ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ИНВЕРТОР
HIGH-VOLTAGE INVERTER

ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Приоритет данной заявки испрашивается по предварительной заявке на патент США №61/062154 (автор - Куртис А. Бирнбах (Curtis A. Birnbach)), поданной 24 января 2008 года и озаглавленной «Способ и устройство для преобразования постоянного тока высокого напряжения в переменный ток высокого напряжения с использованием триодной лампы с холодным катодом».
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к инверторам, имеющим функцию преобразования электроэнергии постоянного тока в электроэнергию переменного тока, и, более конкретно, к высоковольтным инверторам, в которых входное напряжение постоянного тока превышает 20 кВ.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ В ОБЛАСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В известных инверторах для преобразования электроэнергии постоянного тока напряжением выше 20 кВ в электроэнергию переменного тока используются технологии, основанные на ртутных лампах и полупроводниковых устройствах. Обе технологии имеют недостатки, которые необходимо устранить.
Ртутные лампы имеют недостаток, заключающийся в опасности для окружающей среды при попадании паров ртути из лампы в окружающую среду. Полупроводниковые устройства имеют недостаток, заключающийся в том, что они содержат большие группы параллельно соединенных полупроводниковых устройств, например тиристоров (например, кремниевых управляемых диодов). Не считая фактора стоимости и сложностей, связанных с необходимостью большого количества параллельно соединенных устройств, уменьшается надежность из-за того, что вероятность выхода из строя одного из нескольких устройств значительно превышает вероятность выхода из строя одного устройства при одинаковой частоте отказов на одно устройство.
Требуется создать высоковольтный инвертор, имеющий функцию преобразования электроэнергии постоянного тока в электроэнергию переменного тока, содержащий малое количество частей, имеющий высокую надежность и не представляющий опасности для окружающей среды.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На чертежах, на которых одинаковые ссылочные номера позиций обозначают одинаковые части:
фиг.1 представляет собой принципиальную схему высоковольтного инвертора для преобразования электроэнергии постоянного тока в электроэнергию переменного тока согласно предпочтительному варианту выполнения настоящего изобретения;
фиг.2 представляет собой упрощенный вид в аксонометрии управляемой электронной лампы триодного типа с автоэлектронной эмиссией холодного катода, которая может использоваться в настоящем изобретении;
фиг.3А представляет собой принципиальную схему частично в блочном виде трехфазного инвертора с контролем фаз и уравниванием мощности согласно одному аспекту настоящего изобретения;
фиг.3В представляет собой схему частично в блочном виде электрической распределительной сети;
фиг.4 представляет собой принципиальную схему фазы 86 инвертора, показанного на фиг.3А;
фиг.5 представляет собой принципиальную схему цепи регулирования тока фазы инвертора, показанной на фиг.4;
фиг.6 представляет собой принципиальную схему высоковольтного инвертора и выпрямителя для получения на выходе высокого напряжения постоянного тока; и
фиг.7 представляет собой принципиальную схему частично в блочном виде высоковольтного инвертора и выпрямителя, показанных на фиг.6, подключенных к электрической распределительной сети.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящем изобретении в предпочтительном варианте предлагается высоковольтный инвертор для преобразования электроэнергии постоянного тока в электроэнергию переменного тока с одной или более выходными фазами переменного тока. Для каждой выходной фазы переменного тока инвертор имеет входную цепь фазы переменного тока, содержащую управляемые электронные лампы триодного, тетродного или пентодного типа с автоэлектронной эмиссией холодного катода. Каждая электронная лампа имеет первый входной узел для присоединения к высоковольтному потенциалу постоянного тока, превышающему 20 кВ, и второй входной узел для присоединения к земле. Первичная обмотка трансформатора имеет первый конец, второй конец и отвод от центральной точки. Первая электронная лампа подключена последовательно между первым концом первичной обмотки и землей, а вторая электронная лампа подключена последовательно между вторым концом первичной обмотки и землей. Управляющая цепь управляет электронными лампами так, что первая и вторая электронные лампы попеременно проводят электрический ток таким образом, чтобы поочередно подавать на первый конец первичной обмотки приблизительно потенциал земли и подавать на второй конец первичной обмотки приблизительно потенциал земли.
