ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2003 года по МПК H02J3/02 B60M3/00 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано на высоковольтных подстанциях переменного тока, преобразующих напряжение трехфазного переменного тока в напряжение однофазного переменного тока промышленной частоты для последующего использования в тяговом электроснабжении железных дорог переменного тока.

Известно устройство (см. статью в "Elek. Bahnen." - 1999. - 97, 11, с. 353-362 "Bahnstromumrichter Karlsfeld", авторы: V. Fister и др. - "Электропреобразовательная станция Карлсфельд железных дорог Германии"), в котором предложено использовать статические преобразователи с выходной частотой 16 2/3 Гц. Преобразовательная станция питается от трехфазной сети с напряжением 110 кВ 50 Гц, которое понижается двумя многообмоточными трансформаторами и далее преобразуется в постоянное напряжение выпрямителями, каждый из которых подключен к одной из вторичных обмоток своего трансформатора. На выходах выпрямителей установлены сглаживающие реакторы и фильтры высших гармоник. К шинам звена постоянного тока подключены однофазные автономные инверторы, которые при помощи многообмоточного выходного трансформатора, вторичные обмотки которого соединены последовательно, формируют однофазное синусоидальное напряжение частотой 16 2/3 Гц. В составе трансформатора предусмотрен контрольный фильтр на частоту 16 2/3 Гц. С выхода однофазного многообмоточного трансформатора напряжение подается в линию электропередачи 110 кВ 16 2/3 Гц, от которой питаются трансформаторные подстанции, а последние, в свою очередь, питают тяговую сеть 15 кВ 162/3 Гц.

Рассмотренное устройство позволяет обеспечить резервирование одного выпрямительного блока другим за счет их параллельного подключения к звену постоянного тока и получить выпрямленное напряжение с приемлемыми для нужд потребителей параметрами (коэффициент волнистости и коэффициент пульсаций).

Однако коэффициент полезного действия такого преобразователя недостаточно высок, так как в звене постоянного присутствует спектр гармонического состава выпрямленного напряжения U_d, кратный числу пульсаций q=6, что для современных схемных решений не является величиной удовлетворительной.

Известно другое, более близкое к заявляемому преобразовательное устройство (см. статью в "Elek. Bahnen." - 1997. - 95, 1-2, с.21-26, "Vollstatischer 100-MW-Frequenz-umrichter fur die Bahnstromversorgung der Deutschen Bahn in Bremen", авторы: U.-B. Vogel и др. - "Полупроводниковый преобразователь 100 МВт для электроснабжения Германских железных дорог"). Статический преобразователь питается эл. энергией из энергосистемы переменного трехфазного тока частотой 50 Гц. В состав преобразователя входит понижающий многообмоточный трансформатор, от вторичных обмоток которого получает питание тиристорный выпрямитель с общим блоком искусственной коммутации и с выходными сглаживающими реакторами. Выпрямитель питает промежуточный контур постоянного тока с фильтрами высших гармоник. От шин звена постоянного тока питаются однофазные инверторы, нагруженные на выходные однофазные трансформаторы, вторичные обмотки которых соединены последовательно. В этих обмотках формируется ступенчатое напряжение частотой 16 2/3 Гц, форма которого приближена к синусоиде.

Такой преобразователь осуществляет преобразование энергии из сети трехфазного тока 50 Гц в энергию однофазного переменного тока 16 2/3 Гц при кпд 96%. При этом последовательное включение двух выпрямительных блоков образует выходное напряжение U_d с гармониками, кратными числу пульсаций q=12, что уменьшает спектр гармонических составляющих по сравнению с аналогом. Наличие 12-ти инверторов напряжения, подключенных к нагрузке последовательно через однофазные трансформаторы, позволяет сформировать напряжение U_н, подаваемое в шины однофазного тока, ступенчатой формы, более приближенной к синусоиде за счет увеличения числа ступеней выходного напряжения.

