Стабилизатор трёхфазного синусоидального напряжения со звеном повышенной частоты
Владельцы патента RU 2709186:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный государственный университет путей сообщения" (ДВГУПС) (RU)
Изобретение относится к преобразовательной технике. Технический результат - повышение быстродействия и энергетических показателей стабилизатора. Сущность изобретения: стабилизатор предназначен для включения на низкой стороне главного трансформатора подстанции и содержит последовательно включенные входной преобразователь частоты со звеном постоянного напряжения, высокочастотный понижающий трансформатор и выходной преобразователь частоты в виде циклоконвертора напряжения. Входной преобразователь частоты повышает частоту сети кратно частоте сети и выполнен на базе транзисторного выпрямителя и двухмостового инвертора напряжения. Выходной преобразователь частоты, представляющий собой циклоконвертор напряжения на однооперационных тиристорах преобразует пониженное высокочастотным трансформатором напряжение до частоты сети. Это выходное напряжение стабилизатора поступает во вторичную обмотку главного трансформатора подстанции. Устройство производит в зависимости от режима работы регулирование выходного напряжения стабилизатора как двухмостовым инвертором напряжения так и циклоконвертором напряжения. Стабилизация напряжения на нагрузке производится двухмостовым инвертором напряжения по отклонению напряжения сети и циклоконвертором напряжения по отклонению напряжения нагрузки. 1 ил.
Изобретение относится к электронике, в частности к преобразовательной технике, и может быть использовано для стабилизации трехфазного напряжения на низкой стороне трансформаторной подстанции.
Известен стабилизатор напряжения трансформаторной подстанции со звеном повышенной частоты [патент РФ №2071633 МПК Н02М 5/45, G05F 1/30, 1997], который включается на низкой стороне главного трансформатора трансформаторной подстанции и содержит управляемый реверсивный выпрямитель с системой управления, инвертор напряжения с системой управления и нулевой циклоконвертор с системой управления, а также понижающий высокочастотный трансформатор, предназначенный для понижения уровня выходного напряжения инвертора. Стабилизация напряжения производится при одновременном воздействии на системы управления выпрямителем, инвертором и циклоконвертором сигнала отклонения напряжения нагрузки от заданного уровня.
Основной недостаток этого устройства низкое быстродействие в процессе стабилизации напряжения на нагрузке при амплитудном регулировании добавочного напряжения стабилизатора посредством реверсивного тиристорного выпрямителя с наличием на его выходе реактивных элементов, а также применением усложненного алгоритма для одновременного управления всеми преобразователями стабилизатора, особенно при переходе из режима вольтоприбавления к режиму вольтовычетания и наоборот.
Кроме этого, низкие энергетические показатели обусловлены тем, что стабилизатор при формировании добавочного напряжения искажает форму выходного тока циклоконвертора, что снижает коэффициенты мощности и КПД главного трансформатора, а искажения напряжения на нагрузке, вызванные несогласованностью в регулировании длительностей проводящих состояний тиристоров инвертора и нулевого циклоконвертора приводят к снижению КПД потребителей.
Также известен стабилизатор трехфазного синусоидального напряжения со звеном повышенной частоты [патент РФ №2146387 МПК Н02М 5/45, G05F 1/30, 1998], который принят за прототип. Он по сравнению с предыдущим аналогом имеет улучшенные быстродействие и энергетические показатели. Стабилизатор включен в цепь нагрузки главного трансформатора подстанции и содержит два преобразователя частоты, один из которых повышает частоту напряжения и выполнен на основе управляемого реверсивного выпрямителя и инвертора напряжения, а другой понижает частоту до частоты сети и представляет собой нулевой циклоконвертор, и включенный между ними понижающий высокочастотный трансформатор. Стабилизация напряжения на нагрузке производится реверсивным выпрямителем по отклонению напряжения сети и нулевым циклоконвертором по отклонению напряжения нагрузки.
