СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ МНОГОФАЗНОЙ СИСТЕМОЙ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА
METHOD TO CONTROL MULTIPHASE SYSTEM OF POWER SUPPLY TO DC LOADS

Изобретение относится к системам электроснабжения потребителей постоянного тока, осуществляющим преобразование электрической энергии переменного тока в энергию постоянного тока с помощью вентильных преобразователей.
Известен способ тиристорного управления выпрямительным агрегатом и соответственно системой электроснабжения потребителей постоянного тока на его основе (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. Издатель ООО «Издательство Файнстрит» г.Санкт-Петербург). В данном способе регулирование выпрямленного напряжения агрегатов системы электроснабжения осуществляется изменением углов управления тиристоров выпрямительных блоков (фазовое управление).
Этот способ обеспечивает плавность регулирования выпрямленного напряжения системы. Однако ему присущ ряд недостатков. Весьма серьезными недостатками являются сложность конструкции выпрямительных агрегатов, 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 трансформаторов). С возрастанием мощности агрегатов, с осуществлением глубоких вводов на подстанции повышенных напряжений указанные недостатки обостряются. Токи первичных цепей трансформаторов выпрямительных агрегатов 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, а следовательно, и всей системы электроснабжения, снижается до недопустимых для мощных систем величин (коэффициент мощности снижается пропорционально возрастанию глубины регулирования).
Известен способ управления многофазным выпрямительным агрегатом с помощью автономного инвертора напряжения, который входными выводами подключают к цепи постоянного тока выпрямительного агрегата, а выходными выводами подключают к первичным обмоткам трехфазного согласующего трансформатора, при этом вторичные фазные обмотки согласующего трансформатора подключают пофазно последовательно с сетевыми обмотками преобразовательного трансформатора агрегата (Патент RU 2333589. Способ управления многофазным выпрямительным агрегатом./ Ю.И.Хохлов // Бюл. изобр. - 2008. - 25). В данном способе регулирование выпрямленного напряжения выпрямительного агрегата осуществляют изменением выходного напряжения автономного инвертора напряжения с синусоидальной широтно-импульсной модуляцией входного постоянного напряжения.
Этот способ, выбранный в качестве ближайшего аналога, обеспечивает плавность регулирования выпрямленного напряжения выпрямительного агрегата и, соответственно, системы электроснабжения потребителей постоянного тока на его основе, существенно упрощает выпрямительные агрегаты, по сравнению с тиристорным способом управления снижает потребление агрегатами реактивной мощности и тем самым повышает коэффициент мощности системы за счет выполнения агрегатов в диодном варианте (отсутствует фазовое управление). Однако применение этого способа не позволяет повысить фазность преобразования системы электроснабжения и соответственно снизить гармоническое воздействие системы на питающую сеть и потребитель постоянного тока, что в ряде случаев не обеспечивает требования ГОСТ по качеству электрической энергии. Кроме того, при использовании этого способа не решается проблема регулирования реактивной мощности, потребляемой системой электроснабжения из питающей сети.
В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в упрощении системы электроснабжения потребителей постоянного тока, в снижении ее гармонического воздействия на питающую сеть и потребитель при сохранении плавности регулирования выпрямленного напряжения, а также в оптимизации режима работы системы электроснабжения по потреблению из питающей сети реактивной мощности.
