СИЛОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, СОДЕРЖАЩИЙ КОНСТРУКЦИЮ ИЗ НЕ ВЫРОВНЕННЫХ ПО ЛИНИИ ПЛЕЧ Российский патент 2018 года по МПК H02M7/08 

Область техники

Настоящее изобретение относится к области силовых преобразователей и, в частности, к конструкции силовых выпрямителей в области электролиза, в частности, электролизного производства алюминия.

В частности, изобретение относится к силовому преобразователю, содержащему не выровненные по линии плечи, и к силовой цепи преобразования, содержащей такой силовой преобразователь.

Уровень техники

В области силовой электроники силовые преобразователи для электролиза, как правило, являются выпрямителями, напрямую обеспечивающими преобразование источника переменного тока в источник постоянного тока.

Такие выпрямители могут иметь большую мощность порядка ста мегавольт-ампер (МВА) и могут выдавать электрические токи, например, до 100 кА. Эти выпрямители могут быть выполнены на диодах и называются неуправляемыми выпрямителями или могут быть выполнены на тиристорах и называются в этом случае управляемыми выпрямителями.

Эти выпрямители могут, в частности, обеспечивать производство алюминия при помощи процесса электролитического восстановления и даже производство таких цветных металлов как цинк, медь или хлор. Эти выпрямители можно также применять для питания других устройств, отличных от электролизеров, в частности, в рамках других энергоемких процессов, например, для электродуговых печей или генераторов плазмы.

На фиг. 1 представлена упрощенная электрическая схема цепи 10 преобразования, которая классически входит в состав заводской электролизной установки для обеспечения питания электролизеров электрическим током. Питание электрическим током обеспечивается описанными ниже несколькими параллельно установленными устройствами питания, обычно называемыми «группами».

Цепь 10 выпрямления получает электрический ток из высоковольтной трехфазной электрической сети R переменного тока. Начиная от трехфазной сети R переменного тока, цепь 10 выпрямления содержит первую группу 1, в которую входит регулирующий трехфазный трансформатор (известный под сокращением OLTC от "on line tap changer"), позволяющий регулировать напряжение сети по промежуточному напряжению, вторую группу 2, в которую входит выпрямляющий трехфазный трансформатор, позволяющий регулировать промежуточное напряжение по соответствующему напряжению без нагрузки, зависящему от значения напряжения нагрузки, и выдавать токи большой силы, необходимые для процесса электролиза, третью группу 3, в которую входит выпрямитель на диодах или на тиристорах, выдающий на нагрузку электрический ток и выпрямленное напряжение, и четвертую группу 4, которая содержит набор силовых перемычек, обеспечивающий параллельное соединение различных групп и питание постоянным током электролизной установки или ряда электролизеров, или любого другого соответствующего устройства.

На фиг. 2 представлена упрощенная электрическая схема типа моста Греца, где показано устройство двенадцатифазного выпрямителя третьей группы 3, с которым соединен выпрямляющий трансформатор второй группы 2. Как видно на этой фиг. 2, три фазы U_Δ V_Δ, W_Δ первой вторичной обмотки питают выпрямляющий мост с положительной полярностью Р+ с шестью группами (или плечами), оснащенными предохранителями и полупроводниками, и три фазы U_Y, V_Y, W_Y второй вторичной обмотки выпрямляющего трансформатора питают выпрямляющий мост с отрицательной полярностью Р- с шестью группами (или плечами), оснащенными предохранителями и полупроводниками выпрямителя, при этом оба выпрямляющих моста Р+ и Р- установлены параллельно. Каждый выпрямляющий мост является мостом Греца. Кроме того, каждое из шести плеч U_Δ⁺, V_Δ⁺, W_Δ⁺, U_Y⁺, V_Y⁺, W_Y⁺ выпрямляющего моста положительной полярности Р+ и шести плеч U_Δ^-, V_Δ^-, W_Δ^-, U_Y^-, V_Y^-, W_Y^- выпрямляющего моста отрицательной полярности Р- содержит параллельно соединенные n диодов или тиристоров, позволяющие получать необходимый калиброванный ток для выпрямителя (зона А на фиг. 2). Как видно на этой зоне А, каждый диод 5 (или тиристор) из n диодов (или тиристоров) установлен последовательно с предохранителем 6, что позволяет устранять возможный дефект и обеспечивает непрерывную работу в случае выхода из строя одного диода или тиристора.

