ДВЕНАДЦАТИФАЗНЫЙ ОБРАТИМЫЙ САМОКОММУТИРУЕМЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК H02M7/757 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при создании преобразовательных подстанций для электропередач и вставок постоянного тока, электрифицированных железных дорог, в электрометаллургической и химической промышленности, где требуются мощные преобразователи трехфазного переменного тока в постоянный или/и постоянного тока в трехфазный, причем необходимо обеспечить работу преобразователя без потребления или с выдачей реактивной мощности. Изобретение дает возможность создать такие преобразователи на базе запираемых тиристоров с постепенными коммутациями тока без перенапряжений.

Известны обратимые самокоммутируемые преобразователи, имеющие вентильные мосты с запираемыми тиристорами, с различными схемотехническими решениями для ограничения перенапряжений, возникающих из-за принудительных коммутаций тока запираемыми тиристорами (из-за практически мгновенных прерываний тока в цепях, содержащих индуктивности трансформаторов). К этом схемотехническим решениям относятся: передача электромагнитной энергии индуктивностей трансформатора через вспомогательный преобразователь в накопительный конденсатор [1] соединение третичных обмоток трансформаторов параллельно, а вторичных обмоток с устройствами демпфирования электромагнитных колебаний [2] включение параллельно каждой фазе вентильных обмоток трансформатора дополнительно введенных шунтовых конденсаторов [3] Все эти схемотехнические решения требуют много добавочного оборудования и приводят к увеличению потерь энергии.

Из известных двенадцатифазных обратимых самокоммутируемых преобразователей наиболее близким к предлагаемому является преобразователь, выполненный по [3] с трехфазным трехобмоточным трансформатором, двумя мостами на запираемых тиристорах и шунтовыми конденсаторами. Недостатком этого преобразователя, принятого за прототип, (так же, как и других известных преобразователей с запираемыми тиристорами) является то, что производится лишь ограничение перенапряжений, а не исключается причина перенапряжений не устраняются мгновенные коммутации тока.

Задачей данного изобретения является повышение надежности двенадцатифазного обратимого самокоммутируемого преобразователя путем такого выполнения плеч вентильных мостов, при котором происходят постепенные коммутации тока нарастание и спадание тока плеча при включении и отключении запираемых тиристоров происходят в течение промежутков времени примерно таких же, как и при естественных коммутациях тока обычными (незапираемыми) тиристорами.

Сущность изобретения состоит в том, что у предлагаемого двенадцатифазного обратимого самокоммутируемого преобразователя, имеющего трехфазный трехобмоточный трансформатор и два вентильных моста с запираемыми тиристорами, один из которых подключен к вторичной обмотке, соединенной в звезду, а другой к третичной обмотке трансформатора, соединенной в треугольник, (так же, как у прототипа [3]), каждое плечо вентильных мостов содержит две параллельные цепи, в каждую цепь входят тиристорная ветвь с последовательно включенными запираемыми тиристорами и диодная ветвь с последовательно включенными диодами, одна цепь по направлению проводимости начинается с тиристорной ветви, а другая с диодной ветви, между средними узлами обеих цепей, в которых соединены тиристорная и диодная ветви, включен конденсатор. Полюса вентильных мостов соединены последовательно или параллельно через уравнительный реактор.

При таком выполнении плеч вентильных мостов в том плече, в котором при данной коммутации тока производится запирание тиристоров, ток продолжает проходить через диоды и конденсатор и по мере заряда конденсатора ток постепенно снижается до нуля, в другом плече, которое при данной коммутации тока включается, конденсатор заряжен так, что к диодам приложено обратное напряжение. Поэтому при отпирании тиристоров ток сперва проходит через конденсатор, его напряжение постепенно снижается до нуля и только тогда ток начинают пропускать не только тиристоры, но и диоды; ток плеча распределяется поровну по обеим цепям плеча. Таким образом, коммутация тока с одного плеча моста на другое происходит в течение промежутка времени заряда конденсатора в плече, которое отключается, и разряда конденсатора в плече, которое включается.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого двенадцатифазного обратимого самокоммутируемого преобразователя, на фиг.2 схема плеча вентильного моста, на фиг. 3 графики, показывающие достигаемый эффект постепенное нарастание и спадание тока плеча.

