Преобразователь переменного тока в постоянный Советский патент 1992 года по МПК H02M7/06 

Изобретение относится к электротехнике и

может быть использовано для питания цепей релейной защиты.

Известен преобразователь переменного тока в постоянный, содержащий промежуточный насыщающийся трансформатор, компенсирующий конденсатор и однофазный мостовой выпрямитель, выводы переменного тока которого подключены к соответствующим отводам вторичной обмотки трансформатора.

Недостатки известного устройства заключаются в низкой чувствительности по входному току, не зависящей от нагрузки на стороне постоянного тока, и невысокой надежности, обусловленной затрудненным выходом из режима феррорезонанса при уменьшении входного тока, и возможным (в связи с этим) длительным нагревом стали и обмоток трансформатора.

Наиболее близким к предлагаемому является преобразователь переменного тока в постоянный, содержащий промежуточный насыщающийся трансформатор, первичная обмотка которого соединена с входными выводами для подключения питающей сети, а вторичная обмотка выполнена с отводами, цепочку из двух последовательно соединен- ных компенсирующих конденсаторов, включенную между крайними выводами вторичной обмотки указанного трансформатора, и однофазный мостовой выпрямитель, входная диагональ переменного тока которого включена между двумя соответствующими отводами вторичной обмотки, а его диагональ постоянного тока соединена с выходными выводами для подключения нагрузки, к одному из которых подключена общая точка соединения конденсаторов указанной цепочки.

Недостаток этого устройства состоит в том, что при несимметричном расположении выводов вторичной обмотки трансформатора, предназначенных для подсоединения входа мостового выпрямителя, относительно выводов, предназначенных для подключения указанной цепочки конденсаторов, ухудшается стабильность выпрямленного напряжения при изменении нагрузки, причем не ухудшается стабильность переменного напряжения на входе мостового выпрямителя.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей.

Сущность изобретения состоит в том, что входная диагональ переменного тока указанного выпрямителя подключена к указанным отводам вторичной обмотки трансформатора, расположенным по отношению к крайним выводам этой обмотки несимметрично и отделенным от крайних выводов большей и меньшей концевыми секциями вторичной обмотки, при этом величина емкости каждого из конденсаторов удовлетво- ряет условию, при котором

ПБСм ПмСвгде ПБ - большее число витков от середины витков между выводами для подключения выпрямителя до крайнего вывода вторичной

обмотки, к которому подключен конденсатор с меньшей емкостью См;

пм - меньшее число витков от середины витков между выводами для подключения выпрямителя до другого крайнего вывода

вторичной обмотки к которому подключен конденсатор с большей емкостью СБ.

Во втором пунктеформулы изобретения признаки преобразователя отличаются тем, что с целью улучшения энергетических и

массогабаритных показателей номинальная величина емкости большего конденсатора меньше на 0,1 А его расчетной емкости, а величина емкости меньшего конденсатора на 0,1 Л больше его расчетной,

где А- постоянный коэффициент.

В третьем пункте формулы изобретения признаки преобразователя отличаются тем, что при величине нагрузки по меньшей мере равной 0,2 от номинальной мощности, конденсаторы выбраны с одинаковой величиной номинальной емкости.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема преобразователя, на фиг. 2 напряжение на нагрузке Ки при входном токе И

8А в условиях экспериментальных вариантов I и II.

Преобразователь переменного тока в постоянный содержит промежуточный насыщающийся трансформатор 1, первичная

обмотка которого соединена с входными выводами для подключения питающей сети, а вторичная обмотка выполнена с отводами, цепочку из двух последовательно соединенных компенсирующих конденсаторов 2 и 3,

а также однофазный мостовой выпрямитель на диодах 4-7, входная диагональ переменного тока которого включена между отводами 8 и 9 вторичной обмотки. Упомянутая цепочка из двух конденсаторов включена

мея ду крайними выводами 10 и 11 вторичной обмотки трансформатора 1, а общая точка соединения конденсаторов соединена с одним из выходных выводов выпрямителя, предназначенных для подсоединения

нагрузки Отводы 8 и 9 для подсоединения входных выводов мостового выпрямителя расположены по отношению к крайним выводам 10 и 11 несимметрично и отделены от них большей концевой секцией (с выводами

8 и 10), а также меньшей концевой секцией (с выводами 9 и 11).

