Патент на изобретение №2225064

(54) МНОГОФАЗНАЯ СИЛОВАЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ПОДСТАНЦИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в установках для питания серий электролиза алюминия. Техническим результатом является повышение энергетических показателей, в частности, cos₁ и кпд. В многофазной силовой преобразовательной подстанции количество исполнений 12-фазных преобразователей по фазосдвигающей части сетевой обмотки преобразовательного трансформатора, подключенных, по крайней мере, к одной части обмотки низкого напряжения силового понизительного трансформатора, равно р, при этом 12-фазные преобразователи установлены так, что разности положительных значений углов сдвига напряжения между соседними парами 12-фазных преобразователей минимально, в случае достижения углом значения, превышающего 15 эл. град., его фактическое значение определяют из соотношения _фaкт = 30 эл. град.-. 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и может найти применение в установках для питания серий электролиза алюминия.

Известна многофазная силовая преобразовательная подстанция, содержащая силовой понизительный трансформатор, обмотка высокого напряжения которого соединена с питающей сетью, а обмотка низкого напряжения расщеплена на две части; n 12-фазных преобразователей, каждый из которых содержит преобразовательный трансформатор, имеющий сетевую обмотку и вентильную обмотку, причем каждая сетевая обмотка содержит фазосдвигающую часть, обеспечивающую создание углов сдвига напряжений вентильной обмотки относительно напряжения питающей сети, причем количество исполнений преобразователей по фазосдвигающей части сетевой обмотки преобразовательного трансформатора, обусловленных количеством этих углов сдвига, равно 2р, а вентильная обмотка каждого трансформатора выполнена из четного числа частей, половина из которых соединена в звезду, а вторая половина – в треугольник, при этом сетевые обмотки преобразовательных трансформаторов соединены с одной частью расщепленной обмотки низкого напряжения силового трансформатора, а сетевые обмотки остальных (n-k) преобразовательных трансформаторов соединены со второй частью обмоток низкого напряжения силового трансформатора; части вентильных обмоток преобразовательных трансформаторов соединены с трехфазными мостовыми выпрямителями, соединенными с изолированными друг от друга сборными шинопроводами постоянного тока, при этом преобразовательные трансформаторы и выпрямители расположены вдоль шинопроводов, и выпрямители, подключенные к вентильным обмоткам преобразовательных трансформаторов со схемой звезда, соединены с одной парой шинопроводов, а выпрямители, подключенные к вентильным обмоткам преобразовательных трансформаторов со схемой треугольник, соединены со второй парой шинопроводов [1].

Описанная в [1] многофазная силовая преобразовательная подстанция характеризуется недостаточно высокими энергетическими показателями, к числу которых относятся косинус ₁(cos₁) и коэффициент полезного действия (КПД).

Относительно низкий cos₁ обусловлен взаимным влиянием друг на друга преобразователей с разными углами сдвига напряжений вентильной обмотки преобразовательных трансформаторов, при которых возникают углы задержки открывания вентилей, вступающих в работу, которые, в свою очередь, вызваны падением напряжения на индуктивном сопротивлении силового понизительного трансформатора от тока коммутации вентилей выпрямителя другого преобразователя.

Кроме того, в контурах электрических цепей преобразователей и сборных шинопроводах, выпрямители которых подключены к одним и тем же сборным шинопроводам, возникают уравнительные токи, так как преобразователи имеют различные углы сдвига напряжений вентильной обмотки, задаваемые фазосдвигающими частями сетевых обмоток преобразовательных трансформаторов. Уравнительные токи создают добавочные потери в элементах оборудования многофазной силовой преобразовательной подстанции и, соответственно, снижают КПД.

Изобретением решается задача создания многофазной силовой преобразовательной подстанции, характеризующейся высокими энергетическими показателями, в частности, cos₁ и КПД.

