Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
МНОГОФАЗНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
МНОГОФАЗНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

МНОГОФАЗНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Преобразователь предназначен для преобразовательных подстанций для электропередач и вставок постоянного тока, электрофицированных железных дорог, электрометаллургической и химической промышленности. Сущность изобретения: у многофазного преобразователя, состоящего из двух одинаковых двенадцатифазных преобразователей 1 и 2 с управляемыми вентилями (запираемыми или незапираемыми), к вентильным обмоткам трансформаторов подключены батареи шунтовых конденсаторов, вентили преобразователей 1 и 2 отпираются с углами регулирования соответственно α1 = α - 7,5o и α2 = α + 7,5o. Благодаря этим особенностям, сетевой ток многофазного преобразователя имеет малое содержание высших гармоник, при котором его коэффициент искажения синусоидальности меньше одного процента; не требуется установка фильтров на стороне трехфазного напряжения. 1 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2119711
Класс(ы) патента: H02M7/12
Номер заявки: 96104682/09
Дата подачи заявки: 11.03.1996
Дата публикации: 27.09.1998
Заявитель(и): Акционерное общество открытого типа "Научно- исследовательский институт по передаче электроэнергии постоянным током высокого напряжения"
Автор(ы): Балыбердин Л.Л.; Поссе А.В.
Патентообладатель(и): Акционерное общество открытого типа "Научно- исследовательский институт по передаче электроэнергии постоянным током высокого напряжения"
Описание изобретения: Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано на преобразовательных подстанциях для электропередач и вставок постоянного тока, электрифицированных железных дорог, электрометаллургической и химической промышленности, где необходимо обеспечить малое содержание высших гармоник в сетевом токе преобразователя на стороне трехфазного напряжения.
Известны многофазные преобразователи, имеющие фазность 24 и выше, с малым содержанием высших гармоник в сетевом токе. К ним относятся 24-фазные преобразователи [1] и [2] и 30-фазный преобразователь [3]. Недостатком многофазного преобразователя [1] является сложность выполнения вентильных обмоток трансформатора, что практически исключает его применение для подстанций большой мощности и высокого напряжения. Недостатком многофазного преобразователя [2] является применение двух добавочных фазоповоротных устройств, включенных между шинами трехфазного напряжения и сетевыми обмотками двух трансформаторов.
Из известных монофазных преобразователей наиболее близким к предлагаемому является многофазный преобразователь [3], содержащий одинаковые преобразователи, включенные на стороне трехфазного напряжения параллельно, а на стороне выпрямленного напряжения последовательно или параллельно через уравнительный реактор. Недостатком этого многофазного преобразователя, принятого за прототип, является нестандартное выполнение вентильных обмоток трансформаторов с числом фаз 6k±1, где k=1,2,...., в частности пятифазных.
Задачей данного изобретения является создание многофазного преобразователя с малым содержанием высших гармоник в сетевом токе, при котором коэффициент искажения его синусоидальности меньше одного процента, из двух одинаковых двенадцатифазных преобразователей, содержащих наиболее простые стандартные трансформаторы с соединением обмоток звездой и треугольником.
Сущность изобретения состоит в том, что в состав многофазного преобразователя входят два одинаковых двенадцатифазных преобразователя 1 и 2 с управляемыми вентилями, преобразователи 1 и 2 включены на стороне трехфазного напряжения параллельно, а на стороне выпрямленного напряжения последовательно или параллельно через уравнительный реактор, к вентильным обмоткам трансформаторов преобразователей 1 и 2 подключены шунтовые конденсаторы, соединенные звездой или треугольником, вентили преобразователя 1 отпираются с углом регулирования α1 = α - 7,5o, а вентили преобразователя 2 - с углом регулирования α2 = α + 7,5o, где α - угол регулирования, определяющий энергетические характеристики многофазного преобразователя.
Уменьшение высших гармоник в сетевом токе у предлагаемого многофазного преобразователя достигается совместным применением двух технических решений: 1) подключение к вентильным обмоткам шунтовых конденсаторов, 2) отпирание вентилей преобразователей 1 и 2 с углами регулирования, разность которых α2 - α1 = 15o.