Подобный преобразователь полностью исключает несимметрию напряжения и тока в питающей сети и на стороне трех фаз районных потребителей. В основу его построения положен принцип разделения однофазной тяговой нагрузки и питающей трехфазной сети через звено постоянного тока.

Однако такая схема преобразователя усложняет систему управления инверторов, так как усложняется алгоритм работы тиристоров, частота переключения которых в 3 раза меньше частоты питающей сети, и требует дополнительно введения в систему управления генератора тактовых импульсов с частотой 16 2/3 Гц.

Кроме того, такая схема не позволяет регулировать мощность преобразователя из-за отсутствия возможности резервирования элементов в схеме преобразователя.

Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в повышении коэффициента полезного действия преобразователя путем усовершенствования параметров звена постоянного тока.

Указанная задача достигается тем, что преобразовательное устройство содержит один выпрямительно-инверторный агрегат, который включает в себя трехфазный многообмоточный трансформатор, первичная обмотка которого соединена в звезду и подключена к шинам питающей сети. Кроме того, устройство включает в себя блок из двух последовательно соединенных выпрямителей, подключенных каждый входами к одной из вторичных обмоток трансформатора, соединенных одна в звезду, другая в треугольник. Кроме того, устройство содержит звено постоянного тока, включающее в себя сглаживающий реактор и фильтр высших гармоник. К шинам звена постоянного тока подключен инверторный блок, включающий в себя однофазные автономные инверторы напряжения, к которым первичными обмотками подключены однофазные трансформаторы, вторичные обмотки которых соединены в последовательную цепь, подключенную к шинам нагрузки.

Дополнительно в него введен второй выпрямительно-инверторный агрегат, подключенный к шинам питающей сети параллельно с первым агрегатом. Во втором агрегате первичная обмотка трехфазного многообмоточного трансформатора соединена в зигзаг с нулевым выводом. Инверторный блок, звено постоянного тока и однофазные трансформаторы в каждом агрегате разделены на две секции так, что каждая секция инверторного блока содержит три параллельно соединенных инвертора и подключена к шинам одноименной секции звена постоянного тока. Фильтры высших гармоник обеих секций звена постоянного тока соединены последовательно и общей точкой соединены с общей точкой выпрямителей. Секция вторичных обмоток однофазных трансформаторов включает в себя три указанные обмотки. Последовательные цепи фильтров высших гармоник обоих агрегатов соединены в одну последовательную цепь, и их общая точка через общий сглаживающий реактор соединена с общей точкой, образованной последовательно соединенными выпрямительными блоками обоих агрегатов. Выходной зажим одного из выпрямителей в каждом агрегате, свободный от связи с соседним выпрямителем, подключен к сглаживающему реактору одноименной с ним секции звена постоянного тока. Кроме того, первичная обмотка трехфазного трансформатора первого агрегата выполнена с нулевым выводом.

Новым в предлагаемом устройстве является то, что дополнительно в него введен второй выпрямительно-инверторный агрегат, подключенный параллельно с первым агрегатом к шинам питающей сети. При этом первичная обмотка трехфазного многообмоточного трансформатора вновь введенного агрегата соединена в зигзаг с нулевым выводом.

Кроме того, новым является то, что инверторный блок, звено постоянного тока и однофазные трансформаторы в каждом агрегате разделены на две секции так, что каждая секция инверторного блока содержит три параллельно соединенных инвертора и подключена к шинам одноименной секции звена постоянного тока. Фильтры высших гармоник обеих секций звена постоянного тока соединены последовательно и общей точкой соединены с общей точкой выпрямителей. Секция вторичных обмоток однофазных трансформаторов включает в себя три указанные обмотки. Последовательные цепи фильтров высших гармоник обоих агрегатов соединены в одну последовательную цепь, и их общая точка через общий сглаживающий реактор соединена с общей точкой, образованной последовательно соединенными выпрямительными блоками обоих агрегатов. Выходной зажим одного из выпрямителей в каждом агрегате, свободный от связей с соседним выпрямителем, подключен к сглаживающему реактору одноименной с ним секции звена постоянного тока. Кроме того, первичная обмотка трехфазного трансформатора первого агрегата выполнена с нулевым выводом.

