Перетворювальний агрегат для тягової підстанції постійного струму

Перетворювальний агрегат для тягової підстанції постійного струму, що складається з силового трансформатора, вихідного дроселя, основного дванадцятипульсного випрямляча і реверсивної вольтодобавки, до виходу якої паралельно підключений вузол короткочасного струмообмеження, який відрізняється тим, що у вузол короткочасного струмообмеження додатково введений шунтуючий двоквадрантний ключ знакозмінної напруги, який підключений паралельно виходу вольтодобавки. (19) (21) u201000364 (22) 15.01.2010 (24) 10.08.2010 (46) 10.08.2010, Бюл.№ 15, 2010 р. (72) ПАНАСЕНКО МИКОЛА ВАСИЛЬОВИЧ, ГОНЧАРОВ ЮРІЙ ПЕТРОВИЧ, СИЧЕНКО ВІКТОР ГРИГОРОВИЧ, БОЖКО ВОЛОДИМИР ВЯЧЕСЛАВОВИЧ (73) ПАНАСЕНКО МИКОЛА ВАСИЛЬОВИЧ, ГОНЧАРОВ ЮРІЙ ПЕТРОВИЧ, СИЧЕНКО ВІКТОР ГРИГОРОВИЧ, БОЖКО ВОЛОДИМИР ВЯЧЕСЛАВОВИЧ 3 кань. Приведена структура перетворювального агрегату в порівнянні з відомою типовою дванадцятипульсною схемою випрямляча має важливі переваги. По-перше, в режимах стабілізації вихідної напруги перетворювального агрегату за рахунок регулювання напруги вольтодобавкою практично відсутнє збільшення споживання реактивної потужності в порівнянні з двохмостовою схемою дванадцятипульсного випрямляча і навіть може бути передбачена її компенсація з метою доведення коефіцієнта потужності підстанції до значення, близького до одиниці. По-друге, така структура дозволяє обмежувати аварійні струми на рівні 1,2-1,3 від максимального робочого струму, що сприяє значному зменшенню встановленої потужності дроселя вихідного фільтру. Недоліком даної структури перетворювального агрегату є наявність додаткових втрат потужності в ключі тиристора послідовного вузла струмообмеження який розраховується на пропускання максимальних струмів навантаження в тривалих режимах роботи. Найбільш близьким технічним рішенням до результату, що досягається, є перетворювальний агрегат з реверсивною вольтодобавкою на двохопераційних тиристорах [Гончаров Ю.П., Панасенко Н.В., Божко В.В. Тяговий випрямляч з реверсивним вольтододатком на двохопераційних напівпровідникових приладах // Технічна електродинаміка. - 2008. - №2. – с. 16-21]. Відома структура складається з основного дванадцятипульсного випрямляча на основі послідовного з'єднання моста на діодах і моста на тиристорах, послідовно з якими включена реверсивна вольтодобавка, що складається з моста на двохквадрантних ключах знакозмінної напруги, до виходу якої паралельно підключений вузол короткочасного струмообмеження, що складається з ланцюга струмообмеження на основі послідовного з'єднання ключа на одноопераційному тиристорі і струмообмежуючого резистора. Ключі моста вольтодобавки працюють в режимі однополярної широтно-імпульсної модуляції з періодичною зміною двох інтервалів. У першому інтервалі струм між двома фазами моста проводять один ключ тиристора катодної групи і один ключ в анодній групі. У другому інтервалі включається короткозамкнутий стан КЗ, при якому проводять струм два ключі однієї і тієї ж фази. У КЗ-стані всі три фазні струми на вході вольтодобавки дорівнюють нулю. Ця властивість використана для забезпечення роботи в ланцюзі короткочасного струмообмеження. Так, в аварійних режимах вольтодобавка переводиться короткочасно в режим, при якому чергуються стан холостого ходу (XX), коли всі ключі моста відключені, і стан короткого замикання (КЗ), коли вимкнені два ключі однієї і тієї ж фази. При цьому для рівномірного струмового навантаження ключів моста в КЗ-стані передбачена почергова зміна включень пари ключів кожної фази. Коли струм навантаження досягає порогу струмообмеження, вольтодобавка переходить в ХХ-стан, а тиристор струмообмежувального ланцюга відмикається і струм навантаження переходить на струмообмежувальний резистор. За 51917 4 допомогою введення гістерезису порогу струмообмеження здійснюється короткочасний релейний режим роботи вузла струмообмеження з одночасним переходом керованого моста основного випрямляча в інверторний режим для зменшення вихідної