Указанная задача решается тем, что в способе управления многофазной системой электроснабжения потребителей постоянного тока, содержащей n p-фазных диодных выпрямительных агрегатов, регулирование выпрямленного напряжения которой осуществляют изменением выходного напряжения у n автономных инверторов напряжения с синусоидальной широтно-импульсной модуляцией, входными выводами подключенных к источнику постоянного напряжения, а выходными выводами к первичным обмоткам n трехфазных согласующих трансформаторов, при этом вторичные фазные обмотки согласующих трансформаторов подключают пофазно последовательно с сетевыми обмотками преобразовательных трансформаторов выпрямительных агрегатов, изменение выходных напряжений автономных инверторов выпрямительных агрегатов осуществляют одновременным изменением амплитуд и фаз синусоидальных модулирующих напряжений, причем амплитуды и фазы синусоидальных модулирующих напряжений автономных инверторов напряжения определяют из условия сохранения симметрии системы результирующих первичных напряжений всех агрегатов при углах сдвига фаз между одноименными результирующими первичными фазными напряжениями одного выпрямительного агрегата относительно другого, равных
С целью снижения потребляемой из питающей сети реактивной мощности регулирование выпрямленного напряжения многофазной системы электроснабжения потребителей постоянного тока осуществляют при положительных углах сдвига синусоидальных модулирующих напряжений относительно одноименных фазных напряжений питающей сети у большей части инверторов.
С целью повышения потребляемой из питающей сети реактивной мощности регулирование выпрямленного напряжения многофазной системы электроснабжения потребителей постоянного тока осуществляют при отрицательных углах сдвига синусоидальных модулирующих напряжений относительно одноименных фазных напряжений питающей сети у большей части инверторов напряжения.
С целью сохранения потребляемой из питающей сети реактивной мощности регулирование выпрямленного напряжения многофазной системы электроснабжения потребителей постоянного тока осуществляют при положительных углах сдвига синусоидальных модулирующих напряжений относительно одноименных фазных напряжений питающей сети у одной половины инверторов напряжения и отрицательных углах сдвига у другой половины инверторов.
Напряжение на входные выводы автономных инверторов напряжения выпрямительных агрегатов подают либо с выходных выводов системы электроснабжения потребителей постоянного тока, либо с выходных выводов дополнительно введенных выпрямителей, входными выводами подключенных к питающей сети.
Напряжения на первичные обмотки трехфазных согласующих трансформаторов подают либо непосредственно с выходных выводов автономных инверторов напряжения, либо с выходных выводов автономных инверторов напряжения посредством низкочастотных фильтров.
Способ управления системой электроснабжения потребителей постоянного тока реализуют при выполнении выпрямительных агрегатов либо по нулевой, либо по мостовой, либо по кольцевой схемам выпрямления.
Способ управления системой электроснабжения потребителей постоянного тока реализуют при включении выпрямительных агрегатов по отношению к цепи постоянного тока либо последовательно, либо параллельно, либо последовательно-параллельно, либо параллельно-последовательно.
Способ управления системой электроснабжения потребителей постоянного тока реализуют при выполнении выпрямительных агрегатов либо без устройств компенсации реактивной мощности, либо с устройствами компенсации реактивной мощности.
