преобразователь переменного трехфазного напряжения в постоянное с плавным регулированием тока для возбуждения синхронных машин

Формула изобретения

Преобразователь переменного трехфазного напряжения в постоянное с плавным регулированием тока для возбуждения синхронных машин средней и большой мощности, содержащий трехфазный выпрямитель переменного напряжения, автономный инвертор постоянного напряжения с LC фильтром переменной составляющей на входе, выполненный на транзисторах с диодами встречной проводимости, силовой трансформатор, имеющий первичную обмотку, соединенную с выводами выхода указанного инвертора, и вторичную обмотку, включающую основную и дополнительную секции, соединенные с выводами входа выпрямителя высокой частоты, выполненного по мостовой схеме на диодах, и драйвер с устройством гальванической развязки, формирующий импульсы тока прямоугольной формы заданной частоты, отличающийся тем, что он дополнен полумостом на дополнительных тиристорах, общий вывод которого соединен с крайним выводом дополнительной секции вторичной обмотки силового трансформатора, которая через дополнительные тиристоры полумоста соединена с выходными выводами выпрямителя высокой частоты, к которым подключена система возбуждения синхронной машины, при этом управляющие переходы дополнительных тиристоров и затворы транзисторов инвертора постоянного напряжения через соответствующие устройства гальванической развязки соединены с соответствующими выходами драйвера, обеспечивающего формирование дополнительного сигнала управления для перевода преобразователя в режим форсировки тока возбуждения путем подключения дополнительной секции вторичной обмотки силового трансформатора в цепь выпрямителя высокой частоты при отпирании дополнительных тиристоров.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для питания обмоток возбуждения синхронных машин средней и большой мощности от сети переменного трехфазного напряжения 380 В 50 Гц.

В настоящее время широко известны тиристорные возбудители синхронных машин, обеспечивающие питание их обмоток возбуждения от трехфазной сети промышленного предприятия, содержащие трехфазный выпрямитель с силовым трансформатором (Баракшин В.Н., Статические возбудители для синхронных приводов/Промышленная энергетика, 2003, №3, ГОСТ 24688-81. Возбудители статические полупроводниковые для синхронных двигателей. Технические условия).

Недостатком таких преобразователей являются их значительные масса и габариты. Так, например, возбудитель на ток 320 А и напряжение 115 В имеет массу 580 кг и габариты 980×1060×620 мм.

Большие массогабаритные показатели возбудителей в значительной степени обусловлены необходимостью выполнения требования по форсировке тока возбуждения.

Согласно ГОСТ 24688-81 возбудители статические полупроводниковые для трехфазных синхронных двигателей должны обеспечивать форсировку возбуждения кратностью не менее 1,4 от номинального тока возбуждения при пониженном до 0,8 от номинального напряжения питания, или 1,75 номинального тока возбуждения при номинальном напряжении питания. Указанное требование ГОСТа обуславливает двукратное увеличение потребляемой преобразователем мощности. Это обстоятельство значительно усложняет режим работы преобразователя и снижает эффективность его использования.

Возможным путем существенного уменьшения массогабаритных показателей возбудителей является выполнение их на основе преобразователей с промежуточным звеном высокой частоты. При этом для выполнения требования по обеспечению форсированного режима преобразователь должен обеспечивать широкий диапазон регулирования выходных параметров и экономичный режим с малыми потерями в длительном «зарегулированном» режиме.

Наиболее близким по техническому решению поставленной задачи при создании источника питания для возбуждения синхронных электрических машин является полупроводниковый преобразователь постоянного напряжения в постоянное инверторного типа, выполненный на биполярных транзисторах с изолированным затвором, обеспечивающий высокую частоту инвертирования (Вейс М.Э., Голубенко Ю.И., Куксанов Н.К. и др. Создание серии IGBT преобразователей частоты трансформаторного типа для питания промышленных ускорителей электронов. «Электротехника, 2001, №12, с.21-23).

Технической задачей изобретения является разработка средств, обеспечивающих перевод преобразователя в режим форсировки тока на выходе при сохранении максимально возможной длительности импульсов напряжения в номинальном (нефорсированном) режиме, что приводит к уменьшению потери электроэнергии и снижению массогабаритных показателей.

