Обратимый каскадный компенсационный преобразователь

(71) Киевский ордена Ленина политехнический институт им. 50-летия Вели,кой Октябрьской социалистической революции(56) 1. Авторское свидетельство СССРУ 961074, кл. Н 02 М 7/12, 1981.2. Авторское свидетельство СССРВ 410523, кл. Н 02 М 7/19; 1972.(54)(57) 1. ОБРАТИМЫЙ КАСКАЦНЫЙ КОМПЕНСАЦИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий условно-двенадцатифазный каскадный компенсационный преобразователь, состоящий из четырех последовательно и параллельно соединенныхмежду собой трехфазных преобразовательных мостов с объединенными поФазно общими точками вентилей анодных и катодных групп последовательносоединенных мостов и подключеннымик трехфазной батарее конденсатороврегулируемой емкости, подключенныйк трехфазному трансформатору с первичной обмоткой и четырьмя вторичны- -ми, две иэ которых соединены в прямую и обратную звезду, а две другиев прямой и обратный треугольник, о тл и ч а ю щ и й с я темчто, сцелью повьаения экономичности, эффективности использования основного,оборудования и Фаэносги преобразования, к вьгходньм выводам параллельно через двухфазные уравнительные реакторы подключен дополнительно введенный условно-двенадцатифазный Эд) Н 02 М 7/68; Н 02 М 7/155 каскадный компенсационный преобразователь, общие точки вентилей анодных и катодных групп последовательно соединенных мостов которогообъединены пофаэно между собой и подключены к трехфазной батарее конденсаторов, первичные обмотки обоих трансформаторов выполнены из основной и дополнительной секций, соединенных в зигзаг так, что начала основных секций фаз А, В, С трансформаторов подключены к соответствующим фазам сети, начала дополнительных секций каждого трансформатора объединены, концы основных секций Фаз А, В, С соединеныО с концами дополнительных секций Ж фаз С, А, В соответственно в одном трансформаторе и с концами дополнительных секций фаз В, С, А соответст- Сфф венно в другом, с четырьмя вторичными обмотками в каждом трансформаторе, Я две из которых соединены в прямую и обратную звезду а две другие - в прямой и обратный тре- угольник. 2. Преобразователь по п. 1, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что каждьй из двух трансформаторов подключен к отдельному условно-двенадцатнфазному .каскадному компенсационному преобразователю.3. Преобразователь по п. 1, о т - л и ч а ю щ и й с я тем, что две вто ричные обмотки каждого из трансформаторов, соединенные в прямую и обратную звезду, подключены к преобразовательным мостам одного условно-двенадцатифаэного каскадного компенса- . ционного преобразователя, а две другие, соединенные в прямой и обратныйного каскадного компенсационногопреобразователя. 1128356 треугольник, - к преобразовательным мостам другого условно-двенадцатпфаз- гИзобретение относится к преобразовательной технике и предназначено для питания мощных потребителей в электрифицированном транспорте, цветной металлургии, химической промыш ленности, в электропередачах постоянного тока, в частности, для питания установок злектрографитации.Известен компенсированный двадцатичетырехфазный преобразовательный О агрегат, содержащий два двухмостовых преобразовательных блока, питающихся от трансформаторов с однойпервичной обмоткой, снабженной устройством регулирования напряжения под нагрузкой,5 и двумя вторичными, соединенными в звезду и в треугольник. Блоки соединены по постоянному току параллельно и снабжены коммутирующим устройством, выполненным в виде трехфазного реак-, 20 тора, зашунтированного пофазно конденсаторными батареями. Полюса, образованные средними точками фазных обмоток реактора компенсирующего устройства, одключены к входным вы водам. Между полюсами, образованными началами фазных обмоток реактора компенсирующего устройства и полюсами первичной обмотки трансформатора, включены фазоповоротные устройства 30 со сдвигом фазных напряжений на угол +7,5 эл,гпад, в первом блоке и на -7,5 эл. град. во втором И .Недостатками преобразовательногоагрегата являются наличие в коммутирующем устройстве трехфазного реактора - места дополнительных потерьэнергии и элемента, снижающего еготехнологичность, а также надежностьподдержания заданного значения коэф фициента мощности при регулировании выпрямленного напряжения в широких пределах.