Силовой полупроводниковый преобразователь электрической энергии

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к преобразователям энергии, в частности, силовым преобразователям, которые могут быть использованы для сопряжения ветротурбинного электрогенератора с энергосистемой Технической задачей является упрощение всей системы электропитания при гарантированном обеспечении стабильной величины выходного напряжения силового преобразователя. В силовом преобразователе, состоящем из входного выпрямителя, инвертора на управляемых полупроводниковых приборах с резонансным колебательным контуром последовательно-параллельного типа, согласующего трансформатора и подключенной к инвертору нагрузки, согласно предложенной полезной модели, нагрузочный колебательный контур инвертора выполнен в виде двух взаимосвязанных последовательного и параллельного колебательных контуров с одинаковыми по величине емкостями, при этом в параллельном колебательном контуре конденсатор демпфирован нагрузкой. Кроме того, силовой преобразователь снабжен двумя блоками управления, один из которых соединен с управляющими электродами тиристоров выпрямителя, другой - с затворами транзисторов инвертора. Также он снабжен блоком уставки напряжения и защиты, содержащим задатчик уставки напряжения, который задает необходимую величину выходного напряжения выпрямителя, и блок защиты. Техническим результатом является стабилизация питающего напряжения инвертора при изменении переменного напряжения генератора и его выходного напряжения при изменении нагрузки, что обеспечивает надежность работы преобразователя при упрощении схемного решения

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к преобразователям энергии, в частности, силовым преобразователям, которые могут быть использованы для сопряжения ветротурбинного электрогенератора с энергосистемой.

Механическая энергия ветротурбины, дизельного двигателя, гидротурбины и т.п. обычно преобразуется в электрическую энергию с помощью электрогенератора. Он состоит из статора и ротора. Частота вырабатываемого напряжения пропорциональна скорости вращения ротора, то есть, например, ветротурбины. В какой-то степени скорость вращения выходного вала ветротурбины может регулироваться изменением положения ее лопастей. Во многих случаях этого недостаточно для получения постоянных по величине электрического напряжения генератора и его частоты.

Известен силовой преобразователь, который содержит выпрямительный мост, питаемый от статора генератора, фильтр, повышающий инвертор тока, индуктивно-емкостной фильтр, сеть электропитания, контроллер конвертора с линиями связи. Механическая часть преобразователя включает лопасти на валу, редуктор, регулятор механизма привода, связанный линиями связи с контроллером. Выпрямитель, питающийся от статора генератора, выполнен диодным или тиристорным. В последнем случае он может обеспечить питание повышающего инвертора тока стабильным напряжением. При этом стабилизация будет осуществляться по «статорному» входному напряжению. Однако на выходе инвертора напряжение может быть нестабильным из-за переменной величины сопротивления нагрузки. (Международная заявка WO/2006/090111, МПК H02M 5/458, опубл. 31.08.2006 г.)

Недостаток известного устройства заключается в том, что из-за переменной величины сопротивления нагрузки на выходе инвертора, напряжение на ней будет нестабильным. Это может привести к нарушению нормального режима работы всей системы питания и даже к выходу из строя отдельных ее компонентов.

Известен силовой преобразователь для сопряжения генератора, вырабатывающего регулируемое напряжение с регулируемой частотой, с сетью питания, которая должна обеспечивать номинальное фиксированное напряжение с номинальной фиксированной частотой.

Силовой преобразователь содержит мост генератора, электрически соединенный со статором генератора, и мост сети. Между мостом генератора и мостом сети включено звено ПТ. Между мостом сети и сетью питания включен фильтр, снабженный сетевыми клеммами. Для управления работой силовых полупроводниковых вентилей моста генератора предусмотрен первый контроллер. Аналогично, для управления работой силовых полупроводниковых вентилей моста сети предусмотрен второй контроллер. В первом контроллере используется командный сигнал (VDC GEN) регулирования напряжения на звене ПТ, определяемый необходимым напряжением на звене ПТ, для управления силовыми полупроводниковыми вентилями первого активного выпрямителя/инвертора для получения необходимого уровня напряжения на звене ПТ, которое соответствует командному сигналу (VDC GEN) регулирования напряжения на звене ПТ. Во втором контроллере используется командный сигнал (P) регулирования мощности, определяемый уровнем мощности, которая должна передаваться из звена ПТ в сеть питания через второй активный выпрямитель/инвертор, и командный сигнал (VTURB) регулирования напряжения, определяемый напряжением, которое должно быть получено на сетевых клеммах фильтра, для управления силовыми полупроводниковыми вентилями второго активного выпрямителя/инвертора для достижения необходимых уровней мощности и напряжения, которые соответствуют командным сигналам регулирования мощности и напряжения (P и VTURB). (Патент РФ 2408971, МПК H02P 9/04, опубл. 10.01.2011 г. - прототип).

Недостатком известного устройства является сложная схема силового преобразователя и как следствие этого вероятность отказа в различных критических режимах работы.

Технической задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является упрощение всей системы электропитания при гарантированном обеспечении стабильной величины выходного напряжения силового преобразователя.

