Устройство для заряда индуктивного накопителя энергии Советский патент 1992 года по МПК H01L25/03 H02J15/00 

Существенный недостаток такого устройства заключается в ограниченных испытательных возможностях из-за больших падений напряжения на фазных шинопро- водах, которые соединяют вторичные обмотки трансформаторов с мостовым выпрямителем и имеют при схеме соединения обмоток звезда большое индуктивное сопротивление. Кроме того, при повреждении одного из полупроводниковых вентилей мостового выпрямителя подпитка места короткого замыкания осуществляется от рабочих фаз и, таким образом, создается большой аварийный ток короткого замыкания, что снижает надежность устройства.

Известно также устройство для заряда индуктивного накопителя энергии, содержащее трехфазный преобразовательный трансформатор, установленный в баке с крышкой, с общим магнитопроводом, размещенные в непосредственной близости от него три выпрямительных блока, включающие токоведущие шины, на которых расположены параллельно соединенные вентили выпрямительных блоков, соединенных входами со вторичными обмотками трансформатора, а выходами - с выходными выводами для подключения индуктивного накопителя энергии, причем каждая фазная вторичная обмотка питает отдельный выпрямительный блок, прямая и обратная шины которого геометрически подобны и максимально сближены на всем протяжении выпрямительного блока (2).

Существенный недостаток этого устройства заключается в том, что при токах заряда 50-100 кА и более в одном выпрямительном бло ке выпрямителя параллельно включается большое количество вентилей (несколько десятков). Это обстоятельство требует применения специальных мер защиты от аварийных токов короткого замыкания, что приводит к усложнению конструкции выпрямительных блоков и увеличению их размеров. Значительным недостатком является также то, что при трехфазной схеме выпрямления с общей точкой аварийный ток короткого замыкания в случае повреждения одного из вентилей создается всеми фазами трансформатора.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является известное устройство для заряда индуктивного накопителя энергии, содержащее преобразовательный трансформатор, установленный в баке с крышкой, с параллельно расположенными секциями вторичной обмотки и магнитопроводом, размещенные в непосредственной близости от него мостовые выпрямительные блоки, включающие токоведущие шины, на которых расположены параллельно соединенные вентили выпрямительных блоков, образующие анодные и катодные группы

выпрямительных мостов, соединенных входами с многофазной вторичной обмоткой трансформатора, а выходами - с выходными выводами для подключения индуктивного накопителя энергии, прямые и обратные

0 шины, соединяющие выводы секций вторичной обмотки с вводами мостовых выпрямительных блоков, сборные шины постоянного тока, анодные и катодные группы выпрямительных мостов разнесены в

5 разные выпрямительные ячейки, расположенные с противоположных сторон трансформатора (3).

Недостатком такого устройства являются его ограниченные испытательные воз0 можности: во-первых, из-за увеличенного индуктивного сопротивления первичных обмоток трансформатора, соединенных по схеме звезда ; во-вторых, из-за больших индуктивных сопротивлений токоведущих

5 шин, соединяющих выводы многофазной вторичной обмотки трансформатора с соответствующими вводами анодных и катодных выпрямительных ячеек, магнитные потоки, возникающие при протекании тока

0 одного направления, которых не компенсируются, а величины индуктивности которых определяются междуфазным расстоянием. При коэффициентах трансформации 10-20 и более сопротивления этих шин составля5 ют существенную долю суммарного сопро-.

тивления схемы замещения, что приводит к

значительному уменьшению рабочего тока

заряда индуктивного накопителя энергии.

Существенным недостатком известного

0 устройства является также наличие электрических связей между фазами вторичных обмоток, что при повреждении вентиля в одном из плечей выпрямителя вызывает увеличенный аварийный ток короткого за5 мыкания, который создается всеми фазами данного выпрямительного моста. При наличии предохранителей это обстоятельство требует увеличения номинального тока предохранителя, а, следовательно, веса, габа0 рита и т.д. Кроме того, возможно каскадное отключение предохранителей всего плеча выпрямителя. При отсутствии предохранителей большой ток короткого замыкания через поврежденный полупроводниковый

5 вентиль может вызвать взрыв этого вентиля и вывести из строя выпрямитель.

Другим недостатком известного устройства является также то, что при повреждении полупроводникового вентиля выводятся из работы сразу две одноименные секции питающего трансформатора. Недостатком известного устройства является также то, что каждая выпряШтелШая ячейка имеет четыре токоведущие шины, два ввода и два вывода. Данное обстоя- тельство увеличивает вес, усложняет конструкцию.

