RU2386203C1

RU2386203C1 - Rectifying plant

Info

Publication number: RU2386203C1
Application number: RU2009113392/09A
Authority: RU
Inventors: Валентин Иванович Богданов (RU); Валентин Иванович Богданов; Владимир Валентинович Богданов (RU); Владимир Валентинович Богданов; Евгений Борисович Степаненко (RU); Евгений Борисович Степаненко
Priority date: 2009-04-09
Filing date: 2009-04-09
Publication date: 2010-04-10

Abstract

FIELD: electric engineering.

SUBSTANCE: rectifying plant comprises single-phase power transformer (1) with the main (2), first (3) and second (4) additional parts of the secondary winding, which are connected serially and in accord. Working set of valves (9-12) in the form of single-phase bridge is connected to the main part (2) of the secondary winding of transformer; common point of the first booster set of valves (13-14) is connected to capacitor with alternating capacitance (7) and discharge resistor (8); common point of the second booster set of valves (15-16) is connected to capacitor with alternating capacitance (5) and discharge resistor (6). Outputs of working set and two booster sets of valves have outputs for connection to load (17). Matched operation of working and booster sets of valves is provided by phase shift between voltages supplied to valve groups.

EFFECT: improved quality of rectified current, simplified and increased coefficient of power.

3 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может найти применение в сильноточных блоках питания электротехнических устройств и автоматики, а также в сварочных агрегатах.The present invention relates to the field of electrical engineering and may find application in high-current power supplies of electrical devices and automation, as well as in welding units.

Известны выпрямительные установки, используемые для питания электронных устройств, содержащие силовой трансформатор, комплект вентилей, выполненный в виде однофазного моста, вход комплекта вентилей соединен с вторичной обмоткой трансформатора, а выход имеет выводы для подключения нагрузки (Иванов-Цыганков А.И. Электротехнические устройства радиосистем. М., 1973, с.24). Недостатком таких выпрямительных установок, работающих на низкоомную нагрузку, является низкое качество выпрямленного тока из-за большой величины коэффициента пульсаций, а также невысокий коэффициент использования электроэнергии. С целью повышения качества выпрямленного тока в таких сильноточных установках после однофазного моста включают в качестве сглаживающего фильтра индуктивный дроссель. Это приводит к увеличению массогабаритных параметров однофазных выпрямительных установок.Known rectifier installations used to power electronic devices containing a power transformer, a set of valves made in the form of a single-phase bridge, the input of a set of valves is connected to the secondary winding of the transformer, and the output has outputs for connecting the load (Ivanov-Tsygankov A.I. Electrical devices of radio systems M., 1973, p.24). The disadvantage of such rectifier installations operating at low impedance is the low quality of the rectified current due to the large ripple coefficient, as well as the low coefficient of energy use. In order to improve the quality of the rectified current in such high-current installations, after a single-phase bridge, an inductive choke is included as a smoothing filter. This leads to an increase in the weight and size parameters of single-phase rectifier installations.

Известна также выпрямительная установка, содержащая однофазный силовой трансформатор с основной и дополнительной частями вторичной обмотки, включенными последовательно и согласно, рабочий и вольтодобавочный комплекты вентилей имеют выводы для подключения к нагрузке, вход рабочего комплекта вентилей, выполненный в виде однофазного моста, соединен с основной частью вторичной обмотки трансформатора, а вольтодобавочный - в виде двух последовательно соединенных вентилей, общая точка которых соединена с крайним выводом дополнительной части вторичной обмотки трансформатора через коммутатор, управляющий вход которого подключен к выводу блока управления (А.с. СССР №1555797, кл. Н02Р 15/00, 1990). Недостатком этой выпрямительной установки является неэффективное использование дополнительной части вторичной обмотки трансформатора, сужающее универсальность установки. Дополнительная часть вторичной обмотки используется только на период времени работы электромагнитных муфт, плит и другого электрооборудования станков в форсированном режиме. При отключении дополнительной части обмотки ключом коммутатора она остается нерабочей и не используется для других целей. К недостатку следует отнести также большой коэффициент пульсаций выпрямленного тока, что приводит к потерям на вихревые токи в магнитопроводах электромагнитных муфт или плит, снижает КПД и коэффициент использования электроэнергии выпрямительной установкой.A rectifier installation is also known, which contains a single-phase power transformer with the main and additional parts of the secondary winding connected in series and according to which the working and voltage boosting valve kits have outputs for connecting to the load, the input of the working valve kit, made in the form of a single-phase bridge, is connected to the main part of the secondary transformer windings, and booster - in the form of two series-connected valves, the common point of which is connected to the extreme terminal of the additional part the secondary winding of the transformer through a switch, the control input of which is connected to the output of the control unit (AS USSR No. 1555797, class Н02Р 15/00, 1990). The disadvantage of this rectifier installation is the inefficient use of an additional part of the secondary winding of the transformer, which reduces the versatility of the installation. An additional part of the secondary winding is used only for the period of operation of electromagnetic couplings, plates and other electrical equipment of machines in forced mode. When the additional part of the winding is disconnected with the switch key, it remains inoperative and is not used for other purposes. A disadvantage should also include a large ripple coefficient of the rectified current, which leads to eddy current losses in the magnetic circuits of electromagnetic couplings or plates, reduces the efficiency and energy efficiency of the rectifier.

