МНОГОФАЗНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК H02M7/12 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано на преобразовательных подстанциях для электропередач и вставок постоянного тока, электрифицированных железных дорог, электрометаллургической и химической промышленности, где необходимо обеспечить малое содержание высших гармоник в сетевом токе преобразователя на стороне трехфазного напряжения.

Известны многофазные преобразователи, имеющие фазность 24 и выше, с малым содержанием высших гармоник в сетевом токе. К ним относятся 24-фазные преобразователи [1] и [2] и 30-фазный преобразователь [3]. Недостатком многофазного преобразователя [1] является сложность выполнения вентильных обмоток трансформатора, что практически исключает его применение для подстанций большой мощности и высокого напряжения. Недостатком многофазного преобразователя [2] является применение двух добавочных фазоповоротных устройств, включенных между шинами трехфазного напряжения и сетевыми обмотками двух трансформаторов.

Из известных монофазных преобразователей наиболее близким к предлагаемому является многофазный преобразователь [3], содержащий одинаковые преобразователи, включенные на стороне трехфазного напряжения параллельно, а на стороне выпрямленного напряжения последовательно или параллельно через уравнительный реактор. Недостатком этого многофазного преобразователя, принятого за прототип, является нестандартное выполнение вентильных обмоток трансформаторов с числом фаз 6k±1, где k=1,2,...., в частности пятифазных.

Задачей данного изобретения является создание многофазного преобразователя с малым содержанием высших гармоник в сетевом токе, при котором коэффициент искажения его синусоидальности меньше одного процента, из двух одинаковых двенадцатифазных преобразователей, содержащих наиболее простые стандартные трансформаторы с соединением обмоток звездой и треугольником.

Сущность изобретения состоит в том, что в состав многофазного преобразователя входят два одинаковых двенадцатифазных преобразователя 1 и 2 с управляемыми вентилями, преобразователи 1 и 2 включены на стороне трехфазного напряжения параллельно, а на стороне выпрямленного напряжения последовательно или параллельно через уравнительный реактор, к вентильным обмоткам трансформаторов преобразователей 1 и 2 подключены шунтовые конденсаторы, соединенные звездой или треугольником, вентили преобразователя 1 отпираются с углом регулирования α₁ = α - 7,5^o, а вентили преобразователя 2 - с углом регулирования α₂ = α + 7,5^o, где α - угол регулирования, определяющий энергетические характеристики многофазного преобразователя.

Уменьшение высших гармоник в сетевом токе у предлагаемого многофазного преобразователя достигается совместным применением двух технических решений: 1) подключение к вентильным обмоткам шунтовых конденсаторов, 2) отпирание вентилей преобразователей 1 и 2 с углами регулирования, разность которых α₂ - α₁ = 15^o.
Отметим сначала, какую роль в работе преобразователей 1 и 2 играют шунтовые конденсаторы.

Если вентили запираемые, то шунтовые конденсаторы ограничивают перенапряжения, связанные с практически мгновенными коммутациями тока в преобразователе. Кроме того, они частично отфильтровывают высшие гармоники тока.

Если вентили незапираемые, то шунтовые конденсаторы осуществляют практически мгновенные коммутации тока в преобразователе. Кроме того, они выполняют те же функции, что и в случае запираемых вентилей.

Таким образом, преобразователи 1 и 2 с запираемыми и незапираемыми вентилями во всех режимах (при разных углах регулирования и при разных нагрузках) работают с углом коммутации, близким к нулю. Поэтому соответствующие токи у преобразователей 1 и 2 при одинаковой нагрузке, но разных углах регулирования α₁ и α₂ , имеют одинаковую форму и одинаковый гармонический состав; они только сдвинуты по фазе на 15^o. Это относится и к входным токам i₁ и i₂ на стороне трехфазного напряжения преобразователей 1 и 2.