Предпочтительные варианты описанного выше инвертора обеспечивают функцию преобразования электроэнергии постоянного тока в электроэнергию переменного тока и при этом имеют небольшое количество частей, высокую надежность и не представляют опасности для окружающей среды.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг.1 показан предпочтительный высоковольтный инвертор 10, предназначенный для преобразования постоянного тока высокого напряжения в переменный ток высокого напряжения. На выходе инвертора 10 предпочтительно создается напряжение, превышающее 10 кВ, с частотой переменного тока в диапазоне от 50 до 400 периодов в секунду (Гц). Входная фаза 20 переменного тока преобразует в переменный ток постоянный ток высокого напряжения, подаваемый между входным узлом 26 и землей 28.
Последующее описание охватывает (1) входные фазы переменного тока высоковольтного инвертора согласно настоящему изобретению, (2) высоковольтный инвертор, обеспечивающий синхронизацию фаз, контроль фаз и уравновешивание мощности электрической распределительной сети и (3) высоковольтный инвертор постоянного тока.
1. Входная фаза переменного тока.
Входная фаза 20 переменного тока, показанная на фиг.1, включает управляемые электронные лампы 30 и 32 триодного типа с автоэлектронной эмиссией холодного катода. В альтернативном варианте такие электронные лампы могут быть заменены лампами тетродного или пентодного типа с соответствующими изменениями схемы, очевидными специалисту в данной области техники. На фиг.2 показана предпочтительная управляемая электронная лампа 38 триодного типа с автоэлектронной эмиссией холодного катода. Как показано на фиг.2, лампа 38 включает цилиндрический катод 40, окруженный цилиндрической сеткой 42, которая, в свою очередь, окружена цилиндрическим анодом 44. Катод 40, сетка 42 и анод 44 расположены аксиальносимметрично относительно друг друга вдоль центральных осей цилиндров. Дальнейшее описание лампы 38 может быть найдено в патенте США №4,950,962 от 21 августа 1990 г. под названием «Высоковольтная коммутационная лампа». Содержание указанного выше патента в полном объеме включено в настоящий документ посредством ссылки. Постоянные времени цепи, описанной в указанном выше патенте, отрегулированы так, чтобы обеспечить скорость коммутации, достаточно высокую для обеспечения эффективного использования соединенного с трансформатором выхода инвертора 10, показанного на фиг.1.
В высоковольтном инверторе 10, показанном на фиг.1, предпочтительно используется указанная выше управляемая электронная лампа 38 с автоэлектронной эмиссией холодного катода, показанная на фиг.2 и описанная в указанном патенте США №4,950,962. Указанная электронная лампа 38 используется из-за комбинации таких характеристик, как высокое допустимое напряжение, высокий допустимый ток и интенсивное рассеивание тепла. При использовании высоковольтного инвертора 10 для электростанций и линий электропередач возможно создание электронных ламп, таких как электронная лампа 38, которые будут непрерывно работать при напряжениях, превышающих 20 кВ постоянного тока (например, 1 MB постоянного тока). Для линий электропередач величина типовых непрерывных токов находится в диапазоне килоампер. При использовании инвертора 10, показанного на фиг.1, в электростанции, в инверторе 10, показанном на фиг.1, могут использоваться другие управляемые электронные лампы с автоэлектронной эмиссией холодного катода при условии, что они выполнены с возможностью непрерывной работы в условиях электростанции.
При непрерывном токе 10 кА (приблизительно в 5 раз больше, чем в современной высоковольтной линии передачи постоянного тока) и использовании электронной лампы 38, показанной на фиг.2 и описанной в указанном патенте США №4,950,962, величина промежутков между катодом 40, сеткой 42 и анодом 44 должна удовлетворять определенным требованиям. Как правило, например, отношение расстояния между анодом 44 и сеткой 42 к расстоянию между сеткой 42 и катодом 40 может составлять приблизительно около 10 к 1. Выбор указанных расстояний очевиден специалистам в данной области техники на основе настоящего описания. Анод 44 может быть образован внутренней поверхностью рубашки с жидкостным охлаждением для управления тепловым режимом. Катод 40 и сетка 42 при необходимости также могут охлаждаться. Например, инвертор мощностью 5 ГВт, намного превышающей требования любых реальных установок, обладает комбинацией значительной передаваемой мощности и компактных размеров, которые составляют лишь часть размеров устройств, выполненных по существующим технологиями, которыми главным образом являются тиристоры и ртутные лампы.
