Тиристорный преобразователь

 

Изобретение относится к области электротехники и используется во вторичных источниках питания с широким диапазоном .изменения коэффициента мощности. Цель изобретения - уменьшение установленной мощности оборудования. Преобразователь содержит тиристорный коммутатор 2, вьтолненный по трехфазной мостовой схеме, силовой трансформатор 3, сглаживающий реактор 1, параллельный конденсатор 5, компенсатор реактивной мощности 4, последовательные конденсаторы 6 и две системы импульсно-фазового управления (СИФУ) 8 и 11. Введение датчика тока (ДТ) 9, дополнительного компенсатора (дк) 10 совместно с компенсирующими кон сгнсатораI (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЩИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) . (5)) 4 Н 02 M 7 515

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

H А BTGPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3674901/24-07 (22) 21.12.83 (46) 30.06.86. Бюл. В 24 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт электромеханики (72) Л,Я.Раскин, Л.Н.Седов, А.Ф.Суров, А.Л.Писарев и 1().А.Видакас (53) 621.314.572(088.8) (56) 1.,Dementvigner M. Methodes generales de calcu1 des onduleurs autonomes-Revue generale de e) electricite

1952, 61, 1(6.

2. Авторское свидетельство СССР

У 144226, кл. 21 d 12/03, 1961. 3. Седов Л.Н. Энергетические соотно- шения в регулируемом автономном ин.— верторе, устойчивом к внешним коротким замыканиям. - Электротехника,1969, Ф 11. (54) ТИРИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к области электротехники и используется во вторичных источниках питания с широким диапазоном изменения коэффициента мощности. Цель изобретения уменьшение установленной мощности оборудования. Преобразователь содержит тиристорный коммутатор 2, выполненный по трехфазной мостовой схеме, силовой трансформатор 3, сглаживающий реактор 1, параллельный конденсатор 5, компенсатор реактивной мощности 4, последовательные конденсаторы 6 и две системы импульсно-фазового управления (СИФУ) 8 и 11. Введение датчика тока (ДТ) 9, дополнительного компенсатора (ДК) 10 совместно с компенсирующими конгенсатора124) ми 12 и СИФУ 11 обеспечивает регулирование потребляемой реактивной мощности путем изменения угла открытия тиристоров. При любых величинах и коэффициенте мощности нагрузки, изменяемых в заданном диапазоне, коэффициент мощности по основной гармонике в цепи, где установлен ДТ 9,.

381 остается неизменным. Введение ДК 10 приводит к уменьшению диапазона изменения инвертироваиия напряжения, что позволяет использовать тиристоры более низкого класса и существенно уменьшить установленную мощность трансформатора. 1 ил.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в системах электропитания различного рода нагрузок с широким диапазоном изменения коэффициента мощности.

Известен параллельно-последовательный инвертор, содержащий однофазный вентильный коммутатор с реактором на входе. К выходу коммутатора через .последовательный конденсатор подключена нагрузка. Параллельные конденсаторы подключены к выходу коммутатора и (или) к нагрузке, за счет чего инвертор имеет довольно жесткую естественную внешнюю характеристику в некотором диапазоне изме. нения нагрузки (1) .

Однако. стабилизация выходного напряжения не обеспечивается во всем заданном диапазоне изменения нагрузки и входного напряжения постоянного тока.

Известен параллельно-последовательный инвертор, содержащий однофазный вентильный коммутатор с реакто.ром на входе, разделительный трансформатор и параллельно-последова— тельные конденсаторы. Между коммута.тором и последовательным конденсатором включен тиристорно-реакторный компенсатор реактивной мощности,состоящий из реактора, последовательно с оследним включены встречно-.наралпельные вентили, изменением угла отпирания которых обеспечивается стабилизация выходного напряжения инвертора во всем заданном диапазоне изменения нагрузки и входного напряжения )2j .

Однако эти однофаэные инверторы характеризуются недостаточно хорошей формой кривой выходного напряжения и ее зависимостью от характера нагруз— ки.

