Многофазный управляемый выпрямитель

 

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике, а именно к управляемым устройствам для преобразования переменного тока в постоянный, и предназначено для питания мощных потребителей в электротранспорте, химической и металлургической промышленности и, в частности, для питания электролизных установок. Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, и техническим результатом является снижение потребления реактивной мощности, снижение мощности регулируемого источника тока, т.е. снижение мощности и габаритов системы управления и повышение ее быстродействия. Многофазный управляемый выпрямитель содержит силовой трансформатор, вторичные обмотки которого подключены к вводам переменного тока основного выпрямительного блока на неуправляемых вентилях, последовательно с каждым из которых включена рабочая обмотка дросселя насыщения, обмотки подмагничивания дросселей насыщения соединены последовательно и подключены через индуктивное сопротивление к регулируемому источнику тока. Согласно изобретению многофазный управляемый выпрямитель снабжен дополнительным выпрямительным блоком, а каждый дроссель насыщения снабжен дополнительной обмоткой, причем дополнительные обмотки дросселей насыщения каждой фазы основного выпрямительного блока соединены встречно параллельно и подключены к вводам переменного тока дополнительного выпрямительного блока, а его выводы постоянного тока подключены параллельно выходу основного выпрямительного блока, при этом дополнительные обмотки дросселей насыщения соединены в звезду или в треугольник. 3 ил.

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике, а именно к управляемым устройствам для преобразования переменного тока в постоянный, и предназначено для питания мощных потребителей в электротранспорте, химической и металлургической промышленности и, в частности, для питания электролизных установок.

Известен преобразователь трехфазного переменного напряжениям постоянное (см. а.с. 1709480, МПК(5) Н 02 М 7/12, заявл. 01.03.90 г.), который содержит основной трехфазный трансформатор, основной и дополнительный трехфазные выпрямительные мосты, а также три дополнительных однофазных трансформатора, первичные обмотки которых включены в соответствующие фазные цепи между входными выводами и первичными обмотками основного трансформатора, а параллельно каждой из вторичных обмоток включены тиристорные ключи. Использование тиристоров с системой импульсно-фазового управления сравнительно сложно. Кроме того, для питания электролизных установок, как правило, применяются трансформаторы с двумя вторичными фазосмещенными обмотками за счет соединения одной обмотки в "треугольник", а второй - в "звезду" (см., например. Справочник электроэнергетика предприятий цветной металлургии" под ред. Басалыгина М.Я., Копырина B.C. - М.: Металлургия, 1991 г., стр. 172). При таком исполнении трансформатора фазовое регулирование напряжения первичной обмотки ведет к неравномерной нагрузке по току выпрямительных блоков, подключенных к фазосмещенным вторичным обмоткам.

Известен многофазный управляемый выпрямитель с дросселями насыщения, включенными последовательно с неуправляемыми вентилями (см. Толстов Ю.Г. и др. Силовые полупроводниковые выпрямители, управляемые дросселями насыщения. - М.: Наука, 1968, стр. 81), являющийся наиболее близким по технической сущности к заявляемому. Известный многофазный управляемый выпрямитель содержит силовой трансформатор, вторичные обмотки которого подключены к вводам переменного тока основного выпрямительного блока на неуправляемых вентилях, последовательно с каждым из которых включена рабочая обмотка дросселя насыщения, обмотки подмагничивания дросселей насыщения соединены последовательно и подключены через индуктивное сопротивление к регулируемому источнику тока.

