ДВЕНАДЦАТИФАЗНЫЙ САМОКОММУТИРУЕМЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 1994 года по МПК H02M7/12 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при создании преобразовательных подстанций для электропередач и вставок постоянного тока, электрифицированных железных дорог, электрометаллургической и химической промышленности, где требуются мощные преобразователи трехфазного переменного тока в постоянный или (и) постоянного тока в трехфазный, причем необходимо обеспечить работу преобразователей без потребления или с выдачей реактивной мощности. Изобретение дает возможность создать такие преобразователи на базе запираемых вентилей, обеспечивая уменьшение перенапряжений, вызванных принудительными коммтуациями тока запираемыми вентилями.

Известны самокоммутируемые преобразователи, имеющие трехфазные мосты на запираемых вентилях, с различными схемотехническими решениями для ограничения перенапряжений, возникающих из-за принудительных коммутаций тока запираемыми вентилями (из-за практически мгвеновенных прерываний тока в цепях, содержащих индуктивности трансформаторов). К этим схемотехническим решениям относятся: включение конденсаторов параллельно вторичной обмотке трансформатора /1/, передача электромагнитной энергии индуктивностей через вспомогательные преобразователи в накопительный конденсатор /2/, соединение третичных обмоток трансформаторов параллельно, а вторичных обмоток с устройствами демпфирования электромагнитных колебаний /3/.

Использование только включения конденсаторов по /1/ дает недостаточный эффект по уменьшению перенапряжений, которые в зависимости от реальных индуктивностей трансформаторов имеют кратность в пределах 2-3. Схемотехническое решение по /2/ требует много добавочных вентилей и сложного их управления, что приводит к снижению надежности самокоммутируемого преобразователя.

Из известных самокоммутируемых преобразователей наиболее близким к предлагаемому является преобразователь, выполненный по /3/ с двумя трехфазными мостами, двумя трехфазными трехобмоточными трансформаторами и двумя трехфазными конденсаторными батареями (как частный случай устройств демпфирования).

Недостатком этого двенадцатифазного самокоммутируемого преобразователя, принятого за прототип, является недостаточное ограничение перенапряжений, вследствие чего снижается надежность его работы.

Цель изобретения - повышение надежности двенадцатифазного самокоммутируемого преобразователя путем более глубокого уменьшения перенапряжений.

Поставленная цель достигается тем, что у двенадцатифазного самокоммутируемого преобразователя, содержащего два трехфазных моста на запираемых вентилях, два трехфазных трехобмоточных трансформатора и две трехфазных конденсаторных батареи, причем первичные и третичные обмотки трансформаторов выполнены соответственно одинаково, вторичная обмотка первого трансформатора соединена звездой, а второго - треугольником, обе вторичные обмотки имеют одинаковые линейные напряжения, первичные обмотки трансформаторов подключены параллельно к трехфазному источнику питания или к трехфазной нагрузке, к каждой вторичной обмотке подключены параллельно мост на запираемых вентилях и конденсаторная батарея, осуществлено соединение одноименных выводов третичных обмоток двух трансформаторов между собой через одинаковые реактивные двухполюсники, выполненные так, чтобы в напряжениях конденсаторных батарей пятая и седьмая гармоники были близки к нулю.

В прототипе /3/, который отличается от предлагаемого преобразователя отсутствием реактивных двухполюсников в цепях соединенных между собой пофазно третичных обмоток трансформаторов, пятая и седьмая гармоники в напряжениях конденсаторных батарей имеют наибольшие амплитуды. Они в основном определяют величину перенапряжений на вторичной стороне трансфоматоров.

Подавление предлагаемым схемотехническим решением пятой и седьмой гармоник в напряжениях конденсаторных батарей приводит к существенному уменьшению перенапряжений на вторичной стороне трансформаторов, что особенно важно для запираемых вентилей. Уменьшение перенапряжений позволяет снизить затраты на запираемые вентили и одновременно повысить надежность преобразователя. Как показывает расчет для конкретного объекта, имеется возможность добавочные затраты на реактивные двухполюсники скомпенсировать снижением стоимости запираемых вентилей и при этом получить положительный технический эффект - повышение надежности.

Соединение пофазно третичных обмоток двух трансформаторов через реактивные двухполюсники в предлагаемом преобразователе сочетается с параллельным соединением первичных обмоток и подключением конденсаторных батарей к вторичным обмоткам трансформаторов и дает эффект при совокупности этих технических решений. Их совместное применение в известных решениях заявителем не обнаружено.

На чертеже приведена схема предлагаемого преобразователя. Преобразователь содержит два трехфазных моста 1 и 2 на запираемых вентилях 3, два трехфазных трехобмоточных трансформатора 4 и 5, две трехфазных конденсаторных батареи 6 и 7, а также реактивные двухполюсники 8.

