Стабилизатор трехфазного напряжения с однофазным звеном высокой частоты

 

Изобретение относится к преобразовательной технике и предназначено для стабилизации трехфазного напряжения на низкой стороне трансформаторной подстанции. Сущность изобретения: упрощение и облегчение стабилизатора достигается за счет введения в него однофазного звена повышенной частоты. Стабилизатор содержит два преобразователя частоты, один из которых со звеном постоянного тока (трехфазно-однофазный), а другой с непосредственной связью и естественной коммутацией (однофазно-трехфазный). Между ними включен однофазный высокочастотный понижающий трансформатор. Стабилизатор обеспечивает стабильность напряжения на низкой стороне трансформаторной подстанции независимо от изменений напряжения сети, а также от величины и характера нагрузки. При этом управление стабилизатором осуществляется двумя способами. В одном случае напряжение вольтодобавки регулируется без сдвига первой гармоники, в другом - с опережающим фазосдвижением напряжения вольтодобавки для компенсации реактивной мощности. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к преобразовательной технике и предназначено для стабилизации напряжения на низкой стороне трансформаторной подстанции с возможностью частичной компенсации реактивной мощности.

В условиях роста цен на энергоносители, в частности на электроэнергию, актуальна проблема создания энергосберегающих устройств, к которым относятся стабилизаторы напряжения с компенсацией реактивной мощности. Одновременно с этим при более быстром росте цен на медь, чем на полупроводники, целесообразными становятся электроустановки с промежуточным звеном повышенной частоты, облегчающие трансформаторное оборудование. Решению этих вопросов посвящено данное предложение, которое наилучшим образом проявляет свою полезность в электроустановках большой мощности, в частности в энергоблоках промпредприятий.

Известен стабилизатор переменного напряжения со звеном высокой частоты (авт.св. СССР N 648960, кл. G 05 F 1/16, Н 02 P 13/16, 1979), который устанавливается на низкой стороне главного трансформатора и содержит в каждой фазе высокочастотный однофазный вольтодобавочный трансформатор с первичной, вторичной и дополнительными обмотками, а также модулятор и демодулятор, рассчитанные соответственно на токи первичной и вторичной обмоток вольтодобавочного трансформатора и содержащие по четыре полностью управляемых ключа с двусторонней проводимостью (итого в трехфазном варианте 54 транзистора или заптира, половина из которых работает в цепи тока нагрузки).

Недостатками стабилизатора являются ограниченная мощность и, следовательно, область применения из-за необходимости применения в цепи тока нагрузки полностью управляемых ключей, его сложность вследствие применения в силовой части трехфазного стабилизатора большого количества полностью управляемых ключей с двусторонней проводимостью и специальных многообмоточных однофазных трансформаторов, а также вследствие сложности алгоритма управления и реализующей его системы, сравнительно большие вес и габариты преобразователя из-за применения в нем трех однофазных вольтодобавочных трансфоматоров, трех модуляторов и трех демодуляторов.

Известен также стабилизатор трехфазного напряжения со звеном высокой частоты, отличающийся от предыдущего аналога упрощенной конструкцией однофазных вольтодобавочных трансформаторов (авт.св. СССР N 589681, кл.Н 02 P 13/14, Н 02 М 5/22, 1978). Он включается на низкой стороне главного трансформатора и содержит в каждой фазе высокочастотный однофазный двухобмоточный вольтодобавочный трансформатор, мост-модулятор (инвертор) и мост-демодулятор (конвертор) на полностью управляемых ключах с двусторонней проводимостью. К одним из диагоналей этих мостов соответственно подключены первичная и вторичная обмотки однофазных высокочастотных вольтодобавочных трансформаторов, другая диагональ моста-модулятора подключена к сети или к нагрузке, а другая диагональ моста-демодулятора включена в цепь нагрузки.

Однако и этому стабилизатору присущи недостатки. Он имеет ограниченную по мощности область применения, сравнительно сложные силовую часть и систему управления, а также большой вес и габариты как трансформаторного, так и полупроводникового оборудования на единицу мощности.

