Компенсатор реактивной мощности

союз сонетснихсоцидлистичеснихРЕСПУБЛИН 02, 3 содер ные и женв ГОсудАРстВенный номитет сссРпо делдм изоБРетений и отнРцтий(46) 15.12,84, Бюл, 9 46 (72) Л.Л.Балыбердин, В.А.Долгих, В.Я.Меньшиков и А.В.Поссе (71) Научно-исследовательский институт по передаче электроэнергии посто янного тока высокого напряжения ,(53) 621.316. 72 (088. 8)(56) 1. Вентильные преобразователи с улучшенным коэффициентом мощности. Ч,2, Компенсационные способы улучшения коэффициента мощности преобразователей, М., Информэлектро, 1980, с. 282. АвторскР 136453, кл. ое свидетельство СССР Н 023/18, 1960.(54) (57) 1. КОМПЕНСАТОР РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ, содержащий по крайней иере один силовой трансформатор и присоединенный к его вторичной обмотке один трехфазный выпрямительный мост с запираемыми вентилями, реактор, подключенный к полюсам моста, кон." денсаторы, включенные параллельно вторичной обмотке трансформатора, и системууправления каждым запираемым вентилем, имеющую в своем составе формирователь управляющих импульсов с двумя входами, первый из которых на формирование отпирающего, а второй - запирающего импульса, и источник первичных импульсов, выход которого подключен к первому входу .Формирователя, о т л и ч а ю щ и й - с я тем, что, с целью:.меньшения суммарной мощности запираемых вентилей и потерь энергии, он дополнительножит тиристорные вентили, снаб сточниками первичных импульсо ЯО;, И 29696 и формирователями управляющих импульсов, каждый из которых имеет свои входы и выходы, а также первые и вторые элементы задержки по числу тиристорных вентилей, причем каждый тиристорный вентиль подключен парал,лельно одному из запираемых вентилей, выход источника первичных импульсов каждого тиристорного вентиля подключен к входу его формирователя управ,ляющих импульсов, вход источника первичных импульсов каждого тиристорного вентиля соединен через первый элемент задержки с выходом источника первичных импульсов запираемого вентиля того же плеча моста, присоединенного к предыдущей по порядку чередования Фазе вторичной обмотки трансформатора, а выход источйика первичных импульсов каждого ти- ристорного вентиля, кроме того, соединен через второй элемент задержки с вторым входом формирователя управляющих импульсов запираемого вентиля того же плеча моста, присое,диненного к предыдущей по порядку ,чередования фазе вторичной обмотки трансформатора.2. Компенсатор по и. 1, о т л ич а ю щ и й с я тем,что,с целью облегчения условий включения тиристорных вентилей, он дополнительно содержит третий элемент задержки по числу тиристорных вентилей, каждый формирователь управляющих импульсов запираемых вентилей выполнен с третьим входом, который подключен к выходу источника первичных импульсов, тиристорного вентиля того же плеча и той же фазы, а третий элемент задержки включен между выходом источни1129696 40 ка первичных импульсов и входом формирователя управляющих импульсов каждого тиристорного вентиля.3. Комперсатор по пп. 1 и 2, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения ресурса запираемых вентилей, выход источника первичных импульсов и первый вход формироваИзобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электрических сетях и электроустановках для компенсации реактивной мощности, 5Известны статические компенсаторы содержащие конденсаторные батареи и потребители реактивной мощности (реакторы, преобразователи), управляемые тиристорами 1 .Основной недостаток таких компенсаторов-необходимость для выдачи реактивной мощности сооружения конденсаторных батарей,Известен также компенсатор реактивной мощности, 1,принятый за прототип и являющийся базовым объектом 1., содержащий по крайней мере один силовой трансформатор и присоединенный к его вторичной обмотке один трехфазный выпрямительный мост с запираемыми вентилями реактор, подключенный к полюсам моста, конденсаторы, включенные параллельно вторичной обмотке трансформатора, и систему управления каждым запираемым вентилем, имеющую в своем составе формирователь управляющих импульсов с двумя входами, первый из которых на формирование отнирающего, а второй - за пирающего импульса и источник первичных импульсов, выход которого подключен к первому входу формирователя Г 2 3Этот компенсатор представляет собой преобразователь на управляемых вентилях, осуществляющих под воздействием системы угравления принудительную коммутацию тока. В режиме выдачи реактивной мощности преобразователь работает при отрицательных углах регулирования, близтеля управляющих импульсов запираемых вентилей соединены между собой через размыкатель.4. Компенсатор по пп, 1 и 2, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения ресурса конденсаторов, конденсаторы присоединены к обмоткам трансформаторов через выключатель. 