Обратимый каскадный компенсационный преобразователь Советский патент 1984 года по МПК H02M7/68 H02M7/155 

треугольник, - к преобразовательным мостам другого условно-двеналцатифазного каскадного компенсационного преобразователя.

1. ОБРАТИМЫЙ КАСКАДНЫЙ КОМПЕНСАЦИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий условно-двенадцатифазный каскадный компенсационный преобразователь, состоящий из четырех последовательно и параллельно соединенных между собой трехфазных преобразовательных мостов с объединенньми пофазно общими точками вентилей анодных и катодных групп последовательно соединенных мостов и подключенными к трехфазной батарее конденсаторов регулируемой емкости, подключенный к трехфазному трансформатору с первичной обмоткой и четырьмя вторичными, две из которых соединены в прямую и обратную звезду, а две другиев прямой и обратный треугольник, отличающийся тем, что, с целью повыпения экономичности, эффективности использования основного .оборудования и фазносги преобразования, к выходным выводам параллельно через двухфазные уравнительные реакторы подключен дополнительно введенньй условно-двенадцатифазный CKfHWliAi . 13 Т««ё«Чй6«А5Г каскадный компенсациойный преобразователь, общие- точки вентилей анодных и катодных групп последовательно соединенных мостов которого. объединены пофазно между собой и подключены к трехфазной батарее конденсаторов, первичные обмотки обоих трансформаторов выполнены из основной и дополнительной секций, соединенных в зигзаг так, что начала основных секций фаз А, В, С трансформаторов подключены к соответствующим фазам сети, начала дополнительных секций каждого трансформатора объединены, концы основных секций фаз А, В, С соединены с концами дополнительных секций фаз С, А, В соответственно в одном трансформаторе и с концами дополнительных секций фаз В, С, А соответст-j венно в другом, с четьфьмя вторичными обмотками в каждом трансформаторе, две из которых соединены п прямую и обратную звезду, а две другие в прямой и обратный треугольник.. 2.Преобразователь по п. 1, о тличающийся тем, что каждый из двух трансформаторов подключен к отдельному условно-двенадцатифазному -каскадному компенсационному преобразователю. 3.Преобразователь по п. 1, о т личйющийся тем, что две вте ричныё обмотки каждого из трансформаторов, соединенные в прямую и обратную звезду, подкорочены к преобразовateльным мостам одного Условно-двенадцатифазного каскадного компенса- . ционного преобразователя, а две другие, соединенные в прямой и обратный

1

Изобретение относится к преобразовательной технике и предназначено для питания мощных потребителей в электрифицированном транспорте, цветной металлургии, химической промышленности, в электропередачах постоянного тока, в частности, для питания установок электрографитации.

Известен компенсированньй двадцатичетырехфазньй преобразовательный агрегат, содержащий два двухмостовых преобразовательных блока, питающихся от трансформаторов с одной первичной обмоткой, снабженной устройством регулирования напряжения под нагрузкой и двумя вторичными, соединенными в звезду и в треугольник. Блоки соединены по постоянному току параллельно и снабжены коммутирующим устройством выполненным в виде трехфазного реактора, зашунтированного пофазно конденсаторными батареями. Полюса, образованные средними точками фазных обмоток реактора компенсирующего устройства, йодключены к входным выводам. Между полюсами, образованными началами фазных обмоток реактора компенсирующего устройств а и полюсами первичной обмотки трансформатора, включены фазоповоротнЫе устройства со сдвигом фазных напряжений на угол +7,5 эл.гаад. в первом блоке и на -7,5 эл. град, во втором ij .