Известен параллельно-последовательный инвертор, трехфазная схема которого обеспечивает лучшую форму кривой выходного напряжения. Схема содержит тиристорный трехфазный мостовой коммутатор с реактором на вхо де, параллельные и последовательные конденсаторы, включенные между коммутатором и нагрузкой, и трехфазный тиристорно-реакторный компенсатор реактивной мощности, подключенный к выводам последовательных конденсаторов, обращенным к коммутатору (3).

Недостатком данного инвертора является большая установленная мощность оборудования при широком диапазоне изменения: коэффициента мощности нагрузки, Так, при прямом пуске асинхронных двигателей, составляющих часть нагрузки, даже если их суммарный пусковой ток не превышает номинального тока инвертора или тока его допустимой перегрузки, вследствие очень низкого коэффициента мощности нагрузки в этом режиме (обычно 0,2-0,3) напряжение на выходе тиристорного коммутатора должно быть сравнительно низким при неизменных напряжениях на входе и выхоце инвертора. Этому напряжению на выходе коммутатора при максимальном напряЖении на входе инвертора должен соответствовать минимально допустимый угол, представляемый для восстановления запирающих свойств тиристоров коммутатора, т.е. по это4С му режиму определяется необходимое значение емкости конденсаторов. По окончании переходного процесса пуска двигателей коэффициент мощности

1241381

20 нагрузки увеличивается до величины

0,7-0,9, вследствие чего при стабильном выходном напряжении инвертора должно значительно увеличиться напряжение на выходе тиристорного коммутатора (а при наличии разделительного трансформатора — и на трансформаторе).

Изменение в широких пределах напряжения на выходе тиристорного ком- 10 мутатора при стабилизации выходного напряжения инвертора в результате изменения коэффициента мощности в длительных или кратковременных режимах приводит к значительному увеличению установленной мощности конденсаторов, компенсатора и трансформатора (при его наличии) и, следовательно, к увеличению массы, габаритов и стоимости инвертора.

Цель изобретения — уменьшение установленной мощности оборудования преобразователя.

Поставленная цель достигается тем, что в тиристорном преобраэова- 25 теле 3, содержащем коммутатор с реактором на входе и с параллельными и последовательными конденсаторами на выходе, а также подключенный параллельно этому выходу тиристорно-реакторный компенсатор реактивной мощности и две системы импульсно-фазового управления (СИФУ) тиристорами коммутатора и тиристорами указанного компенсатора, охваченные, отрицательной

35 обратной связью по напряжению, между обкладками последовательных конденсаторов и выходными выводами преобразователя включен введенный датчик тока, а к выходным выводам преобразователя подключен дополнительный тиристорно-реакторный компенсатор реактивной мощности с дополнительными параллельными компенсирующими конден- . саторами и с дополнительной системой

45 импульсно-фазового управления тиристорами этого компенсатора, причем в качестве измерительного органа канала отрицательной обратной связи этой

СИФУ установлен фазовый детектор, один вход которого связан с выходом указан50 ного датчика тока, а другой — с выходными выводами преобразователя.

На чертеже изображена принципиальная схема предлагаемого преобразователя.

Преобразователь содержит сглаживающий реактор 1, тиристорный коммутатор 2, трансформатор 3, тиристорнореакторный компенсатор 4 реактивной мощности, параллельные конденсаторы

5, последовательные конденсаторы 6, параллельные конденсаторы 7, устройство 8 автоматического управления тиристорами коммутатора 2 и компенсатора 4, представляющее собой две системы импульсно-фазового управления (СИФУ), охваченные отрицательной обратной связью по напряжению, датчик

9 тока, дополнительный конденсатор

10 реактивной мощности, устройство 11 автоматического управления тиристора- ми дополнительного компенсатора 10, также выполненное в виде СИФУ, дополнительные компенсирующие конденсаторы 12.

Сглаживающий реактор 1 соединен последовательно по цепи постоянного тока с тиристорным коммутатором 2, выполненным по трехфазной мостовой схеме, выходные выводы которого соединены с первичной обмоткой силового трансформатора 3. К вторичной обмотке силового трансформатора 3 присоединены трехфазная группа параллельных конденсаторов 5, соединенная в параллель с компенсатором 4 реактивной мощности, и трехфазная группа последовательных конденсаторов 6. Компенсатор 4 реактивной мощности выполнен, например, в виде трехфазного тиристорно-реакторного компенсирующего устройства, соединенного в треугольник, в котором в каждой фазе реактор соединен последовательно с парой встречно-параллельных тиристоров. Ток через реактор и потребляемая компенсатором реактивная мощность регулируются путем изменения угла открытия встречно-параллельных тиристоров.

