СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ТРЕХФАЗНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ Российский патент 2009 года по МПК H02M7/19 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к полупроводниковой технике, и может быть использовано на тяговых трансформаторных подстанциях железных дорог, городского электрического транспорта, для электропередачи постоянного тока в электроэнергетических системах, для питания плазматронов, электролизеров, гальванических установок, в устройствах мягкого пуска электроустановок и для питания других потребителей электрической энергии.

Известны трехфазные шестипульсовые управляемые выпрямители для преобразования электрической энергии трехфазного переменного тока в энергию постоянного тока, собранные по мостовой схеме на тиристорах с изменением выпрямленного напряжения за счет изменения угла регулирования тиристоров. Однако такие выпрямители имеют низкий коэффициент мощности, они загружают питающие сети нелинейным током, имеют высокий коэффициент пульсаций выпрямленного тока [Бурков А.Т. Электронная техника и преобразователи. - М.: Транспорт, 1999. - 464 с.].

Известен двенадцатифазный выпрямитель [Патент РФ №2104610, кл. Н02М 7/155, 1998], содержащий два трансформатора, первичные обмотки которых соединены последовательно. Вторичные обмотки трансформаторов разомкнуты. К каждой фазе вторичных обмоток подключен однофазный мост, содержащий два неуправляемых и два управляемых вентиля. Известны способы регулирования постоянного напряжения выпрямителя [Патент DE №9618402, кл. G05F 1/10,1998; Патент DE №98105418, кл. G05F 1/575, 2000; Патент DE №2214674, кл. Н02М 7/162, Н02Р 7/42, 2003]. Выпрямитель выполнен в виде четырехквадрантного регулирующего органа с управляющим вентилем в каждом вентильном плече с возможностью отвода постоянного напряжения. Способы регулирования постоянного напряжения реализуются формированием управляющего напряжения на управляемые вентили каждого вентильного плеча от регуляторов тока.

Недостатками данных способов регулирования постоянного напряжения и устройств выпрямителей являются низкий коэффициент мощности выпрямителей из-за коммутации всего выпрямленного тока управляемыми вентилями, нелинейные искажения тока в питающей сети переменного тока, большое количество элементов выпрямителя.

Известен двенадцатифазный выпрямитель [Патент РФ №2297707, кл. Н02М 7/155, 2007], содержащий два трансформатора, первичные обмотки которых соединены параллельно, у одного трансформатора по схеме звезда, а у другого по схеме треугольник. Вторичные обмотки трансформаторов разомкнуты. К каждой фазе вторичных обмоток подключен однофазный мост на диодах и шесть выпрямительных ячеек, соединенных по выходу последовательно.

Недостатками выпрямителя являются ступенчатое регулирование выпрямленного напряжения, большое количество элементов выпрямителя и формирование в обмотках трансформатора, соединенных по схеме треугольник, циркулирующего тока третьей гармоники и токов гармоник, кратных трем.

Известен также выпрямитель трехфазного тока (прототип) [Патент РФ №2005121360, кл. Н02М 1/00, 2007]. Выпрямитель состоит из двух параллельно работающих трехфазных трансформаторов, первичные обмотки одного трансформатора соединены по схеме звезда, а другого - по схеме треугольник. Шесть однофазных выпрямительных ячеек на полностью управляемых вентилях включены встречно-параллельно мостовым выпрямительным ячейкам на диодах и через фильтровые реакторы соединены с фазными вторичными обмотками трансформаторов. Параллельно каждому из шести выходов однофазных мостовых выпрямительных ячеек на диодах соединены сглаживающие конденсаторы.

Недостатками выпрямителя и известного способа регулирования напряжения выпрямителя являются низкий коэффициент мощности выпрямителя, нелинейные искажения тока и напряжения в трехфазной сети переменного тока, большое количество элементов выпрямителя и формирование в обмотках трансформатора, соединенных по схеме треугольник, циркулирующего тока третьей гармоники и токов гармоник, кратных трем.

Целью изобретения является повышение коэффициента мощности выпрямителя, повышение электромагнитной совместимости выпрямителя с трехфазными сетями переменного тока и с приемниками электрической энергии постоянного тока, сокращение элементов выпрямителя, снижение стоимости и повышение КПД выпрямителя, расширение функциональных возможностей выпрямителя.

Цель достигается тем, что от источника энергии трехфазного переменного тока нерегулируемая часть электрической энергии поступает через неуправляемые в зоне регулирования трехфазные мостовые выпрямители в сеть постоянного тока. Регулируемая часть электрической энергии поступает в сеть постоянного тока через управляемые в зоне регулирования трехфазные мостовые выпрямители. Трехфазный выпрямитель содержит трехфазный трансформатор с первичными и секционированными вторичными обмотками, соединенными по схеме звезда. Секционированные вторичные обмотки трансформатора соединены между собой последовательно, к отпайкам секционированной обмотки подключены входы трехфазных мостовых выпрямителей, а с выходами трехфазных мостовых выпрямителей соединены накопители энергии большой емкости. Накопители энергии и трехфазные мостовые выпрямители по выходу соединены между собой последовательно. Плюсовые выводы накопителей энергии, подключенные к катодам силовых полупроводниковых приборов выпрямителей, через дополнительные диоды и реактор соединены с плюсовой шиной электрической сети постоянного тока. Минусовой вывод выпрямителя на диодах и первого накопителя энергии соединен с минусовой шиной электрической сети постоянного тока.

