СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ МНОГОФАЗНЫМ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫМ АГРЕГАТОМ
METHOD TO CONTROL MULTI-PHASE RECTIFYING UNIT

Изобретение относится к технике преобразования электрической энергии переменного тока в энергию постоянного тока с помощью вентильных преобразователей с плавным регулированием выпрямленного напряжения.
Известен способ тиристорного управления выпрямительными агрегатами (Бобков В.А., Бобков А.В. Реконструкция преобразовательных подстанций для питания электролизеров алюминия. // Силовая электроника. Тематическое приложение к журналу «Компоненты и технологии». - 2006. - №4. - с. 66-68). При применении этого способа регулирование выпрямленного напряжения агрегатов осуществляют изменением углов управления тиристоров выпрямительных блоков (фазовое управление).
Данный способ обеспечивает плавное регулирование выпрямленного напряжения агрегата, однако ему присущ ряд недостатков. Весьма серьезными недостатками являются сложность конструкции выпрямительного агрегата, большая установленная мощность управляемых полупроводниковых приборов (тиристоров), сложность системы управления. Это связано с тем, что все управляемые полупроводниковые приборы включены во вторичные сильноточные цепи выпрямительных агрегатов (со стороны вентильных обмоток преобразовательных трансформаторов). С возрастанием мощности агрегатов, с осуществлением глубоких вводов на подстанции повышенных напряжений указанные недостатки обостряются. Токи первичных цепей выпрямительных трансформаторов в десятки и сотни раз меньше токов во вторичных цепях, поэтому управление выпрямительными агрегатами более целесообразно осуществлять с первичной стороны трансформаторов. Кроме того, при использовании этого способа управления коэффициент мощности агрегатов снижается до недопустимых для мощных преобразователей величин (коэффициент мощности снижается пропорционально возрастанию глубины регулирования). Последнее является особенно серьезной проблемой, например, в условиях электролизного производства алюминия, поскольку в этом случае выпрямительные агрегаты большую часть времени работают в зарегулированном режиме (при пониженном напряжении) и открываются лишь на время анодного эффекта (вспышки) в ваннах.
Известен способ плавного управления многофазным диодным выпрямительным агрегатом с помощью дополнительно введенного трехфазного автономного инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией, входные зажимы которого подключают к выводам постоянного тока дополнительно введенного трехфазного диодного выпрямительного моста, который входными зажимами подключают к трехфазной вентильной обмотке дополнительно введенного трансформатора, трехфазную сетевую обмотку которого подключают к питающей сети (патент 2402143. Российская Федерация. Способ управления многофазным выпрямительным агрегатом. / Ю.И. Хохлов., Д.В. Гиззатуллин, А.Г. Осипов // Бюл. изобр. - 2009, №29). Данный способ управления, выбранный в качестве ближайшего аналога, при сохранении плавности регулирования обеспечивает существенное упрощение выпрямительного агрегата, повышение коэффициента мощности и улучшение его основных технических характеристик. Однако данный способ управления не позволяет осуществить рекуперацию электрической энергии из сети постоянного тока через автономный инвертор в питающую сеть и, кроме того, требует применения дополнительно введенного вспомогательного трансформатора.
В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в упрощении выпрямительного агрегата и его цепей управления, а также обеспечении возможности рекуперации электрической энергии из цепи постоянного тока в питающую сеть при сохранении присущих ближайшему аналогу достоинств.
Данная задача решается применением способа управления многофазным выпрямительным агрегатом по крайней мере с одной парой шестифазных преобразовательных блоков, включенных по схеме двенадцатифазного преобразования, каждый из которых содержит сетевую обмотку, а также трехфазную вентильную обмотку с соответствующей схемой соединения преобразовательного трансформатора, к которой подключают диодный выпрямительный мост, выводами постоянного тока связанный с нагрузкой, состоящего в том, что для обеспечения требуемого режима работы потребителя постоянного тока плавно регулируют выпрямленное напряжение. Плавное регулирование выпрямленного напряжения осуществляют изменением выходного напряжения трехфазного автономного инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией, который зажимами переменного тока подключают ко входу низкочастотного фильтра (Г-образного), выходные зажимы которого подключают к первичной обмотке трехфазного согласующего трансформатора, который вторичными фазными обмотками подключают последовательно с сетевой обмоткой преобразовательного трансформатора. Согласно изобретению выводы постоянного тока трехфазного автономного инвертора напряжения подключают через звено постоянного тока к выводам постоянного тока дополнительного введенного преобразователя напряжения с широтно-импульсной модуляцией, зажимы переменного тока которого подключают к входу низкочастотного фильтра, который выходными зажимами подключают к дополнительной вторичной трехфазной обмотке преобразовательного трансформатора.