Работа выпрямителя в режиме большой мощности связана с большими ограничениями с точки зрения сбалансированности по току плеч выпрямляющих мостов. Действительно, чтобы обеспечивать работу при повышении значения выпрямленного напряжения, обычно достигающего значений порядка 2200 В, необходимо увеличить число параллельно установленных n компонентов (диодов или тиристоров и предохранителей). Например, для выпрямителя типа 2200 В/100 кА необходимо предусмотреть от 18 до 20 параллельно установленных компонентов на каждое плечо, причем это число зависит от типа компонента и от условий работы. Параллельная установка большого числа компонентов приводит к проблемам сбалансированности по току между компонентами плеча. Поскольку размерность и, следовательно, число и габариты всех компонентов выпрямителя определяют по отношению к наиболее разбалансированному по току компоненту в плече, необходимо минимизировать его дисбаланс по току.

Сущность изобретения

Задачей изобретения является по меньшей мере частичное устранение вышеупомянутых недостатков известных технических решений.

В частности, изобретение обеспечивает устранение или по крайней мере минимизирование разбалансированности по току между компонентами силового преобразователя за счет использования конструкции плеч, не расположенных в линию в одной плоскости.

В связи с этим объектом изобретения является силовой преобразователь, в частности, выпрямитель, содержащий:

- положительный преобразующий мост, предназначенный для соединения с фазами первой вторичной обмотки и с фазами второй вторичной обмотки трансформатора,

- отрицательный преобразующий мост, предназначенный для соединения с фазами первой вторичной обмотки и с фазами второй вторичной обмотки трансформатора,

при этом положительный преобразующий мост и отрицательный преобразующий мост являются мостами Греца и установлены параллельно,

при этом каждый преобразующий мост содержит первый ряд плеч компонентов, соединенных с фазами первой вторичной обмотки трансформатора, и второй ряд плеч компонентов, соединенных с фазами второй вторичной обмотки трансформатора,

отличающийся тем, что по меньшей мере один ряд плеч компонентов содержит плечи, расположенные относительно друг друга таким образом, что не совмещены в одной плоскости.

Благодаря изобретению, можно уменьшить разбалансированность по току между компонентами одного плеча силового преобразователя. Поскольку размерность частично определяют относительно наиболее разбалансированного по тока компонента в плече, изобретение позволяет существенно улучшить размерность силовых преобразователей и, в частности, силовых выпрямителей. Кроме того, за счет выполнения не совмещенной конструкции плеч по меньшей мере одного ряда плеч компонентов можно уменьшить межосевое расстояние между плечами и получить более компактную конструкцию. Изобретение позволяет получить выигрыш с точки зрения габарита и транспортировки.

Силовой преобразователь в соответствии с изобретением может также иметь один или несколько следующих отличительных признаков, рассматриваемых отдельно или в любых технически возможных комбинациях.

Силовой преобразователь может быть силовым выпрямителем для электролиза, в частности, электролиза алюминия.

Преобразователь может быть двенадцатифазным. Каждый преобразующий мост может содержать шесть плеч полупроводниковых и предохранительных компонентов. В частности, каждый преобразующий мост может содержать первый ряд из трех плеч, соединенных с фазами первой вторичной обмотки трансформатора, и второй ряд из трех плеч, соединенных с фазами второй вторичной обмотки трансформатора.

Плечи указанного по меньшей мере одного ряда плеч компонентов могут образовать, если их рассматривать в поперечном разрезе, вершины многоугольника. Например, если указанный по меньшей мере один ряд плеч компонентов содержит три плеча, три плеча могут образовать три вершины многоугольника.