Таким образом, заявляемый способ регулирования напряжения и устройство трехфазного выпрямителя соответствуют критерию изобретения «новизна».

Известные способы регулирования и устройство многофазных выпрямителей характеризуются низким коэффициентом мощности, нелинейными искажениями тока в питающей трехфазной сети, большим количеством элементов выпрямителя. Предложенным способом регулирования напряжения и устройством трехфазного выпрямителя коэффициент мощности повышается, а нелинейные искажения тока в питающей сети снижаются за счет выпрямления переменного напряжения, которое с секций вторичных обмоток трансформатора подается на вход трехфазных неуправляемых в зоне регулирования мостовых выпрямителей. Регулируемая составляющая выпрямленного напряжения формируется за счет переменных напряжений других секций вторичных обмоток трансформатора, которые выпрямляются и изменяются по величине трехфазными управляемыми мостовыми выпрямителями в зоне регулирования. Регулируемая составляющая выпрямленного напряжения суммируется с нерегулируемой составляющей и прикладывается к шинам сети постоянного тока. Плавное регулирование выпрямленного напряжения в пределах одной зоны выполняется за счет изменения углов регулирования тиристоров катодной группы трехфазных мостовых выпрямителей с фазовым способом управления. Анодная группа выпрямителей собрана на диодах. При переходе в другую зону регулирования напряжения тиристоры выпрямителя, изменяющего напряжение в предыдущей зоне, работают с нулевым углом регулирования при повышении напряжения, и выпрямитель работает так же, как выпрямитель на диодах, а при снижении выпрямленного напряжения - переводятся в непроводящее состояние. Бесконтактным переключением секций вторичных обмоток трансформатора с помощью трехфазных управляемых выпрямителей изменяется коэффициент трансформации преобразовательного трансформатора и этим обеспечивается изменение нерегулируемой составляющей постоянного напряжения на выходе выпрямителя. Для расширения функциональных возможностей выпрямителя, трехфазный мостовой выпрямитель, соединенный с отпайками первой секции вторичных обмоток выполняется управляемым, обеспечивающим мягкий пуск электроустановок.

Таким образом, заявляемый способ регулирования мощности и устройство трехфазного выпрямителя соответствуют критерию изобретения «существенные отличия».

Изобретение поясняется чертежом.

На чертеже дана принципиальная электрическая схема трехфазного выпрямителя, реализующего предложенный способ регулирования напряжения для одной зоны регулирования, улучшающего коэффициент мощности и электромагнитную совместимость выпрямителя, позволяющий уменьшить количество элементов устройства, повысить КПД выпрямителя и расширить функциональные возможности выпрямителя.

Выводы а, в, с первой секции секционированной последовательно соединенной вторичной обмотки трехфазного трансформатора TV, собранной по схеме звезда, соединены с анодами и катодами диодов трехфазного мостового выпрямителя 1. К выходу выпрямителя 1 подключены накопители электрической энергии 5 (например, ионисторы), напряжение с которых через дополнительный диод 3 и реактор 4 подается в сеть постоянного тока. Выводы a₁, в₁, c₁ второй секции вторичных обмоток соединены с анодами тиристоров и катодами диодов трехфазного управляемого мостового выпрямителя 2, который соединен последовательно с выпрямителем 1. К выходу выпрямителя 2 подключены накопители энергии 6. Для увеличения нерегулируемой составляющей мощности выпрямителя количество трехфазных мостовых выпрямителей можно увеличивать и соединять их последовательно и параллельно с выпрямителем 1. Для расширения диапазона регулирования напряжения, для снижения емкости промежуточных накопителей электрической энергии 6 и коэффициента пульсации выпрямленного тока количество секций вторичной обмотки трансформатора, трехфазных управляемых мостовых выпрямителей, накопителей энергии и дополнительных диодов можно увеличивать и соединять их так, как показано на чертеже.