Недостатком известного многофазного управляемого выпрямителя является значительное потребление реактивной мощности, а следовательно и низкое значение коэффициента мощности (cosϕ) при регулировании напряжения, обусловленное пропорциональной зависимостью cosϕ от глубины регулирования напряжения. Для поддержания заданного тока при возмущениях в нагрузке, например, при периодических возникновениях анодных эффектов в электролизерах алюминия, сопровождающихся увеличением их сопротивления, понижениях напряжения сети, управляемый выпрямитель должен иметь запас по выходному напряжению. Таким образом, управляемый выпрямитель, питающий перечисленные выше нагрузки, в установившемся режиме без возмущений работает с полностью введенными дросселями насыщения, т.е. с максимальным потреблением реактивной мощности и минимальным значением cosϕ. Переход дросселя в исходное состояние после завершения рабочего цикла определяется намагничивающей силой, создаваемой обмоткой подмагничивания за счет протекания по ней тока от регулируемого источника тока. При ненасыщенном состоянии магнитопровода дросселя насыщения в обмотку подмагничивания из рабочей обмотки трансформируется переменное напряжение. Максимальная величина трансформируемого в обмотку подмагничивания напряжения U_{п max} определяется максимальным значением напряжения на рабочей обмотке дросселя насыщения и коэффициентом трансформации между витками обмоток подмагничивания и рабочей U_{п max} = U_{л max}sinα_maxк_пр где U_{л mах} - амплитуда линейного напряжения на входе выпрямительного блока; α_max = arccosU_min/U_dmax - максимальный угол задержки, исчисляемый от угла естественной коммутации до насыщения дросселя вступившей в работу фазы; U_min, U_dmax - соответственно минимальное и максимальное значения среднего выпрямленного напряжения управляемого выпрямителя; к_пр= w_п/wp_р - коэффициент трансформации между витками обмоток подмагничивания и рабочей; w_п, w_р - число витков обмотки подмагничивания и рабочей обмотки.

Для большинства ранее перечисленных нагрузок диапазон регулирования напряжения U_d на выходе выпрямителя составляет 5-7% от максимального выпрямленного напряжения U_{d max}. Следовательно, максимальное значение напряжения, трансформируемого в обмотку подмагничивания, составит U_{п max}=(0,3-0,4)U_{л mах} w_п/w_р. Величина индуктивного сопротивления, включенного в цепь обмоток подмагничивания, должна быть достаточной для подавления трансформируемого переменного напряжения до уровня, не отражающегося на работе дросселей насыщения. Большему значению трансформируемого напряжения в обмотки подмагничивания соответствует и большая величина индуктивного сопротивления в цепи обмоток подмагничивания, что обуславливает снижение быстродействия регулирования напряжения на выходе управляемого выпрямителя и большую мощность источника регулируемого тока.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение является снижение потребления реактивной мощности, снижение мощности регулируемого источника тока, т.е. снижение мощности и габаритов системы управления, и повышение ее быстродействия.

Поставленная техническая задача решается за счет того, что известный многофазный управляемый выпрямитель, содержащий силовой трансформатор, вторичные обмотки которого подключены к вводам переменного тока основного выпрямительного блока на неуправляемых вентилях, последовательно с каждым из которых включена рабочая обмотка дросселя насыщения, обмотки подмагничивания дросселей насыщения соединены последовательно и подключены через индуктивное сопротивление к регулируемому источнику тока, согласно изобретению многофазный управляемый выпрямитель снабжен дополнительным выпрямительным блоком, а каждый дроссель насыщения снабжен дополнительной обмоткой, причем дополнительные обмотки дросселей насыщения каждой фазы основного выпрямительного блока на неуправляемых вентилях соединены встречно параллельно и подключены к вводам переменного тока дополнительного выпрямительного блока на неуправляемых вентилях, а его выводы постоянного тока подключены параллельно выходу основного выпрямительного блока на неуправляемых вентилях, при этом дополнительные обмотки дросселей насыщения соединены в звезду или в треугольник.

Предложенная конструкция многофазного управляемого выпрямителя позволяет достичь снижения потребления реактивной мощности в процессе регулирования напряжения, снижения мощности регулируемого источника тока, питающего обмотки подмагничивания дросселей насыщения, и повышения быстродействия регулирования напряжения за счет реализации ступенчатого регулирования выпрямленного напряжения и использования энергии силового трансформатора для перемагничивания магнитопроводов дросселей насыщения в исходное состояние после рабочего цикла. Коммутация вентилей в граничных режимах диапазона регулирования напряжения происходит в точках естественной коммутации с минимальным потреблением реактивной мощности с незначительным увеличением ее потребления в середине ограниченного диапазона регулирования напряжения.

