КОМПЕНСИРОВАННАЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК H02J3/34 H02M7/68 

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике и может быть использовано для электроснабжения электролизных, электротермических установок, железнодорожного транспорта и других потребителей электрической энергии постоянным током. Оно может быть использовано и для обратного преобразования электроэнергии.

Известна некомпенсированная преобразовательная система электроснабжения, состоящая их N 12-ти фазных преобразователей переменного напряжения в постоянное, каждый из которых содержит два 6-ти фазных преобразовательных блока в виде преобразовательного трансформатора с сетевой обмоткой, подключенной к питающей сети, и вентильными обмотками, подключенными к выводам переменного тока выпрямительного устройства, выводы постоянного тока которого подключены к цепи постоянного тока [1].

Недостатком некомпенсированной преобразовательной системы электроснабжения является достаточно низкий коэффициент мощности, что обусловлено значительным потреблением из питающей сети реактивной мощности и высоким коэффициентом несинусоидальности сетевых тока и напряжения.

Известна компенсированная преобразовательная система электроснабжения, состоящая из N 2m-фазных преобразователей переменного напряжения в постоянное, каждый из которых содержит два m-фазных преобразовательных блока в виде преобразовательного трансформатора с сетевой обмоткой, подключенной к питающей сети, и вентильными обмотками, подключенными к выводам переменного тока выпрямительного устройства, выводы постоянного тока которого подключены к цепи постоянного тока, и фильтрокомпенсирующего устройства, содержащего ряд включенных в сеть переменного тока параллельно преобразователям моногармонических фильтров, каждый из которых настроен в резонанс напряжений на одну из гармоник порядка k = Sm±1, где S - не равное нулю целое положительное число. Причем, моногармонические фильтры включены как на четнократные (S = 2, 4, 6,...), так и нечетнократные (S = 1, 3, 5,...) гармоники, а их параметры выбраны из условия компенсации реактивной мощности, потребляемой системой электроснабжения на первых гармониках напряжения и тока [2].

Такая система электроснабжения, выбранная в качестве ближайшего аналога, обладает высоким коэффициентом мощности. Однако она имеет ряд весьма существенных недостатков:
установленная мощность конденсаторных батарей в фильтрокомпенсирующем устройстве высока, а эффективность их использования низкая;
постоянная составляющая выпрямленного тока между параллельно включенным m-фазными блоками преобразователей системы электроснабжения распределяется неравномерно и между блоками протекает постоянная составляющая уравнительного тока;
в питающую сеть от каждого преобразователя системы электроснабжения проникают гармоники, отвечающие S = 1, 3, 5,... (нечетнократные гармоники) и являющиеся неканоническими для 2m-фазных преобразователей, что требует установки в фильтрокомпенсирующем устройстве моногармонических фильтров нечетнократных гармоник большой установленной мощности;
снижение переменной составляющей уравнительного тока, протекающего между m-фазными блоками преобразователей при их параллельной работе, требует введения в контур уравнительного тока большой индуктивности, что в реальных объектах приводит к необходимости установки нетехнологичных в изготовлении сильноточных низковольтных реакторов, либо к существенному усложнению сильноточной ошиновки постоянного тока преобразователей;
вследствие малой жесткости внешних характеристик преобразователей имеет место недоиспользование преобразовательных трансформаторов.

Первый недостаток обусловлен тем, что каждый моногармонический фильтр в известной системе электроснабжения, кроме фильтрации соответствующей гармоники, служит для компенсации реактивной мощности системы по первой гармонике. Это заставляет вбирать каждый фильтр, исходя не из минимума установленной мощности, а из требуемой величины реактивной мощности первой гармоники, которую он должен скомпенсировать. Кроме того, часть генерируемой конденсаторной батареей каждого фильтра реактивной мощности идет на покрытие потребляемой реактором этого фильтра реактивной мощности. В этих условиях дополнительная (по отношению к минимально необходимой для фильтрации соответствующей гармоники) мощность конденсаторов, работающих для цели компенсации реактивной мощности лишь на частоте первой гармоники и покрывающих в каждом фильтре мощность реактора, используется неэффективно (в питающую сеть генерируется реактивная мощность меньше установленной мощности конденсаторов).

