РЕГУЛИРУЕМЫЙ M-ФАЗНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПЕРЕМЕННОЕ Российский патент 1996 года по МПК H02M5/12 G05F1/30 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам стабилизации переменного трехфазного и многофазного напряжения и тока большой мощности. Такие мощные устройства необходимы, в частности, для стабилизации выпрямленных токов преобразовательных подстанций электролиза алюминия, а также других цветных металлов.

Известно устройство [1] для регулирования переменного напряжения, содержащее вольтодобавочный силовой трансформаторный агрегат, вторичные обмотки которого пофазно включены между входными и выходными выводами устройства, а первичные обмотки через тиристорные ключи связаны с входными выводами. Каждый вывод первичных обмоток вольтодобавочного силового трансформаторного агрегата через соответствующий двухсторонний тиристорный ключ соединен с каждым входным выводом устройства.

Такое устройство характеризуется сравнительно небольшим количеством двунаправленных тиристорных ключей, позволяет регулировать и стабилизировать напряжение ступенчато на нескольких уровнях. Однако это устройство позволяет иметь лишь семь уровней выходного напряжения, что для многих промышленных установок недостаточно. Кроме того, в нем при регулировании напряжения имеет место сдвиг по фазе между выходным и входным напряжениями, что для некоторых областей использования недопустимо. В частности, на заводах по производству алюминия, мощности установленного электротехнического оборудования на которых достигают несколько тысяч мегавольтампер, для снижения уровня высших гармоник в питающей сети обеспечивают специальные углы сдвига по фазе между выходными и входными напряжениями на каждой из единиц трансформаторного оборудования. Нарушение этих специальных углов сдвига может привести к резкому возрастанию уровня высших гармоник в питающей высоковольтной сети.

Наиболее близким к заявляемому является регулируемый m-фазный преобразователь переменного напряжения в переменное [2] Он содержит силовой вольтодобавочный трансформаторный агрегат с m первичными и вторичными обмотками, вторичные обмотки которого пофазно включены между входными и выходными силовыми выводами устройства. Каждый вывод каждой первичной обмотки соединен через соответствующий двунаправленный тиристорный ключ с каждым входным выводом, а через соответствующий дополнительный двунаправленный тиристорный ключ с каждым выходным выводом устройства.

Такое устройство характеризуется возможностью регулирования и стабилизации напряжения на 13 уровнях. Недостатки устройства следующие: большое количество двунаправленных тиристорных ключей, рассчитанных на большие токи, что приводит к значительной стоимости устройства, при этом все они должны пропускать практически одинаковые по величине токи (количество двунаправленных ключей в устройстве равно 4m²+2m, при m=3 их количество равно 42); большая неравномерность ступеней регулирования напряжения (разница напряжений на различных ступенях достигает нескольких раз); наличие сдвига по фазе между выходными и входными напряжениями; недостаточность диапазона регулирования (для ряда случаев тринадцати уровней выходного бывает недостаточно).

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, а именно улучшение стоимостных показателей путем снижения числа силовых тиристоров (в первую очередь сильноточных), устранение фазового сдвига между входным и выходным напряжениями, расширение диапазона регулирования, достижение равномерности ступени регулирования.

Цель достигается тем, что в регулируемом m-фазном преобразователе переменного напряжения в переменное, содержащем вольтодобавочный силовой трансформаторный агрегат с m первичными и m вторичными обмотками, вторичные обмотки включены последовательно в силовые цепи соответствующих фаз между входными и выходными выводами, каждый вывод каждой первичной обмотки соединен через соответствующий двунаправленный тиристорный ключ с входным выводом соответствующей фазы, введено n дополнительных вольтодобавочных силовых трансформаторных агрегатов, где m=1-4, с первичными и вторичными обмотками каждый, при этом коэффициент трансформации первого дополнительного вольтодобавочного силового трансформаторного агрегата равен утроенному коэффициенту трансформации вольтодобавочного силового трансформаторного агрегата, коэффициент трансформации каждого последующего дополнительного вольтодобавочного силового трансформаторного агрегата равен утроенному коэффициенту трансформации предыдущего, вторичные обмотки одноименных фаз дополнительных вольтодобавочных силовых трансформаторных агрегатов соединены последовательно между собой и с соответствующей вторичной обмоткой вольтодобавочного силового трансформаторного агрегата, каждый вывод каждой из первичных обмоток каждого из дополнительных вольтодобавочных силовых трансформаторных агрегатов соединен через введенный соответствующий двунаправленный тиристорный ключ с входным выводом соответствующей фазы, кроме того, одноименные выводы всех фаз первичных обмоток в каждом из дополнительных вольтодобавочных силовых трансформаторных агрегатов и вольтодобавочном силовом трансформаторном агрегате соединены между собой через введенные m-1 двунаправленные тиристорные ключи.