Отметим сначала, какую роль в работе преобразователей 1 и 2 играют шунтовые конденсаторы.
Если вентили запираемые, то шунтовые конденсаторы ограничивают перенапряжения, связанные с практически мгновенными коммутациями тока в преобразователе. Кроме того, они частично отфильтровывают высшие гармоники тока.
Если вентили незапираемые, то шунтовые конденсаторы осуществляют практически мгновенные коммутации тока в преобразователе. Кроме того, они выполняют те же функции, что и в случае запираемых вентилей.
Таким образом, преобразователи 1 и 2 с запираемыми и незапираемыми вентилями во всех режимах (при разных углах регулирования и при разных нагрузках) работают с углом коммутации, близким к нулю. Поэтому соответствующие токи у преобразователей 1 и 2 при одинаковой нагрузке, но разных углах регулирования α1 и α2 , имеют одинаковую форму и одинаковый гармонический состав; они только сдвинуты по фазе на 15o. Это относится и к входным токам i1 и i2 на стороне трехфазного напряжения преобразователей 1 и 2.
Сетевой ток i многофазного преобразователя равен сумме входных токов i1 и i2 преобразователей 1 и 2. Из-за того, что преобразователь 1 работает с углом α1 = α - 7,5o , а преобразователь 2 - с углом α2 = α + 7,5o , действующее значение первой гармоники сетевого тока
I(1)=(2cos 7,5o)I1(1)=1,98I1(1), (1)
где
I1(1) - действующее значение первой гармоники входного тока у преобразователя 1 (или 2). Такое же соотношение справедливо для высших гармоник, имеющих порядок n = 24 k ± 1 = 23, 25, 47, 49, ... Поэтому эти высшие гармоники в сетевом токе имеют такие же относительные значения In/I(1), как и во входных токах преобразователей 1 и 2. (Уменьшение их во входных токах из-за фильтрующего действия шунтовых конденсаторов показано дальше при рассмотрении конкретного выполнения предлагаемого многофазного преобразователя).
Действующие значения высших гармоник, имеющих порядок
n = (2k - 1) 12 ± 1 = 11, 13, 35, 37,...,
в сетевом токе
I(n) = (2sin 7,5o)I1(n), (2)
где I1(n) - действующее значение n-й гармоники входного тока у преобразователя 1 (или 2). Исходя из (2) и (1), имеем, что для этих высших гармоник
I(n)/I(1) = tg7,5o(I1(n)/I1(1)) = 0,13 (I1(n)/I1(1)). (3)
Таким образом, относительные значения этих гармоник уменьшены в сетевом токе многофазного преобразователя в 7,6 раз. Существенно, что такое уменьшение относится к 11-й и 13-й гармоникам, имеющим наибольшую величину во входных токах преобразователей 1 и 2.
Преобразователи 1 и 2 могут быть выполнены по любой схеме двенадцатифазного преобразователя. Приводим ниже описание предлагаемого многофазного преобразователя с конкретным выполнением преобразователей 1 и 2 по схеме двенадцатифазного преобразователя, в состав которого входят два вентильных моста и трансформатор с двумя вентильными обмотками, соединенными звездой и треугольником.
На чертеже приведена схема предлагаемого многофазного преобразователя с одним из возможных конкретных выполнений входящих в его состав двух одинаковых двенадцатифазных преобразователей.
Двенадцатифазный преобразователь 1 содержит два трехфазных моста 3, трехфазный трехобмоточный трансформатор 4, две батареи шунтовых конденсаторов 5 и устройства управления, определяющие угол регулирования вентилей обоих мостов.
Мосты 3 содержат управляемые вентили; они могут быть незапираемые, например тиристорные, или запираемые, например из последовательно соединенных запираемых тиристоров.
Трансформатор 4 имеет сетевую обмотку и две вентильные обмотки. Одна вентильная обмотка соединена треугольником, а другая - звездой. Линейные напряжения и мощности обеих вентильных обмоток одинаковые.