Целью изобретения является увеличение тока заряда накопителя путем снижения индуктивного сопротивления рабочему току и повышение надежности работы устройства за счет уменьшения аварийного тока короткого замыкания.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для заряда индуктивного н ако- пителя энергии, содержащем преобразовательный трансформатор, установленный в баке с крышкой, с параллельно расположенными секциями вторичной обмотки и магни- топроводом,размещенныев

непосредственной близости от него мостовые выпрямительные блоки, включающие токоведущие шины, на которых расположены параллельно соединенные вентили выпрямительных блоков, образующие анодные и катодные группы выпрямитель- ных мостов, соединенных входами сТиного- фазнойвторичнойобмоткой

трансформатора, а выходами - с выходными выводами для подключения индуктивно- го накопителя энергии, прямые и обратные шины, соединяющие выводы секций вторичной обмотки с вводами мостовых выпрямительных блоков, сборные шины постоянного тока, первичная обмотка пита- ющего трансформатора выполнена в виде трех соединенных по схеме треугольника секций, расположенных на трех магнито- прбводах, на каждом из которых расположено одинаковое количество секций вторичной обмотки, причем все секции электрически изолированы друг от друга и соединены каждая с соответствующим однофазным мостовым выпрямительным блоком, выполненным в виде двух ячеек с анодными и катодными группами вентилей в каждой ячейке и установленными ярусами в продольные вырезы вновь введеннУх изоляционных направляющих, прикрепленных к введенной несущей раме, причем вводы переменного и выводы постоянного тока выполнены на противоположных сторонах ячеек, центральные ячейки каждой фазы трансформатора выводами постоянного тока присоединены к ближней шине сборных шин постоянного тока, причем одноименные ячейки трех фаз трансформатора соеди- нены выводами постоянного тока с одноименными сборными шинами параллельно.

Новым в предлагаемом техническом решении являются: отсутствие электрической связи М1§жду все ми секциями вторичных фазных обмоток питающего трансформатора, что позволяет значительно уменьшить аварийный ток короткого замыкания, а следовательно, повысить надежность работы устройства; каждая секция обмотки имеет свою прямую и обратную токоведущие шины, соединяющие ее с отдельным выпрямительным блоком, что полностью изолирует данную секцию от влияния всех остальных секций; прямая и обратная токоведущие шины каждой секции обмотки выполнены геометрически одинаковыми и максимально приближенными друг к другу, что позволяет значительно (самое меньшее - в несколько раз) уменьшить их индуктивное сопротивление переменному току при больших коэффициентах трансформации, что, в свою- очередь, увеличивает рабочий ток заряда индуктивного накопителя энергии; прямые и обратные шины секций собраны в пакет шин с чередующимися направлениями токов на крышке бака трансформатора, а за ее пределами разведены по ячейкам выпрямительных блоков, что, во-первых, уменьшает общее индуктивное сопротивление шин, а во-вторых, позволяет выравнивать сопротивления протеканию тока по выпрямительным блокам; каждый выпрямительный блок выполнен в виде двух ячеек, каждая из которых состоит из анодных и катодных групп параллельно соединенных вентилей и имеет один ввод переменного тока и два вывода постоянного тока, что позволяет предельно уменьшить габариты и сократить длины то- коведущих шин, т.е. уменьшить сопротивлёнйе рабочему току заряда; каждая пара выпрямительных ячеек образует однофаз- ную мостовую схему выпрямления, что обес- печивает при повреждении одного из вентилей локализацию аварии в данном блоке, все остальные блоки работают в нормальном режиме; ячейки выпрямительных блоков установлены ярусами в продольном вырезе изоляционных направляющих, прикрепленных к несущей раме, что позволяет одновременно решить два вопроса - крепление выпрямительных блоков и изолирование блоков друг от друга и от несущей рамы, т.е. дополнительные меры локализации аварии; центральные ячейки каждой фазы трансформатора выводами постоянного тока присоединены к ближней шине сборных шин постоянного тока, а периферийные ячейки - к дальней шине, причем одноименные ячейки трех фаз трансформатора соеди- нены выводами постоянного тока с одноименными шинами сборных шин пааллельно, что позволяет выравнивать инуктивные сопротивления контурной комутации вентилей и, таким образом, пособствует равномерному распределению тока между одновременно коммутирущими выпрямительными блоками.

На фиг. 1 представлена схема устройства; на фиг. 2 - одна фаза устройства, вид сверху; на фиг, 3 - то же, вид сбоку.