Выпрямительная установка, принятая за прототип (Патент 2007828, МПК Н02М 7/06, 15.02.1994, бюл. №3, выпрямительная установка), показана на фиг.1. Выпрямительная установка прототипа содержит однофазный силовой трансформатор 1 с основной 2 и дополнительной 3 частями вторичной обмотки трансформатора; вольтодобавочный комплект вентилей - из двух последовательно включенных вентилей 8 и 9 - соединен их общей точкой с крайним выводом дополнительной части 3 вторичной обмотки трансформатора через коммутатор 10; управляющий вход коммутатора соединен с выходом блока 11 управления, а выходы рабочего и вольтодобавочного комплектов вентилей подключены к нагрузке 12. Выпрямительная установка содержит также конденсатор с переменной емкостью 13 и разрядный резистор 14, подключенные параллельно коммутатору 10. Величины реактивного сопротивления конденсатора и активного сопротивления нагрузки выбраны по условию Хс>>Rн. При этом угол сдвига фаз между вектором напряжения на всей вторичной обмотке после конденсатора и вектором напряжения на ее основной части окажется равным примерно 90°. Соответственно сдвиг по фазе между векторами токов в нагрузке от напряжения основной части вторичной обмотки и напряжения всей части вторичной обмотки также будет близким к 90°. Это позволило уменьшить массогабаритные параметры силового трансформатора за счет повышения коэффициента мощности тока, расширить область использования.The rectifier installation adopted for the prototype (Patent 2007828, IPC Н02М 7/06, 02/15/1994, bull. No. 3, rectifier installation), is shown in figure 1. The rectifier installation of the prototype contains a single-phase power transformer 1 with a main 2 and an additional 3 parts of the secondary winding of the transformer; a booster set of valves — of two series-connected valves 8 and 9 — is connected by their common point to the extreme terminal of the additional part 3 of the secondary winding of the transformer through switch 10; the control input of the switch is connected to the output of the control unit 11, and the outputs of the working and boost boost valve sets are connected to the load 12. The rectifier installation also contains a variable capacitor 13 and a discharge resistor 14 connected in parallel with the switch 10. The capacitor reactance and load resistance are selected by the condition Xc >> Rn. In this case, the phase angle between the voltage vector on the entire secondary winding after the capacitor and the voltage vector on its main part will be approximately 90 °. Accordingly, the phase shift between the current vectors in the load from the voltage of the main part of the secondary winding and the voltage of the entire part of the secondary winding will also be close to 90 °. This made it possible to reduce the overall dimensions of the power transformer by increasing the current power factor, and expand the scope of use.

Целью предлагаемого изобретения является упрощение, улучшение качества выпрямленного тока и еще большее повышение коэффициента мощности при использовании выпрямительной установки для заряда химических источников тока, электролизе растворов и, возможно, сварке, а также уменьшение массогабаритных параметров силового трансформатора.The aim of the invention is to simplify, improve the quality of the rectified current and further increase the power factor when using a rectifier for charging chemical current sources, electrolysis of solutions and, possibly, welding, as well as reducing the overall dimensions of the power transformer.