К каждой вентильной обмотке трансформатора 4 подключена батарея шунтовых конденсаторов (БШК) 5, фазы которой могут быть соединены звездой или треугольником. Емкость фазы БШК выбирается такой, чтобы порядок собственной частоты контуров, образованных шунтовыми конденсаторами и вентильной обмоткой, отличался на 1 - 2 порядка от ближайшего порядка высших гармоник у фазного тока моста, а именно от n = 6k ± 1, где k = 1, 2, ... При реальной относительной величине индуктивности сопротивления К3 вентильной обмотки, близкой к 0,1, указанный порядок собственной частоты имеет относительное значение, равное 9. Мощность двух БШК при этом составляет 0,12 - 0,15 номинальной мощности преобразователя 1 [4].
Двенадцатифазный преобразователь 2 такой же, как преобразователь 1.
Преобразователи 1 и 2 на стороне трехфазного напряжения соединены параллельно и подключены к шинам трехфазного напряжения 6. На стороне выпрямленного напряжения преобразователи могут быть соединены последовательно, как это показано на чертеже, или параллельно через уравнительный реактор. (Последний необходим, так как преобразователи 1 и 2 работают с разными углами регулирования).
Устройство управления многофазного преобразователя обеспечивает во всех режимах работу преобразователя 1 с углом регулирования
α1 = α - 7,5o ,
и работу преобразователя 2 с углом регулирования
α2 = α + 7,5o ,
где
α - угол регулирования, определяющий энергетические характеристики многофазного преобразователя.
Активная и реактивная мощности двенадцатифазных преобразователей 1 и 2 на стороне переменного тока определяется по формулам (10) и (11), приведенным в [4] . Используя эти формулы и учитывая, что преобразователи 1 и 2 работают с углами регулирования α1 = α - 7,5o и α2 = α + 7,5o, получаем, что активная и реактивная мощности на стороне переменного тока предлагаемого многофазного преобразователя определяются по следующим выражениям:
P = 2cos7,5oqk1EIdcosα (4)
Q = 2cos7,5oqk1EIdsinα - 2y(k1E)2, (5)
где



L = L2 + 2K21L1,
где k1 = W2/W1 - коэффициент трансформации вентильной обмотки, соединенной звездой;
C - емкость фазы БШК в случае соединения фаз БШК звездой;
L1 - индуктивность К3 сетевой обмотки;
L2 - индуктивность К3 вентильной обмотки, соединенной звездой;
E - фазное напряжение шин 6;
Id - постоянная составляющая тока двенадцатифазного преобразователя 1 (или 2) на стороне выпрямленного напряжения.
Если вентили многофазного преобразователя запираемые, то угол может изменяться во всем диапазоне от 0 до 360o; возможна работа многофазного преобразователя выпрямителем и инвертном как с потреблением, так и с выдачей реактивной мощности, в частности при реактивной мощности, близкой к нулю.
Если вентили многофазного преобразователя незапираемые, то угол α может изменяться от 7,5o до 172,5o - δ , где δ - угол, в течение которого к вентилю после его проводимости должно быть приложено отрицательное анодное напряжение. Многофазный преобразователь с незапираемыми вентилями может работать выпрямителем без потребления реактивной мощности, как это видно из выражения (5).
Во входных токах i1 и i2 (чертеж) двенадцатифазных преобразователей 1 и 2, кроме первой гармоники I1(1), содержатся высшие гармоники I1(n), порядок которых n = 12k ± 1 = 11, 13, 23, 25, 35, 37, ... Согласно [4] относительные значения высших гармоник входных токов преобразователей 1 и 2

При реальных индуктивностях К3 трансформатора 4 параметр μ имеет значение около 6. При μ = 6 получаем по (6) следующие значения I*1(n) в процентах для шести высших гармоник входных токов преобразователей 1 и 2:
при n = 11, 13, 23, 25, 35, 37 I*1(1) 3,74, 2,02, 0,31, 0,24, 0,084, 0,071 % соответственно.