Сказанное позволяет формировать напряжение на выходе каждой секции каждого агрегата с числом пульсаций, равным 6. Последовательное соединение выпрямителей обоих агрегатов позволяет увеличить число пульсаций в кривой выходного напряжения до 24, что позволяет увеличить не только величину постоянной составляющей выпрямленного напряжения U_d, но и уменьшить его переменную составляющую U_dм. Кроме того, секционное соединение отдельных узлов схемы позволяет резервировать мощность питающей сети, варьируя рабочее состояние отдельных секций преобразовательного устройства, а именно: включая в работу либо все четыре секции обоих агрегатов, либо три, две, одну.

Сказанное позволяет сделать вывод о том, что заявляемое техническое решение соответствует критериям новизны и изобретательского уровня и что существует причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков и достигаемым техническим результатом.

На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого устройства.

На фиг. 2 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого устройства.

На фиг.3 приведены диаграммы напряжений и токов, формируемых в преобразователе.

Преобразовательное устройство (фиг.1) содержит выпрямительно-инверторные агрегаты 1 и 2, подключенные к шинам 3 питающей сети. Каждый из них содержит трехфазный многообмоточный трансформатор, соответственно, 4, 5, выпрямительный блок 6, 7, звено постоянного тока 8, 9, инверторный блок 10, 11, блок 12, 13 однофазных трансформаторов, подключенных к шинам 14 нагрузки. Первичная обмотка 15 трансформатора 4 (фиг.2) соединена звездой с выведенным нулем, а первичная обмотка 16 трансформатора 5 - зигзагом с выведенным нулем. Вторичные обмотки 17, 18 и 19, 20 обоих трансформаторов 4 и 5 выполнены одна 17, 19 звездой, а другая 18, 20 - треугольником. Выпрямительные блоки 6, 7 содержат каждый два последовательно соединенные выпрямителя, соответственно, 21, 22 и 23, 24. Каждое звено 8, 9 (фиг.1 и 2) постоянного тока включает в себя секции соответственно 25, 26 и 27, 28, содержащие сглаживающие реакторы 29, 30, 31 и фильтры 32, 33, 34, 35 высших гармоник. Инверторные блоки 10, 11 обоих агрегатов 1, 2 разделены каждый на две секции, соответственно, 36, 37 и 38, 39. Каждая секция инверторного блока 10, 11 включает в себя три параллельно соединенных инвертора, соответственно, 40, 41, 42; 43, 44, 45 и 46, 47, 48; 49, 50, 51, и подключена к своей секции, соответственно, 25, 26 и 27, 28 звена постоянного тока. Каждый блок 12, 13 однофазных трансформаторов (фиг. 1), подключенных первичными обмотками к однофазным инверторам напряжения, разделен на секции 52, 53 и 54, 55 (фиг.2), включающие в себя каждая три трансформатора, соответственно, 56, 57, 58; 59, 60, 61 и 62, 63, 64; 65, 66, 67. Вторичные обмотки указанных трансформаторов соединены в своем блоке, соответственно, 52, 53 и 54, 55 последовательно и подключены к шинам 14 нагрузки. Фильтры 32, 33 и 34, 35 в своей паре секций 25, 26 и 27, 28 звена постоянного тока соединены последовательно и общей точкой соединены с общей точкой 68 или 69 выпрямителей 21, 22 и 23, 24. Выпрямительные блоки 6 и 7 обоих агрегатов 1 и 2 соединены последовательно и общей точкой 70 через общий для секций 26 и 27 звена постоянного тока сглаживающий реактор 30 соединены с общей точкой 71 фильтров 33 и 34 этих же секций 26 и 27. Выпрямители 21 и 24 своими выходами, соответственно, точки 72 и 73, свободными от связей с соседними выпрямителями, соединены со сглаживающими реакторами, соответственно, 29 и 31.