По меньшей мере первая часть плеч указанного по меньшей мере одного ряда плеч компонентов может содержать плечи, совмещенные в первой плоскости, и по меньшей мере вторая часть плеч указанного по меньшей мере одного ряда плеч компонентов может содержать плечи, совмещенные во второй плоскости, при этом первая и вторая плоскости являются секущими.

Максимальное значение дисбаланса по току в данном плече положительного преобразующего моста и/или отрицательного преобразующего моста может быть меньше или равно 15%, предпочтительно 11% или по крайней мере можно быть уменьшено на 5% по сравнению с известными решениями, причем этом максимальное значение (dI_max) определяют по следующей формуле:

Каждое плечо положительного преобразующего моста и/или отрицательного преобразующего моста может быть образовано несколькими параллельно установленными диодами и/или тиристорами. Каждый диод или тиристор может быть установлен последовательно с предохранителем. Таким образом, каждое плечо положительного преобразующего моста и/или отрицательного преобразующего моста может содержать n предохранителей, связанных с n установленными параллельно диодами или тиристорами.

Расстояние, разделяющее два последовательных плеча указанного по меньшей мере одного ряда плеч компонентов, может превышать расстояние, которое разделяло бы эти два последовательных плеча в любой конфигурации, в которой плечи указанного по меньшей мере одного ряда плеч компонентов были бы расположены относительно друг друга таким образом, чтобы быть совмещенными в одной плоскости.

Расстояние, которое отделяет первое плечо от третьего плеча указанного по меньшей мере одного ряда плеч компонентов, при этом первое и третье плечи находятся с двух сторон от второго плеча, при этом первое и второе плечи, с одной стороны, и второе и третье плечи, с другой стороны, являются смежными, может быть меньше расстояния, которое разделяло бы эти первое и третье плечи в любой конфигурации, в которой первое, второе и третье плечи указанного по меньшей мере одного ряда плеч компонентов были бы расположены относительно друг друга таким образом, чтобы быть совмещенными в одной плоскости.

Объектом изобретения является также силовая цепь преобразования, в частности, для заводской электролизной установки, отличающаяся тем, что содержит:

- трансформатор, содержащий первую вторичную обмотку и вторую вторичную обмотку,

- описанный выше силовой преобразователь.

Трансформатор может быть выпрямляющим трансформатором, и силовой преобразователь может быть силовым выпрямителем, в частности, для электролиза.

Цепь преобразования в соответствии с изобретением может иметь любой из вышеупомянутых признаков, рассматриваемых отдельно или в любых технически возможных комбинациях с другими признаками.

Краткое описание чертежей

Изобретение будет более очевидно из нижеследующего подробного описания не ограничительных примеров его выполнения со ссылками на схематичные частичные чертежи, на которых:

Фиг. 1 - пример цепи выпрямления заводской электролизной установки.

Фиг. 2 - более детальный вид выпрямляющего трансформатора и выпрямителя цепи выпрямления, показанной на фиг. 1.

Фиг. 3 - вид в перспективе известной конструкции плеч силового выпрямителя.

Фиг. 4 - вид сверху или в поперечном разрезе конструкции плеч выпрямителя, показанного на фиг. 3.

Фиг. 5 - вид в перспективе заявленной конструкции плеч силового выпрямителя.

Фиг. 6 - вид сверху или в поперечном разрезе конструкции плеч выпрямителя, показанного на фиг. 5.

На всех фигурах идентичные или аналогичные элементы имеют одинаковые обозначения.

Вариант осуществления изобретения

В дальнейшем тексте описания силовой преобразователь 3 является силовым выпрямителем для электролиза алюминия. Выпрямитель 3 может быть аналогичным выпрямителю, представленному на описанной выше электрической схеме на фиг. 2.

В частности, выпрямитель 3 является двенадцатифазным и содержит выпрямляющий мост с положительной полярностью Р+ и выпрямляющий мост с отрицательной полярностью Р-, каждый из которых содержит шесть плеч полупроводниковых компонентов.