Поставленная техническая задача решается тем, что в силовом преобразователе, состоящем из входного выпрямителя, инвертора на управляемых полупроводниковых приборах с резонансным колебательным контуром последовательно-параллельного типа, согласующего трансформатора и подключенной к инвертору нагрузки, согласно предложенной полезной модели, нагрузочный колебательный контур инвертора выполнен в виде двух взаимосвязанных последовательного и параллельного колебательных контуров с одинаковыми по величине емкостями, при этом в параллельном колебательном контуре конденсатор демпфирован нагрузкой.

Кроме того, силовой преобразователь снабжен двумя блоками управления, один из которых соединен с управляющими электродами тиристоров выпрямителя, другой - с затворами транзисторов инвертора.

Кроме того, силовой преобразователь снабжен блоком уставки напряжения и защиты, содержащим задатчик уставки напряжения, который задает необходимую величину выходного напряжения выпрямителя, и блок защиты.

Техническим результатом, достижение которого обеспечивается реализацией всей совокупности существенных признаков, является стабилизация питающего напряжения инвертора при изменении переменного напряжения генератора и его выходного напряжения при изменении нагрузки, что обеспечивает надежность работы преобразователя при упрощении схемного решения

Полезная модель поясняется рисунками, где

на фиг.1 представлена схема силового преобразователя для сопряжения ветротурбинного электрогенератора с энергосистемой (например, автономной нагрузкой или питающей силовой электросетью);

на фиг.2 представлена принципиальная схема выпрямителя с фильтром и транзисторным инвертором;

на фиг.3 показана параметрическая кривая зависимости напряжения на нагрузке Uн(Rн) и временные диаграммы напряжения Uн(t) при разных сопротивлениях нагрузки Rн;

на фиг.4 представлены временная и параметрическая зависимости Uн(t) и Uн(Rн) инвертора с резонансным колебательным нагрузочным контуром. Рисунок на фиг.1 включает следующие позиции:

1 - ветротурбина;

2 - электрогенератор;

3 - выпрямитель;

4 - фильтр;

5 - инвертор;

6 - выходной согласующий трансформатор;

7 - нагрузка;

8 - блок управления БУ-1;

9 - блок управления БУ-2;

10 - блок уставки напряжения и защиты.

Силовой преобразователь (фиг.1) включает входной выпрямитель 3, фильтр 4, инвертор 5 на полностью управляемых полупроводниковых приборах с резонансным колебательным контуром последовательно-параллельного типа, согласующего трансформатора 6, нагрузки 7. Также в схему силового преобразователя входят типовые блоки: блок 8 управления, блок 9 управления, блок 10 уставки напряжения и защиты.

На фиг.2 представлена принципиальная схема выпрямителя 3 с фильтром 4 и транзисторным инвертором 5. Выпрямитель выполнен по трех- или однофазной мостовой схеме, в зависимости от вида генератора (трех- или однофазный). В качестве вентилей используются тиристоры, управляемые СИФУ (система импульсно-фазового управления) для обеспечения возможности регулирования величины среднего значения входного напряжения инвертора 5. При необходимости уменьшения искажений формы сетевого напряжения можно использовать полностью управляемые тиристоры (GTO). К выходу выпрямителя 3 подключена одна диагональ моста из четырех транзисторов IGBT. На затворы этих транзисторов подаются управляющие сигналы из блока 9 управления. При попарно-перекрестной коммутации транзисторов VT1, VT4 и VT2, VT3 в другой диагонали протекает переменный ток. [Клемент С. и др. Силовые полупроводниковые устройства. Книга по применению: Пер. с англ. 1996, с.180-192]

Этот двухполярный ток имеет прямоугольную форму. Для получения синусоидального по форме тока можно использовать резонансные фильтры на основе колебательных контуров последовательного, параллельного и последовательно-параллельного типов. [Основы радиоэлектроники. Учеб. пособие / Ю.И. Волощенко и др.; под ред. Г.Д. Петрухина. - М: Изд-во МАИ, 1993]

На фиг.2 также представлена схема подключения нагрузки 7 к инвертору 5 непосредственно или через согласующий выходной трансформатор 6, который помимо согласования нагрузки с выходным напряжением инвертора обеспечит распределение энергии по нескольким каналам в случае необходимости и их гальваническую развязку от силовой схемы. Блоки управления 8 и 9, согласно заданному алгоритму работы всей системы, выдают необходимые сигналы на управляющие электроды тиристоров выпрямителя 3 и затворы транзисторов инвертора 5.

Блок 10 уставки напряжения и защиты (фиг.1) включает задатчик уставки напряжения, который задает необходимую величину выходного напряжения выпрямителя, и блок защиты.

Блок 10 выдает сигналы защиты, воспринимая сигналы от датчиков тока и напряжения.

Силовой преобразователь работает следующим образом.