Изменение выходного напряжения автономного инвертора напряжения обеспечивают регулированием либо фазы, либо амплитуды, либо и той, и другой величины первой гармоники модулирующего напряжения.
Вентильные обмотки преобразовательного трансформатора подключают к выводам переменного тока выпрямительных мостов либо непосредственно, либо посредством первичных обмоток реакторов компенсирующего устройства, вторичные обмотки которых включают по схеме, обеспечивающей фильтрацию в коммутирующие конденсаторы нечетно-кратных гармоник токов преобразовательных блоков.
Выпрямительные мосты агрегата со стороны постоянного тока соединяют либо параллельно, либо последовательно.
Принципиальные схемы вариантов выпрямителей, в которых реализован предлагаемый способ управления, представлены на фиг. 1-2. Они содержат шестифазные преобразовательные блоки 1 и 2 с вентильными обмотками 3 и 4 преобразовательного трансформатора 20, общую для них сетевую обмотку 19, а также преобразовательные мосты 6 и 7 соответственно. Схемами соединения обмоток 3 и 4 обеспечивается двенадцатифазный режим преобразования. Помимо сетевой 19 и вентильных обмоток 3 и 4 преобразовательный трансформатор содержит дополнительно введенную вторичную обмотку 5.
Компенсирующее устройство 8 (фиг. 2) содержит трехфазные реакторы 9 и 10, а также коммутирующую конденсаторную батарею 11. Дополнительно введенный преобразователь напряжения 13, подключенный через низкочастотный Г-образный LC-фильтр 12 к дополнительно введенной вторичной обмотке 5, обеспечивает обмен активной мощностью между звеном постоянного тока 14 и сетью переменного тока. Звено постоянного тока, содержащее конденсаторную батарею, обеспечивает питание автономного инвертора напряжения 16, подключенного через низкочастотный фильтр 17 к первичной обмотке согласующего трансформатора 18, вторичная трехфазная обмотка которого включена последовательно с сетевой обмоткой 19 преобразовательного трансформатора 20. Система управления 15 задает моменты коммутации силовых ключей преобразователей 13 и 16.
Способ управления многофазным выпрямительным агрегатом реализуется следующим образом. После подключения выпрямительного агрегата к питающей сети на выходах преобразовательных блоков 1 и 2 с вентильными обмотками 3 и 4, сетевой обмоткой 19, а также выпрямительными мостами 6 и 7 создается постоянное напряжение. Это напряжение соответствует двенадцатифазному режиму преобразования в силу соединения вентильных обмоток 3 и 4 преобразовательного трансформатора 20 в звезду и треугольник. В то же время на выходе дополнительной вторичной обмотки 5 преобразовательного трансформатора 20 создается трехфазная система напряжений, обеспечивающая работу преобразователя напряжения 13. Преобразователь напряжения 13 через обмотку 5 обеспечивает обмен активной мощностью между звеном постоянного тока 14 и сетью переменного тока, благодаря чему на конденсаторной батарее звена постоянного тока 14 формируется постоянная составляющая напряжения, подаваемая на зажимы постоянного тока преобразователя 13 и автономного инвертора 16. В результате работы системы управления 15 на выводах переменного тока преобразователя напряжения 13 формируется трехфазная система ШИМ-последовательностей. Низкочастотный фильтр 12 служит для выделения из названных ШИМ-последовательностей первых гармоник напряжения, подаваемых на обмотку 5. Благодаря этому по обмотке 5 протекает трехфазная система токов, обеспечивающая передачу электроэнергии между сетью переменного тока и звеном постоянного тока 14. Кроме того, система управления 15 обеспечивает формирование на зажимах переменного тока автономного инвертора 16 трехфазных ШИМ-последовательностей напряжений управления. Благодаря аналогичной работе фильтра 17 на первичную обмотку согласующего трансформатора 18 подается трехфазная система первых гармоник напряжений управления. Указанные первые гармоники трансформируются во вторичную обмотку трансформатора 18. В виду последовательного соединения вторичной обмотки трансформатора 18 с сетевой обмоткой 19 преобразовательного трансформатора 20 напряжение питающей сети в каждой фазе суммируется с напряжением управления. Результирующие напряжения подаются на вход сетевой обмотки 19 преобразовательного трансформатора 20, что обеспечивает наведение в каждом стержне его магнитопровода соответствующих магнитных потоков. В силу того, что напряжения управления регулируются системой управления 15, появляется возможность управления трехфазной системой напряжений, подаваемой на сетевую обмотку преобразовательного трансформатора (амплитудами и фазами их первых гармоник), а следовательно, и выпрямленным напряжением всего преобразовательного агрегата. Кроме того, возможность управления начальными фазами первых гармоник системы напряжений управления позволяет производить компенсацию реактивной мощности путем опережающего сдвига процессов в выпрямительном агрегате по отношению к напряжению питающей сети.
