УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ДЛЯ НЕЛИНЕЙНОЙ, ИЗМЕНЯЮЩЕЙСЯ ВО ВРЕМЕНИ НАГРУЗКИ
POWER SUPPLY DEVICE FOR NON-LINEAR TIME-VARYING LOAD

Изобретение относится к устройству электропитания для нелинейной, изменяющейся во времени нагрузки,
- причем устройство электропитания имеет систему тока с несколькими фазами,
- причем к фазам системы тока подключены нелинейная, изменяющаяся во времени нагрузка и компенсатор реактивной мощности,
- причем компенсатор реактивной мощности выполнен как многоуровневый конвертор с несколькими ветвями,
- причем ветви многоуровневого конвертора, с одной стороны, соединены с соответствующей одной из фаз системы тока и, с другой стороны, соединены между собой в общей нулевой точке соединения звездой (нейтрали).
Нелинейные, изменяющиеся во времени нагрузки, как, например, электродуговые печи трехфазного тока, могут иметь следствием заметные обратные воздействия на сеть, в частности, так называемый фликкер. По этой причине установки электропитания для нелинейных, изменяющихся во времени нагрузок, как правило, имеют компенсатор реактивной мощности. Компенсатор реактивной мощности подключен параллельно нелинейной, изменяющейся во времени нагрузке. В простейшем случае компенсатор реактивной мощности может быть выполнен как так называемый TCR (реактор с тиристорным управлением), см., например, ЕР 0 847 612 В1.
Устройство электропитания вышеупомянутого типа известно, например, из DE 10 2008 049 610 А1 или ЕР 2 202 863 А1.
В уровне техники, правда, в явном виде сформулировано, что многоуровневый конвертор может быть подключен альтернативно в схеме соединения звездой или треугольником к фазам системы тока. На практике многоуровневый конвертор, однако, всегда подключен в схеме соединения звездой к фазам системы тока. Причина этого состоит в том, что многоуровневый конвертор в определенный момент времени должен через одну из своих ветвей иметь возможность поглощать энергию, и одновременно через другую из своих ветвей отдавать энергию. Это может - как при схеме соединения треугольником, так и при схеме соединения звездой, - очень быстро приводить к превышению допустимых пределов напряжения, которые имеют следствием блокирование многоуровневого конвертора.
Однако при одном подключении многоуровневого конвертора в схеме соединения треугольником известно, что пределы напряжения выдерживаются за счет того, что внутри образованной ветвями многоуровневого конвертора цепи генерируется соответствующий ток, который удерживает нарастающее напряжение в допустимых пределах. Подобный нулевой ток (ток нулевой последовательности) в случае схемы соединения звездой невозможно получить без труда.
Кроме того, известно, что внутри многоуровневого конвертора предусматривается высокочастотно функционирующий контур переменного напряжения, который отдельные цепи постоянного напряжения всех модулей всех ветвей многоуровневого конвертора соединяет между собой. Обмен энергией осуществляется при этом выполнении через преобразование постоянного напряжения в переменное напряжение наряду с подключенным далее преобразованием переменного напряжения в постоянное напряжение. Это выполнение многоуровневого конвертора применимо как в схеме соединения треугольником, так и в схеме соединения звездой. Выполнение многоуровневого конвертора в этом случае является, однако, очень сложным. Кроме того, возможный перенос энергии в единицу времени относительно мал.
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы устройство электропитания вышеназванного типа выполнить таким образом, чтобы многоуровневый конвертор мог простым способом надежно эксплуатироваться.
Эта задача решается устройством электропитания с признаками п. 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления соответствующего изобретению устройства электропитания являются предметом зависимых пп. 2-11.