2ких к - 90, что обеспечивается за пирающим свойством вентилей.Перенапряжения, возникающие при принудительной коммутации, ограничиваются конденсаторами, включенны ми параллельно вторичной обмотке силового трансформатора преобразователя. Как показывают расчеты и экспериментальные исследования на физической модели компенсатора, мощность конденсаторов, необходимая для ы раничения перенапряжений, в нес - колько раз меньше реактивной мощности, выдаваемой компенсатором.Для такого.компенсатора можно применить мощные лучевые электронные лампы, силовые транзисторы и запираемые тиристоры. Однако электронные лампы имеют сравнительно с полупроводниковыми вентилями большие потери энергии и малый срок службы, Силовые транзисторы и запираемые тиристоры по сравнению с обычными незапираемыми тиристорами имеют более высокую удельную стоимость, значительно более низкую единичную мощность и несколько выше потери энергии.Целью изобретения является уменьшение суммарной мощности запираемых вентилей и потерь энергии.Поставленная цель достигается тем, что компенсатор реактивной мощности, содержащий по крайней мере один силовой трансформатор и присоединенный к его вторичной обмотке один трехфазный выпрямительный мост с запираемыми вентилями реактор, подключенный к полюсам моста, конденсаторы, включенные пара лельно вторичной обмотке трансформатора, и систему управления каждым запираемым вентилем, имеющую в своем составе формирователь управ2 и 4 - кривые напряжений и токов соответственно в режиме. выдачи реактивной мощности.Схема (Фиг. 1) содержит трехфазный выпрямительный мост с плечами 1-6, трехфазный силовой трансформатор 7, через который выпрямительный мост присоединен к трехфазной сети переменного тока, реактор 8, подключенный к полюсам моста, конденсаторы 9 для ограничения перенапряжений, включенные параллельно вторичной обмотке трансформатора 7 через трехфазный выключатель 10, т.,ристорные (не- запираемые) вентили 11-16 и запираемые вентили 17-22, входящие в состав состветственно плеч 1-6, источники первичных импульсов запираемых ,вентилей 23-25, и Формирователи управляющих импульсов запираемых вентилей 26-28, относящиеся соответ-ственно к запираемым вентилям 18, 20, 22, источники первичньи импульсов тиристорных вентилей 29-3 1 и формирователи управляющих импульсов тиристорных вентилей 32-34, относящиеся соответственно к тиристорным вентилям 12, 14, 16, первые элементы задержки 35, 36, 37 и вторые элементы заержки 38-40, устройства управления 4 1 одного плеча, а именно плеча 4, с тиристорным вентилем 14 и запираемым вентилем 20.Устройства управления для плеч 1, 3 и 5 (не показаны) выполняются такими же, как для плеч 2, 4 и 6, В качестве запираемых вентилей 17-22 изображены для определенности запираемые тиристоры; однако схема не изменится, если в качестве запираемых вентилей применить лучевые электронные лампы или силовые транзисторы.Каждый тиристорный вентиль и каждый за-, пираемый вентиль изображены соответственно в виде одиночного тиристора и одиночного запираемого тиристора, однако в компенсаторах большой мощности каждый вентиль в действительности представляет собой большое число одиночных полупроводниковых приборов, включенных последовательно или параллельно-последовательно.Работу компенсатора в режиме выдачи реактивной мощности рассмотрим с помощью временных графиков (фиг. 2) На оси 42 построена трехфазная система напряжений, подведенных к точкам А, В и С выпрямительного моста. Нанряжения Ц, О , О - это Фазные 35 3 1129696 .4ляющих импульсов с двумя входами, первый из которых на Формирование отпирающего, а второй - запирающего импульса, и источник первичных импульсов, выход которого подключен к пер 5вому входу Формирователя, допапнительно содержит тиристорные вентили,снабженные источниками первичных импульсов и Формирователями управляющихймпульсов, каждый из которых имеетсвои входы и выходы, а также первыеи вторые элементы задержки по числу.тиристорных вентилей, .