Мосты 1 и 2 могут быть соединены последовательно, как показано на чертеже или параллельно через уравнительный реактор. Запираемый вентиль 3 в каждом плече моста в настоящее время может быть выполнен на базе запираемых тиристоров, транзисторов или электронно-лучевых ламп. Возможно также создание запираемого вентиля из этих полностью управляемых приборов в комбинации с обычными тиристорами.

Трансформаторы 4 и 5 имеют одинаковые первичные обмотки 9 и одинаковые третичные обмотки 10. У трансформатора 4 вторичная обмотка 11 соединена звездой, а у трансформатора 5 вторичная обмотка 12 соединена треугольником. Линейные напряжения вторичных обмоток 11 и 12 одинаковые по величине.

Первичные обмотки 9 трансформаторов 4 и 5 соединены параллельно и подключаются к трехфазному источнику питания (к трехфазной энергосистеме, содержащей электростанции) или к трехфазной нагрузке (к энергосистеме, для которой источником питания является только рассматриваемый самокоммутируемый преобразователь). В случае подключения к трехфазному источнику питания преобразователь может работать в выпрямительном режиме с потреблением активной мощности или в инверторном режиме с выдачей активной мощности в энергосистему потребителя электроэнергии. В случае подключения к трехфазной нагрузке преобразователь, благодаря тому, что он является самокоммутируемым, работает в инверторном режиме и осуществляет питание этой нагрузки (в этом случае преобразователь представляет собой автономный инвертор тока). В выпрямительном и инверторном режимах преобразователь одновременно с потреблением или выдачей активной мощности может в широких пределах изменять величину и знак реактивной мощности. В частности, возможна работа преобразователя без потребления реактивной мощности. В другом частном случае преобразователь может работать как компенсатор реактивной мощности.

К вторичной обмотке 11 трансформатора 4 подключены паралельно мост 1 и конденсаторная батарея 6, к вторичной обмотке 12 трансформатора 5 - мост 2 и конденсаторная батарея 7. Емкость конденсаторов выбирается такой, чтобы собственная частота колебаний в контурах, образованных конденсаторной батареей и вторичной обмоткой трансформатора, была близка к определенному заданному значению f_о= νf, где f - частота переменного тока преобразователя. Величина ν должна по возможности больше отличаться от порядка высших гармоник в фазных токах моста, равных 6к±1, где к= 1,2, . . . . При реальных значениях индуктивности короткого замыкания вторичной обмотки рекомендуется задавать ν равным 9.

Одноименные выводы третичных обмоток 10 трансформаторов 4 и 5 соединены между собой через одинаковые реактивные двухполюсники 8. При работе преобразователя через двухполюсники 8 проходят токи, содержащие гармоники порядка n= (2к-1)6±1, где к= 1,2, . . . , то есть гармоники, для которых n= 5, 7, 17, 19, . . . (В этих токах отсутствуют первая гармоника частоты f переменного тока преобразователя и гармоники порядка n= 12к±1).

Схема и параметры двухполюсника 8 выбираются так, чтобы в напряжениях конденсаторных батарей пятая и седьмая гармоники были близки к нулю. Для этого, как следует из анализа электромагнитных процессов в предлагаемом преобразователе, реактивное сопротивление x(n) двухполюсника 8 при n= 5 и n= 7 должно удовлетворять следующему условию:
x(n)= -jn ωL, (1) где
L= 2K23

L₁+L . (2)
Здесь L₁, L₂ и L₃ - индуктивности короткого замыкания соответственно первичной, вторичной и третичной обмотки трансформатора 4 или 5, К₂ и К₃ - коэффициенты трансформации соответственно вторичной и третичной обмотки, n - порядок гармоники, ω- круговая частота переменного тока преобразователя.

На чертеже приведена одна из возможных схем реактивного двухполюсника 8, при определенных параметрах элементов которого выполняется указанное условие (1). Двухполюсник 8 содержит реактор 13 и два конденсатора 14 и 15. Его элементы должны иметь следующие параметры:
индуктивность реактора 13
L₁₃= 10,1L, (3)
емкость конденсатора 14
C₁₄= , (4)
емкость конденсатора 15
C₁₅= . (5)
Таким образом, по известным параметрам трансформатора 4 или 5 по выражению (2) определяется сперва индуктивность L, а затем рассчитываются параметры элементов реактивного двухполюсника 8 (L₁₃, C₁₄и С₁₅), однозначно зависящее от L.

Преимущества предлагаемого преобразователя по сравнению с прототипом показываем на конкретном примере.

Преобразователь имеет такие же параметры, как преобразователь Выборгской выпрямительно-инверторной подстанции. Номинальные параметры на стороне постоянного тока: напряжение 180 кВ, ток 2000 А, мощность 360 МВт. Линейные напряжения обмоток трансформаторов 4 и 5: первичной 330 кВ, вторичной 70 кВ, третичной 35 кВ. Параметры, входящие в выражение (2):
L₁= 0,229 Гн, L₂= 0,00825 Гн, L₃ 0,
К₂= 0,212, К₃= 0,106.

