Способ распределения, суммирования и регулирования мощности потоков электрической энергии при преобразовании трехфазного напряжения в постоянное Российский патент 2022 года по МПК H02M7/10 H02M1/88 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электроэнергетике, полупроводниковой технике, и может быть использовано на трансформаторных преобразовательных подстанциях заводов, транспортных предприятий для регулирования мощности и стабилизации показателей качества электрической энергии.

Известны управляемые выпрямители, регуляторы напряжения, много пульсовые выпрямители и много фазные преобразователи электрической энергии для регулирования мощности и стабилизации параметров электрической энергии. Однако такие преобразователи сложны по конструкции, имеют неудовлетворительный коэффициент полезного действия, низкий коэффициент мощности из-за неэффективного использования напряжения источников энергии и системы электроснабжения, из-за нелинейных искажений, пульсаций тока и напряжения в электроэнергетической системе [Бурман А.П. Управление потоками электроэнергии и повышение эффективности электроэнергетических систем / А.П. Бурман, Ю.К. Розанов, Ю.Г. Шакарян. - М.: Издательский дом МЭИ, 2012. - 336 с.].

Известен двенадцатифазный мостовой выпрямитель [а.с. SU №114549 А1, кл. Н02М 7/06, 1958], в котором первичные обмотки трехфазных анодных трансформаторов соединены между собой последовательно. Выпрямитель состоит из двух трехфазных вентильных мостов, соединенных последовательно или параллельно, питаемых двумя трехфазными напряжениями, сдвинутых относительно друг друга на 30 электрических градуса. Устройство позволяет улучшить форму потребляемого тока и ограничить токи обратного зажигания вентилей. Недостатками устройства являются неудовлетворительная энергетическая эффективность выпрямителя, нелинейные искажения кривой тока в питающей сети, ограниченные функциональные возможности.

Известен способ регулирования выходного напряжения преобразователя переменного напряжения в постоянное [а.с. SU №1267565 А1, кл. Н02М 7/145, 1986]. Для реализации способа регулирования применяются 12 тиристоров с импульсно-фазовым управлением, подключенных к выходным обмоткам трехфазного преобразователя числа фаз. Промежуточным умножением частоты в 6, 9, 12 раз достигается уменьшение времени переходных процессов и снижается перерегулирование выходного напряжения в динамических режимах работы. С применением импульсно-фазового способа управления тиристорами выходным напряжением коэффициент мощности снижается из-за неполного использования напряжения и искажается синусоидальность кривой переменного напряжения на входе преобразователя.

Известен двенадцатифазный выпрямитель [патент RU 2104610 С1, кл. Н02М 7/155, 1988] для применения на подстанции трехфазного напряжения. Выпрямитель содержит два трансформатора, первичные обмотки которых соединены последовательно, а вторичные обмотки разомкнуты. К каждой фазе вторичных обмоток подключены однофазные мосты, которые содержат два неуправляемых и два управляемых вентиля. Недостатками устройства являются работа выпрямителя в режиме короткого замыкания во время коммутации тока в вентилях, пониженный коэффициент полезного действия. Нелинейные искажения тока на входе выпрямителя.

Известен способ управления многозонным преобразователем переменного тока [патент RU №2168839, кл. Н02М 7/155, 2001], который осуществляется выпрямительными мостами на управляемых вентилях. Способом обеспечивается регулирование мощности преобразователя за счет изменения среднего значения напряжения в контуре постоянного тока тиристорами преобразователя с импульсно-фазовым управлением.

Недостатками данного способа управления мощностью и многозонного преобразователя переменного тока являются низкий коэффициент мощности в начале каждой зоны регулирования, загрузка источника энергии переменного напряжения высшими гармоническими составляющими тока и высокий коэффициент пульсаций тока в нагрузке.

Известна выпрямительная схема по меньшей мере с двумя рабочими точками [патент RU №2599263 С2, кл. Н02М 7/08, 2016]. Устройством энергообеспечения для выпрямления трехфазного тока в многоимпульсный постоянный ток выполняется с помощью трехфазного трансформатора или трех однофазных трансформаторов. На сердечниках трансформаторов с вторичной стороны размещены три катушки, которые соединены с трехфазными мостовыми выпрямителями. С помощью средств изменения коэффициента трансформации поддерживается устойчивое постоянное напряжение. Недостатком устройства является ступенчатое изменение выпрямленного напряжения, низкий коэффициент полезного действия из-за коротких замыканий катушек выпрямителем во время коммутации тока тиристорами.