Наиболее близким техническим реше- нием к предлагаемому является услов-.45 но-двенадцатифазный каскадный компен сационный преобразователь, содержащий четыре последовательно и параллельносоединенных между собой трехфазныхпреобразовательных моста, питающихсяот трансформатора с одной первичнойобмоткой, соединенной либо в звезду,либо в треугольник, и с четырьмявторичными обмотками, две из которых .соединены в прямую и обратную звезды,а две другие - в прямой и обратныйтреугольник.Такое соединение обмоток трансформатора обеспечиваетсдвиг системИпитающих ЭДС отдельных мостов на. -2по отношению друг к другу. Последовательно соединенные трехфазные преобразовательные мосты подключены, кобщей нагрузке через двухфазные уравнительные реакторы, средние точкикоторых являются полюсами постоянно/. го тока преобразователя. Общие точкивентилей анодных и катодных групппоследовательно соединенных преобразовательных мостов объединены пофазно между собой и подключены к трехфазной группе конденсаторов регулируемойемкости 2.Недостатками преобразователя являются низкая фазность преобразования, при которой в сеть генерируются11-я, 13-я, 23-я, 25-я и т.д. гармоники тока, а также невысокая эффективность использования конденсаторной батареи,. Целью изобретения является повы-шение экономичности, эффективностииспользования основного оборудованияи фазности преобразования.Эта цель достигается тем, что к обратимому каскадному компенсационномунреобраэователю, состоящему из четырех последовательно и параллельносоединейных между собой трехфазныхпреобразовательных мостов с объединенными -пофазно общими точками вентилей анодных и катодных групп последовательно соединенных мостов и3 1128 подключенными к трехфазной батарее конденсаторов регулируемой емкости, подключенному к трехфазному трансформатору с первичной обмоткой и четырьмя вторичными, две из которых соединены в прямую и обратную звезду, а две другие - в прямой и обратный треугольник, к выходным выводам параллельно через двухфазные уравнительные реакторы подключен дополни О тельно введенный условно-двенадцатифазный каскадный компенсационный преобразователь, общие точки вентилей анодных и катодных групп последовательно соединенньм мостов. которого 15 объединены пофазно между собой и подключены к трехфазной батарее кон - денсаторов, первичные обмотки обоих трансформаторов выполнены из основной и дополнительной секций, соединенных в зигзаг так, что начала основных секций фаэ А, В, С трансформаторов подключены к соответствующим фазам сети, начала дополнительных секций каждого трансформатора объединены, концы основных секций Фаз А, В, С соединены с концами дополнительных. секций фаз С, А, В соответственно в одном трансформаторе и с концами дополнительных секций фаз В, С, А соот-З ветственно в другом, с четырьмя вторичными обмотками в каждом трансформа- торе, две из которых соединены в прямую и обратную звезды, а две другие- в прямой и обратный треугольники.В одномчастном исполнении каждый35 иэ двух трансформаторов подключен к отдельному условно-двенадцатифаэному каскадному компенсационному преобразователю.В другом частном исполнении две вторичные обмотки каждого из трансФорматоров, соединенные в прямую и обратную звезду, подключены к преобразовательным мостам одного условно двенадцатифазного каскадного компенсационного преобразователя, а две другие, соединенные в прямой и обратный треугольник, - к преобразовательным мостам другого условно-двенадца тифазного каскадного компенсационного преобразователя.На фиг. 1 представлена электрическая схема обратимого каскадного ком- . пенсационного преобразователя, в ко тором каждый условно-двенадцатифаэный каскадный компенсационный преоб;разователь питается от отдельного 356 4трансформатора, на фиг, 2 - электрическая схема обратимого каскадного компенсационного преобразователя, в котором по две вторичные обмотки.