Трехфазный стабилизатор напряжения трансформаторной подстанции с однофазным звеном повышенной частоты

 

Предложено устройство для стабилизации и симметрирования напряжения на низкой стороне трансформаторной подстанции со звеном повышенной частоты, которое обладает улучшенным массогабаритными показателями и быстродействием. Стабилизатор содержит два трехфазных моста, между которыми включен однофазный высокочастотный понижающий трансформатор. Первый мост (модулятор) представляет собой трехфазно-однофазный непосредственный преобразователь повышения частоты с искусственной коммутацией и широтно-импульсным регулированием напряжения. Второй мост (демодулятор) представляет собой однофазно-трехфазный непосредственный преобразователь понижения частоты с естественной коммутацией и дополнительным фазовым регулированием (симметрированием) трехфазного напряжения нагрузки. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к энергетической электронике и предназначено для стабилизации напряжения на низкой стороне трансформаторной подстанции с возможностью симметрирования трехфазного напряжения.

Известен трехфазный стабилизатор напряжения со звеном повышенной частоты [1] , который содержит в каждой фазе высокочастотный понижающий однофазный трансформатор, первый однофазный мост (модулятор), через который первичная обмотка высокочастотного трансформатора подключена к напряжению соответствующей фазы сети или нагрузки и второй однофазный мост (демодулятор), через который вторичная обмотка высокочастотного трансформатора включена в цепь той же фазы нагрузки. При этом во всех фазах устройства мосты-модуляторы и мосты-демодуляторы выполнены на двунаправленных полностью управляемых ключах.

Устройство обеспечивает быстродействующую стабилизацию переменного напряжения и при наличии нулевого провода симметрирование трехфазного напряжения. Однако оно имеет большой вес и габариты как трансформаторного, так и полупроводникового оборудования на единицу мощности и ограниченную по мощности область применения, вследствие применения в цепи нагрузки полностью управляющих ключей.

Наиболее близким к предлагаемому является трехфазный стабилизатор напряжения трансформаторной подстанции [2], который взят за прототип. Он включается на низкой стороне главного трехфазного трансформатора подстанции и содержит трехфазный понижающий трансформатор, первый трехфазный мост, фазные выводы которого соединены с соответствующими фазными выводами вторичной обмотки главного трансформатора, предназначенными для подключения нагрузки к подстанции, второй трехфазный мост, выполненный на двунаправленных ключах с естественной коммутацией и своими фазными выводами подключенный к первичной обмотке понижающего трансформатора, включенного своей вторичной обмоткой в цепь нагрузки, а также синхронизированный с сетью узел управления первым и вторым трехфазными мостами, объединенные выводы ветвей которых образуют промежуточное звено постоянного тока.

Устройство-прототип имеет меньшее число ключей, которые включены в цепь первичной обмотки понижающего трансформатора и переключаются за счет естественных свойств схемы, однако ему свойственны и недостатки, среди которых прежде всего следует отметить большой вес и габариты трехфазного понижающего трансформатора, работающего на частоте, равной частоте сети, а также низкое быстродействие, из-за большой инерционности звена постоянного тока.

Задачей изобретения является улучшение массогабаритных показателей и быстродействия.

Решение поставленной задачи достигнуто за счет того, что первый трехфазный мост выполнен на двунаправленных полностью управляемых ключах и предназначен для формирования регулируемых по длительности импульсов переменного напряжения с частотой, повышенной кратно числу фаз по отношению к частоте сети, а понижающий трансформатор выполнен однофазным и подключен своими первичной и вторичной обмотками к объединенным выводам ветвей соответственно первого и второго трехфазных мостов, при этом вторичная обмотка понижающего трансформатора выполнена со средней точкой, предназначенной для подключения к нулевому проводу нагрузки и, кроме того, узел управления содержит датчик среднего отклонения трехфазного напряжения нагрузки от заданного уровня, выход которого подключен к управляющим входам формирователей управляющих импульсов для ключей первого и второго трехфазных мостов, синхронизирующего входа которых через формирователь синхроимпульсов связаны с выводами для подключения фазных вторичных обмоток главного трансформатора подстанции.

Задачей изобретения является также расширение функциональных возможностей собственно стабилизатора, а именно обеспечение симметрирования трехфазного напряжения. Следует отметить, что реализовать симметрирование в структуре прототипа не представляется возможным.

Эта дополнительная возможность предлагаемого устройства достигается тем, что первичная обмотка понижающего трансформатора подключена через фильтр к объединенным выводам ветвей первого моста и в узел управления введены три датчика отклонений фазных напряжений нагрузки от того же заданного уровня, выходя которых подключены к соответствующим фазным входам управления формирователя управляющих импульсов для регулирования углов задержки включения соответствующих фазных ключей второго трехфазного моста.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми к нему чертежами, где на фиг. 1 приведена схема устройства с общей стабилизацией трехфазного напряжения, а на фиг. 2 модификация этого устройства с добавлением пофазной коррекции в процессе общей стабилизации для симметрирования трехфазного напряжения.

