Компенсатор реактивной мощности Советский патент 1984 года по МПК H02J3/18 

ка первичньк импульсов и входом формирователя управляющих импульсов каждого тиристорного вент.иля.

3. Комперсатор по пп 1 и 2j, отличающийся тем что, с целью повышения ресурса запираемых вентилей, выход источника первичных импульсов и первый вход формирователя упраз яю цих импульсов запираемых вентилей соединены между собой через размыкатель.

4. Компенсатор по пп. 1 и 2, о тличающийся тем, что, с целью повышения ресурса конденсаторов, конденсаторы присоединены к обмоткам трансформаторов через выключатель.

1. КОМПЕНСАТОР РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ, содержащий по крайней мере . один силовой трансформатор и присоединенньй к его вторичной обмотке один трехфазный выпрямительный мост с запираемыми вентилями, реактор, подключенный к полюсам , конденсаторы, включенные параллельно , вторичной обмотке трансформатора, и системууправления каждым запираемым вентилем, имеющую в своем составе формирователь управляющих импульсов с двумя входами, первьй из которых на формирование отпирагацего, а второй - запирающего импульса, и источник первичных импульсов, выход которого подключен к первому входу .формирователя, отличающийс я тем, что, с целью уменьшения суммарной мощности запираемых вентилей и потерь энергии, он дополнительно содержит тиристорные вентили снабженные источниками первичных импульсов и фop п poвaтeлями управляющих импуЛьсов, каждый из которых имеет свои входы и выходы, а также первые и вторые элементы задержки по числу тиристорных вентилей, причем каждьй тиристорный вентиль подключен парал.лельно одному из запираемых вентилей, выход источника первичных импульсов каждого тиристорного вентиля подключен к входу его формирователя управ.дяющюс импульсов, вход источника первичных импульсов каждого тиристорного вентиля соединен через первый элемент задержки с выходом исQ точника первичных импульсов запира S емого вентиля того же плеча моста, присоединенного к предьщущей по порядку чередования фазе вторичной обмотки трансформатора, а выход источника первичных импульсов каждого тиристорного вентиля, кроме того, соединен через второй элемент задержки с вторым входом формирователя управляющих импульсов запираемого венIsD тиля того же плеча моста, присое- диненАого к предьщущей по порядку Ф СО 05 Jчередования фазе вторичной, обмотки трансформатора. 2. Компенсатор по п. 1, отличающийся тем,что,с целью облегчения условий включения тиристорных вентилей, он дополнительно содержит третий элемент задержки по числу тиристо ных вентилей, каждьй формирователь управляющих импульсов запираемых вентилей выполнен с третьим входом, который подключен к выходу источника первичных импульсовтиристорного вентиля тоГо же плеча и той же фазы, а третий элемент задержки включен между выходом источни

Изобретение относится к электротехнике и мсжет быть использовано в электрических сетях и электроустановках для кo шeнcaIl;ии реактивной мощное ти.

Известны статические компенсаторы содержащие конденсаторные батареи и потребители реактивной мощности (реакторы, преобразователи), управляемые тиристорами l 1Основной недостаток таких компенсаторов-необходимость для выдачи реактивней моцщости сооружения конденсаторньгх батарей

Известен также ког пенсатор реактивной мощности,; (принятый за прототип и являющийся базовым объектом|,, содержащий по крайней мере один силовой трансформатор и присоединенный к аго вторичной обмотке один трехфазный вьшрямительный мост с запираемыми ве.д тилями реакторэ подключенный к полюсам моста, конденсаторы, включенные параллельно вторичной обмотке трансформатора и систему управления каждым запираемым вентилем, имеющую в своем составе формирователь управляющих и,мпульсов с двумя входами, первый из которых на формирование отпирающего, а второй - з пирающего импульса, и источник первичных импульсов, выход которого подключен к первом, входу формирователя

Этот компенсатор представляет собой преобразователь на управляемых вентилях, осу цествляющ1«: под воздействием системы управления принудительную ком гутацию тока, В режиме вьщачи реактивной мощности преобразователь работает при отрицательных углах регулирования, близ2

ких к - 90°, что обеспечивается за пирающим свойством вентилей.

Перенапряжения, возникающие при принудительной коммутахщи, ограничиваются конденсаторами, включенными параллельно вторичной обмотке силового трансформатора преобразователя. Как показывают расчеты и экспериментальные исследования на физической модели компенсатора, мощность конденсаторов., необходимая для О1раничения перенапряжений, в несколько раз меньше реактивной мощности, выдаваемой компенсатором.