В фазном токе моста относительные значения высших гармоник равны 1/n (по отношению к первой гармонике). Поэтому относительное значение n-й высшей гармоники во входном токе двенадцатифазного преобразователя 1 (или 2) меньше относительного значения этой же гармоники в фазном токе моста в Р раз, где, как это следует из (6)

При μ = 6 имеет следующие значения Р, показывающие во сколько раз происходит уменьшение относительных значений высших гармоник во входных токах преобразователей 1 и 2:
при n = 11, 13, 23, 25, 35, 37 Р = 2,4, 3,8, 14, 17, 34, 38 соответственно.
Этот эффект - результат фильтрующего действия батарей шунтовых конденсаторов 5.
Переходим к определению высших гармоник в сетевом токе i многофазного преобразователя, находим их значения по отношению к первой гармонике. При этом так же, как выше для входных токов преобразователей 1 и 2, не учитываем первую гармонику холостого хода преобразователя, когда вентили заперты, а токи обусловлены шунтовыми конденсаторами. Это приближение дает незначительное увеличение относительных значений высших гармоник.
На основании выражений (3) и (6) получаем для высших гармоник сетевого тока, имеющих порядок n = (2k - 1) 12 ± 1 = 11, 13, 35, 37, ...

Относительные значения I*n этих высших гармоник в сетевом токе меньше относительных значений I*1(n) тех же гармоник во входных токах двенадцатифазных преобразователей 1 и 2 в 1/tg 7,5o = 7,6 раз. Этот эффект - результат отпирания вентилей преобразователей 1 и 2 с углами регулирования, разность которых равна 15o.
Для высших гармоник сетевого тока, имеющих порядок = 24k ± 1 = 23, 25, 47, 49, . . . , как было выяснено во входных токах преобразователей 1 и 2. Следовательно, для этих гармоник I*(n)= I*1(n), где I*1(n) определяется по (6).
На основании изложенного по выражениям (8) и (6) получаем при μ = 6 следующие относительные значения I*(n) в процентах для восьми высших гармоник сетевого тока предлагаемого многофазного преобразователя:
при n = 11, 13, 23, 25, 35, 37, 47, 49 I*(n) = 0,49, 0,27, 0,31, 0,24, 0,011, 0,009, 0,0345, 0,030 % соответственно.
При таком содержании высших гармоник коэффициент искажения синусоидальности сетевого тока

Для сравнения отметим, что коэффициент Kи, характеризующий относительную величину высших гармоник в сетевом токе, у обычных двенадцатифазных преобразователей равен 10 - 12%, а у двенадцатифазного преобразователя с шунтовыми конденсаторами - 4,3% [4]. Приведенные данные показывают, что задача изобретения выполнена: у предлагаемого многофазного преобразователя сетевой ток имеет малое содержание высших гармоник, при котором коэффициент искажения синусоидальности меньше 1%. Высшие гармоники сетевого тока настолько малы, что не требуется установка фильтров и в результате достигается положительный технико-экономический эффект.
Источники информации
1. Шляпошников Б.М. Игнитронные выпрямители для тяговых подстанций железных дорог. - М.: Гос. транспортное ж/д из-во, 1947, с. 414.
2. Авторское свидетельство СССР N 961074, кл. H 02 M 7/12, 1982.
3. Авторское свидетельство СССР N 1228760, кл. H 02 M 7/12, 1984.
4. Поссе А.В. Результаты анализа 12-фазного самокоммутируемого преобразователя в установившихся режимах. - "Изв. РАН Энергетика", N 2, 1995, с. 43-51.
Формула изобретения: Многофазный преобразователь, в состав которого входят два одинаковых двенадцатифазных преобразователя 1 и 2 с управляемыми вентилями, причем преобразователи 1 и 2 включены на стороне трехфазного напряжения параллельно, а на стороне выпрямленного напряжения - последовательно или параллельно через уравнительный реактор, отличающийся тем, что к вентильным обмоткам трансформаторов преобразователей 1 и 2 подключены шунтовые конденсаторы, соединенные звездой или треугольником, вентили преобразователя 1 отпираются с углом регулирования α1= α-7,5°, а вентили преобразователя 2 - с углом регулирования α2= α+7,5°, где α - угол регулирования, определяющий энергетические характеристики многофазного преобразователя.