Наиболее близким к предлагаемому является стабилизатор трехфазного напряжения (авт.св. СССР N 322836, кл. H 02 P 13/14, H 02 M 5/45, 1970), который взят за прототип и содержит главный трехфазный трехобмоточный трансформатор, три однофазных или один трехфазный выпрямитель с синхронизированной с сетью системой управления напряжением, три однофазных инвертора с системами задания частоты, а также датчик напряжения нагрузки, выход которого через элемент сравнения подключен к управляющему входу системы управления напряжением, причем первичная обмотка главного тpансфоpматоpа подключена к сети, его вторичная обмотка включена в цепь нагрузки, а дополнительная вторичная обмотка через три однофазных выпрямителя или один трехфазный выпрямитель и три однофазных инвертора подключена к первичным обмоткам трех однофазных понижающих трансформаторов, вторичная обмотка каждого из которых включена в цепь нагрузки той же фазы, а две дополнительные вторичные обмотки соответственно в цепи нагрузок предыдущей и последующей фаз. Стабилизация напряжения осуществляется изменением угла управления тиристоров выпрямителя в функции разности между сигналом обратной связи с сигналом задания.

Недостатки прототипа большой вес и габариты трансформаторного оборудования и сложность вследствие применения трех однофазных четырехобмоточных трансформаторов и трех однофазных инверторов с системами задания частоты.

Цель изобретения улучшение массогабаритных показателей и упрощение стабилизатора.

Цель достигается тем, что в стабилизатор введены блок синхронизации и повышения частоты и однофазно-трехфазный непосредственный преобразователь частоты с естественной коммутацией, в состав которого входят три анодные и три катодные тиристорные группы, каждая из которых выполнена на двух тиристорах, и синхронизированная с сетью система повышения частоты, причем фазные вторичные обмотки главного трансформатора включены между трехфазной нагрузкой и трехфазным выходом непосредственного преобразователя частоты, однофазный вход которого подключен к вторичной обмотке однофазного понижающего трансформатора, выход блока синхронизации и повышения частоты подключен к синхронизирующему входу системы задания частоты однофазного инвертора, вход блока синхронизации и повышения частоты подключен к дополнительной вторичной обмотке главного тpансфоpматоpа, к которой также подключен синхронизирующий вход системы понижения частоты непосредственного преобразователя частоты, управляющий вход которой подключен к выходу элемента сравнения.

Целью изобретения является также обеспечение частичной компенсации реактивной мощности, которая в прототипе не только не производится, но, напротив, имеет место дополнительное потребление реактивной мощности.

Эта дополнительная полезность стабилизатора достигается тем, что выход датчика напряжения нагрузки через элемент сравнения также подключен к управляющему входу системы задания частоты инвертора (на фиг.1 пунктирная линия), которая вместе с системой понижения частоты непосредственного преобразователя частоты выполнена с возможностью регулирования фазы управляющих импульсов в сторону опережения относительно напряжения сети.

На фиг.1 приведена принципиальная схема стабилизатора; на фиг.2 временные диаграммы формирования выходного напряжения для двух режимов работы.

На фиг.1 введены следующие обозначения: U_зϕ,U_pϕ и U_за, U_ра сигналы задания и регулирования соответственно фазы и амплитуды напряжения вольтодобавки.

Стабилизатор (фиг. 1) содержит трехфазные сеть 1 и нагрузку 2, главный трехфазный трехобмоточный трансформатор 3 с первичной обмоткой 4, вторичной обмоткой 5 и дополнительной вторичной обмоткой 6, однофазный понижающий двухобмоточный трансформатор 7 с первичной и вторичной обмотками 8 и 9, трехфазно-однофазный преобразователь 10 частоты со звеном постоянного тока, в состав которого входят трехфазный выпрямитель 11 с синхронизированной с сетью системой 12 управления напряжением, однофазный инвертор 13 с системой 14 задания частоты, блок 15 синхронизации и повышения частоты, однофазно-трехфазный непосредственный преобразователь 16 частоты с естественной коммутацией, в состав которого входят три анодные 17, 18, 19 и три катодные 20, 21, 22 тиристорные группы, каждая из которых выполнена на двух тиристорах и синхронизированная с сетью система 23 понижения частоты, датчик 24 напряжения нагрузки и элемент 25 сравнения.