Недостатками преобразовательного агрегата являются наличие в коммутирзтощем устройстве трехфазного реактора - места дополнительных потерь энергии и элемента, снижающего его технологичность, а также надежность поддержания заданного значения коэффициента мощности при регулировании выпрямленного напряжения в широких пределах.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является условно-двенадцатифазньй каскадный компенсационный преобразователь, содержащий

четыре последовательно и параллельно соединенных между собой трехфазных преобразовательных моста, питающихся от трансформатора с одной первичной обмоткой, соединенной либо в звезду, либо в треугольник, и с четырьмя вторичными обмотками, две из которых соединены в прямую и обратную звезды а две другие - в прямой и обратный треугольник.

Такое соединение обмоток трансформатора обеспечивает сдвиг систем питающих ЭДС отдельных мостов на.-

по отношению друг к другу. Последовательно соединенные трехфазные преобразовательные мосты подключены, к общей нагрузке через двухфазные уравнительные реакторы, средние точки которых являются полюсами постоянного тока преобразователя. Общие точки вентилей анодных и катодных групп последовательно соединенных преобразовательных мостов объединены пофазно между собой и подключены к трехфаной группе конденсаторов регулируемо емкости 2j .

Недостатками преобразователя являются низкая фазность преобразования, при которой в сеть генерирзтотся 11-я, 13-я, 23-я, 25-я и т.д. гармоники тока, а также невысокая эффективность использования конденсаторной батареи. I

Целью изоб)етения является повы шение экономичности, эффективности использования основного оборудования и фазности преобразования.