Поставленная цель достигается тем, что предлагаемая выпрямительная установка, в отличие от прототипа, не имеет коммутатора с блоком его управления. Она снабжена второй дополнительной частью вторичной обмотки трансформатора, подключенной согласно одним концом с первой дополнительной частью вторичной обмотки, а вторым концом со вторым конденсатором с переменной емкостью и разрядным резистором, соединенными между собой параллельно. Выпрямительная установка снабжена также вторым вольтодобавочным комплектом вентилей - в виде двух последовательно соединенных вентилей, выходы которых имеют выводы для подключения к нагрузке, а общая точка их соединена со вторым конденсатором с переменной емкостью и разрядным резистором.This goal is achieved by the fact that the proposed rectifier installation, in contrast to the prototype, does not have a switch with its control unit. It is equipped with a second additional part of the secondary winding of the transformer connected according to one end with the first additional part of the secondary winding, and the second end with a second capacitor with a variable capacitance and a discharge resistor connected to each other in parallel. The rectifier installation is also equipped with a second boost valve set - in the form of two series-connected valves, the outputs of which have outputs for connecting to the load, and their common point is connected to a second capacitor with a variable capacitance and a discharge resistor.

На фиг.2 представлена схема предлагаемой выпрямительной установки. Выпрямительная установка содержит однофазный силовой трансформатор 1 с основной 2, первой 3 и второй 4 дополнительными частями вторичной обмотки, включенными последовательно и согласно. Рабочий комплект вентилей 9-12 в виде однофазного моста подключен к основной части 2 вторичной обмотки трансформатора; общая точка первого вольтодобавочного комплекта вентилей 13-14 соединена с первым конденсатором с переменной емкостью 7 и разрядным резистором 8; общая точка второго вольтодобавочного комплекта вентилей 15-16 соединена со вторым конденсатором с переменной емкостью 5 и разрядным резистором 6. Выходы рабочего комплекта и двух вольтодобавочных комплектов вентилей имеют выводы для подключения к нагрузке 17.Figure 2 presents a diagram of the proposed rectifier installation. The rectifier installation contains a single-phase power transformer 1 with the main 2, the first 3 and second 4 additional parts of the secondary winding, connected in series and according to. The working set of valves 9-12 in the form of a single-phase bridge is connected to the main part 2 of the secondary winding of the transformer; a common point of the first boost boost valve set 13-14 is connected to the first variable capacitor 7 and a discharge resistor 8; the common point of the second booster set of valves 15-16 is connected to the second capacitor with a variable capacity of 5 and a discharge resistor 6. The outputs of the working set and two booster sets of valves have conclusions for connecting to the load 17.

Предлагаемамая выпрямительная установка работает следующим образом. При включении выпрямительной установки в сеть напряжение основной части вторичной обмотки 2 трансформатора подводится к мостовому выпрямителю, состоящему из вентилей 9, 10, 11, 12, в нагрузке 17 протекает постоянный пульсирующий ток с амплитудой I₂, показанный на фиг.3. Одновременно напряжение согласно соединенных вторичных обмоток 2 и 3 трансформатора через конденсатор 7 подводится к мостовому выпрямителю, состоящему из вентилей 9, 10, 13, 14, в нагрузке возникает пульсирующий ток с амплитудой I₃, а напряжение согласно соединенных вторичных обмоток 2, 3 и 4 трансформатора через конденсатор 5 подводится к мостовому выпрямителю, состоящему из вентилей 9, 10, 15, 16, в нагрузке возникает пульсирующий ток с амплитудой I₄, фиг.3.The proposed rectifier installation operates as follows. When the rectifier installation is connected to the network, the voltage of the main part of the secondary winding 2 of the transformer is supplied to the bridge rectifier, consisting of valves 9, 10, 11, 12, a constant pulsating current with an amplitude of I ₂ , shown in Fig. 3, flows in the load 17. At the same time, the voltage according to the connected secondary windings 2 and 3 of the transformer through the capacitor 7 is supplied to a bridge rectifier consisting of valves 9, 10, 13, 14, a ripple current with an amplitude of I ₃ occurs in the load, and the voltage according to the connected secondary windings 2, 3 and 4 transformer through a capacitor 5 is fed to a bridge rectifier, consisting of valves 9, 10, 15, 16, a ripple current with an amplitude of I ₄ occurs in the load, Fig. 3.