Первичная обмотка 4 главного трансформатора 3 подключена к сети 1, его вторичная обмотка 5 включена между нагрузкой 2 и выходными зажимами непосредственного преобразователя 16 частоты входные зажимы которого подключены к вторичной обмотке 9 однофазного понижающего трансформатора 7. Первичная обмотка 8 однофазного понижающего трансформатора 7 подключена к выходу инвертора 13, вход которого через трехфазный выпрямитель 111 подключен к дополнительной вторичной обмотке 6 главного трансформатора 3, к которой подключены синхронизирующие входы блока 15 синхронизации и повышения частоты, системы 12 управления напряжением, а также системы 23 понижения частоты, Выход блока 15 синхронизации и повышения частоты подключен к первому управляющему входу системы 14 повышения частоты, выход которой подключен к инвертору 13, а выход датчика 24 напряжения нагрузки через элемент 25 сравнения подключен к управляющему входу системы 12 управления напряжением, выход которой подключен к выпрямителю 11. К дополнительным связям для обеспечения компенсации реактивной мощности следует отнести (см.фиг.1 пунктирная линия) подключение второго управляющего входа системы 14 повышения частоты инвертора 13 к выходу элемента 25 сравнения с учетом того, что и система 14 повышения частоты и система 23 понижения частоты выполнены с возможностью плавного регулирования фазы на опережение напряжения сети.

Стабилизатор работает следующим образом.

Преобразователь 10 частоты со звеном постоянного тока из трехфазного напряжения дополнительной обмотки 6 главного тpансфоpматоpа 3 формирует однофазное регулируемое напряжения высокой частоты. Это высокочастотное напряжение понижается однофазным трансформатором 7 и подается на вход трехфазно-однофазного непосредственного преобразователя 16 частоты. Тиристорный преобразователь 16 частоты с естественной коммутацией и ведомой сетью из однофазного регулируемого напряжения высокой частоты формирует регулируемое по величине трехфазное напряжение с частотой, равной частоте сети. Выходное напряжение преобразователя 16 частоты вместе с напряжением на вторичной обмотке 5 главного трансформатора 3 в сумме составляет напряжение нагрузки 2, которое стабилизируется на заданном, например номинальном, уровне за счет воздействия разностным сигналом, снимаемым с элемента 25 сравнения, на систему 12 управления выпрямителем 11, входящую в состав преобразователя 10 частоты.

При смене полярности сигнала на выходе элемента 25 сравнения, подаваемого на управляющий вход системы 23 понижения частоты, последняя дискретно сдвигает управляющие импульсы, подаваемые на анодные 17, 18, 19 и катодные 20, 21, 22 вентильные группы, на полупериод напряжения сети. Так производятся смена полярности добавочного напряжения и перевод стабилизатора из режима вольтодобавки (фиг.2а) в режим вольтовычета (фиг.2 б) и наоборот. При этом независимо от режима работы стабилизатора внутри вентильных групп 17-22 тиристоры коммутируются естественным путем как в выпрямительном, так и в инверторном режимах работы непосредственного преобразователя 16 частоты.

Вышеописанный процесс преобразования напряжения можно выразить следующими аналитическими соотношениями.

Среднее выпрямленное напряжение дополнительной вторичной обмотки 6 главного трансформатора 3 U_dα= · ·F(α_B) (1) где U₁ фазное напряжение сети; K₁₂ W₁/W_2д отношение числа витков первичной обмотки 4 к числу витков дополнительной вторичной обмотки 6; F(α_В)∈ [0,1] передаточная функция выпрямителя 11; α_в угол управления тиристорами выпpямителя 11.