Недостатками прототипа являются низкое быстродействие и энергетические показатели главного и высокочастотного трансформаторов, в связи с тем, что реверсивный тиристорный выпрямитель потребляет прямоугольный ток, который в процессе регулирования напряжения в функции отклонения напряжения сети увеличивает фазу тока во вторичной цепи главного трансформатора. Кроме этого одномостовой инвертор напряжения со 180-градусным алгоритмом управления формирует двухступенчатую форму добавочного напряжения, которая отражается на несинусоидальности напряжения у потребителей. Следует отметить также, что между реверсивным выпрямителем и инвертором напряжения включен инерционный LC-фильтр, который при регулировании добавочного напряжения выпрямителем снижает быстродействие всего стабилизатора.
Задачей изобретения является повышение быстродействия и энергетических показателей стабилизатора трехфазного синусоидального напряжения со звеном повышенной частоты для трансформаторной подстанции.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном стабилизаторе трехфазного синусоидального напряжения со звеном повышенной частоты вместо реверсивного выпрямителя применен одномостовой транзисторный выпрямитель, выполненный на IGBT-транзисторах с обратными диодами, причем на входе его выпрямительного моста введен L-фильтр, а система управления транзисторного выпрямителя выполнена с возможностью широтно-импульсной модуляции выходного напряжения и опережающим формированием синусоидального входного тока, кроме этого инвертор напряжения выполнен двухмостовым, а его система управления выполнена с возможностью регулирования выходными напряжениями первого и второго транзисторных мостов, причем управляющий вход системы управления двухмостового инвертора напряжения подключен к выходу датчика отклонения напряжения сети, вход которого через измерительно-синхронизирующий блок подключен к фазным вторичным обмоткам главного трансформатора подстанции, вместе с этим первый управляющий выход системы управления двухмостового инвертора напряжения подключен к первому транзисторному мосту двухмостового инвертора напряжения, а второй управляющий выход системы управления инвертора подключен ко второму транзисторному мосту двухмостового инвертора напряжения, понижающий высокочастотный трансформатор выполнен трехфазно-шестифазным, причем его магнитопровод может быть исполнен Ш-образным, либо пространственным, либо торроидальным с круговым вращающимся магнитным полем, вторичная обмотка которого соединена в шестифазную звезду с изолированной нейтралью, а первичная обмотка одними концами пофазно присоединена к первым фазным выходам двухмостового инвертора напряжения и другими концами ко вторым фазным выходам двухмостового инвертора напряжения, а первые входы первого и второго транзисторного мостов двухмостового инвертора напряжения объединены и подключены к первому выходу LC-фильтра, вторые входы первого и второго транзисторного мостов двухмостового инвертора напряжения также объединены и подключены ко второму выходу LC-фильтра, при этом циклоконвертор напряжения выполнен шестифазно-трехфазным.
На чертеже представлена схема стабилизатора для трансформаторной подстанции.
Устройство содержит главный трансформатор 1 с первичной и вторичной обмотками 2 и 3, понижающий высокочастотный трансформатор 4 с первичной 5 и вторичными 6 обмотками, транзисторный выпрямитель 7 с L-фильтром 8 и выпрямительным мостом 9, а также системой управления 10, LC-фильтр 11, двухмостовой инвертор напряжения 12 с первым 13 и вторым 14 транзисторными мостами и системой управления 15, циклоконвертор напряжения 16 с системой управления 17, датчик отклонения напряжения сети 18 и датчик отклонения напряжения нагрузки 19, измерительно-синхронизирующий блок 20, нагрузку 21.
Элементы устройства соединены следующим образом.