Предлагаемый двенадцатифазный обратимый самокоммутируемый преобразователь содержит трехфазный трехобмоточный трансформатор 1 (фиг.1) и два вентильным моста 2 и 3 с шестью плечами 4 каждый. Первичная обмотка трансформатора может быть соединена в звезду или треугольник, вторичная обмотка соединена в звезду и третичная в треугольник. Линейные напряжения вторичной и третичной обмоток одинаковые. При большой мощности преобразователя вместо трехфазного трансформатора можно применить трехфазную группу однофазных трехобмоточных трансформаторов. Полюса мостов могут быть соединены последовательно: соединяются, например, полюса 6 и 7. Другой вариант параллельное соединение мостов на стороне постоянного тока через уравнительный реактор. Для этого соединяются, например, полюса 5 и 7, а между полюсами 6 и 8 включается уравнительный реактор; его средний вывод является вторым полюсом преобразователя.

Каждое плечо вентильных мостов содержит две цепи, соединенные параллельно на входе и выходе (фиг.2). В каждую цепь входят две ветви тиристорная с последовательно включенными запираемыми тиристорами 9 и диодная с последовательно включенными диодами 10. Одна цепь по направлению проводимости начинается с тиристорной ветви, а другая с диодной ветви. Между средними узлами 11 и 12 обеих цепей, в которых соединены тиристорная и диодная ветви, включен конденсатор 13.

Число последовательно включенных запираемых тиристоров 9 зависит от напряжения преобразователя и класса примененных запираемых тиристоров. Аналогично число последовательно включенных диодов 10 зависит от напряжения преобразователя (от прикладываемого к ним обратного напряжения) и класса примененных диодов.

Последовательное включение запираемых тиристоров так же, как и диодов, осуществляется, как обычно, с равномерным распределением напряжения. Для этого параллельно каждому запираемому тиристору 9 подключены резистор 14 для равномерного распределения постоянной составляющей общего напряжения тиристорной ветви, а также конденсатор 15 и последовательно соединенный с ним резистор 16 для равномерного распределения переменной составляющей напряжения тиристорной ветви. Резистор 16 ограничивает ток разряда конденсатора 15 через запираемый тиристор при его включении. Аналогично для равномерного распределения обратного напряжения, приложенного к диодной ветви, служат подключенные параллельно к каждому диоду 10 резистор 17 и конденсатор 18.

При работе предлагаемого преобразователя через плечо моста проходит ток i_п (фиг.2), через тиристорную ветвь ток i_т и через диодную ветвь ток i_д; на конденсаторе 13 возникает напряжение U_к. Графики, показывающие временные изменения этих токов и этого напряжения, построены по результатам расчета на фиг.3. При расчете принималось, что постоянный ток моста идеально сглажен.

На осях фиг.3 построены следующие явления: импульсы управления запираемыми тиристорами (ось 19), ток тиристорной ветви i_т (ось 20), ток диодной ветви i_д (ось 21), ток плеча i_п (ось 22), напряжение конденсатора 13 U_к (ось 23). Импульсы управления, показанные на оси 19, состоят из запирающего импульса ЗИ, имеющего малую длительность и отрицательную полярность, и отпирающего импульса ОИ положительной полярности и длительностью немного больше 90^o, что обеспечивает включение преобразователя при последовательном соединении мостов. При параллельном соединении мостов через уравнительный реактор достаточно, чтобы длительность отпирающего импульса была немного больше 60^o. Вместо широкого ОИ можно применить при параллельных мостах два узких ОИ, следующих через 60^o, а при последовательных мостах четыре узких ОИ, следующих через 30^o.