Устройство для заряда индуктивного накопителя энергии содержит трехфазный источник 1 переменного тока, три однофазных понижающих трансформатора 2, 3 и 4 с первичными обмотками 5, 6, 7 и многосекционными вторичными обмотками 8, 9 и 10, пакет 11 токоведущих шмн, многофазный мостовой выпрямитель 12 и выводы 13 и 14 для подключения индуктивного накопителя энергии. Первичные обмотки 5, 6, 7 трансформаторов 2, 3, 4 соединены по схеме треугольника, для создания минимального сопротивления первичных обмоток протекающего переменного тока от источника 1. Вторичные обмотки 8, 9, 10 выполнены в виде электрически изолированных друг от друга секций 8-1, 8-2..., 8-п, 9-1, 9-2..., 9-п и 10-1, 10-2..., 10-п, Пакет 11 токоведущих шин состоит из прямых 15,17,19 и обратных 16, 18, 20 токопроводящих шин, которые соединяют секции вторичных обмоток 8, 9, 10 трансформаторов 2, 3, 4 с соответствующими блоками 21-1,21-2,.., 21-п; 22-1, 22- 2..., 22-п; 23-1. 23-2..., 23-п выпрямителя 12. Каждый блок выпрямителя 12 выполнен из двух выпрямительных ячеек соответственно 24 и 25, 26 и 27, 28 и 29. Каждая выпрямительная ячейка 24-29 содержит катодную 30 и анодную 31 группы параллельно включенных полупроводниковых вентилей, один ввод 32 переменного тока и два вывода 33 и 34 постоянного тока. выпол- ненных на противоположных концах ячейки. Выпрямительные ячейки выводами 33 и 34 постоянного тока соединены с чередующимися шинами положительной и отрицательной полярностями сборных шин 35 постоянного тока, подключенных к выводам 13 и 14.

Прямые 15, 17, 19 и обратные 16, 18, 20 токоведущие шины, соединяющие выводы ai и XI (,2,... п) секций вторичных обмоток, расположенных на крышке 36 бака трансформатора 2 вдоль боковых сторо н, с вводами 32 выпрямительных 24-1 -29-п, выполнены попарно геометрически подобными, максимально приближены друг к другу, собраны в пакет 11 шин с чередующимися направлениями токов на крышке 36 бака трансформатора, а за ее пределами разведены по выпрямительным ячейкам.

Крепление токоведущих шин в пакете 11 осуществляется с помощью клиц 37, а на участке разводки по ячейкам - клицами 38 (клицы выполняются из древесного слоистого пластика типа ДСП-Б-Э или стеклотекстолита эпоксидофенольного типа СТЭФ).

Выпрямительные блоки 21-1-23-п размещены в непосредственной близости от трансформаторов 2, 3, 4 по одну сторону от

0 них и являются продолжением токоведущих шин пакета 11. Выпрямительные ячейки, например 24-1 и 25-1 блока 21-1, установлены ярусами друг на друга в продольные вырезы 39 изоляционных направляющих 40,

5 прикрепленных внизу к несущей раме 41 болтами 42, а вверху попарно стянутых продольными стяжками 43. Одноименные выводы постоянноготЪка выпрямительных ячеек объединены вертикальными шинами 44, ко0 торые соединены со сборными шинами 35 постоянного тока. Такое подключение выпрямительных ячеек образует однофазные мостовые схемы выпрямления переменного тока секций вторичных обмоток трансфор5 маторов.

Центральные ячейки каждого однофазного трансформатора, например блоков 21- 6 и 21-7, вводами 33 и 34 постоянного тока присоединены г ближним шинам сборных

0 шин 35, а периферийные выпрямительные ячейки, например блоков 21-1 и 21-12, при-. соединены к дальним шинам. Одноименные выпрямительные ячейки трех однофазных трансформаторов соединены выводами 33 и

5 34 постоянного тока с одноименными шинами сборных шин параллельно. При этом обеспечиваются равные индуктивные сопротивления контуров коммутации выпрямительных блоков, а следовательно, и

0 равные углы коммутации блоков в процессе заряда индуктивного накопителя энергии, подключенного к выводам 13 и 14.

Крепление выводов постоянного тока выпрямительных блоков производится кли5 цами 45, а сборных шин 35 постоянного тока - клицами 46.

Количество секций вторичных обмоток (п) и блоков определяется предполагаемым рабочим током установки, конструктивными

0 возможностями и безопасной величиной аварийного тока короткого замыкания через полупроводниковый вентиль (опытно установлено, например, что вентили типа В-800 выдерживают ток короткого замыкания

5 30 кВ в течение 1 с, а при токе 120 кА взрываются через 0.03 с после начала короткого замыкания).

