Стабилизатор трехфазного напряжения с однофазным звеном высокой частоты

 

Изобретение относится к энергетической электронике и предназначено для пофазной стабилизации трехфазного напряжения на низкой стороне трансформаторной подстанции с компенсацией реактивной мощности. Техническим результатом является упрощение и облегчение устройства, который достигается за счет введения в него однофазного звена высокой частоты. Устройство 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, средняя точка вторичной обмотки которого подключена к нулевому проводу нагрузки. Вход преобразователя частоты со звеном постоянного тока подключен к нагрузке или к дополнительному источнику, а выход преобразователя частоты с непосредственной связью включен в рассечку звезды вторичной обмотки главного трансформатора подстанции. Процесс стабилизации трехфазного напряжения осуществляется воздействием на выпрямитель, а симметрирование этого трехфазного напряжения воздействием на тиристоры фазных групп непосредственного преобразователя частоты. Предложены также варианты устройства без потребления реактивной мощности, с частичной ее компенсацией и с полной автоматической компенсацией. 4 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к энергетической электронике и предназначается для пофазной стабилизации напряжения на низкой стороне трансформаторной подстанции с возможностью компенсации реактивной мощности.

Известен стабилизатор трехфазного напряжения со звеном высокой частоты [1] , который включен на низкой стороне главного трансформатора и содержит в каждой фазе высокочастотный однофазный вольтодобавочный трансформатор, мост - модулятор (инвертор) и мост - демодулятор (конвертор) на полностью управляемых ключах с двухсторонней проводимостью. К одним из диагоналей этих мостов соответственно подключены первичная и вторичная обмотки вольтодобавочного трансформатора, другая диагональ моста - модулятора каждой фазы подключена к соответствующей фазе сети или нагрузки, а другая диагональ моста - демодулятора каждой фазы включена в цепь соответствующей фазы нагрузки.

К недостаткам устройства, прежде всего, следует отнести ограниченную по мощности область применения, сравнительно сложную силовую часть стабилизатора и систему управления, а также большой вес и габариты как трансформаторного, так и полупроводникового оборудования. Кроме этого, с повышением частоты промежуточного звена ограничивается диапазон регулирования фазы первой гармоники напряжения вольтодобавки и исключается возможность компенсации реактивной мощности.

Наиболее близким к предлагаемому является стабилизатор трехфазного напряжения [2] , который взят за прототип. Он содержит главный трехфазный трехобмоточный трансформатор, три однофазных понижающих четырехобмоточных трансформатора, выпрямительный блок, в состав которого входят три однофазных или один трехфазный выпрямитель с синхронизированной с сетью системой управления, три однофазных инвертора с синхронизированными с сетью системами управления, а также блок датчиков отклонений фазных напряжений нагрузки, выходы которых подключены к соответствующим фазным управляющим входам системы управления выпрямительного блока, при этом первичная обмотка главного трансформатора подключена к сети, его вторичная обмотка включена в цепь нагрузки, а дополнительная вторичная обмотка через выпрямительный блок 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 фазы. Пофазная стабилизация напряжения осуществляется изменением углов управления тиристорами фазных каналов выпрямительного блока в функции отклонений фазных напряжений нагрузки от заданного уровня.

Недостатки прототипа - это, прежде всего, большая материалоемкость и сложность конструкции трансформаторного оборудования. К ним также следует отнести ограниченность или даже полное отсутствие зоны стабилизации напряжения в условиях дефицита электроэнергии, например, когда мощность, источника соизмерима с суммарной мощностью нагрузок, особенно при наличии резкопеременных нагрузок. Наконец, стабилизатор не обеспечивает компенсации реактивной мощности, а наоборот его выпрямители потребляют дополнительную реактивную мощность, что увеличивает расход электроэнергии, в большей степени усугубляет проблему стабилизации напряжения в условиях ограниченной мощности источников электроснабжения и требует дополнительного увеличения габаритной мощности трансформаторов.