Импульсы постоянного тока I₃ и I₄ согласно соединенных вторичных обмоток 2 и 3 трансформатора сдвинуты по фазе относительно импульсов тока I₂ основной части вторичной обмотки 2, соответственно на 45° и 90°. Сдвиги по фазе создаются выбором величин емкости конденсаторов 7 и 5. При этом обеспечивается согласованная работа моста из вентилей 9, 10, 11, 12 с выпрямительными мостами из вентилей 9, 10, 13, 14 и 9, 10, 15, 16 соответственно. Разрядные резисторы 8 и 6 необходимы для разряда конденсаторов 7 и 5 при отключении нагрузки 17. Аналогичные сдвиги по фазе возникают между напряжениями до диодных мостов U₂ и U'_2,3 и U₂ и U'_2,4, фиг.2. Среднее значение выпрямленного тока в нагрузке за половину периода питающего напряжения определяется полным импульсом тока I₂ и верхними частями импульсов I₃ и I₄, фиг.3. Качество выпрямленного тока оценивают коэффициентом пульсаций, определяемым отношением амплитуды импульсов постоянного тока к среднему значению тока. При наличии импульсов токов I₃ и I₄ среднее значение выпрямленного тока окажется значительно больше, коэффициент пульсаций выпрямленного тока будет меньше, а качество тока выше. Роль конденсаторов 5 и 7 этим не ограничивается. Их реактивная мощность, Qc₅+Qc₇=Хс₅·I² ₄+Хс₇·I² ₃, компенсирует часть реактивной индуктивной мощности тока силового трансформатора. При этом увеличивается величина коэффициента мощности тока Cosφ, уменьшается значение полного тока первичной обмотки и полной мощности тока силового трансформатора, а значит, и габариты магнитопровода, и площадь сечения проводника первичной обмотки могут быть уменьшены.The DC pulses I ₃ and I ₄ according to the connected secondary windings 2 and 3 of the transformer are phase shifted relative to the current pulses I _{2 of the} main part of the secondary winding 2, respectively 45 ° and 90 °. Phase shifts are created by choosing the capacitance values of the capacitors 7 and 5. This ensures the coordinated operation of the bridge from valves 9, 10, 11, 12 with rectifier bridges from valves 9, 10, 13, 14 and 9, 10, 15, 16, respectively. Discharge resistors 8 and 6 are necessary for the discharge of capacitors 7 and 5 when the load is disconnected 17. Similar phase shifts occur between the voltages to the diode bridges U ₂ and U ' _2,3 and U ₂ and U' _2,4 , Fig.2. The average value of the rectified current in the load for half the period of the supply voltage is determined by the total current pulse I ₂ and the upper parts of the pulses I ₃ and I ₄ , Fig.3. The quality of the rectified current is estimated by the ripple coefficient, determined by the ratio of the amplitude of the DC pulses to the average current value. In the presence of current pulses I ₃ and I _{4, the} average value of the rectified current will be much larger, the ripple coefficient of the rectified current will be less, and the quality of the current is higher. The role of capacitors 5 and 7 is not limited to this. Their reactive power, Qc ₅ + Qc ₇ = Xc ₅ · I ² ₄ + Xc ₇ · I ² ₃ , compensates for a part of the reactive inductive current power of the power transformer. At the same time, the value of the current power factor Cosφ increases, the value of the total primary current of the primary winding and the total current power of the power transformer decreases, which means that the dimensions of the magnetic circuit and the cross-sectional area of the conductor of the primary winding can be reduced.

В макетном образце выпрямительной установки, используемой для заряда двух последовательно соединенных кислотных аккумуляторных батарей с номинальным напряжением 12 В и электрической емкостью 140 А·ч каждый силовой трансформатор выбран мощностью тока 500 В·А. Для заряда таких батарей выпрямленное напряжение должно составлять не более 30 В. Это напряжение с учетом ЭДС аккумуляторных батарей при их полном заряде достаточно для создания зарядного тока 20 А. Внутреннее сопротивление одной аккумуляторной батареи составляет примерно 0,1 Ом. Напряжение основной части вторичной обмотки U₂ выбрано 28 В. Эта величина напряжения меньше необходимого. Напряжение U_2,4 вторичной обмотки выбрано 56 В, а напряжение U_2,3 примерно 30 В. Дополнительные части вторичной обмотки выполнены проводом меньшей площади сечения. Диодный мост 9, 10, 11, 12 изготовлен из диодов В-25, а диодные мосты 9, 10, 13, 14 и 9, 10, 15, 16 изготовлены из диодов В-10. Величина сопротивления разрядных резисторов выбрана 1 кОм. Конденсаторы 5 и 7 выбраны из соотношения Хс=50-100 Rн, где Rн - внутреннее сопротивление последовательно соединенных аккумуляторных батарей - составляет не более 0,2 Ом.In a prototype rectifier installation used to charge two series-connected acid batteries with a nominal voltage of 12 V and an electric capacity of 140 Ah, each power transformer is selected with a current capacity of 500 VA. To charge such batteries, the rectified voltage should be no more than 30 V. This voltage, taking into account the emf of the batteries when fully charged, is sufficient to create a charging current of 20 A. The internal resistance of one battery is approximately 0.1 ohms. The voltage of the main part of the secondary winding U ₂ selected 28 V. This voltage value is less than necessary. The voltage U _{2.4 of the} secondary winding is selected 56 V, and the voltage U _{2.3 is} approximately 30 V. Additional parts of the secondary winding are made with a wire of smaller cross-sectional area. The diode bridge 9, 10, 11, 12 is made of B-25 diodes, and the diode bridges 9, 10, 13, 14 and 9, 10, 15, 16 are made of B-10 diodes. The resistance value of the discharge resistors selected 1 kOhm. Capacitors 5 and 7 are selected from the ratio Xc = 50-100 Rn, where Rn - internal resistance of series-connected batteries - is not more than 0.2 Ohms.