На фиг. 1 еще показана неотключаемая нагрузка 12, также часть 13 временной нагрузки, подключаемая посредством контакта 14 промежуточного реле защиты. Неотключаемая нагрузка 12 может быть относительно малой (с большим сопротивлением), когда она состоит, например, только из обмоток промежуточных реле, контролирующих исправность цепей отключения у приводов высоковольтных выключателей; относительно большой (с относительно малым сопротивлением), когда в нее дополнительно входит, например, транзисторно-трансформаторный высокочастотныйпреобразовательпостоянного напряжения в постоянное для питания операционных усилителей.

Нагрузку 13 в основном составляет обмотка катушки отключения в приводе одного высоковольтного выключателя.

Кроме того, на фиг. 1 показан балластый резистор 15, который подсоединен к выходу преобразователя через размыкающую часть контакта 16. Через замыкающую часть контакта 16. Через замыкающую часть контакта 16. Через замыкающую часть контакта 16 подсоединена другая часть 17 нагрузки, которая аналогична нагрузке 13.

Преобразователь работает следующим образом.

Рассматривается сначала режим холостого хода, при котором отсутствуют все нагрузки, обозначенные резисторами 12, 13, 15 и 17, Чтобы улучшить стабильность выпрямленного напряжения, надо в режиме холостого хода иметь равную нулю разность потенциалов по основной гармонике между общим выводом конденсаторов 2-3 и средней точкой между отводами 8 и 9, к которым подсоединен вход однофазного мостового выпрямителя. Теоретически это условие выражается приведенной формулой, а экспериментально подтверждается графиками, зарисованными на экране осциллографа и показанными на фиг. 2. Сопротивление ,6 кОм было номинальным; при стабилизированном варианте II конденсатор 2 имел емкость мкФ, а конденсатор 3 - емкость мкФ; при нестабилизированном варианте I каждый из конденсаторов имел емкость мкФ.

Кроме переменных напряжений на конденсаторах 2 и 3 появляются равные и противоположные постоянные напряжения, полярность которых показана на фиг. 1. Эти постоянные и переменные напряжения в режиме холостого хода, действуя совместно, дают возможность диодам 4 и 5 однофазного мостового выпрямителя открываться только на необходимую долю полупериода вблизи максимумов общего напряжения, вследствие чего происходит пополнение

внутренних потерь энергии.

В режиме холостого хода при закрытых диодах 4 и 5 конденсаторы 2 и 3 подсоединены ко всей вторичной обмотке трансформатора 1 только последовательно и поэтому

их общая компенсирующая емкость Скпх значительно меньше их установленной емкости Сует. При нестабилизированном варианте установленная емкость равна 10 мкФ, компенсирующая 2,5 мкФ, а при стабилизированном варианте эти емкости равны соответственно 11 и 2,54 мкФ. В известном (с эквивалентным трансформатором) преобразователь БПТ-11 установленная и компенсирующая емкости равны 4 мкФ, причем

компенсирующая емкость в режиме холостого хода не уменьшается.

В предлагаемом преобразователе при холостом ходе из-за уменьшенной компенсирующей емкости феррорезонансный скачок на основной гармонике наступает при меньшем входном токе h, т. е. проявляется повышенная чувствительность.

Далее рассматривается работа преобразователя при наличии всех нагрузок,

обозначенных на фиг. 1 резисторами 12, 13, 15и 17.