Принципиальная схема одного из вариантов многофазной системы электроснабжения потребителей постоянного тока, в которой реализован предлагаемый способ управления, представлена на фиг.1. Она содержит два (n=2) подключенных к питающей сети переменного тока р-фазных диодных выпрямительных агрегата 1 и 2, два автономных инвертора напряжения 3 и 4, осуществляющих синусоидальную широтно-импульсную модуляцию напряжения источников постоянного напряжения 5 и 6. Напряжения с выходных выводов автономных инверторов напряжения 3 и 4 посредством низкочастотных фильтров 7 и 8 подают на первичные обмотки согласующих трансформаторов 9 и 10. Напряжения на вторичных обмотках согласующих трансформаторов 9 и 10 вводят пофазно последовательно в цепи сетевых обмоток преобразовательных трансформаторов выпрямительных агрегатов 1 и 2. Выпрямленные напряжения выпрямительных агрегатов 1 и 2 подают на потребители постоянного тока. Для пояснения возможности снижения потребляемой выпрямительным агрегатом реактивной мощности на фиг.2 приведены векторные диаграммы для первых гармоник напряжений и токов на стороне первичной обмотки преобразовательного трансформатора агрегата. Для пояснения возможности повышения потребляемой выпрямительным агрегатом реактивной мощности аналогичные диаграммы представлены на фиг.3. Для пояснения сути предлагаемого способа на фиг.4 представлены векторные диаграммы для первых гармоник напряжений, иллюстрирующих процесс управления системой электроснабжения при сохранении потребляемой из питающей сети реактивной мощности. Для пояснения электромагнитных процессов во временной области на фиг.5 и 6 представлены результаты моделирования системы электроснабжения потребителей постоянного тока с двумя двенадцатифазными выпрямительными агрегатами при ее работе в двенадцатифазном (фиг.5) и двадцатичетырехфазном (фиг.6) режимах. В двенадцатифазный режим работы система электроснабжения переходит при угле сдвига фаз между одноименными результирующими первичными фазными напряжениями одного выпрямительного агрегата относительно другого, равном нулю, а в двадцатичетырехфазный - при угле
На фиг.5,а и 6,а приведены кривые фазных напряжения и тока питающей сети, на фиг.5,б и 6,б - кривые результирующих фазных напряжений, подаваемых на первичные обмотки преобразовательных трансформаторов выпрямительных агрегатов, на фиг.5,в и 6,в - кривые тока и напряжения на вентилях агрегатов. На этих временных диаграммах жирными линиями показаны кривые токов, а тонкими линиями - кривые напряжений.
Способ управления многофазной системой электроснабжения потребителей постоянного тока реализуют следующим образом.
y
R
S
y
После подключения выпрямительных агрегатов 1 и 2 к питающей сети на их выходах создаются выпрямленные напряжения, которые подают на потребитель постоянного тока. В соответствии с принципом широтно-импульсной модуляции в системах управления автономных инверторов напряжения 3 и 4 сравниваются модулирующие синусоидальные напряжения с частотой питающей сети и напряжения (например, пилообразные) с несущей частотой, значительно превышающей частоту напряжения питающей сети (в десятки и сотни раз). Из сравнения указанных напряжений определяются моменты открытия и закрытия полностью управляемых вентилей инверторов 3 и 4, коммутирующих с несущей частотой пилообразного напряжения. В результате чего на выходе инверторов 3 и 4 создаются переменные управляющие импульсные трехфазные напряжения. Для повышения качества управления с помощью низкочастотных фильтров 7 и 8 из импульсных напряжений выделяют первые гармоники управляющих напряжений (U на фиг.2, 3 и 4). Первые гармоники управляющих фазных напряжений инверторов 3 и 4 имеет частоту модулирующих напряжений, т.е. частоту напряжения питающей сети. Амплитуды и начальные фазы первых гармоник управляющих напряжений регулируют одновременно как по амплитудам, так и начальным фазам аналогичным регулированием синусоидальных модулирующих напряжений инверторов. Причем амплитуды и начальные фазы управляющих напряжений изменяют так, что результирующие напряжения U, определяемые напряжением питающей сети U и управляющими напряжениями U, изменяются только по амплитуде, сохраняя симметрию системы результирующих напряжений всех агрегатов при углах сдвига фаз между одноименными результирующими первичными фазными напряжениями одного выпрямительного агрегата относительно другого, равных  (фиг.4).
