Трехфазное вольтодобавочное устройство с высокочастотной гальванической развязкой Российский патент 2022 года по МПК H02M5/451 

Изобретение относится к электротехнике и электроэнергетике и может быть использовано в системах электроснабжения промышленных предприятий, для социальных нужд и автономных систем электроснабжения, для стабилизации и регулирования напряжения на линиях электропередачи, управления пропускной способностью и регулированием активной и реактивной мощностью.

Известно универсальное модульное вольтодобавочное устройство для распределительных сетей среднего напряжения [1], содержащее трехфазный вольтодобавочный трансформатор, первичные обмотки которого подключены к клеммам высоковольтной линии электропередачи со стороны входа устройства, вторичные обмотки выполнены в виде гальванически развязанных секций со свободными выводами, первичные обмотки трехфазного вольтодобавочного трансформатора соединены по схеме «треугольник», все гальванически развязанные секции вторичных обмоток каждой фазы выполнены с одинаковым коэффициентом трансформации, причем первые выводы трехфазного коммутатора, состоящего из трех однофазных мостовых преобразователей, подключены к выходным высоковольтным зажимам со стороны выхода устройства, вторые выводы трехфазного коммутатора подключены к соответствующим клеммам высоковольтной линии электропередачи со стороны входа устройства. Недостатками данного устройства является отсутствие гальванической развязки, низкое быстродействие из-за использования тиристоров и высокой стоимость тиристоров, вызванное тем, что устройство подключается последовательно в линию электропередач, тем самым, через нее проходит полный ток линии электропередач, поэтому для работы требуются дорогостоящие сильноточные элементы.

Известно фазоповоротное устройство [2], содержащее трехфазный сериесный трансформатор, вторичные обмотки которого выполнены со средним выводом и вставлены в рассечку фаз высоковольтной линии электропередачи, а первичные обмотки соединены по схеме треугольника, узлы соединения обмоток которого подключены к высоковольтным выводам трехфазного высоковольтного коммутатора. При этом низковольтные выводы всех фаз коммутатора соединены по схеме звезды, а входные выводы каждой фазы коммутатора подключены ко вторичной обмотке соответствующей фазы трехфазного шунтового трансформатора, первичные обмотки которого высоковольтными выводами подключены к средним выводам вторичных обмоток сериесного трансформатора, а низковольтными выводами соединены по схеме звезды и заземлены. Недостаток данного фазоповоротного устройства заключается в использовании двух трансформаторов сериесного и шунтового, что значительно увеличивает расчетную мощность трансформаторного оборудования. Другим недостатком известного устройства является реализация симметричного регулирования напряжения и отсутствие продольного регулирования. Это делает невозможным изменение, а, следовательно, и стабилизацию выходного напряжения по величине.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является стабилизатор напряжения трансформаторной подстанции со звеном повышенной частоты, включенный на низкой стороне главного трансформатора подстанции [3] и содержащий выпрямитель и инвертор с синхронизированными с сетью системами управления, понижающий трансформатор с первичной обмоткой, соединенной в звезду и через последовательно соединенные инвертор и выпрямитель подключенной к выводам для подключения нагрузки, к которым также подключен вход датчика напряжения, выход которого через элемент сравнения подключен к управляющему входу системы управления инвертора, выполненной с возможностью регулирования фазы напряжения вольтодобавки в сторону опережения относительно напряжения сети, отличающийся тем, что введен нулевой циклоконвертор на однооперационных тиристорах с синхронизированной сетью системой управления, вход циклоконвертора подключен к соединенной в звезду вторичной обмотке понижающего трансформатора, а его выход в рассечку звезды вторичной обмотки главного трансформатора, подключенной своими другими выводами к выводам для подключения нагрузки, при этом управляющие входы систем управления выпрямителем, инвертором и циклоконвертором объединены, система управления инвертором выполнена с возможностью повышения частоты выходного напряжения инвертора кратно числу фаз по отношению к частоте сети, а система управления циклоконвертором выполнена с возможностью одновременного с системой управления инвертором опережающего регулирования фазы напряжения вол ьто добавки. Недостатками устройства является применение большого числа преобразований на тиристорах, что уменьшает быстроту коммутации и качество работы схемы, а также включение предлагаемого устройства на высокой стороне усложняет выпрямитель, инвертор, фильтр и узлы их защиты, а на низкой - не улучшает энергетические показатели главного трансформатора подстанции, работающего в условиях нестабильной сети и изменяющейся нагрузки.