Решение поставленной задачи достигается тем, что полупроводниковый преобразователь, содержащий выпрямитель переменного напряжения, автономный инвертор напряжения, выполненный на транзисторах с диодами встречной проводимости, силовой трансформатор, имеющий первичную обмотку и первую и вторую секции вторичной, выпрямитель высокой частоты, выполненный по мостовой схеме, драйвер с устройством гальванической развязки, формирующий импульсы тока прямоугольной формы заданной частоты и длительности, изменяемой в зависимости от величины выходного параметра, LC фильтр переменной составляющей напряжения на входе инвертора, дополнен тиристорным полумостом, общий вывод которого соединен с секцией вторичной обмотки трансформатора, анод и катод которой подключены к одноименным выводам выпрямителя высокой частоты, а управляющие переходы тиристоров полумоста связаны с дополнительными выводами драйвера, обеспечивающего формирование дополнительного сигнала управления для перевода преобразователя в режим форсировки тока возбуждения.

На фиг.1 приведена принципиальная схема предлагаемого преобразователя,

на фиг.2 и 3 - временные диаграммы, иллюстрирующие его работу в устанавливающемся режиме и форсировки тока на выходе.

Преобразователь переменного трехфазного напряжения в постоянное для возбуждения синхронных машин средней и большой мощности (фиг.1) содержит выпрямитель переменного напряжения, выполненный на диодах 1, 2, 3, 4, 5, 6 по трехфазной мостовой схеме, автономный инвертор постоянного напряжения, выполненный на биполярных транзисторах 7, 8, 9, 10 с изолированными затвороми, и диодами 11, 12, 13, 14 встречной проводимости. При этом на входе инвертора напряжения подключен LC фильтр переменной составляющей напряжения, включающий реактор 15 и конденсатор 16. В состав преобразователя входит выпрямитель высокой частоты, выполненный на диодах 17-20 по мостовой схеме с дополнительными тиристорами 21, 22, силовой трансформатор 23 и драйвер 24 с устройством гальванической развязки сигналов управления (на схеме не показано). Первичная обмотка трансформатора соединена с выводами выхода инвертора, а его вторичная обмотка - с входом выпрямителя высокой частоты и через дополнительные тиристоры 21, 22 с его выходными выводами. При этом управляющие переходы тиристоров и затворы транзисторов инвертора через устройства гальванической развязки связаны с выходами драйвера 24, обеспечивающего работу преобразователя в заданном алгоритме. Перевод преобразователя в режим форсировки тока на выходе обеспечивается дополнительным сигналом, формируемым драйвером. При отпирании тиристоров 21, 22 обеспечивается подключение дополнительной секции вторичной обмотки трансформатора в цепь выпрямителя высокой частоты.

Система возбуждения 25 синхронной машины подключена к выводам выхода выпрямителя высокой частоты, выполненного на диодах 17 18, 19, 20.

В исходном состоянии напряжение на затворах транзисторов 7, 8, 9 и 10 равно 0 и напряжение на выходе автономного инвертора отсутствует.

В момент времени t₁ (фиг.2) на вход запрета драйвера 24 поступает сигнал «лог.0», и он начинает работать, обеспечивая формирование импульсов тока i_y1 , i_y2 прямоугольной формы. В процессе работы драйвера происходит поочередное отпирание транзисторов 7, 8 и 9, 10. В результате этого на выходе инвертора формируются импульсы напряжения U_вых. При этом на выходе выпрямителя на диодах 17, 18, 19, 20 имеют место импульсы напряжения U_d прямоугольной формы, частотой в 2 раза большей частоты инвертирования. Поскольку нагрузка на выходе преобразователя имеет индуктивный характер, ток через обмотку возбуждения имеет незначительные пульсации. С появлением сигнала ("лог.1", фиг.3) форсировки тока возбуждения на выходе драйвера 24 формируются импульсы тока управления i_y0, которые через устройство гальванической развязки поступают в цепи управляющих переходов тиристоров 21, 22, отпирание которых обеспечивает резкое увеличение амплитуды импульсов напряжения U_d на выходе выпрямителя высокой частоты и возрастание тока i_в в цепи системы возбуждения 25. При этом в переходном процессе увеличения тока форсировки возбуждения сохраняется действие широтно-импульсной модуляции напряжения на выходе автономного инвертора.

В результате предварительной конструктивной проработки преобразователя для питания обмоток возбуждения при токе в длительном режиме 320 А и режиме форсировки 440 А длительностью 60 с при потребляемой мощности 42 кВт установлено, что масса активных материалов на изготовление реактора фильтра на входе инвертора и трансформатора не превышает 15 кг и полупроводниковых приборов с охладителями 17 кг. Общая масса преобразователя не превышает 35 кг и составляет около 6% от массы используемых в настоящее время тиристорных возбудителей.

Эффективность предлагаемого решения поставленной задачи обеспечивается возможностью перевода возбудителя в режим форсировки тока на выходе и уменьшением мощности потерь энергии в кремниевых структурах транзисторов инвертора в 1,3 раза, что существенно улучшает их режим работы.