обо их питающих трансформаторов, соединенные в прямую и обратную звезды, подключены к преобразовательным мостам одного условно-двенадцатифазного каскадного компенсационного преобразователя, а две другие, соединенные в прямой и обратный треугольник, к преобразовательным мостам другого условно-двенадцатифазного каскадного компенсационного преобразователя,Обратимый каскадный компенсационный преобразователь содержит два условно-двенадцатифазных каскадньм компенсационных преобразователя 1, подключенных к общей нагрузке через двухфазные уравнительные реакторы 2. Средние точки последних. являются полюсами постоянного тока преобразователя. Общие точки вентилей анодных и катодных групп последовательно соединенных преобразовательных мостов объединены пофазно между собой и подключены к трехфазной группе коммутирующих конденсаторов 3 регулируемой емкости, смонтированных иэвестньи образом треугольником или звездой. Принципиальным конструктивным отличием предлагаемого преобразователя от известного является то, что в нем одна трехфазная батарея коммутирующих конденсаторов обслуживает в два раза большее число трехфазных групп вентилей (элементарньм преобразователей) и схемы соединения первичных обмоток трехфазных трансформаторов 4, имеющих по четыре вторичные обмотки, две из которых соединены в прямую и обратную звезду и две в прямой и ббратный треугольник. Соединение первичньм обмоток в зигзаг обеспечивает сдвиг систем фазных ЭДС на угол +22,5 эл. град. в одном трансформаторе и на -22.,5 эл, град. в другом, Зигзаг выполнен из секций с числом витков 1 Ч, и Ъ," . Если определить коэффициент трансформации как С У /Ито требуемый сдвиг получа.ется приУС = --- 07 СИЭС ф ---0,44 СУ 1УПриведенные значения показывают, 1 что секция с числом витков Ю являФтся основной, а секция 5" дополнительной. Соединение секций в зиг - эаг выполнено следующим образом: начала основных секций фаэ А, В, С трансформаторов подключены к соответ ствующим фазам сети,.начала дополнительных секций каждого трансформатора объединены, концы основных секций фаз А В С соединены с концамиФ Ф10 дополнительных секций фаз В, С, А соответственно в одном трансформаторе и с концами дополнительных секций фаз С, А, В. соответственно в другом.Частные исполнения преобразовате ля отличаются способом подключения вторичных обмоток питающих трансформаторов к вентильным мосчам.В одном частном исполнении каждый иэ питающих трансформаторов подклю чен к вентильньи мостам отдельного условно-двенадцатифаэного каскадного1компенсацйонного преобразователя, что позволяет сдвинуть их системы питающих ЭДС на 9/4 по отношению друг к25 другу,В другом частном исполнении две вторичные обмотки каждого трансформатора, соединенные в прямую и обратную звезды, подключены к преобразо- М вательньи мостам одного условно-двенадцатифазного каскадного компенсационного преобразователя, а две другие, соединенные в прямой и обратный треугольники - к преобразовательньи мостам другогО условно-двенадцатифазного каскадного компенсационного пре- . образователя, что позволяет сдвинуть системы питающих ЭДС каждой половины указанных преобразователей на (4 по 40отношению друг к другу.Преобразователь работает следующим образвм.Для простоты активным и реактивньи сопротивлением питающих трансформато-"5 ров и сети будем пренебрегать, а индуктивное сопротивление в цепи постоянного тока примем бесконечно большим, При этих условиях коммутация тока в вентилях происходит мгновенно,50 а постоянный ток является идеально сглаженным. Так как работа преобразователя в выпрямительном и в инверторном режимах идентична, ограничимся рассмотрением только выпрямительного 55 режима.При указанных условиях каждый вентиль преобразователя вступает в работу один раз эа период и проводит, ток в течение 2/3. Условно-двенадцатифаэные каскадные компенсационные преобразователи 1, входящие в состав преобразователя, имеют одинаковые значения выпрямленного напряжения, но нх мгновенные значения не совпадают во времени, поэтому к общей нагрузке указанные преобразователи подключаются через двухфазные уравнительные реакторы 2, которые воспринимают на себя разность мгновенных значений выпрямленных напряжений отдельных половин преобразователя. Частота напряжения на двухфазных уравнительных реакторах в шесть. раз больше частоты напряжения сети.