Устройство для стабилизации трехфазного синусоидального напряжения со звеном повышенной частоты
Владельцы патента RU 2740490:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный государственный университет путей сообщения" (ДВГУПС) (RU)
Изобретение относится к электротехнике, в частности к силовой электронике, и может быть использовано на трансформаторных подстанциях. Сущность изобретения: устройство для стабилизации трехфазного напряжения предназначено для включения на низкой стороне силового трансформатора подстанции. Оно содержит последовательно включенные входной преобразователь частоты со звеном постоянного напряжения, понижающий двухфазно-шестифазный высокочастотный трансформатор с круговым вращающимся полем и выходной преобразователь частоты, в качестве которого применен шестифазно-трехфазный нулевой циклоконвертер. Входной преобразователь частоты повышает частоту кратно числу фаз и частоте сети и содержит транзисторный выпрямитель с ШИМ с входным синусоидальным емкостным током и двухмостовой инвертор напряжения, выполненный на основе двух однофазных мостовых схем с ШИМ с синусоидальным формированием выходных токов. Выходной преобразователь частоты из шестифазного напряжения на выходе высокочастотного трансформатора формирует регулируемое положительное или отрицательное трехфазное добавочное напряжение с частотой, равной частоте сети. Это регулируемое добавочное напряжение, суммируясь с напряжением вторичной обмотки силового трансформатора, обеспечивает потребителей подстанции стабильным напряжением. Стабилизация напряжения на нагрузке производится выпрямителем и двухмостовым инвертором напряжения по отклонению напряжения сети и циклоконвертером по отклонению напряжения на нагрузке. Технический результат - упрощение устройства и повышение энергетических показателей трансформаторной подстанции. 1 ил.
Изобретение относится к электронике, в частности к силовой электронике, и может быть использовано для стабилизации трехфазного напряжения на низкой стороне трансформаторной подстанции.
Известно устройство для стабилизации трехфазного синусоидального напряжения со звеном повышенной частоты (патент РФ №2156024. МПК: Η02Μ 5/45, G05F 1/30, опубл. 10.09.2000, Б.И. №25), которое включается на низкой стороне силового трансформатора трансформаторной подстанции и содержит два преобразователя частоты. Первый преобразователь повышает частоту и выполнен со звеном постоянного напряжения на основе трехфазного реверсивного выпрямителя с системой раздельного согласованного управления и трехфазного инвертора напряжения с синхронизированной с сетью системой управления. Второй преобразователь понижает частоту и представляет собой трехфазно-трехфазный нулевой циклоконвертор с синхронизированной с сетью и звеном повышенной частоты системой управления. Между первым и вторым преобразователями частоты включен трехфазный высокочастотный понижающий трансформатор.
Устройство создает регулируемое добавочное напряжение, которое вместе с напряжением на низкой стороне силового трансформатора прикладывается к нагрузке. Стабилизация напряжения на нагрузке осуществляется по сигналу с выхода датчика отклонения напряжения и воздействии на систему управления выпрямителем, обеспечивая амплитудное регулирование, а также воздействием на систему управления нулевым циклоконвертором для щиротно-импульсного регулирования добавочного напряжения.
К недостаткам устройства следует отнести низкие энергетические показатели и сложность управления стабилизатором при применении в нем реверсивного выпрямителя с системой раздельного согласованного управления.
Низкие энергетические показатели вызваны тем, что инвертор напряжения выполнен с функциями регулирования фазы и формирования высокочастотного переменного напряжения с длительностью проводящего состояния транзисторов равной 180 град, при которых форма тока формируется из трех экспонент и существенно отличается от синусоиды. Кроме этого, реверсивный выпрямитель с системой раздельного согласованного управления потребляет прямоугольный ток, отстающий по фазе от напряжения в процессе регулирования.
Сложность управления прямым и обратным мостами реверсивного тиристорного выпрямителя обусловлена необходимостью контроля направления тока в промежуточном звене постоянного напряжения и по знаку тока переключение мостов со сменой угла управления тиристорами. Кроме этого, в области малых отклонений напряжения нагрузки и при переходе с вольтоприбавления на вольтовычетание устройство переходит с амплитудного регулирования добавочного напряжения выпрямителем на фазовое регулирование инвертором, что также следует отнести к сложности управления устройством.