Для такого.компенсатора можно применить мощные лучевые электронные лампы, силовые транзисторы и запираемые тиристоры. Однако электронные лампы имеют сравнительно с полупроводниковыми вeнтнлямIi большие потери энергии и малый срок службы. Силовые транзисторы и запираемые тиристоры по сравнению с обычными незапираемыми тиристорами имеют более высокую удельную стоимость, значительно более низкую единичную мощность и несколько выше потери энергии.

Целью изобретения является уменьшение суммарной мощности запираемых

вентилей и потерь энергии.

Поставленная цель достигается тем, что компе гсатор реактивной мощности, содержащий по крайней мере один сиовой трансформатор и присоединенный

к его вторичной обмотке один трехфазный вьшрямительный мост с запираемыми вентилями, реактор, подключенный к полюсам моста, конденсаторы, включенные параошельно вторичной обмотке

трансформатора, и систему управления каждым запирае1-1ым вентилем, имеющую в своем составе формирователь управnHronijix импульсов с двумя входами, пе вьй из которых на формирование отпир ющего, а второй - запирающего импульса, и источник первичных импульсов, выход которого подключен к первому входу.формирователя, допапнительно содеркит тиристорные вентили I снабженные источниками первичных импульсов и формирователями управляющи импульсов, каждый из которьк имеет свои входы и выходы, а также первые и вторые элементы задеряски по числу .тиристорных вентршей, .приггем каждый тиристорный вентиль подключен параллельно одному из запирае 1ых вентилей, выход источника первичных импульсов каждого тиристорного вентиля подключен к входу его формирователя управляющих импульсов, вход источника первичных импульсов каждого тиристорного вентиля со.единен через первый эпемент задержки с выходом источника первичных импульсов запираемого вентиля того же плеча моста, присоединенного к предьщущей по порядку чередования фазе вторичной обмотки трансформатора, а выход источника первичных импульсов каждого тиристорного вент1-шя, кроме того, соединен через второй элемент задержки с вторым входом формирователя управляющих импульсов запираемого вентиля того же плеча моста, присоединенного к предыдущей по порядку чередования фазе вторичной обмотки трансформатора. Кроме того, компенсатор дополнительно содержит третий элемент задержки по числу тиристорных вентилей каждый формирователь управляющих им пу льсов запираемых вентилей выполней с третьим входом, который подключен к выходу источника первичных импульсов тиристорного вентиля того же плеча и той же фазы, а третий элемент задержки включен между выходом источника первичных импульсов и входом формирователя управляющих импульсов каждого тиристорного вентиля . При этом выход источника первичных импульсов и первый вход формирователя управляющих импульсов запираемых вентилей соединены межцу собой через размыкатель, а конденсаторы присоединены к обмоткам тран форматоров через выключатель. На фиг, 1 и 3 приведена схема предлагаемого компенсатора, на фиг. 2и 4 - кривые напряжений и токов соответственно в режиме вьщачи реактивной мопщости. Схема (фиг. 1) содержит трехфазHbtfj выпрямительный мост с плечами 1-6, трехфазньш силовой трансформатор 7, через который выпрямительный мост присоединен к трехфазной сети переменного тока, реактор 8, подключенный к полюсам моста, конденсаторы 9 для ограничения перенапряжений, включенные параллельно вторичной обмотке трансформатора 7 через трехфазный вьжлючатель 10, т±фисторные (незапираемые) вентили 11-16 и запираемые вентили 17-22, входящие в состав соответственно плеч 1-6, источники первичных импульсов запираемых .вентилей 23-25, и формирователи управляющих импульсов запираемых вентилей 26-28, относящиеся соответственно к запираемым вентилям 18, 20, 22, источники первичньи иьшульсов тиристорнь1х вентилей 29-3 1 и формирователи управляющих импульсов тиристорных вентилей 32-34, относящиеся соответственно к тиристорным вентилям 12, 14, 16, первые элементы задер;жки 35, 36, 37 и вторые элементы за|держки 38-40. устройства управления |41 одного плеча, а именно плеча 4, с тиристорным вентилем 14 и запираемым вентилем 20, Устройства управления для плеч 1, 3и 5 (не показаны) выполняются такими же, клк для плеч 2, 4 и 6, В качестве запираемых вентилей 17-22 изображены для определенности запираемые тиристоры однако схема не изменится, если в качестве запираемых вентилей применить лучевые электронные лампы или силовые транзисторы.