Выполнение m-фазного преобразователя переменного напряжения в переменное с одним основным вольтодобавочным силовым трансформаторным агрегатом и с n дополнительными вольтодобавочными силовыми трансформаторными агрегатами с отличием каждого последующего от предыдущего в 3 раза по коэффициенту трансформации при последовательном соединении вторичных обмоток вольтодобавочных силовых агрегатов с учетом оговоренного подключения выводов первичных обмоток вольтодобавочных силовых трансформаторных агрегатов к входным выводам через соответствующие тиристорные ключи при соединении одноименных выводов всех фаз первичных обмоток в каждом из дополнительных вольтодобавочных силовых трансформаторных агрегатов и вольтодобавочном силовом трансформаторном агрегате через введенные m-1 двунаправленные тиристорные ключи позволяет существенно уменьшить количество двунаправленных тиристорных ключей на большие токи. В прототипе число таких ключей равно 4m²+2m, что m=3 составляет 42. В заявляемом устройстве таких ключей только 2(2m-1), что при m=3 составляет 10. Остальные ключи на токи в 3; 9 и т.д. раз меньше, чем основные; выполнить ступени регулирования напряжения равномерными за счет предложенного соотношения коэффициентов трансформации вольтодобавочных силовых трансформаторных агрегатов при подключении первичных обмоток только к входным выводам устройства; устранить сдвиг по фазе между входными и выходными напряжениями устройства в любых режимах его работы; существенно расширить диапазон регулирования напряжения, так как число уровней выходного напряжения в заявляемом устройстве равно 3(n+1) (при n=1 число уровней равно девяти, при n=2 двадцати семи и т.д.).

Выбор чисел m и n определяется следующим. Минимальная фазность многофазной системы равна двум. Максимальное же число m=12, так как в одной многофазной системе число фаз практически не превышает 12. Число дополнительных вольтодобавочных силовых трансформаторных агрегатов n ограничено четырьмя, так как в этом случае количество ступеней напряжения превышает 200, что при любой суммарной глубине регулирования позволяет достигнуть дискретности менее 1%
На чертеже представлена принципиальная схема одного из вариантов выполнения устройства при m=3, n=2.

Регулируемый трехфазный преобразователь переменного напряжения в переменное содержит конструктивно объединенный блок вольтодобавочных силовых трансформаторных агрегатов 1. Основной вольтодобавочный силовой трансформаторный агрегат 2 содержит три первичных 3-5 и три вторичные 6-8 обмотки. Вторичные обмотки 6-8 включены последовательно в силовую цепь соответствующей фазы между входными и выходными силовыми выводами устройства. Так, обмотка 6 включена в цепь между выводами 9, 10, обмотка 7 в цепь между выводами 11, 12, обмотка 8 в цепь между выводами 13,14.

Каждый вывод каждой первичной обмотки трансформаторного агрегата соединен через соответствующий двунаправленный тиристорный ключ с входным выводом устройства той же фазы: начала (обозначены звездочками) обмоток 3-5 трансформаторного агрегата 2 соединены соответственно с вводами 9,11,13 через двухнаправленные тиристорные ключи, соответственно 15-17, а концы этих же обмоток соединен с выводами 9,11,13 через ключи соответственно 18-20.

