ОБРАТИМЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Область техники, к которой относится полезная модель. Полезная модель относится к силовой электротехнике и может быть использована для питания потребителей, требующих гарантированного электропитания.
Уровень техники. Известен обратимый преобразователь частоты [патент РФ на изобретение №2534749], содержащий систему управления, автономный инвертор напряжения, а также трехфазный активный преобразователь. Активный преобразователь состоит из входного трехфазного дросселя и выпрямителя, реализованного на полупроводниковых элементах. При этом выпрямитель снабжен тремя анодными цепочками, каждая из которых состоит из выпрямительного диода, шунтированного транзистором, и тремя катодными цепочками, каждая из которых состоит из последовательно и согласованно соединенных диода и транзистора, и включенным с ними тиристором, таким образом, что анод диода и эмиттер транзистора каждой анодной цепи соединены с минусовой шиной постоянного тока обратимого преобразователя частоты, а катод диода и коллектор транзистора каждой анодной цепи соединены со своим выводом переменного тока выпрямителя. Анод диода и катод тиристора каждой катодной цепи соединены с плюсовой шиной постоянного тока, а катод диода соединен с коллектором транзистора, эмиттер которого соединен с анодом тиристора и со своим выводом переменного тока выпрямителя.
К недостаткам такого решения можно отнести отсутствие согласующего трансформатора, что приводит к гальванической связи двух силовых сетей постоянного и переменного тока, что снижает надежность их работы. Также наличие простейшего трехфазного одноуровневого инвертора с широтно-импульсной модуляцией ограничивает качество выходного напряжения на его выходе, и значительно ухудшает электромагнитную совместимость данного решения.
Также известен двенадцатифазный обратимый самокоммутируемый преобразователь [патент РФ на изобретение №2089035], содержащий трехфазный трехобмоточный трансформатор, первичная обмотка которого подключена к сети трехфазного напряжения или к трехфазной автономной нагрузке, вторичная соединена в звезду, а третичная в треугольник, и два вентильных моста с запираемыми тиристорами, один из которых подключен к вторичной обмотке трансформатора, а другой к третичной обмотке трансформатора. Полюса упомянутых вентильных мостов соединяются через уравнительный реактор, а каждое их плечо содержит две параллельно соединенные цепи, в каждую входят тиристорная ветвь с последовательно включенными запираемыми тиристорами и диодная ветвь с последовательно включенными диодами. Одна из упомянутых цепей по направлению проводимости начинается с тиристорной ветви, другая с диодной ветви, а между средними узлами обеих цепей, в которых соединены тиристорная и диодная ветви, включен конденсатор.
К недостаткам такого решения можно отнести избыточную сложность полупроводникового коммутатора и использование в нем большого числа шунтирующих конденсаторов, что снижает общую надежность силового коммутатора. Также к недостаткам преобразователя можно отнести невысокое качество выходного напряжения, и невозможность его плавкого регулирования без значительного ухудшения гармонического состава. Также к недостаткам можно отнести использование схемы включения вторичной обмотки силового трансформатора "треугольником", что требует в 1,7 раза большего числа витков. Использование уравнительного реактора для совместного включения полюсов двух коммутаторов увеличивает общие габариты и себестоимость, а в случае несимметрии напряжений может приводить к неравномерному распределению токов между обмотками трансформатора и перегрузке.
Также известен статический обратимый преобразователь [Авторское свидетельство СССР №775842], содержащий общий трансформаторный узел повышенной частоты с конденсаторами, подключенными параллельно его первичным и вторичным обмоткам, которые соединяются с входными и выходными выводами через последовательно включенные вентильные коммутаторы и фильтры. Преобразователь также снабжен статическими компенсаторами реактивной мощности, подключенными параллельно упомянутым конденсаторам. Данное решение является наиболее близким по своей технической сущности прототипом к предлагаемому изобретению.
К недостаткам такого решения можно отнести высокую частоту коммутации в промежуточном звене постоянного тока, в частности в трансформаторном узле повышенной частоты, что затруднительно при больших мощностях силовой сети, а также приводит к повышению потерь в стали трансформатора и ухудшению электромагнитной совместимости. Выходной инверторный мост имеет низкое качество выходного напряжения.
Раскрытие полезной модели.
Из уровня техники известны различные варианты статических полупроводниковых обратимых преобразователей. В основе их в общем случае лежит использование реверсивного полупроводникового коммутатора на стороне переменного тока. В решении, выбранном за прототип, также используется промежуточное высокочастотное преобразование в звене постоянного тока, реализуемое при помощи однофазного реверсивного моста, что неизбежно приводит к высокой частоте коммутации в звене постоянного тока и увеличению потерь в полупроводниковых ключах и промежуточном трансформаторе. Глубокое регулирование выходного напряжения в режиме инвертора с использованием широтно-импульсной модуляции неизбежно связано с ухудшением качества последнего, из-за изменения скважности импульсов выходного напряжения.