Известен резонансный преобразователь переменного тока в постоянный AC-to-DC [патент SU №2018367030 А1 кл. Н02М 7/217, 2018]. Преобразовательное устройство предложено в двух вариантах с трехфазным и однофазным источниками энергии. У трех однофазных трансформаторов первичные и вторичные обмотки соединены по схеме «звезда». К вторичным обмоткам соединены индукторы, включенные последовательно в каждой фазе источника питания переменного тока и емкости, которые соединены к каждой фазе и к нейтрали трехфазной системы, которые образуют резонансный контур на входе мостового выпрямителя, собранного на диодах. Для обеспечения резонанса на основной частоте переменного напряжения на входе выпрямителя применяются коммутаторы с пультом управления, которые переключают конденсаторы и изменяют емкость для настройки контура на работу в режиме резонанса. Энергия с выходных шин выпрямителя в звене постоянного тока с емкостью, передается через первичный и вторичный инверторы на мобильное устройство, которое является нагрузкой преобразователя. Недостатками устройства являются потери энергии в преобразователях и в индукторах резонансного контура, потери энергии во время коротких замыканий вторичных обмоток трансформаторов диодами мостового выпрямителя и сложная конструкция схемы.

Известны системы и способы электропитания постоянного тока [патент SU №2021111635 А1 кл. Н02М 1/14, Н02М 1/42, Н02М 7/23, 2021]. В технических решениях используется трехфазный двухобмоточный трансформатор для обеспечения двух путей питания: через первичные обмотки на вторичную обмотку трансформатора и на активный трехфазный мостовой преобразователь. Вторичная обмотка трансформатора соединена по схеме «треугольник», а к ее выводам соединен трехфазный мостовой выпрямитель, собранный на диодах. К шинам постоянного тока пассивного выпрямителя через сглаживающий реактор соединена нагрузка в виде аккумуляторных батарей. Через первичные обмотки трехфазного трансформатора три фазы переменного напряжения от источника энергии трехфазного напряжения соединены на вход активного трехфазного мостового преобразователя. Активный трехфазный преобразователь собран на модулях IGBT-транзисторов со встречно включенными диодами и сконфигурирован как трехфазный двухуровневый мост для передачи энергии в двух противоположных направлениях. С помощью сигналов управления на затворах IGBT активный выпрямитель переключает каждую из трех первичных обмоток трехфазного трансформатора последовательно между положительной и отрицательной шиной на входе преобразователя постоянного тока в постоянный DC-to-DC для изменения магнитного потока в сердечниках трехфазного трансформатора, для регулирования потреблением активной и реактивной мощностью и для снижения нелинейных искажений формы кривой переменного напряжения. К выходным шинам DC-to-DC соединены аккумуляторные батареи. К недостаткам системы и способа электропитания относятся: трехфазный трансформатор работает в режиме короткого замыкания во время коммутации тока полупроводниковыми приборами мостовых выпрямителей, повышенные потери энергии в оборудовании систем из-за токов третьей гармоники, токов гармоник, кратных трем в обмотках трансформатора соединенных по схеме «треугольник» и нелинейные искажения напряжения, тока в системе электроснабжения из-за многократного преобразования параметров электрической энергии, для регулирования потребления активной и реактивной мощности применяются большое количество контроллеров, сложные многоконтурные системы управления с многочисленными обратными связями, элементами сравнения, датчиками тока и напряжения, антигармонические компенсаторы искажения синусоидальности кривой переменного тока и напряжения на входе системы электропитания.

Известен трехфазный регулируемый преобразователь переменного напряжения в постоянное (прототип) [патент RU №2331960 С1, кл. Н02М 7/10, 2008] содержит преобразовательный трансформатор с двумя трехфазными вторичными обмотками соединенными по схеме «звезда» и «треугольник». Последовательно с обмотками включены вторичные обмотки вольто-добавочного трансформатора, собранные по схеме «звезда» и «зигзаг». В составе преобразователя применяются два трехфазных вентильных моста последовательного типа и управляемые, неуправляемые реакторы, соединенные параллельно. Недостатками устройства являются неполное использование питающего напряжения, сложная конструкция, из-за работы преобразовательного трансформатора в режиме короткого замыкания энергетические показатели и его электромагнитная совместимость снижаются.

