переменного тока и обратно, то есть, изменение направления потока мощности.

Предлагаемое нагрузочно-питающее устройство содержит последовательно включенные первый m-фазный фильтр, подключенный к зажимам m-фазного объекта испытания, m-фазную нагрузку, второй m-фазный фильтр, подключенный к сети переменного тока, согласно изобретению m-фазная нагрузка выполнена на основе двух m-фазных обратимых преобразователей напряжения, соединенных на стороне постоянного тока, сторона переменного тока первого обратимого преобразователя напряжения присоединена к m-фазному фильтру, подключенному к объекту испытания, а сторона переменного тока второго обратимого преобразователя напряжения присоединена к m-фазному фильтру, подключенному к сети.

Кроме того, в нагрузочно-питающем устройстве напряжения объекта испытания подаются на входы системы управления первого обратимого преобразователя напряжения через делители и фазосдвигающие устройства.

На входы системы управления обратимого преобразователя напряжения подаются сигналы постоянной амплитуды и фазы с частотой, соответствующей частоте объекта испытания.

Выполнение m-фазной нагрузки на основе двух m-фазных обратимых преобразователей напряжения позволяет изменять направление потока мощности.

Управление первым обратимым преобразователем напряжения осуществляется от системы управления, на которую подается сигнал, пропорциональный выходному напряжению испытываемого устройства и сдвинутый относительно него на заданный угол, или сигнал заданной амплитуды и фазы. Это обеспечивает имитацию активно-индуктивной (активно-емкостной) нагрузки или имитацию стабилизации тока нагрузки.

Таким образом, предлагаемое устройство обладает повышенными энергетическими показателями, возможностью одновременного плавного регулирования нагрузки по заданному закону (на постоянном и переменном токе) во всех фазах нагружаемого устройства, а также это рекуперирующий преобразователь электроэнергии позволяющий изменять направление потока мощности.

При исследовании предлагаемого устройства по патентной и научно-технической литературе не выявлены технические решения, содержащие признаки, эквивалентные признакам заявляемого нагрузочно-питающего устройства и, следовательно, данное техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень».

Изобретение поясняется чертежами:

Фиг.1 - структурная схема предлагаемого устройства;

Фиг.2 - структурная схема однофазных обратимых преобразователей напряжения, собранных по однофазной полумостовой схеме;

Фиг.3 - структурная схема обратимых преобразователей напряжения, собранных по трехфазной мостовой схеме.

В состав нагрузочно-питающего устройства (фиг.1) входят первый m-фазный фильтр 1, подключенный к зажимам m-фазного объекта испытания 2, два обратимых преобразователя напряжения 3 и 4, сторона переменного напряжения второго преобразователя 4 подключена через второй фильтр 5 к сети 6, на управляющий вход первого обратимого преобразователя напряжения 3 подается сигнал от системы управления 7, сигналом задания для которой является выходной сигнал первого фильтра 1.

Каждый m-фазный обратимый преобразователь напряжения 3 и 4 выполнен по схеме автономного инвертора напряжения, работающего как в инверторном, так и в выпрямительном режимах (фиг.2).

Устройство работает следующим образом.

Первый обратимый преобразователь напряжения 3 имитирует заданное линейное комплексное сопротивление нагрузки за счет обеспечения заданного системой управления 7 тока, линейно зависящего от напряжения фазы объекта и угла сдвига ϕ между напряжением и током.

Второй обратимый преобразователь напряжения 4 возвращает энергию в сеть, с заданным cosϕ (близким к 1), обеспечивая стабилизацию напряжения на емкостном накопителе, роль последнего выполняет конденсатор на стороне постоянного напряжения самих обратимых преобразователей напряжения.

Система управления 7 первого обратимого преобразователя напряжения 3 построена на базе микроконтроллера, например, AVR типа ATmega8535, что позволяет на программном уровне реализовывать практически любые законы управления обратимым преобразователем напряжения, в частности формировать сигнал заданной фиксированной амплитуды или пропорциональный выходному напряжению испытываемого устройства и сдвинутый относительно него на заданный угол.