К другим выводам последовательных конденсаторов 6 присоединена вторая трехфазная группа параллельных конденсаторов 7 и датчик 9 тока, к другим силовым выводам которого присоединены трехфазная группа параллельных конденсаторов 12, дополнительный трехфазный тиристорно-реакторнЫй компенсатор 10. Компенсатор 10 выполнен аналогично компенсатору 4. Датчик 9 тока своим слаботочным выходом соединен с одним из входов устройства 11 автоматического управления (СИФУ1 которое другим входом соединено также с выходными выводами преобразова- теля. Выход СИФУ 11 соединен с уп124138) ранляющими электродами тиристорон дополнительного комле нсатор а 1 О.

Устройство 8 автоматического упранления (СИФУ) соединено по входу с выходными выводами преобразователя для измерения его выходного напряжения, а его выход соединен с управляющими электродами тиристорон коммутатора 2 и компенсатора 4.

Датчик 9 тока представляет собой, 10 например, три обычных трансформатора тока, нагруженных на балластные резисторы, для получения сигнала напряжения, по величине и фазе соответствующего току в силовой цепи, в ко- 15 торой включен датчик 9 тока .

СИФУ 8 содержит например, следующие последовательно соединенные узлы: измерительный орган напряжения, выделяющий сигнал отклонения выходного

2О напряжения преобразователя от эталонной величины с помощью известной схе мы моста с одним или несколькими последовательно соединенными стабили25 тронами в одном иэ 4-х плеч моста и резисторами в трех других плечах моста, усилительный узел на одном или не- скольких интегральных операционных () усилителях, с помощью которых сигнал отклонения напряжения усиливается и формируются его функции, например интегральная функция, обычные узлы фаэосмещения и формирования отпирающих импульсов, которые обеспечивают формирование импульсов, подаваемых к тирисЗ5 торам коммутатора 2 и компенсатора 4, и их сдвиг по фазе в функции сигнала управления, поступающего от усилительного узла.

4Q

СИФУ ll, например, содержит следующие узлы: узел фазового детектора или датчика коэффициента мощности, в который подаются сигналы тока от датчика 9 и напряжение .от выходных выводов преобразователя, выходной сигнал этого узла, пропорциональный синусоидальной функции угла сдвига фаз между напряжением на выходе преобразователя и током в цепи, в которой установлен датчик 9, подается на усилительный узел и затем на СИФУ, . включающее в себя узлы фазосмещения и формирования отпирающих импульсов, импульсы от СИФУ подаются к тиристорам дополнительного компенсатора 10.

Узлы усиления, фазосмещения и формирования отпирающих импульсов устройства

11 аналогичны соответствующим узлам

СИФУ 8.

Принцип действия преобразователя состоит в следующем, Постоянный ток, протекающий через сглажинающий реактор 1, преобразует" ся в переменный ток с помощью тиристорного коммутатора 2, коммутация тиристорон которого осуществляется эа счет энергии групп конденсаторов 5-7, 12 ° Конденсаторы выбираются такой величины, чтобы при любой нагрузке н т.ч. при наибольшей возможной перегрузке по активной и реактивной мощности нагрузки, угол опережения током напряжения на выходных выводах коммутатора был не меньше величины, необходимой для восстановления запирающих свойств его тиристоров при коммутации при любом входном напряжении и стабилизации напряжения на выходе преобразователя.

