Компенсированный преобразователь переменного напряжения в постоянное
COMPENSATED AC/DC CONVERTER

Изобретение относится к технике преобразования электрической энергии переменного тока в энергию постоянного тока с помощью вентильных преобразователей с повышенными энергетическими показателями и может быть использовано для электроснабжения потребителей электрической энергии постоянного тока, в частности, железнодорожного и городского электрического транспорта на тяговых подстанциях постоянного тока.
Известен компенсированный преобразователь переменного напряжения в постоянное (1. RU 1116507, МПК Н02М 7/06, опубл. 1984, Бюл. 36 «Компенсированный преобразователь переменного напряжения в постоянное», Ю.И. Хохлов; 2. Монография: Хохлов Ю.И. Компенсированные выпрямители с фильтрацией в коммутирующие конденсаторы нечетнократных гармоник токов преобразовательных блоков.- Челябинск: ЧГТУ, 1995, рис. 1.8 на стр. 36). Данный преобразователь содержит силовой трансформатор с одной трехфазной сетевой и двумя трехфазными вентильными обмотками, одна из которых соединена в звезду, а другая - в сдвигающий вторичные фазные напряжения на ±30 эл. град, треугольник, два выпрямительных моста, выводы постоянного тока которых соединены с выходными выводами, и компенсирующее устройство, включающее трехфазную конденсаторную батарею и трехфазный реактор с тремя трехфазными обмотками, расположенными на одном трехстержневом магнитопроводе. Первая трехфазная обмотка реактора соединена в разомкнутую звезду и включена пофазно между одной вентильной обмоткой силового трансформатора и входом первого выпрямительного моста. Вторая трехфазная обмотка реактора соединена в зигзаг и включена пофазно между другой вентильной обмоткой силового трансформатора и входом второго выпрямительного моста. К третьей трехфазной обмотке реактора подключена трехфазная конденсаторная батарея. Преобразователь имеет высокий коэффициент мощности. Однако конструктивное исполнение его при больших величинах выпрямленных токов и напряжений из-за соединения второй обмотки в зигзаг практически затруднено.
Известен компенсированный преобразователь переменного напряжения в постоянное (1. RU 1124414, МПК Н02М 7/06, опубл. 15.11.1984, Бюл. 42 «Компенсированный преобразователь переменного напряжения в постоянное», Ю.И. Хохлов; 2. Монография: Хохлов Ю.И. Компенсированные выпрямители с фильтрацией в коммутирующие конденсаторы нечетнократных гармоник токов преобразовательных блоков. - Челябинск: ЧГТУ, 1995, рис. 1.10 на стр. 39). Этот преобразователь, выбранный в качестве прототипа, содержит силовой трансформатор с одной сетевой и двумя вентильными обмотками, одна из которых соединена в звезду, а другая в сдвигающий вторичные фазные напряжения на ±30 эл. град, треугольник, два выпрямительных моста, выходы постоянного тока которых соединены с выходными выводами, и компенсирующее устройство, включающее трехфазную конденсаторную батарею и трехфазный реактор, магнитопровод которого разделен на две части, на первую из которых уложены соединенная в разомкнутую звезду и включенная пофазно между одной вентильной обмоткой трансформатора и входом первого выпрямительного моста первая трехфазная обмотка и соединенная в сдвигающий входные токи первого выпрямительного моста на m30 эл. град, треугольник вторая трехфазная обмотка реактора, а на вторую - соединенная в разомкнутую звезду и включенная пофазно между другой вентильной обмоткой трансформатора и входом второго выпрямительного моста третья трехфазная обмотка реактора и соединенная в звезду и включенная согласно последовательно со второй обмоткой реактора четвертая обмотка реактора и к точкам соединения второй и четвертой обмоток подключена трехфазная конденсаторная батарея, первая и третья обмотки выполнены с равным числом витков, а вторая обмотка выполнена с числом витков в  большим, чем четвертая обмотка.