Устройство работает следующим образом.

Трехфазное напряжение 110 кВ промышленной частоты 50 Гц с шин 3 питающей сети подается через понижающие трансформаторы 4 и 5 (фиг.2) на выпрямительные блоки б и 7. На выходе каждого выпрямителя 21, 22 и 23, 24 формируется выпрямленное напряжение, среднее значение которого U_ср=6 кВ. По своему гармоническому составу U_d каждой секции содержит гармоники, кратные 6. При работе четырех выпрямителей 21, 22, 23, 24 на выходе всех блоков выпрямителей формируется напряжение U_d с числом пульсаций напряжения за период, равным 24, так как первичные обмотки 15, 16 трансформаторов 4, 5, соединенные в звезду и зигзаг, образуют сдвиг фаз фазных напряжений трансформаторов на 15 град. эл., а среднее значение суммарного выпрямленного напряжения U_d= 24 кВ. По своему гармоническому составу выходное напряжение U_d имеет гармоники, кратные 24.

Выпрямленное напряжение U_d после сглаживающих реакторов 29, 30 и 31, принимая более прямоугольную форму, попадает на входы блоков инверторов 36, 37, 38, 39. На отдельный инверторный блок поступает напряжение прямоугольной формы U_cp=6 кВ. Управление автономным инвертором напряжения 40-51 осуществляют таким образом, что интервал проводящего состояния тиристоров инвертора Q_п= 120 град. эл. Кроме того, момент открытия каждого последующего инвертора в своем инверторном блоке сдвинут на угол α=30 град. эл. относительно предыдущего. На вторичной стороне трех последовательно соединенных трансформаторов 56-58, 59-61, 62-64, 65-67 формируется напряжение ступенчатой формы U_н(14), близкое к синусоиде (фиг.3). Тиристоры инверторов, расположенных идентично в разных инверторных блоках, управляются синхронно и синфазно, а именно: в инверторах 40, 43, 46, 49 α=0, в инверторах 41, 44, 47, 50 α=30 град. эл. , в инверторах 42, 45, 48, 51 α=60 град. эл. Цифровые обозначения на диаграммах фиг.3 соответствуют обозначениям элементов схемы на фиг.2.

Нагрузка на выходе выпрямительно-инверторного преобразователя имеет активно-индуктивный характер. Вследствие этого первая гармоника тока нагрузки i_H(1) сдвинута относительно первой гармоники напряжения нагрузки на угол ϕ₍₁₎.
Ток в звене постоянного тока формируется путем последовательного поляризованного подключения полуволны синусоиды тока нагрузки к шинам звена постоянного тока и поэтому имеет ступенчатую форму. Для выделения постоянной составляющей тока I_d и ограничения спектра высших гармонических составляющих на входах инверторных блоков установлены фильтры 32-35, настроенные на частоту высших гармоник, кратных 100 Гц.

На каждом интервале времени ток i_d проходит через четыре плеча в схеме выпрямления 12-пульсового выпрямительного блока 6. При этом последовательность переключения плеч выпрямления сохраняется такой же, как в обычной мостовой шестипульсовой схеме с соответствующей группой соединения обмоток трансформатора. Такой алгоритм работы плеч обеспечивает равномерную пофазную загрузку питающей сети.

Для второго 12-пульсового выпрямительного блока 7, подключенного к трансформатору 16, ток питающей сети формируется аналогично первому, но со сдвигом 15 град. эл.

Ток питающей сети формируется как сумма токов обоих выпрямительных блоков 6, 7 и принимает ступенчатую форму, незначительно отличающуюся от синусоидальной.

Улучшение формы тока способствует повышению коэффициента мощности, снижению потерь от высших гармонических составляющих в питающей сети и первичных обмотках трехфазных трансформаторов. Кроме этого, обеспечивается симметричная загрузка фаз энергосистемы.

Таким образом, осуществляется преобразование трехфазного входного напряжения промышленной частоты в однофазное напряжение той же частоты, которое затем понижается до величины, требуемой для питания электроподвижного состава переменного тока.