причем каждыйтиристорный вентиль подключен параллельно одному из запираемыхвентилей, выход источника первич 15ных импульсов каждого тиристорноговентиля подключен к входу его формирователя управляющих импульсов,вход источника первичных импульсовкаждого тиристорного вентиля соединен через первый эпемент задержки свыходом источника первичных импульсов запираемого вентиля того же плеча моста, присоединенного к предыдущей по порядку чередования Фазе25вторичной обмотки трансформатора, авыход источника первичных импульсовкаждого тиристорного вентиля, кроме того, соединен через второй элемент задержки с вторым входом формирователя управляющих импульсовзапираемого вентиля того же плечамоста, присоединенного к предыдущейпо порядку чередования Фазе вторичной обмотки трансформатора.Кроме того, компенсатор дополнительно содержит третий элемент задержки по числу тиристорных вентилей.каждый формирователь управляющих импульсов запираемых вентилей выполнен с третьим входом, который подключен к выходу источника первичныхимпульсов тиристорного вентиля тогоже плеча и той же Фазы, а третийэлемент задержки включен между выходом источника первичных импульсови входом Формирователя управляющихимпульсов каждого тиристорного вентиля.При этом выход источника первичных импульсов и первый вход формирователя управляющих импульсов запираемых вентилей соединены междусобой через размыкатель, а конденсаторы присоединены к обмоткам транс форматоров через выключатель.На фиг, 1 и 3 приведена схемапредлагаемого компенсатора, на Фиг.напряжения вторичной обмотки трансФорматора 7 при холостом ходе. Последовательность этих напряжений определяет последовательность пропускания тока через вентили, входящие в 5 состав плеч 1-6 моста. Если в группе 2, 4 и 6, вентили которых соединены со стороны катодов, за данное плечо принять, например, плечо 4, то предыдущим по порядку коммутации явля О ется плечо 2, а последующим - плечо 6. На оси 43 (фиг, 2) показано временное положение первичных импульсов ПИ , ПИ , ПИ , относящихся соот ветственйо к запираемым вентилям 18, 15 20 и 22 и создаваемых устройствами 23, 24, 25, на оси 44 - временное положение первичных импульсов ПИ , ПИи ПИ 2, относящихся соответственно к тиристорным вентилям 14, 16, 12 и 2 О создаваемых устройствами 30, 3 1, 29, на оси 45 - временное положение управляющих импульсов УИ 18УИ 2 озпоступающих от устройств 26, 27, 28 соответственно на электроды управле ния запираемыех вентилей 18, 20, 22, на оси 46 - временное положение управляющих импульсов УИ, УИ УИпоступающих от устройств 33, 34, 35 соответственно на электроды управления тиристорных вентилей 14, 16, 12, На оси 47 построены кривые токов1, 1 , проходящих через тирисУ Я 169торные вентили 12, 14, 16, и кривые токов 1" 1проходящих черезщф 20 ф 21запираемые вентили 18, 20, 22. Перед моментом ьток пропускает тиристорный вентиль 12 плеча 2. В момент 1 устройство 23 посылает пер. 40 вичный импульс ПИ на первыи вход8формирователя 26 и на вход первого элемента задержки 36.Формирователь 26 в этот же момент времени посылает управляющий импульс УИна открытие запираемого вентиля 18 плеча 2.45 Вентиль 18 открывается, и на негопереходит ток с тиристорного вентиля 12 (кривые токов на оси 47), Время задержки элемента 36 равно промежутку 1 2 . В момент 12 сигнал от элемента 36 поступает на вход устройства 30, и оно посылает первичный импульс ПИ на вход Формирователя 33 и на выход второго элемента задержки 39. Формирователь 33 в момент ,.,посылает552 управляющий импульс на открь.тие тиристорного вентиля 14 плеча 4. Однако вентиль 14 в момент :2 не может начать пропускать ток, так как к нему приложено отрицательное анодное напряжение (компенсатор работает. в области отрицательных углов, близких к - 90) Бремя задержки элемента 39 равно промежутку 12 З . В момент сигнал от элемента 39 поступает на второй вход Формирователя 26, и он посылает отрицательный (запирающий) импульс на электрод управления запираемого вентиля 18 плеча 2, т,е. предыдущего по порядку коммутации плеча по отношению к плечу 4. В результате запирания вентиля 18 плеча 2 на тиристорном вентиле 14 плечавозникает положительное аноцное напряжение, и так как он уже предварительно открыт импульсом УК имеющим продолжительность большую чем промежуток с 21 (больше, чем время задержки элемента 39), то вместо ветиля 18 ток начинает пропускать тиристорный вентиль 14. Моментопережает момент 4 естественного включения вентиля 14 плечана угол , близкий к - 90. На такой же угол опережает фазное напряжение сети первая гармоника фаз- :ого тока, и вследствие этого реактивная мощность выдается компенсатором в сеть (компенсатор представляет для сети емкостную нагрузку) .