Эта цель достигается тем, что к обратимому каскадному компенсационному преобразователю, состоящему из четырех последовательно и параллельно соединенных между собой трехфазных преобразовательных мостов с объединенными пофазно общими точками вентилей анодных и катодных групп последовательно соединенней мостов и Э1 подключенными к трехфазной батарее конденсаторов регулируемой емкости, подключенному к трехфазному трансфор матору с первичной обмоткой и-четырь мя вторичными, две из которых соединены в прямую и обратную звезду, а две другие - в прямой и обратнвй треугольник, к выходным выводам параллельно через двухфазные уравнительные реакторы подключен дополнительно введенный условно-двенадцатифазньй каскадный компенсационный пре образователь, общие точки вентилей анодных и катодных групп последовательно соединенных мостов, которого объединены пофазно между собой и подключены к трехфазной батарее кон- денсаторов, первичные обмотки обоих трансформаторов выполнены из основно и дополнительной секций, соединенных в зигзаг так, что начала основны секций фаз А, В, С трансформаторов подключены к соответствующим фазам сети, начала дополнительных секций каждого трансформатора объединены, концы основных секций фаз А, В, С соединены с концами дополнительных секций фаз С, А, В соответственно в одном трансформаторе и с концами дополнительных секций фаз В, С, А соот ветственно в другом, с четьфьмя вторичньми обмотками в каждом трансформ торе, две из которых соединены в пря мую и обратную звезды, а две другиев прямой и обратный треугольники. В одном частном исполнении каждый из двух трансформаторов подключен к отдельному условно-двенадцатифазно му каскадному компенсационному преоб разователю. В другом частном исполнении две вторичные обмотки каждого из трансформаторов, соединенные в прямую и обратную звезду, подключены к преобразовательным мостам одного условнодвёнадцатифазного каскадного компенсационного преобразователя, а две другие, соединенные в прямой и обрат ный треугольник, - к преобразователь ным мостам другого условно-двенадца тифазного каскадного компенсационного преобразователя. . На фиг. 1 представлена электричес кая схема обратимого каскадного компенсационного преобразователя, в котором каждый условно-двенадцатифазный каскадный компенсационный преоб:разователь питается, от отдельного 56 трансформатораj на фиг. 2 - электрическая схема обратимого каскадного компенсационного преобразователя, в котором по две вторичные обмотки обоих питающих трансформаторов, соединенные в прямую и обратную звезды, подключены к преобразовательные мостам одного условно-двенадцатифазного каскадного компенсационного преобразователя, а две другие, соединенные в прямой и обратнБй треугольник, к преобразовательным мостам другого условно-двенадцатифазного каскадного компенсационного преобразователя. Обратимый каскадньй компенсационньй преобразователь содержит два условно-двенадцатифазных каскадных компенсационных преобразователя 1,. подключенных.к общей нагрузке через двухфазные уравнительные реакторы 2. Средние точки последних.являются полюсами постоянного тока преобразователя. Общие точки вентилей анодных и катодных групп последовательно соединенных преобразовательньк мостов объединены пофазно между собой и подключены к трехфазной группе коммутирующих конденсаторов 3 регулируемой емкости, смонтированных известньм образом треугольником или звездой. Принципиальным конструктивньм отличием предлагаемого преобразователя от известного является то, что в нем одна трехфазная батарея коммутирующих конденсаторов обслуживает в два раза большее число трехфазных групп вентилей (элементарных преобразователей) и схемы соединения первичных обмоток трехфазных трансформаторов 4, имеющих по четыре вторичные обмотки, две из которых соединены в прямую и обратную звезду и две в прямой и ббратный треугольник. Соединение первичных обмоток в зигзаг обеспечивает сдвиг систем фазньк ЭДС на угол +22,5 эл. град. в одном трансформаторе и на -22,5 зл. град, в другом. Зигзаг выполнен из секций с числом витков Wj и Wj . Если определить коэффициент трансформации как С W,.A/2 то требуемый сдвиг получается при 0,7 С, 0,44 С Приведенные значения показывают, ro секция с числом витков W| явля51ется основной, а секция дополйительной. Соединение секций в зигзаг выполнено следующим образом: начала основных секций фаз А, В, С трансформаторов подключены к соответ ствующим фазам сети, начала дополнительных секций каждого трансформатора объединены, концы основных секций фаз А, В, С соединены с концами дополнительных секций фаз В, С, А соответственно в одном трансформаторе и с концами дополнительных Секций фаз С, А, В.соответственно в дру гом . Частные исполнения преобразователя отличаются способом подключения вторичных обмоток питающих трансформаторов к вентильным мостам. В одном частном исполнении каждый из питающих трансформаторов подключен к вентильньм мостам отдельного условно-двенадцатифазного каскадного компенсационного преобразователя, что позволяет сдвинуть их системы питающих ЭДС на по отношению друг к другу. В другом частной исполнении две вторичные обмотки каждого трансформа тора, соединенные в прямую и обратную звездь, подключены к преобразовательньм мостам одного условно-двенадцатифазного каскадного компенсационного преобразователя, а две другие, соединенные в прямой и обратный треугольники - к преобразовательные мостам другого условно-двенадцатифаз ного каскадного компенсационного пре образователя, что позволяет сдвинуть системы питающих ЭДС каждой половины указанньрс преобразователей на п отношению друг к другу. Преобразователь работает следующим . Для простоты активным и реактивны сопротивлением питающих трансформато ров и сети будем пренебрегать, а индуктивное сопротивление в цепи постоянного тока примем бесконечно боль шим. При этих условиях коммутация тока в вентилях происходит мгновенно а постоянный ток является идеально сглаженным. Так как работа преобразо вателя в вьщрямительном и в инвертор ном режимах идентична, ограничимся рассмотрением только выпрямительного режима. При указанных условиях каждый вентиль преобразователя вступает в 6 работу один раз за период и проводит ток в течение 2и/З. Условно-двенадца- тифазные каскадные компенсационные преобразователи 1, входящие в состав преобразователя, имеют одинаковые значения выпрямленного напряжения, но их мгновенные значения не совпадают во времени, поэтому к общей нагрузке указанные преобразователи подключаются через двухфазные уравнительные реакторы 2, которые воспринимают на себя разность мгновенных значений вьшрямленных напряжений отдельньк половин преобразователя. Частота напряжения на двухфазных уравнительных реакторах в шесть, раз больше частоты напряжения сети. Трехфазные группы вентилей, подключенные к батарее конденсаторов 3, образуют компенсационную часть преобразователя, остальные - обычную. Коммутация тока в вентилях обычной части преобразователя осуществляется ЭДС очередной и предьщущей фаз питающих трансформаторов 4. В контур коммутации вентилей компенсационной части кроме указанных ЭДС вводится дополнительная, которая преодол« вает в момент коммутации ЭДС питающего т; ансформатора и производит опережающую коммутацию. В качестве дополнительной ЭДС в преобразователе используется напряжение конденсаторов, ко1торое создается их периодической перезарядкой за счет протекания части тока нагрузки. Таким образом, напряжение конденсаторов зависит от величины тока нагрузки и при его увеличении также возрастает. При этом свободно устанавливающийся опережающий угол регулирования tL вентилей компенсационной части преобразователя, соответствующий равенству в момент коммутации коммутирующего и коммутируемого jнaпpяжeний, будет больше. ч Если преобразователь вьтолнен на управляемых вентилях, момент вступления их в работу задается системой управления. Если преобразователь выполнен на неуправляемых вентилях, то в омпенсационной части имеет место ежим с максимально возможньм, при заданном значении емкости и тока агрузки, опережающим углом регулиования. Однако этот угол имеет криическое значение, больше которого н быть не может. Это объясняется ем, что при достикении углом регулирования критического значения напряжение на вентилях в непроводящую часть периода становится положительным и они начинают повторно вступать в работу..