Для решения поставленной задачи в многофазной силовой преобразовательной подстанции, содержащей силовой понизительный трансформатор, обмотка высокого напряжения которого соединена с питающей сетью, а обмотка низкого напряжения расщеплена на две части; n 12-фазных преобразователей, каждый из которых содержит преобразовательный трансформатор, имеющий сетевую обмотку и вентильную обмотку, при этом каждая сетевая обмотка содержит фазосдвигающую часть, обеспечивающие создание углов сдвига напряжений вентильной обмотки относительно напряжения питающей сети, причем, количество исполнений преобразователей по фазосдвигающей части сетевой обмотки преобразовательного трансформатора, обусловленных количеством этих углов сдвига, равно 2р, а вентильная обмотка каждого трансформатора выполнена из четного числа частей, половина из которых соединена в звезду, а вторая половина – в треугольник, при этом сетевые обмотки k преобразовательных трансформаторов соединены с одной частью расщепленной обмотки низкого напряжения силового трансформатора, а сетевые обмотки остальных (n-k) преобразовательных трансформаторов соединены со второй частью обмотки низкого напряжения силового трансформатора; части вентильных обмоток преобразовательных трансформаторов соединены с трехфазными мостовыми выпрямителями, соединенными с изолированными друг от друга сборными шинопроводами постоянного тока, при этом преобразовательные трансформаторы и выпрямители расположены вдоль шинопроводов, и выпрямители, подключенные к вентильным обмоткам преобразовательных трансформаторов со схемой звезда, соединены с одной парой шинопроводов, а выпрямители, подключенные к вентильным обмоткам преобразовательных трансформаторов со схемой треугольник, соединены со второй парой шинопроводов, предложено, согласно настоящему изобретению, количество исполнений преобразователей по фазосдвигающей части сетевой обмотки преобразовательного трансформатора, подключенных по крайней мере к одной части обмотки низкого напряжения силового трансформатора, выбирать равным р, при этом преобразователи установлены так, что разности положительных значений углов сдвига напряжений между соседними парами преобразователей минимальны, в случае достижения углом значения, превышающего 15 эл. град., его фактическое значение определяют из соотношения: _фaкт = 30 эл. град-,
где
n – число 12-фазных преобразователей;
k – число преобразовательных трансформаторов, соединенных с одной частью расщепленной обмотки низкого напряжения силового трансформатора |n-2k|1;
2р – количество исполнений преобразователей по фазосдвигающей части сетевой обмотки, обусловленных количеством углов сдвига, р – целое число, р=1, 2, 3, 4.

Изобретение поясняется на примере выполнения чертежами (фиг.1 и 2), на которых схематично изображены различные варианты реализации заявляемой многофазной трансформаторной подстанции.

Многофазная силовая преобразовательная подстанция 1 содержит силовой понизительный трансформатор 2.

Обмотка высокого напряжения 3 силового понизительного трансформатора 2 соединена с питающей сетью 4, а обмотка низкого напряжения 5 этого трансформатора расщеплена на две части.

Кроме того, многофазная силовая преобразовательная подстанция содержит восемь 12-фазных преобразователей 6.

Каждый из восьми 12-фазных преобразователей: П1, П2, П3,…..П8 содержит преобразовательный трансформатор 7, имеющий сетевую обмотку 8 и вентильную обмотку 9. Причем, каждая сетевая обмотка 8 каждого из преобразовательных трансформаторов 7 содержит фазосдвигающую часть, расположенную внутри сетевой и соединенную с ней электрически, обеспечивающую создание углов сдвига напряжений вентильной обмотки 9 на 3,75 и 11,25 эл. град. относительно напряжения питающей сети 4.

Количество исполнений преобразователей 6 по фазосдвигающей части сетевой обмотки 8 каждого преобразовательного трансформатора равно 22=4, т.е. количеству углов сдвига напряжений.