На фиг.1 входное напряжение постоянного тока, приложенное между узлом 26 и землей 28, превышает 20 кВ. Входная фаза 20 переменного тока включает электронные лампы 30 и 32, как описано выше, аноды 30а и 32а которых соединены с землей 28. Катод 30b электронной лампы 30 присоединен к первому концу первичной обмотки 48 трансформатора, показанному как верхний конец обмотки. Катод 32b электронной лампы 32 таким же образом присоединен ко второму концу первичной обмотки 48 трансформатора, показанному как нижний конец обмотки. Сетки 30с и 32с электронных ламп 30 и 32 присоединены к цепи синхронизации, включающей для сетки 30с резистор 50 и конденсатор 52, а для сетки 32с - резистор 54 и конденсатор 56. Один конец резисторов 50 и 54 присоединен к отводу 48а от средней точки первичной обмотки 48. Кроме того, с электронной лампой 30 связаны резистор 58 и р-n диод 60, которые служат для отсечения обратного напряжения. Таким же образом с электронной лампой 32 связаны резистор 62 и р-n диод 64, которые служат для отсечения обратного напряжения. Как известно, р-n диод может быть заменен другими типами односторонних вентилей тока.
Большое внимание при проектировании высоковольтного инвертора согласно настоящему изобретению следует уделить конструкции трансформатора 19 (фиг.1). В отличие от традиционных схем инверторов, трансформатор 19 может быть понижающим или, возможно, трансформатором с коэффициентом трансформации 1:1, выполненным с возможностью работы при высоких напряжениях.
Также существуют топологии инвертора, не требующие трансформаторов. Исключение трансформатора позволяет уменьшить стоимость и ускорить изготовление инвертора, но по соображениям безопасности использование трансформатора для гальванической развязки не только желательно, но часто обязательно. Выбор топологии осуществляется энергетической компанией и главным инженером энергетической компании.
2. Инвертор с синхронизацией фаз, дополнительным контролем фаз уравновешиванием мощности электрической распределительной сети.
В отличие от одной фазы 20 высоковольтного инвертора 10, показанного на фиг.1, альтернативный инвертор может иметь множество фаз, например, как инвертор 70, показанный на фиг.3А и имеющий три фазы 86, 88 и 90. Альтернативные инверторы согласно настоящему изобретению могут иметь другое количество выходных фаз переменного тока, например шесть или двенадцать выходных фаз переменного тока. Ниже описана соответствующая управляющая цепь, предназначенная для обеспечения требуемой синхронизации различных фаз с электрической распределительной сетью и разделения по фазовому углу, когда фазы не подключены к указанной сети.
Многофазный высоковольтный инвертор согласно настоящему изобретению может дополнительно иметь функцию контроля фаз и уравновешивания мощности в электрической распределительной сети, к которой он присоединен, причем уравновешивание мощности выполняется почти мгновенно (например, за микросекунды).
На фиг.3А показан такой инвертор 70, обеспечивающий синхронизацию с электрической распределительной сетью и дополнительно уравновешивающий мощности в такой сети. Инвертор 70 включает выходной трансформатор 71 с выходными обмотками 71а, соединенными в звезду. Обмотки также могут быть соединены в треугольник.
Для формирования трехфазного выхода переменного тока от одного входного источника высокого напряжения постоянного тока, такого как инвертор 10, показанный на фиг.1, необходимо формировать три тактовых сигнала (не показаны), смещенных по фазе на 120° относительно друг друга. Эти сигналы должны быть синхронизированы по фазе с электрической распределительной сетью, подключенной к выходу. Такая электрическая распределительная сеть показана на фиг.3А как блок 72 и более подробно на фиг.3В. На фиг.3В показано несколько генерирующих установок 72, несколько подстанций 72b и несколько потребителей 72с. С использованием предлагаемого высоковольтного инвертора 70 на фиг.3А может быть реализована одна или более генерирующих установок 72а. Подстанции 72b направляют электроэнергию потребителям 72с по распределительным линиям 72d, лишь некоторые из которых пронумерованы.