Целью изобретения является энергосберегающее преобразование трехфазного переменного напряжения в постоянное, устойчивая стабилизация напряжения на выходе и повышение электромагнитной совместимости преобразовательного агрегата с системой электроснабжения.

Цель достигается тем, что электрическая энергия трехфазного переменного напряжения поступает на первичные обмотки однофазных трехоб-моточных трансформаторов. Вторичные секционированные обмотки однофазных трансформаторов трех фаз базового и регулируемого канала электрической энергии разомкнуты между собой для исключения коротких замыканий обмоток и соединены к выпрямителям. За счет распределения потоков энергии по трем однофазным трансформаторам и по секционированным гальванически разделенным вторичным обмоткам в каждой фазе устраняются междуфазовые короткие замыкания полупроводниковыми приборами выпрямителей. Данное техническое решение позволяет снизить потери электрической энергии и повысить электромагнитную совместимость преобразователя. Для регулирования мощности в базовом канале выводы секционированных обмоток в каждой фазе переключаются с помощью регуляторов напряжения под нагрузкой (РПН). За счет данного технического решения изменяются коэффициенты трансформации, изменяется входное электрическое сопротивление преобразователя, что обеспечивает полное и непрерывное использование напряжения системы электроснабжения для выполнения работы, повышение электромагнитной совместимости преобразователя с системой электроснабжения и устойчивую стабилизацию напряжения на нагрузке преобразователя. Мгновенные значения выпрямленного напряжения, тока на шинах выпрямителей суммируются, поэтому величина выпрямленного напряжения увеличивается, что обеспечивает повышение установленной мощности преобразователя. Третьи разомкнутые фазные секционированные обмотки трансформатора соединены к выпрямителям, а к шинам выпрямленного тока присоединены накопители электрической энергии, которые образуют регулируемый вольтодобавочный канал. Регулируемый канал и базовый канал электрической энергии в контуре выпрямленного тока соединены последовательно для суммирования мгновенных значений напряжения трех фаз двух каналов. Все выпрямители собраны на диодах, диоды выпрямителя в регулируемом канале запираются обратным напряжением на накопителе электрической энергии с повышением напряжения на выходе вплоть до амплитуды переменного напряжения на входе выпрямителя при снижении нагрузки на преобразователь и полном запирании диодов выпрямителя в регулируемом канале, поэтому плавно изменяется входное электрическое сопротивление преобразователя.

Таким образом, заявляемый способ преобразования трехфазного напряжения в постоянное соответствуют критерию изобретения «новизна».

Способом предложенного преобразования трехфазного переменного напряжения в постоянное устраняются короткие замыкания вторичных обмоток однофазных трансформаторов силовыми полупроводниковыми приборами выпрямителей за счет устранения электромагнитной связи обмоток трех фаз и гальванической развязки вторичных обмоток фаз и секций. Суммированием распределенных потоков энергии трех фаз путем суммирования мгновенных значений выпрямленных напряжений, токов на шинах выпрямителей и суммированием выпрямленного напряжения базового и регулируемого канала путем последовательного соединения шин выпрямителей базового и регулируемого каналов обеспечивается полное использование напряжения трехфазной системы электроснабжения для необратимого преобразования электрической энергии в иной вид энергии, для снижения потерь энергии в преобразователе и в системе электроснабжения и для повышения электромагнитной совместимости преобразователя с системой электроснабжения и с нагрузкой преобразователя.

Энергосбережение достигается сочетанием ступенчатого регулированием напряжения с помощью РПН в базовом канале потока энергии с плавным изменением напряжения в канале вольтодобавочного регулируемого потока энергии. С устранением коротких замыканий вторичных обмоток преобразовательных трансформаторов во время коммутации тока в силовых полупроводниковых приборах выпрямителей и регулирования мощности потоков электрической энергии за счет изменения входного электрического сопротивления преобразователя с нагрузкой повышается электромагнитная совместимость преобразователя.