Таким образом, можно сформулировать стоящую перед заявляемым решением задачу: обеспечить высокое качество постоянного напряжения в режиме выпрямителя, и хороший гармонический состав выходного переменного напряжения в режиме инвертора, при обеспечении возможности плавной регулировки выходного напряжения.
Основное назначение обратимых преобразователей состоит в обеспечении гарантированного электропитания ответственных потребителей, главным образом, переменного тока. Область применения мощных обратимых преобразователей - электроэнергетические системы атомных судов (в том числе ледоколов) и питание собственных систем атомных электростанций. На фигуре 1 изображена схема типовой электроэнергетической системы судна с ответственными потребителями неотключаемой нагрузки. Основной режим работы обеспечивается питанием от двух турбогенераторов, с разделением электросети на две борта, каждый из которых получает питание от своего генератора. Основные потребители получают питание от главных распределительных щитов обоих бортов, одно из которых является основным, а другое - резервным. В случае потери одного из питаний, потребитель автоматически переходит на резерв. При этом отличают важные потребители, которые получают питание от главного распределительного щита неотключаемой нагрузки, подключенного к обратимому преобразователю. В случае отключения турбогенератора, происходит обесточение главного распределительного щита отключаемой нагрузки, и вырабатывается сигнал на выключение перемычки между щитами отключаемой и неотключаемой нагрузки, а последняя подхватывается обратимым преобразователем. Как правило, мощность обратимого преобразователя позволяет обеспечить питание потребителей обоих бортов в случае, если в работе останется только один обратимый преобразователь. Отключение перемычки между щитами отключаемой и неотключаемой нагрузки производится по команде, вырабатываемой обратимым преобразователем в момент перехода из выпрямительного в инверторный режим, для предотвращения перегрузки последнего.
На фигуре 2 изображена классическая схема контактора режимов электромашинного преобразователя. Данная схема обеспечивает переход обратимого преобразователя из инверторного в выпрямительный режим, в случае подключения в параллель с другим источником переменного напряжения. Для этого используется реле контактора режима, расположенное в обратимом преобразователе, и обеспечивающее коммутацию сигналов его системы управления, что обеспечивает переход между режимами выпрямителя и инвертора. В случае обратного перехода (из выпрямителя в инвертор) при отключении источника переменного напряжения, обратимый преобразователь вырабатывается сигнал на отключение силового автомата - перемычки между главными распределительными щитами неотключаемой и отключаемой нагрузок, чтобы избежать перегрузки по мощности.
Аналогичные схемы используют и выпускаемые промышленностью статические преобразователи. Питание реле контактора режимов подключается к одной фазе выхода переменного тока обратимого преобразователя, и к другой фазе на собственных шинах источника электроэнергии (турбогенератора). Использование блок-контактов силовых автоматов главного тока для набора цепочки питания реле контактора режимов связано с использованием длинных соединений между щитами, а также невысокой надежностью работы блок-контактов силовых автоматов, выпускаемых отечественной промышленностью.
Использование в статических обратимых преобразователях полупроводниковых ключей требует либо применения высокочастотной широтно-импульсной коммутации для обеспечения требуемого качества выходного напряжения, либо наличия большого числа ключей. Число упомянутых ключей может быть довольно большим в реверсивных мостовых многофазных коммутаторах. Для снижения числа транзисторов в реверсивной мостовой схеме возможно использование силового, представленного на фигуре 3. Таким образом, возможно уменьшить число коммутирующих транзисторов в два раза по сравнению с другими вариантами включения, а также уменьшить число управляющих сигналов. Данный вариант наиболее подходит для использования в предлагаемом обратимом преобразователе.
В качестве основы обратимого преобразователя (фигура 4) в предлагаемом решении используется трансформатор с вращающимся магнитным полем, как имеющий дополнительную степень свободы и пространственное распределение обмоток. В качестве обмотки со стороны переменного тока используется трехфазная обмотка по типу статорных обмоток электрических машин, а со стороны переменного тока применено две круговые обмотки по типу обмоток якоря машин постоянного тока. Таким образом, в режиме выпрямителя трехфазная обмотка переменного тока создает в трансформаторе вращающееся магнитное поле, которое перемещается в пространстве и наводит во вторичных круговых обмотках переменное напряжение, причем число фаз будет пропорционально числу отводов круговых обмоток. Два последовательно включенных полупроводниковых коммутатора обеспечивают переключение отводов круговых обмоток, вслед за вращением магнитного поля, что обеспечивает получение постоянного напряжения на их выходе. Применение последовательного соединения коммутаторов позволяет суммировать пульсации их напряжения, с увеличением качества постоянного напряжения на шинах преобразователя.
