Преобразователь переменного тока в постоянный Российский патент 2024 года по МПК H02M7/10 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электроэнергетике, полупроводниковой технике, и может быть использовано на трансформаторных преобразовательных подстанциях городов, заводов, транспортных предприятий.

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 электрического потенциала 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 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. Н02 М 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.

Известен трехфазный регулируемый преобразователь переменного напряжения в постоянное [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 вольтодобавочного 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.

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 способ распределения, суммирования и регулирования мощности потоков электрической энергии при преобразовании трехфазного напряжения в постоянное (прототип) [патент RU №2784926 С2, кл. Н02М 7/10, Н02М 1/088 2022]. Для реализации способов трехфазное переменное напряжение прикладывается к первичным обмоткам однофазных преобразовательных трехобмоточных трансформаторов. Первичная обмотка соединена по схеме «звезда», а вторичные секционированные обмотки однофазных трансформаторов разомкнуты между собой. Поток электрической энергии источника делится и передается через шесть вторичных обмоток однофазных трансформаторов на выпрямители базового и регулируемого канала. Выпрямленные напряжения суммируются на шинах выпрямителей в базовом и регулируемом канале. Потоки электрической энергии двух каналов суммируются. К недостаткам способов преобразования относятся: кривая мгновенных значений переменного тока в трехфазной сети на первичной обмотке трансформатора имеет прямоугольно-ступенчатую форму и суммарный коэффициент гармонических составляющих снижается, трехфазная система с однофазными трансформаторами имеет повышенные массогабаритные показатели по сравнению с трехфазным трансформатором.

Задачей изобретения является улучшение электромагнитной совместимости преобразователя с системой электроснабжения, снижение массогабаритных параметров устройства и повышение жесткости внешней характеристики преобразователя.

Цель достигается тем, что электрическая энергия переменного тока поступает на первичные обмотки трехфазного трехобмоточного трансформатора, которые соединены по схеме «звезда». Три фазы каждой из вторичных обмоток трансформатора разомкнуты и электрически не связаны друг с другом. К выводам одной из вторичных обмоток соединены входные выводы трех однофазных выпрямителей базового канала потока электрической энергии, а к выводам трех фаз другой вторичной обмотки соединены входные выводы трех однофазных выпрямителей вольтодобавочного канала потока электрической энергии. Для распределения обратного тока по плечам выпрямителей предусмотрены полупроводниковые DC-DC блоки, силовыми полупроводниковыми приборами которых управляет микроконтроллер по сигналам с датчиков напряжения и тока в моменты смены фазы переменного напряжения на входе выпрямителей. Данное техническое решение позволяет устранить короткие замыкания фазного напряжения силовыми полупроводниковыми приборами выпрямителей во время коммутации тока при смене фазы переменного напряжения на входе выпрямителей. Мгновенные значения выпрямленного напряжения, тока на шинах выпрямителей базового и вольтодобавочного канала потоков электрической энергии суммируются, поэтому величина выпрямленного напряжения увеличивается, а токи в элементах преобразователя снижаются, что способствует сокращению потерь активной мощности в преобразователе. К положительной шине выпрямителя базового канала через DC-DC блок соединена отрицательная шина выпрямителя вольтодобавочного канала. К положительной шине на выходе преобразователя соединен реактор для снижения переменной составляющей в контуре выпрямленного тока из-за пульсирующего выпрямленного напряжения и из-за работы импульсного регулятора мощности нагрузки. Нагрузка преобразователя соединена через регулятор мощности к плюсовой шине выпрямителя вольтодобавочного канала и к отрицательной шине выпрямителей базового канала через полупроводниковый DC-DC блок. Поддержание уровня выпрямленного напряжения с изменением тока нагрузки преобразователя выполняется регулированием напряжения под нагрузкой (РПН) путем переключения числа витков первичной обмотки трехфазного трансформатора общего назначения.

Таким образом, заявляемый преобразователь переменного тока в постоянный соответствует критерию изобретения «новизна».

Три фазы двух вторичных обмоток трехфазного трансформатора не связаны электрически друг с другом, поэтому поток электрической энергии от источника энергии переменного тока распределяется и передается по параллельным электрическим цепям в контурах вторичных обмоток трансформатора к однофазным выпрямителям. Токи в параллельных ветвях снижаются, сокращаются потери активной мощности в устройстве. С распределением потоков электрической энергии по параллельным, изолированным друг от друга, ветвям на вход однофазных выпрямителей прикладывается переменное фазное напряжение, нелинейные искажения которого в процессе переключения тока с одного плеча выпрямителя на другое уменьшаются из-за снижения величины коммутируемого тока. На объединенных шинах однофазных выпрямителей суммируются мгновенные значения напряжений и токов, поэтому мощность на шинах постоянного тока в базовом и вольтодобавочном канале увеличивается, а коэффициент использования системы электроснабжения и трансформатора повышается практически до единицы. Распределением обратного тока по плечам однофазных выпрямителей полупроводниковыми DC-DC блоками устраняются короткие замыкания вторичных фазных обмоток трансформатора и повышается электромагнитная совместимость преобразователя с системой электроснабжения. Последовательным соединением шин выпрямителей базового и вольтодобавочного канала суммируются выпрямленные напряжения двух каналов, а на выходных клеммах преобразователя увеличивается напряжение, повышается жесткость внешней характеристики преобразователя и повышается установленная мощность преобразователя. Реактором снижается переменная составляющая в контуре выпрямленного тока на выходе преобразователя, что позволяет улучшить электромагнитную совместимость преобразователя с системой электроснабжения за счет снижения нелинейных искажений кривой переменного напряжения и тока на входе преобразователя.