Задачей изобретения является во-первых, улучшение массогабаритных показателей и упрощение устройства, во-вторых, повышение качества электроэнергии в условиях ее дефицита и, в-третьих, повышение эффективности использования электроэнергии.

В результате решения этой задачи вместо трех четырехобмоточных трансформаторов, расчитанных на промышленную частоту, применен один высокочастотный однофазный двухобмоточный трансформатор, главный трехфазный трехобмоточный трансформатор заменен на двухобмоточный и взамен трем инверторам применен один. Достигается повышение качества выходного напряжения устройства для потребителей, удаленных на большие расстояния от энергетических центров и имеющих в графике нагрузок интервалы дефицита электроэнергии. Достигается также компенсация реактивной мощности потребляемой из сети с освобождением вакансии в линиях электропередач для полезной активной мощности.

Решение поставленной задачи достигается за счет введения дополнительных элементов и новых связей, а именно за счет того, что: 1. Введен датчик, среднего отклонения трехфазного напряжения нагрузки, формирователь синхроимпульсов, умножитель 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, а также система управления непосредственным преобразователем частоты, в состав которого входит синхронизированный с сетью фазосдвигающий блок выходного напряжения непосредственного преобразователя частоты с одним общим управляющим входом и синхронизированный со звеном высокой частоты формирователь управляющих импульсов, выполненный с возможностью регулирования угла задержки включения тиристоров каждой фазной анодной и катодной группы в выпрямительном и инверторном режимах и имеющий для этого три фазных управляющих входа, причем трехфазная нагрузка присоединена к трехфазному входу преобразователя частоты со звеном постоянного тока и через фазные вторичные обмотки главного трансформатора подключена к трехфазному выходу непосредственного преобразователя частоты, однофазный вход которого подключен к вторичной обмотке однофазного понижающего трансформатора, выполненной со средней точкой, присоединенной к нулевому проводу нагрузки, фазные входа формирователя синхроимпульсов подключены к соответствующим фазным вторичным обмоткам главного трансформатора, а его выход соединен с синхронизирующим входом фазосдвигающего блока системы управления непосредственного преобразователя частоты и через умножитель частоты подключен к синхронизирующим входам системы управления инвертором и формирователя управляющих импульсов системы управления непосредственным преобразователем частоты, общий управляющий вход фазосдвигающего блока системы управления непосредственным преобразователем частоты и управляющий вход системы управления трехфазным выпрямителем подключены к выходу датчика среднего отклонения трехфазного напряжения нагрузки, а три фазных управляющих входа формирователя управляющих импульсов системы управления непосредственным преобразователем частоты пофазно подключены к соответствующим выходам блока датчиков отклонений фазных напряжений нагрузки.

2. Звено постоянного тока между трехфазным выпрямителем и однофазным инвертором подключено к дополнительному источнику питания постоянного тока, в том числе аккумуляторного типа.

3. Входные зажимы тиристорного выпрямителя и синхронизирующие входы его системы управления подключены к дополнительному источнику питания переменного тока.

4. Системы управления непосредственным преобразователем частоты и инвертором выполнены с возможностью плавного регулирования фазы от 0 до π рад в сторону опережения относительно напряжения сети, а их управляющие входы объединены.

5. Введен датчик реактивной мощности в комплекте с измерительными трансформаторами тока и напряжения, который включен на низкой или высокой стороне главного трехфазного трансформатора и его выход через элемент сравнения подключен к управляющему входу системы управления выпрямителем.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми к нему чертежами, где на фиг. 1 приведена функциональная схема стабилизатора трехфазного напряжения с однофазным звеном повышенной частоты, а на фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4 модифицированные схемы стабилизатора, расширяющие его функциональные возможности и, за счет этого, обеспечивающие дополнительные эффекты в рамках решения основной задачи.

Стабилизатор трехфазного напряжения с однофазным звеном высокой частоты (фиг. 1) содержит следующие элементы.