Уменьшенное высокочастотным трансформатором 7 выходное напряжение инвертора 13 имеет прямоугольную форму с регулируемой амплитудой, равной U_mf= ·U₁·F(α_В) (2) где K_и K₁₂ глубина вольтодобавки; K_т коэффициент трансформации однофазного понижающего высокочастотного трансформатора 7.

Это высокочастотное однофазное напряжение при помощи непосредственного преобразователя 16 частоты преобразовывается в трехфазное напряжение вольтодобавки с двухступенчатой формой фазного напряжения (фиг.2).

Действующее значение первой гармоники двухступенчатой вольтодобавки = · U_dα· e= · · F(α_В)e
(3) где α_п фаза вольтодобавки, имеющая два значения 0 и π радиан.

Фазное напряжение нагрузки
= /K₁₁+ (4) где K₁₁= коэффициент трансформации главного трансформатора 3.

На основании выражений (3) и (4) получают
= + · · e или
U₂=U+ · · F(α_В)·e
(5)
При α_п 0 стабилизатор работает в режиме вольтодобавки, а при α_п π в режиме вольтовычета, формируя выходное напряжение без сдвига первой гармоники.

Выполнение системы 14 управления инвертором 13 и системы 23 управления непосредственным преобразователем 16 частоты с возможностью регулирования фазы α_и инвертора и фазы α_п непосредственного преобразователя в сторону опережения относительно напряжения сети позволяет реализовать способ управления стабилизатором с компенсацией реактивной мощности сети. В этом случае α_п регулируется внутри полупериода напряжения сети, а α_п внутри полупериода напряжения высокочастотного звена.

Выходное напряжение стабилизатора с учетом выражения (5) и регулируемой по фазе вольтодобавкой
= U+ · · F(α_В) e
Наиболее целесообразной областью применения являются промышленные и агропромышленные трансформаторные подстанции мощностью 250-1000 кВА.

Формула изобретения

1. СТАБИЛИЗАТОР ТРЕХФАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ С ОДНОФАЗНЫМ ЗВЕНОМ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ, содержащий главный трехфазный трехобмоточный трансформатор, однофазный понижающий двухобмоточный трансформатор и трехфазно-однофазный преобразователь частоты со звеном постоянного тока, в состав которого входит трехфазный выпрямитель с синхронизированной с сетью системой управления напряжения и однофазный инвертор с системой задания частоты, а также датчик напряжения нагрузки, выход которого через элемент сравнения подключен к управляющему входу системы управления напряжением, при этом первичная обмотка главного трансформатора подключена к сети, его вторичная обмотка включена в цепь нагрузки, а дополнительная вторичная обмотка через трехфазно-однофазный преобразователь частоты со звеном постоянного тока подключена к первичной обмотке однофазного понижающего трансформатора, отличающийся тем, что введены блок синхронизации и повышения частоты и однофазно-трехфазный непосредственный преобразователь частоты с естественной коммутацией, в состав которого входят три анодные и три катодные тиристорные группы, каждая из которых выполнена на двух тиристорах, и синхронизированная с сетью система понижения частоты, причем фазные вторичные обмотки главного трансформатора включены между трехфазной нагрузкой и трехфазным выходом непосредственного преобразователя частоты, однофазный вход которого подключен к вторичной обмотке однофазного понижающего трансформатора, выход блока синхронизации и повышения частоты подключен к синхронизирующему входу системы задания частоты однофазного инвертора, вход блока синхронизации и повышения частоты подключен к дополнительной вторичной обмотке главного трансформатора, к которой также подключен синхронизирующий вход системы понижения частоты непосредственного преобразователя частоты, управляющий вход которой подключен к выходу элемента сравнения.

2. Стабилизатор по п.1, отличающийся тем, что выход датчика напряжения нагрузки через элемент сравнения подключен к управляющему входу системы задания частоты инвертора, которая так же, как и система понижения частоты непосредственного преобразователя частоты выполнена с возможностью плавного регулирования фазы управляющих импульсов от 0 до π рад в сторону опережения относительно напряжения сети.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2