Известно также устройство для стабилизации трехфазного синусоидального напряжения со звеном повышенной частоты (патент РФ №2709186. МПК: Η02Μ 5/458, G05F 1/30, опубл. 17.12.2019, Б.И. №35), которое принято за прототип.
Устройство для стабилизации напряжения включено на низкой стороне силового трансформатора подстанции и содержит два преобразователя частоты, один из которых повышает частоту напряжения и выполнен со звеном постоянного напряжения на основе трехфазного транзисторного выпрямителя с широтно-импульсной модуляцией и трехфазного двухмостового инвертора напряжения с совместным согласованным управлением мостами, а другой понижает частоту до частоты сети и представляет собой шестифазно-трехфазный нулевой циклоконвертор с синхронизированной с сетью системой управления. Между этими двумя преобразователями частоты включен трехфазно-шестифазный понижающий высокочастотный трансформатор. Стабилизация напряжения нагрузки производится регулированием по отклонению напряжения нагрузки или сети транзисторным выпрямителем, двухмостовым инвертором напряжения и нулевым циклоконвертором.
При амплитудном регулировании добавочного напряжения посредством транзисторного выпрямителя с двухсторонним обменом энергии его входной ток совпадает по фазе с напряжением вторичной обмотки силового трансформатора. Такое регулирование не ухудшает коэффициент мощности стабилизатора, однако оно и не улучшает его, что может быть отнесено к низкой энергетической эффективности устройства.
К недостаткам прототипа следует также отнести сложную силовую часть двухмостового инвертора напряжения, состоящего из двух трехфазных транзисторных мостов, эквивалентом которых являются три однофазных транзисторных моста, а также сравнительно сложную аппаратную и программную часть его системы совместного согласованного управления.
Задачей изобретения является упрощение устройства и повышение энергетических показателей.
В результате решения поставленной задачи достигается упрощение силовой схемы и системы управления двухмостового инвертора напряжения, улучшение синусоидальности токов в первичных обмотках двухфазно-шестифазного понижающего высокочастотного трансформатора и качества его кругового вращающегося магнитного поля, улучшение синусоидальности тока, потребляемого транзисторным выпрямителем и, вследствие его емкостного характера, повышение коэффициента мощности трансформаторной подстанции.
Указанный технический результат достигается тем, что система управления трехфазного транзисторного выпрямителя с широтно-импульсной модуляцией выполнена с возможностью опережающего формирования его входного тока относительно напряжения на вторичной обмотке силового трансформатора на постоянный угол, равный 90 град, двухмостовой инвертор напряжения выполнен в виде двух однофазных транзисторных инверторов напряжения с широтно-импульсной модуляцией, фазы выходных напряжений которых смещены относительно друг друга на постоянный угол 90 град, а понижающий высокочастотный трансформатор выполнен двухфазно-шестифазным с круговым вращающимся магнитным полем с двумя первичными фазными обмотками, сдвинутыми в пространстве относительно друг друга на 90 град и с тремя фазными вторичными обмотками, сдвинутыми в пространстве относительно друг друга на 120 град, средними точками, соединенными в звезду, а началами и концами подключенными к шестифазному входу нулевого циклоконвертора, при этом выходы двух однофазных транзисторных инверторов напряжения с широтно-импульсной модуляцией подключены к соответствующим двум первичным фазным обмоткам двухфазно-шестифазного понижающего высокочастотного трансформатора с круговым вращающимся магнитным полем.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемым чертежом, где на фиг. 1 представлена схема устройства для стабилизации трехфазного синусоидального напряжения со звеном повышенной частоты.