Рассматриваются условия, когда релейная защита отключила место повреждения в высоковольтной сети, после чего ток И в

первичной обмотке трансформатора 1 уменьшился до тока, который больше обычного нагрузочного из-за самозапуска ранее притормозившихся асинхронных электродвигателей. При этом на стороне выпрямленного тока в предложенном преобразователе остались только неотключаемая нагрузка 12 и дополнительная (искусственно созданная эквивалентная ей по току) нагрузка 15. Эти нагрузки стремится

питать параллельно подсоединенный мостовой выпрямитель в блоке питания напряжением (не показан). Если в таких условиях преобразователь по варианту II не выйдет из феррорезонанса на основной гармонике,

то конденсаторы 2 и 3 от вторичной обмотки трансформатора 1 будут длительно брать ток в 4/2,,57 раза меньше, чем один конденсатор 4 мкФ в упомянутом преобразователе. По этой причине в предлагаемом

преобразователе можно значительно уменьшить сечение провода у вторичной обмотки трансформатора 1. Однако при этом суммарная установленная емкость конденсаторов в предлагаемом преобразователе

по варианту II будет в ,75 раза больше, чем в известном преобразователе.

Рассматриваются условия, когда ток h в первичной обмотке трансформатора 1 увеличился из-за возникновения короткого за- мыкания (КЗ) в высоковольтной сети, а контакты релейной защиты в цепях выпрямленного оперативного тока подключили нагрузки, представленные резисторами 13 и 17. В таких условиях постоянные напряже- ния на конденсаторах 2 и 3 вызовут складывающиеся токи через нагрузку на стороне выпрямленного напряжения. Кроме того, эти токи будут суммироваться с выпрямленными токами от напряжения основной гар- моники. Чем большим током постоянные напряжения на конденсаторах 2 и 3 будут разряжаться на нагрузку, тем большую долю полупериода будут открываться диоды 4 и 5, подавая ток на нагрузку от выводов 8 или 9, а также подзаряжая конденсаторы 3 или 2 от переменных напряжений. При своем подзаряде конденсаторы 2 и 3 оказываются все большее время подсоединенными не последовательно, как в режиме холосто- го хода, а подключены к разным напряжениям. Подсчеты показывают, что в варианте II предлагаемого преобразователя средняя величина суммарной емкости конденсаторов, приведенная ко всему числу витков вто- ричной обмотки трансформатора 1 с учетом открытого и закрытого состояния диодов 4 и 5, не превышает3,65 мкФ. Следовательно, в варианте II при росте нагрузки на стороне выпрямленного напряжения компенсирую- щая емкость изменяется от 2,54 мкФ в режиме холостого хода до 3,65 мкФ в режиме максимально возможной нагрузки. Кроме того, при одновременном закрытом состоянии диодов 4 и 5 (в том числе при случайных одновременных обрывах в их цепях) увеличение нагрузки вызывает увеличение эквивалентной компенсирующей емкости по второй причине, так как через нагрузку и поочередно открывающиеся диоды 6 и 7 происходит подсоединение общего вывода конденсаторов 2 и 3 или к выводу 8, или к выводу 9 вторичной обмотки трансформатора 1.

В предлагаемом преобразователе авто- матическое уменьшение компенсирующей емкости при уменьшении нагрузки на стороне выпрямленного напряжения повышает чувствительность к входному току И преобразователя и не требует дополнительных отводов, чтобы регулировать в небольших пределах ток наступления феррорезонанса на основной гармонике. Однако по сравнению с предлагаемым преобразователем в прототипе требуются дополнительные отводы с целью получения у вторичной обмотки трансформатора 1 симметрии входных отво- довдля мостового выпрямителя относительно концевых выводов для компенсирующих конденсаторов 2 и 3.