Аналогично после появления первичного импульса ПИ (через 120 осле импульса ПИ,) происходит переход тока внутри плеча 4 с тиристорного вентиля 14 на запираемый вентиль 20 и затем после запирания вентиля 20 вступает в работу тиристорный вентиль 16 следующего по порядку коммутации плеча 6.Дальше такой же процесс происходит при коммутации тока с плеча 6 на плечо 2, Аналогично со с,цвигом во времени на 60 коммутируют ток плечи 1, 3 и 5.Известно, что в преобразователях высокого напряжения через вентили в моменты их включения проходят импульсы тока большой крутизны, возникающие вследствие разряда через включившийся вентиль собственных емкостей оборудования и ошиновки преобразователя. Это явление в рассмотренном компенсаторе (Фиг. 1) приводит к утяжелению условий работы ; иристорных вентилей, заставляет выбирать более мощные тиристоры, которые могли бы выдержать высокие значения с Й в моменты вкл очеия, Для пропускания крутых импульсов тока в моменты включения лучше подходят запираемые вентили, которые в рассматриваемом компенсаторе выбираются для пропускания кратковременных импульсов тока. 5Чтобы освободить тиристорные вентили от пропускания импульсов тока в моменты включения, для данного компенсатора предлагается измененная система управления,(фиг. 3) для вен тилей трех плеч моста 2,4 и б (плечи 1, 3 и 5 имеют такую же систему управления) . По сравнению с системой управления (фиг. 1) Формирователи управляюших импульсов 48, 49,50 запираемых вентилей 18, 20, 22 имеют каждый третий вход, соединенный соответственно с выходом источников первичных импульсов 29,30,31 добавочно введены третьи элементы задержки щ 51-53, включенные соответственно между выхоом источников первичных импульсов 29, 30, 31 и входом Формирователей управляющих импульсов тиристорных вентилей 32, 33, 34, в це пи первого входа Формирователей 48, 49 50 включень 1 размыкатели 54. Устройства управления одного плеча, а именно плеча 4, обозначены цифгой 55.Работа компейсатора в режиме вы 30 дачи реактивной мощности с системой управления (Фиг, 3) поясняется временными кривыми напряжений и токов, построенными на фиг. 4. Здесь на осях 42, 43, 44 и 46 показано то же, 5 что и на осях с теми же номерами на Фиг2. На осях 56 и 57 показаны управляющие импульсы, Формируемые Формирователями 48, 49, 50 и посылаемые соответственно на электроды уп-, равления запираемых вентилей 18, 20, 22. На оси 58 построены кривые токов через тиристорные вентили 12 14, 16 и запираемые вентили 18, 20, 22.В моментна Фиг. 4 происхо дит то же, что в момент 1 на фиг,2, В результате появления импульсов ПИ и УИток переходит с тиристорного вентиля 12 на запираемые вентиль 18 (кривые токов на оси 58) . Так же, как на Фиг. 2, через выдержку времени 1, определяемую первым элементом задержки Зб,в момент .устройство 30 выдае- первичный импульс ПИ . Этот импульс теперь (по схеме фиг, 3) поступает на третий вход формирователя 49, на входы второго элемента задержки 39 и третьего элемента задержки 52, В результате этого Формирователь 49 посылает отпирающий импульс УИ на электрод управления запираемого вентиля 20, однако в момент 2 этот вентиль не может включиться из-за то-го, что на нем отрицательное анодноенапряжениеЧерез время задержки + +элемента 39 в момент 1 возникаетзапирающий отрицательный импульсУИ., и вентиль 18 запирается. В результате этого на запираемом вентиле20 возникает положительное анодноенапряжение, и так как он уже предварительно открыт импульсом УИ2 о 1имеющем продолжительность большую,чем промежуток 1, то вместо вентиля 18 ток начинает пропускать запираемый вентиль 20, В момент 1 черезэтот вентиль проходит крутой узкийимпульс тока разряда собственных емкостей (на Фиг, 4 не показан). Черезвремя задержки 2определяемое элементом 52, возникает управляющий импульс УИ, , посылаемый формирователем 33 на электрод управления тиристорного вентиля 14. Несколько позже,в момент 6, возникает запирающийотрицательный импульс УИ. , посылаемо фмый Формирователем 49 на загпраемый вентиль 20 (промежуток времениопределяется Формирователем 49).В результате запирания вентиля 20ток в моментпереходит на тцристорный вентиль 14.