Входные 1 и выходные 2 зажимы, предназначенные для подключения соответственно к трехфазной сети и трехфазной нагрузке, трехфазный главный трансформатор 3 с первичными и вторичными фазными обмотками 4 и 5, однофазный понижающий высокочастотный трансформатор 6 с первичной и вторичной обмотками 7 и 8, трехфазно-однофазный преобразователь частоты 9 со звеном постоянного тока, в состав которого входит трехфазный выпрямитель 10 с системой управления 11 и однофазный инвертор 12 с системой управления 13. Кроме этого, устройство содержит однофазно-трехфазный непосредственный преобразователь частоты 14 с катодными 15, 17, 19 и анодными 16, 18, 20 тиристорными группами с естественной коммутацией и системой управления 21, в состав которой входят синхронизированный с сетью фазосдвигающий блок 22 и формирователь 23 высокочастотных управляющих импульсов. К основным элементам устройства также относятся: формирователь синхроимпульсов 24, умножитель частоты 25, датчик 26 среднего отклонения трехфазного напряжения нагрузки и блок 27 датчиков отклонения фазных напряжений нагрузки. Кроме основных элементов устройства (фиг. 1), модифицированные его схемы содержат дополнительный источник 28 постоянного тока (как один из вариантов, см. фиг. 2), в качестве которого может быть применен генератор постоянного тока с приводным двигателем и (или) аккумулятор, дополнительный источник 29 переменного тока (как один из вариантов, см. фиг. 3), в качестве которого может быть применен дизель-генератор, мощность которого пропорциональна диапазону изменения напряжения сети, ветрогенератор совместно с аккумулятором в звене постоянного тока или дополнительная маломощная трехфазная сеть. Все варианты стабилизаторов трехфазного напряжения с однофазным звеном высокой частоты для частичной или полной автоматической компенсации входной реактивной мощности дополнительно содержат (см. фиг. 4) датчик реактивной мощности 30 в комплекте с измерительными трансформаторами тока и напряжения, установленными на низкой или высокой стороне главного трансформатора и элемент оравнения 31.

Элементы устройства (фиг. 1) соединены следующим образом.

Первичная обмотка 4 главного трансформатора 3 присоединена к входным зажимам 1, предназначенным для подключения к трехфазной сети, вторичная обмотка 5 главного трансформатора 3 концами присоединена к выходным зажимам 2, предназначенным для подключения к трехфазной нагрузке, а началами к выходу соответствующих фаз однофазно-трехфазного непосредственного преобразователя частоты 14 с естественной коммутацией, однофазный вход которого подключен ко вторичной обмотке 8 однофазного понижающего трансформатора 6, выполненной со средней точкой, которая подключена к нулевому проводу трехфазной нагрузки, в то время как первичная обмотка 7 однофазного трансформатора 6 подключена к выходу однофазного инвертора 12, вход которого через трехфазный выпрямитель 10 подключен к выходным зажимам 2, фазные входы формирователя 24 синхроимпульсов подключены к соответствующим фазным вторичным обмоткам 5 главного трансформатора 3, а его выход соединен с синхрониизирующим входом фазосдвигающего блока 22 системы управления 21 непосредственным преобразователем частоты 14 и через умножитель частоты 25 подключен к синхронизирующим входам системы 13 управления инвертором 12 и формирователю 23 управляющих импульсов системы 21 управления непосредственным преобразователем частоты 14, общий управляющий вход фазосдвигающего блока 23 и управляющий вход системы 11 управления трехфазным выпрямителем 12 объединены и подключены к выходу датчика 26 среднего отклонения трехфазного напряжения нагрузки, а три фазных управляющих входа формирователя 23 управляющих импульсов пофазно подключены к соответствующим выходам блока 27 датчиков отклонений фазных напряжений нагрузки. При этом в варианте устройства (фиг. 2) звено постоянного тока между трехфазным выпрямителем 10 и однофазным инвертором 12 подключено к дополнительному источнику 28 постоянного тока или еще в одном варианте устройства (фиг. 3) входные зажимы тиристорного выпрямителя 10 и синхронизирующие входы его системы управления 11 подключены к дополнительному источнику 29 переменного тока. Дополнением к вышеупомянутым вариантам является объединение в общую точку управляющих входов систем управления 13 и 21 соответственно инвертором 12 и непосредственным преобразователем частоты 14 (в соответствии с фиг. 4 и п.4 формулы). Наконец, применительно ко всем предлагаемым вариантам устройства вновь введенный датчик 30 реактивной мощности в комплекте с измерительными трансформаторами напряжения и тока включен на низкой или высокой (фиг. 4) стороне главного трансформатора и его выход (в соответствии с п. 5 формулы) через элемент сравнения 31 подключен к управляющему входу системы 11 управления трехфазным тиристорным выпрямителем 10.

