КОМПЕНСИРОВАННАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ РАЗНОЧАСТОТНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
COMPENSATED SYSTEM OF POWER SUPPLY FOR ELECTRIC ENERGY CONSUMERS OF VARIOUS FREQUENCY

Изобретение относится к системам электроснабжения на основе силовой преобразовательной техники и может быть использовано для одновременного питания как потребителей постоянного тока, так и потребителей переменного тока с различной частотой переменного напряжения, например, в качестве систем электроснабжения нефтегазодобывающего комплекса, электролизного и электротермического производства в металлургии, инструментальных цехов промышленных предприятий и др.
Известны компенсированные выпрямительные системы электроснабжения (RU №1124414, C1, МПК H02M 7/06. Бюл. изобр. №42, 1984; RU №2128394, C1, МПК H02M 7/68. Бюл. изобр. №9, 1999). В этих системах за счет включения компенсирующего устройства (со стороны сетевых или вентильных обмоток преобразовательных трансформаторов) на токи пятой и седьмой гармоник снижается установленная мощность этого устройства, обеспечивается высокая эффективность компенсации реактивной мощности в питающей сети, повышается жесткость внешней характеристики и, как следствие, создается возможность стабилизации выпрямленного напряжения в широком диапазоне изменения тока нагрузки. Выбором соответствующей фазности системы электроснабжения обеспечивается допустимый уровень гармонического воздействия как на питающую сеть, так и на нагрузку. Однако с помощью данных систем может быть осуществлено электроснабжение только потребителей постоянного тока.
Известна компенсированная преобразовательная система электроснабжения потребителей переменного тока в виде компенсированного преобразователя частоты (Хохлов Ю.И., Дзюба М.А. Статические характеристики компенсированного преобразователя частоты // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия Энергетика. - Выпуск 3. - №11, 2003, рис.6, с.34). Эта система содержит двенадцатифазный компенсированный выпрямитель с включенным на токи пятой и седьмой гармоник компенсирующим устройством и автономный инвертор тока, входными выводами подключенный к выходу компенсированного выпрямителя, а выходными выводами подключенный к нагрузке переменного тока с частотой переменного напряжения f.
В данной системе, выбранной в качестве ближайшего аналога, сохраняются свойства значительного снижения установленной мощности компенсирующего устройства, обеспечения высокой эффективности компенсации реактивной мощности в питающей сети и повышения жесткости внешней характеристики выпрямителя. Последнее создает возможность стабилизации выпрямленного напряжения на входных выводах автономного инвертора, а следовательно, и на его выходных выводах, т.е. на потребителе переменного тока с частотой переменного напряжения f при широком диапазоне изменения тока нагрузки. Недостатками такой системы электроснабжения являются отсутствие возможности требуемого в ряде производств одновременного питания нескольких разночастотных потребителей переменного тока (например, электродвигателей насосов, ротора, лебедки буровых установок в нефтегазодобывающих комплексах, электрических машин и аппаратов в инструментальных цехах промышленных предприятий), а иногда и потребителя постоянного тока (например, в электролизном и электротермическом производстве в металлургии). Кроме того, в указанной системе не решается проблема электроснабжения удаленных разночастотных потребителей (например, удаленных потребителей нефтегазодобывающего комплекса).
Изобретение решает задачу расширения функциональных возможностей, сокращения установленной мощности оборудования и упрощения системы электроснабжения разночастотных потребителей электрической энергии.
1
2
n
Для решения этой задачи в компенсированной системе электроснабжения разночастотных потребителей электрической энергии, содержащей компенсированный преобразователь частоты в виде компенсированного выпрямителя и автономного инвертора, к выходным выводам которого подключен потребитель электрической энергии переменного тока с частотой переменного напряжения f, согласно изобретению к выходным выводам компенсированного выпрямителя подключено дополнительно введенное распределительное устройство, содержащее шины постоянного тока и коммутационную аппаратуру, с помощью которой к шинам постоянного тока входными выводами подключены автономный инвертор с потребителем электрической энергии переменного тока с частотой переменного напряжения f, n дополнительно введенных автономных инверторов с частотами напряжений на питаемых ими потребителях переменного тока f, f,…,f и потребитель постоянного тока. Задача решается также тем, что распределительное устройство подключено к выходным выводам компенсированного выпрямителя либо непосредственно, либо посредством линии электропередачи постоянного тока. Кроме того, в предлагаемой системе автономные инверторы выполнены либо по схеме автономного инвертора тока, либо по схеме автономного инвертора напряжения, либо по схеме автономного инвертора напряжения с предвключенным блоком тормозного резистора в виде последовательно соединенной цепочки из электронного ключа и активного сопротивления, подключенной параллельно к входу автономного инвертора напряжения.
1
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 и 2 представлены принципиальные схемы вариантов компенсированной системы электроснабжения разночастотных потребителей электрической энергии, а на фиг.3 и 4 приведены результаты моделирования электромагнитных процессов в предлагаемой системе с потребителем электрической энергии постоянного тока, с потребителем электрической энергии переменного тока с частотой напряжения f и одним (n=1) потребителем электрической энергии переменного тока с частотой напряжения f.