Этот преобразователь также имеет высокий коэффициент мощности. Кроме того, за счет разделения магнитопровода реактора на две части и появившейся при этом возможности выполнения второй обмотки не в зигзаг, а в разомкнутую звезду имеет упрощенное конструктивное исполнение и может быть выполнен на любые величины выпрямленных тока и напряжения. К недостаткам прототипа можно отнести отсутствие возможности компенсации реактивной мощности, потребляемой силовым трансформатором в режиме холостого хода преобразователя, например, при отсутствии железнодорожного или городского электрического транспорта в рабочей зоне тяговой сети постоянного тока. Кроме того, прототип, как и любой двенадцатифазный преобразователь, потребляя из питающей сети электрическую энергии на первой гармонике, одновременно генерирует в сеть высшие 11, 13, 23, 25 и т.п. гармоники, снижая качество электрической энергии в питающей сети. Для удовлетворения требований существующего ГОСТ на качество электрической энергии желательно снижение уровня гармонического воздействия преобразователя на питающую сеть.
Изобретение решает задачу создания компенсированного преобразователя с высокими энергетическими показателями, одновременно решающего проблемы нормализации качественных показателей электрической энергии в питающей сети и компенсации реактивной мощности холостого хода силового трансформатора в режимах отсутствия токовой нагрузки в цепи постоянного тока.
Для решения этой задачи в компенсированном преобразователе переменного напряжения в постоянное, содержащем силовой трансформатор с одной трехфазной сетевой и двумя трехфазными вентильными обмотками, одна из которых соединена в звезду, а другая в сдвигающий вторичные фазные напряжения на ±30 эл. град, треугольник, два выпрямительных моста, выходы постоянного тока которых соединены с выходными выводами, и компенсирующее устройство, включающее трехфазную конденсаторную батарею и трехфазный реактор, магнитопровод которого разделен на две части, на первую из которых уложена соединенная в разомкнутую звезду и включенная пофазно между одной вентильной обмоткой силового трансформатора и входом первого выпрямительного моста первая трехфазная обмотка реактора и соединенная в сдвигающий входные токи первого выпрямительного моста на m 30 эл. град, треугольник вторая трехфазная обмотка реактора, а на вторую - соединенная в разомкнутую звезду и включенная пофазно между другой вентильной обмоткой силового трансформатора и входом второго выпрямительного моста третья трехфазная обмотка реактора и соединенная в звезду и включенная согласно последовательно со второй обмоткой реактора четвертая обмотка реактора и к точкам соединения второй и четвертой обмоток подключена трехфазная конденсаторная батарея, первая и третья обмотки выполнены с равным числом витков, а вторая обмотка выполнена с числом витков  большим, чем четвертая обмотка, на входе сетевой обмотки силового трансформатора включены трехфазные моногармонические резонансные фильтры одиннадцатой k=11 и тринадцатой k=13 гармоник в виде последовательно включенных в каждой фазе реактора и конденсаторной батареи, а их параметры в номинальном режиме работы преобразователя выбраны только из условий фильтрации соответственно одиннадцатой и тринадцатой гармоник сетевого тока, отвечающих минимальной установленной мощности образующих фильтры резонансных цепей в соответствии со следующими соотношениями:
(k)
(k)
где k=11 или 13; U - действующее значение фазного напряжения на сетевой обмотке трансформатора; I - действующее значение соответственно одиннадцатой или тринадцатой гармоник сетевого тока в номинальном режиме работы компенсированного преобразователя, работающего без входных фильтров (величина I устанавливается либо расчетным, либо экспериментальным путем); ω - круговая частота напряжения питающей сети. Первый и второй выпрямительные мосты по отношению к нагрузке соединяются либо последовательно, либо параллельно.
Сущность изобретения поясняется чертежами на фиг. 1 и 2, где на фиг. 1 представлена принципиальная схема предлагаемого компенсированного преобразователя переменного напряжения в постоянное. На фиг. 2 приведены временные диаграммы напряжений и токов на элементах компенсированного преобразователя, подтверждающие целесообразность включения в его состав моногармонических фильтров одиннадцатой и тринадцатой гармоник, фиг. 2а - без входных фильтров, фиг. 2б - с входными фильтрами.