В соответствии с изобретением предусмотрено выполнить устройство электропитания вышеупомянутого типа таким образом,
- что общая нулевая точка соединения звездой многоуровневого конвертора соединена с нулевой точкой соединения звездой другого, подключенного к фазам системы тока устройства, так что общая нулевая точка соединения звездой многоуровневого конвертора как через ветви многоуровневого конвертора, так и через другое устройство соединена с фазами системы тока, и
- что соединение через другое устройство выполнено таким образом, что в отношении токовой системы нулевой последовательности системы тока существует низкоомное, а в отношении токовой системы прямой последовательности системы тока и токовой системы обратной последовательности системы тока существует высокоомное соединение общей нулевой точки соединения звездой многоуровневого конвертора с фазами системы тока.
В первом возможном варианте осуществления соответствующего изобретению устройства электропитания предусмотрено, что другое устройство выполнено как зигзагообразная обмотка.
Как правило, устройство электропитания имеет сетевой трансформатор, через который фазы системы тока могут снабжаться электрической энергией. В этом случае зигзагообразная обмотка альтернативно может встраиваться как вторичная обмотка в сетевой трансформатор или выполняться как отличающийся от сетевого трансформатора зигзагообразный трансформатор. Первое упомянутое выполнение имеет, в частности, преимущество в том случае, если устройство электропитания создается заново. Последнее упомянутое выполнение может быть реализовано также в том случае, когда существующее устройство электропитания должно быть модернизировано в соответствующее изобретению устройство электропитания.
Если зигзагообразная обмотка выполнена как отдельный от сетевого трансформатора зигзагообразный трансформатор, предпочтительным образом по меньшей мере одна из нулевых точек соединения звездой сетевого трансформатора и зигзагообразного трансформатора не заземлена.
Как правило, устройство электропитания имеет фильтровой контур, посредством которого отфильтровываются высшие гармоники нагрузочного и конверторного токов. Фильтровой контур имеет в этом случае несколько ветвей, которые, с одной стороны, соединены с соответствующей одной из фаз системы тока, а с другой стороны, в общей нулевой точке соединения звездой фильтрового контура соединены между собой. Является возможным, что упомянутое другое устройство идентично с фильтровым контуром. В этом случае не требуется никакая зигзагообразная обмотка.
В случае применения фильтрового контура, в качестве другого устройства предпочтительно между общей нулевой точкой соединения звездой фильтрового контура и общей нулевой точкой соединения звездой многоуровневого конвертора расположен дроссель. Дроссель может, в частности, рассчитываться таким образом, что объединенный импеданс дросселя и фильтрового контура равен нулю.
Как правило, устройство электропитания имеет, дополнительно к вышеуказанному фильтровому контуру, по меньшей мере один дополнительный фильтровой контур, посредством которого также могут отфильтровываться высшие гармоники нагрузочного и конверторного токов.
Число фаз системы тока может определяться по потребности. Как правило, имеются три фазы.
Другие преимущества и детали следуют из изложенного ниже описания примеров выполнения в связи с чертежами, на которых в принципиальном представлении показано следующее:
Фиг. 1 - принципиальная структура устройства электропитания для нелинейной, варьирующейся во времени нагрузки и
Фиг. 2-4 - возможное соответствующее изобретению выполнение устройства электропитания по фиг. 1.
Согласно фиг. 1 нелинейная, изменяющаяся во времени нагрузка 1 - только для примера - выполнена как электродуговая печь. Электродуговая печь 1 снабжается электрической энергией через систему 2 тока. Система 2 тока имеет несколько фаз. Электродуговая печь 1 подключена к фазам 3 системы 2 тока. Число фаз 3 может определяться по потребности. Как правило и в соответствии с представлением на фиг. 1, имеется три фазы 3.
Приложенное к электродуговой печи 1 напряжение, как правило, является относительно низким. В типовом случае оно лежит в диапазоне от нескольких сотен вольт до двух киловольт. Напряжение системы 2 тока, напротив, лежит значительно выше. Чаще всего оно лежит в двухзначном киловольтном диапазоне или немного выше. Типовыми напряжениями системы 2 тока являются 11 киловольт, 30 киловольт и 110 киловольт. Поэтому между электродуговой печью 1 и фазами 3 системы 2 тока расположен печной трансформатор. В рамках предложенного изобретения печной трансформатор имеет, однако, лишь второстепенное значение и поэтому на фиг. 1 не представлен.
