Модуль многоуровневого преобразователя напряжения

Область техники.
Полезная модель относится к электроэнергетике и может быть применена в модульных многоуровневых преобразователях напряжения, используемых в электрических сетях среднего в высокого напряжения в качестве различных средств компенсации реактивной мощности, активных фильтро-симметрирующих устройств, а также в качестве преобразователей в передачах и вставках постоянного тока и частотно-регулируемых электроприводах.
Уровень техники
Высокая надежность модульных многоуровневых преобразователей обеспечивается применением избыточного количества последовательно включенных модулей в фазах преобразователя, каждый из которых снабжен байпасной цепью - средством шунтирования при отказе.
Известен модуль многоуровневого преобразователя, содержащий преобразовательную ячейку с буферным конденсатором и шунтирующую ее байпасную цепь, выполненную в виде двух IGBT-транзисторов, соединенных эмиттерами, и двух диодов, включенных встречно-параллельно этим транзисторам [RU 107422].
Недостаток известного решения - для поддержания включенного состояния байпасной цепи требуется непрерывный ток управления и соответственно источник питания, независимого от напряжения на шунтируемой преобразовательной ячейке.
Известен модуль многоуровневого преобразователя, содержащий преобразовательную ячейку с буферным конденсатором, байпасный замыкатель, шунтирующий преобразовательную ячейку, и блок управления, снабженный блоком питания от указанного буферного конденсатора [RU 2455723]. Это устройство выбрано в качестве прототипа.
Для того, чтобы уменьшить (или исключить) зависимость питания блока управления (который управляет как преобразовательной ячейкой, так и байпасным замыкателем) от напряжения на буферном конденсаторе, в прототипе используется байпасный замыкатель в виде вакуумного прерывателя, выполнение которого иллюстрирует фиг. 1 (скопированная с фиг. 4 описания к патенту RU 2455723).
Байпасный замыкатель прототипа выполнен в виде вакуумного прерывателя 100, неподвижный контакт 111 и подвижный контакт 112 которого шунтируют преобразовательную ячейку. Прерыватель 100 удерживается в разомкнутом состоянии полем постоянного магнита 330, замыкающимся через магнитно-мягкое ярмо 320. Действие постоянного магнита 330 кратковременно блокируется встречным внешним магнитным полем, создаваемым обмоткой 340, намотанной на ярмо 320. Под действием атмосферного давления подвижный контакт 112 прерывателя 100 втягивается в вакуумную камеру до контакта с неподвижным контактом 111 и, тем самым, замыкает байпасную цепь. После затухания тока в катушке 320 байпасная цепь остается замкнутой, т.к. силы притяжения постоянного магнита 330 недостаточно для выдвижения подвижного контакта 112 прерывателя из вакуумной камеры.
Как следует из патентного описания прототипа (фиг. 5 и строки 30-35 на стр. 11 описания к патенту RU 2455723) для формирования в обмотке 340 токового импульса, управляющего байпасным замыкателем, требуется отдельный (независимый от напряжения на буферном конденсаторе) источник питания (поз. 410 на фиг. 5 описания к патенту RU 2455723) и «мощный полупроводниковый прибор, который может управляться тиристором или IGBT». В другом варианте выполнения байпасного замыкателя по патенту RU 2455723 (без постоянного магнита 330) вакуумный прерыватель удерживается в разомкнутом состоянии током, постоянно протекающим через обмотку 340 во время работы исправной преобразовательной ячейки.
Сущность полезной модели
Технический результат полезной модели - обеспечение работы модуля без использования независимого источника питания, снижение мощности управления и требуемой емкости буферного конденсатора.
Предметом полезной модели является модуль многоуровневого преобразователя напряжения, содержащий, по меньшей мере, одну преобразовательную ячейку с буферным конденсатором, байпасный замыкатель, предназначенный для шунтирования преобразовательной ячейки, и блок управления, снабженный блоком питания от буферного конденсатора, отличающийся тем, что байпасный замыкатель выполнен в виде пары встречно-параллельно включенных тиристоров, управляющие переходы которых шунтированы в обратном направлении диодами, при этом управляющие электроды указанных тиристоров соединены через контакт импульсного реле, переключаемого блоком управления.
Это позволяет получить вышеуказанный технический результат.
Осуществление полезной модели
На фиг. 2 представлена схема заявляемого модуля.
Модуль содержит
по меньшей мере, одну преобразовательную ячейку 1 (транзисторную или тиристорную, выполненную по мостовой или полумостовой схеме) с буферным конденсатором 2;
байпасный замыкатель 3, предназначенный для шунтирования ячейки 1 в случае ее отказа;
блок управления 4, снабженный блоком питания 5 от буферного конденсатора 2.
Байпасный замыкатель 3 выполнен в виде пары встречно-параллельно включенных тиристоров 6 и 7. Управляющие переходы тиристоров 6 и 7 шунтированы в обратном направлении диодами 10 и 11 соответственно, при этом управляющие электроды 8 и 9 указанных тиристоров соединены через контакт 12 бистабильного импульсного реле 13. В качестве реле 13, могут быть использованы различные типы выпускаемых промышленностью маломощных импульсных реле (например, двухобмоточные реле управляемые импульсами или однообмоточные поляризованные реле, переключаемые импульсами противоположной полярности) с максимальным коммутируемым напряжением, превышающим амплитуду рабочего напряжения преобразовательной ячейки 1. Ниже в качестве примера, описано использование импульсного поляризованного реле с одной управляющей обмоткой. Управляющая обмотка 14 реле 13 подключена к соответствующему выходу 15 блока управления 4. Импульс тока одной полярности в обмотке 14 обеспечивает замыкание контакта 12, другой полярности - размыкание контакта 12.
Устройство работает следующим образом.
При нормальной работе ячейки 1 контакт 12 бистабильного реле 13 находится в разомкнутом состоянии, показанном на фиг. 2, а тиристоры 6 и 7 выключены.
При отказе ячейки 1 (контролируемой с помощью средств, не показанных на фиг. 2) блок управления 4 подает с выхода 15 на обмотку 14 короткий импульс соответствующей полярности, обеспечивающий переключение реле 13 с замыканием контакта 12. При этом в зависимости от текущей полярности напряжения на выводах ячейки 1 включается один из тиристоров 6 или 7, на управляющий электрод которого поступает ток через токоограничивающий резистор 16 и диод 11 или 10 соответственно. При смене полярности напряжения на ячейке 1 аналогичным образом включается другой тиристор. В результате преобразовательная ячейка 1 шунтируется замыкателем 3 при любой полярности напряжения.
Как видно из изложенного, мощность управления замыкателем 3 необходима лишь для однократного формирования короткого импульса в управляющей обмотке 14 маломощного реле 13. В результате отсутствует необходимость в независимом источнике питания для поддержания включенного состояния замыкателя 3 при шунтировании им ячейки 1 и уменьшается суммарная мощность, требуемая для питания цепей управления модулем. Поскольку эта мощность отбирается блоком питания 5 от буферного конденсатора 2, его емкость может быть соответственно уменьшена.