Трехфазный преобразователь переменного напряжения в постоянное с защитой

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

545 А1 (I9)SU(II) д 1е 1 Ц (ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOIVIY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4171809/24-07 (22) 04. 01. 87 (46) 30.05.89. Бюл.№ 20 (71) Московский энергетический институт и Всесоюзный научно-исследовательский проектно-конструкторский. технологический институт электротермического оборудования (72) О.Г. Булатов и В.А. Шитов (53) 621.314.632 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1107235, кл. Н 02 М 7/162, 1983. .Авторское свидетельство СССР № 987759, кл. Н 02 М 7/155, 1981.

Авторское свидетельство СССР

¹ 752685, кл. Н 02 М 7/12, 1974, Авторское свидетельство СССР № 324684, кл..Н 02 Н 7/10, 1970.

Авторское свидетельство СССР № 678584, кл. Н 02 Н 7/10, 1978. (54) ТРЕХФАЗНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ

С ЗАЩИТОЙ (57) 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— (51) 4 H 02 H 7/10 Н 02 М 7/162

2 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 one режением 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 цепоч ках 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 3. 5 ил.

148354 5

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 се. тевых искажений. 10

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. 3 — полупериод рабо-, ты устройства, а на фиг.4 — часть этого г полупериода в увеличенном масштабе времени) на фиг.5 — расчетные характеристики.

В преобразователе коммутируемое устройство 1 выполнено по грехфазной мостовой схеме и подключено к трехфазной сети переменного тока. Трехфазный мостовой. выпрямитель 2 выпол- 25 нен 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 . 30 между собой по постоянному току че° „ рез индуктивно-емкостной фильтр,состоящий из дросселя 5 и конденсатора

6. Цепочка из двух последовательно соединенных двухоперационных тиристоров 7, 8 включена согласно-парал35 лельно с коммутируемым устройством

1, цепочка из двух последовательно соединенных тиристоров 9, 10 включена согласно-параллельно с выпрями 40 телем 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 соединеí с общей точкой тиристоров катодной группы мостового коммутируемого устройства 1, являющейся положительным выводом преобразователя, а анод тиристора 12 соединен с общей

50 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.

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

ЗДС 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 йитающей сети, i, i, i — фазные токи сети, U с — напряжение на конденсаторе 6 фильтра; U, U — напряжения на катодной и анодной вентильных группах мостового коммутируемого устройства 1, соответственно нулевой питающей шины сети; Ы вЂ” угол регулирования; <, — круговая частота питающей сети; Т - период питающей сети; и — текущее время; Po — номинальная активная мощность; Я вЂ” реактивная мощность; Тя — мощность искажения, P o = UoId U o = (3 Г2/") Upi

IJ — действующее значение линейного напряжения питающей сети; I — ток нагрузки О/Uo — относительная величина среднего значения выходного напряжения преобразователя, где U— среднее значение выходного напряжения. На фиг.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 образом.

Включение каждого из вентилей трехфазного моста 1 осуществляется с опережением относительно соответствующего момента естественной KQM мутации на величину Д = oI/, где угол регулирования, и†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

545 6 цесс коммутации в других фазах осуществляется аналогично по описанному выше алгоритму. Характерно, что коммутация тока нагрузки с одной фазы на другую происходит в дна этапа: на первом этапе (интервал t -t } проис1 7 ходит вывод энергии, накопленной в индуктивностях отключаемой Aàçw питающей сети, на втором этапе (интервал -t ) происходит нарастание тока в очередной вступающей в работу фазе. Особенностью устройства являет ся отключение в каждом такте коммутации только одной фазы питающей сети.

На обоих коммутационных интервалах происходит увеличение напряжения на конденсаторе 6. Снижение этого напряжения до начального уровня обеспечивается частичным разрядом конденса4 тора 6 входным током инвертора 3.

Угол управления тиристорами этого инвертора, определяющий величину его входного тока, должен быть таким, чтобы к началу следующей коммутации (в статическом режиме работы через

i/6 часть периода питающей сети) напряжение на конденсаторе 6 восстановило свой начальный уровень. Выходное напряжение преобразователя равно сумме напряжений U, и 11>, 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 АТЕР3-50-230Р-У4.