Система 2 тока может представлять собой внешнюю крупную систему тока. Альтернативно, речь может идти о внутренней системе тока оператора электродуговой печи 1. В случае внутренней системы тока, речь может идти о независимой системе тока. Альтернативно, устройство электропитания может иметь сетевой трансформатор 4, через который фазы 3 системы 2 тока могут снабжаться электрической энергией из внешней сети. Внешняя сеть может иметь относительно высокое напряжение, например 110 киловольт или 380 киловольт.
К фазам 3 системы 2 тока, кроме того, подключен компенсатор 5 реактивной мощности. Компенсатор 5 реактивной мощности выполнен как многоуровневый конвертор с несколькими ветвями 6. Согласно фиг. 1 ветви 6 многоуровневого конвертора 5, с одной стороны, соединены с соответствующей одной из фаз 3 системы 2 тока и, с другой стороны, в общей нулевой точке 7 соединения звездой соединены между собой.
Многоуровневые конверторы 5, как таковые, общеизвестны. В них каждая ветвь 6 состоит из многоступенчатого последовательного соединения модулей, причем каждый модуль имеет накопительный конденсатор и автономный полупроводниковый переключатель. Понятие «автономный» означает, что полупроводниковые переключатели могут как подключаться, так и отключаться посредством подводимых извне к полупроводниковым переключателям управляющих сигналов. Например, автономные полупроводниковые переключатели могут быть выполнены как биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) или как тиристоры с коммутируемым затвором (GTO). Таким образом, понятие «автономный» противоположно понятию «ведомый сетью». Это понятие означает, что соответствующий переключающий элемент хотя и может целенаправленно подключаться, однако не может отключаться внешним управляющим сигналом. Примером ведомого сетью полупроводникового переключающего элемента является «нормальный» тиристор.
Полупроводниковые переключатели каждого модуля могут переключаться независимо от полупроводниковых переключателей других модулей той же ветви 6 и других ветвей 6. В зависимости от соответствующего состояния переключения полупроводниковых переключателей соответствующего модуля, соответствующий накопительный конденсатор соответствующего модуля альтернативно шунтирован или является активным. Детальная информация относительно структуры, способа действия и работы многоуровневого конвертора 5 содержится, например, в US 6075350 А и ЕР 2202863 А1.
Устройство электропитания содержит, как правило, также по меньшей мере один фильтровой контур 8, 9. На фиг. 1 представлены два таких фильтровых контура 8, 9. Посредством каждого фильтрового контура 8, 9 могут отфильтровываться высшие гармоники нагрузочного и конверторного токов. Высшие гармоники вызываются работой электродуговой печи 1.
Каждый фильтровой контур 8, 9 рассчитан на определенную частоту фильтра. Каждый фильтровой контур 8, 9 имеет несколько ветвей 10, 11. Каждая ветвь 10, 11 соответствующего фильтрового контура 8, 9 соединена, с одной стороны, с соответствующей одной из фаз 3 системы 2 тока. Кроме того, ветки 10, 11 соответствующего фильтрового контура 8, 9 соединены между собой в соответствующей общей нулевой точке 12, 13 соединения звездой соответствующего фильтрового контура 8, 9.
На фильтровых контурах 8, 9 возникает соответствующая подлежащая компенсации фильтровая мощность. Фильтровые мощности фильтровых контуров 8, 9, как правило, различаются одна от другой. Фильтровые контура 8, 9 рассчитаны на соответствующую подлежащую компенсации фильтровую мощность.
0
Отдельные ветви 6 многоуровневого конвертора 5 должны иметь возможность принимать и отдавать токи. Протекающие в отдельных ветвях 6 многоуровневого конвертора 5 токи, как правило, различаются друг от друга. В противоположность соединению треугольником ветвей 6, при котором ветви 6 многоуровневого конвертора 5 соединены с соответствующими двумя фазами 3 системы 2 тока, контурный ток внутри многоуровневого конвертора 5 невозможен или, по меньшей мере, невозможен без проблем. В связи с фиг. 2-4 далее поясняется соответствующее изобретению выполнение устройства электропитания по фиг. 1, при котором нулевой ток - на фиг. 2-4 обозначен как I - может быть реализован иным образом.
