Привет студент

АНАЛИЗ 12-ПУЛЬСНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ С КОЛЬЦЕВОЙ ВЕНТИЛЬНОЙ СХЕМОЙ

Джаборов М.М., Султонов Ш.М., Сафаров М.И.

Аннотация: Проведено исследование 12-пульсного выпрямителя последовательного типа с кольцевой вентильной схемой, анализированы электромагнитные процессы и идентичность режимов работы трансформаторного оборудования для кольцевого выпрямителя с выпрямителем на двух трехфазных мостах, показана возможность использования трансформаторов мостовых схем в выпрямителе с кольцевой схемой при сохранении величины типовой мощности трансформатора.

Ключевые слова: Кольцевая схема, мостовая схема, анализ, векторная диаграмма, модель.

Системы электроснабжения современного электрического транспорта на постоянном токе оснащены преобразовательными комплексами, построенными по известным схемам выпрямления. Наиболее эффективными из них признаны 12-пульсные мостовые выпрямители последовательного и параллельного типа, заменившие на большинстве подстанций 6-пульсные выпрямители, а также – 3-фазный мостовой выпрямитель по схеме Ларионова, применяемый при переходе от 6-пульсных нулевых схем к мостовым. Вместе с тем, представляют интерес некоторые аспекты, связанные с повышением экономической эффективности эксплуатируемых выпрямителей, а также вопросы рационального использования снимаемых с эксплуатации физически и морально устаревших преобразователей.

Объектом настоящего исследования является 12-пульсный выпрямитель с кольцевой вентильной схемой, предлагаемой для замены двух трехфазных мостов в выпрямителе последовательного типа. Свойства кольцевых схем выпрямления, как показал анализ электромагнитных процессов, обусловлены уменьшением мощности потерь в вентилях и материалоемкости вентильной конструкции [1 – 3].

Преобразователь по кольцевой вентильной схеме на рис. 1, а выполнен на одном трехфазном трансформаторе, вторичные обмотки которого соединены по схеме «звезда» и «треугольник» [4].

На рис. 1, а нумерация вентилей соответствует порядку их вступления в работу в соответствии с векторной диаграммой на рис. 1, б. Вентили анодной и катодной групп работают 120 эл. град. за период выпрямленного напряжения, а вентили кольцевой группы работают 90 эл. град. (вентили 2, 5 и 9) и 30 эл. град (вентили 4, 8 и 12).

Аппаратура систем передачи данных может размещаться на станциях, в которых постоянно присутствует эксплуатационный персонал, или на полностью автоматизированных усилительных пунктах без постоянного присутствия персонала. Последние получили название необслуживаемых усилительных пунктов (НУП) или регенерационных пунктов (НРП). В соответствии с принятыми принципами построения систем передачи по коаксиальным и симметричным кабелям с медными жилами аппаратура НУП и НРП получает электроэнергию из обслуживаемых станций ОУП (ОРП) с помощью аппаратуры дистанционного питания по тем же проводам, по которым передаются информационные сигналы. Дистанционное питания (ДП) аппаратуры линейного тракта в системах передачи позволяет на магистрали автоматизировать до 98... 99 % всех станций, причем из общей мощности, потребляемой аппаратурой линейного тракта, примерно 90 % требуется для дистанционного питания. Отсюда следует, что в аппаратуре линейного тракта, устанавливаемой на ОУП (ОРП), заметная доля отводится устройствам ДП. К основным особенностям этих устройств нужно отнести их способность работать в условиях резких изменений нагрузки и гарантировать высокую надежность. Нагрузки НУП (НРП), провода и устройства ДП объединяются в цепь ДП. Обычно аппаратура НУП (НРП) одной системы передачи питается от одной цепи ДП. Указанное положение позволяет получать полную независимость каждой системы, что наряду с повышением живучести обеспечивает также большую их помехозащищенность. Участок магистрали между двумя соседними ОУП (ОРП) называется секцией ДП. Аппаратура НУП (НРП) секции ДП может получать электроэнергию либо с одного ОУП (ОРП) (ДП по секциям), либо с двух соседних ОУП (ОРП), ограничивающих эту секцию (ДП по полусекциям). Во втором случае обычно в середине секции устанавливаются два шлейфа по ДП.

