Устройство для регулирования трехфазного напряжения на силовых интеллектуальных модулях

 

Предложен регулятор трехфазного напряжения с высокочастотной широтно-импульсной модуляцией напряжения вольтодобавки. Сущность изобретения: регулятор содержит трехфазный трансформатор, первичная обмотка которого через трехфазный реверсивный тиристорный коммутатор подключена к сети, а вторичная включена в цепь нагрузки. Коммутатор выполнен на четырех трехфазных интеллектуальных модулях и одном запираемом тиристоре. Два из указанных модулей включены по схеме трехфазных ключей на симметричных тиристорах, а два другие - по схеме тиристорных выпрямительных мостов, шунтированных запираемым тиристором. Модули включаются прерыванием тока в первичной обмотке трехфазного трансформатора посредством запираемого тиристора. Устройство, выполненное с минимальным количеством запираемых тиристоров, обеспечивает плавное регулирование напряжения на нагрузке вверх и вниз относительно напряжения сети в заданном диапазоне. Его отличают улучшенные массогабаритные показатели, простота конструкции и алгоритма управления, а также высокие энергетические показатели и быстродействие. 2 ил.

Изобретение относится к энергетической электронике и предназначается для регулирования или стабилизации трехфазного напряжения.

Известно устройство для регулирования трехфазного напряжения [1], которое содержит в каждой фазе двухобмоточный трансформатор, дополнительный автотрансформатор и полупроводниковый коммутатор, состоящий из пяти полностью управляемых ключей с двухсторонней проводимостью.

К недостаткам устройства следует отнести повышенную сложность и низкие массогабаритные показатели как трансформаторной части, выполненной на шести однофазных трансформаторах, так и полупроводниковой, выполненной на пятнадцати ключах переменного тока.

Известно также устройство для регулирования трехфазного напряжения [2], содержащее в каждой фазе вольтодобавочный трансформатор, дополнительный понижающий трансформатор и мостовой коммутатор, выполненный на четырех полностью управляемых ключах с двухсторонней проводимостью, каждый из которых представляет собой, например, два встречно-параллельных запираемых тиристора или транзисторных ключа.

Однако и это устройство имеет повышенную сложность и низкие массогабаритные показатели вследствие применения в нем трех однофазных вольтодобавочных трансформаторов, трех однофазных дополнительных трансформаторов и двенадцати полностью управляемых ключей с двухсторонней проводимостью.

Наиболее близким, по физической сущности к предлагаемому является устройство для регулирования трехфазного напряжения [3], которое содержит несколько трехфазных выпрямительных мостов, выход каждого из которых зашунтирован полностью управляемым ключом с односторонней проводимостью (прерывателем постоянного тока) и трехфазный вольтодобавочный многообмоточный трансформатор, вторичная обмотка которого включена между сетью и нагрузкой, одна из первичных обмоток включена между входами двух трехфазных выпрямительных мостов, а остальные первичные обмотки включены между входами дополнительных трехфазных выпрямительных мостов и выводами вторичных обмоток дополнительного трехфазного трансформатора.

К недостаткам прототипа также следует отнести повышенную сложность и низкие массогабаритные показатели как трансформаторного, так и полупроводникового оборудования.

Задачей изобретения является улучшение массогабаритных показателей и упрощение устройства.

В результате решения поставленной задачи достигается следующее: количество полностью управляемых ключей, например, запираемых тиристоров снижено до минимума (до одного), что позволило упростить как силовую часть, так и систему управления устройства; в результате выполнения коммутатора в основном на тиристорах с естественной коммутацией, половина из которых симметричные, появилась возможность объединить охладители тиристоров и за счет этого упростить конструкцию коммутатора с одновременным уменьшением его веса и габаритных размеров; выполнение коммутатора в виде реверсивного моста на четырех трехфазных полупроводниковых ключах позволило применить в устройстве облегченный и упрощенный трансформатор.

Наилучшие результаты от использования данного изобретения следует ожидать при выполнении как симметричных тиристоров, так и выпрямительных мостов в модульном исполнении. Силовые интеллектуальные модули гальванически развязаны друг от друга и от охладителя. Это позволяет устанавливать модули на одном радиаторе, в качестве которого может быть использован корпус преобразователя, что также можно отнести к упрощению конструкции устройства и улучшению его массогабаритных показателей. Дополнительная полезность от использования изобретения, собственно возможность выполнения устройства на силовых интеллектуальных модулях, появилась в результате введения в устройство дополнительных элементов и новых связей.

Техническое решение поставленной задачи достигается за счет выполнения двух выпрямительных мостов на тиристорах и шунтирования этих мостов одним прерывателем постоянного тока, а также за счет введения шести симметричных тиристоров, каждый из которых включен между соответствующим фазным входом соответствующего выпрямительного моста и соответствующим им фазным выводом, предназначенным для подключения к сети или нагрузке и введения формирователя управляющих импульсов с частотой, большей, чем частота сети.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы для двух режимов работы.

Устройство (фиг. 1) содержит четыре силовых интеллектуальных модуля 1 - 4, каждый из которых включает по шесть тиристоров с естественной коммутацией. Оно также содержит трехфазный трансформатор 5, тиристорный или транзисторный прерыватель 6 постоянного тока, высокочастотную систему управления 7, входные 8 и выходные 9 зажимы, предназначенные для подключения соответственно к сети и нагрузке.

Элементы устройства соединены следующим образом.