Положительный Р+ и отрицательный Р- преобразующие мосты можно уподобить одному преобразующему мосту, предназначенному для соединения с фазами первой вторичной обмотки (U_Δ, V_Δ, W_Δ), причем этот преобразующий мост содержит три плеча, соединенные с положительной полярностью (U_Δ⁺, V_Δ⁺, W_Δ⁺) и три других плеча, соединенные с отрицательной полярностью (U_Δ^-, V_Δ^-, W_Δ^-).

На фиг. 3-6 показано расположение трех плеч B1, В2, В3 первого ряда U_Δ⁺, V_Δ⁺, W_Δ⁺ выпрямляющего моста, отмеченное в виде зоны С на фиг. 2.

Разумеется, все вышеупомянутые варианты выбора не являются ограничительными. В частности, пространственная конфигурация (или конструкция) трех плеч B1, В2, В3, соединенных с U_Δ⁺, V_Δ⁺, W_Δ⁺, может быть другой. Кроме того, три плеча, соединенные с U_Y⁺, V_Y⁺, W_Y⁺, три плеча, соединенные с U_Δ^-, V_Δ^-, W_Δ^-, и/или три плеча, соединенные с U_Y^-, V_Y^-, W_Y^-, тоже могут иметь не совмещенное расположение, аналогичное или нет описанному для трех плеч B1, В2, В3.

На фиг. 3 и 4 показана известная классическая конструкция трех плеч B1, В2, В3 (зона С на фиг. 2).

Каждое плечо B1, В2, В3 содержит n компонентов, установленных параллельно и соединенных на входе с тремя переменными фазами U_Δ, V_Δ, W_Δ выпрямляющего трансформатора 2 и на выходе с положительной полярностью выпрямителя.

Как показано в перспективе на фиг. 3 и в поперечном разрезе на фиг. 4, три плеча B1, В2, В3 расположены в линию в одной плоскости.

Испытания, проведенные с этой конструкцией, в которой три плеча B1, В2, В3 совмещены, при постоянном токе порядка 20 кА, позволили определить максимальный дисбаланс dI_max по току в плече порядка 16%.

Максимальный дисбаланс dI_max по току в плече вычисляют по следующей формуле:

Максимальный дисбаланс dI_max порядка 16% значит, что по меньшей мере через один компонент проходит 16% тока сверх среднего значения тока в плече, к которому он принадлежит. В частности, этот компонент, имеющий наибольшую разбалансированность по току, находится на центральном плече В2.

Такое известное решение с совмещенными плечами не является вполне удовлетворительным, так как требует приведения в соответствие размерности всех компонентов выпрямителя, то есть, например, 240 компонентов для выпрямителя, имеющего по 20 компонентов на каждое плечо, по отношению к компоненту, который является наиболее разбалансированным по току, то есть к компоненту, имеющему дисбаланс 16%.

На фиг. 5 и 6 соответственно в перспективе и в поперечном разрезе показана конструкция плеч B1, В2 и В3 в соответствии с изобретением.

Как можно отметить на фигурах, плечи B1, В2 и В3 не расположены в линию в одной плоскости. В частности, как показано на фиг. 6, в поперечном разрезе плечи B1, В2 и В3 образуют вершины треугольника Т.

Кроме того, как показано на фиг. 5, плечи первой части, содержащей первое плечо В1 и второе плечо В2, совмещены в первой плоскости Δ1, и плечи второй части, содержащей второе плечо В2 и третье плечо В3, совмещены во второй плоскости Δ2, при этом первая Δ1 и вторая Δ2 плоскости являются секущими на уровне прямой L.

Расстояние α, разделяющее два последовательных плеча В1 и В2 и два последовательных плеча В2 и В3, превышает расстояние α₀, которое разделяет эти же два последовательных плеча В1 и В2 и В2 и В3 в конфигурации, в которой плечи B1, В2 и В3 расположены в линию в одной плоскости, как показано на фиг. 4.

В частности, расстояние а может превышать или быть равным 500 мм.

Не выровненное по линии расположение плеч выпрямителя в соответствии с изобретением позволяет увеличить расстояние α между плечами, что способствует получению более легкого доступа для обслуживания.