Согласно фиг. 2 и 3 имеется зигзагообразная обмотка 14. Зигзагообразная обмотка 14 подключена к фазам системы 2 тока. При выполнении согласно фиг. 2,зигзагообразная обмотка 14 встроена в качестве вторичной обмотки в сетевой трансформатор 4. Она выполняет, таким образом, «нормальную» функцию вторичной обмотки, состоящую в запитывании фаз 3 системы 2 тока из внешней сети. При выполнении согласно фиг. 3 зигзагообразная обмотка 14 выполнена как отдельный от сетевого трансформатора 4 зигзагообразный трансформатор.
Общая нулевая точка 7 соединения звездой многоуровневого конвертора 5 при выполнении согласно фиг. 2 и 3 соединена с нулевой точкой 15 соединения звездой зигзагообразной обмотки 14. Тем самым общая нулевая точка 7 соединения звездой многоуровневого конвертора 5 соединена как через ветви 6 многоуровневого конвертора 5, так и через зигзагообразную обмотку 14 с фазами 3 системы 2 тока. Соединение через зигзагообразную обмотку 14 (ввиду типичных для конструкции свойств зигзагообразных обмоток) таково, что - в отношении соединения через зигзагообразную обмотку 14 - по отношению к токовой системе нулевой последовательности системы 2 тока существует низкоомное соединение общей нулевой точки 7 соединения звездой многоуровневого конвертора 5 с фазами 3 системы 2 тока. Однако в отношении токовой системы прямой последовательности системы 2 тока и токовой системы обратной последовательности системы 2 тока, существует - относительно соединения через зигзагообразную обмотку 14 - только высокоомное соединение общей нулевой точки 7 соединения звездой многоуровневого конвертора 5 с фазами 3 системы 2 тока.
Понятия «токовая система нулевой последовательности», «токовая система прямой последовательности» и «токовая система обратной последовательности» в связи с системами трехфазного тока являются общеупотребительными и понятными каждому специалисту. Они имеют в трехфазной системе тока следующее значение:
о
Токовая система прямой последовательности имеет три вектора одинаковой амплитуды, далее обозначаемые как А, В и С. Три вектора А, В и С имеют электрический сдвиг фазы 120 относительно друг друга. Вектора А, В и С вращаются в одинаковом направлении с напряжениями фаз 3.
о
Токовая система обратной последовательности также имеет три вектора одинаковой амплитуды, далее обозначаемые как А', B' и C'. Также вектора А', B' и C' имеют электрический сдвиг фазы 120 относительно друг друга. Они вращаются в одинаковом направлении с векторами А, В и С токовой системы прямой последовательности. Однако последовательность векторов А', B' и C' токовой системы обратной последовательности переставлена относительно векторов А, В и С токовой системы прямой последовательности. Таким образом, последовательность представляет собой C', B', А'.
Также токовая система нулевой последовательности имеет три вектора одинаковой амплитуды, далее обозначаемые как A”, B” и C”. Сдвиг фаз векторов A”, B” и C” относительно друг друга равен нулю. Вектора A”, B” и C” вращаются также синфазно. Они вращаются в одинаковом направлении с векторами А, В, С токовой системы прямой последовательности.
Токи, описываемые векторами А, А' и A”, протекают в одной из фаз 3 системы 2 тока. Токи В, В' и В” протекают в другой из фаз 3 системы 2 тока. Токи С, С' и С” протекают в третьей из фаз 3 системы 2 тока.
Амплитуды векторов А, В и С токовой системы прямой последовательности, векторов А', B' и C' токовой системы обратной последовательности и векторов A”, B” и C” токовой системе нулевой последовательности могут быть различными. Также фазовые углы вектора А к вектору A' и к вектору A” могут быть различными относительно друг друга. Совместно токовая система прямой последовательности, токовая система обратной последовательности и токовая система нулевой последовательности определяют токи, протекающие в фазах 3 системы 2 токов.