1
2
n
Компенсированная система электроснабжения разночастотных потребителей электрической энергии содержит подключенный к питающей сети переменного тока 1 компенсированный выпрямитель 2, состоящий из преобразовательного трансформатора 3, выпрямительных мостов 4 и 5 и компенсирующего устройства 6, а также автономный инвертор 7 с подключенным к его выходу трехфазным потребителем переменного тока 8 с частотой переменного напряжения f. Дополнительно введенное распределительное устройство 9 включает в себя шины постоянного тока 10 и коммутационную аппаратуру 11, с помощью которой к шинам постоянного тока 10 подключаются автономный инвертор 7, а также n дополнительно введенных автономных инверторов 12, питающих потребители переменного тока 13 с частотами напряжения f, f,…,f и потребитель постоянного тока 14. В том случае, когда потребители переменного тока 8 и 13 территориально удалены от выпрямителя 2, подключение распределительного устройства 9 к выпрямителю 2 выполнено посредством линии электропередачи постоянного тока 15, как показано на фиг.2. Временные диаграммы на фиг.3 поясняют процессы в компенсированном выпрямителе 2 и питающей сети 1. Диаграммы на фиг.4 характеризуют работу потребителя электрической энергии 8 и одного из потребителей 13.
Работа предлагаемой системы электроснабжения многочастотных потребителей электрической энергии осуществляется следующим образом. После подключения компенсированного выпрямителя 2 к питающей сети 1 на вентильных обмотках преобразовательного трансформатора 3 появляется переменное напряжение, которое выпрямляется выпрямительными мостами 4 и 5. В результате на выходе выпрямителя создается постоянный ток (см. кривую выпрямленного тока преобразовательной подстанции на фиг.3), а на шинах 10 распределительного устройства 9 появляется постоянное напряжение. После подключения к шинам 10 с помощью коммутационной аппаратуры автономных инверторов 7 и 12 и потребителя постоянного тока 14 на потребителях 8 и 13 создаются переменные напряжения, частоты которых задаются и регулируются системами широтно-импульсного регулирования инверторов, а на потребителе 14 появляется постоянное напряжение (см. диаграммы тока и напряжения потребителя постоянного тока на фиг.3). Для улучшения спектров напряжений и токов потребителей 8 и 13 в инверторах 7 и 12 используется модуляция длительностей импульсов напряжения по синусоидальному закону (см. диаграммы токов и напряжений на фиг.4). Если потребителями переменного тока 8 и 13 являются асинхронные двигатели, то при необходимости их торможения замыкаются ключи в блоках тормозных резисторов автономных инверторов напряжения и двигатели переходят в режим электрического торможения. С помощью компенсирующего устройства 6, в конденсаторы которого фильтруются преимущественно пятая и седьмая гармоники тока, создающие одноименные гармоники напряжения (см. диаграммы тока и напряжения на конденсаторах компенсирующего устройства на фиг.3), обеспечивается искусственная коммутация вентилей выпрямительных мостов 4 и 5 (см. диаграммы тока и напряжения на вентилях выпрямительных блоков на фиг.3). Работа конденсаторов на частотах пятой и седьмой гармоник создает условия для полной высокоэффективной компенсации реактивной мощности в питающей сети переменного тока (см. диаграммы тока и напряжения питающей сети на фиг.3) при малой установленной мощности компенсирующего устройства. Кроме того, за счет повышения жесткости внешней характеристики выпрямителя обеспечивается стабилизация напряжения на шинах 10 распределительного устройства 9. При удаленных потребителях 8, 13 и 14, например, в условиях нефтегазового комплекса, напряжение на шины 10 распределительного устройства 9 подается посредством линии электропередачи постоянного тока 15.
Технико-экономический эффект от применения предлагаемой компенсированной системы электроснабжения определяется, во-первых, существенным расширением ее функциональных возможностей, поскольку она обеспечивает одновременное питание целого ряда потребителей с разной регулируемой частотой напряжения, включая нулевую (постоянный ток). Во-вторых, за счет полной компенсации реактивной мощности в питающей сети снижаются потери электрической энергии и повышается жесткость внешней характеристики выпрямителя, обеспечивающая стабилизацию напряжения на входах всех автономных инверторов и потребителя постоянного тока. В результате повышается эффективность работы всех потребителей электрической энергии. В частности, в условиях нефтегазодобывающих комплексов это позволяет существенно увеличить допустимое расстояние от питающих подстанций до буровых установок при сохранении необходимого уровня напряжений. При этом каждая питающая подстанция может обслужить большее число буровых установок, что приводит к значительному снижению капитальных затрат. В-третьих, в предлагаемой системе сокращается установленная мощность оборудования как за счет общего для всех потребителей выпрямителя (каждый потребитель переменного тока при преобразовании частоты получает питание только от автономного инвертора без индивидуального выпрямителя), а также за счет малой мощности работающего на пятой и седьмой гармониках компенсирующего устройства выпрямителя. В-четвертых, использование одного общего выпрямителя существенно упрощает систему электроснабжения. В-пятых, снижение установленной мощности оборудования и указанное упрощение создает условия для применения современных дизайнерских решений предлагаемой системы электроснабжения. Так в условиях нефтегазодобывающей промышленности удается выполнить ее в виде законченного программно-технического комплекса в блочно-модульном исполнении. При этом основное электрооборудование системы электроснабжения размещается в одном специальном контейнере, удобном для транспортировки автомобильным, морским и железнодорожным транспортом, обеспечиваются минимальные сроки и затраты при введении оборудования в эксплуатацию, высокая надежность и удобство управления буровыми установками, а также высокая ремонтопригодность.