Трехфазные группы вентилей, подключенные к батарее конденсаторов 3, образуют компенсационную часть преобразователя, остальные - обычную. Коммутация тока в вентиляхобычной части преобразователя осуществляется ЭДС очередной и предыдущей фаз питающих трансформаторов 4. В контур коммутации вентилей компенсационной части кроме указанных ЭДС вводится дополнительная, которая преодолевает в момент коммутации ЭДС питающего т 1 ансформатора и производит опережающую коммутацию. В качестве дополнительной ЭДС в преобразователе используется напряжение конденсаторов, которое создается их периодической перезарядкой за счет протекания части тока нагрузки. Таким образом, напряжение конденсаторов зависит от величины тока нагрузки и при его увеличении также возрастает. При этом свободно устанавливающийся опережающий угол регулирования М вентилей компенсационной части преобразователя, соответствующий равенству в момент коммутации коммутирующего и коммутируемого ;напряжений, будет больше.1Если преобразователь выполнен на управляемых вентилях, момент вступления нх в работу задается системой управления. Если преобразователь выполнен на неуправляемых вентилях, то в компенсационной части имеет место режим с максимально возможньи, при заданном значении емкости и тока нагрузки, опережающим углом регулирования. Однако этот угол имеет критическое значение, больше которого он быть не может. Это объясняется тем, что при доствкении углом регулирования критического значения напряжение на вентилях в непроводящуючасть периода становится положительным и они начинают повторно вступатьв работу. 5Электромагнитный процесс в преобразователях при их частных исполненияхнесколько отличается. Рассмотримего особенности.Преобразователь по первому частно Ому исполнению имеет режим преобразования повышенной фазности (48 в 24),который можно получить, сдвинув системы питающих ЭДС отдельных условнодвенадцатифазных каскадных компенсационных преобразователей друг по от,ношению к другу на 15 или 45, или75 эл. град. Условия работы грехфазной батареи конденсаторов, общей дляобеих половин преобразователя, будут 20различными в зависимости от сдвигасистем питающих ЭДС. Оптимальнымс точки зрения Формы напряжения наконденсаторах и их установленноймощности является режим со сдвигом 25питающих ЭДС на 45 эл. град. В этомрежиме напряжение на конденсаторах(коммутирующее напряжение) имеетудвоенную (как в известном) частоту,но другую Форму, близкую к синусоиде,ЗОусеченной в верхней части. Необходимость получения такой формы коммутирующего напряжения объясняетсятем, что в известном устройстве нап-"ряжение конденсаторов, имеющее удвоенную частоту, производит коммутацию в четырех трехфазных группах вентилей при напряжении коммутации, равном максимальному значениюгде ,1 - ток, приходящийся на однумостовую схему,(-- сопротивление фазы конденсаторов, соединенных треЦСугольником.В рассматриваемом исполнении преобразователя напряжение той же частоты производит коммутацию в восьмитрехфазных группах вентилей при напряжении коммутации, не совпадающемс максимальным значением напряженияна конденсаторах. Если при прочихравных условиях напряжения коммутации в известном и предлагаемом исполнении преобразователя будут равны,то в последнем максимальное значение .напряжения конденсаторов БцОсмас Д 6 С 7 а их установленная мощность примерно в 1,4 раза больше, чем в известном. Учитывая, что одна конденсаторная батарея обслуживает в два раза большую мощность, эффективность ее использования примерно в 1,4 раза выше, чем в известном устройств(=. А так как эффективность использования конденсаторной батареи в известном устройстве равна двум, то в рассматриваемом преобразователе установленная мощность конденсаторов примерно в 2,8 раза меньше компенсируемой реактивной мощности, т.е. он является эффективным умножителем мощности конденсаторной батареи.В рассматриваемом исполнении преобразователя коммутирующее напряжение конденсаторной батареи по отношению к отдельным элементарным преобразователям является несимметричньк, Поэтому для условно-двенадцатифазного каскадного компенсационного преобразователя, система питающих ЭДС которого сдвинута вперед, критическийо угол регулирования равен 0=. 