Силовая часть этого преобразователя включает в себя два трехфазных моста, выполненных на тиристорах. В состав предложенного преобразователя также входят трехфазные тиристорные 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 двухоперационными тиристорами 13-18 коммутируемого устройства 1..Как следует из описанного выше алгоритма управления (см. также фиг.4), коммутирую" щие тиристоры 7-12 включаются либо одновременно с включением тиристоров трехфазного мостового коммутируемого устройства 1, либо с задержкой

5 1483 тиристор 18 — фаза С вЂ” фаза А — тиристор

13-положительный вывод преобразователя. Для перевода тока нагрузки с фазы А на фазу В в момент времени ,5 двухоперационный тиристор 13 запирают и одновременно включают тиристоры 7, 10 и 19. В результате ток нагрузки переходит на контур: отрицательный вывод преобразователя — 10 тиристор 18, — фаза С вЂ” нулевая шина - тиристор 7 — положительный вывод преобразователя. Фаза А оказьг вается 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 выпря- 20 мителя 2 — конденсатор 6 †тиристор

10 — нулевая шина. Начальное напряжение на конденсаторе 6 превышает амплитуду фазного напряжения, поскольку он первоначально заряжается 25 от трехфазного мостового выпрямителя 2. На интервале спада к нулю тока фазы А напряжение на конденсаторе

6 увеличивается. В момент t2 ток в фазе А прекращается и тиристоры 10, ЗО

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 мо- 40 жет мгновенно возрасти до величины тока нагрузки. Поэтому после запирания двухоперационного тиристора 7 ток нагрузки переходит на контур: отрицательный вывод преобразователя- 45. тиристор 18 — фаза С вЂ” тиристор 9— конденсатор 6 — тиристор 11 — положи" тельный вывод преобразователя.Поскольку напряжение на конденсаторе 6 превышает амплитуду фазного напряже50 ния, то ток нагрузки начинает плавно переходить с укаэанного контура на контур: отрицательный вывод преобразователя — тиристор 18 — фаза С— фаза  — тиристор 14. При этом ток фазы В плавно увеличивается до величины тока нагрузки и в момент t дос3 тигает этой величины. На этом процессе коммутации заканчивается.Про1483545 на величину длительности интервала

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 сетевь1х искажений. На фиг.5 представлены расчетные зависимости величин реактивной мощности

qA, и мощности искажений Т„/Р, (в относительных единицах) от относительного значения средней величины выходного напряжения преобразователя

ИБ, причем характеристики предложенйого преобразователя изображены 2п сплошными линиями, а прототипа— пунктирными. Если сетевые искажения оценивать по величине мощности искажения, то видно, что в диапазоне изменения вьгходного напряжения U/U = 25

= 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.3 провал в кривой сетево о тока фазы В показан пунктиром. Этот провал ухудшает гармонический состав сетевого тока и обусловлен тем, что в схеме

35 прототипа вентили в обеих группах (анодной и катодной) коммутируются одновременно. Например, запирание тиристора 13 (см.фиг ° 2) в схеме проТОтипа дОлжнО сопровОждаться Одно 40 временным запиранием тиристора 18. В предложенном преобразователе возможно независимое запирание вентилей в обеих вентильных группах.

Снижение коммутационных пер енапряжений. В момент принудительного за— пирания вентилей трехфазного мостово— го коммутируемого устройства напряжение на конденсаторе 6 увеличива= ется на величину, которую можно ориентировочно оценить выражением и 1 = — I

Увеличение генерируемой реактив1 ной мощности. Как показано на фиг.5, величина реактивной мощности в диапазоне изменения выходного напряжения

U/U = 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 вьгкодного напряжения в выпрямительном режиме.

Формула из о бр е те ния

Трехфазный преобразователь переменного напряжения в постоянное с защитой, выполненный по мостовой схеме на полностью управляемых вентилях и содержащий систему импульснофазового управления, причем защита включает в себя трехфазный мост,выход постоянного тока которого через индуктивно-емкостный фильтр соединен с управляемым от системы импульснофазового управления инвертором,выводы переменного тока преобразователя и выпрямителя соединены, о т л ич а ю шийся 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 це- . почки из двух последовательно соединенных тиристоров каждая, одна из которых выполнена на двухоперацион1483545 ных тиристорах и включена согласнопараллельно с преобразователем, а другая — согласно — параллельно с выпрямителем и два дополнительных тиФ .5 ристора, включенные между раэнополярными 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 для осуществления переключения двухоперационных тиристоров преобразователя с опережением относительно моментов естественной коммутации для включения тиристоров выпрямителя в момент эапирания одного из соответствующих тиристоров преобразователя, а также средства для обеспечения коммутации тиристоров в указанных дополнительно введенных цепочках на интервалах переключения фаэ сети и для обеспечения проводимости укаэанных введенных тиристоров на интервале включения очередной фазы сети.

148354 5

ЩЮ у - Фи4

tf tg

o,â

0,0. Oil

-0,2

Ог оО

Pедактор А. Долинич

Заказ 2843/51 Тираж б07 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и откр ытиям и и ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г. р д, Ужго о ул. Гагарина, 101

91f

f8

08 08 1О

О/Up

Составитель Е. Мельникова

ТехРед А.КРавчУк КоРРектоР С. Декмар