Предлагаемый компенсированный преобразователь переменного напряжения в постоянное содержит силовой трансформатор 1 с одной трехфазной сетевой 2 и двумя трехфазными вентильными обмотками 3 и 4, одна из которых соединена в звезду 4, а другая в сдвигающий вторичные фазные напряжения на ±30 эл. град, треугольник 3, два выпрямительных моста 5 и 6, компенсирующее устройство 7 с трехфазной конденсаторной батареей 8, трехфазный реактор, магнитопровод которого разделен на две части 9 и 10. На первую часть магнитопровода реактора 10 уложена соединенная в разомкнутую звезду первая обмотка 13 и соединенная в сдвигающий входные токи выпрямительного моста 5 на ±30 эл. град, вторая обмотка 14. На вторую часть магнитопровода реактора 9 уложена соединенная в разомкнутую звезду третья обмотка 11 и соединенная в звезду обмотка 12, включенная согласно последовательно со второй обмоткой 14. Обмотки 11 и 13 выполнены с равным числом витков, а обмотка 12 выполнена с числом витков в V3 большим, чем четвертая обмотка 14. Кроме того, предлагаемый компенсированный преобразователь содержит включенный на входе сетевой обмотки трансформатора 1 моногармонический фильтр одиннадцатой гармоники 15 и аналогичный фильтр тринадцатой гармоники 16. Выпрямительные мосты 5 и 6 по отношению к выходным выводам (иначе по отношению к нагрузке) соединяются либо последовательно, либо параллельно.
Работа предлагаемого компенсированного преобразователя переменного напряжения в постоянное осуществляется следующим образом. После подключения сетевой обмотки силового трансформатора 1 к питающей сети создаются напряжения на его вентильных обмотках 3 и 4, а также на входах выпрямительных мостов 5 и 6. В результате работы выпрямительных мостов 5 и 6 на выходе преобразователя создается выпрямленное напряжение, подаваемое на нагрузку, например, в контактную сеть железнодорожного транспорта. При наличии в зоне работы преобразователя электрического транспорта в цепи нагрузки протекает выпрямленный ток, нагрузка потребляет активную мощность. Протеканием выпрямленного тока создаются токи в обмотках 11 и 13 реакторов 9 и 10 компенсирующего устройства 7. С помощью обмоток 12 и 14 реакторов 9 и 10 компенсирующего устройства 7 на фазах конденсаторной батареи 8 создаются напряжения, определяемые преимущественно пятыми и седьмыми гармониками входных токов выпрямительных мостов 5 и 6. Одноименные гармоники напряжений на конденсаторах батареи 8, с помощью реакторов 9 и 10 трансформируемые в контуры коммутации вентилей выпрямительных мостов 5 и 6, осуществляют одноступенчатую искусственную коммутацию вентилей этих мостов. Последняя обеспечивает компенсацию реактивной мощности, потребляемой преобразователем из питающей сети, и соответственно повышение коэффициента мощности преобразователя в нагрузочном режиме его работы. Одновременно предлагаемый, как и любой двенадцатифазный, преобразователь генерирует на входе трансформатора 1 высшие 11, 13, 23, 25 и т.п. гармоники. Наличие этих гармоник искажает токи и напряжения в питающей сети, т.е. снижает качество электрической энергии в точке подключения преобразователя. Включением моногармонических фильтров 15 и 16 решаются сразу две проблемы. Во-первых, исключается появление 11 и 13 гармоник токов в питающей сети, что существенно улучшает качество электрической энергии на входе преобразователя в нагрузочном режиме его работы. Во-вторых, наличие моногармонических фильтров позволяет компенсировать значительную индуктивную реактивную мощность, потребляемую силовым трансформатором в режиме его холостого хода, когда, например, в рабочей зоне преобразователя электрический транспорт отсутствует, т.е. отсутствует токовая нагрузка преобразователя. При отсутствии токовой нагрузки преобразователя из питающей сети потребляется реактивная мощность только силовым трансформатором на первой гармонике. Ее компенсацию теперь способны осуществить установленные моногармонические фильтры 11 и 13 гармоник, поскольку они на основной первой гармонике представляют собой чисто емкостные элементы.
Технико-экономический эффект от применения предлагаемого компенсированного преобразователя переменного напряжения в постоянное состоит в следующем:
1. В нагрузочных режимах работы в предлагаемом преобразователе одновременно с высокоэффективной компенсацией реактивной мощности обеспечивается полная нормализация качественных показателей электрической энергии в питающей сети (см. временные диаграммы напряжений и токов питающей сети на фиг. 2, б и фиг. 2, а).
2. При работе предлагаемого преобразователя с чередованием нагрузочных режимов и режимов холостого хода, например, в условиях железнодорожного транспорта обеспечивается компенсация значительной величины реактивной мощности холостого хода силового трансформатора.