На фиг.1 изображена принципиальная схема многофазного управляемого выпрямителя, выполненного по мостовой трехфазной схеме выпрямления.

На фиг. 2 представлены диаграммы выпрямленного напряжения (а), фазных напряжений вторичных обмоток силового трансформатора (б), тока фазы А (в) и напряжения на рабочей обмотке дросселя насыщения (г).

На фиг. 3 приведен график зависимости cosϕ и потребляемой реактивной мощности от глубины регулирования напряжения для наиболее близкого аналога и заявляемого устройства.

Заявляемый многофазный управляемый выпрямитель (см. фиг.1) содержит силовой трансформатор 1 с вторичными обмотками 2, основной выпрямительный блок 3 на неуправляемых вентилях 4, дроссели насыщения 5 с рабочими обмотками 6, обмотками подмагничивания 7 и дополнительными обмотками 8, индуктивное сопротивление 9, регулируемый источник тока 10, дополнительный выпрямительный блок 11 на неуправляемых вентилях 12. Рабочие обмотки 6 дросселей насыщения 5 соединены последовательно с неуправляемыми вентилями 4 и подключены к вторичным обмоткам 2 силового трансформатора 1. Обмотки подмагничивания 7 дросселей насыщения 5 соединены последовательно и через индуктивное сопротивление 9 подключены к регулируемому источнику тока 10. Дополнительные обмотки 8 дросселей насыщения 5 каждой фазы основного выпрямительного блока 3 соединены встречно параллельно и подключены к вводам переменного тока дополнительного выпрямительного блока 11, а его выводы постоянного тока подключены параллельно выходу основного выпрямительного блока, при этом дополнительные обмотки дросселей насыщения в конкретном примере выполнения соединены в звезду.

Многофазный управляемый выпрямитель работает следующим образом. При насыщенных магнитопроводах дросселей насыщения 5 магнитная связь между рабочими обмотками 6 и дополнительными обмотками 8 отсутствует. Основной выпрямительный блок 3 работает как обычный неуправляемый выпрямитель. Дополнительный выпрямительный блок 11, на входах переменного тока которого нет напряжения, заперт. Напряжение на выходе многофазного управляемого выпрямителя максимально (см. фиг.2, диаграммы токов и напряжений при t>t₃) и может быть определено по известной формуле: U_{d max}=к_cxU_2ф, где к_сх - коэффициент схемы выпрямления; U_2ф - фазное напряжение вторичной обмотки 2 силового трансформатора 1. При ненасыщенных магнитопроводах дросселей насыщения 5, когда ток в обмотках подмагничивания 7 отсутствует, в дополнительные обмотки 8 от рабочих обмоток 6 трансформируется напряжение, которое подается на вводы переменного тока дополнительного выпрямительного блока 11 и последний включается на параллельную работу с основным выпрямительным блоком 3. Выпрямленное напряжение многофазного управляемого выпрямителя уменьшается на величину ЭДС рабочей обмотки 6 дросселя насыщения, создающей в дополнительной обмотке 8 напряжение, необходимое для параллельной работы основного 3 и дополнительного 11 выпрямительных блоков (см. фиг. 2 диаграммы токов и напряжений при t<t). Минимальное выпрямленное напряжение на выходе многофазного управляемого выпрямителя задается соотношением витков рабочей 6 и дополнительной 8 обмоток дросселей насыщения
U_{d min}=к_схU_2фw_р(w_р+w_д),
где w_д - количество витков дополнительной обмотки.

Меняя посредством регулируемого источника тока относительное отношение ненасыщенного и насыщенного состояний дросселей насыщения в течение рабочего цикла, можно регулировать выпрямленное напряжение многофазного управляемого выпрямителя от минимального до максимального (см. фиг.2, диаграммы токов и напряжений при t₂<t).