Второй недостаток имеет место из-за всегда имеющей место конструктивной асимметрии m-фазных блоков и неизбежно нестрогих витковых соотношений трансформаторов преобразователей. Например, вентильные обмотки трансформаторов преобразователей имеют 4 и 7, 7 и 12 витков при соединении их в звезду и треугольник, и отношение витков не обеспечивает необходимой величины .

Неравномерность загрузки m-фазных блоков преобразователей обуславливает третий недостаток известной системы электроснабжения.

Четвертый недостаток является следствием различия мгновенных значений выпрямленных напряжений m-фазных блоков из-за сдвига коммутационных процессов в блоках преобразователя и по существу единственной возможностью их ограничения с помощью индуктивного сопротивления.

Наконец, пятый недостаток вызван отсутствием возможности в некомпенсированных преобразователях покрывать (компенсировать) коммутационное падение напряжения, что приводит к наклону внешних характеристик. В результате установленная мощность преобразовательного трансформатора каждого преобразователя системы электроснабжения на 5 - 15% превышает номинальную мощность на его выходных зажимах.

В основу изобретения положена техническая задача создать такую компенсированную преобразовательную систему электроснабжений, которая обеспечила бы значительное (примерно на порядок) снижение установленной мощности конденсаторных батарей в фильтрокомпенсирующем устройстве и повышение эффективности их использования, повышение мощности в нагрузке как за счет выравнивания постоянных составляющих выпрямленных токов преобразователей и доведения, в связи с этим, их до номинальных величин во всех блоках, так и за счет повышения напряжения на нагрузке вследствие более эффективного использования преобразовательных трансформаторов после введения полигармонических фильтров, повышение жесткости внешних характеристик преобразователей и упрощение системы.

Поставленная задача решается тем, что в компенсированной преобразовательной системе электроснабжения, состоящей из N 2m-фазных преобразователей переменного напряжения в постоянное и обратно, каждый из которых содержит два m-фазных преобразовательных блока в виде преобразовательного трансформатора с сетевой обмоткой, подключенной к питающей сети, и вентильными обмотками, подключенными к выводам переменного тока выпрямительного устройства, выводы постоянного тока которого подключены к цепи постоянного тока, и фильтрокомпенсирующего устройства, содержащего ряд включенных в сеть переменного тока параллельно преобразователю моногармонических фильтров, каждый из которых настроен в резонанс напряжений на одну из гармоник порядка k =Sm ± 1, где S - не равное нулю целое положительное число, согласно изобретению в фильтрокомпенсирующее устройство введено N полигармонических фильтров нечетнократных (S = 1, 3, 5,...) гармоник, включенных по одному последовательно с каждым преобразователем, причем моногармонические фильтры выполнены только для четнократных (S = 2, 4, 6,...) гармоник, а их параметры выбраны из условия минимума установленной мощности конденсаторных батарей.

Полигармонические фильтры выполнены в виде трехфазных реакторов, зашунтированных трехфазными конденсаторными батареями, и включены либо со стороны сетевых, либо со стороны вентильных обмоток трансформаторов преобразовательных блоков. Другим отличием в исполнении полигармонических фильтров является последовательное соединение трехфазных компенсационных обмоток, расположенных на магнитопроводах трансформаторов преобразовательных блоков, и трехфазных конденсаторных батарей. Преобразовательные блоки могут быть выполнены как по нулевой, так и по мостовой схемам преобразования.

Предложенная компенсированная преобразовательная система электроснабжения удовлетворяет критерию "изобретательский уровень", поскольку в ней оригинальным образом осуществлены как построение, так и выбор параметров фильтрокомпенсирующего устройства. В результате повышается эффективность использования фильтрокомпенсирующих устройств и улучшается ряд технических характеристик преобразовательной системы электроснабжения. А именно, в предложенной системе электроснабжения значительно выше эффективность использования конденсаторных батарей, постоянная составляющая уравнительного тока, протекающего между m-фазными блоками, отсутствует, а для снижения переменной составляющей того же тока не требуется установка сильноточных реакторов и усложнение ошиновки постоянного тока, отпадает необходимость в установке моногармонических фильтров нечетнократных гармоник, за счет повышения жесткости внешних характеристик существенно повышается эффективность использования преобразовательных трансформаторов.

На фиг. 1 - 3 представлены некоторые варианты предложенной системы электроснабжения.