Рассматриваются условия, когда в нагрузку на стороне выпрямленного напряжения входит транзисторно-трансформаторныйвысокочастотныйпреобразователь (ТТВП) постоянного напряжения в пониженное постоянное для питания усилителей в полупроводниковых защитах. Вход этого ТТВП подключен к выходам преобразователя тока и преобразователя напряжения, например, через два сглаживающих LC-фильтра с общим конденсатором. В этих условиях при сравнении с известными преобразователями предлагаемый преобразователь по варианту II имеет дополнительное преимущество, поскольку установленная емкость его конденсаторов одновременно используется и как компенсирующая в феррорезонансном контуре, и как сглаживающая выпрямленное напряжение на нагрузке (фиг. 2), т. е. является предварительной ступенью сглаживания, что позволяетуменьшить массогабариты последующего LC-фильтра перед упомянутым ТТВП. Вследствие этого частично или полностью возмещается увеличенная установленная емкость конденсаторов 2 и 3.

Рассматриваются условия и производится сравнение, когда в известном преобразователе оборвалась цепь единственного конденсатора, а в предлагаемом преобразователе по варианту II - цепь одного из двух конденсаторов (2 или 3) Известный преобразователь в этих условиях останется без компенсирующей емкости и при малой нагрузке, но при большом входном токе, возникнувшие пиковые перенапряжения могут пробить изоляцию у вторичной обмотки трансформатора 1, выведут его из действия. Предлагаемый преобразователь в таких условиях имеет еще в схеме другой конденсатор и требуется значительно меньшая величина неотключаемой нагрузки, чтобы обеспечить разряд оставшегося в работе конденсатора и тем самым уменьшить пиковые перенапряжения до безопасных.

У предлагаемого преобразователя экономия выводов из-за ненужности тех, которые в известном преобразователе требуются для небольшого регулирования тока при наступлении феррорезонанса на основной гармонике, составляет более значительную долю от всех выводов, чем в прототипе.

Формула изобретения 1. Преобразователь переменного тока в постоянный, содержащий промежуточный насыщающийся трансформатор, первичная обмотка которого соединена с входными выводами для подключения питающей сети, а вторичная выполнена с отводами, цепочку из двух последовательно соединенных компенсирующих конденсаторов, включенную между крайними выводами вторичной об- мотки указанного трансформатора, и однофазный мостовой выпрямитель, входная диагональ переменного тока которого включена между соответствующими отводами вторичной обмотки, а его диагональ посто- янного тока соединена с выходными выводами для подключения нагрузки, к одному из которых подключена общая точка соединения конденсаторов указанной цепочки, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, входная диагональ переменного тока указанного выпрямителя подключена к указанным отводам вторичной обмотки трансформатора, расположенным по отношению к крайним выводам этой обмотки несимметрично и отделенным от крайних выводов большей и меньшей концевыми секциями вторичной обмотки, при этом величина ем

кости каждого из конденсаторов удовлетворяет условию, при котором

.

где ПБ - большее число витков от середины витков между выводами для подключения выпрямителя до крайнего вывода вторичной обмотки, к которому подключен конденсатор с меньшей емкостью См;

пм - меньшее число витков от середины витков между выводами для подключения выпрямителя до другого крайнего вывода вторичной обмотки, к которому подключен конденсатор с большей емкостью СБ2.Преобразователь по п. 1, о т л и ч a torn, и и с я тем, что, с целью улучшения энергетических и массогабаритных показателей, номинальная величина емкости большего конденсатора меньше на 0,1 Я его расчетной емкости, а номинальная величина емкости меньшего конденсатора на 0,1 Я больше его расчетной, где Я- постоянный коэффициент.

3.Преобразователь по пп. 1 и 2, о т л и- чающийся тем, что при величине нагрузки по меньшей мере равной 0,2 от номинальной мощности, конденсаторы выбраны с одинаковой величиной номинальной емкости.

R

ПриКн ШОм

При RH--1,25 «Ом

При RH-Ot6 кОм

При RH /J/fОм

При кО

При RH 0,6 кОм

Фи2.2