Для осуществления синхронизации фаз с электрической распределительной сетью фазные измерительные преобразователи 74, 76 и 78 непрерывно контролируют нагрузку и фазовый угол для каждой фазы, подключенной к электрической распределительной сети 72. Например, средства контроля тока могут обеспечивать управляющие сигналы, пропорциональные балансу мощности распределительной сети. Цепь 80 контроля формирует набор из трех сигналов, соответствующих мгновенному состоянию фаз электрической распределительной сети 72. Эти сигналы подаются в главный компьютер 82, где они оцифровываются и поступают в отдельные буферы (не показаны) для последующего использования.
Главный компьютер 82 имеет цепь 84 выходного интерфейса, содержащую компоненты для различных управляющих цепей, описанных ниже, и задают фазовый угол для каждой из фаз 86, 88 и 90 инвертора. Как описано ниже, цепь 84 выходного интерфейса может дополнительно регулировать величину энергии, которая может проходить через соответствующий инвертор для каждой фазы.
Если инвертор 70 на фиг.3А не подключен к электрической распределительной сети, главный компьютер 82 обеспечивает передачу цепью 84 выходного интерфейса сигналов к фазам 86, 88 и 90 инвертора для задания на каждой из них фазовых углов, отличающихся друг от друга на 120°. Цепь 84 передает такие сигналы к фазам инвертора по линиям 86а, 86b, 88a, 88b и 90а, 90b управления.
С другой стороны, если инвертор 70 на фиг.3А подключен к электрической распределительной сети 72, в режиме по умолчанию главный компьютер 82 обеспечивает передачу цепью 84 выходного интерфейса сигналов к фазам 86, 88 и 90 инвертора для синхронизации фаз 86, 88 и 90 инвертора с фазами сети 72.
Согласно предпочтительному аспекту изобретения для быстрого распределения поступающей энергии между тремя фазами при изменении фазной нагрузки сети используется управляющая цепь, что может обеспечить большое преимущество для технического обслуживания электрической распределительной сети и защиты оборудования в сети.
Резкие изменения распределения энергии выходных фаз переменного тока могут осуществляться инвертором 70 (фиг.3А). Главный компьютер 82 включает цепь 84 выходного интерфейса, содержащую различные компоненты для управления, описанные ниже, и регулирует величину энергии, которая может проходить через соответствующий инвертор для каждой фазы. Как указано выше, фазные измерительные преобразователи 74, 76 и 78 осуществляют непрерывный контроль нагрузки и фазового угла каждой фазы, подключенной к электрической распределительной сети 72, и, таким образом, могут определять разность фазной нагрузки между каждой из трех фаз в электрической распределительной сети.
Для уравновешивания мощности выходных фаз переменного тока простая компьютерная программа в главном компьютере 82 реализует следующий алгоритм:
1. Изучить фазные значения во всех трех буферах, указанных выше и относящихся к балансу мощности распределительной сети.
2. Если значения равны, обеспечить передачу цепью 84 выходного интерфейса одинаковых сигналов, смещенных по фазе на 120°, в каждую из трех выходных ступеней.
3. Если значения во входных буферах не равны, увеличить количество энергии в буфере(ах) с низкими значениями, пока все три буфера не будут иметь равные значения.
Приведенный выше алгоритм может быть реализован на любом из множества языков программирования. Выбор языка определяется выбором главного компьютера и программного обеспечения. Можно также реализовать этот алгоритм программно-аппаратным способом, как систему обычных аналоговых управляющих цепей с отрицательной обратной связью. Существует множество подходящих топологий для таких программно-аппаратных средств, которые будет очевидны специалистам в данной области техники, ознакомившимся с настоящим описанием. Реализация этой системы с использованием цифрового компьютера проще, но реализация с использованием программно-аппаратных средств надежнее.