На фиг.3 приведен график зависимости cosϕ и потребляемой реактивной мощности от глубины регулирования напряжения для наиболее близкого аналога (графики 1 и 2 соответственно) и заявляемого устройства (графики 3 и 4 соответственно) для глубины регулирования напряжения 20%. Заштрихованные зоны показывают выигрыш в значении cosϕ (5) и в потреблении реактивной мощности Q (6) в заявляемом устройстве по сравнению с наиболее близким аналогом. Указанный выигрыш усиливается тем, что при отсутствии возмущений, т.е. большую часть рабочего времени, многофазный управляемый выпрямитель работает с выпрямленным напряжением, близким к минимальному, и, следовательно, с повышенным значением cosϕ и пониженным потреблением реактивной мощности по сравнению с наиболее близким аналогом.

При вступлении очередного дросселя насыщения в работу, под действием протекающего по его рабочей обмотке тока, индукция в магнитопроводе дросселя насыщения увеличивается от начальной до индукции насыщения. Так как дополнительные обмотки дросселей насыщения каждой фазы основного выпрямительного блока соединены встречно параллельно, в магнитопроводе противофазного к вступившему в работу дросселю насыщения индукция, при отсутствии тока подмагничивания, уменьшается от индукции насыщения до начальной. Таким образом, при установившейся величине выпрямленного напряжения возврат дросселей насыщения в начальное состояние после рабочего цикла происходит без потребления тока от регулируемого источника тока. Ток в обмотки подмагничивания дросселей насыщения подается только для изменения начальной индукции в их магнитопроводах при изменении величины выпрямленного напряжения.

Максимальная величина трансформируемого в обмотку подмагничивания напряжения U_{п mах} определяется максимальным значением напряжения на рабочей обмотке дросселя насыщения и соотношением витков обмотки подмагничивания и рабочей обмотки. Максимальное напряжение на рабочей обмотке дросселя насыщения определяется максимальным линейным напряжением вторичной обмотки силового трансформатора и глубиной регулирования выпрямленного напряжения. При указанной выше глубине регулирования выпрямленного напряжения 5÷7% максимальная величина трансформируемого в обмотку подмагничивания дросселей насыщения для заявляемого устройства составит
U_{п max}= (0,05-0,07)U_{л mах} w_п/w_р, что значительно ниже, чем в наиболее близком аналоге, что позволяет уменьшить индуктивное сопротивление в цепи обмоток подмагничивания, следовательно, увеличить быстродействие устройства.

Применение заявленного многофазного управляемого выпрямителя обеспечивает следующие технические преимущества:
- снижение потребления реактивной мощности;
- снижение мощности регулируемого источника тока подмагничивания, т.е. снижение мощности и габаритов системы управления;
- повышение быстродействия.

Формула изобретения

Многофазный управляемый выпрямитель, содержащий силовой трансформатор, вторичные обмотки которого подключены к вводам переменного тока основного выпрямительного блока на неуправляемых вентилях, последовательно с каждым из которых включена рабочая обмотка дросселя насыщения, обмотки подмагничивания дросселей насыщения соединены последовательно и подключены через индуктивное сопротивление к регулируемому источнику тока, отличающийся тем, что многофазный управляемый выпрямитель снабжен дополнительным выпрямительным блоком на неуправляемых вентилях, а каждый дроссель насыщения снабжен дополнительной обмоткой, причем дополнительные обмотки дросселей насыщения каждой фазы основного выпрямительного блока на неуправляемых вентилях соединены встречно параллельно и подключены к вводам переменного тока дополнительного выпрямительного блока на неуправляемых вентилях, а его выводы постоянного тока подключены параллельно выходу основного выпрямительного блока на неуправляемых вентилях, при этом дополнительные обмотки дросселей насыщения соединены в звезду или в треугольник.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3