Каждый тиристорный вентиль и каждьм за- , пираемый вентиль изображены соответственно в виде одиночного тиристора и одиночного запираемого тзфистора, однако в компенсаторах большой мощности каждый вентиль в действительности представляет собой большое число одиночных полупроводниковых приборов, включенных последовательно или параллельно-последовательно . Работу компенсатора в режиме выдачи реактивной мощности рассмотрим с помощью временных графиков (фиг. 2) На оси 42 построена трехфазная система напряжений, подведенных к точкам А, В и С выпрямительного моста. Напряжения Од, Ug, DC - это фазные 51 напряжения вторичной обмотки трансформатора 7 при холостом ходе. После довательность этих напряжений определяет последовательность пропускания тока через вентили, входящие в состав плеч 1-6 моста. Если в группе 2, 4 и 6, вентили которых соединены со стороны катодов, за данное плечо принять, например, плечо 4, ,то-предьщущим по порядку коммутации является плечо 2, а последующим - плечо 6 о На оси 43 (фиг 2) показано временное положение первичных импульсов , ПИ„„, , относящихся соот18ветственно к запираемым вентилям 18, 20 и 22 и создаваемых устройствами 23, 24, 25, на оси 44 - временное по ложе1ше первичных импульсов ПИ , ПИ S относящихся соответственно к тиристорным вентилям 14, 16, 12 и создаваемых устройствами 30, 31, 29у на оси 45 - временное положение управляющих импульсов , поступающих от устройств 26, 27, 28 соответственно на электроды управления запираемыех вентилей 18, 20, 22 на оси 46 - временное положение управляющих импульсов УИ, , УИ 2 поступающих от устройств 33, 34, 35 соответственно на электродыуправления тиристорных вентилей 14, 16, 12. На оси 47 построены кривые токов 12 4 5 Чб проходящих через тиристор ные вентили 12, 14, 16, и кривые ТОКОВ i , T,jj, ijj,, проходящих через запираемые вентили 18, 20, 22. Перед моментом t ток пропускает тиристорньй вентиль 12 плеча 2. В момент t устройство 23 посылает пер вичный импульс на первый вход формирователя 26 и на вход первого элемента задержки 36.Формирователь 26 в этот же момент времени посыпает управляющий импульс УИ на открытие запираемого 18 плеча 2, Вентиль 18 открывается, и на него переходит ток с тиристорного вентиля 12 (кривые токов на оси 47). Время задержки элемента 36 равно промежутку -t -t., , В момент -ij сигнал от элемента 36 поступает на вход устройств 30, и оно посылает первичный импульс ПИ на вход фop шpoвaтeля 33 и на выход второго элемента задержки 39„ Формирователь 33 в момент ,, посылае управляющий импульс на открьтие тиристорного вентиля 14 плеча 4. Однако вентиль 14 в момент -t;, не может н 6 чать пропускать ток, так как к нему приложено отрицательное анодное напряжение (компенсатор работает в области отрицательных углов, близких к - 90) Бремя задегвкки элемента 39 В момент-i равно промежутку сигнал от элемента 39 поступает на второй вход формирователя 26, и он посылает отрицательньй (запирающий) импульс на электрод управления запираемого вентиля 18 плеча 2, т.е. предыдущего -по порядку коммутации плеча по отношению к плечу 4. В результате запирания вентиля 18 плеча 2 на тиристорном вентиле 14 плеча 4 возникает положительное анодное напряжение, и так как он уже предварительно открыт импульсом имеющим продоллштельность большую чем промежуток (больше, чем время задержки элемента 39), то вместо вetтиля 18 ток начинает пропускать тиристорный вентиль 14. Момент i опережает момент естественного включения вентиля 14 плеча 4 на угол оС , близкий к - 90°. На такой же угол опережает фазное напряжение сети первая гармоника фазього тока,, и вследствие этого реактивная мощность вьщается компенсатором в сеть (компенсатор представляет для сети емкостную нагрузку). Аналогично после появления первичного импульса IIMg (через 120 йос|ле импульса ПИ а) происходит переход тока внутри плеча 4 с тиристорного вентиля-14 на запираемый вентиль 20 и затем после запирания вентиля 20 вступает в работу тиристорный вентиль 16 следующего по порядку коммутации плеча 6.Дальше такой же процесс происходит при кoм yтaции тока с плеча 6 на плечо 2, Аналогично со сдвигом во времени на 60° коммутируют ток плечи 1, 3 и 5. Известно, что в преобразователях высокого напряжения через вентили в моменты их включения проходят импульсы тока большой крутизны, возникающие вследствие разряда через включившийся вентиль собственных емкостей оборудования и ошиновки преобразователя. Это 5гвление в рассмотренном компенсаторе (фиг. 1) приводит к yт Lжeлeнию условий работы тиристорных вентилей, заставляет выбирать более мощные тиристоры, которые могли бы выдержать высокие значения c/i в моменты вюпочения. Для протгускания крутьк импульсов тока в включения лучше подходят запираемые вентили, которые в рассматриваемом компенсаторе выбираются для пропускания кратковременных импульсов тока.

