Індуктивний регулятор напруги з циклоконвертором

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и может быть использовано для узкодиапазонного регулирования или стабилизации трехфазного синусоидального напряжения на низкой стороне трансформаторной подстанции промэнергоблока или на нагрузке автономной электростанции. Известно устройство для регулирования или стабилизации трехфазного синусоидального напряжения по авт.св. СССР № 1056394, кл. Н 02 М 5/257, 1982 г., которое содержит два вольтодобавочных трансформатора и трехфазный тиристорный ключ с естественной коммутацией. Вторичные обмотки вольтодобавочных трансформаторов соединены последовательно и непосредственно включены в цепь вторичной обмотки главного трансформатора подстанции и нагрузки, первичные также соединены последовательно и одна из них соединена в звезду, через тиристорный ключ подключена к вторичной обмотке главного трансформатора, а другая шунтирована тиристорным ключом. Во-первых, в условиях быстрого роста цен на трансформаторное оборудование (особенно медь и холоднокатанную электротехническую сталь) устройство имеет высокую стоимость. Во-вторых, трансформаторы работают на частоте сети и поэтому имеют большие вес и габариты. В-третьих, установленную мощность вольтодобавочных трансформаторов (особенно второго) и их материалоемкость приходится завышать во избежание перенапряжений на тиристорном ключе и пробоя изоляции первичных обмоток трансформаторов. И, наконец, в-четвертых, устройство имеет низкие энергетические показатели вследствие снижения коэффициентов мощности и полезного действия при увеличении угла управления тиристорами в процессе регулирования напряжения. Известно также устройство для регулирования или стабилизации трехфазного синусоидального напряжения по авт.св. СССР № 322836, кл. Н 02 М 5/02, 1970, которое включено в цепь вторичной обмотки главного трансформатора подстанции с нагрузкой и содержит три однофазных четырехобмоточных трансформатора и три однофазных преобразователя с промежуточным звеном постоянного тока, каждый из которых содержит однофазный управляемый выпрямитель и инвертор с системой управления. Однако и это устройство имеет недостатка. Оно имеет большой вес и габариты трансформаторного оборудования вследствие того, что содержит однофазные четырехобмоточные трансформаторы, работающие на частоте сети, и в результате имеет большую стоимость. Оно также имеет низкие энергетические показатели за счет применения однофазных управляемых выпрямителей с естественной коммутацией, которые в процессе регулирования напряжения нагрузки потребляют из сети реактивную мощность. Известно также устройство для регулирования или, стабилизации переменного напряжения по авт.св. СССР № 1636832, кл. Н 02 М 5/45, G 05 F 1 /30, которое по сравнению с предыдущим аналогом имеет улучшенные вес и габариты вследствие того/ что суммарная мощность трансформаторного оборудования уменьшена в 4 раза. Устройство содержит два трехфазных вольтодобавочных трансформатора, работающих на частоте сети и два преобразователя частоты со звеном постоянного тока с синхронизированной с сетью системой управления. Однако и это устройство имеет сравнительно большой вес трансформаторов и их стоимость. Прежде всего это вызвано тем, что они работают на частоте сети. Кроме этого, при высокой скорости регирования фазы вольтодобавки трансформаторы требуют запаса по индукции (увеличения веса) во избежания одностороннего подмагничивания и снижения при этом энергетических показателей. И, наконец, недостаток вызван тем, что в устройстве два вольтодобавочных трансформатора. Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является индуктивный регулятор напряжения с циклоконвертором по авт.св. СССР № 1072214. кл. Н 02 М 5/27, который взят за прототип. Он включен последовательно в цепь вторичной обмотки главного трансформатора подстанции с нагрузкой или в цепь обмотки статора синхронного генератора автономной электростанции с нагрузкой и содержит циклоконвертор с системой управления, выполненный по нулевой схеме на трех анодных и трех катодных группах управляемых вентилей, а также понижающий трансформатор, обратный диодный мост и широтно-импульсный коммутатор на запираемом тиристоре. Устройство-прототип отличает улучшенная форма кривой выходного напряжения и возможность регулирования этого напряжения без сдвига первой гармоники. Однако, прототип имеет также недостатки. Это большой вес, материалоемкость, стоимость понижающего трансформатора вследствие того, что он работает на частоте равной частоте источника, а также снижения энергетических показателей при увеличении