Сдвиги по фазе между током I₄ и напряжением U'_2,4 в 90° и током I₃ и напряжением U'_2,3 в 45° возникают, соответственно, если электрическая емкость конденсатора С₅≈160 мкФ, его реактивное сопротивление Х₅=20 Ом, а электрическая емкость конденсатора С₄≈3185 мкФ, его реактивное сопротивление Х₄≈1 Ом.Phase shifts between current I ₄ and voltage U ' _2.4 in 90 ° and current I ₃ and voltage U' _2.3 in 45 ° occur, respectively, if the electric capacitance of the capacitor is C ₅ ≈160 μF, its reactance is X ₅ = 20 Ohms, and the electric capacitance of the capacitor C ₄ ≈3185 μF, its reactance X ₄ ≈1 Ohms.

Известно, что заряд химических источников тока, либо электролиз, протекает с большим коэффициентом использования тока, когда качество выпрямленного тока выше. С целью повышения качества выпрямленного тока зарядные устройства изготавливают трехфазными, в однофазных используют индуктивные дроссели - фильтры, рассчитанные на полный зарядный ток. Применение таких дросселей увеличивает массогабаритные параметры выпрямительных установок. Регулирование средних значений тока в нагрузке в предлагаемой выпрямительной установке осуществляли путем изменения числа витков основной и дополнительных частей вторичной обмотки трансформатора.It is known that the charge of chemical current sources, or electrolysis, proceeds with a high current efficiency when the quality of the rectified current is higher. In order to improve the quality of the rectified current, the chargers are made three-phase, in single-phase, inductive chokes are used - filters designed for a full charging current. The use of such chokes increases the overall dimensions of the rectifier units. The regulation of the average values of the current in the load in the proposed rectifier installation was carried out by changing the number of turns of the main and additional parts of the secondary winding of the transformer.

Claims

Выпрямительная установка, содержащая однофазный силовой трансформатор с основной и дополнительной частями вторичной обмотки, включенными последовательно и согласно, рабочий и вольтодобавочный комплекты вентилей, выходы которых имеют выводы для подключения к нагрузке, вход рабочего комплекта вентилей, выполненный в виде однофазного моста соединен с основной частью вторичной обмотки трансформатора, вольтодобавочный комплект вентилей - в виде двух последовательно соединенных вентилей, общая точка которых соединена с крайним выводом дополнительной части вторичной обмотки трансформатора через конденсатор с переменной емкостью с подключенным параллельно к нему резистору, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительной вторичной обмоткой, одним концом последовательно согласно соединенной с крайним выводом имеющейся дополнительной частью вторичной обмотки, другим концом к конденсатору с переменной емкостью и резистору, соединенными между собой параллельно, дополнительным вольтодобавочным комплектом вентилей, общая точка которых соединена с конденсатором с переменной емкостью и резистором, а выходы имеют выводы для подключения к нагрузке. Rectifier installation, containing a single-phase power transformer with the main and additional parts of the secondary winding connected in series and according to, the working and voltage boosting valve kits, the outputs of which have conclusions for connecting to the load, the input of the working valve kit made in the form of a single-phase bridge is connected to the main part of the secondary transformer windings, booster set of valves - in the form of two series-connected valves, the common point of which is connected to the extreme terminal for an additional part of the secondary winding of the transformer through a variable capacitor with a resistor connected in parallel to it, characterized in that it is equipped with an additional secondary winding, one end in series according to the existing additional part of the secondary winding connected to the extreme terminal, the other end to a variable capacitor and a resistor interconnected in parallel by an additional booster set of valves, the common point of which is connected to the capacitor variable capacitance and resistor, and the outputs have conclusions for connecting to the load.