42,5 для другого преобразователя, система питающих ЭДС которого сдвинута назадок= 19,24Преобразователь по второму частному исполнению также имеет режим преобразования повышенной фазности (48е ъ 24), который можно получить, сдвинув систему фазных ЭДС одного трансформатора по .отношению к другому на 15 или 45, или 75 эл. град. Условия работы трехфазной батареи конденсаторов, общей для обеих половин преобразователя, будут различными в зависимости от указанных сдвигов. Оптимальным с- точки зрения Фор- мы напряжения на конденсаторах и их установленной мощности является режим со сдвигом питающих ЭДС на 45 эл. град. В этом режиме напряжение на конденсаторах имеет такую .же форму, как и в известном, но в два раза большую частоту. Таким образом, в этом исполнении преобразователя напряжение на конденсаторах по форме достаточно близко к синусоиде и имеет частоту в четыре раза большую, чем частота напряжения сети. Коммутация в вентилях компенсационной части преобразователя осуществляется в момент времени, соответствующийЙаксимальному напряжению на конден 1саторах9 с 1с макс Д Эффективность использования конденсаторной батареи в два раза выше,чем в известном устройстве. Учитываяпри этом, что эффектив ость использования конденсаторов в известном уст.10ройстве, равна двум, получим, чтов предлагаемом преобразователе установленная мощность конденсаторов примерно в 4 раза меньше компенсируемойреактивной мощности, т.е. он также 15является эффективньи умножителем мощности конденсаторной батареи,Коммутирующее напряжение четырехкратной частоты является симметричньи по отношению к отдельным элементарньм преобразователям. Критическийугол регулирования всех вентилейкомпенсационной части преобразоватеоля одинаковый и равен М =. 20,1Различные условия коммутации вентилей обычной и компенсационной части преобразователя приводят к тому,что даже в неуправляемом режиме трехфазные группы вентилей могут работатьс различньки углами регулирования. 30Это позволяет получить два положительных эффекта. Первый заключаетсяв повышении фазности преобразования,минимальное значение которой в преобразователе равно двадцати четырем,а максимальное - срока восьми, Сорокавосьмифаэный режим преобразованияимеет место при сдвиге коммутациивентилей компенсационной части относительно вентилей обычной части преобразователя на 7,5, 22,51, 37,5 ит.д. эл. град. Второй эффект заключается в возможности получения заданного значения коэффициента мощностипри регулировании выпрямленного напряжения в широких пределах (практичес. ки до нуля). Такой режим можно получить в преобразователе, выполненномна управляемых вентилях, если поддерживать в обычной и компенсационнойчасти примерно одинаковые значенияугла регулирования, только в обычнойчасти отстоящего, а в компенсацион-ной опережающего.Параллельное соединение двух условно-двенадцатифазных каскадных компенсационных преобразователей, подключение нх к одной батарее коммутирующихконденсаторов в сочетании с предлагаемым сдвигом систем питающих. ЭДСна +22,5 и -22,5 эл, град позволилиполучить компенсационный преобразователь, отличающийся от известного:технологичностью, посколько онсодержит одно коммутирующее звено,состоящее только из батареи конденсаторов,экономичностью за счет сниженияпотерь в конденсаторной батарее и втрансформаторах при повышении коэффициента мощности;высокой эффективностью использования конденсаторной батареи и трансформаторов,режимом преооразования повьвеннойфазности (48в В 24), что приводитк снижению коэффициента несинусоидаль,ности,Оба частных исполнения преобразователя близки по характеру электромагнитных процессов и технико-эконоьпческим характеристикам. Преобразователь может быть применен в установкахэлектрографитации, но, учитывая структуру преобразователя, его применениеособенно эффективно в высоковольтныхустановках, на преобразовательных подстанциях передач посточнного тока.1128356 Я В С Я УС оставитель Е.Мельник ехред О. Ващишина Кор Редактор Т,Кугрьше ор С.Шекма Тирак 6 Государственного к делам изобретений и 113035, Москва, Ж, Рауш6 Подписи оомитета СССР ткрытий ская наб., д. 4/5