Баланс активной и реактивной мощности в преобразователе тока, необходимый для его нормальной работы при различных нагрузках, входных напряженияхи стабилизации выходного напряжения обеспечивается с помощью компенсатора 4, дополнительного компенсатора 10, СИФУ 8 и 11 и датчика

9 тока. Так, например, при уменьшении нагрузки ниже максимальной заданной перегрузки дополнительный компенсатор 10 с помощью датчика 9 тока и СИФУ 11 увеличивает открытие тиристоров и соответственно увеличивает потребление реактивной мощности так, чтобы в силовой цепи, где установлен датчик 9, компенсировалось снижение потребления от преобразователя реактивной мощности и поддерживался неизменный коэффициент мощности (н частном случае он может иметь уставку 1,0 или 0,9 или другую величину) . Таким образом, дополнительный компенсатор 10 совместно с параллельными компенсирующими конденсаторами 12 при помощи датчика 9 тока и СИФУ 11 обеспечивает такое регулирование потребляемой им реактивной мощности (путем изменения угла открытия его тиристоров),чтобы при любых величине и коэффициенте мощности нагрузки, изменяемых н заданном диапазоне (включая кратковременные режимы, например пуска двигателей), коэффициент мощности по основной гармонике н цепи, где установлен

1241381

co 5 Рa}eire датчика 9 тока, оставался неиэменHblM .

Компенсатор 4 реактивной мощности с помощью СИФУ 8 осуще .твляет регулирование потребляемой реактивной мощности так, чтобы при любом входном напряжении, изменяющемся в заданном диапазоне, и при любой величине нагрузки, изменяющейся в заданном диапазоне с учетом того, что в 10 цепи, в которой установлен датчик 9 тока, стабилизируется коэффициент мощности с помощью дополнительного компенсатора 10, датчика 9 и СИФУ 11, обеспечивается требуемый баланс ак- 15 тивной и реактивной мощности, при

1 котором обеспечиваются требуемый опережаювий угол сдвига между током и напряжением на выходе коммутатора 2 и стабилизация напряжения на выходе преобразователя, т.е. регулирование реактивной мощности компенсатором 4 с помощью СИФУ 8 производится в направлении стабилизации выходного напряжения преобразователя. 25

Для гальванической развязки сетей постоянного и переменного тока и согласования уровней напряжения на . входе и выходе преобразователя и на конденсаторах в его состав может вво- 30 диться трансформатор 3, который включают между коммутатором 2.и последовательными конденсаторами 6, хотя для тех же целей он может включаться в выходной цепи преобразователя.

В отдельных случаях в зависимости от задаваемых уровней напряжения на входе и выходе преобразователя, коэффициента трансформации трансформатора, диапазона изменения нагруз- 40 ки одна из групп параллельных конденсаторов 5 -или 7 может отсутствовать в схеме, что не изменяет принцип ее работы и основные свойства.

Последовательные конденсаторы 6, 45 как и в других схемах параллельнопоследовательных инверторов, обеспечивают устойчивую коммутацию тиристоров коммутатора 2 при внешних коротких замыканиях в цепях нагрузки, 50 а также при перегрузке . за счет того, что увеличивающийся в этих ситуациях ток через конденсаторы 6 увеличивает реактивную емкостную мощность в преобразователе, -необходимую для 55 получения требуемого опережающегб угла сдвига между током и напряжением на выходе коммутатора 2, чем и обеспечивается коммутация его тиристоров. Тем самым обеспечивается устойчивая работа преобразователя при внешних к.з. и перегрузках, что во многих случаях является одним из важных требований, предъявляемых к преобразователю, пи" тающему группу потребителей.

Конденсаторы 4 и 10 реактивной мощности на чертеже выполнены в виде трехфазного тиристорно-реакторного устройства по схеме с встречно-параллельными тиристорами в каждой фазе, последовательно соединенными с реактором, однако для указанных целей они могут быть выполнены и по другим схемам или в виде других свойств, позволяющих регулировать потребление им реактивной мощности.

В предлагаемом преобразователе включением дополнительного компенсатора 10 реактивной мощности с соответствующим датчиком 9 тока достигается эффект существенного уменьшения

l суммарной установленной мощности конденсаторов, компенсаторов и трансформатора и соответственно массы, габаритов и стоимости преобразова.теля в тех случаях, когда нагрузка имеет-изменяющийся в широких пределах коэффициент мощности. Это следует из приведенных формул и числового примера.

