Трехфазный преобразователь переменного напряжения в постоянное с защитой Советский патент 1989 года по МПК H02H7/10 H02M7/162 

Изобретение относится к преобразо- ,вательной технике и предназначено для использования в мощных сетевых преобразователях (выпрямителях и ведомых сетью инверторах) с улучшенными энергетическими и динамическими показателями.

Цель изобретения - снижение сетевых искажений.

На фиг.1 представлена схема преобразователя ; на фиг.2 - эквивалентная схема устройства на интервале коммутации} на фиг. 3 и 4 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства (на фиг.З - полупериод работы устройства, а на фиг.4 - часть этого полупериода в увеличенном масштабе времени)} на фиг.З - расчетные характеристики.

В преобразователе коммутируемое устройство 1 выполнено по трехфазной мостовой схеме и подключено к трехфазной сети переменного тока.Трехфазный мостовой выпрямитель 2 выполнен на тиристорах И подключен к той же сети переменного тока. Трехфазный мостовой инвертор 3 подключен к сети через повышающий трансформатор 4. Выпрямитель 2 и инвертор 3 соединены между собой по постоянному току через индуктивно-емкостной фильтр,состоящий из дросселя 5 и конденсатора 6. Цепочка из двух последовательно соединенных двухоперационных тиристоров 7, 8 включена согласно-параллельно с коммутируемым устройством 1, цепочки из двух последовательно соединенных тиристоров 9, 10 включена согласно-параллельно с выпрямителем 2. Точки соединения тиристоров 7,8 и 9 подключены к нулевой шине питающей сети. Тиристоры 11, 12 включены между разнополярными выводами коммутируемого устройства 1 и выпрямителя 2, причем катод тиристора 11 соединен с общей точкой тиристоров катодной группы мостового коммутируемого устройства 1, являющейся положительным выводом преобразователя, а анод тиристора 12 соединен с общей точкой тиристоров анодной группы мостового коммутируемого устройства 1, являющейся отрицательным выводом преобразователя. Коммутируемое устройство 1 выполнено на двухоперационных тиристорах 13-18. Тиристор 19 (фиг.2) является одним из тиристоров катодной группы выпрямителя 2.

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

На эквивалентной схеме (фиг.2) питающая сеть показана в виде схемы 20 замещения, в которой каждая из фаз представлена в виде последовательного соединения источника 21 ЭДС и эквивалентного дросселя 22.Индуктивность этого дросселя эквивалентна индуктивности фазы питающей |сети. Кроме того, на фиг. 1-5 введены буквенные обозначения: А, В, С - фазы питающей сети, 0 - нулевая шина питающей сети, i л, i B, ic - фазные токи сети, U с - напряжение на конденсаторе 6 фильтра, U.,, U7 - напряжения на катодной и анодной вентильных группах мостового коммутируемого устройства 1, соответственно нулевой питающей шины сети, с/ - угол регулирования; ц - круговая частота питающей сети} Т - период питающей сети; t - текущее время; Р0 - номинальная активная мощность; Q - реактивная мощность; Ти - мощность искажения; Р 0 U,.,, U0 (3V2/T) Uft; U л - действующее значение линейного напряжения питающей ceTHj - ток нагрузки,U/U0 - относительная величина среднего значения выходного напряжения преобразователя, где U - среднее значение выходного напряжения. На Лиг.2 и 3 положительный и отрицательный выводы преобразователя обозначены символами + и - соответственно , положительная обкладка конденсатора 6 обозначена символом +. Стрелками на эквивалентной схеме (фиг.2) показаны положительные направления фазных токов и напряжения на конденсаторе 6.

Устройство работает следующим обр-азом.

Включение каждого из вентилей трехфазного моста 1 осуществляется с опережением относительно соответствующего момента естественной коммутации на величину it - о/Л0, где d - угол регулирования, ы- круговая частота питающей сети. Такое включение возможно только за счет искусственной коммутации, для чего устройство 1 выполнено на двухоперационных тиристорах 13-18. Рассмотрим коммутацию тока нагрузки с фазы А на фазу В. Пусть до момента времени t проводили тиристоры 13, 18 трехфазного устройства 1. При этом ток нагрузки протекал по контуру: отрицательный вывод преобразователя 5