Таким образом, заявляемый преобразователь переменного тока в постоянный соответствует критерию изобретения «существенные отличия».

Изобретение поясняется на фиг. 1, фиг. 2.

На фиг. 1 дана структурная электрическая схема преобразователя переменного тока в постоянный с источником трехфазного напряжения ~ U и нагрузкой. К разомкнутым вторичным фазным обмоткам трехфазного трехобмоточного трансформатора 1 соединены входы однофазных выпрямителей базового канала 2 потока электрической энергии. К разомкнутым фазным обмоткам третьей вторичной обмотки трансформатора 1 соединены входы однофазных выпрямителей вольтодобавочного канала 3 потока электрической энергии. К объединенным положительным шинам + выпрямителей канала 2 соединен вход - блока 4 полупроводникового распределителя тока DC-DC вольтодобавочного канала 3. Выход блока -соединен с отрицательными шинами однофазных выпрямителей канала 3, а к объединенным положительным шинам + выпрямителей этого канала через реактор 5 соединен один входной вывод + регулятора мощности 6 нагрузки 7. Другой входной вывод - регулятора мощности 6 соединен через полупроводниковый распределитель тока DC-DC 4 в базовом канале 2 с отрицательными шинами однофазных выпрямителей данного канала. Выпрямленное напряжение U_d равно сумме выпрямленных напряжений базового канала 2 и вольтодобавочного канала 3, а выпрямленный ток изменяется регулятором мощности 6 нагрузки 7. Выпрямленное напряжение регулируется за счет изменения входного электрического сопротивления преобразователя путем переключения числа витков первичной обмотки трехфазного трансформатора регулятором напряжения под нагрузкой (РПН) для обеспечения энергосбережения и электромагнитной совместимости преобразователя.

Оценка работы преобразователя выполнена с помощью математического компьютерного моделирования при трехфазном линейном напряжении на входе преобразователя 220 кВ, выпрямленном напряжении U_d=49,78 кВ и выпрямленном токе 863,7 А на выходе преобразователя. Активная мощность на входе преобразователя 43,36 МВт. КПД преобразователя составил 99,2%, а коэффициент мощности 0,94. Из спектрального анализа кривых фазного напряжения и фазного тока в трехфазной сети (фиг. 2) получен суммарный коэффициент гармонических составляющих (THD) напряжения 0,98%, тока - 14,5%.

Разработанный преобразователь переменного тока в постоянный по сравнению с известными техническими решениями имеет следующие преимущества:

1. снижаются потери активной мощности и повышаются энергетические показатели преобразователя, КПД не ниже 99%, коэффициент мощности - 0,94;

2. повышается электромагнитная совместимость преобразователя с системой электроснабжения, суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения не более 1%;

3. снижаются массогабаритные показатели устройства за счет применения трехфазного трансформатора общего назначения вместо однофазных преобразовательных трансформаторов специальной конструкции;

4. повышается жесткость внешней характеристики преобразователя за счет увеличения выпрямленного напряжения на выходе преобразователя.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразователю переменного тока в постоянный, и может быть использовано на трансформаторных преобразовательных подстанциях. Технический результат заключается в повышении электромагнитной совместимости преобразователя с системой электроснабжения, снижении массогабаритных параметров устройства и повышении жесткости внешней характеристики преобразователя. Достигается тем, что к трехфазной электрической сети присоединены первичные обмотки трехобмоточного трансформатора, соединенные по схеме «звезда». Фазы двух вторичных обмоток разомкнуты, а к выводам обмоток присоединены входы однофазных выпрямителей. На объединенных шинах постоянного тока однофазных выпрямителей в базовом и вольтодобавочном каналах потока электрической энергии мгновенные значения выпрямленного напряжения и тока суммируются. Шины базового и вольтодобавочного каналов соединены последовательно через полупроводниковые DC-DC распределители обратного тока однофазных выпрямителей в каждом канале. Переменная составляющая в контуре выпрямленного тока снижается реактором, установленным в рассечку положительной шины на выходе преобразователя. Выпрямленное напряжение изменяется с помощью регулятора напряжения под нагрузкой (РПН) переключением числа витков первичной обмотки трансформатора в зависимости от тока нагрузки преобразователя. 2 ил.

Преобразователь переменного тока в постоянный состоит из трехфазного трехобмоточного трансформатора, однофазных выпрямителей, полупроводниковых распределителей обратного тока постоянный ток - постоянный ток, микроконтроллера, датчиков напряжения и тока в базовом и вольтодобавочном канале потока электрической энергии, реактора, отличающийся тем, что вторичные обмотки трехфазного трансформатора разомкнуты, к выводам фазных обмоток присоединены однофазные выпрямители базового и вольтодобавочного каналов, шины постоянного тока которых соединены последовательно через полупроводниковые распределители обратного тока однофазных выпрямителей в каждом канале потока электрической энергии, управление силовыми полупроводниковыми приборами распределителей обратного тока выполняется с помощью микроконтроллера по сигналам с датчиков фазного напряжения и датчиков фазного тока, переменная составляющая в контуре выпрямленного тока снижается реактором, установленным в рассечку положительной шины на выходе преобразователя, выпрямленное напряжение изменяется с помощью регулятора напряжения под нагрузкой переключением числа витков первичной обмотки трансформатора в зависимости от тока нагрузки преобразователя, что позволяет выполнять регулирование мощности преобразователя за счет изменения входного электрического сопротивления преобразователя, обеспечивать энергосбережение и электромагнитную совместимость преобразователя.