Емкость конденсатора в батареях 6 и 7 С= 5,05 мкФ. Индуктивность L, от которой зависят параметры реактивного двухполюсника, по (2):
L= 2(0,106)²·0,229= 0,00230 Гн.

Параметры элементов двухполюсника 8 по (3)-(5):
L₁₃= 0,0232 Гн, С₁₄= 13,4 мкФ, С₁₅= 115 мкФ.

На ЭВМ проведены расчеты напряжений и токов в двух преобразователях с указанными параметрами:
1) в преобразователе прототипе, у которого закорочены двухполюсники 8 (см. чертеж).

и 2) в предлагаемом преобразователе с двухполюсниками 8.

Приводим результаты для номинального режима. Относительное содержание высших гармоник в напряжениях конденсаторных батарей 6 и 7 (в процентах к первой гармонике) для прототипа и предлагаемого преобразователя приведены в табл. 1.

Из данных табл. 1 видно, что 1) в прототипе пятая и седьмая гармоники в напряжениях конденсаторных батарей имеют наибольшие значения, 2) в предлагаемом преобразователе, благодаря двухполюсникам 8, эти гармоники близки к нулю, 3) остальные высшие гармоники в предлагаемом преобразователе немного меньше, чем в прототипе.

Основной положительный эффект от подавления пятой и седьмой гармоник в напряжениях конденсаторных батарей 6 и 7 состоит в уменьшении перенапряжений на запираемых вентилях 3. В рассматриваемом конкретном примере получены приведенные в табл. 2 величины, характеризующие этот эффект: максимальные напряжения на запираемых вентилях и кратности перенапряжений (отношение максимального напряжения к амплитуде линейного напряжения вторичной обмотки трансформатора 4 или 5). Как видно по данным табл. 2, перенапряжения в предлагаемом преобразователе (по сравнению с прототипом) уменьшены в 1,7/1,2= 1,4 раза.

Другой положительный эффект состоит в том, что конденсаторы в батареях 6 и 7 меньше загружены высшими гармониками тока (это следует из данных табл. 1).

Уменьшение перенапряжений на запираемых вентилях и загрузки конденсаторов высшими гармониками тока приводит к повышению надежности предлагаемого преобразователя.

Таким образом, на конкретном примере показано выполнение цели изобретения: предложенный двенадцатифазный самокоммутируемый преобразователь обладает повышенной надежностью, благодаря уменьшению перенапряжений. (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 136453, кл. H 02 J 3/18, 1960.

2. Холмский И. Г. , Липатов В. С. Процесс коммутации тока в вентильном преобразователе, работающем в области опережающих углов сдвига, журнал "Электричество", N 6, 1978, с. 29-32.

3. Авторское свидетельство СССР N 1486009, кл. H 02 M 7/12, 7/72, 1989.

Изобретение может быть использовано в преобразовательных подстанциях большой мощности. Сущность изобретения: устройство содержит два трехфазных моста на запираемых вентилях 1, 2, в частности, на запираемых тиристорах, два трехфазных трехобмоточных трансформатора 4, 5 две трехфазные конденсаторные батареи 6, 7 и три реактивных двухполюсника 8. Первичные 9 и третичные 10 обмотки обоих трансформаторов выполнены, соответственно, одинаково. Вторичная обмотка 1 первого трансформатора соединена звездой, а второго - треугольником. К каждой вторичной обмотке подключены параллельно мост на запираемых вентилях и конденсаторная батарея. Одноименные выводы третичных обмоток двух трансформаторов соединены между собой через одинаковые реактивные двухполюсники, выполненные так, чтобы в напряжениях конденсаторных батарей пятая и седьмая гармоники были близки к нулю. Благодаря включению реактивных двухполюсников, эффективно ограничены перенапряжения, связанные с принудительными коммутациями тока. В результате повышена надежность его работы. 2 табл. 1 ил.

ДВЕНАДЦАТИФАЗНЫЙ САМОКОММУТИРУЕМЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий два трехфазных моста на запираемых вентилях, два трехфазных трехобмоточных трансформатора и две трехфазные конденсаторные батареи, причем первичные и третичные обмотки обоих трансформаторов выполнены соответственно одинаково, вторичная обмотка первого трансформатора соединена звездой, а второго - треугольником, обе вторичные обмотки выполнены с одинаковым линейным напряжением, первичные обмотки трансформаторов подключены параллельно к трехфазному источнику питания или к трехфазной нагрузке, к каждой вторичной обмотке подключены параллельно один из мостов на запираемых вентилях и одна из конденсаторных батарей, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности путем уменьшения перенапряжений, одноименные выводы третичных обмоток двух трансформаторов соединены между собой через дополнительно введенные одинаковые реактивные двухполюсники, выполненные обеспечивающими условие, при котором в напряжениях конденсаторных батарей пятая и седьмая гармоники были близки к нулю .