Каждый из модулей 1 и 2 соединен по схеме трехфазного ключа на симметричных тиристорах, образуя шесть вновь введенных симметричных тиристоров, а каждый из двух других модулей 3 и 4 - по схеме трехфазного выпрямительного моста. Входные зажимы модулей 1 и 4 пофазно объединены и подключены к концам соответствующих фазных первичных обмоток трансформатора 5, входные зажимы модулей 2 и 3 пофазно объединены и подключены к началам соответствующих фазных первичных обмоток трансформатора 5, выходные зажимы модулей 1 и 2 пофазно объединены и подключены к соответствующим фазам входных 8 или выходных 9 выводов устройства, между которыми включены соответствующие фазные вторичные обмотки трансформатора 5, а выходные зажимы трехфазных выпрямительных мостов, выполненных в виде модулей 3 и 4, объединены и зашунтированы прерывателем 6 постоянного тока, выполненным на запираемом тиристоре или транзисторном ключе. При использовании устройства в качестве регулятора полупроводниковый коммутатор целесообразно подключить к входным выводам 8, а в качестве стабилизатора - к выходным выводам 9. На фиг. 1 эти соединения показаны соответственно сплошными и пунктирными линиями.

Устройство (фиг. 1) в соответствии с предложенным алгоритмом управления (фиг. 2) работает следующим образом.

При включении трехфазных тиристорных ключей с естественной коммутацией (модулей) 2 и 4, 1 и 3, 3 и 4 совместно с прерывателем 6 постоянного тока устройство соответственно работает в режимах вольтодобавки, вольтовычета и в режиме закорачивания первичной обмотки трансформатора 5. Перевод устройства из одного режима в другой производиться переключением соответствующих пар модулей с участием прерывателя 6, при помощи которого прерывается ток в первичной обмотке трансформатора 5 на время необходимое для восстановления запирающих свойств тиристоров предыдущей пары модулей с учетом времени включения тиристоров последующей пары модулей.

При шунтировании первичной обмотки трансформатора 5 тиристорными выпрямительными мостами (модулями) 3, 4 и прерывателем 6 напряжение U₂ на выходных выводах 9 устройства равно напряжению U₁ на входных выводах 8. Регулирование выходного напряжения U₂ вверх (фиг.2,а) или вниз (фиг.2,6) производиться чередованием режима закорачивания первичной обмотки трансформатора 5 соответственно с режимом вольтодобавки или режимом вольтовычета с частотой коммутации f_k, не меньшей, чем удвоенная частота сети, и изменением длительности шунтирования первичной обмотки трансформатора 5 внутри периода коммутации в соответствии с выражением где U₁, U₂ - действующие значения напряжений сети и нагрузки; k_т - коэффициент трансформации, знаки "+" и "-" перед которым соответственно относятся к режимам вольтодобавки и вольтовычета; t_к - продолжительность шунтирования первичной обмотки трансформатора внутри периода коммутации T_к.

Из выражения (1) следует, что при изменении t_к от 0 до T_к выходное напряжение U₂ регулируется от U₁ до (1+k_т)U₁4 вверх или до (1-k_т)U₁ вниз в зависимости от того, какая из пар перекрестных модулей 2 с 4 или 1 с 3 соответственно переключается с парой модулей 3 и 4 смежных плеч мостового коммутатора.

Алгоритм переключения тиристоров трехфазных ключей мостового коммутатора в модульном исполнении может быть реализован в результате сравнения напряжения управления U_у с двумя одинаковыми по амплитуде треугольными опорными напряжениями U_оп1 и U_оп2 (см. фиг.2,а-б), одно из которых сдвинуто вверх, а другое - вниз на величину, превышающую амплитудное значение этих опорных напряжений относительно нуля, создавая зону нечувствительности устройства на сигнал управления. На фиг. 2 зона нечувствительности заштрихована. Ее ширина незначительна и не превышает величины, при которой отклонение выходного напряжения выходит за пределы заданной точности регулирования. При малых значениях U_у, лежащих в зоне нечувствительности (в области нуля), устройство работает в промежуточном режиме, в котором включены только тиристорные выпрямительные мосты (модули) 3, 4 и прерыватель 6 постоянного тока (запираемый тиристор). При плавном увеличении U_у в положительную сторону (фиг.2, а) устройство переходит в режим вольтодобавки, а в отрицательную (фиг.2, б) - в режим вольтовычета.

Предлагаемое устройство как более совершенное, выполненное с минимальным количеством запираемых тиристоров и имеющее возможность исполнения на силовых интеллектуальных модулях, может заменить известные регуляторы трехфазного напряжения. Наиболее целесообразной областью применения являются промэнергоблоки мощностью 100-1000 кВА.

Источники информации 1. Патент США N 3732485, кл. G 05 F 1/24, 1973.

2. Заявка Японии N 63-36004, кл. G 05 F 1/24, 1968.

3. Трансформаторно-ключевые исполнительные структуры преобразователей переменного напряжения / Липковский К. А. - Киев: Наук. думка, 1983, 216с. (см. с.163, рис. 71) - прототип.

Формула изобретения

Устройство для регулирования трехфазного напряжения на силовых интеллектуальных модулях, содержащее трехфазный трансформатор с вторичными фазными обмотками, включенными между соответствующими фазами сети и нагрузки и с первичными фазными обмотками, включенными между соответствующими фазными входами двух трехфазных выпрямительных мостов, один из которых шунтирован прерывателем постоянного тока, отличающееся тем, что в него введены шесть симметричных тиристоров, каждый из которых включен между соответствующим фазным входом соответствующего выпрямительного моста и соответствующим ему фазным выводом, предназначенным для подключения к сети или нагрузке, и формирователь управляющих импульсов с частотой, большей частоты сети, оба трехфазных выпрямительных моста выполнены на тиристорах и соединены между собой выходными однополярными зажимами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2