Устройство содержит два дополнительных вольтодобавочных силовых трансформаторных агрегата (в рассматриваемом примере n=2). Коэффициент трансформации основного вольтодобавочного силового трансформаторного агрегата 2 равен Кт, коэффициент трансформации агрегата 21 равен 3Кт, а агрегата 22-9Кт.

Вторичные обмотки соответствующих фаз основного и дополнительных трансформаторных агрегатов последовательно соединены между собой: обмотки 6-8 агрегата 2 соединены последовательно с обмотками 23-25 агрегата 21 и обмотками 26-28 агрегата 22, соответственно. Начала обмоток 29-31 первичной обмотки агрегата 21 соединены с выводами устройства 9,11,13 через соответственно двунаправленные ключи 32-34, а концы этих же обмоток соединены с выводами 9,11,13 через ключи 35-37.

Начала обмоток 38-40 первичной обмотки агрегата 22 соединены с выводами устройства 9,11,13 через ключи 41-43, а конца этих же обмоток через ключи 44-46 соответственно.

Одноименные выводы всех фаз первичных обмоток в каждом из дополнительных вольтодобавочных силовых трансформаторных агрегатов и вольтодобавочном силовом трансформаторном агрегате соединены между собой через введенные (m-1)=2 двунаправленные тиристорные ключи. Так, начала обмоток 3-5 соединены между собой через ключи 47, 48. Концы обмоток 3-5 соединены между собой через ключи 49,50.

Аналогичные соединения посредством ключей 51-54 выполнены для первичных обмоток дополнительного вольтодобавочного силового трансформаторного агрегата 21 и посредством ключей 55-58 для первичных обмоток дополнительного вольтодобавочного силового трансформаторного агрегата 22.

Таким образом, общее число двунаправленных тиристорных ключей в устройстве равно 2(n+1) (2m-1)=2.3(2.3-1)=30, из них десять ключей 15-20, 47-50 на токи, аналогичные токам ключей в [2] десять ключей 32-37, 51-54 на токи в 3 раза меньше, десять ключей 41-46, 55-58 в 9 раз меньше.

Устройство функционирует следующим образом.

Каждый вольтодобавочный силовой трансформаторный агрегат представляет собой вольтодобавочный трансформатор, который благодаря соединениям обмоток, осуществляемым посредством ключей, может иметь три режима работы: вольтодобавку, нейтральное положение, вольтоотбавку.

Рассмотрим это на примере вольтодобавочного силового трансформаторного агрегата 2. При открытых ключах 15-17,49,50 его первичные обмотки становятся соединенными в звезду и имеет место режим вольтодобавки. При открытых ключах 47-50 имеет место режим короткого замыкания первичных обмоток. При этом во вторичных обмотках напряжение отсутствует. При открытых ключах 18-20, 47, 48 имеет место режим вольтоотбавки.

Аналогичные режимы имеют и дополнительные вольтодобавочные силовые трансформаторные агрегаты 21, 22. Учитывая, что первичные обмотки всех трансформаторных агрегатов подключены на одно и то же напряжение, а их коэффициенты трансформации различаются в 3 раза, общее число режимов работы устройства равно 3х3х3=27, причем разница в выходных напряжениях устройства одинакова между любыми двумя соседними положениями.

В таблице представлены 27 состояний устройства при условии 9хКт=100.

Во всех режимах работы устройства добавка или отбавка напpяжений происходит без сдвига по фазе в сравнении с основным напряжением, т.е. сдвиг по фазе между выходным и входным напряжениями отсутствует.

Анализ технического решения [2] показывает, что количество ключей, рассчитанных на максимальный ток, при m=3 равно 42. В предлагаемом техническом решении число тиристорных ключей с аналогичными параметрами равно 10 (ключи 15-20, 47-50). Поскольку токи ключей обратно пропорциональны коэффициенту трансформации, остальные ключи рассчитываются на существенно меньшие токи. Так, ключи 32-37, 51-54 рассчитываются на втрое меньший ток, а ключи 41-46, 55-58 на вдевятеро меньший ток. Таким образом, количество мощных силовых ключей уменьшено в сравнении с прототипом более, чем в 4 раза.