Сетевой ток i многофазного преобразователя равен сумме входных токов i₁ и i₂ преобразователей 1 и 2. Из-за того, что преобразователь 1 работает с углом α₁ = α - 7,5^o , а преобразователь 2 - с углом α₂ = α + 7,5^o , действующее значение первой гармоники сетевого тока
I₍₁₎=(2cos 7,5^o)I₁₍₁₎=1,98I₁₍₁₎, (1)
где
I₁₍₁₎ - действующее значение первой гармоники входного тока у преобразователя 1 (или 2). Такое же соотношение справедливо для высших гармоник, имеющих порядок n = 24 k ± 1 = 23, 25, 47, 49, ... Поэтому эти высшие гармоники в сетевом токе имеют такие же относительные значения I_n/I₍₁₎, как и во входных токах преобразователей 1 и 2. (Уменьшение их во входных токах из-за фильтрующего действия шунтовых конденсаторов показано дальше при рассмотрении конкретного выполнения предлагаемого многофазного преобразователя).

Действующие значения высших гармоник, имеющих порядок
n = (2k - 1) 12 ± 1 = 11, 13, 35, 37,...,
в сетевом токе
I_(n) = (2sin 7,5^o)I_1(n), (2)
где I_1(n) - действующее значение n-й гармоники входного тока у преобразователя 1 (или 2). Исходя из (2) и (1), имеем, что для этих высших гармоник
I_(n)/I₍₁₎ = tg7,5^o(I_1(n)/I₁₍₁₎) = 0,13 (I_1(n)/I₁₍₁₎). (3)
Таким образом, относительные значения этих гармоник уменьшены в сетевом токе многофазного преобразователя в 7,6 раз. Существенно, что такое уменьшение относится к 11-й и 13-й гармоникам, имеющим наибольшую величину во входных токах преобразователей 1 и 2.

Преобразователи 1 и 2 могут быть выполнены по любой схеме двенадцатифазного преобразователя. Приводим ниже описание предлагаемого многофазного преобразователя с конкретным выполнением преобразователей 1 и 2 по схеме двенадцатифазного преобразователя, в состав которого входят два вентильных моста и трансформатор с двумя вентильными обмотками, соединенными звездой и треугольником.

На чертеже приведена схема предлагаемого многофазного преобразователя с одним из возможных конкретных выполнений входящих в его состав двух одинаковых двенадцатифазных преобразователей.

Двенадцатифазный преобразователь 1 содержит два трехфазных моста 3, трехфазный трехобмоточный трансформатор 4, две батареи шунтовых конденсаторов 5 и устройства управления, определяющие угол регулирования вентилей обоих мостов.

Мосты 3 содержат управляемые вентили; они могут быть незапираемые, например тиристорные, или запираемые, например из последовательно соединенных запираемых тиристоров.

Трансформатор 4 имеет сетевую обмотку и две вентильные обмотки. Одна вентильная обмотка соединена треугольником, а другая - звездой. Линейные напряжения и мощности обеих вентильных обмоток одинаковые.

К каждой вентильной обмотке трансформатора 4 подключена батарея шунтовых конденсаторов (БШК) 5, фазы которой могут быть соединены звездой или треугольником. Емкость фазы БШК выбирается такой, чтобы порядок собственной частоты контуров, образованных шунтовыми конденсаторами и вентильной обмоткой, отличался на 1 - 2 порядка от ближайшего порядка высших гармоник у фазного тока моста, а именно от n = 6k ± 1, где k = 1, 2, ... При реальной относительной величине индуктивности сопротивления К3 вентильной обмотки, близкой к 0,1, указанный порядок собственной частоты имеет относительное значение, равное 9. Мощность двух БШК при этом составляет 0,12 - 0,15 номинальной мощности преобразователя 1 [4].

Двенадцатифазный преобразователь 2 такой же, как преобразователь 1.

Преобразователи 1 и 2 на стороне трехфазного напряжения соединены параллельно и подключены к шинам трехфазного напряжения 6. На стороне выпрямленного напряжения преобразователи могут быть соединены последовательно, как это показано на чертеже, или параллельно через уравнительный реактор. (Последний необходим, так как преобразователи 1 и 2 работают с разными углами регулирования).