В предлагаемом устройстве непосредственный преобразователь частоты 14 может быть выполнен как на двенадцати тиристорах попарно объединенных в катодные 15, 17, 19 и анодные 16, 18, 20 группы, так и в модульном исполнении на шести однофазных или двух трехфазных интеллектуальных силовых модулях. Преобразователь частоты 9 со звеном постоянного тока может быть выполнен на базе двухкомплектного реверсивного выпрямителя ТО и однофазного инвертора 12 напряжения по мостовой схеме или схеме со средней точкой. Он может быть также выполнен на базе однокомплектного мостового трехфазного выпрямителя 10 и однофазного инвертора 12 тока по мостовой схеме или схеме со средней точкой. В обоих случаях преобразователь 9 обеспечивает двухсторонний пропуск энергии, но вариант с инвертором тока в указанных стабилизаторах может быть наиболее предпочтителен из-за выполнения как выпрямителя 10, инвертора 12, так и преобразователя частоты 9 со звеном постоянного тока в целом с минимальным количеством вентилей. Однако при компенсации больших отклонений и колебаний напряжения на нагрузке с одновременной компенсацией значительной части реактивной мощности, потребляемой главным трансформатором 3 из сети наиболее целесообразным является применение варианта с инвертором напряжения для улучшения формы тока нагрузки и тока, потребляемого из сети.

Устройство (фиг. 1) согласно предлагаемому изобретению работает следующим образом.

Преобразователь частоты 9 со звеном постоянного тока из трехфазного напряжения нагрузки 2 формирует однофазное регулируемое напряжение высокой частоты. Это высокочастотное напряжение понижается однофазным трансформатором 6 и подается на вход однофазно-трехфазного непосредственного преобразователя частоты 14. Тиристорный преобразователь частоты 14 с естественной коммутацией и ведомый сетью из однофазного регулируемого напряжения высокой частоты формирует три однофазных добавочных напряжения, которые, кроме общего регулирования при помощи выпрямителя 10 с системой управления 11, могут дополнительно регулироваться независимо друг от друга за счет изменения угла задержки включения тиристоров каждой пары фазных вентильных групп в отдельности при помощи формирователя 23 высокочвстотных управляющих импульсов. Разделение трехфазного добавочного напряжения, снимаемого с выхода преобразователя частоты 14 на три однофазных добавочных напряжения, снимаемых с фазных вентильных групп 15 и 16, 17 и 18, 19 и 20, обеспечивается за счет выполнения непосредственного преобразователя частоты 14 с нулевым проводом, который создан средней точкой вторичной обмотки 8 понижающего трансформатора 6, подключенной к нулевому проводу нагрузки 2. Выходные фазные напряжения преобразователя частоты 14 вместе соответствующими фазными напряжениями на вторичной обмотке 5 главного трансформатора 3 в сумме составляют трехфазное напряжение нагрузки 2, которое стабилизируется на заданном, например номиналом, уровне за счет воздействия сигналом, снимаемым с выхода датчика 26 среднего отклонения трехфазного напряжения нагрузки 2, на систему управления 11 выпрямителем 10 и суммируется за счет воздействия тремя фазными сигналами, снимаемыми с выходов блока 27 датчиков отклонений фазных напряжений нагрузки, на формирователь 23 системы управления 21 через его соответствующие фазные управляющие входы для независимого импульсно-фазового управления фазными группами 15 и 16, 17 и 18, 19 и 20 непосредственного преобразователя частоты 14.