До момента θ₁ (фиг.3) ток плеча i_п пропускают обе цепи плеча (все запираемые тиристоры 9 и диоды 10, показанные на фиг.2) и поэтому i_т=i_д=i_п/2. Напряжение конденсатора U_к при этом близко к нулю: оно равно разности падений напряжений в тиристорной и диодной ветвях. В момент θ₁ запирающим импульсом ЗИ отключаются запираемые тиристоры 9 обеих тиристорных ветвей. В результате этого ток тиристорных ветвей i_т практически мгновенно спадает до нуля, ток плеча i_п начинает проходить через две диодные ветви и конденсатор 13 (фиг.2). По мере повышения напряжения конденсатора U_к токи i_п и i_д уменьшаются и в момент θ₂ спадают до нуля. Дальше до момента θ₃ ток плеча i_п=0, напряжение остается примерно постоянным (резисторы 14 и 17 имеют большие сопротивления порядка 10⁵ Ом и разряд конденсатора 13 через них в промежутке θ₂θ₃ незначительный).

В момент θ₃ отстающий от момента θ₁ на 2/3 периода или на 240^o, отпирающий импульс ОИ включает запираемые тиристоры 9 обеих тиристорных ветвей. Ток плеча i_п начинает проходить через обе тиристорные ветви и конденсатор 13, напряжение конденсатора U_к снижается, а токи i_п и i_т нарастают. В момент θ₄ напряжение u _к=0 и в результате этого ток плеча начинают пропускать не только запираемые тиристоры, но и диоды. Ток плеча пропускают обе цепи плеча и так же, как перед моментом θ₁, i_т=i_д=i_п/2.

В момент θ₅ отстающий от момента θ₃ на 1/3 периода (на 120^o и от момента θ₁ на один период (на 360^o), снова на запираемые тиристоры 9 поступает запирающий импульс ЗИ и в промежутке θ₅θ₆ повторяется процесс, рассмотренный выше в промежутке θ₁θ₂.

Длительность промежутков θ₁θ₂ (спадания тока i_п) и θ₃θ₄ (нарастания тока i_п) одинаковая, т.к. как заряд и разряд конденсатора 13 в этих промежутках времени происходит в цепях с одинаковыми параметрами (отличие только в незначительной разнице падений напряжений в диодных и тиристорных ветвях) и при одинаковом токе i_п в моменты θ₁ и θ₄, равном постоянному току моста.

В промежутке θ₁θ₂, когда в одном плече моста происходит снижение тока (фиг. 3), в другом плече того же моста происходит нарастание тока такое же, как показано на фиг.3 в промежутке θ₃θ₄. Таким образом, коммутации тока в предлагаемом преобразователе с запираемыми тиристорами происходят не мгновенно, а в течение некоторого промежутка времени в течение угла коммутации γ.

Предлагаемый преобразователь может работать как выпрямитель и как инвертор, то есть он является обратимым. Как и другие известные преобразователи с запираемыми тиристорами, например выполненные по [1-3] предлагаемый преобразователь является самокоммутируемым, коммутации тока в нем происходят путем отключения и включения запираемых тиристоров импульсами управления. Являясь самокоммутируемым, предлагаемый преобразователь может работать как с положительными, так и с отрицательными углами регулирования. Он может работать без потребления реактивной мощности и даже с выдачей реактивной мощности. В частности, предлагаемый преобразователь может выполнять роль компенсатора реактивной мощности, регулируя реактивную мощность обоих знаков в широких пределах. Наконец, отметим, что предлагаемый преобразователь, будучи самокоммутируемым, может работать как автономный инвертор, выдавая активную и реактивную мощность в автономную энергосистему, не имеющую других источников электроэнергии.

Пример конкретного выполнения предлагаемого преобразователя.