Устойчивая стабилизация напряжения на выходе преобразователя предложенным способом обеспечивается за счет изменения входного электрического сопротивления устройства при изменении тока нагрузки преобразователя. При малых нагрузках преобразователя выводы вторичных секционированных обмоток однофазных трансформаторов базового канала энергии контактами РПН соединены на минимальное количество витков. В регулируемом канале потока энергии напряжение на накопителе электрической энергии увеличивается и диоды выпрямителя отпираются и запираются около амплитуды переменного напряжения. Поэтому входное электрическое сопротивление преобразователя с нагрузкой плавно увеличивается, потребляемый из питающей сети ток снижается, потери электрической энергии уменьшаются и обеспечивается устойчивая стабилизация напряжения на нагрузке преобразователя.

Таким образом, заявляемый способ преобразования трехфазного напряжения в постоянное соответствуют критерию изобретения «существенные отличия».

Предлагаемый способ преобразования трехфазного напряжения в постоянное по сравнению с известными техническими решениями имеет следующие преимущества:

1. расширяются функциональные возможности преобразователя, обеспечивающего плавное регулирование выпрямленного напряжения с повышением коэффициента полезного действия на 7% за счет снижения потерь энергии и поддержанием на всем диапазоне регулирования мощности высокого уровня коэффициента мощности преобразователя за счет полного и непрерывного использования напряжения трехфазной системы электроснабжения для необратимого преобразования электрической энергии в иной вид энергии;

2. снижаются нелинейные искажения напряжения в сети техфазного переменного тока, в режимах регулирования мощности преобразователя за счет исключения коротких замыканий вторичных обмоток трансформаторов выпрямителями в базовом и регулируемом каналах.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к полупроводниковой технике, и может быть использовано на трансформаторных преобразовательных подстанциях заводов и транспортных предприятий. Технический результат заключается в обеспечении энергосберегающего преобразования трехфазного переменного напряжения в постоянное, устойчивой стабилизации напряжения на выходе и повышении электромагнитной совместимости преобразовательного агрегата с системой электроснабжения. Достигается тем, что электрическая энергия трехфазного переменного напряжения поступает на первичные обмотки однофазных трехобмоточных трансформаторов. Вторичные секционированные обмотки однофазных трансформаторов трех фаз базового и регулируемого канала электрической энергии разомкнуты между собой для исключения коротких замыканий обмоток и соединены к выпрямителям. За счет распределения потоков энергии по трем однофазным трансформаторам и по секционированным гальванически разделенным вторичным обмоткам в каждой фазе устраняются междуфазовые короткие замыкания полупроводниковыми приборами выпрямителей. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ преобразования трехфазного напряжения в постоянное реализуемый однофазными преобразовательными трансформаторами, вторичные обмотки трансформаторов в базовом и регулируемом каналах потока электрической энергии соединены к выпрямителям, с помощью регулятора напряжения под нагрузкой и накопителя электрической энергии изменяется мощность преобразователя, отличающийся тем, что поток энергии из трехфазной сети распределяется на три однофазные трехобмоточные трансформаторы с двумя разомкнутыми вторичными секционированными обмотками, для распределения потоков энергии каждой фазы на секции вторичных обмоток трансформаторов, на выпрямители в базовом и регулируемом каналах для устранения коротких замыканий вторичных обмоток трансформаторов полупроводниковыми приборами выпрямителей, для снижения величины токов и потерь энергии в оборудовании преобразователя.

2. Способ преобразования трехфазного напряжения в постоянное, охарактеризованный в п. 1, отличающийся тем, что мгновенные значения переменного напряжения трех фаз в каждом канале преобразуются выпрямителями в постоянные, а затем суммируются мгновенные выпрямленные напряжения и токи на шинах выпрямителей, поэтому величина выпрямленного напряжения увеличивается, а суммарный поток энергии базового и регулируемого канала формируется путем суммирования выпрямленных напряжений двух каналов последовательным соединением шин базового и регулируемого каналов для снижения потерь энергии за счет снижения потерь напряжения в трансформаторах, на выпрямителях в базовом и регулируемом каналах.

3. Способ преобразования трехфазного напряжения в постоянное, охарактеризованный в пп. 1, 2, отличающийся тем, что регулирование мощности потока электрической энергии в базовом канале выполняется переключением витков вторичных разомкнутых секционированных обмоток с помощью регулятора напряжения под нагрузкой для изменения входного электрического сопротивления преобразователя, а плавное изменение мощности потока электрической энергии в регулируемом канале выполняется с помощью напряжения на выводах накопителя электрической энергии, которое прикладывается к диодам выпрямителей в обратном направлении в зависимости от величины напряжения на нагрузке для изменения входного электрического сопротивления преобразователя.