Однако было установлено, что существует существенное влияние одного плеча на другое по причине магнитного поля, генерируемого во время переключения компонентов. Поэтому, увеличивая расстояние α между плечами, уменьшают влияние магнитного поля, и на компоненты плеч меньше действуют помехи по причине магнитных полей, генерируемых компонентами других плеч.

Кроме того, расстояние β, разделяющее первое плечо В1 и третье плечо В3, при этом первое В1 и третье В3 плечи находятся с двух сторон от второго плеча В2, меньше расстояния β₀, которое разделяет эти первое В1 и третье В3 плечи в конфигурации, в которой три плеча B1, В2 и В3 совмещены, как показано на фиг. 4. Действительно, не совмещенная конструкция в соответствии с изобретением позволяет уменьшить расстояние β, разделяющее два крайних плеча В1 и В3 ряда плеч, и одновременно позволяет увеличить расстояние α, разделяющее два последовательных плеча, что делает конструкцию более компактной и дает выигрыш с точки зрения габарита и транспортировки, обеспечивая при этом доступ для обслуживания.

Испытания, проведенные с заявленной конструкцией, показанной на фиг. 5 и 6, с постоянным током порядка 20 кА, позволили определить максимальный дисбаланс dI_max по току в плече примерно 11%.

Иначе говоря, по меньшей мере через один компонент проходит 11% тока в дополнение к среднему значению тока в плече, к которому он принадлежит.

Таким образом, не совмещенное расположение плеч B1, В2 и В3 и увеличение расстояния α между плечами позволяют уменьшить максимальный дисбаланс dI_max по току выпрямителя, что облегчает определение размерности выпрямителя.

Разумеется, изобретение не ограничивается описанным выше примером выполнения. Специалист может вносить в него различные изменения.

Выражение «содержащий» следует понимать как синоним выражения «содержащий по меньшей мере», если только не указано иное.

Изобретение относится к области электротехники. Объектом изобретения является силовой преобразователь, в частности выпрямитель, содержащий положительный преобразующий мост (Р+) и отрицательный преобразующий мост (Р-), причем преобразующие мосты являются мостами Греца и установлены параллельно, при этом каждый преобразующий мост содержит первый ряд плеч компонентов, соединенных с фазами первой вторичной обмотки трансформатора (2), и второй ряд плеч компонентов, соединенных с фазами второй вторичной обмотки трансформатора (2). По меньшей мере один ряд плеч компонентов содержит плечи (B1, В2, В3), расположенные относительно друг друга таким образом, что они не выровнены по линии в одной плоскости. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Силовой преобразователь (3), содержащий:

- положительный преобразующий мост (Р+), предназначенный для соединения с фазами первой вторичной обмотки (U_Δ, V_Δ, W_Δ) и с фазами второй вторичной обмотки (U_Y, V_Y, W_Y) трансформатора (2),

- отрицательный преобразующий мост (Р-), предназначенный для соединения с фазами первой вторичной обмотки (U_Δ, V_Δ, W_Δ) и с фазами второй вторичной обмотки (U_Y, V_Y, W_Y) трансформатора (2),

при этом положительный преобразующий мост (Р+) и отрицательный преобразующий мост (Р-) являются мостами Греца и установлены параллельно,

при этом каждый преобразующий мост (Р+; Р-) содержит первый ряд плеч компонентов (U_Δ⁺, V_Δ⁺, W_Δ⁺; U_Δ^-, V_Δ^-, W_Δ^-), соединенных с фазами первой вторичной обмотки (U_Δ, V_Δ, W_Δ) трансформатора (2), и второй ряд плеч компонентов (U_Y⁺, V_Y⁺, W_Y⁺; U_Y^-, V_Y^-, W_Y^-), соединенных с фазами второй вторичной обмотки трансформатора (2),

отличающийся тем, что по меньшей мере один ряд плеч компонентов (U_Δ⁺, V_Δ⁺, W_Δ⁺) содержит плечи (B1, В2, В3), расположенные относительно друг друга таким образом, что они не выровнены по линии в одной плоскости, при этом плечи (B1, В2, В3) указанного по меньшей мере одного ряда плеч компонентов (U_Δ⁺, V_Δ⁺, W_Δ⁺) образуют, если их рассматривать в поперечном разрезе, вершины многоугольника.

