Устройство питания нагрузки переменным током Советский патент 1993 года по МПК H02M5/04 H03K17/292 

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано в установках, где требуется частое включение (и, соответственно, отключение) силовых трансформаторов, например, в сельской энергетике при разработке и эксплуатации мощных электроводонагревателей.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства питания нагрузки переменным током, использующем коммутатор с упрощенной системой управления вентилями, а именно, возможности включения и отключения рабочего тока трансформатора при отсутствии бросков тока намагничивания за счет размыкания цепи концов обмоток трансформатора, что дает возможность питать класс нагрузок, требующих частых включений-отключений.

На фиг.1 представлена электрическая схема предлагаемого устройства, состоящая из неуправляемого моста 1, выполненного по мостовой схеме; ключа 2, включенного в цепь выпрямленного тока моста 1; ключа 3, соединенного катодным выводом с катодом ключа 2 и анодным выводом - с концом одной из фазных обмоток коммутируемого трансформатора 4 (на фиг.1 -с выводом XI). Мост 1 подключается к трансформатору 4 выводами переменного тока со стороны концов обмоток Х1, Y1. Z1 - трансформатор должен иметь схему соединения данной обмотки - звезда, причем

00

ю со

о

концы всех обмоток коммутируемого напряжения должны иметь полную изоляцию друг от друга и от корпуса и выводы Х1. Y1, Z1 доступными для подключения к мосту коммутатора.

Схема работает следующим образом.

Выключателем переменного тока трехфазный трансформатор подключается к питающей сети началами обмоток, концы обмоток не соединены, ток через обмотки не протекает, на концы обмоток выносится напряжение сети, и выпрямитель 1 имеет режим холостого хода с соответствующими воздействиями на вентили моста и ключи 2, 3. Затем подается одиночный отпирающий импульс на ключ 2, этот ключ включается, замыкая цепь выпрямленного тока выпрямителя. По этой цепи начинает протекать ток, величина и скорость нарастания которого ограничены индуктивностями фаз трансформатора 4, включенными в рассечку цепей, соединяющих выпрямитель с питающей сетью. На фазах трансформатора начинает появляться напряжение, и при достижении номинального тока (при включенных со вторичной стороны номинальных нагрузках) выпрямитель переходит в режим короткого замыкания с напряжениями на вентилях, мало отличающимися от.падения напряжения на диодах при прохождении номинального тока трансформатора. Устанавливается длительный режим работы коммутатора.

Для отключения коммутатора нужно подать отпирающий импульс на ключ 3, который, включившись, оказывается подключенным параллельно цепочке из последовательно соединенных и пропускающих рабочий ток тиристорного ключа 2 и одного из диодов выпрямительного моста. Ток нагрузки коммутирует на ключ 3, и до момента очередной коммутации данного плеча выпрямителя ключ 2 находится практически под нулевым напряжением, времени для восстановления тиристоров этого ключа всегда достаточно.

Отметим, что если ключ 3 может включиться не всегда, а только в зоне существования на нем положительного напряжения, то ключ 2 в принципе способен включиться при подаче на него отпирающего импульса в произвольный момент времени. Однако, для ограничения броска тока намагничивания этот импульс должен быть сформирован в строго определенный момент - а именно в противофазе (со сдвигом на 180 эл.град.) по отношению к моменту отпирания ключа 3. При этом включение всегда будет иметь место на размагниченный трансформатор, и бросок тока включения ограничен. При по0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

явлении на аноде ключа 3 отрицательного напряжения ток через этот ключ прекращается, соединение нуля звезды коммутируемого трансформатора разбирается - коммутатор переходит в отключенное состояние.

Отметим, что схема по фиг. 1 может быть реализована не всегда, а только при определенном сочетании параметров элементов. Действительно, при включении ключа 3 полная коммутация тока на этот ключ возможна лишь при условии

U)3 + HRq3 loD + U)2, (1)

где оз, IOD. Io2 сумма постоянных составляющих прямого падения напряжения на цепочке последовательно включенных тиристоров ключа 3; диодов плеча выпрямителя; тиристоров ключа 2;

(н - ток нагрузки;

Rq3 - сумма динамических сопротивлений цепочки последовательно включенных тиристоров ключа 3.