Вторичная обмотка 3 главного трансформатора включена между выходом циклоконвертора напряжения 16 и нагрузкой 21. Первичная обмотка 5 понижающего высокочастотного трансформатора 4 одними концами пофазно присоединена к фазным выходам первого транзисторного моста 13 двухмостового инвертора напряжения 12, а другими концами также пофазно присоединена к фазным выходам второго транзисторного моста 14 двухмостового инвертора напряжения 12 и через последовательно соединенные двухмостовой инвертор напряжения 12, LC-фильтр 11, выпрямительный мост 9 и L-фильтр 8 транзисторного выпрямителя 7 подключена к нагрузке 21, при этом первый вход транзисторного моста 13 двухмостового инвертора напряжения 12 и первый вход транзисторного моста 14 двухмостового инвертора напряжения 12 объединены и подключены к первому выходу LC-фильтра 11, вместе в этим второй вход транзисторного моста 13 двухмостового инвертора напряжения 12 и второй вход транзисторного моста 14 двухмостового инвертора напряжения 12 объединены и подключены ко второму выходу LC-фильтра 11, а вторичная обмотка 6 понижающего высокочастотного трансформатора 4 соединена в шестифазную звезду и подключена к входу циклоконвертора напряжения 16, первичная обмотка 2 главного трансформатора 1 подключена к сети. Первый управляющий вход системы управления 17 циклоконвертором напряжения 16 подключен к выходу датчика отклонения напряжения нагрузки 19, вход которого подключен пофазно между вторичной обмоткой 3 главного трансформатора 1 и нагрузкой 21. Управляющий выход системы управления 17 циклоконвертором напряжения 16 подключен к управляющему входу циклоконвертора напряжения 16. Управляющий выход системы управления 10 транзисторного выпрямителя подключен к управляющему входу выпрямительного моста 9 транзисторного выпрямителя 7. Управляющие входы системы управления 10 транзисторным выпрямителем 7, первые управляющие входы системы управления 15 двухмостовым транзисторным инвертором напряжения 12, вторые управляющие входы системы управления 17 циклоконвертором напряжения 16, а также вход датчика отклонения напряжения сети 18 подключены к выходам измерительно-синхронизирующего блока 20, входы которого подключены к вторичным фазным обмоткам 3 главного трансформатора 1, а выход датчика отклонения напряжения сети 18 подключен ко второму управляющему входу системы управления 15 двухмостовым транзисторным инвертором напряжения, при этом первый выход системы управления 15 двухмостовым транзисторным инвертором напряжения подключен к управляющему входу первого транзисторного моста 13 двухмостового инвертора напряжения 12, а второй выход системы управления 15 двухмостовым транзисторным инвертором напряжения подключен к управляющему входу второго транзисторного моста 14 двухмостового инвертора напряжения 12.
Устройство работает следующим образом.
В режиме вольтодобавки дополнительный поток электрической энергии направлен из сети в нагрузку 21 через главный трансформатор 1, транзисторный выпрямитель 7, с его L-фильтром и выпрямительным мостом 9, LC-фильтр 11, двухмостовой транзисторный инвертор напряжения 12, понижающий высокочастотный трансформатор 4 и циклоконвертор напряжения 16, а в режиме вольтовычета из нагрузки 21 в сеть в обратом направлении.
Пофазный перевод устройства из режима вольтодобавки в режим вольтовычета производится увеличением угла задержки включения тиристоров соответствующих фазных анодных и катодных групп циклоконвертора напряжения 16 на величину, которая больше половины полупериода высокочастотного напряжения.
Стабилизация напряжения на нагрузке производится как посредством регулирования углами включения тиристоров циклоконвертора напряжения 16, так и посредством двухмостового транзисторного инвертора напряжения 12, в котором для каждого из мостов применен 180-градусный алгоритм управления проводящим состоянием транзисторов.
В процессе формирования добавочного напряжения участвует понижающий высокочастотный трансформатор 4, который определяет требуемый диапазон стабилизации напряжения и может быть выполнен на Ш-образном, либо пространственном, либо торроидальном магнитопроводе с круговым вращающимся магнитным полем, а также транзисторный выпрямитель 7, LC-фильтр 8, двухмостовой транзисторный инвертор напряжения 12 и циклоконвертор напряжения 16.
Двухмостовой инвертор напряжения 12 формирует трехфазное напряжение повышенной частоты трехступенчатой формы в течении каждого положительного и отрицательного полупериода, кратное частоте сети, например 450 Гц. Такая трехступенчатая форма выходного напряжения двухмостового инвертора 12 обеспечивается управлением транзисторами его первого моста 13 двухмостового транзисторного инвертора напряжения 12 с углами регулирования α, а транзисторами второго моста 14 двухмостового транзисторного инвертора напряжения 12 с углами регулирования π-α. Это напряжение преобразуется в понижающем высокочастотном трансформаторе 4 и подается на вход циклоконвертора напряжения 16, выполненного на трех анодных и трех катодных группах однооперационных тиристоров.