Разработки и расчет предлагаемого преобразователя проведена на параметры, которые имеет двенадцатифазный преобразователь (П-12) с незапираемыми тиристорами на Выборгской выпрямительно-инверторной подстанции. Номинальные значения основных параметров:
постоянная составляющая выпрямленного напряжения двух мостов, включенных последовательно, 175 кВ,
постоянный ток моста 2000 А,
мощность 350 МВт.

Для предлагаемого преобразователя используется трехфазная группа однофазных трансформаторов преобразователя П-12 с следующими основными параметрами:
мощность трехфазной группы 405 МВ•А,
напряжение первичной обмотки 400 кВ,
напряжение вентильных обмоток, соединенных звездой и треугольником, 70 кВ,
индуктивное сопротивление коммутации одной фазы 2,6 Ом.

Плечо моста (фиг.2) содержит:
1) две тиристорные ветви; в каждой ветви включено последовательно 20 запираемых тиристоров типа ТЗ 173-2500 40-го класса (запираемый ток 2500 А, выдерживаемое напряжение 4 кВ),
2) две диодные ветви; в каждой ветви включено последовательно 18 диодов типа Д 143-630 42-го класса (среднее значение тока 630 А, выдерживаемое обратное напряжения 4,2 кВ),
3) конденсатор 13, выполненный путем параллельно-последовательного соединения конденсаторов типа КЭКФ-6,3-200-2УХЛ1 (6,3 кВ, 200 кВ•А): параллельно соединены пять групп конденсаторов, в каждой группе пять конденсаторов включено последовательно, суммарная емкость 16 мкФ.

Расчеты установившихся режимов работы предлагаемого преобразователя с указанными выше конкретными параметрами его оборудования при постоянном токе 2000 А дали следующие результаты в отношении величины угла коммутации g, при пяти значениях угла регулирования a (см табл).

Расчеты, выполненные на математической модели предлагаемого преобразователя, дали результаты близкие к результатам расчетов по аналитическим выражениям.

Таким образом, задача изобретения выполнена: в предлагаемом двенадцатифазном обратимом самокоммутируемом преобразователе происходят постепенные коммутации тока, не вызывающие перенапряжений, и тем самым повышается надежность его работы.

Область использования: преобразовательные подстанции для электропередач и вставок постоянного тока, электрифицированных железных дорог, в электрометаллургической и химической промышленности. Сущность изобретения: каждое плечо двух вентильных мостов двенадцатифазного обратимого самокоммутируемого преобразователя содержит две параллельные цепи, а в каждую цепь входят тиристорная ветвь с последовательно включенными запираемыми тиристорами и диодная с последовательно включенными диодами, одна цепь по направлению проводимости начинается с тиристорной ветви, а другая - с диодной ветви, между средними узлами обеих цепей, включен конденсатор. Благодаря такому выполнению плеч, коммутации тока в мостах происходят постепенно, без перенапряжений, что приводит к повышению надежности преобразователя. 1 табл., 3 ил.

Двенадцатифазный обратимый самокоммутируемый преобразователь, содержащий трехфазный трехобмоточный трансформатор, первичная обмотка которого подключена к сети трехфазного напряжения или к трехфазной автономной нагрузке, вторичная соединена в звезду, а третичная в треугольник, и два вентильных моста с запираемыми тиристорами, один из которых подключен к вторичной обмотке трансформатора, а другой к третичной обмотке трансформатора, полюса вентильных мостов соединены последовательно или параллельно через уравнительный реактор, отличающийся тем, что каждое плечо вентильных мостов содержит две параллельно соединенные цепи, в каждую входят тиристорная ветвь с последовательно включенными запираемыми тиристорами и диодная ветвь с последовательно включенными диодами, одна цепь по направлению проводимости начинается с тиристорной ветви, а другая с диодной ветви, между средними узлами обеих цепей, в которых соединены тиристорная и диодная ветви, включен конденсатор.