длительности выключенного состояния (скважности) запираемого тиристора в процессе широтноимпульсного снижения выходного напряжения из-за перехода понижающего трансформатора из режима вольтодобавки в дроссельный режим. Последнее обстоятельство требует усиления изоляции первичной обмотки понижающего трансформатора и снижения индукции магнитопровода, что дополнительно увеличивает вес, материалоемкость и стоимость трансформатора. В основу изобретения поставлена задача создать индуктивный регулятор с циклоконвертором, в котором новые связи с введенными выпрямителем и инвертором обеспечивают улучшение массогабаритных и энергетических показателей при существенном снижении стоимости. Достижение эффекта обусловлено тем, что понижающий трансформатор включен в цепь нагрузки через промежуточное звено повышенной частоты, кратной частоте сети (например 400 Гц), а также за счет подключения первичной обмотки понижающего трансформатора к вторичной обмотке главного трансформатора подстанции через преобразователь со звеном постоянного тока с регулируемыми частотой, амплитудой, фазой и включения вторичной обмотки понижающего трансформатора в цепь нагрузки через нулевой циклоконвертор с естественной коммутацией вентилей. Эффект обусловлен также способом управления предлагаемым устройством, согласно которому плавное регулирование амплитуды вольтодобавки и плавное задание или регулирование фазы вольтодобавки в пределах полупериода напряжения повышенной частоты относительно напряжения сети Осуществляется преобразователем со звеном постоянного тока, а дискретное задание или регулирование фазы вольтодобавки в пределах полупериода напряжения сети с шагом, равным 2/3 полупериода напряжения повышенной частоты относительно напряжения сети и формирование положительной и отрицательной вольтодобавки с частотой сети осуществляется циклоконвертором с естественной коммутацией как в выпрямительном, так и в инверторном режимах его работы. Предлагаемый индуктивный регулятор напряжения с циклоконвертором включен в цепь вторичной обмотки главного трансформатора и нагрузки, содержит нулевой циклоконвертор с системой управления, выполненный на трех анодных и трех катодных группах управляемых вентилей, понижающий трансформатор с первичной и вторичной обмотками диодный мост и запираемый тиристор, причем входы трех анодных и трех катодных групп управляемых вентилей подключены к одним из выводов вторичной обмотки понижающего трансформатора, одни из выводов первичной обмотки которого через диодный мост закорачиваются запираемым тиристором, а нулевые точки групп управляемых вентилей попарно объединены, образуя выходные зажимы циклоконвертора, отличающийся тем, что введены выпрямитель с системой управления, управляемые ключи, которые с вышеупомянутым диодным мостом с запираемым тиристором, образуют инвертор, СУИ, а также блок обеспечения кратности частоты инвертора частоте сети, причем другие выводы вторичной обмотки понижающего трансформатора соединены в звезду, выходные зажимы циклоконвертора включены в рассечку звезды вторичной обмотки главного трансформатора, а другие выводы первичной обмотки понижающего трансформатора через инвертор и выпрямитель присоединены к нагрузке, подключенной к выводам вторичной обмотки главного трансформатора, к которой также пофазно параллельно подключены синхронизирующие входы системы управления выпрямителем, системы управления циклоконвертором, и блока обеспечения кратности частоты инвертора частоте сети, а синхронизирующий вход системы управления инвертором подключен к выходу блока обеспечения кратности частоты инвертора частоте сети, управляющие входы систем управления циклоконвертором, инвертором, выпрямителем и блока обеспечения кратности частоты инвертора частоте сети соответственно подключены к выходам устройств: задания установленных значений параметров начальной фазы напряжения вольтодобавки, регулирования фазы напряжения вольтодобавки, регулирования амплитуды напряжения вольтодобавки и задания частоты понижающего трансформатора. На фиг.1 приведена функциональная схема устройства; на фиг.2 - временные диаграммы одного из линейных напряжений нагрузки (U1л) и синфазного с ним линейного напряжения на выходе циклоконвертора в режимах вольтодобавки (U2n+) и вольтовычета (U2n-) в пренебрежении бестоковыми паузами ввиду их малости при переходе групп управляемых вентилей из инвертор-ного в выпрямительный режим; на фиг.