Принцип регулирования напряжения выпрямителя заключается в том, что с помощью трехфазного напряжения первой секции вторичных обмоток трансформатора, выпрямителя 1, накопителей энергии 5 обеспечивается, например, номинальное напряжение в сети постоянного тока. В случае отклонения напряжения в сети постоянного тока от выбранного уровня напряжения с помощью трехфазного напряжения второй секции вторичных обмоток трансформатора, управляемого выпрямителя 2 и накопителей энергии 6 формируется регулируемая составляющая постоянного напряжения (обычно не превышающая 15% от номинального напряжения в сети постоянного тока), которая суммируется с нерегулируемой составляющей постоянного напряжения выпрямителя. Плавное регулирование напряжения на выходе выпрямителя 2 можно выполнять фазовым способом с подачей постоянного напряжения управления на тиристоры в течение одного полупериода переменного напряжения сети для предотвращения возможного запирания тиристоров. При уменьшении угла регулирования тиристоров выпрямителя 2 до нуля изменяется коэффициент трансформации преобразовательного трансформатора, на вход трехфазных мостовых выпрямителей прикладывается напряжение с двух секций вторичных обмоток, из которого формируется напряжение в сети постоянного тока. Для расширения функциональных возможностей выпрямителя трехфазный мостовой выпрямитель 1 выполняется управляемым и устройством обеспечивается мягкий пуск электроустановок, например электродвигателей.

Предлагаемый способ регулирования напряжения и устройство трехфазного выпрямителя по сравнению с известными техническими решениями имеет следующие преимущества:

1) повышается коэффициент мощности выпрямителя;

2) снижаются нелинейные искажения тока и напряжения в питающей сети во время работы выпрямителя;

3) сокращается количество элементов выпрямителя и его стоимость не менее чем в 2 раза;

4) повышается КПД выпрямителя;

5) расширяются функциональные возможности выпрямителя.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к полупроводниковой технике, и может быть использовано на тяговых трансформаторных подстанциях железных дорог, городского электрического транспорта, для электропередачи постоянного тока в электроэнергетических системах, для питания плазматронов, электролизеров, гальванических установок, в устройствах мягкого пуска электроустановок и для питания других потребителей электрической энергии. Предложенным способом регулирования напряжения и устройством трехфазного выпрямителя коэффициент мощности повышается, а нелинейные искажения тока в питающей сети снижаются за счет преобразования переменного напряжения первой секции вторичных обмоток трехфазного трансформатора, первичные и вторичные обмотки которого соединены по схеме звезда, трехфазным мостовым выпрямителем. Нерегулируемая составляющая выпрямленного напряжения прикладывается к накопителю электрической энергии большой емкости, а через дополнительные диод и реактор - к шинам сети постоянного тока. Для достижения технического результата - расширения функциональных возможностей выпрямителя - трехфазный мостовой выпрямитель, соединенный с первой секцией вторичных обмоток трансформатора, выполняется управляемым. Управляемые трехфазные мостовые выпрямители соединяются по входу с другими отпайками последовательно соединенных секций вторичных обмоток трансформатора, а по выходу - последовательно друг с другом. К выходу каждого выпрямителя подключены накопители энергии большой емкости, которые через дополнительные диоды соединены с выводом реактора. Регулируемая составляющая выпрямленного напряжения суммируется с нерегулируемой составляющей и изменяется за счет угла регулирования тиристоров выпрямителя в зоне регулирования. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ регулирования напряжения трехфазного выпрямителя обеспечивает плавное регулирование выпрямленного напряжения в каждой зоне регулирования за счет изменения угла регулирования тиристоров трехфазных управляемых мостовых выпрямителей в зоне регулирования, отличающийся, тем, что регулируемые составляющие выпрямленного напряжения трехфазных мостовых выпрямителей суммируются с нерегулируемой составляющей выпрямленного напряжения, для этого плавное регулирование выпрямленного напряжения в пределах одной зоны выполняется за счет изменения углов регулирования тиристоров катодной группы управляемых трехфазных мостовых выпрямителей фазовым способом, при переходе в другую зону регулирования напряжения тиристоры выпрямителя, изменяющего напряжение в предыдущей зоне, работают с нулевым углом регулирования при повышении напряжения, а при снижении напряжения переводятся в непроводящее состояние.

2. Устройство трехфазного выпрямителя состоит из трехфазного преобразовательного трансформатора, первичные и вторичные обмотки которого соединены по схеме звезда, причем вторичные обмотки выполнены секционированными с последовательным соединением секций и трехфазных мостовых выпрямителей, отличающееся, тем, что к отпайкам первой секции вторичных обмоток присоединен трехфазный мостовой выпрямитель на диодах, а к отпайкам других секций вторичных обмоток - трехфазные управляемые мостовые выпрямители, трехфазные мостовые выпрямители по выходу соединены последовательно, параллельно каждым выходам выпрямителей подключены накопители энергии большой емкости, катоды силовых полупроводниковых приборов выпрямителей и плюсовые выводы накопителей энергии через дополнительные диоды и реактор соединены с плюсовой шиной сети постоянного тока, а аноды выпрямителя на диодах и минусовой вывод первого накопителя энергии соединены с минусовой шиной сети постоянного тока.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что для расширения функциональных возможностей выпрямителя трехфазный мостовой выпрямитель, соединенный с первой секцией вторичных обмоток трансформатора, выполняется на управляемых полупроводниковых приборах.