Расстояние между прямыми 15,17,19 и обратными 16,18,20 токоведущими шинами определяется напряжением вторичных обмоток и системой крепления между собой и к несущим конструкциям. Длина этих шин зависит от конструктивного выполнения выпрямительных ячеек. Применение выпрямительных ячеек по авт. св. СССР № 1385159 позволяет до предела сократить длину токо- ведущих шин.

Устройство работает следующим образом.

После подведения напряжения трех- фазного источника 1 переменного тока к первичным обмоткам 5,6,7 в них протекают токи, которые создают в магнитопровода магнитные потоки. В свою очередь переменные магнитные потоки наводят пере- менные токи в секциях вторичных обмоток 8, 9, 10. Ток секции, например 10-п проходит по прямому токопроводу 19-п, через катодную группу вентилей ячейки 28-п, индуктивный накопитель энергии, подключен- ный к выводам 13 и 14 и возвращается через анодную группу вентилей выпрямительной ячейки 29-п и обратный токопровод 20-п. В случае простого секционирования вторичных обмоток токи секций одноименных фаз суммируются на нагрузке. Токи различных фаз сдвинуты во времени. В результате получается шестифазная преобразовательная установка.

Так как прямой и обратный ток каждой секции вторичной обмотки трансформатора проходит по геометрически подобным и максимально приближенным путям, в результате чего внешнее магнитное пенсируется, то препятствовать изменению тока в контуре будет только магнитное поле между парой проводников, например, между шинами 19-п и 20-п. Величина запасаемой энергии в этом поле мала, поэтому индуктивное сопротивление протеканию переменного тока секции минимально. Следует отметить, что расстояние между токо- ведущими шинами различных секций влияет на суммарную величину сопротивления пакета 11 шин в значительно меньшей степени (примерно на порядок).

Различие индуктивных сопротивлений секций вторичных обмоток, возникающее в результате различных длин токоведущих шин секций вторичных обмоток, располага- емых на крышке 36 бака трансформатора, компенсируется различиями индуктивных сопротивлений токоведущих шин на участке разводки по выпрямительным блокам и на участке подключения выводов 33 и 34 посто- янного тока выпрямительных ячеек к сборным шинам 35 постоянного тока. Таким образом, сопротивление шин обеспечивается одинаковым для всех секций вторичных обмоток, что создает условия для равномерного распределения тока нагрузки по всем секциям и выпрямительным блокам.

Если пренебречь активными сопротивлениями элементов переменного и постоянного токов, то суммарное фазное сопротивление рабочему току установки, приведенное к напряжению источника питания, равно:

2 Кп , ХщКт +

Z +

(Хс+Хш)-, ол

где Xi - индуктивное сопротивление первичной обмотки трансформатора;

Хс - индуктивное сопротивление секции вторичной обмотки трансформатора;

Хш-индуктивное сопротивление прямой и обратной токоведущих шин;

Кт - коэффициент трансформации;

п - количество секций вторичной обмотки трансформатора, имеющие свои выпрямительные блоки;

Хп - внутреннее индуктивное сопротивление источника питания.

Уменьшая индуктивное сопротивление шин и увеличивая количество секций можно существенно увеличить возможности установки.

В случае повреждения одного из полупроводниковых вентилей, например, анодной группы 31 выпрямительной ячейки 28-п, ток короткого замыкания проходит через поврежденный вентиль, анодную группу ячейки 29-п и возвращается в секцию обмотки 10. Протеканию тока короткого замыкания от других секций через поврежден- ный полупроводниковый вентиль препятствует катодная группа вентилей выпрямительной ячейки 28-п. Таким образом короткое замыкание локализуется, и все остальные выпрямительные блоки продолжают работать в нормальном режиме, т.е. на заряд накопителя.

Ток короткого замыкания ограничивается сопротивлением:

Хкз Хи|у + ХсКт2+ХшКт2

при Кт 10 ХКЗЈй1 Кт2(Хс+Хш).

Следовательно, с одной стороны достигается увеличение рабочего тока заряда, а с другой стороны, уменьшение аварийного тока короткого замыкания. Кроме того, в аварийном режиме из строя выходят только

--- часть устройства. Поэтому при

о П

достаточно отсоединить поврежденный блок и продолжать работать дальше. Потерю тока в большинстве случаев (когда режим не предельный) можно компенсировать

либо увеличением напряжения источника тока (в качестве которых часто используются ударные генераторы типа ТИ 100-2 или другие автономные генераторы аналогичного типа), либо уменьшением индуктивности регулируемых реакторов (1).