З -приложения - силовая часть схемы. Устройство (фиг,1) состоит из входных зажимов 1, главного трансформатора 2 подстанции с первичной и вторичной обмотками 3 и 4, понижающего трансформатора 5 с первичной и вторичной обмотками 6 и 7, выпрямителя 8 с системой управления 9, инвертора 10 с системой управления 11 и блоком 12 обеспечения кратности частоты инвертора частоте сети, циклоконвертора 13. с системой управления 14 и нагрузки 15. Элементы схемы соединены следующим образом, Первичная обмотка 3 главного трансформатора 2 соединена в звезду и подключена к входным зажимам 1, предназначенным для подключения к сети высокого напряжения, а вторичная обмотка 4 главного трансформатора 2 включена пофазно последовательно между выходом циклоконвертора 13 и нагрузкой 15. Первичная обмотка 6 и вторичная обмотка 7 понижающего трансформатора 5 соединены в звезду и соответственно подключены к выходу инвертора 10 и входу циклоконвертора 13. Вход инвертора 10 через выпрямитель 8 подключен к нагрузке 15. Синхронизирующие входы системы управления 9 выпрямителем 8, блока 12 обеспечения кратности частоты инвертора 10 частоте сети и системы управления 14 циклоконвертором 13 подключены параллельно фазным вторичным обмоткам 4 главного трансформатора 2, а синхронизирующий вход системы управления 11 инвертором 10 подключен к выходу блока 12 обеспечения кратности частоты инвертора 10 частоте сети. Управляющие входы систем управления 9, 11, 14 и блока 12 соответственно подключены к входам блоков: регулирования амплитуды Upv напряжения вольтодобавки Uв/д; регулирования фазы Upj напряжения вольтодобавки Uв/д; задания начальной фазы U3j напряжения вольтодобавки Uв/д и задания частоты U3f понижающего трансформатора 5. Процесс преобразования устройством трехфазной системы синусоидального напряжения на низкой стороне трансформаторной подстанции с частотой сети f 1, характеризующуюся обобщенным вектором U1 в трехфазную систему напряжения на нагрузке с той же частотой f 1; характеризующуюся обобщенным вектором U2, регулируемого по амплитуде и фазе протекает в два этапа по замкнутому циклу: на одном из этапов этого цикла посредством циклоконвертора 13 с системой управления 14, вторичные обмотки 7 понижающего трансформатора 5 и вторичной обмотки 4 главного трансформатора 2 происходит преобразование промежуточной трехфазной системы напряжения с повышенной частотой f 2, кратной f 1, характеризующейся обобщенным вектором U2, регулируемым по амплитуде и фазе в трехфазную систему напряжения вольтодобавки с частотой fi, характеризующуюся обобщенным вектором Uв/д, соответственно регулируемым по амплитуде и фазе, а также суммирование напряжений U1 и Uв/д, и формирование на нагрузке в результате этого трехфазной системы напряжения с обобщенным вектором U2, регулируемым в обе стороны как по модулю, так и по аргументу относительно обобщенного вектора напряжения U1 на низкой стороне подстанции; на другом этапе этого цикла - посредством выпрямителя 8 с системой управления 9, инвертора 10 с системой управления 11 и блока 12 обеспечения кратности частоты f 2 инвертора частоте сети f 1, а также понижающего трансформатора 5 с первичной и вторичной обмотками 6 и 7 происходит преобразование трехфазной системы напряжения нагрузки с частотой f 1, характеризующейся обобщенным вектором U2 в промежуточную трехфазную систему напряжения с повышенной частотой f 2, характеризующуюся обобщенным вектором U12, модуль которого в коэффициент трансформации Кт раз меньше модуля обобщенного вектора выходного,напряжения инвертора 10. На фиг. 3 приведена принципиальная схема силовой части предлагаемого устройства, на которой циклоконвертор, инвертор и выпрямитель раскрыты до уровня известных неуправляемых, управляемых и полностью управляемых вентильных групп. На схеме приведены следующие элементы: 1 - трехфазная сеть высокого напряжения с частотой f 1; 2 главный трансформатор подстанции; 3 - первичная обмотка главного трансформатора (обмотка ВН); 4 вторичная обмотка главного трансформатора (обмотка НН); 5 - понижающий трансформатор с повышенной частотой; 6 -первичная обмотка понижающего трансформатора; 7 - вторичная обмотка понижающего трансформатора; 8 - выпрямитель, в состав которого входит LC - фильтр (обеспечивает двухсторонний обмен энергией между входными и выходными зажимами); 10 - инвертор, в состав которого входит обратный диодный мост с запираемым тиристором (запираемый тиристор вступает в действие при выпрямленном напряжении равном нулю, как в пусковых, переходных, так и стационарных режимах); 13 - циклоконвертор; 15-нагрузка трансформаторной подстанции; 16,17,18-три анодные группы однооперационных тиристоров циклоконвертора; 19, 20, 21 - три катодные группы однооперационных тиристоров циклоконвертора; 22, 23 катодные группы запираeмых тиристоров соответственно прямого