В системе на фиг. 1 полигармонические фильтры включены со стороны сетевых обмоток трансформаторов преобразовательных блоков; на фиг. 2 - со стороны вентильных обмоток трансформаторов преобразователей; на фиг. 3 полигармонические фильтры преобразователей выполнены в виде последовательно соединенных трехфазных обмоток, расположенных на магнитопроводах трансформаторов преобразовательных блоков, и трехфазных конденсаторных батарей.

Представленные варианты отвечают двенадцатифазному режиму преобразования по мостовой схеме с параллельным соединением выпрямительных мостов. Другие варианты отличаются фазностью преобразования, схемами соединения обмоток трансформаторов, соединениями выпрямительных мостов по отношению к нагрузке, могут выполняться по нулевой схеме преобразования.

Система электроснабжения содержит I, II, ..., N 2m-фазных преобразователей переменного напряжения в постоянное и обратно (на фиг. 1 - 3 m = 6, преобразователи используются для преобразования переменного напряжения в постоянное), преобразовательные трансформаторы 1, выпрямительные мосты 2, полигармонические фильтры с рабочими обмотками реакторов 3, компенсационными обмотками 4 и трехфазными конденсаторными батареями 5, моногармонические фильтры четнократных гармоник 6, 7, 8, 9 (в приведенных вариантах систем электроснабжения моногармонические фильтры выполнены на 11, 13, 23 и 25 гармонике).

Работа предложенной компенсированной преобразовательной системы электроснабжения осуществляется следующим образом.

При подключении трансформаторов 1 преобразователей I, II...N к питающей сети переменного тока, а выпрямительных мостов 2 к - цепи постоянного тока в рабочих обмотках 3 реакторов компенсирующих устройств протекают токи, спектр которых определяется гармониками порядка k = Sm ± 1, где S = 1, 2, 3,... .

В варианте на фиг. 3 тем же спектром определяются магнитные потоки в сердечниках трансформаторов. Нечетнократные гармоники (S = 1, 3, 5,...) с помощью компенсационных обмоток 4 во всех вариантах отфильтровываются в конденсаторную батарею 5. В двенадцатифазных преобразователях эта батарея перезаряжается токами преимущественно пятой и седьмой гармоник. Напряжения на конденсаторах батареи 5 осуществляют искусственную коммутацию вентилей мостов 2, что обеспечивает компенсацию реактивной мощности системы электроснабжения при установленной мощности конденсаторов примерно в шесть раз меньшей величины компенсируемой реактивной мощности. Столь высокая эффективность использования батареи 5 приводит к существенному снижению установленной мощности конденсаторов в фильтрокомпенсирующем устройстве системы электроснабжения.

В силу того, что в вариантах на фиг. 1 и 2 обмотки 4 по отношению к первой гармонике тока включены согласно, а в варианте на фиг. 3 по отношению к указанным гармоникам включены последовательно согласно сетевые обмотки трансформаторов 1, токи первых гармоник преобразовательных блоков каждого из преобразователей строго равны. В результате строго выравниваются постоянные составляющие выпрямленных токов мостов 2. Выравнивание нагрузки выпрямительных мостов практически устраняет неканонические для сетевого тока преобразователей нечетнократные гармоники в питающей сети системы электроснабжения. В результате отпадает необходимость в моногармонических фильтрах нечетнократных гармоник, что дополнительно повышает эффективность использования фильтрокомпенсирующих устройств.

Кроме того, указанную эффективность повышает и то, что моногармонические фильтры четнократных гармоник 6, 7, 8, 9 осуществляют преимущественно только фильтрацию высших гармоник (в представленных вариантах фильтруют 11, 13, 23 и 25 гармоники), т.е. улучшают форму питающего напряжения и не служат целям компенсации реактивной мощности. Последнее позволяет минимизировать их установленную мощность.

В предложенной системе электроснабжения в контур переменной составляющей уравнительного тока кроме индуктивности включается и емкость конденсаторов полигармонических фильтров. Зависимость амплитуды уравнительного тока от индуктивности контура этого тока носит резонансный характер. В дорезонансной зоне, когда индуктивность контура наименьшая, амплитуда переменной составляющей уравнительного тока минимальна. А это говорит о том, что в предложенной системе электроснабжения работа преобразователей должна осуществляться без сильноточных низковольтных реакторов и при упрощенной короткой ошиновке, связывающей преобразовательные блоки. Этот факт также приводит к резкому упрощению системы.