Цель изобретения - увеличения качества и безопасности работы вольтодобавочного устройство за счет двойного активного моста с гальванической высокочастотной развязки, позволяющей регулировать постоянное напряжение для более точного и плавного вольтодобавления между подключаемыми входными клеммам и вольтодобавочными трансформаторами на выходе при меньшей массе и габаритов.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в точности работы и безопасности работы вольтодобавочного устройства при значительном снижение объема и веса устройства.

Техническая задача решается предлагаемым трехфазным вольтодобавочным устройством с высокочастотной гальванической развязкой, содержащим входной трехфазный выпрямитель, выходной трехфазный инвертор, выходные вольтодобавочные трансформаторы, входной и выходной пассивные фильтры, которое отличается тем, что для регулирования напряжения постоянного тока между трехфазным выпрямителем и трехфазным инвертором установлен двойной активный мост с высокочастотной гальванической развязкой, позволяющий менять уровень выпрямленного напряжения, тем самым повышая качество вольтодобавочного напряжения и обеспечивающего дополнительную надежность за счет гальванической развязки. Высокочастотный трансформатор в несколько раз меньше по габаритам, чем трансформатор, работающий на промышленной частоте.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема трехфазного вольтодобавочного устройства с высокочастотной гальванической развязкой.

На фиг. 2а представлено осциллограмма референтного вольтодобавочного напряжения, на фиг. 2б изображена осциллограмма вольтодобавочного напряжения при неизменном постоянном напряжении перед выходным инвертором, на фиг. 2в изображена осциллограмма вольтодобавочного напряжения при изменяемом постоянном напряжении перед выходным инвертором.

На фиг. 3а представлено осциллограмма референтного добавочного тока, на фиг. 3б изображена осциллограмма добавочного тока при неизменном постоянном напряжении перед выходным инвертором, на фиг. 3в изображена осциллограмма добавочного тока при изменяемом постоянном напряжении перед выходным инвертором.

В качестве управляемых ключей может быть использовано IGBT-транзисторы или MOSFET-транзисторы.

Трехфазное вольтодобавочное устройство с высокочастотной гальванической развязкой состоит из входного трехфазного выпрямителя 7, двойного активного моста 2, состоящего из инвертора 3, высокочастотного трансформатора 4 и управляемого мостового выпрямителя 5, выходного трехфазного инвертора 6, выходных вольтодобавочных трансформаторов 7, входного 8 и выходного 9 пассивных фильтров. Для сглаживания пульсаций переменного ока на входе и выходе двойного активного моста стоят сглаживающие конденсаторы 10 и 11 соответственно. Трансформаторы напряжения 12 и трансформаторы тока 13 снимают соответствующие значения и передают в микроконтроллер 15, управляющий открытием транзисторов. Вольтодобавочное устройство подключается к источнику питания 16 и к нагрузке 17.

Работает вольтодобавочное устройство следующим образом.