При этом независимо от режима работы устройства внутри вентильных групп 15 - 20 тиристоры коммутируются естественным путем как в выпрямительном, так и в инверторном режимах непосредственного преобразователя частоты 14. Указанные процессы протекают благодаря питанию вентильных групп 15 - 20 преобразователя 14 периодическим напряжением и синхронизации формирователя 23 высокочастотных управляющих импульсов с частотой этого напряжения, которая задается кратной числу фаз по отношению к частоте сети системой управления 13 однофазным инвертором 12, формирователем синхроимпульсов 24 и умножителем частоты 25. Устройство (фиг. 1) производит регулирование фазных, добавочных напряжений без сдвига их первых гармонических составляющих относительно соответствующих фазных напряжений вторичной обмотки 5 главного трансформатора 3. Работа устройства в режиме вольтодобавки задается начальной фазой добавочного напряжения, равной 0 рад, а в режиме вольтовычета - π рад. Перевод устройства (фиг. 1) из режима вольтодобавки в режим вольтовычета производится при смене полярности сигнала, снимаемого с выхода датчика 25 среднего отклонения трехфазного напряжения нагрузки 2.

Подключение дополнительного источника питания 28 к звену постоянного тока преобразователя частоты (см. фиг. 2) позволяет сохранить процесс стабилизации выходного напряжения устройства в условиях дефицита энергии основного источника. При этом мощность дополнительного источника не велика и составляет часть от мощности нагрузки, пропорциональную диапазону регулирования добавочного напряжения. Применение в составе источника 28 аккумулятора позволяет накапливать энергию в режиме вольтовычета или в другие интервалы графика нагрузок, когда отсутствует дефицит электроэнергии, и использовать ее при резких провалах напряжения в сети или при набросах нагрузки для демпфирования выходного напряжения устройства. Этими же преимуществами будет обладать стабилизатор снабженный дополнительным источником 29 переменного тока (см. фиг. 3). В этом варианте устройства канал формирования добавочного напряжения может быть полностью автономным.

Выполнение системы управления 13 инвертором 12 и системы управления 21 непосредственного преобразователя частоты 14 с возможностью регулирования фазы высокочастотного напряжения и синхронизированного с сетью добавочного напряжения в сторону опережения относительно напряжения сети (в соответствии с п. 4 формулы на фиг. 4 связь между блоком 26 и системой управления 13 показаны сплошной линией) позволяет реализовать способ управления стабилизатором с компенсацией реактивной мощности главного трансформатора 3 подстанции и с улучшением, в связи с этим, жесткости его внешней характеристики. При этом режим частичной или полной компенсации реактивной мощности на выходе (или на входе) главного трансформатора 3 подстанции (см. фиг. 4) задается сигналом задания, подаваемым на один из входов элемента 31 сравнения (вычитателя), на второй вход которого поступает сигнал с выхода датчика реактивной мощности 30, включенного на низкой (или на высокой) стороне главного трансформатора 3 подстанции. Процесс компенсации реактивной мощности с поддержанием ее потребления на заданном уровне достигается воздействием разностным сигналом, снимаемым с выхода элемента 31 сравнения (фиг. 4) на управляющий вход системы управления 11 выпрямителем 10.

Предлагаемое устройство как более совершенное, обладающее улучшенными массогабаритными показателями и расширенными функциональными возможностями, может заменить известные стабилизаторы трехфазного напряжения трансформаторных подстанций.

Источники информации 1. А.с. СССР N 589681, H 02 P 13/14, H 02 M 5/22, 1978.