На фиг.4 показана одна из цепей, с помощью которой может быть реализована фаза 86 инвертора 70, показанного на фиг.3А. На фиг.4 цепь 94 модуляции принимает в узле 86а управляющий сигнал от цепи 84 выходного интерфейса, показанной на фиг.3А. Таким же образом цепь 96 модуляции принимает управляющий сигнал в узле 86b от цепи 84 выходного интерфейса, показанной на фиг.3А. Цепи 94 и 96 модуляции предпочтительно симметричны друг другу, и, следовательно, далее приведено описание только цепи 94.
Цепь 94 модуляции подключена к узлам 98 и 100. На фиг.5 показана цепь 94 модуляции, изображенная на фиг.4, узды 98 и 100 которой ориентированными по горизонтали в направлении, противоположном направлению на фиг.4. Это сделано для того, чтобы работу цепи 94, показанной на фиг.5, можно было для удобства анализировать слева направо.
Цепь 94 модуляции, показанная на фиг.5, в некоторой степени аналогична классическому регулятору тока на полевом транзисторе, используемому в низковольтных источниках питания. Проблема, связанная с цепью 94 модуляции, заключается в том, что не существует полупроводниковых или обычных электровакуумных устройств, способных работать при напряжениях или токах, характерных для этой цепи. Соответственно, коммутационное устройство 102 предпочтительно является управляемой электронной лампой триодного, тетродного или пентодного типа с автоэлектронной эмиссией холодного катода. Геометрическая конструкция коммутационного устройства 102 может соответствовать показанной на фиг.2 и, как описано далее, указанной в патенте США №4,950,962. В альтернативном варианте коммутационное устройство 102 может содержать высоковольтное полупроводниковое устройство, например тиристор. Управляющее устройство 112 может быть реализовано таким же образом, как коммутационное устройство 102, для обеспечения универсальности частей, или может быть реализовано с использованием устройства с относительно меньшими требованиями к напряжению и току.
Последующее описание работы цепи 94 модуляции, показанной на фиг.5, предполагает приложение к входному узлу 26, показанному на фиг.4, источника положительного потенциала. Резистор 104 создает напряжение смещения для сетки электронной лампы 102, которая служит в качестве последовательного регулятора тока. В этой цепи электронная лампа 102 функционально аналогична полевому транзистору. Ток от лампы 102 проходит через шунтирующий резистор 106 и создает на нем напряжение. Это напряжение подается на делитель напряжения, состоящий из резисторов 108 и 110. Сетка 112а управляющей лампы 112 соединена с узлом соединения резисторов 108 и 110. К другой стороне резистора 108, т.е. к узлу 86а, приложено управляющее напряжение. Отношение напряжения шунтирующего резистора 106 и опорного напряжения в узле 86а определяет степень проводимости управляющей лампы 112, которая, в свою очередь, управляет проводимостью электронной лампы 102. Конденсатор 114 с резистором 108 определяет такую постоянную времени, чтобы цепь оставалась в состоянии проводимости до момента перехода через ноль. Путем регулировки значений опорного напряжения в узле 86а и значений сопротивлений резисторов 108 и 110 делителя напряжения можно получить режимы регулировки тока. Как указанное выше, опорное напряжение в узле 86а обеспечивается цепью 84 выходного интерфейса, показанной на фиг.3А.
Цепь 94 модуляции может легко регулировать баланс мощности между соответствующими выходными фазами до очень высокой степени от средней мощности на трех выходных фазах переменного тока, например по меньшей мере до 1 процента от средней мощности на трех выходных фазах переменного тока. Указанная регулировка осуществляется дополнительно к синхронизации фаз выхода к обмоткам 71а инвертора 70, показанного на фиг.3А, как описано выше.
Несмотря на то что выше подробно описана только входная фаза 86 переменного тока, показанная на фиг.3А, входные фазы 88 и 90 переменного тока, показанные на фиг.3А, предпочтительно идентичны входной фазе 86, и поэтому подробное описание фаз 88 и 90 не требуется. Однако следует заметить, что входная фаза 88 принимает управляющие сигналы от цепи 84 выходного интерфейса не в узлах 86а и 86b, а в узлах 88а и 88b. Таким же образом входная фаза 90 принимает управляющие сигналы от цепи 84 выходного интерфейса в узлах 90а и 90b.