Электромагнитньй процесс в преобразователях при их частных исполнениях несколько отличается. Рассмотри егс особенности.

Преобразователь по первому частно му исполнению имеет режим преобразования повышенной фазности ( который можно получить, сдвинув системы питающих ЭДС отдельных условнодвенадцатифазных каскаднш компенсационных преобразователей друг по отшошению к другу на 15 или 45, или 75 эл. град. Условия работы трехфазной батареи конденсаторов, общей для обеих половин преобразователя, будут различными в зависимости от сдвига систем питающих ЭДС. Оптимальным с точки зрения формы напряжения на конденсаторах и их установленной мощности является режим со сдвигом питающих ЭДС на 45 эл. град. В этом режиме напряжение на конденсаторах (коммутирующее напряжение) имеет удвоенную (как в известном) частоту, но другую форму., близкую к синусоиде усеченной в верхней части. Необходимость получения такой формы коммутирующего напряжения объясняется тем, что в известном устройстве напряжение конденсаторов, имеющее удвоеннзто частоту, производит коммутацию в четьфех трехфазных группах вентилей при напряжении коммутации, равном максимальному значению

/ 4

.смакс а где Oj - ток, приходящийся на одну мостовую схему.

J ОС

сопротивление фазы конденсаторов , соединенных треугольником.

В рассматриваемом исполнении преобразователя нацряжение той же частоты производит коммутацию в восьми трехфазных группах вентилей при напряжении коммутации, не совпадающем с максимальным значением напряжения на конденсаторах. Если при прочих равных условиях напряжения коммутации в известном и предлагаемом исполнении преобразователя будут равны то в последнем максимальное значение Напряжения конденсаторов

I ,, , 5и л c лatc- j :

а их установленная мощность примерно в 1,4 раза больше, чем в известном. Учитывая, что одна конденсаторная батарея обслуживает в два раза большую мощность, эффективность ее использования примерно в 1,4 раза выше, чем в известном устройстве. А так как эффективность использования конденсаторной батареи в известном устройстве равнд язум, то в рассматриваемом преобразователе установленная мопщость конденсаторов примерно в 2,8 раза меньше компенсируемой реативной мощности, т.е. он является эффективным умножителем мощности конденсаторной батареи.