y
у
у
у
y
y
Изменением результирующих первичных напряжений выпрямительных агрегатов на величину ΔU обеспечивается пропорциональное плавное регулирование выпрямленного напряжения системы электроснабжения. Необходимый диапазон такого регулирования задают величиной напряжений источников постоянного напряжения на входах автономных инверторов напряжения и коэффициентами трансформации согласующих трансформаторов. Для снижения потребляемой выпрямительным агрегатом из питающей сети реактивной мощности регулирование выпрямленного напряжения агрегата осуществляют при положительных углах сдвига синусоидального модулирующего напряжения инвертора этого агрегата (ψ) относительно одноименных фазных напряжения питающей сети, как показано на фиг.2. Как видно из диаграмм на фиг.2, в результате такого регулирования первая гармоника сетевого тока отстает от фазного напряжения теперь на меньший угол φ'' по сравнению с нерегулируемым режимом, когда этот угол был больше и равнялся φ'. Следствием снижения указанного угла является снижение потребляемой выпрямительным агрегатом из питающей сети реактивной мощности. Для снижения потребляемой реактивной мощности всей системой электроснабжения, содержащей n выпрямительных агрегатов, регулирование выпрямленного напряжении в большей части таких агрегатов осуществляют при положительных углах ψ. Для повышения потребляемой выпрямительным агрегатом из питающей сети реактивной мощности регулирование выпрямленного напряжения агрегата осуществляют при отрицательных углах сдвига синусоидальных модулирующих напряжений инвертора этого агрегата (ψ) относительно одноименных фазных напряжения питающей сети, как показано на фиг.3. Для повышения потребляемой реактивной мощности всей системой электроснабжения, содержащей n выпрямительных агрегатов, регулирование выпрямленного напряжении в большей части таких агрегатов осуществляют при отрицательных углах ψ. Для сохранения реактивной мощности, потребляемой всей системой электроснабжения, содержащей n выпрямительных агрегатов, регулирование выпрямленного напряжении в одной половине таких агрегатов осуществляют при положительных углах ψ, а в другой половине - при отрицательных углах ψ (фиг.4). При регулировании выпрямленного напряжения системы электроснабжения сохраняют углы сдвига фаз между одноименными результирующими первичными фазными напряжениями одного выпрямительного агрегата относительно другого равными  (фиг.6,б), что обеспечивает повышение фазности преобразования системы, а следовательно, и снижение ее гармонического воздействия на питающую сеть (фиг.6,а) и потребитель постоянного тока по сравнению с режимом, когда указанные углы равны нулю (фиг.5,а и б). Для реализации способа напряжение на входные выводы автономных инверторов подают либо с выходных выводов системы электроснабжения, либо с выходных выводов дополнительно введенных выпрямителей, входные выводы которых подключают к питающей сети. Напряжение на первичные обмотки согласующих трансформаторов подают либо непосредственно с выходных выводов инверторов напряжения, либо посредством низкочастотных фильтров, повышающих качество процесса управления. Способ реализуют при выполнении выпрямительных агрегатов по нулевой, мостовой и кольцевой схемам выпрямления с включением их по отношению к потребителю постоянного тока последовательно, параллельно и комбинированно, как при наличии в выпрямительных агрегатах дополнительных устройств компенсации реактивной мощности, так и при их отсутствии.
Технико-экономический эффект от применения предлагаемого способа управления многофазной системой электроснабжения потребителей постоянного тока состоит, во-первых, в существенном упрощении системы электроснабжения, поскольку теперь силовая часть его выполняется в простейшем исполнении. А именно, в системе электроснабжения отпадает необходимость применения фозоповоротных устройств, обеспечивающих повышение фазности преобразования. В том числе отпадает необходимость и в применении сложных схем соединения сетевых и вентильных обмоток преобразовательных трансформаторов агрегатов. Во-вторых, в силу отмеченного значительно снижается установленная мощность и габариты оборудования системы электроснабжения, а также потери электрической энергии в нем. В-третьих, предлагаемый способ обеспечивает существенное снижение гармонического воздействия системы электроснабжения на питающую сеть и потребитель постоянного тока. В-четвертых, предлагаемый способ обеспечивает оптимизацию работы системы электроснабжения по потреблению реактивной мощности, что снижает потери электрической энергии в питающей сети. В-пятых, применение предлагаемого способа в силу снижения установленной мощности оборудования системы электроснабжения и ее упрощения создает условия для применения современных дизайнерских решений. В результате обеспечиваются значительные преимущества в изготовлении, монтаже и эксплуатации системы электроснабжения.