Применение на объектах связи, аппаратура которых требует бесперебойной подачи электрической энергии постоянного и переменного тока, рассмотренных УБП постоянного и УБП переменного тока приводит к необходимости иметь в каждом из этих УБП свою аккумуляторную батарею, являющуюся наиболее дорогостоящим элементом любого из этих УБП. Поэтому в настоящее время на объектах связи все более широкое применение находят УБП постоянного тока, дополненные инверторными системами. В состав инверторной системы входят инверторы, вырабатывающие электрическую энергию однофазного переменного тока с синусоидальной формой кривой напряжения, статический байпас, байпас обслуживания инверторной системы и распределительное устройство. Инверторы включаются между собой по входу и выходу параллельно. Общее число инверторов в системе выбирается обычно по формуле n + 1. Схема управления обеспечивает синхронизацию частоты выходных напряжений отдельных инверторов между собой и. с сетью переменного тока, что позволяет, как было показано в предыдущем разделе, обеспечивать безобрывность перевода питания аппаратуры с инверторов на сеть и обратно.

В комплекс аппаратуры связи входят устройства, требующие для своей работы электрическую энергию переменного тока. Относительно низкая надежность промышленных сетей переменного тока и качество электрической энергии зачастую не удовлетворяющее требованиям ГОСТ 13109 не позволяют осуществлять электропитание компьютеров и серверов непосредственно от сети переменного тока. В этом случае обычно применяют устройства гарантированного или бесперебойного питания переменного тока. В настоящее время получили распространения два вида устройств, а именно так называемые off-line и on-line системы.

В нормальном режиме функционирования системы нагрузка получает питание от сети переменного тока через сглаживающий фильтр (переключатель коммутирующего устройства находится в положение 1), а выпрямительное устройство В обеспечивает непрерывный подзаряд (содержание) АБ. При отключении сети коммутирующее устройство переводит питание нагрузки на инвертор И (при этом имеет место коммутационный перерыв в подаче электропитания), который в свою очередь получает энергию от АБ. Причем в устройствах данного типа энергии АБ хватает чаще всего на 5... 7 минут работы инвертора, т. е. только на время, позволяющее корректно закончить работу на ПК без потери информации. В подобных устройствах выходное напряжение инвертора, как правило, имеет прямоугольную форму с меандром, обеспечивающим только частичное ослабление третьей и пятой гармоник. После восстановления сети нагрузка вновь переводится на сеть, а В обеспечивает заряд АБ и последующее ее содержание. Понятно, что данное УГП нельзя применять, если сеть имеет колебания напряжения, превышающие пределы, допустимые для питаемой аппаратуры. При плохом качестве сети происходят частые переключения нагрузки на работу от АБ, что резко уменьшает ее срок службы. Кроме того, серьезным недостатком системы of-line является то, что при переключении УГП с режима работы от батареи на режим работы от сети, на выходе УГП могут возникать скачки напряжения, которые могут вызвать сбой в работе питаемой аппаратуры. Достоинством данного УГП является его простота и, как следствие, низкая стоимость по сравнению с другими УГП переменного тока.

Под системой бесперебойного электропитания постоянного тока подразумевается совокупность системы электроснабжения, УБП и токораспределительных сетей, объединенных общей целью — обеспечения надежной и бесперебойной подачи к аппаратуре электрической энергии постоянного тока требуемого качества во всех режимах работы электроустановки. Кроме того, система должна:

• обеспечивать высокую степень автоматизации и единство централизованного мониторинга и управления на основе стандартных интерфейсов и программного обеспечения;

• возможность «горячей» замены аккумуляторных батарей и преобразовательных модулей в УБП без перебоев в электропитании аппаратуры;

• иметь средства отображения и индикации состояния устройств и модулей, входящих в состав системы, а также обеспечивать работу оборудования системы без постоянного присутствия эксплуатационного персонала.

Высокая надежность систем бесперебойного электропитания постоянного тока обеспечивается прежде всего за счет: высокой надежности систем электроснабжения; применения необходимого аккумуляторного резерва; высокой надежности элементов и применения избыточного количества модулей в УБП с использованием горячего резервирования их.

Электропитающая установка (ЭПУ) предприятия связи предназначена для преобразования, регулирования, распределения и обеспечения подачи электрической энергии постоянного и переменного тока, необходимых для нормальной работы аппаратуры связи.

В состав ЭПУ бесперебойного питания входят установки бесперебойного питания постоянного и переменного тока, преобразователи и стабилизаторы напряжения, коммутационное оборудование и токораспределительные сети, связывающие между собой оборудование электропитания и аппаратуру связи.

ЭПУ должна быть рассчитана на работу в нормальном и аварийном режимах.