В рассматриваемом исполнении преобразователя коммутирующее напряжени конденсаторной батареи по отношению к отдельным элементарным преобразователям является несимметричные. Поэтому для условно-двенадцатифазного каскадного компенсационного преобразователя, система питающих ЭДС которого сдвинута вперед, критический угол регулирования равен otupi 42,5 для другого преобразователя, система питающих ЭДС которого сдвинута назад 19,24°.

Преобразователь по второму частному исполнению также имеет режим преобразования повыпенной фазности (48 5 m 24), который можно получит сдвинув систему фазных ЭДС одного трансформатора по -отнощению к другому на 15 или 45, или 75 эл. град. Условия работы трехфазной батареи конденсаторов, общей для обеих половин преобразователя, будут различными в зависимости от указанных сдвигов. Оптимальным с-точки зрения формы напряжения на конденсаторах и их установленной мощности является режим со сдвигом питающих ЭДС на 45 эл. град. В этом режиме напряжени на конденсаторах имеет такую же форму, как и в известном, но в два раза большую частоту. Такимо&разом, в этом исполнении преобразователя напряжение на конденсаторах по форме достаточно близко к синусоиде и имеет частоту в четьфе раза большую, чем частота напряжения сети. Коммутация в вентилях компенсационной части преобразователя осуществляется в момент времени, соответствующий максимальному напряжению на конденсаторахТ I .- (8 u)C Эффективность использования конде саторной батареи в два раза выше, чем в известном устройстве. Учитьтая при этом, что эффективность использования конденсаторов в известном ус ройстве, равна двум, получим, что в предлагаемом преобразователе установленная мощность конденсаторов при мерно в 4 раза меньше компенсируемой реактивной мощности, т.е. он также является эффективные умножителем мощ ности конденсаторной батареи. Коммутирующее напряжение четырехкратной . частоты является симметричным по отношению к отдельные элементарные прёобразоватеоюм. Критический угол регулирования всех вентилей компенсационной части преобразователя одинаковый и равен Различные условия коммутации .вентилей обычной и компенсационной части преобразователя приводят к тому, что даже в неуправляемом режиме трех фазные грзпп.пы вентилей могут работат с различнюш углами регулирования. Это позволяет получить два положительных эффекта. Первый заключается в повьшении фазности преобразования, 1 Ш1Имальное значение которой в преобразователе равно двадцати четырем, а максимально - срока восьми. СорокавосьмифазныЯ режим преобразования имеет место при сдвиге коммзггации вентилей компенсационной части относительно вентилей обычной части преобразователя на 7,5J 22,5i 37,5 и т.д. эл. град. Второй эффект заключается в возможности получения задан ного значения коэффициента мощности при регулировании вьшрямленного напряжения в широких пределах (практически до нуля). Такой режим можно получить в преобразователе, выполненном на управляемых вентилях, если поддерживать в обычной и компенсационной части примерно одинаковые значения угла регулирования, только в обычной части отстоящего, а в компенсацион-j ной опережающего..; Параллельное соединение двух условно-двенадцатифазных каскадных компенсационных преобразователей, подключение их к одной батарее коммутирующих конденсаторов в сочетании с предлагаемым сдвигом систем питающих ЭДС на +22,5 и -22,5 эл. град позволили получить компенсационный преобразователь, отличающийся от известного: технологичностью, посколько он содержит одно коммутирующее звено, состоящее только из батареи конденсаторов, экономичностью за счет снижения потерь в конденсаторной батарее и в трансформаторах при повышении коэффициента мощности;, высокой эффективностью использования конденсаторной батареи и трансформаторов, режимом преоиразования повьшенной фазности (48 m 24), что приводит к снижению коэффициента несинусоидаль,ности. Оба частных исполнения преобразователя близки по характеру электромагнитных процессов и техрико-экономическим характеристикам. Преобразователь может быть применен в установках электрографитации, но, учитывая структуру преобразователя, его применение особенно эффективно в высоковольтных установках, на преобразовательных подстанциях передач посточнного тока

ABC

/ s с

Фиг. 2