При этом вентильные обмотки 9 выполнены из четного числа частей, половина из которых – 10 соединены в звезду, а вторая половина – 11 соединена в треугольник.

Сетевые обмотки четырех преобразовательных трансформаторов соединены с одной частью расщепленной обмотки низкого напряжения 5 силового трансформатора 2, а сетевые обмотки остальных четырех (8-4=4) преобразовательных трансформаторов соединены со второй частью обмотки низкого напряжения силового трансформатора 2.

Части вентильной обмотки 9 преобразовательного трансформатора 7 соединены с трехфазными мостовыми выпрямителями 12, которые, в свою очередь, соединены с изолированными друг от друга сборными шинопроводами 13 постоянного тока.

Преобразовательные трансформаторы 7 и выпрямители 12 расположены вдоль шинопроводов 13.

Выпрямители 14, подключенные к вентильным обмоткам преобразовательных трансформаторов со схемой соединения звезда, соединены с одной парой шинопроводов 15, а выпрямители 16, подключенные к вентильным обмоткам преобразовательных трансформаторов со схемой соединения треугольник, соединены со второй парой шинопроводов 17.

Фазосдвигающая часть сетевой обмотки – это часть сетевой обмотки, имеющая определенную схему соединения элементов, количество витков элементов и электрически связанная с остальной частью сетевой обмотки.

Количество исполнений преобразователей по фазосдвигающей части сетевой обмотки преобразовательного трансформатора, подключенных, по крайней мере, к одной части обмотки низкого напряжения силового трансформатора, равно 2.

Преобразователи установлены таким образом, что разности положительных значений углов сдвига ₁ и ₂ напряжения вентильной обмотки преобразовательного трансформатора между соседними парами преобразователей (под двумя соседними парами понимаются пары, образованные тремя следующими друг за другом преобразователями, например, П1, П2, П3), например, между 1-й и 2-й парами минимальны:

где _П1, _П2, _П3 – углы сдвига напряжений вентильной обмотки соседних преобразователей: П1, П2, П3.

На фиг. 2 показан вариант выполнения заявляемой многофазной силовой преобразовательной подстанции с углами сдвига напряжений соответственно: 2,5; 7,5; 12,5.

Количество исполнений преобразователей по фазосдвигающей части сетевой обмотки преобразовательного трансформатора в данном случае равно 6, количество исполнений преобразователей по фазосдвигающей части сетевой обмотки, подключенных, по крайней мере, к одной части обмотки низкого напряжения силового трансформатора, равно 3.

При этом преобразователи установлены таким образом, что разности положительных значений углов сдвига ₁ и ₂ напряжения вентильной обмотки преобразовательного трансформатора между соседними парами преобразователей, например, между 1-й и 2-й парами минимальны:
₁ = |_П1–_П2| = |-7,5^{-(+12,5)| = 20o;
₂ = |_П2–_П3| = |(+12,5)-(+2,5)| = 10o.
Так как ₁ = 20>15, то фактическое значение угла сдвига _1факт будет равно:
_1факт = 30-20 = 10,
и тогда
₁–₂ = 10-10 = 0.
Предлагаемая многофазная силовая преобразовательная подстанция позволяет повысить cos₁ за счет уменьшения взаимного влияния преобразователей, т.к. углы сдвига напряжений преобразователей, подключенных к одной части обмотки низкого напряжения силового трансформатора, максимальны и составляют 15 эл. град. (11,25+3,75=15). При другой расстановке преобразователей относительно шинопроводов разность углов составляла бы 7,5 эл. град., и при углах коммутации вентилей преобразователей, на практике обычно равных 15-20 эл. град., взаимное влияние было бы существенно большим. Это видно из углов перекрытия углов коммутации и углов сдвига:
– в первом случае –=(15-20)-15=(0-5) эл. град.;
– во втором случае –=(15-20)-7,5=(7,5-12,5) эл. град.}

При расстановке преобразователей в соответствии с предлагаемым решением перекрытие углов уменьшается весьма существенно: на 7,5 эл. град.