тиристор 18 - фаза С - фаза А - тиристор 13-положительный вывод преобразова- теля. Для перевода тока нагрузки с фазы А на фазу В в момент времени t1 двухоперационный тиристор 13 запирают и одновременно включают тиристоры 7, 10 и 19. П результате ток нагрузки переходит на контур: отрицательный вывод преобразователя - тиристор 18, - фаза С - нулевая шина - тиристор 7 - положительный вывод преобразователя. Фаза А оказывается отключенной от цепи нагрузки, но поскольку эта фаза обладает внутренним сопротивлением индуктивного характера, ток в ней не может прекратиться мгновенно. Ток фазы А плавно спадает к нулю в контуре: фаза А - тиристор 19 катодной группы выпрямителя 2 - конденсатор 6 - тиристор 10 - нулевая шина. Начальное напряжение на конденсаторе 6 превышает амплитуду фазного напряжения, поскольку он первоначально заряжается от трехфазного мостового выпрямителя 2. На интервале спада к нулю тока фазы А напряжение на конденсаторе 6 увеличивается. В момент t7 ток в фазе А прекращается и тиристоры 10, 19 запираются. Начиная с этого момента времени (или спустя некоторое время, необходимое для восстановления вентильных свойств тиристоров 10,19), двухоперационный тиристор 7 запирают и одновременно включают тиристоры 9, 11, 14. Поскольку вступающая в работу фаза В обладает внутренним сопротивлением индуктивного характера,то ток в этой фазе не может мгновенно возрасти до величины тока нагрузки. Поэтому после запирания двухоперационного тиристора 7 ток нагрузки переходит на контур: отрицательный вывод преобразователя- тиристор 18 - фаза С - тиристор 9 - конденсатор 6 - тиристор 11 - положительный вывод преобразователя.Поскольку напряжение на конденсаторе 6 превышает амплитуду фазного напряжения, то ток нагрузки начинает плавно переходить с указанного контура на контур: отрицательный вывод преобразователя - тиристор 18 - фаза С - фаза В - тиристор 14. При этом ток фазы В плавно увеличивается до величины тока нагрузки и в момент t3 достигает этой величины. На этом процессе коммутации заканчивается.Про-

10

15

20

835456

цесс коммутации в других фазах осуществляется аналогично по описанному выше алгоритму. Характерно, что коммутация тока нагрузки с одной фазы на другую происходит в два этапл: на первом этапе (интервал t,-t7) происходит вывод энергии, накопленной в индуктивностях отключаемой фазы питающей сети, на втором этапе (интервал происходит нарастание тока в очередной вступающей в работу фазе. Особенностью устройства являет ся отключение в каждом такте коммутации только одной фазы питающей сети4 На обоих коммутационных интервалах происходит увеличение напряжения на конденсаторе 6. Снижение этого напряжения до начального уровня обеспечивается частичным разрядом конденса1

тора 6 входным током инвертора 3. Угол управления тиристорами этого инвертора, определяющий величину его входного тока, должен быть таким,

25 чтобы к началу следующей коммутации (в статическом режиме работы через 1/6 часть периода питающей сети) напряжение на конденсаторе 6 восстановило свой начальный уровень. Выходное напряжение преобразователя равно сумме напряжений U, и Пг, которые в статическом режиме работы совпадают по форме, но сдвинуты одно относительно другого на 1/6 часть периода питающей сети.

Для управления преобразователем можно использовать систему управления, входящую в комплект, серийного преобразователя АТЕРЗ-50-230Р-У4. Силовая часть этого преобразователя включает в себя два трехфазных моста, выполненных на тиристорах. В состав предложенного преобразователя также входят трехфазные тиристорные

.с мосты. Так, для управления коммутируемым устройством 1, выполненным по трехфазной мостовой схеме, и трехфазным мостовым инвертором 3 можно использовать блоки серийной системы управления, дополнив их формирователями импульсов для управления двух- операционными тиристорами 13-18 коммутируемого устройства 1..Как следует из описанного выше алгоритма управления (см. также фиг.4), коммутирующие тиристоры 7-12 включаются либо одновременно с включением тиристоров трехфазного мостового коммутируемого устройства 1, либо с задержкой

30

35

40

50

55

на величину длительности интервала t,t . Поэтому серийную систему управления необходимо дополнить блоком задержки, распределителем импульсов управления и формирователями управляющих импульсов для включения тиристоров 7-12.

Преобразователь обладает по сравнению с прототипом следующими преимуществами .

Снижение сетевых искажений. На фиг.5 представлены расчетные зависимости величин реактивной мощности Q/P0 и мощности искажений ТМ/Р0 (в относительных единицах) от относительного значения средней величины выходного напряжения преобразователя U/U , причем характеристики предложенного преобразователя изображены сплошными линиями, а прототипа - пунктирными. Если сетевые искажения оценивать по величине мощности искажения, то видно, что в диапазоне изменения выходного напряжения U/U0 - 0,2-0,8 мощность искажения снижа- (ется в среднем на 25% по сравнению с прототипом. Это объясняется улучшением формы сетевого тока. В схеме прототипа в кривой сетевого тока появляется провал. На диаграмме фиг.З провал в кривой сетевово тока фазы В показан пунктиром. Этот провал ухудшает гармонический состав сетевого тока и обусловлен тем, что в схеме прототипа вентили в обеих группах (анодной и катодной) коммутируются одновременно. Например, запирание тиристора 13 (см.фиг.2) в схеме прототипа должно сопровождаться одновременным запиранием тиристора 18. В предложенном преобразователе возможно независимое запирание вентилей в обеих вентильных группах.