напруги до нуля. Така структура перетворювального агрегату має вищий коефіцієнт корисної дії, оскільки вузол короткочасного струмообмеження підключений паралельно виходу вольтодобавки і в нормальних режимах не працює. При цьому роль шунтуючого ключа по переведенню струму навантаження на струмообмежувальний резистор виконують безпосередньо ключі моста самої вольтодобавки. До недоліків структур перетворювальних агрегатів, що розглянуті вище, слід віднести ту обставину, що в обох схемах аварійні струми короткогозамикання в інтервалі роботи вузлів короткочасного струмообмеження додатково навантажують ключі вольтодобавок. Це вимагає збільшення встановленої потужності вольтодобавки для введення запасу по струму. Крім того, робота вузла струмообмеження відбувається при підвищеній частоті перемикань, що приводить до зростання комутаційних втрат в двохквадрантних ключах вольтодобавки, що замикаються. Всі ці обставини обумовлюють зниження в цілому надійності перетворювального агрегату. Технічною задачею, що розв'язується корисною моделлю, що заявляється, є підвищення надійності перетворювального агрегату шляхом зниження навантаження ключів вольтодобавок та уникнення зростання комутаційних втрат у двохквандрантних ключах вольтодобавки, які замикаються. Суть корисної моделі: Перетворювальний агрегат для тягової підстанції постійного струму, що складається з силового трансформатора, вихідного дроселя, основного дванадцятипульсного випрямляча і реверсивної вольтодобавки, до виходу якої паралельно підключений вузол короткочасного струмообмеження, який відрізняється тим, що у вузол короткочасного струмообмеження додатково введений шунтуючий двохквадрантний ключ знакозмінної напруги, який підключений паралельно виходу вольтодобавки. Для усунення вказаних недоліків удосконалюється відомий трьохмостовий перетворювальний агрегат для тягової підстанції постійного струму, що складається з основного дванадцятипульсного випрямляча на основі послідовного з'єднання моста на діодах і моста на тиристорах, послідовно з якими включена реверсивна вольтодобавка, що складається з моста на двохквадрантних ключах знакозмінної напруги, до виходу якої паралельно підключений вузол короткочасного струмообмеження, що складається з ланцюга струмообмеження на основі послідовного з'єднання ключа на одноопераційному тиристорі і струмообмежувального резистора. Відмінність пропонованого перетворювального агрегату від відомого полягає у введенні в схему шунтуючого двохквадрантного ключа знакозмінної напруги, який підключається паралельно до виходу вольтодобавки і є складо 5 вою частиною вузла короткочасного струмообмеження. На Фіг.1 приведена структурна схема перетворювального агрегату для тягової підстанції постійного струму. На Фіг.2 приведені часові діаграми, що ілюструють роботу перетворювального агрегату під час короткого замикання на лінії. Перетворювальний агрегат містить силовий трансформатор 1, послідовно з'єднані основний дванадцятипульсний випрямляч 2, реверсивну вольтодобавку 3 і вихідний дросель 4. Основний випрямляч 2 складається з послідовного з'єднання моста 5 на діодах і моста 6 на тиристорах. Реверсивна вольтодобавка 3 складається з вхідного фільтру на конденсаторах 7-9 і моста на двохквадрантних ключах знакозмінної напруги 10-15. До виходу вольтодобавки 3 паралельно підключений вузол короткочасного струмообмеження 16, що складається з шунтуючого двохквадрантного ключа знакозмінної напруги 17 і струмообмежувальному ланцюгу з послідовно сполучених тиристора 18 і струмообмежувального резистора 19. На діаграмах струмів (Фіг.2) введені наступні позначення: id - струм навантаження перетворювального агрегату; Idp - максимальний струм навантаження в робочому режимі; Іу1, Іу2 - струми уставок релейної системи управління; id гістерезисний поріг струмообмеження; t0 - момент початку короткого замикання; t1, t3 - моменти початку і кінця роботи вузла короткочасного струмообмеження. Перетворювальний агрегат працює таким чином. У робочих режимах силова частина