В предлагаемой многофазной силовой преобразовательной подстанции также минимизируются и потери от уравнительных токов. Уравнительный ток между двумя 24-фазными схемами, каждая из которых подключается к “своей” части обмотки низкого напряжения силового трансформатора, хорошо ограничивается за счет большого значения напряжения короткого замыкания расщепления силового трансформатора. Потери от уравнительных токов между соседними преобразователями, подключенными к одной части обмотки низкого напряжения силового трансформатора, минимальны, т.к. углы сдвига чередуются и нет концентрации уравнительного тока от нескольких преобразователей в сборных шинопроводах, а уравнительный ток между выпрямителями, подключенными к вентильным обмоткам со схемами звезда и треугольник, ограничивается за счет разделения шинопроводов.

В настоящее время предлагаемая подстанция внедряется на одном из алюминиевых заводов России.

Источники информации
1. Схема электропотребления Братского алюминиевого завода 1053993-ЭС, в соответствии с которой осуществляется электроснабжение завода с 1986 года.

Формула изобретения

Многофазная силовая преобразовательная подстанция, содержащая силовой понизительный трансформатор, обмотка высокого напряжения которого соединена с питающей сетью, а обмотка низкого напряжения расщеплена на две части, n 12-фазных преобразователей, каждый из которых содержит преобразовательный трансформатор, имеющий сетевую обмотку и вентильную обмотку, при этом каждая сетевая обмотка содержит фазосдвигающую часть, обеспечивающие создание углов сдвига напряжений вентильной обмотки относительно напряжения питающей сети, причем количество исполнений преобразователей по фазосдвигающей части сетевой обмотки преобразовательного трансформатора, обусловленных количеством этих углов сдвига, равно 2р, а вентильная обмотка каждого преобразовательного трансформатора выполнена из четного числа частей, половина из которых соединена в звезду, а вторая половина – в треугольник, при этом сетевые обмотки k преобразовательных трансформаторов соединены с одной частью расщепленной обмотки низкого напряжения силового понизительного трансформатора, а сетевые обмотки остальных (n-k) преобразовательных трансформаторов соединены со второй частью обмотки низкого напряжения силового понизительного трансформатора, части вентильных обмоток преобразовательных трансформаторов соединены с трехфазными мостовыми выпрямителями, соединенными с изолированными друг от друга сборными шинопроводами постоянного тока, при этом преобразовательные трансформаторы и трехфазные мостовые выпрямители расположены вдоль сборных шинопроводов постоянного тока, и трехфазные мостовые выпрямители, подключенные к вентильным обмоткам преобразовательных трансформаторов со схемой звезда, соединены с одной парой сборных шинопроводов постоянного тока, а трехфазные мостовые выпрямители, подключенные к вентильным обмоткам преобразовательных трансформаторов со схемой треугольник, соединены со второй парой сборных шинопроводов постоянного тока, отличающаяся тем, что количество исполнений 12-фазных преобразователей по фазосдвигающей части сетевой обмотки преобразовательного трансформатора, подключенных, по крайней мере, к одной части обмотки низкого напряжения силового понизительного трансформатора, равно р, при этом 12-фазные преобразователи установлены так, что разности положительных значений углов сдвига напряжений между соседними парами 12-фазных преобразователей минимальны, в случае достижения углом значения, превышающего 15 эл.град., его фактическое значение определяют из соотношения

_факт=30 эл.град. – ,

где n – число 12-фазных преобразователей;

k – число преобразовательных трансформаторов, соединенных с одной частью расщепленной обмотки низкого напряжения силового понизительного трансформатора

2р – количество исполнений 12-фазных преобразователей по фазосдвигающей части сетевой обмотки, обусловленных количеством углов сдвига;

р – целое число, р=1, 2, 3, 4.

РИСУНКИ