Устройство управления многофазного преобразователя обеспечивает во всех режимах работу преобразователя 1 с углом регулирования
α₁ = α - 7,5^o ,
и работу преобразователя 2 с углом регулирования
α₂ = α + 7,5^o ,
где
α - угол регулирования, определяющий энергетические характеристики многофазного преобразователя.

Активная и реактивная мощности двенадцатифазных преобразователей 1 и 2 на стороне переменного тока определяется по формулам (10) и (11), приведенным в [4] . Используя эти формулы и учитывая, что преобразователи 1 и 2 работают с углами регулирования α₁ = α - 7,5^o и α₂ = α + 7,5^o, получаем, что активная и реактивная мощности на стороне переменного тока предлагаемого многофазного преобразователя определяются по следующим выражениям:
P = 2cos7,5^oqk₁EI_dcosα (4)
Q = 2cos7,5^oqk₁EI_dsinα - 2y(k₁E)², (5)
где



L = L₂ + 2K21

L₁,
где k₁ = W₂/W₁ - коэффициент трансформации вентильной обмотки, соединенной звездой;
C - емкость фазы БШК в случае соединения фаз БШК звездой;
L₁ - индуктивность К3 сетевой обмотки;
L₂ - индуктивность К3 вентильной обмотки, соединенной звездой;
E - фазное напряжение шин 6;
I_d - постоянная составляющая тока двенадцатифазного преобразователя 1 (или 2) на стороне выпрямленного напряжения.

Если вентили многофазного преобразователя запираемые, то угол может изменяться во всем диапазоне от 0 до 360^o; возможна работа многофазного преобразователя выпрямителем и инвертном как с потреблением, так и с выдачей реактивной мощности, в частности при реактивной мощности, близкой к нулю.

Если вентили многофазного преобразователя незапираемые, то угол α может изменяться от 7,5^o до 172,5^o - δ , где δ - угол, в течение которого к вентилю после его проводимости должно быть приложено отрицательное анодное напряжение. Многофазный преобразователь с незапираемыми вентилями может работать выпрямителем без потребления реактивной мощности, как это видно из выражения (5).

Во входных токах i₁ и i₂ (чертеж) двенадцатифазных преобразователей 1 и 2, кроме первой гармоники I₁₍₁₎, содержатся высшие гармоники I_1(n), порядок которых n = 12k ± 1 = 11, 13, 23, 25, 35, 37, ... Согласно [4] относительные значения высших гармоник входных токов преобразователей 1 и 2

При реальных индуктивностях К3 трансформатора 4 параметр μ имеет значение около 6. При μ = 6 получаем по (6) следующие значения I*1(n)

в процентах для шести высших гармоник входных токов преобразователей 1 и 2:
при n = 11, 13, 23, 25, 35, 37 I*₁₍₁₎ 3,74, 2,02, 0,31, 0,24, 0,084, 0,071 % соответственно.

В фазном токе моста относительные значения высших гармоник равны 1/n (по отношению к первой гармонике). Поэтому относительное значение n-й высшей гармоники во входном токе двенадцатифазного преобразователя 1 (или 2) меньше относительного значения этой же гармоники в фазном токе моста в Р раз, где, как это следует из (6)

При μ = 6 имеет следующие значения Р, показывающие во сколько раз происходит уменьшение относительных значений высших гармоник во входных токах преобразователей 1 и 2:
при n = 11, 13, 23, 25, 35, 37 Р = 2,4, 3,8, 14, 17, 34, 38 соответственно.

Этот эффект - результат фильтрующего действия батарей шунтовых конденсаторов 5.

Переходим к определению высших гармоник в сетевом токе i многофазного преобразователя, находим их значения по отношению к первой гармонике. При этом так же, как выше для входных токов преобразователей 1 и 2, не учитываем первую гармонику холостого хода преобразователя, когда вентили заперты, а токи обусловлены шунтовыми конденсаторами. Это приближение дает незначительное увеличение относительных значений высших гармоник.