Устройство содержит силовой трансформатор 1 с первичной и вторичной обмотками 2 и 3, двухфазно-шестифазный понижающий высокочастотный трансформатор 4 с вращающимся магнитным полем с двумя первичными фазными обмотками 5 и 6 и вторичной обмоткой 7, трехфазный транзисторный выпрямитель 8 с входным L-фильтром 9 и выпрямительным мостом 10, а также системой управления 11, LC-фильтр 12, двухмостовой инвертор напряжения 13 с первым 14 и вторым 15 однофазными инверторами напряжения с ШИМ и системой управления 16, нулевой циклоконвертор 17 с системой управления 18, датчик отклонения напряжения сети 19, датчик отклонения напряжения нагрузки 20, измерительно-синхронизирующий блок 21 и нагрузку 22.
Элементы устройства соединены следующим образом.
Вторичная обмотка 3 силового трансформатора 1 включена между выходом нулевого циклоконвертора 17 и нагрузкой 22.
Двумя первичными фазными обмотками 5 и 6 двухфазно-шестифазный понижающий высокочастотный трансформатор 4 с вращающимся магнитным полем соответственно подключен к выходам первого 14 и второго 15 однофазных инверторов напряжения с ШИМ двухмостового инвертора напряжения 13. Выходы первого 14 и второго 15 однофазных инверторов напряжения с ШИМ транзисторного двухмостового инвертора напряжения 13 объединены и через LC-фильтр 12 подключены к выходу трехфазного транзисторного выпрямителя 8, который через свой входной L-фильтр 9 подключен к нагрузке 22.
Вторичная обмотка 7 понижающего высокочастотного трансформатора 4 содержит три фазные вторичными обмотками, сдвинутыми в пространстве относительно друг друга на 120 град, которые средними точками соединены в звезду, а началами и концами подключенными к шестифазному входу нулевого циклоконвертора 17.
Первый управляющий вход системы управления 18 нулевого циклоконвертора 17 подключен к выходу датчика отклонения напряжения нагрузки 20, вход которого подключен пофазно между вторичной обмоткой 3 силового трансформатора 1 и нагрузкой 22. Управляющий выход системы управления нулевого циклоконвертора 18 подключен к управляющему входу нулевого циклоконвертора 17. Управляющий выход системы управления 11 трехфазным транзисторным выпрямителем 8 подключен к управляющему входу выпрямительного моста 10. Синхронизирующие входы системы управления 11 трехфазным транзисторным выпрямителем 8, первые синхронизирующие входы системы управления 16 двухмостовым инвертором напряжения 13, вторые синхронизирующие входы системы управления 18 нулевым циклоконвертором 17, а также вход датчика отклонения напряжения сети 19 подключены к выходам измерительно-синхронизирующего блока 21, первый и второй входы которого подключены к вторичным фазным обмоткам 3 силового трансформатора 1, а выход датчика отклонения напряжения сети 19 подключен ко второму управляющему входу системы управления 16 двухмостовым инвертором напряжения 13, при этом первый и второй выходы системы управления 16 двухмостовым инвертором напряжения подключены к управляющим входам первого 14 и второго 15 однофазных инверторов напряжения с ШИМ двухмостового инвертора напряжения 13.
Устройство (фиг. 1) работает следующим образом.
В процессе формирования добавочного напряжения задействованы понижающий высокочастотный трансформатор 4, который определяет требуемый диапазон стабилизации напряжения и выполнен двухфазно-шестифазным с круговым вращающимся магнитным полем, а также трехфазный транзисторный выпрямитель 8 с входным L-фильтром 9, LC-фильтр 12, двухмостовой инвертор напряжения 13 и нулевой циклоконвертор 17.
В режиме вольтодобавки дополнительный поток электрической энергии направлен из сети в нагрузку 22 через силовой трансформатор 1, транзисторный выпрямитель 8, с его L-фильтром 9 и выпрямительным мостом 10, LC-фильтр 12, двухмостовой инвертор напряжения 13, понижающий высокочастотный трансформатор 4 и нулевой циклоконвертор 17, а в режиме вольтовычета из нагрузки 22 в сеть в обратом направлении.
Пофазный перевод устройства из режима вольтодобавки в режим вольтовычета производится увеличением угла задержки включения тиристоров соответствующих фазных анодных и катодных групп нулевого циклоконвертора 17 на величину, которая больше половины полупериода высокочастотного напряжения.