Чтобы освободить тиристорные вентили от пропускания импульсов тока в моменты включения, для данного компенсатора предлагается измененная система управления . (фиг. 3) для вентилей трех плеч моста 2,4 и 6 (плечи 1, 3 и 5 имеют такую же систему управления) . По сравнению с системой управления (фиг. 1) формирователи управляющих импульсов 48, 49,50 запи раемых вентилей 18, 20, 22 имеют каждый третий вход, соединенный соответственно с выходом источников первичных импульсов 29,30,31 добавочно йведены третьи элементы задерж1|:и 51-53, включенные соответственно между выходом источников первичных импульсов 29, 30, 31 и входом формирователей управляющих импульсов тиристорньк вентилей 32, 33, 34, в цепи первого входа формирователей 48, 4.9, 50 включены размыкатели 54. Устройства управления одного плеча, а именно плеча 4, обозначены цифрой 55

Работа компенсатора в режиме выдачи реактивной мощности с системой управления (фиг, 3) поясняется временными кривыми напряжений и токов, построенными на фиг. 4. Здесь на осях 42, 43, 44 и 46 показано то же, что и на осях с теми же номерами на фиг. 2. На осях 56 и 57 показаны управляющие импульсы, формируемые формирователями 48, 49, 50 и посылаемые соответственно на электроды уп-.. равления запираемых вентилей 18, 20, 22. На оси 58 построены кривые токов через тиристорные вентили 12, 14, 16 и запираемые вентили 18, 20, 22.

В момент i на фиг. 4 происходит то же, что в момент t на фиг.2, В результате появления импульсов и УИ g ток переходит с тиристорного вентиля 12 на запираемые вентиль 18 (кривые токов на оси 58). Так же, как на фиг„ 2, через выдержку времени t t, определяемую первым элементом задержки 36,в момент . tj устройство 30 выдав первичный импульс ПИ . Этот импульс теперь (по схеме фиг. 3) поступает на третий вход формирователя 49, на входы второго элемента задержки 39 и третьего элемента задержки 52. В результате этого формирователь 49 посылает отпирающий импульс электрод управления запираемого вен- тиля 120, однако в момент -2 этот вен.тиль не может включиться из-за того, что на нем отрицательное анодное напряжение. Через время задержки элемента 39 в момент -t, возникает запирающий отрицательный иЬшульс УИ,., и вентиль 18 запирается. В ре1о

зультате этого на запираемом вентиле 20 возникает положительное анодное напряжение, и так как он уже предварительно открыт импульсом , имеющем продолжительность большую, чем промежуток вместо вентиля 18 ток начинает пропускать запираемый вентиль 20. В момент ij через этот вентиль проходит крутой узкий импульс тока разряда собственных емкостей (на фиг. 4 не показан). время задержки -tj определяемое элементом 52, возникает управляющий им.пульс УИ , посыпаемый формирователем 33 на электрод управле1шя тиристорного вентиля 14. Несколько позже, в момент ij , возникает запирающий отрицательный импульс посылаемый формирователем 49 на запираемый вентиль 20 (промежуток времешт fc tj определяется форьшрователем 49) В результате запирания вентиля 20 ток в момент 5 переходит на тиристорный вентиль 14.

Из работы компенсатора по фиг. 3 видим, что запираемый вентиль каждого плеча пропускаетТОК в течение коротких промежутков времени в начале и в койце промежутка проводимости плеча. Большую часть промежутка проводимости гшеча ток проводит его тиристорньш вентиль.

