Трехфазный преобразователь переменного напряжения в постоянное с защитой

(51) НИЕ д 1(1 Ц БРЕ А ВТОРСКОМУ ВИДЕТЕЛЬСТВ ов ОСУДАРСТВЕННЬЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМРИ ГКНТ СССР(71) Московский энергетический институт и Всесоюзный научно-исследовательский проектно-конструкторский технологический институт электротермического оборудования(56) Авторское свидетельство СССР В 1107235, кл. Н 02 М 7/162, 1983..Авторское свидетельство СССР В 987759, кл. Н 02 М 7/155, 1981.Авторское свидетельство СССР 1( 752685, кл . Н 02 М 7/12, 1974,Авторское свидетельство СССР У 324684, клН 02 Н 7/10, 1970.Авторское свидетельство СССР В 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 -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, проис ходит увеличение генерируемой реактивной мощности и расширение диапазона регулирования выходного напряжения. Для этого переключение двух- операционных тиристоров коммутируемого устройства 1 производится с оп режением относительно моментов естественной коммутации, включение тиристоров выпрямителя 2 осуществляется в момент запирания одного изсоответствующих тиристоров преобразователя 1, Кроме того, на интервалах переключения фаз сети обеспечивается коммутация тиристоров в цепочках последовательно соединенных тиристоров 7,8,9,10 и их проводимостьна интервале включения очереднойфазы сети. На коммутационных интервалах происходит увеличение напряжения на конденсаторе 6. Снижение этого напряжения до начального уровняобеспечивается частичным разрядомконденсатора 6 входным током инвертора 3. 5 ил.20 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 сетевых искажений. 1 ОНа фиг.1 представлена схема преобразователя, на фиг,2 - эквивалентная схема устройства на интервале коммутации на фиг, 3 и 4 - временные диаграммы, поясняющие работу 15 устройства (на фиг. 3 - полупериод рабо-,- ты устройства, а на фиг.4 - часть этого 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 выпал 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 между собой по постоянному току через индуктивно-емкостной Фильтр,состоящий из дросселя 5 и конденсатора 6. Цепочка из двух последовательно соединенных двухоперационных тиристоров 7, 8 включена согласно-парал 35 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 соединен с общей точкой тиристоров катодной группы мостового коммутируемого устройства 1, являющейся положительным выводом преобразователя, а анод тиристора 12 соединен с общей50 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,,, д - Фазные токи сети, П с - напряжение на конденсаторе 6 фильтра; 11 Б- напряжения на катодной и анодной вентильных группах мостового коммутируемого устройства 1, соответственно нулевой питающей шины сети; Ы - угол регулирования;- круговая частота питающей сети; Т - период питающей сети; С - текущее время; Р - номинальная активная мощность; Я - реактивная мощность; Тя - мощность искажения, Р = П 1 Б = (3 Г 2/ф) ля, П- действующее значение линейного напряжения питающей сети; 1 - ток нагрузки П(Б - относительная вели" чина среднего значения выходного напряжения преобразователя, где П - среднее значение выходного напряжения. На джг.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 коммутации на величину= с/и, где Н - угол регулирования, ы- 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 г., проводили тиристоры 13, 18 трехфазного устройства 1. При этом ток нагрузки протекал по контуру: отрицательный вывод преобразователя545 6цесс коммутации в других фазах осуществляется аналогично по описанномувыше алгоритму. Характерно, что коммутация тока нагрузки с одной Лазына другую происходит в дна этапа: напервом этапе (интервал-С ) проис)ходит вывод энергии, накопленной виндуктивностях отключаемой фазы питающей сети, на втором этапе (интервал с - ) происходит нарастаниетока в очередной вступающей в работуфазе. Особенностью устройства является отключение в каждом такте коммута"ции только одной фазы питающей сети.На обоих коммутационных интервалахпроисходит увеличение напряжения наконденсаторе 6. Снижение этого напряжения до начального уровня обеспечивается частичным разрядом конденсатора 6 входным током инвертора 3.Угол управления тиристорами этогоинвертора, определяющий величинуего входного тока, должен быть таким,чтобы к началу следующей коммутации(в статическом режиме работы через1/6 часть периода питающей сети)напряжение на конденсаторе 6 восстановило свой начальный уровень, Выходное напряжение преобразователяравно сумме напряжений Ц 1 и 112, которые в статическом режиме работысовпадают по форме, но сдвинуты одно относительно другого на 1/6 частьпериода питающей сети,Для управления преобразователемможно использовать систему управления, входящую в комплект, серийногопреобразователя АТЕР 3-50-230 Р-У 4.