Одним из основных элементов любого предприятия (объекта) связи, определяющим его работоспособность является электроустановка. Под электроустановкой (ЭУ) подразумевается весь комплекс энергосооружений, обеспечивающий не только электропитание аппаратуры, но и функционирование систем: освещения; кондиционирования и вентиляции воздуха; теплоснабжения и других систем, связанных с жизнедеятельностью предприятия, как в нормальных условиях внешнего электроснабжения, так и в аварийных. Аппаратура современных инфокоммуникационных систем требует для своей работы бесперебойной подачи электрической энергии как постоянного, так и переменного тока. Для обеспечения бесперебойной подачи к аппаратуре электрической энергии требуемого качества в состав ЭУ вводятся устройства бесперебойной подачи (УБП) постоянного и переменного тока, называемые также электропитающими установками. (ЭПУ). Тогда как, например, аппаратура освещения требует гарантированной подачи электрической энергии, т. е. допускает кратковременные перерывы в подаче электроэнергии, связанные с переходом с одного источника электроэнергии на другой.

В однофазных ВБВ, выполненных по схеме, сетевой выпрямитель СВ всегда выполняется по однофазной мостовой схеме выпрямления, на выходе которой устанавливается сглаживающий фильтр, представляющий собой электролитический конденсатор (электролитические конденсаторы), т. е. в подобных ВБВ СВ работает на нагрузку емкостного характера. Характерной особенностью СВ является высокий уровень выходного напряжения U0 и малое значение сопротивления фазы выпрямителя, представленное дифференциальным сопротивлением открытых диодов и сопротивлением подводящих проводов. В связи с этим на этапе открытого состояния соответствующей пары диодов VD1, VD4 или VD2, VD3 напряжение на выходе выпрямителя практически совпадает с напряжением питающей сети (в пределах угла φ) а разряд конденсатора С начинается практически сразу после достижения на нем напряжения, равного амплитудному значению напряжения питающей сети (U_{0 max}). Поскольку электролитические конденсаторы не допускают большого значения пульсации (ΔU₀) и, кроме того, рассматриваемые СВ применяются на практике при относительно небольшой выходной мощности ВБВ, постоянная времени цепи разряда конденсатора С оказывается относительно большой, а длительность открытого состояния диодов (угол φ) малой.

Входной помехоподавляющий фильтр (фильтр радиопомех) предназначен для ослабления высокочастотных импульсных помех, способных проникать из сети переменного тока в выпрямительное устройство, а также для ослабления до требуемого уровня помех, возникающих в сети переменного тока при работе самого выпрямительного устройства. Основными источниками помех в питающей сети для конкретного ВБВ являются прежде всего так называемые индустриальные помехи, возникающие при коммутации в силовых цепях других устройств (потребителей), питающихся от этой же сети переменного тока. Так, при выключении мощных электромагнитных устройств из-за накопленной в них энергии могут возникать выбросы (импульсы) напряжения до нескольких киловольт. Частотный спектр помех, возникающих при выключении контакторов, АВР и других силовых устройств, лежит в диапазоне от нескольких килогерц до нескольких десятков мегагерц. Современные ВБВ работают на частотах от 20 до 500 кГц, а скорости переключения тока и напряжения достигают соответственно 200...500 А/мкс и 100...800 В/мкс при токах до нескольких ампер и напряжений до нескольких сотен вольт. Любой проводник, обтекаемый таким импульсным током, превращается для других устройств и даже для других узлов самого выпрямителя в излучающую антенну. Поэтому для других потребителей электрической энергии переменного тока и для аппаратуры связи сами ВБВ могут являться источниками помех, передаваемых как непосредственно по общим соединительным проводникам, так и посредством электромагнитного поля. Помимо индустриальных помех, существуют атмосферные помехи, обусловленные прежде всего разрядом молнии.

Структурные схемы выпрямительных устройств с бестрансформаторным входом

В настоящее время как в системах электропитания устройств связи, так и в бытовой электронике, все шире применяют вторичные источники электропитания с бестрансформаторным входом. Первичным источником для них, как правило, является однофазная или трехфазная сеть переменного тока промышленной частоты 50 Гц. Отличительной чертой этих источников является отсутствие силового трансформатора, работающего на низкой частоте 50 Гц. В основном эти источники представляют собой стабилизирующие выпрямительные устройства, имеющих один или несколько выходов напряжения постоянного тока. Так, например, стабилизирующие выпрямители с бестрансформаторным входом (ВБВ), применяемые для питания станционной аппаратуры связи, имеют, как правило, один выход напряжения постоянного тока, тогда как блок питания персонального компьютера или импульсный источник питания телевизионного приемника, представляющие собой также ВБВ, имеют по несколько выходов напряжения постоянного тока.