Выход постоянного тока преобразователя оснащается датчиком направления тока, подключенным к системе управления, и обеспечивающим переключение между режимами работы преобразователя. Принцип действия таков: на постоянном токе направление потока мощности между двумя источниками ЭДС определяется уровнем их напряжения (при условии одинаковой полярности включения). В случае если один из источников имеет большее значение ЭДС, он переходит в режим генератора и начинает отдавать мощность в источник с меньшим значением ЭДС. Таким образом, используя датчик направления тока, можно определить режим работы обратимого преобразователя. Номинальное напряжение на стороне постоянного тока преобразователя подбирается таким образом, чтобы при включении на стороне переменного тока другого источника напряжения (турбогенератора), напряжение на стороне постоянного тока превышало напряжение аккумуляторной батареи (аварийного источника постоянного напряжения). В этом случае появится ток в направлении аккумуляторной батареи, которая имеет меньшее значение напряжения. Датчик направления тока срабатывает, и система управления обратимого преобразователя переходит в выпрямительный режим. Одновременно вырабатывается сигнал на отключение автомата, шунтирующего запорное устройство кремниевое, что обеспечивает запирание диодов упомянутого запорного устройства для предотвращения несанкционированного заряда аккумуляторной батареи.
Далее, при отключении источника переменного напряжения (турбогенератора), напряжение преобразователя начинает быстро снижаться, и становится меньше ЭДС на аккумуляторной батарее. Направление потока мощности меняется, и срабатывает датчик направления тока, а система управления переходит в режим инвертора. Одновременно система управления вырабатывает сигнал на отключение силового автомата - перемычки между распределительными щитами неотключаемой и отключаемой нагрузки, чтобы избежать перегрузки по мощности преобразователя. Также включается запорное устройство кремниевое, для защиты от перегрева диодов запорного устройства кремниевого.
Синусоидальность выходного напряжения преобразователя в инверторном режиме обеспечивается плавностью вращения магнитного поля. Это достигается поочередной коммутацией отводов круговых обмоток, так что формируется суммарное поле двух обмоток, определяемое суперпозицией полей каждой из них. Действующее значение напряжения определяется временной задержкой между коммутацией отводов, не имеющей дискретности, что дает плавное регулирование выходного переменного напряжения. Этим достигается регулирование напряжения при изменении напряжения аккумуляторной батареи, а также для подстройки напряжения во время синхронизации с другим источником переменного напряжения. Важным является отсутствие коммутационных выбросов при коммутации отводов круговых обмоток, потому что единовременно коммутируются отводы только одной из двух обмоток, и выбросы от разрыва тока гасятся протекающим током другой обмотки.
Отличие предлагаемого решения от прототипа заключается в использовании двух круговых обмоток для формирования вращающегося магнитного поля в режиме инвертора, и его плавного регулирования без коммутационных выбросов; переход из режима выпрямителя в режим инвертора и обратно достигается использованием датчика направления тока, обеспечивающего переключение системы управления между режимами. Совокупность отличительных признаков данного решения обеспечивает в результате обратимое преобразование энергии сетей переменного и постоянного тока и обеспечение гарантированного электропитания.
Предлагаемое техническое решение является новым, имеющим следующие принципиальные отличия от прототипа:
- использование двух круговых обмоток с последовательно соединенными полупроводниковыми коммутаторами позволяет в режиме выпрямителя формировать выходное напряжение с числом пульсаций, превышающим число фаз, чем обеспечивается высокое качество;
- в режиме инвертора использование двух круговых обмоток позволяет плавно регулировать выходное напряжение, что необходимо для компенсации колебаний напряжения в питающей сети постоянного тока;
- обеспечивается лучшая электромагнитная совместимость данного решения, по сравнению с другими, не только за счет лучшего качества выходного напряжения, но и благодаря отсутствию коммутационных перенапряжений;
- для переключения между режимами инвертора и выпрямителя использован датчик направления тока, что обеспечивает значительное упрощение схемы по сравнению с сущебтвующими системами, и повышается надежность перехода в инверторный режим с подхватом неотключаемой нагрузки.
Таким образом, совокупность существенных признаков полезной модели приводит к новому техническому результату - эффективному преобразованию энергии сети переменного тока в постоянный ток и обратно, в зависимости от режима работы выпрямитель/инвертор, а также повышению надежности подхвата неотключаемой нагрузки.
Краткое описание чертежей. На фигуре 1 изображена схема электроэнергетической системы переменного тока с обратимым преобразователем. Здесь 1 - турбогенератор, 2 - главный распределительный щит отключаемой нагрузки, 3 - главный распределительный щит неотключаемой нагрузки, 4 - обратимый преобразователь, 5 - щит постоянного тока, 6 - запорное устройство кремниевое, 7 - щит аккумуляторной батареи, 8 - аккумуляторная батарея. На фигуре 2 изображена схема контактора режимов обратимого преобразователя. Здесь 1 - турбогенератор, 4 - электромашинный обратимый преобразователь, 9 - реле контактора режимов, 1.0 - блок-контакт силового автомата главного тока. На фигуре 3 изображена схема силового модуля реверсивного коммутатора. На фигуре 4 изображена схема контактора режимов электромашинного обратимого преобразователя. Здесь 14 - шины неотключаемой нагрузки, 15 - трансформатор с вращающимся полем, 16 - реверсивный коммутатор, 17 - система управления обратимого преобразователя, 18 - датчик направления тока, 19 - силовая сеть постоянного тока.