перетворювального агрегату, що включає основний випрямляч 2 і реверсивну вольтодобавку 3, здійснює випрямлення трифазної живлячої напруги, стабілізацію вихідної випрямленої напруги, компенсацію гармонійних складових в кривій вихідної напруги, а також компенсацію реактивній енергії, що генерується основним випрямлячем з метою доведення коефіцієнта потужності живлячої мережі близького до одиниці. При виникненні короткого замикання і інших аварійних ситуацій струм навантаження id перевищує допустиме максимальне значення Idp у момент t0 (Фіг.2,а). З цієї миті силова частина перетворювального агрегату перебудовується на аварійний режим роботи. У момент t1, коли в релейній системі управління аварійний струм досягає нижнього рівня уставки Iy1=(1,03-1,05)Idp, відбувається відключення вольтодобавки 3 з переказом її в режим XX і включення в роботу вузла короткочасного струмообмеження 16. На часових діаграмах Фіг.2 показаний перехід струму навантаження id з вольтодобавки 3 (Фіг.2,б) на вузол 16 (Фіг.2,в) у момент t1 початку процесу короткочасного струмообмеження. На діаграмах також приведені струми навантаження в шунтуючому двоквадрантном ключі знакозмінної напруги 17 (Фіг.2,г) і в струмообмежувальному ланцюзі з резистором 19 (Фіг.2,д) 51917 6 під час релейного режиму роботи вузла короткочасного струмообмеження 16. У початковому інтервалі t1-t2 аварійний струм навантаження проходить через відкритий шунтуючий ключ 17. У момент t2 струм навантаження id досягає верхнього рівня уставки Іy2=(1,2-1,3)Idp, тобто перевищення порогу спрацьовування вибране із запасом не більше 20-30% від максимального струму в робочому режимі. У цей момент вимикається шунтуючий ключ 17 і включається тиристор 18, переводячи аварійний струм id на струмообмежувальний резистор 19. Це приводить до спаду струму до нижнього рівня уставки Іу1, внаслідок чого відбувається зворотне перемикання аварійного струму на шунтуючий ключ 17. Подальший релейний режим перемикань повторюється за рахунок введення гістерезису id порогу струмообмеження. Завдяки такому захисту від аварійних струмів здійснюється ефективне придушення кидків струму короткого замикання в початкові моменти їх виникнення і до моменту t3, коли спрацьовує апаратура захисту в контурі ланцюга з джерелом короткого замикання. Слід зазначити, що пропонований перетворювальний агрегат може здійснювати безконтактний захист від коротких замикань шляхом використання форсованого зниження вихідної напруги до нульового рівня. У схемі, що заявляється, при виникненні аварійного режиму у момент досягнення струмом навантаження заданого рівня струмообмеження відбувається виключення всіх ключів вольтодобавки, тобто перехід її в режим XX. Надалі здійснюється релейний режим процесу струмообмеження за рахунок включення і виключення додатково введеного в схему шунтуючого двохквадрантного ключа, який здійснює періодичне перемикання струму навантаження на струмообмежувальний ланцюг. Включення вольтодобавки в роботу поновлюється тільки у момент закінчення процесу короткочасного струмообмеження. Таким чином, робота шунтуючого ключа в режимі короткочасного струмообмеження замінює в схемі, що заявляється, ключовий режим вольтодобавки, що формується за рахунок включення і відключення ключів однієї і тієї ж фази. Це дає можливість розвантажити ключі вольтодобавки від аварійних струмів при коротких замиканнях в навантаженні, внаслідок чого не лише підвищується надійність перетворювального агрегату, але і зменшується встановлена потужність силової частини вольтодобавки. Таким чином, введення шунтуючого ключа у вузол короткочасного струмообмеження дозволяє повністю розвантажити двохквадрантні ключі знакозмінної напруги вольтодобавки від аварійних струмів при КЗ у навантаженні і від додаткових комутаційних перевантажень, що дає можливість зменшити встановлену потужність вольтодобавки і підвищити надійність перетворювального агрегату в цілому. 7 51917 8 9 Комп’ютерна верстка М. Ломалова 51917 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601