Для перевода компенсатора (фиг. 1) из режима выдачи реактивной мощности в режим ее потребления достаточно соответствующим воздействием на источники первичных импульсов изменить величину угла регулирования, сделав его близким к t-90. В режиме потребления реактивной мощности можно сохранить такую же последовательность работы вентилей, как и в режиме ее вьщачи. Однако дпя увеличения ресурса запираемых вентилей 17-22 целесообразно в режиме потребления реактивной мощности исютючить их работу. Для этого между выходом иcтoчнIiкoв первичных импульсов 23, 25 и первым входом формирователей yпpaвляюп иx импульсов 26 28 вводятся размыкатели 54. При разрыве размыкателей прекращается работ формирователей управляющих импульсов запираемых вентилей 18. 20. 22. В ре зультате на фиг. 2 исчезают управляю щие импульсы УИ , УИ , помещенные на оси 45, Тиристорньй вентил 12 продоллсает пропуркать ток до момента, когда вступит в работу тщ)исторный вентиль 14, Так как угол- регу лирования положительный, то происходит естественная коммутация тока с вентиля 12 на вентиль 14. При естест венной коммутации тиристорных вентилей 11-16 выпрямительного моста не требуются конденсаторы 9. Для того чтобы увеличить ресурс конденсаторов 9,их следует отключить выключателем 10,Итак, с целью увеличение ресурса запираемыех вентилей 17-22 и конденсаторов 9 следует при работе компенсатора в режиме потребления реактивной мощности отключить формирователи управляющих игшульсов 26-28 запираемых вентилей 17-22 и конде;нсаторов 9 В режиме потребления реактивной мощности при угле регулирования, близком К+90°, в схеме по фиг. 3 мож но сохранить такую же последователь ность пропускания тока запираемыми и тиристорными вентилями, как и в ре жиме выдачи реактивной мощности (ось 58 на фиг. 4). Однако в режиме потребле1шя реактивной мощности целесообразно с целью увеличение ресурса запираемых вентилей 17-22. ис- клшчить их работу в конце промежутков проводимости плечей 1-6 моста. При этом работу запираемых вентилей 17-22 в начале промежутков проводимости плечей 1-6 следует сохранить с целью пропускания через них, а не через тиристорные вентили 11 16 крутых коротких импульсов тока при включении плеча нз-за разряда собственных емкостей оборудования и ошиновки KONffleHcaTopa. Для получения такого пропускания тока вентиля ми в режиме потребления реактивной мощности достаточно разомкнуть размыкатели 54 (фиг. 3). При этом на фиг. 4 исчезают управлякяцие импульсЫу показанные на оси 56. Вслед за тиристорным вентилем 12 плеча 2 вступает в работу запираемый вентиль 20 плеча 4, а затем тиристорный вентиль 14 плеча 4 и т.д. Одновременно с размыканием размыкателей 54 следует :Для повьпдения ресурса конденсаторов отключить выключатель 10 (фиг. 1). Основное преимущество предлагаемого устройства по сравнению с прототипом хорошо видно по кривым вентильных токов на оси 47 (фиг. 2) и на оси 58 (фиг, 4). В прототипе запираемый вентиль должен пропускать ток в течение всего промежутка проводимости плеча моста, т.е. в течение 120 , В предлагаемом устройстве запираемый вентиль пропускает ток только малую часть проь;;;жутка проводимости плеча, порядка одной десятой этого промежутка. Основную часть промежутка проводимости плеча ток проводит обычный незапираемый .тиристорный вентиль. В результате суммарная мощность запираемых вентилей С1шжается примерно :; 10 раз. Так как удельная стоимость запираемых вентт-шей выше удельной стоимости тиристорных вентилей, то затраты на вентили для данного устройства меньше; чем для прототипа. Одновременно снижаются потери энергии в вентилях, так как у тиристор- ных вентилей КПД выше, чем у запираемых вентилей (транзисторов, запираемых тиристоров, лучевых электронных ламп). Предлагаемый компенсатор может быть выполнен по любой преобразовательной схеме , Увеличение фазности преобразователя, примененного в компенсаторе, облегчает борьбу с перенапряжениями, вызванными принудительной коммутацией тока запираемыми вентилями, В результате при увеличен1-ш фаз-ности преобразователя снижается мощность коадх- гнсаторов, включаемых пapa vлeльнo вторичным обмоткам трансформатора.

(Рае. i

).

У}1ео(г)

тк()

|да«/з

«7

--i -i--J

.f -z:::b:r-i F-ZI±---r::gzyj L

г

j/We/аг

)

iw««iffe

--{y fe/i7 /

J20°

-i

; «

v.

I

5

S}s

t

ад

.

4л

:| Si

I

S

«

I

I

V

I

5

C

§

§

I

KS

v.«

4j

e

S

io to

V.

ta

ч

05 10

ifi