С целью повышения коэффициента мощности выпрямительного агрегата, повышения жесткости его внешней характеристики, обеспечения жесткого равномерного деления выпрямленного тока между шестифазными блоками 1 и 2 при их параллельной работе предлагаемый способ управления может быть реализован в агрегатах с компенсирующим устройством 8, состоящим из двух трехфазных реакторов 9, 10 и трехфазной коммутирующей батареи 11. Компенсирующее устройство включают со стороны вентильных обмоток 3, 4 преобразовательного трансформатора 20. Обтекаемые токами преобразовательных блоков первичные обмотки реакторов 9 и 10 компенсирующего устройства 8 трансформируют во вторичные обмотки характерные для шестифазных блоков первую, пятую, седьмую, одиннадцатую, тринадцатую и т.п. гармоники. По отношению к первой, одиннадцатой, тринадцатой и т.п. гармоникам вторичные обмотки реакторов образуют короткозамкнутую цепь (для указанных гармоник реакторы 9 и 10 работают в режиме трансформатора тока). Протекание этих гармоник по общей вторичной цепи реакторов 9 и 10 обеспечивает жесткое выравнивание выпрямленных токов преобразовательных блоков 1 и 2 при их параллельной работе (фиг. 2). По отношению к пятой, седьмой и т.п. гармоникам реакторы 9 и 10 работают в режиме трансформатора, работающего на емкостную нагрузку, создавая на конденсаторной батарее 11 напряжения соответствующих гармоник. Напряжениями на конденсаторной батарее 11 осуществляется опережающая искусственная коммутация вентилей выпрямительных мостов 6 и 7, что обеспечивает повышение коэффициента мощности выпрямительного агрегата и жесткости его внешней характеристики.
Способ может быть реализован как в выпрямительных агрегатах с последовательным по отношению к нагрузке соединением диодных выпрямительных мостов 6 и 7 (фиг. 1), так и в агрегатах с параллельным соединением выпрямительных мостов (фиг. 2).
Технико-экономический эффект от предлагаемого способа управления многофазным выпрямительным агрегатом состоит в упрощении выпрямительного агрегата за счет исключения из его конструкции дополнительного трансформатора, обеспечивающего питание автономного инвертора. Как и в рассматриваемом ближайшем аналоге, обеспечивается управление величиной выпрямленного напряжения преобразовательного агрегата с возможностью компенсации реактивной мощности за счет регулирования амплитуд и фаз первых гармоник напряжений управления, что обеспечивает повышение коэффициента мощности преобразовательного агрегата даже в его исполнении без компенсирующих устройств. Применение компенсирующего устройства с фильтрацией в коммутирующие конденсаторы нечетно-кратных гармоник токов преобразовательных блоков позволяет значительно повысить коэффициент мощности преобразовательного агрегата без существенной загрузки автономного инвертора реактивным током. При использовании такого компенсирующего устройства его установленная мощность примерно в шесть раз меньше той мощности, которая потребовалась бы при традиционном включении компенсирующего устройства на частоту питающей сети. В случае использования такого компенсирующего устройства в преобразовательном агрегате при параллельном соединении преобразовательных мостов относительно потребителя постоянного тока обеспечивается выравнивание токов преобразовательных блоков, благодаря чему появляется возможность исключить из конструкции агрегата специальные устройства, предназначенные для этой цели. Кроме того, использование искусственной опережающей коммутации вентилей преобразовательных мостов позволяет повысить жесткость внешней характеристики преобразовательного агрегата. Дополнительно введенный преобразователь напряжения с широтно-импульсной модуляцией открывает возможность рекуперации электрической энергии из цепи постоянного тока в питающую сеть, что отличает данный способ управления от ближайшего аналога.