Изобретение отличается от прототипа тем, что имеет равномерную ступень регулирования напряжения (в прототипе разница между ступенями достигает нескольких раз).

Проведенные расчеты для регулятора-стабилизатора напряжения серии электролиза алюминия мощностью 155 МВА и глубиной регулирования ± 3,5% показали, что заявляемое устройство с тремя вольтодобавочными силовыми трансформаторными агрегатами в сравнении с прототипом позволяет уменьшить общее количество тиристорных ключей с 42 до 30 (из них только 10 рассчитаны на полный ток). Несмотря на то, что масса активных материалов, вложенных в вольтодобавочные силовые трансформаторные агрегаты, в 1,1 раза больше, чем в [2] за счет значительного уменьшения числа, следовательно, стоимости тиристоров, полная стоимость устройства при той же глубине регулирования в 1,4 раза меньше, чем устройства [2] достигнуть числа уровней регулирования равным 27 при равномерности ступеней, в то время как в [2] число уровней регулирования равно 13 и ступени регулирования неравномерны; исключить сдвиг по фазе между выходным и входным напряжениями.

Согласно проведенным расчетам, замена на алюминиевых заводах системы стабилизации тока на дросселя насыщения на заявляемые устройства позволит отказаться от систем компенсации реактивной мощности и за счет этого получить значительный экономический эффект.

Использование: устройства стабилизации переменного напряжения и тока большой мощности с широким диапазоном и равномерными ступенями регулирования. Сущность изобретения: преобразователь содержит вольтодобавочный силовой трансформаторный агрегат и n дополнительных вольтодобавочных силовых трансформаторных агрегата, где n = 1 - 4. Коэффициент трансформации каждого последующего вольтодобавочного силового трансформаторного агрегата равен утроенному коэффициенту трансформации предыдущего. Каждый вольтодобавочный силовой трансформаторный агрегат содержит m первичных и m вторичных обмоток. Каждый вывод каждой первичной обмотки соединен через двунаправленный тиристорный ключ с входным выводом той же фазы устройства. Одноименные выводы всех фаз первичных обмоток в каждом из вольтодобавочных силовых трансформаторных агрегатов соединены между собой через введенные m - 1 двунаправленные тиристорные ключи. Вторичные обмотки соответствующих фаз вольтодобавочных силовых трансформаторных агрегатов последовательно соединены между собой и включены в силовую цепь между входными и выходными выводами устройства. 1 ил., 1 табл.

РЕГУЛИРУЕМЫЙ M-ФАЗНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПЕРЕМЕННОЕ, содержащий вольтодобавочный силовой трансформаторный агрегат с m первичными и m вторичными обмотками, вторичные обмотки включены последовательно в силовую цепь соответствующей фазы между входными и выходными выводами, каждый вывод каждой первичной обмотки соединен через соответствующий двунаправленный тиристорный ключ с входным выводом соответствующей фазы, отличающийся тем, что введены n дополнительных вольтодобавочных силовых трансформаторных агрегатов, где n = 1 - 4, с первичными и вторичными обмотками каждый, при этом коэффициент трансформации первого дополнительного вольтодобавочного силового трансформаторного агрегата равен утроенному коэффициенту трансформации вольтодобавочного силового трансформаторного агрегата, коэффициент трансформации каждого последующего дополнительного вольтодобавочного силового трансформаторного агрегата равен утроенному коэффициенту трансформации предыдущего, вторичные обмотки одноименных фаз дополнительных вольтодобавочных силовых трансформаторных агрегатов соединены последовательно между собой и с соответствующей вторичной обмоткой вольтодобавочного силового трансформаторного агрегата, каждый вывод каждой из первичных обмоток каждого из дополнительных вольтодобавочных силовых агрегатов соединен через введенный соответствующий двунаправленный тиристорный ключ с входным выводом соответствующей фазы, кроме того, одноименные выводы всех фаз первичных обмоток в каждом из дополнительных вольтодобавочных силовых трансформаторных агрегатов и вольтодобавочном силовом трансформаторном агрегате соединены между собой через введенные m - 1 двунаправленные тиристорные ключи.