3. Высоковольтный инвертор постоянного тока.
На фиг.6 показан высоковольтный инвертор 120 постоянного тока, входная фаза 122 которого подобна входной фазе 20, показанной на фиг.1 и поэтому имеющей с входной фазой 120 общую нумерацию подобных частей. Инвертор 120 постоянного тока имеет вход положительного потенциала в узле 124 относительно земли 126. Трансформатор 128 имеет первичную обмотку 130 с отводом 130а от средней точки. Вторичная обмотка подает переменное напряжение в преобразователь переменного тока в постоянный, который может включать двухполупериодный мостовой выпрямитель с р-n диодами или другими однонаправленными вентилями 136 тока, соединенными, как показано. Полярность напряжения на выходе выпрямителя 134 может быть изменена на обратную путем изменения полярности показанных р-n диодов на обратную. Выход двухполупериодного выпрямителя 134 фильтруется цепью 135 фильтрации, которая может содержать конденсаторы 136 и 138 и индуктивность 140, соединенные, как показано. Двухполупериодный выпрямитель 134 и фильтр 135 обеспечивают преобразование переменного тока в постоянный ток. Напряжение постоянного тока на выходном узле 142 фильтра 135 отличается от напряжения постоянного тока на входном узле 124. Другие схемы для осуществления преобразования переменного тока в постоянный ток будут очевидны специалистам в данной области и ознакомившимся с настоящим описанием.
Инвертор 120 постоянного тока, показанный на фиг.6, может быть модифицирован в инвертор 121, как описано ниже, и использован, например, для передачи электроэнергии постоянного тока высокого напряжения по высоковольтной линии передачи 150 постоянного тока в инвертор 156, как показано на фиг.7. При таком подключении к высоковольтной линии 150 передачи постоянного тока может быть необходимо модулировать электроэнергию, передаваемую инвертором 121 в сеть. Следовательно, может использоваться цепь питания, показанная на фиг.7.
На фиг.7 выход 142 инвертора 121 обеспечивает электроэнергию постоянного тока для высоковольтной линии 150 передачи постоянного тока, например для передачи в инвертор 156. Измерительный инвертор 154 передает в цепь 156 контроля сигналы, относящиеся к току или напряжению, или и к току, и к напряжению в высоковольтной линию 150 передачи постоянного тока. В свою очередь, цепь 156 контроля передает сигналы, относящиеся к току или напряжению, или и к току, и к напряжению в сети в буфер в главном компьютере 158. Цепь 160 выходного интерфейса передает управляющие сигналы по линиям 121а и 121b в инвертор 121 для стабилизации мощности передаваемой в сеть 150.
Как указано выше, инвертор 120 постоянного тока, показанный на фиг.6, модифицирован в инвертор 121, показанный на фиг.7, для подключения к высоковольтной линии 150 передачи постоянного тока. В частности, инвертор 121 может иметь входную цепь переменного тока, как показано на фиг.4, для фазы 86 инвертора 70, показанной на фиг.3А. Приведенное выше описание цепи 94 модуляции, показанной на фиг.4, применительно к фиг.5 может использоваться для регулировки тока, подводимого к трансформатору 19. Этот процесс регулирования выхода полностью аналогичен процессу, описанному со ссылкой на фиг.4 и 5. Однако для инвертора постоянного тока, показанного на фиг.7, применимы следующие дополнительные условия. Для регулирования напряжения в линии передачи контролируется напряжение высоковольтной линии 150 передачи постоянного тока в отличие от случая подключения к электрической распределительной сети переменного тока, в котором контролируется переменный ток и регулируется переменный ток (как, например, на фиг.3В).
Выше приведено описание высоковольтного инвертора, имеющего функцию преобразования электроэнергии постоянного тока в электроэнергию переменного тока, который может иметь небольшое количество частей, высокую надежность и не представляет опасности для окружающей среды.
Несмотря на то что изобретение описано путем иллюстрации конкретных вариантов выполнения, специалистам в данной области техники очевидны множество модификаций и изменений. Следовательно, нужно понимать, что прилагаемые пункты формулы изобретения включают все такие модификации и изменения, как входящие в пределы объема и сущности изобретения.