Сравнительную оценку схем преоб( разователей рассматриваемого класса проводят по установленной мощности конденсаторного оборудования, считая, что пропорционально ей изменяется установленная мощность компенсаторного оборудования.

Суммарная установленная мощность конденсаторов параллельно-последовательного инвертора с одним конпенсатором,: отнесенная к номинальной мощности нагрузки, определяется приведенными в (3) выражениями

Ud.м кс 1

+ мщ

+ «Ug„,„, c os 8*on нонд " %

Н ною нном

% де Тном номинальный ток нагрузки, отнесенный к току внешнего короткого замыкания;

У вЂ” напряжение питания инвертора;

1241381

10! э " g макс с2, 1 7со Ч макс

=0,4.

ВНИИПИ Заказ 3608/51 Тираж 631

Подписное

Произв.-полигр.. пр-тие; г. Ужгород, ул. Проектная, 4

/1А „— минимально допустимый угол выключения тиристоров ком— мутатора; д„с — максимальный угол сдвига между напряжением и током нагрузки.

При установке дополнительного компенсатора суммарная установленная мощность конденсаторов определяется выражением (11, в котором cosyÄ Ä =1, и величиной sing„ выражающей в относительных едунйцах величину установленной мощности параллельных компенсирующих конденсаторов 12, т.е. акс

+ макс

"нам Ц „,„, СОЗРАоа

Q — — — — — — — — — — - +з1п(„ „ канд

Н ком Н нам (2 }

Для получения положительного эффекта от использования дополнительного компенсатора выражение (2) должно быть меньше (1).

После преобразования получим

Щма кс зlп 4 макс U jg44 сов Йдаа

1 %1

-1 I 1-I соя Цмак н ком Н Ном о

Самый крайний для выполнения неравенства случай соответствует минимуму правой части, т,е. когда смаке

П э *оа созй - 1 а знаменатель

МНН правой части, который всегда меньше

1, имеет максимум, ванный 0,5. Тогда

Из последнего выражения видно, что неравенство выполняется уже при роsg ù„ =0,7. Покажем, каков выигрьпп в реальном случае.

Ф

Примем Т „. =0,4 (кратность тока внешнего к.з. равна 2,5) .

d макС

П и — — — =1 6 cosЛ =0 9 cos(p макс

О М44

Тогда установленная мощность конденсаторов без дополнительного компенсатора

0,16+1,6 0 4

1 1

Ф

Q 1 А а 8 у 8@

КОНА 0,4 0,916

5 !

О

" 0

3S

410 фЯ

Установленная мощность конденсаторов при наличии дополнительного компенсатора

0, 16+1,6 0 — -1 конА

Таким образом, установленная мощность конденсаторов уменьшается почти в 3 раза. Так как компенсаторы выбираются по условию полной компенсации реактивной мощности конденсаторов, пропорционально уменьшается установленная мощность компенсаторов.

Введение дополнительного конденсатора приводит также к уменьшению диапа.зона изменения инвертирования напряжения, что позволяет использовать,ти-, ристоры более низкого класса и существенно уменьшить установленную мощность трансформатора.

Формула. изобретения

Тиристорный преобразователь, содержащий коммутатор с реактором на входе и с параллельными и последовательными конденсаторами на выходе, а также подключенный параллельно этому выходу тиристорно-реакторный компенсатор реактивной мощности и две системы импульсно-фазового управления (СИФУ) тиристорами коммутатора и тиристорами указанного конденсатора, охваченные отрицательной обратной связьк по напряжению, о тл и ч а ю щ и: и с я тем, что, с целью уменьшения установленной мощности оборудования при широком диапазоне изменения коэффициента мощности нагрузки, между обкладками последовательных конденсаторов и выходными выводами преобразователя включен введенный датчик тока,а к выходнЫм выводам преобразователя подключен дополнительный тиристорно-реакторный компенсатор реактивной мощности с дополнительными параллельными компенсирующими конденсаторами и с дополнительной системой импульсно- фазового управления тиристорами этого компенсатора, причем в качестве измерительного органа канала отрицательной обратной связи этой СИФУ установлен фазовый детектор, один вход которого связан с выходом укаэанного датчика тока, а другой — с выходными выводами преобразователя.