Устройство (фиг. 1) содержит следующие элементы.

Трехфазную сеть и нагрузку 1 и 2, главный трехфазный трансформатор 3 с первичной обмоткой 4 и вторичной обмоткой 5, однофазный высокочастотный понижающий трансформатор 6 с первичной обмоткой 7 и вторичной обмоткой 8, выполненной со средней точкой, первый трехфазный мост 9, выполненный на двунаправленных полностью управляемых ключах 10-15, второй трехфазный мост 16, выполненный на двунаправленных ключах 17-22 с естественной комутацией, а также узел управления 23, в состав которого входят формирователи 24 и 25 управляющих импульсов для ключей соответственно первого и второго мостов, блок синхронизации 26, датчик 27 среднего отклонения трехфазного напряжения нагрузки.

Кроме этих элементов в устройство (фиг. 2) введены датчики 28-30 отклонений фазных напряжений нагрузки и фильтр 31.

Элемент устройства (фиг. 1) соединены следующим образом.

Первичная обмотка 4 главного трансформатора 3 подключена к сети 1, его вторичная обмотка 5 включена между обмоткой 2 и фазными выводами второго трехфазного трансформатора 16, объединенные выводы ветвей которого подключены к вторичной обмотке 8 однофазного понижающего трансформатора 6. Первичная обмотка 7 однофазного понижающего трансформатора 6 подключена к объединенным выводам ветвей первого трехфазного моста 9, фазные выводы которого подключены к соответствующим фазам нагрузки 2, нулевой провод которой подключен к средней точке вторичной обмотки 8 однофазного понижающего трансформатора 6. При этом управляющие выводы формирователей 24 и 25 управляющих импульсов узла управления 23 подключены к выходу датчика 27 среднего отклонения трехфазного напряжения нагрузки, а их синхронизирующие входы через вход синхронизации 26 связаны с выводами для подключения фазных обмоток трехфазной вторичной обмотки 5 главного трансформатора 3.

Дополнительные элементы устройства (фиг. 2) предназначенные для симметрирования трехфазного напряжения нагрузки соединены следующим образом.

Фазные управляющие входы формирователя 25 управляющих импульсов для ключей 17 и 20, 19 и 22, 21 и 18 фазных ветвей второго трехфазного моста 16 подключены к выходам датчиков 28, 29 и 30 отклонений соответствующих фазных напряжений нагрузки, а первичная обмотка 7 понижающего трансформатора 6 через фильтр 31 подключена к объединенным выводам ветвей первого трехфазного моста 9, в то время как управляющий вход формирователя 24 управляющих импульсов для ключей первого трехфазного моста 9 также (см. фиг. 1) подключен к выходу датчика 27 среднего отклонения трехфазного напряжения нагрузки 2.

Устройство (фиг. 1) работает следующим образом.

Первый мост 9, работая в режиме трехфазно-однофазного непосредственного преобразователя частоты с искусственной комутацией, из трехфазной системы линейных напряжений нагрузки, изменяющих с частотой сети f_с, формирует регулируемые по длительности импульсы однофазного напряжения U_n1 (фиг. 3) с частотой f_n = k·m·f_с, кратной числу фаз m, например, с коэффициентом кратности k = 3. Импульсы высокочастотного напряжения U_n1 чередуются с паузами, на интервалах которых посредством ключей одной из ветвей моста 9 первичная обмотка 7 однофазного трансформатора 6 закорачивается. Взаимное изменение длительности импульсов и пауз напряжения U_n1 позволяет регулировать его действующее значение. Это регулируемое высокочастотное напряжение U_n1 понижается однофазным трансформатором 6 до уровня U_n2 и подается на объединенные выводы ветвей второго моста 16, который, работая в режиме ведомого сетью однофазно-трехфазного непосредственного преобразователя частоты с естественной комутацией, из однофазного, регулируемого широтно-импульсным способом, напряжения U_n2 с повышенной частотой f_n формирует трехфазное добавочное напряжение U_д с частотой, равной частоте сети f_с.