На основании выражений (3) и (6) получаем для высших гармоник сетевого тока, имеющих порядок n = (2k - 1) 12 ± 1 = 11, 13, 35, 37, ...

Относительные значения I*n

этих высших гармоник в сетевом токе меньше относительных значений I*1(n) тех же гармоник во входных токах двенадцатифазных преобразователей 1 и 2 в 1/tg 7,5^o = 7,6 раз. Этот эффект - результат отпирания вентилей преобразователей 1 и 2 с углами регулирования, разность которых равна 15^o.

Для высших гармоник сетевого тока, имеющих порядок = 24k ± 1 = 23, 25, 47, 49, . . . , как было выяснено во входных токах преобразователей 1 и 2. Следовательно, для этих гармоник I*(n)

= I*1(n), где I*1(n) определяется по (6).

На основании изложенного по выражениям (8) и (6) получаем при μ = 6 следующие относительные значения I*(n)

в процентах для восьми высших гармоник сетевого тока предлагаемого многофазного преобразователя:
при n = 11, 13, 23, 25, 35, 37, 47, 49 I*_(n) = 0,49, 0,27, 0,31, 0,24, 0,011, 0,009, 0,0345, 0,030 % соответственно.

При таком содержании высших гармоник коэффициент искажения синусоидальности сетевого тока

Для сравнения отметим, что коэффициент K_и, характеризующий относительную величину высших гармоник в сетевом токе, у обычных двенадцатифазных преобразователей равен 10 - 12%, а у двенадцатифазного преобразователя с шунтовыми конденсаторами - 4,3% [4]. Приведенные данные показывают, что задача изобретения выполнена: у предлагаемого многофазного преобразователя сетевой ток имеет малое содержание высших гармоник, при котором коэффициент искажения синусоидальности меньше 1%. Высшие гармоники сетевого тока настолько малы, что не требуется установка фильтров и в результате достигается положительный технико-экономический эффект.

Источники информации
1. Шляпошников Б.М. Игнитронные выпрямители для тяговых подстанций железных дорог. - М.: Гос. транспортное ж/д из-во, 1947, с. 414.

2. Авторское свидетельство СССР N 961074, кл. H 02 M 7/12, 1982.

3. Авторское свидетельство СССР N 1228760, кл. H 02 M 7/12, 1984.

4. Поссе А.В. Результаты анализа 12-фазного самокоммутируемого преобразователя в установившихся режимах. - "Изв. РАН Энергетика", N 2, 1995, с. 43-51.

Преобразователь предназначен для преобразовательных подстанций для электропередач и вставок постоянного тока, электрофицированных железных дорог, электрометаллургической и химической промышленности. Сущность изобретения: у многофазного преобразователя, состоящего из двух одинаковых двенадцатифазных преобразователей 1 и 2 с управляемыми вентилями (запираемыми или незапираемыми), к вентильным обмоткам трансформаторов подключены батареи шунтовых конденсаторов, вентили преобразователей 1 и 2 отпираются с углами регулирования соответственно α₁ = α - 7,5^o и α₂ = α + 7,5^o. Благодаря этим особенностям, сетевой ток многофазного преобразователя имеет малое содержание высших гармоник, при котором его коэффициент искажения синусоидальности меньше одного процента; не требуется установка фильтров на стороне трехфазного напряжения. 1 ил.

Многофазный преобразователь, в состав которого входят два одинаковых двенадцатифазных преобразователя 1 и 2 с управляемыми вентилями, причем преобразователи 1 и 2 включены на стороне трехфазного напряжения параллельно, а на стороне выпрямленного напряжения - последовательно или параллельно через уравнительный реактор, отличающийся тем, что к вентильным обмоткам трансформаторов преобразователей 1 и 2 подключены шунтовые конденсаторы, соединенные звездой или треугольником, вентили преобразователя 1 отпираются с углом регулирования α₁= α-7,5^°, а вентили преобразователя 2 - с углом регулирования α₂= α+7,5^°, где α - угол регулирования, определяющий энергетические характеристики многофазного преобразователя.