Стабилизация напряжения на нагрузке производится как посредством регулирования углами открывания тиристоров нулевого циклоконвертора 17, так и посредством двухмостового инвертора напряжения 13, в котором управление проводящим состоянием транзисторов для каждого из мостов, выполненными однофазными, осуществляется методом широтно-импульсной модуляции.
Двухмостовой инвертор напряжения 13 формирует двухфазное модулированное напряжение повышенной частоты в течении каждого положительного и отрицательного полупериода, кратное частоте сети, например 450 Гц. При этом фаза напряжения управления вторым транзисторным мостом 15 двухмостового инвертора напряжения 13 относительно фазы напряжения управления первым транзисторным мостом 14 двухмостового инвертора напряжения 13 смещена на фазовый угол 90 град. Полученное таким образом напряжение далее преобразуется в понижающем высокочастотном трансформаторе 4 и подается на вход нулевого циклоконвертора 17, выполненного на трех анодных и трех катодных группах из шести однооперационных тиристоров.
Внутри каждой группы управляемых тиристоров нулевого циклоконвертора 17 коммутация происходит естественным путем в выпрямительном и инверторных режимах при питании тиристорных групп периодически изменяющимся высокочастотным напряжением вторичной обмотки 7 понижающего высокочастотного трансформатора 4, а формирование синхронизированной с сетью вольтодобавки производится нулевым циклоконвертором 17 в зависимости от рассогласования фазных напряжений нагрузки при помощи фазных каналов системы управления 18.
Трехфазный транзисторный выпрямитель 8 выполнен на IGBT-транзисторах с обратными диодами и возможностью двухстороннего обмена электроэнергией и в процессе стабилизации напряжения формирует синусоидальный ток, опережающий по фазе на 90 град, напряжение во вторичной обмотке 3 силового трансформатора 1.
Технический результат заключается в упрощении силовой схемы и системы управления двухмостового инвертора напряжения, улучшения синусоидальности токов в первичных обмотках двухфазно-шестифазного понижающего высокочастотного трансформатора и качества его кругового вращающегося магнитного поля, улучшения синусоидальности тока, потребляемого трехфазным транзисторным выпрямителем и, вследствие его емкостного характера, повышение коэффициента мощности трансформаторной подстанции.
Устройство для стабилизации трехфазного синусоидального напряжения со звеном повышенной частоты, включенное на низкой стороне силового трансформатора подстанции и содержащее понижающий высокочастотный трансформатор, датчик отклонения напряжения сети, датчик отклонения напряжения нагрузки, трехфазный транзисторный выпрямитель с широтно-импульсной модуляцией, с входным L-фильтром и синхронизированной с сетью системой управления, двухмостовой инвертор напряжения с общим для его двух мостов входным LC-фильтром и синхронизированной с сетью системой управления, шестифазно-трехфазный нулевой циклоконвертор с естественной коммутацией, система управления которым синхронизирована с напряжением сети и напряжением звена повышенной частоты, отличающееся тем, что система управления трехфазного транзисторного выпрямителя с широтно-импульсной модуляцией выполнена с возможностью опережающего формирования его входного тока относительно напряжения на вторичной обмотке силового трансформатора на постоянный угол, равный 90 град, двухмостовой инвертор напряжения выполнен в виде двух однофазных транзисторных инверторов напряжения с широтно-импульсной модуляцией, фазы выходных напряжений которых смещены относительно друг друга на постоянный угол 90 град, а понижающий высокочастотный трансформатор выполнен двухфазно-шестифазным с круговым вращающимся магнитным полем с двумя первичными фазными обмотками, сдвинутыми в пространстве относительно друг друга на 90 град, и с тремя фазными вторичными обмотками, сдвинутыми в пространстве относительно друг друга на 120 град, средними точками, соединенными в звезду, а началами и концами подключенными к шестифазному входу нулевого циклоконвертора, при этом выходы двух однофазных транзисторных инверторов напряжения с широтно-импульсной модуляцией подключены к соответствующим двум первичным фазным обмоткам двухфазно-шестифазного понижающего высокочастотного трансформатора с круговым вращающимся магнитным полем.