Снижение коммутационных перенапряжений. В момент принудительного запирания вентилей трехфазного мостового коммутируемого устройства напряжение на конденсаторе 6 увеличивается на величину, которую можно ориентировочно оценить выражением ЛИ 1 1/Ь/С, где I j - ток нагрузки; L - индуктивность отключаемых фаз; С - емкость конденсатора 6. В предложен- ном преобразователе в каждом такте коммутации отключается только одна фаза, а в прототипе - две. Поэтому в предложенном устройстве коммутаV2

раз

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

ционные перенапряжения в меньше,чем в прототипе.

Увеличение генерируемой реактив

ной мощности. Как показано на фиг.5, величина реактивной мощности в диапазоне изменения выходного напряжения U/U0 0,2-0,8 повышается в среднем на 30%.

Расширение диапазона регулирования выходного напряжения. Для определения среднего значения выходного напряжения U необходимо проинтегрировать мгновенное значение кривой U, на интервале 1/3 периода питающей сети. Коммутационные процессы оказывают влияние на величину среднего значения выходного напряжения. В схеме прототипа коммутационные процессы затягиваются, так как в каждом такте коммутации отключаются две фазы питающей сети и следовательно выводится большее значение накопленной энергии. В предложенном устройстве за каждый такт коммутации отключается только одна фаза, поэтому влияние коммутационных процессов на величину выходного напряжения оказывается меньше. Расчеты показывают (см.фиг.5), что предложенное устройство позволяет на 20% повысить предельную величину выходного напряжения в выпрямительном режиме.

Формула изобретения

Трехфазный преобразователь переменного напряжения в постоянное с защитой, выполненный по мостовой схеме на полностью управляемых вентилях и содержащий систему импульсно- фазового управления, причем зашита включает в себя трехфазный мост,выход постоянного тока которого через индуктивно-емкостный фильтр соединен с управляемым от системы импульсно- фазового управления инвертором,выводы переменного тока преобразователя и выпрямителя соединены, о т л и- чающийся тем, что, с целью снижения сетевых искажений, преобразователь подключен к трехфазной сети непосредственно, а инвертор - через повышающий трансформатор, выпрямитель выполнен на тиристорах, а также дополнительно введены две цепочки из двух последовательно соединенных тиристоров каждая, одна из которых выполнена на двухоперационных тиристорах и включена согласно- параллельно с преобразователем, а другая - согласно-параллельно с выпрямителем, и два дополнительных тиристора, включенные между раэнопо- пярными выводами выпрямителя и преобразователя, причем общие точки соединения тиристоров каждой цепочки служат для подключения к нулевой шине питающей сети, а в указанную систему импульсно-фазового управления преобразователем введены средства дл осуществления переключения двухопе8354510

рационных тиристоров преобразователя с опережением относительно моментов естественной коммутации для включения тиристоров выпрямителя в момент запирания одного из соответствующих тиристоров преобразователя, а также средства для обеспечения коммутации тиристоров в указанных дополнительно 10 введенных цепочках на интервалах переключения фаз сети и для обеспечения проводимости указанных введен#

ных тиристоров на интервале включения очередной фазы сети. г

Изобретение относится к преобразовательной технике и предназначено для использования в мощных сетевых преобразователях (выпрямителях и ведомых сетью инверторах) с улучшенными энергетическими и динамическими показателями. Цель изобретения - снижение сетевых искажений. Эффект обусловлен, во-первых, возможностью независимого запирания тиристоров в преобразователе 1. Во-вторых, в каждом такте коммутации отключается только одна фаза. Кроме того, происходит увеличение генерируемой реактивной мощности и расширение диапазона регулирования выходного напряжения. Для этого переключение двухоперационных тиристоров коммутируемого устройства 1 производится с опережением относительно моментов естественной коммутации, включение тиристоров выпрямителя 2 осуществляется в момент запирания одного из соответствующих тиристоров преобразователя 1. Кроме того, на интервалах переключения фаз сети обеспечивается коммутация тиристоров в цепочках последовательно соединенных тиристоров 7,8,9,10 и их проводимость на интервале включения очередной фазы сети. На коммутационных интервалах происходит увеличение напряжения на конденсаторе 6. Снижение этого напряжения до начального уровня обеспечивается частичным разрядом конденсатора 6 входным током инвертора 5. 5 ил.

20

zTl A

21 П

-- ми -г-г гтГ

в

4

21 П

8

.0

&

LJL

J./W

и

«I

Т/6

1В

/f

i, Лг t

4ft

ГГ7

и,

-0

Фиг. 2

s

s

Фаз.З

k

-0,2

0,2 Q,if 0,6 0,8 1,0 Фиг. 5W