2. А.с. СССР N 322836, H 02 P 3/14, H 02 M 5/45 - Прототип.

Формула изобретения

Стабилизатор трехфазного напряжения с однофазным звеном высокой частоты, содержащий главный трехфазный трансформатор, однофазный понижающий трансформатор и трехфазно-однофазный преобразователь частоты со звеном постоянного тока, в состав которого входит трехфазный тиристорный выпрямитель с синхронизированной с напряжением на его входных зажимах системой управления и однофазный инвертор с системой управления, а также блок датчиков отклонения фазных напряжений нагрузки, при этом первичная обмотка главного трехфазного трансформатора подключена к сети, его фазные вторичные обмотки включены в цепь нагрузки, а выход трехфазно-однофазного преобразователя частоты, подключен к первичной обмотке однофазного понижающего трансформатора, отличающийся тем, что введен датчик среднего отклонения трехфазного напряжения нагрузки, формирователь синхроимпульсов, умножитель частоты и однофазно-трехфазный непосредственный преобразователь частоты, в состав которого входят три анодные и три катодные тиристорные группы, каждая из которых выполнена на двух однооперационных тиристорах, а также система управления однофазно-трехфазным непосредственным преобразователем частоты, в состав которой входит синхронизированный с сетью фазосдвигающий блок выходного напряжения однофазно-трехфазного непосредственного преобразователя частоты с одним общим управляющим входом и синхронизированный со звеном высокой частоты формирователь управляющих импульсов, выполненный с возможностью регулирования угла задержки включения тиристоров каждой фазной анодной и катодной группы в выпрямительном и инверторном режимах и имеющих для этого три фазных управляющих входа, причем трехфазная нагрузка присоединена к входу трехфазно-однофазного преобразователя частоты и через фазные вторичные обмотки главного трансформатора подключена к выходу однофазно-трехфазного непосредственного преобразователя частоты, вход которого подключен к вторичной обмотке однофазного понижающего трансформатора, выполненной со средней точкой, присоединенной к нулевому проводу нагрузки, фазные входы формирователя синхроимпульсов подключены к соответствующим фазным вторичным обмоткам главного трехфазного трансформатора, а его выход соединен с синхронизирующим входом фазосдвигающего блока системы управления непосредственного преобразователя частоты и через умножитель частоты подключен к синхронизирующим входам системы управления однофазным инвертором и формирователя управляющих импульсов системы управления трехфазно-однофазным непосредственным преобразователем частоты, общий управляющий вход фазосдвигающего блока системы управления однофазно-трехфазным непосредственным преобразователем частоты и управляющий вход системы управления трехфазным выпрямителем подключены к выходу датчика среднего отклонения трехфазного напряжения нагрузки, а три фазных управляющих входа формирователя управляющих импульсов системы управления однофазно-трехфазным непосредственным преобразователем частоты пофазно подключены к соответствующим выходам блока датчиков отклонений фазных напряжений нагрузки.

2. Стабилизатор по п.1, отличающийся тем, что вход однофазного инвертора трехфазно-однофазного преобразователя частоты со звеном постоянного тока подключен к дополнительному источнику питания постоянного тока, в том числе аккумуляторного типа.

3. Стабилизатор по п.1, отличающийся тем, что входные зажимы трехфазного тиристорного выпрямителя и синхронизирующие входы его системы управления подключены к дополнительному источнику питания переменного тока.

4. Стабилизатор по п.1, отличающийся тем, что системы управления однофазно-трехфазным непосредственным преобразователем частоты и однофазным инвертором выполнены с возможностью плавного регулирования фазы от 0 до π рад. в сторону опережения относительно напряжения сети, а их управляющие входы объединены.

5. Стабилизатор по п.4, отличающийся тем, что введен датчик реактивной мощности в комплекте с измерительными трансформаторами тока и напряжения, который включен на низкой или высокой стороне главного трехфазного трансформатора и его выход через элемент сравнения подключен к управляющему входу системы управления трехфазным выпрямителем.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4