В первом обратимом преобразователе напряжения 3 (фиг.2 для однофазной системы или фиг.3 для трехфазной системы) можно формировать сетевой ток в фазе или противофазе по отношению к напряжению сети путем сравнения его с заданным током. Управление первым обратимым преобразователем напряжения 3 может быть релейное или в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ). В первом случае транзисторы стойки включаются в моменты, когда ток i₁ уменьшается ниже заданного значения i_зад, и выключаются, когда превышает. Чем меньше ширина токового коридора Δi, тем точнее формируется синусоида, но тем выше частота коммутации транзисторов.

Если при релейном регулировании заданный ток совпадает с напряжением питания по форме и по фазе, то cosϕ=1 и схема обладает высокими энергетическими показателями. Но может быть реализован любой угол ϕ между напряжением и током, что используется в первом обратимом преобразователе напряжения 3.

При ШИМ-регулировании формируется гладкая составляющая напряжения на зажимах ab (фиг.2) так, чтобы под действием разности этого напряжения и напряжения сети протекал синусоидальный ток, сдвинутый на заданный угол ϕ между напряжением и током. Во втором обратимом преобразователе напряжения 4 применяется стандартная система управления [www.siemens.ru], обеспечивающая поддержание напряжения на конденсаторе и расчет сетевого тока.

Подробно работа обратимого преобразователя напряжения рассмотрена в статьях М.В.Гельмана и Ю.Г.Быкова (Гельман, М.В. Анализ электромагнитных процессов в однофазном обратимом преобразователе напряжения // Вестник ЮУрГУ, серия «Энергетика». - Челябинск; Изд-во ЮУрГУ, 2002. - Вып.2. - №7. - С.45-48; Быков, Ю.Г. Регулировочные характеристики однофазного обратимого преобразователя напряжения / Ю.Г.Быков, Ю.М.Иньков, М.Д.Симонов // Электричество. - 1996. - №9. - С.63-66).

Практическое применение.

Опытный образец рассмотренного устройства был опробован в автоматизированном лабораторном комплексе по преобразовательной технике на кафедре «Электропривод и автоматизация» Южно-Уральского государственного университета. Как оказалось, его внедрение позволит одновременно плавно регулировать нагрузку во всех фазах, получать высокие энергетические показатели (cosϕ=1), обеспечить передачу мощности в обоих направлениях.

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может использоваться для испытания электротехнических устройств: электрических машин и трансформаторов, автономных инверторов, источников вторичного электропитания, аккумуляторных батарей, солнечных элементов или других источников электрической энергии. Технический результат: возможность одновременного плавного регулирования тока нагрузки по заданному закону (на постоянном и переменном токе) во всех фазах нагружаемого устройства и изменения направления потока мощности. Сущность: в состав нагрузочно-питающего устройства входят m-фазный фильтр, подключенный к зажимам m-фазного объекта испытания, два m-фазных обратимых преобразователя напряжения. Сторона переменного напряжения второго преобразователя подключена через второй фильтр к сети. На управляющий вход первого обратимого преобразователя напряжения подается сигнал от системы управления, сигналом задания для которой является выходной сигнал первого фильтра. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Нагрузочно-питающее устройство, содержащее последовательно включенные m-фазный фильтр, подключенный к зажимам m-фазного объекта испытания, m-фазную нагрузку, второй m-фазный фильтр, подключенный к сети переменного тока, и отличающееся тем, что m-фазная нагрузка выполнена на основе двух m-фазных обратимых преобразователей напряжения, соединенных на стороне постоянного тока, сторона переменного тока первого обратимого преобразователя напряжения присоединена к m-фазному фильтру, подключенному к объекту испытания, а сторона переменного тока второго обратимого преобразователя напряжения присоединена к m-фазному фильтру, подключенному к сети.2. Нагрузочно-питающее устройство по п.1, отличающееся тем, что напряжения объекта испытания подаются на входы системы управления первого обратимого преобразователя напряжения через делители и фазосдвигающие устройства.3. Нагрузочно-питающее устройство по п.1, отличающееся тем, что на входы системы управления обратимого преобразователя напряжения подаются сигналы постоянной амплитуды и фазы с частотой, соответствующей частоте объекта испытания.