и обратногоо мостов реверсивного выпрямителя; 24, 25 - анодные группы одноопераци-онных тиристоров соответственно прямого и обратного мостов реверсивного выпрямителя; 26, 27 - соответственно дроссель и конденсатор фильтра звена постоянного тока; 28, 29 - соответственно катодная и анодная группы запираемых тиристоров инвертора; 30,31 -соответственно катодная и анодная группы диодов обратного диодного моста инвертора; 32 запираемый тиристор, закорачивающий через инвертор первичную обмотку понижающего трансформатора; 33 - заявляемый индуктивный регулятор-напряжения с циклоконвертором со звеном повышенной частоты и промежуточным звеном постоянного тока; 34 -трансформаторная подстанция. На этой схеме представлен не единственный вариант выполнения инвертора и выпрямителя. Могут быть и другие варианты, например, с инвертором тока, L-фильтром и выпрямителем на одном полностью управляемом мосте. На фиг. 3 представлен вариант с инвертором напряжения и реверсивным выпрямителем с раздельным управлением, поскольку он имеет полную готовность к серийному производству, например, на ЗЭАЗе г. Запорожье. Устройство работает следующим образом. Выпрямитель 8 с системой управления 9 подает на вход инвертора 10 выпрямленное напряжение нагрузки Uaa=(2.34 3 )U2n * F(a) (где U2л - действующее значение линейного напряжения нагрузки и F(a) функция передачи напряжения выпрямителя от угла управления), которое при изменении Ua от 0 до 1 2 /p) • U2л. Инвертор 10 с системой управления 11 и блоком 12 регулируется в пределах от 0 до (3 преобразовывает напряжение U2a в трехфазное напряжение прямоугольной формы с повышенной частотой f 2=Kf 1 (например, к=8, f 1=50 Гц, f2= =400 Гц), длительностью прямоугольных импульсов, равной 2/3 полупериода напряжения инвертора и высотой прямоугольных импульсов, равной U2л. С выхода инвертора высокочастотное трехфазное напряжение подается на первичную обмотку 6 понижающего трансформатора 5, на вторичной обмотке 7 которого наводится напряжение U12/KT с той же частотой f 2 и высотой прямоугольных импульсов Uaa/Кт=(3 2 /p:х к т) х U2л * Fa). Это высокочастотное прямоугольное трехфазное напряжение подается на вход трехфазно-трехфазного циклоконвертора13, выполненного по нулевой схеме на трех анодных и трех катодных группах управляемых вентилей. Внутри каждой группы управляемых вентилей коммутация происходит естественным путем за счет питания вентильных групп высокочастотным прямоугольным напряжением, снимаемым со вторичной обмотки 7 понижающего трансформатора 5. а формирование напряжения на выходе циклоконвертора 13 с частотой f 1 осуществляется изменением длительности работы каждой группы в выпрямительном и инверторном режимах при помощи синхронизированной с напряжением сети системой управления 14 циклоконвертором 13. На выходе циклоконвертора 13, таким образом, формируется трехфазная система напряжений вольтодобавки с прямоугольной формой линейного напряжения (фиг.2). , Действующее значение первой гармоники вольтодобавки равно Это напряжение циклоконвертор 13 может формировать в фазе (знак "+") или в противофазе (знак "-") с линейным напряжением U1л на вторичной обмотке 4 главного трансформатора 2. Трансформатор 2, суммируя U1л и Uв/д, питает нагрузку 15 линейным напряжением В относительных единицах выходное напряжение устройства Можно отметить, что для вольтодобавочных трансформаторов без промежуточного преобразования частоты со вторичной обмоткой, включенной непосредственно в цепь нагрузки и первичной обмоткой, подключенной к нагрузке через регулятор с функцией передачи напряжения ± F(a), относительное напряжение на нагрузке определяется выражением Сравнивая выражения (3) и (5), видно, что заявляемое устройство с промежуточным эвеном повышенной частоты при том же коэффициенте трансформации Кт имеет расширенный диапазон регулирования, так как функция F(a) увеличена в 1,2 раза или при том же диапазоне регулирования, как следует из (4) и (5), Кт уменьшается на 20%. что снижает установленную мощность понижающего трансформатора и, дополнительно к эффекту от повышения частоты, его материалоемкость, а также мощность преобразователя с промежуточным звеном постоянного тока. Это обстоятельство также можно отнести к достижению поставленной цели. Предлагаемое устройство обеспечивает регулирование напряжения вольтодобавки по амплитуде и фазе. В частности, оно может регулировать амплитуду выходного напряжения без искажения фазы или регулировать фазу без изменения амплитуды. Указанные свойства предлагаемого устройства позволяют применять его для стабилизации переменного напряжения и компенсации реактивной мощности.