Наличие второго выпрямительно-инверторного агрегата позволяет регулировать потребление энергии и переходить к режиму пониженного ее потребления. Становится возможным гибкое регулирование мощности в режимах слабой загрузки: 0,25 S_н, 0,5 S_н, 0,75 S_н. При этом некоторое снижение качества выходного напряжения, появляющееся при переходе с полной схемы преобразовательного устройства на секционную, компенсируется снижением величины потребляемой нагрузкой мощности.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано на высоковольтных подстанциях переменного тока для преобразования трехфазного переменного тока в однофазный. Техническим результатом является увеличение коэффициента полезного действия путем усовершенствования параметров звена постоянного тока. Устройство содержит два выпрямительно-инверторных агрегата, включающих каждый многообмоточный трехфазный трансформатор, подключенный к шинам питающей сети, блок из двух последовательно соединенных выпрямителей, инверторный блок, звено постоянного тока и блок однофазных трансформаторов. Последние три блока элементов разделены на секции так, что каждый инверторный блок содержит три параллельно соединенных однофазных инвертора напряжения. К выходам каждого инвертора подключен первичной обмоткой однофазный трансформатор. Вторичные обмотки трех однофазных трансформаторов в каждой секции соединены последовательно и подключены к шинам нагрузки. Входы каждого инверторного блока подключены к шинам соответствующей секции звена постоянного тока. Выпрямленные блоки обоих выпрямительно-инверторных агрегатов соединены последовательно. Кроме того, последовательные цепи, образованные фильтрами высших гармоник двух секций в каждом агрегате, объединены в общую последовательную цепь и общей точкой через общий сглаживающий реактор соединены с общей точкой последовательно соединенных выпрямительных блоков. Выходной зажим одного из выпрямителей в каждом агрегате, свободный от связи с соседним выпрямителем, подключен к сглаживающему реактору одноименной с ним секции звена постоянного тока. 3 ил.

Преобразовательное устройство, содержащее один выпрямительно-инверторный агрегат, включающий трехфазный многообмоточный трансформатор, первичная обмотка которого соединена в звезду и подключена к шинам питающей сети, блок двух последовательно соединенных выпрямителей, подключенных каждый входами к одной из вторичных обмоток трансформатора, соединенных одна в звезду, другая в треугольник, выходами блок выпрямителей подключен к звену постоянного тока, включающему сглаживающий реактор и фильтр высших гармоник, к шинам которого подключен инверторный блок, включающий в себя однофазные автономные инверторы напряжения, к которым первичными обмотками подключены однофазные трансформаторы, вторичные обмотки которых соединены в последовательную цепь, подключенную к шинам нагрузки, отличающееся тем, что в него дополнительно введен второй выпрямительно-инверторный агрегат, подключенный параллельно с первым агрегатом к шинам питающей сети, в котором первичная обмотка трехфазного многообмоточного трансформатора соединена в зигзаг с нулевым выводом, инверторный блок, звено постоянного тока и однофазные трансформаторы в каждом агрегате разделены на две секции так, что каждая секция инверторного блока содержит три параллельно соединенных инвертора и подключена к шинам одноименной секции звена постоянного тока, фильтры высших гармоник обеих секций звена постоянного тока соединены последовательно и общей точкой соединены с общей точкой выпрямителей, последовательная цепь вторичных обмоток однофазных трансформаторов включает в себя указанные обмотки трех трансформаторов, а последовательные цепи фильтров высших гармоник обоих агрегатов соединены в одну последовательную цепь и их общая точка через общий сглаживающий реактор соединена с общей точкой, образованной последовательно соединенными блоками выпрямителей обоих агрегатов, при этом выходной зажим одного из выпрямителей в каждом агрегате, свободный от связи с соседним выпрямителем, подключен к сглаживающему реактору одноименной с ним секции звена постоянного тока, кроме того, первичная обмотка трехфазного трансформатора первого агрегата выполнена с нулевым выводом.