При выполнении согласно фиг. 2 (общая) нулевая точка 15 соединения звездой зигзагообразной обмотки 14 может быть заземлена. При выполнении согласно фиг. 3 одна из обеих нулевых точек 15, 16 соединения звездой сетевого трансформатора 4 и зигзагообразного трансформатора 14 может быть заземлена. Альтернативно при выполнении согласно фиг. 3 возможно, что никакая из обеих нулевых точек 15, 16 соединения звездой сетевого трансформатора 4 и зигзагообразного трансформатора 14 не заземлена. Но обе нулевые точки 15, 16 соединения звездой не должны быть заземлены.
В качестве альтернативы наличию зигзагообразной обмотки 14 (см. выполнение согласно фиг. 2 и фиг. 3) согласно фиг. 4 возможно, что общая нулевая точка соединения звездой многоуровневого конвертора 5 соединена с нулевой точкой 12, 13 соединения звездой фильтровых контура 8, 9. При выполнении согласно фиг. 4 общая нулевая точка соединения звездой многоуровневого конвертора 5 соединена, таким образом, с одной стороны, через ветви 6 многоуровневого конвертора 5 и, с другой стороны, через соответствующий фильтровой контур 8 с фазами 3 системы 2 тока.
Также при выполнении согласно фиг. 4 соединение через соответствующий фильтровой контур 8 выполнено таким образом, что - относительно этого соединения - в отношении токовой системы нулевой последовательности системы 2 тока существует низкоомное, а в отношении токовой системы прямой последовательности системы 2 тока и токовой системы обратной последовательности системы 2 тока существует высокоомное соединение общей нулевой точки 7 соединения звездой многоуровневого конвертора 5 с фазами 3 системы 2 тока. Например, с этой целью, соответственно представлению на фиг. 4, между общей нулевой точкой 12 соединения звездой фильтрового контура 8 и общей нулевой точкой 7 соединения звездой многоуровневого конвертора 5 расположен дроссель 17. Дроссель 17 может, в частности, быть спроектирован таким образом, что объединенный импеданс дросселя 17 и фильтрового контура 8 равен нулю.
Вместо зигзагообразной обмотки 14 и фильтрового контура 8 альтернативно может применяться другое устройство, если оно имеет следующие свойства:
- Оно подключено к фазам 3 системы 2 тока.
- Оно имеет нулевую точку соединения звездой.
- Нулевая точка соединения звездой упомянутого устройства соединена с общей нулевой точкой 7 соединения звездой многоуровневого конвертора 5.
- Соединение через упомянутое устройство выполнено таким образом, что в отношении токовой системы нулевой последовательности системы 2 тока существует низкоомное соединение общей нулевой точки 7 соединения звездой многоуровневого конвертора 5 с фазами 3 системы 2 тока.
- Соединение через упомянутое устройство выполнено таким образом, что в отношении токовой системы прямой последовательности системы 2 тока и токовой системы обратной последовательности системы 2 тока существует высокоомное соединение общей нулевой точки 7 соединения звездой многоуровневого конвертора 5 с фазами 3 системы 2 тока.
Предложенное изобретение имеет много преимуществ. В частности, нагрузка напряжением многоуровневого конвертора 5 при соответствующем изобретению выполнении на коэффициент 1,7320 ниже, чем при схеме соединения треугольником. Поэтому соответствующее изобретению устройство электропитания при одинаковой производительности может быть реализовано значительно более экономичным образом, чем сопоставимое устройство электропитания согласно уровню техники. В новых установках, в которых зигзагообразная обмотка 14 может быть встроена как вторичная обмотка в сетевой трансформатор 4, возможна экономия на 20%-40%. При модернизации также возможна экономия, хотя и несколько ниже.
Приведенное выше описание служит исключительно пояснению предложенного изобретения. Объем защиты предложенного изобретения должен определяться исключительно приложенными пунктами формулы изобретения.