2. Силовой преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что является силовым выпрямителем для электролиза.

3. Силовой преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что является двенадцатифазным и каждый преобразующий мост (Р+; Р-) содержит шесть плеч полупроводниковых компонентов, а именно первый ряд из трех плеч (U_Δ⁺, V_Δ⁺, W_Δ⁺; U_Δ^-, V_Δ^-, W_Δ^-), соединенных с фазами первой вторичной обмотки (U_Δ, V_Δ, W_Δ) трансформатора (2), и второй ряд из трех плеч (U_Y⁺, V_Y⁺, W_Y⁺; U_Y^-, V_Y^-, W_Y^-), соединенных с фазами второй вторичной обмотки (U_Y, V_Y, W_Y) трансформатора (2).

4. Силовой преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что плечи (B1, В2, В3) указанного по меньшей мере одного ряда плеч компонентов (U_Δ⁺, V_Δ⁺, W_Δ⁺) образуют, если их рассматривать в поперечном разрезе, вершины треугольника.

5. Силовой преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере первая часть (B1, В2) плеч указанного по меньшей мере одного ряда плеч компонентов (U_Δ⁺, V_Δ⁺, W_Δ⁺) содержит плечи, выровненные по линии в первой плоскости (Δ1), и по меньшей мере вторая часть (В2, В3) плеч указанного по меньшей мере одного ряда плеч компонентов (U_Δ⁺, V_Δ⁺, W_Δ⁺) содержит плечи, выровненные по линии во второй плоскости (Δ2), при этом первая (Δ1) и вторая (Δ2) плоскости являются секущими.

6. Силовой преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что максимальное значение (dI_max) дисбаланса по току в заданном плече положительного преобразующего моста (Р+) и/или отрицательного преобразующего моста (Р-) меньше или равно 15%, в частности 11%, в частности уменьшено на 5%, причем это максимальное значение (dI_max) определяется по следующей формуле:

7. Силовой преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что каждое плечо положительного преобразующего моста (Р+) и/или отрицательного преобразующего моста (Р-) образовано несколькими параллельно установленными диодами и/или тиристорами (5), при этом каждый диод или тиристор (5) установлен последовательно с предохранителем (6).

8. Силовой преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что расстояние (α), разделяющее два последовательных плеча (В1, В2; В2, В3) указанного по меньшей мере одного ряда плеч компонентов (U_Δ⁺, V_Δ⁺, W_Δ⁺), превышает расстояние (α₀), которое разделяло бы эти два последовательных плеча в любой конфигурации, в которой плечи (B1, В2, В3) указанного по меньшей мере одного ряда плеч компонентов (U_Δ⁺, V_Δ⁺, W_Δ⁺) были бы расположены относительно друг друга таким образом, чтобы быть выровненными по линии в одной плоскости.

9. Силовой преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что расстояние (β), которое отделяет первое плечо (В1) от третьего плеча (В3) указанного по меньшей мере одного ряда плеч компонентов (U_Δ⁺, V_Δ⁺, W_Δ⁺), причем первое (В1) и третье (В3) плечи находятся с двух сторон от второго плеча (В2), меньше расстояния (β₀), которое разделяло бы эти первое (В1) и третье (В3) плечи в любой конфигурации, в которой первое, второе и третье плечи (B1, В2, В3) указанного по меньшей мере одного ряда плеч компонентов (U_Δ⁺, V_Δ⁺, W_Δ⁺) были бы расположены относительно друг друга таким образом, чтобы они были выровненными по линии в одной плоскости.

10. Силовая цепь (10) преобразования, содержащая:

- трансформатор (2), содержащий первую вторичную обмотку (U_Δ, V_Δ, W_Δ) и вторую вторичную обмотку (U_Y, V_Y, W_Y),

- силовой преобразователь (3) по любому из пп. 1-9.