Трехфазное напряжение поступает из сети 15 на неуправляемый трехфазный выпрямитель 1. Выпрямленное напряжение сглаживается конденсатором 10 и подается на однофазный мостовой инвертор 3, который преобразует постоянное напряжение в высокочастотное переменное (импульсное). Высокочастотное напряжение подается на высокочастотный трансформатор 4, который осуществляет преобразование в другой уровень напряжения. Полученное напряжение с помощью управляемого выпрямителя 5 выпрямляется в необходимый уровень постоянного напряжение. Полученное напряжение сглаживается конденсатором 11 и подается на трехфазный автономный инвертор 6, который генерирует необходимое напряжение, для того чтобы напряжение на входе совпадало с референтным. Напряжение с трехфазного инвертора 6 подаются на вольтодобавочные трансформаторы 7 через выходной фильтр 9, который предназначен для сглаживания сигнала широтно-импульсной модуляции. Трансформатор напряжения 12 и трансформатор тока 13 снимают значения напряжения и тока в каждой фазе и передают микроконтроллеру 14, который, на основании этих данных и сигнала управления, вырабатывает импульсы для коммутации электронных ключей на инверторы 3 и 6 и выпрямитель 5. Вольтодобавочное устройство позволяет повышать напряжения в конечных зонах протяженных трехфазных линий электропередачи с достаточно большой энергетической нагруженностью, компенсировать реактивную мощность и уменьшать коэффициент несисмметрии и несинусоидальности.

На фиг. 2 и фиг. 3 видно, что предлагаемый способ обеспечивает большую точность и меньшие пульсации тока и напряжения.

Аппаратная реализация предлагаемого устройства может быть осуществлена с помощью существующих силовых электротехнических, электронных и микропроцессорных устройств, при надлежащем выборе и настройке соответствующих параметров.

Литература

1. Патент Российской Федерации на изобретение RU 2 710 886 С2, МПК Н03Н 7/18 / Асабин А. А., Соснина Е. Н., Кралин А. А., Крюков Е.В. (RU). Заяв.: 20.06.2018; Опубл.: 14.01.2020.

2. Патент Российской Федерации на полезную модель RU 106060 U1 кл. Н03Н 7/18 / Жмуров В. П., Стельмаков В. Н., Тарасов А. Н., Гринштейн Б И (RU). Заяв.: 31.01.2011 Опубл.: 27.06.2011.

3. Патент Российской Федерации на полезную модель RU 2 155 366 С2 кл. G05F 1/26 G05F 1/30 Н02М 5/257 / Климаш B.C. Круговой Р.Н. (RU). Заяв.: 06.01.1998 Опубл.: 27.08.2000.

Изобретение относится к электротехнике и электроэнергетике и может быть использовано в системах электроснабжения промышленных предприятий, для социальных нужд и автономных систем электроснабжения, для стабилизации и регулирования напряжения на линиях электропередачи, управления пропускной способностью и регулированием активной и реактивной мощностью. Трехфазное вольтодобавочное устройство с высокочастотной гальванической развязкой содержит входной трехфазный выпрямитель, выходной трехфазный инвертор, выходные вольтодобавочные трансформаторы, входной и выходной пассивные фильтры, отличается тем, что для регулирования напряжения постоянного тока между трехфазным выпрямителем и трехфазным инвертором установлен двойной активный мост с высокочастотной гальванической развязкой, позволяющий менять уровень выпрямленного напряжения, тем самым повышая качество вольтодобавочного напряжения и обеспечивая дополнительную надежность за счет гальванической развязки. Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в точности работы и безопасности работы вольтодобавочного устройства при одновременном снижении объема и веса устройства. 3 ил.

Трехфазное вольтодобавочное устройство с высокочастотной гальванической развязкой, содержащее входной трехфазный выпрямитель, выходной трехфазный инвертор, выходные вольтодобавочные трансформаторы, входной и выходной пассивные фильтры, отличающееся тем, что для регулирования напряжения постоянного тока между входным трехфазным выпрямителем и выходным трехфазным инвертором установлен двойной активный мост с высокочастотной гальванической развязкой, позволяющий менять уровень выпрямленного напряжения, тем самым повышая качество вольтодобавочного напряжения и обеспечивая дополнительную надежность за счет гальванической развязки.