Для контроля нормальной работы выпрямительных блоков можно использовать термодатчики, которые устанавливаются, например, на вводы 32 выпрямительных ячеек, соединенных, например, с прямыми токоведущими шинами. При коротком замыкании шины нагреваются значительно сильнее. В случае превышения определенного уровня нагрева подается сигнал на пульт управления установкой.ч

Устройство может быть использовано в испытательных стендах для создания мощных испытательных установок на токи 100- 500 кА и выше, например, для испытаний генераторных выключателей, индукционных аппаратов (силовых трансформаторов, реакторов, измерительных трансформаторов), шинопроводов постоянного тока токами короткого замыкания.

Формула изобретения

Устройство для заряда индуктивного накопителя энергии, содержащее преобразовательный трансформатор, установленный в баке с крыщкой, с параллельно расположенными секциями вторичной обмотки и магнитопроводом, размещенные в непосредственной близости от него мостовые выпрямительные блоки, включающие токоеедущие шины, на которых расположены параллельно соединенные вентили выпрямительных блоков, образующие анодные и катодные группы выпрямительных мостов, соединенных входами с многофазнойвторичной обмоткой

трансформатора, а выходами - с выходными выводами для подключения индуктивного накопителя энергии, прямые и обратные шины, соединяющие выводы секций вторичной обмотки с вводами мостовых выпрямительных блоков, сборные шины постоянного тока, отличающееся тем, что, с целью увеличения тока заряда накопителя путем снижения индуктивного сопротивления рабочему току и повышения надежности в работе устройстве за счет уменьшения аварийного тока короткого замыкания, первичная обмотка питающего трансформатора выполнена в виде трех соединенных в треугольник секций, располо- женйых на трех отдельных магнитопроводах, на каждом из которых расположено одинаковое количество секций вторичной обмотки, причем все секции

электрически изолированы одна от другой и соединены каждая с соответствующим однофазным мостовым выпрямительным блоком, выполненным в виде двух ячеек с анодными и катодными группами вентилей

в каждой ячейке и установленными ярусами в продольные вырезы введенных изоляционных направляющих, прикрепленных к введенной несущей раме, причем вводы переменного и выводы постоянного тока выполнены на противоположных сторонах ячеек, центральные ячейки каждой фазы трансформатора выводами постоянного тока присоединены к ближним сборным шинам постоянного тока, а периферийные

ячейки присоединены к дальним сборным шинам постоянного тока, причем одноименные ячейки трех фаз трансформатора соеди- нены выводами постоянного тока с одноименными сборными шинами параллельно.

Использование: для питания постоянным током, например, индуктивных накопителей энергии. Сущность изобретения: устройство содержит трехфазный источник переменного тока, три однофазных транс- Форматора с многосекционными вторичными обмотками, пакет токоведущих шин, установленный на крышке бака, многофазный мостовой выпрямитель, размещенный в непосредственной близости от трансфорИзобретение относится к области электропреобразовательной техники и может быть использовано в преобразовательных устройствах физических и электротехнических испытательных установок для питания постоянным током в 100-500 кА и более, например, индуктивных накопителей энергии. Известно устройство для заряда индуктивного накопителя энергии, содержащее матора, сборный токопровод постоянного тока, к выводам которого подключается индуктивная нагрузка. Первичные обмотки соединены в треугольник. Секции вторичных обмоток электрически изолированы одна от другой и соединены прямыми и обратными тоховедущими шинами, которые выполнены геометрически подобными, максимально приближенными и собраны в пакет с чередующимися направлениями токов, с вводами индивидуальных блоков выпрямителя. Каждый блок выпрямителя имеет две выпрямительные ячейки, которые содержат катодную и анодную группы параллельно включенных полупроводниковых вентилей, один ввод переменного и два вывода постоянного тока, расположенных на противоположных концах. Выпрямительные ячейки установлены ярусами в продольные вырезы изоляционных направляющих, прикрепленных к несущей раме, и соединены в блоке по однофазной мостовой схеме, причем центральные ячейки каждой фазы трансформатора выводами присоединены к ближним шинам сборного токопровода. а периферийные ячейки присоединены к дальним токо- ведущим шинам. 3 ил. преобразовательный трансформатор, установленный в баке с крышкой, с магнитопро- водом, анодные и катодные группы мостового выпрямителя, соединенный входами с многофазной вторичной обмоткой трансформатора, а выходами - с выходными выводами для подключения индуктивного накопителя энергии, причем первичные и вторичные обмотки трансформатора соединены по схеме звезда-звезда (1). W Ё NJ Os О Ю СО