Внутри каждой группы управляемых тиристоров циклоконвертора напряжения 16 коммутация происходит естественным путем в выпрямительном и инверторных режимах при питании тиристорных групп периодически изменяющимся высокочастотным напряжением, поступающего на вторичную обмотку 6 понижающего высокочастотного трансформатора 4, а формирование синхронизированной с сетью вольтодобавки производится циклоконвертором напряжения 16 в зависимости от рассогласования фазных напряжений нагрузки при помощи фазных каналов системы управления 17.
Транзисторный выпрямитель 7 выполнен на IGBT-транзисторах с обратными диодами и возможностью двухстороннего обмена электроэнергией и в процессе стабилизации напряжения формирует ток, опережающий по фазе ток во вторичной обмотке 3 главного трансформатора 1, тем самым обеспечивая частичную компенсацию реактивной мощности, при этом главный трансформатор 1 выполняет функцию вольтодобавочного трансформатора, суммируя добавочное напряжение с напряжением его вторичной обмотки 3.
Технический результат заключается в повышении быстродействия стабилизатора посредством безинерционного регулирования добавочного напряжения, а также в улучшении формы добавочного напряжения и напряжения у потребителей за счет согласования длительности трехступенчатого напряжения двухмостового инвертора напряжения, равными 15 градусов с интервалами работы шестифазно-трехфазного циклоконвертора, равными также 15 градусов, что повышает коэффициент полезного действия и при этом не изменяется форма тока в силовом трансформаторе и сети, и обеспечивается частичная компенсация реактивной мощности во вторичной цепи силового трансформатора за счет опережающего формирования синусоидального тока на входе транзисторного выпрямителя с широтно-импульсной модуляцией.
Стабилизатор трехфазного синусоидального напряжения со звеном повышенной частоты, включенный на низкой стороне главного трансформатора подстанции и содержащий понижающий высокочастотный трансформатор, датчик отклонения напряжения нагрузки, датчик отклонения напряжения сети, реверсивный выпрямитель и инвертор напряжения с входным LC-фильтром, а также циклоконвертор напряжения с естественной коммутацией, системы управления которых синхронизированы с сетью, отличающийся тем, что вместо реверсивного выпрямителя применен одномостовой транзисторный выпрямитель, выполненный на IGBT-транзисторах с обратными диодами, причем на входе его выпрямительного моста введен L-фильтр, а система управления транзисторного выпрямителя выполнена с возможностью широтно-импульсной модуляции выходного напряжения и опережающим формированием синусоидального входного тока, кроме этого инвертор напряжения выполнен двухмостовым, а его система управления выполнена с возможностью регулирования выходными напряжениями первого и второго транзисторных мостов, причем управляющий вход системы управления двухмостового инвертора напряжения подключен к выходу датчика отклонения напряжения сети, вход которого через измерительно-синхронизирующий блок подключен к фазным вторичным обмоткам главного трансформатора подстанции, вместе с этим первый управляющий выход системы управления двухмостового инвертора напряжения подключен к первому транзисторному мосту двухмостового инвертора напряжения, а второй управляющий выход системы управления инвертора подключен ко второму транзисторному мосту двухмостового инвертора напряжения, понижающий высокочастотный трансформатор выполнен трехфазно-шестифазным, причем его магнитопровод может быть исполнен Ш-образным, либо пространственным, либо торроидальным с круговым вращающимся магнитным полем, вторичная обмотка которого соединена в шестифазную звезду с изолированной нейтралью, а первичная обмотка одними концами пофазно присоединена к первым фазным выходам двухмостового инвертора напряжения и другими концами ко вторым фазным выходам двухмостового инвертора напряжения, а первые входы первого и второго транзисторного мостов двухмостового инвертора напряжения объединены и подключены к первому выходу LC-фильтра, вторые входы первого и второго транзисторного мостов двухмостового инвертора напряжения также объединены и подключены ко второму выходу LC-фильтра, при этом циклоконвертор напряжения выполнен шестифазно-трехфазным.