Из работы компенсатора по Фиг. 3видим, что запираемый вентиль каждогоплеча пропускает ток в течение коротких:промежутков времени в началеи в конце промежутка проводимостиплеча, Большую часть промежутка проводимости плеча ток проводит его тнристорный вентиль,Для перевода компенсатора (фиг. 1) из режима выдачи реактивной мощности в режим ее потребления достаточно соответствующим воздействием на источники первичных импульсов изменить величину угла регулирования, сделав его близким к 90 . В режиме потребленияореактивной мощности можно сохранить такую же последовательность работы вентилей, как и в режиме ее выдачи. Однако дпя увеличения ресурса загираемых вентилей 17-22 целесообразно в режиме потребления реактивной мощности исключить их работу. Для этого между выходом источников первичных им1129696 10,9пульсов 23, 25 и первым входом формирователей управляющих импульсов 26- 28 вводятся размыкатели 54. При разрыве размыкателей прекращается работа формирователей управляющих импульсов 5 запираемых вентилей 18. 20. 22. В результате на фиг. 2 исчезают управляющи импульсы УИ, УИ УИ ,помещенные на оси 45, Тиристорнйй вентиль 12 продолжает пропускать ток до мо О мента, когда вступит в работу тщисторный вентиль 14, Так как угол регулирования положительный, то происходит естественная коммутация тока с вентиля 12 на вентиль 14. При естественной коммутации тиристорных вентилей 11-16 выпрямительного моста не требуются конденсаторы 9. Для того чтобы увеличить ресурс конденсаторов 9, их следует отключить выключателем 20 10. Итак, с целью увеличение ресурса запираемыех вентилей 17-22 и конденсаторов 9 следует нри работе компенсатора в режиме потребления реактивной мощности отключить формирователи 25 управляющих импульсов 26-28 запираемьж вентилей 17-22 и конденсаторов 9.В режиме потребления реактивной мощности при угле регулирования, близком К+90 , в схеме по фиг. 3 мож-Зп но сохранить такую же последовательность пропускания тока запираемыми и тиристорными вентилями, как и в режиме выдачи реактивной мощности (ось 58 на фиг. 4). Однако в режиме потребления реактивной мощности целесообразно с целью увеличение ресурса запираемых вентилей 17-22 ис-.ключить их работу в конце промежутков проводимости плечей 1-6 моста.При этом работу запираемых вентилей 17-22 в начале промежутков проводимости плечей 1-6 следует сохранить с целью пропускания через них, а не через тиристорные вентили 11 16 крутых коротких импульсов тока при включении плеча из-эа разряда собственных емкостей оборудования и ошиновки компенсатора. Для получения такого пропускавия тока вентиля- о ми в режиме потребления реактивной мощности достаточно разомкнуть размыкатели 54 (фиг. 3) . При этом нафиг. 4 исчезают управляющие импульсы, показанные на оси 56. Вслед затиристорным вентипем 12 плеча 2вступает в работу запираемый вентиль20 плеча 4, а затем тиристорный вентиль 14 плеча 4 и т.д. Одновременнос размыканием размыкателей 54 следуетдля повышения ресурса конденсаторов1 Ь,отключить выключатель 10 (фиг е 1 ) еОсновное преимущество предлагаемого устройства по сравнению с прототипом хорошо видно по кривым вентильных токов на оси 47 (фиг. 2) и на оси58 (фиг. 4). В прототипе запираемыйвентиль должен пропускать ток в те -чение всего промежутка проводимостиплеча моста, т.е, в течение 120 , Вфпредлагаемом устройстве запираемыйвентиль пропускает ток только малуючасть проьжутка проводимости плеча,порядка одной десятой этого промежутка. Основную часть промежутка проводимости плеча ток проводит обычный незапираемый .тиристорный вентиль, Врезультате суммарная мощность запираемых вентилей снижается примерно10 раз. Так как удельная стоимость запираемых вентилей выше удельной стоимости тиристорных вентилей,то затраты на вентили для данногоустройства меньше, чем для прототипа,Одновременно снижаются потери энергии в вентилях, так как у тиристорных вентилей КПД выше, чем у запираемых вентилей (транзисторов, запираемых тиристоров, лучевых электронных ламп),Предлагаемый компенсатор можетбыть выполнен по любой преобразовательной схеме. Увеличение фазностипреобразователя, примененного в компенсаторе, облегчает борьбу с перенапряжениями, вызванными принудительной коммутацией тока запираемымивентилями. В результате при увеличении фазности преобразователя снижается мощность конденсаторов, включаемых паралельно вторичным обмоткам трансформатора,1129696 3 Тираж 613 П Государственного комитет делам изобретений и открыт Москва, Ж, Раушская