При несоблюдении этого неравенства после подключения ключа 3 к цепочке из последовательно включенных диодного плеча и ключа 2 по указанной цепочке будет проходить некоторый ток, поддерживающий проводящее состояние ключа 2, и выключение коммутатора не состоится. Легко видеть, что неравенство (1) справедливо для достаточно широкого диапазона значений возможных параметров схемы фиг.1, однако, по этому выражению необходимо проверить схему, прежде чем принять ее для конкретного воплощения.

Поскольку устройство, выбранное в качестве прототипа не применимо для питания нагрузок, требующих частых включений - отключений силовых трансформаторов, что является целью настоящего изобретения, эффект от его использования определяется в отношении устройства с коммутатором из встречно-параллельных тиристорных пофазно управляемых ключей, в сравнении с которым предлагаемое устройство имеет экономическое преимущество. Действительно, для трехфазного варианта альтернативный коммутатор содержит фактически 6 тиристорных ключей и достаточно сложную систему управления к ним (см. например, а/с 1132336 от 11.04.83). Предлагаемый коммутатор содержит Ч таких же (рассчитанных на те же воздействия) тиристорных ключа и шесть диодных плеч выпрямительного моста, рассчитанных на те же напряжения и близкие по величине токи. Считая стоимость диодного плеча, составляющей 0,1 стоимости тиристорного

ключа, на одном коммутаторе выигрывается 3, 4 стоимости тиристорного ключа. Стоимость системы управления предлагаемого коммутатора по приближенной оценке составляет не более 20% от стоимости системы управления альтернативного варианта. Так стоимость предлагаемого коммутатора по сравнению с коммутатором на базе коммутатора - регулятора ПН-ТТВ составляет величину порядка 40%. Для более высоковольтного устройства экономический эффект должен быть больше.

Формул а изо бретени я

Устройство питания нагрузки переменным током, содержащее трансформатор с разомкнутыми концами первичных обмоток и коммутатор в виде диодного моста, подключенного к выводам концов первичных обмоток трансформатора и имеющего тири- сторный ключ в цепи выпрямленного тока, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможно0

5

0

стей устройства, а именно возможности включения и отключения рабочего тока трансформатора при отсутствии бросков тока намагничивания, в него введен вспомогательный тиристорный ключ, причем тиристорные ключи соединены катодами, а анод вспомогательного тиристорного ключа подключен к концу одной из первичных обмоток трансформатора, причем соотношение параметров элементов контура отключения определяется следующим выражением:

Еоз + н Ндз EOD + Era,

где Е{н, Еоз, Еоо - постоянные составляющие прямого падения напряжения соответственно на основном и вспомогательном тиристорных ключах и диодном плече моста;

1Н - номинальный ток;

ЯдЗ динамическое сопротивление вспомогательного тиристорного ключа.

Использование: питание установок, требующих частое включение-отключение силовых трансформаторов, например, мощных эльктроводонагревателей. Сущность изобретения: в устройство питания нагрузки с трансформатором, первичные обмотки которого замкнуты в звезду через коммутатор в виде выпрямительного моста, замкнутого на стороне выпрямленного тока через тиристорный ключ, вводят вспомогательный тиристорный ключ, соединенный анодом с одним из концов первичных обмоток трансформатора, а катодом соединен с катодом первого тиристорного ключа, причем соотношение параметров элементов контура отключения определяется следующим вырзжением. Еоз + ь НдЗ EOD -1 Ео2, где Ео2, Еоз, EOD - постоянные составляющие прямого падения напряжения соответственно на основном и вспомогательном тиристорных ключах и диодном плече моста 1Н - номинальный ток; Вдз - динамическое сопротивление вспомогательного тиристорного ключа. 1 ил. (/) с