Добавочное напряжение U_д, суммируясь с напряжением U₂ на вторичной обмотке 5 главного трансформатора 3, обуславливает напряжение U₂ нагрузки (фиг. 3), которое стабилизируется на заданном, например номинальном, уровне за счет воздействия сигналом, снимаемым с датчика 27 среднего отклонения трехфазного напряжения нагрузки, на узел управления 23. Причем воздействием сигнала обратной связи на формирователь 24 управляющих импульсов для ключей 10-15 первого моста 9 производится общая стабилизация трехфазного напряжения U₂ нагрузки 2, а воздействием на формирователь 25 управляющих импульсов для ключей 17-22 второго моста 16, реагирующего только на знак сигнала управления U_у (фиг. 1), производится смена полярности добавочного напряжения U_д и перевод устройства из режима вольтодобавки в режим вольтовычета. При это независимо от режима работы стабилизатора и характера его нагрузки внутри групп с общим анодом и с общим катодом, образованных из тиристорных ключей 17-22 второго моста 16, тиристоры коммутируются естественным путем как в выпрямительном, так и в инверторном режимах работы ведомого сетью непосредственного преобразователя частоты. В соответствии с п.1 формулы в устройстве (фиг. 1) второй мост 16 выполняет соответственно только функцию делителя частоты в k · m раз и не участвует в процессе пофазного регулирования действующего значения напряжения вольтодобавки для симметрирования напряжения нагрузки 2.

В условиях несимметричных сетей и нагрузок целесообразно применять устройство, представленное на фиг. 2, в котором второй мост 16 выполняет пофазное регулирование напряжения вольтодобавки в функции отклонений фазных напряжений нагрузки. Это в соответствии с п.2 формулы достигается применением в устройстве датчиков 28, 29, 30 отклонений фазных напряжений нагрузки и выполнением формирователя 25 управляющих импульсов для ключей второго моста 16 с возможностью пофазного регулирования углов задержки включения тиристоров.

Устройство (фиг. 2) работает следующим образом.

При возникновении несимметрии в напряжении нагрузки 2, например в режиме вольтодобавки, вызванной увеличением напряжения в одной из фаз, предположим, в фазе A нагрузки, производится снижение добавочного напряжения U_дA этой фазы при помощи ключей 17 и 20 второго моста 16 за счет воздействия сигналом U_дA, снимаемым с датчика 28, на углы задержки включения тиристоров этих ключей. При этом в процессе симметрирования трехфазного напряжения U₂ участвует также и первый мост 9, вследствие изменения сигнала U_д на выходе датчика 27 среднего отклонения трехфазного напряжения нагрузки 2. Трехфазный мост 9 в начальный момент снижает общее трехфазное фазное напряжение вольтодобавки U_д, ускоряя процесс снижения напряжения в фазе A нагрузки, и далее, на стадии завершения этого процесса, вновь повышает U_д до заданного уровня.

Если же в режиме вольтодобавки произошло снижение напряжения в одной из фаз, то производится общее повышение трехфазного напряжения вольтодобавки U_д при помощи первого моста 9 с одновременным ограничением напряжения в двух других фазах при помощи ключей второго моста 16, относящихся к этим двум фазам.

В режиме вольтовычета процесс симметрирования напряжения нагрузки с участием ключей обеих мостов протекает аналогично.

Устройство как более совершенное, обладающее улучшенными массогабаритными показателями, расширенными функциональными возможностями и высоким быстродействием, может заменять известные стабилизаторы трехфазного напряжения 0.4 кВ мощности до 1 MB · A.

Источники информации: 1. Авторское свидетельство СССР N 589681, H 02 P 13/14.

2. Авторское свидетельство СССР N 737928, А 05 А 1/22.

Формула изобретения

1. Трехфазный стабилизатор напряжения трансформаторный подстанции с однофазным звеном повышенной частоты, включенный на низкой стороне главного трансформатора и содержащий понижающий трансформатор, первый трехфазный мост, фазные выводы которого соединены с соответствующими фазными выводами вторичной обмотки главного трансформатора, предназначенными для подключения нагрузки к подстанции, второй трехфазный мост, выполненный на двунаправленных ключах с естественной коммутацией, и узел управления, отличающийся тем, что первый трехфазный мост выполнен на двунаправленных полностью управляемых ключах и предназначен для формирования регулируемых по длительности импульсов переменного напряжения с частотой, увеличенной кратно числу фаз по отношению к частоте сети, а понижающий трансформатор выполнен однофазным и подключен своими первичной и вторичной обмотками к объединенным выводам ветвей соответственно первого и второго трехфазных мостов, при этом вторичная обмотка понижающего трансформатора выполнена со средней точкой, предназначенной для подключения к нулевому проводу нагрузки и, кроме того, узел управления содержит датчик среднего отклонения трехфазного напряжения нагрузки от заданного уровня, выход которого подключен к управляющим входам формирователей управляющих импульсов для ключей первого и второго управляющих мостов, синхронизирующие входы которых через блок синхронизации связаны с выводами для подключения фазных вторичных обмоток главного трансформатора подстанции.

2. Стабилизатор по п.1, отличающийся тем, что первичная обмотка понижающего трансформатора подключена к объединенным выводам ветвей первого моста через фильтр и в узел управления введены три датчика отклонений фазных напряжений нагрузки от того же заданного уровня, выходы которых подключены к соответствующим фазным входам управления формирователя управляющих импульсов для регулирования углов задержки включения соответствующих фазных ключей второго трехфазного моста.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3