Силовая часть этого преобразователявключает в себя два трехфазных моста, выполненных на тиристорах, Всостав предложенного преобразователятакже входят трехфазные тиристорныемосты. Так, для управления коммутируемым устройством 1, выполненнымпо трехфазной мостовой схеме, и трехфазным мостовым инвертором 3 можноиспользовать блоки серийной системыуправления, дополнив их формирователями импульсов для управления двухоперационными тиристорами 13-18 коммутируемого устройства 1.,Как следуетиз описанного выше алгоритма управления (см. также фиг.4), коммутирую"щие тиристоры 7-12 включаются либоодновременно с включением тиристоровтрехфазного мостового коммутируемого устройства 1, либо с задержкой 5 1483 тиристор 18 - фаза С - фаза А - тиристор13-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 - 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 прекра. титься мгновенно. Ток фазы А плавно спадает к нулю в контуре: фаза А - тиристор 19 катодной группы выпря мителя 2 - конденсатор 6 втиристор 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 моментток 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 жет мгновенно возрасти до величины тока нагрузки. Поэтому после запирания двухоперационного тиристора 7 ток нагрузки переходит на контур: отрицательный вывод преобразователя. тиристор 18 - фаза С - тиристор 9 - конденсатор 6 - тиристор 11 - положи" тельный вывод преобразователя.Поскольку напряжение на конденсаторе 6 превышает амплитуду фазного напряже 50 ния, то ток нагрузки начинает плавно переходить с укаэанного контура на контур: отрицательный вывод преобразователя - тиристор 18 - фаза С - фаза В - тиристор 14. При этом ток фазы В плавно увеличивается до величины тока нагрузки и в момент С дос 3 тигает этой величины, На этом процессе коммутации заканчивается.Про 1483545на величину длительности интервалаПоэтому 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 сетевых искажений. На фиг.5 представлены расчетные зависимости величин реактивной мощности Я/Ро и мощности искажений Т/Р, в относительных единицах) от относительного значения средней величины выходного напряжения преобразователя ИБ, причем характеристики предложенйого преобразователя изображены 20 сплошными линиями, а прототипа - пунктирными. Если сетевые искажения оценивать по величине мощности искажения, то видно, что в диапазоне изменения вьгходного напряжения И 0 д = 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 сетевоо тока Фазы В показан пунктиром. Этот провал ухудшает гармонический состав сетевого тока и обусловлен тем, что в схеме35 прототипа вентили в обеих группах (анодной и катодной) коммутируются одновременно. Например, запирание тиристора 13 (см.фиг,2) в схеме прототипа должно сопровождаться одно временным запиранием тиристора 18. В предложенном преобразователе возможно независимое запирание вентилей в обеих вентильных группах. 45Снижение коммутационных пер енапряжений. В момент принудительного запирания вентилей трехфазного мостового коммутируемого устройства напряжение на конденсаторе 6 увеличива-.ется на величину, которую можно ориентировочно оценить выражением й 0 Ю11 П./С, где 1 с - ток нагрузки; Ь - индуктивность отключаемых фаз; С - емкость конденсатора 6, В предложенном преобразователе в каждом такте коммутации отключается только одна фаза, а в прототипе - две. Поэтому в предложенном устройстве коммута-. ционные перенапряжения в Г 2 разменьше,чем в прототипе.Увеличение генерируемой реактивной мощности. Как показано на фиг.5,величина реактивной мощности в диапазоне изменения выходного напряженияБ/ц = 0,2-0,8 повышается в среднемна 30Расширение диапазона регулирования выходного напряжения. Для определения среднего значения выходногонапряжения Б необходимо проинтегрировать мгновенное значение кривой Н,на интервале 1/3 периода питающейсети. Коммутационные процессы оказывают влияние на величину среднегозначения выходного напряжения. В схеме прототипа коммутационные процессы затягиваются, так как в каждомтакте коммутации отключаются две фазы питающей сети и следовательно выводится большее значение накопленной энергии, В предложенном устройстве за каждый такт коммутации отключается только одна фаза, поэтомувлияние коммутационных процессов навеличину 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 нияТрехфазный преобразователь переменного напряжения в постоянное с защитой, выполненный по мостовой схеме на полностью управляемых вентилях и содержащий систему импульсно- фазового управления, причем защита включает в себя трехфазный мост,выход постоянного тока которого через индуктивно-емкостный фильтр соединен с управляемым от системы импульсно- фазового управления инвертором,выводы переменного тока преобразователя и выпрямителя соединены, о т л ич а ю щ и й с я 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 соединенньгх тиристоров каждая, одна из которых выполнена на двухоперацион 1483.545ных тиристорах и включена согласно- параллельно с преобразователем, а другая - согласно в параллель с выпрямителем и два дополнительных тиФ.5 ристора, включенные между раэнополярными выводами выпрямителя и преобразователя, причем общиеточки 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, 1148354 5 1 ЩЮ о/и став кона Корректор С, Некмар е А о изобретения35, Раушская комбинат едактор А. Долини аказ 2843/51 Тираж бО НИИПИ Государственного комитет113035, Москва,Производственно-издат Е. Мельниавчук писноеи открытиям при ГКНТ СС жгород, ул. Гагарина, 10