Введение полигармонических фильтров повышает жесткость внешних характеристик каждого из преобразователей. Поэтому при работе предложенной системы электроснабжения повышается выходная мощность ее при той же установленной мощности трансформаторов 1, т.е. последние используют более эффективно.

Технико-экономический эффект от применения предложенной системы электроснабжения, во-первых, связан со значительным (примерно на порядок) снижением установленной мощности конденсаторов в фильтрокомпенсирующем устройстве. Это обусловлено, с одной стороны, повышением частоты напряжения на конденсаторах в полигармонических фильтрах, а, с другой, - с исключением моногармонических фильтров нечетных гармоник и выбором параметров моногармонических фильтров четных гармоник по минимуму установленной мощности. Во-вторых, существенный эффект предложенной системы состоит в повышении мощности в нагрузке как за счет выравнивания постоянных составляющих выпрямленных токов преобразователей и доведения в связи с этим их до номинальных величин во всех блоках, так и за счет повышения напряжения на нагрузке вследствие более эффективного использования преобразовательных трансформаторов после введения полигармонических фильтров. В-третьих, преимущественно предложенной системы обусловлено ее упрощением в отсутствии необходимости установки сильноточных низковольтных реакторов и усложнения сильноточной ошиновки в цепи переменной составляющей уравнительного тока в каждом преобразователе системы.

Использование: в силовой преобразовательной технике, в выпрямителях и инверторах, преобразующих энергию переменного тока в энергию постоянного тока, и наоборот. Сущность: для снижения установленной мощности, совершенствования технических характеристик и упрощения в систему электроснабжения, состоящую из N 2m-фазных преобразователей I, II, ..., N, содержащих два m-фазных блока, каждый из которых выполнен с использованием трансформатора, выпрямительного устройства и фильтрокомпенсирующего устройства в виде моногармонических фильтров, введено N полигармонических фильтров нечетнократных гармоник, включенных по одному последовательно с каждым преобразователем и выполненных в виде реакторов и трансформаторов с конденсаторными батареями. Причем моногармонические фильтры выполнены только для четнократных гармоник, а их параметры выбраны из условия минимума установленной мощности конденсаторных батарей. Преобразовательные блоки выполнены либо по мостовой, либо по нулевой схемам преобразования. 5 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Компенсированная преобразовательная система электроснабжения, состоящая из N 2m-фазных преобразователей переменного напряжения в постоянное и обратно, каждый из которых содержит два m-фазных преобразовательных блока в виде преобразовательного трансформатора с сетевой обмоткой, подключенной к питающей сети, и вентильными обмотками, подключенными к выводам переменного тока выпрямительного устройства, выводы постоянного тока которого подключены к цепи постоянного тока и фильтрокомпенсирующего устройства, содержащего ряд включенных в сеть переменного тока параллельно преобразователю многогармонических фильтров, каждый из которых настроен в резонанс напряжений на одну из гармоник порядка k = S_m ± 1, где S - не равное нулю целое положительное число, отличающаяся тем, что в фильтрокомпенсирующее устройство введено N полигармонических фильтров нечетнократных (S = 1, 3, 5 ...) гармоник, включенных по одному последовательно с каждым преобразователем, причем моногармонические фильтры выполнены только для четнократных (S = 2, 4, 6 ...) гармоник, а их параметры выбраны из условия минимума установленной мощности конденсаторных батарей. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что полигармонические фильтры выполнены в виде трехфазных реакторов, зашунтированных трехфазными конденсаторными батареями, и включены со стороны сетевых обмотков трансформаторов преобразовательных блоков. 3. Система по п.1, отличающаяся тем, что полигармонические фильтры выполнены в виде трехфазных реакторов, зашунтированных трехфазными конденсаторными батареями, и включены со стороны вентильных обмоток трансформаторов преобразовательных блоков. 4. Система по п.1, отличающаяся тем, что полигармонические фильтры выполнены в виде последовательно соединенных трехфазных компенсационных обмоток, расположенных на магнитопроводе трансформаторов преобразовательных блоков, и трехфазных конденсаторных батарей. 5. Система по п.1, отличающаяся тем, что преобразовательные блоки выполнены по нулевой схеме преобразования. 6. Система по п.1, отличающаяся тем, что преобразовательные блоки выполнены по мостовой схеме преобразования.