При вращении ротора генератора 2 от ветротурбины 1 на его статоре вырабатывается трехфазное напряжение синусоидальной формы, амплитуда которого зависит от скорости вращения вала ротора. Следовательно, и на выходе выпрямителя 3 напряжение будет изменяться. Для его стабилизации используется метод изменения угла отпирания тиристоров с помощью системы импульсно-фазового управления (СИФУ). Задатчик уставки напряжения задает необходимую величину выходного напряжения выпрямителя, а СИФУ отрабатывает необходимый угол отпирания его тиристоров [Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. - М.: Энергоатомиздат, 1992]. При этом на выходе выпрямителя получается стабильное, среднее по значению напряжение, сглаженное низкочастотным L1, C1 фильтром. И это постоянное, сглаженное и стабильное напряжение подается на вход инвертора.

Инвертор представляет собой мост из четырех транзисторов. На одну диагональ моста подается постоянное напряжение, а в другой диагонали получаем переменное прямоугольное напряжение. Для этого транзисторы моста должны коммутироваться попарно-перекрестно. Для получения синусоидального напряжения на нагрузке необходимо применить L2, C3 фильтр, где нагрузка подключена параллельно конденсатору C3. В этом случае есть опасность создания аварийной ситуации для схемы инвертора 5. Так, в случае короткого замыкания нагрузки 7 будет закорочен и конденсатор C3. Постоянное напряжение питания инвертора 5 окажется приложенным только к очень малому активному сопротивлению дросселя L2. Это вызовет возникновение большого тока и аварию. Для предотвращения такого развития событий в схему фильтра L2, C3 включают последовательный конденсатор C2 большой емкости (C2>>C3). В стационарном режиме протекания синусоидального тока падение напряжения на нем очень мало. При замыкании нагрузки C2 заряжается до напряжения питания инвертора 5, прекращая тем самым протекание аварийного тока.

Таким образом, на выходе инвертора 5 (при питании его от стабилизированного выпрямителя) (фиг.2) прямоугольное напряжение тоже будет стабильным по величине. С помощью резонансного колебательного контура L2, C3 получают первую гармонику этого прямоугольного напряжения - то есть синусоиду. Ее амплитуда тоже будет стабильной, но только при неизменном сопротивлении нагрузки 7 [Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. - М.: Энергоатомиздат, 1992].

Известна зависимость напряжения на конденсаторе колебательного контура от величины сопротивления резистора, который шунтирует этот конденсатор. [Мощные транзисторные устройства повышенной частоты/ А.А. Алексанян, Р.Х. Бальян, М.А. Сивере и др. - Л.: Энергоатомиздат, 1989. - 176 с] Она представляет собой линейно нарастающую кривую. При исследовании математической модели схемы замещения инвертора с таким контуром, получено семейство временных зависимостей напряжений на нагрузке Uн(t) для восьми значений Rн (100 ом, 200 ом, 800 ом) и параметрическая кривая зависимости напряжения на нагрузке Uн(Rн) (фиг.3). Как следует из графика зависимости, с увеличением сопротивления Rн растет и напряжение на нем почти пропорционально, а именно, в шесть-семь раз, что недопустимо. Для предотвращения этого необходимо уменьшать напряжение питания инвертора 5, путем запирания тиристоров выпрямителя 3. Но при этом будет снижаться эффективность работы ветротурбины, так как уменьшится потребление вырабатываемой ею механической энергии. Для устранения этого недостатка и упрощения схемы предлагается следующий способ стабилизации выходного синусоидального напряжения инвертора. Последовательный конденсатор фильтра C2 использовать в качестве составной части второго колебательного контура. При этом фильтр будет представлять из себя комбинацию двух взаимосвязанных колебательных контуров - последовательного L2, C2 и параллельного L2, C3, где конденсатор C3 демпфирован нагрузкой Rн (фиг.1).

При равенстве волновых сопротивлений

Zв1=(L2/C2)=Zв2=(L2/C3)

осуществляется стабилизация напряжения на конденсаторе C3 и, значит, на нагрузке Кн. Это означает, что конденсатор C2 последовательного контура и конденсатор C3 параллельного контура равны по величине емкости. На фиг.4 представлены временная и параметрическая зависимости Uн(t) и Uн(Rн) инвертора с нагрузочным контуром, выполненным предложенным образом. Из графиков видно, что при изменении сопротивления нагрузки в диапазоне 100-800 ом, то есть в восемь раз, напряжение на нагрузке изменяется не более чем на 1,5%.

Таким образом, в схеме силового преобразователя осуществляется стабилизация питающего напряжения инвертора при изменении переменного напряжения генератора и его выходного напряжения при изменении нагрузки

1. Силовой преобразователь, состоящий из входного выпрямителя, инвертора на управляемых полупроводниковых приборах с резонансным колебательным контуром последовательно-параллельного типа, согласующего трансформатора и подключенной к инвертору нагрузки, отличающийся тем, что нагрузочный колебательный контур инвертора выполнен в виде двух взаимосвязанных последовательного и параллельного колебательных контуров с одинаковыми по величине емкостями, при этом в параллельном колебательном контуре конденсатор демпфирован нагрузкой.

2. Силовой преобразователь по п.1, отличающийся тем, что снабжен двумя блоками управления, один из которых соединен с управляющими электродами тиристоров выпрямителя, другой - с затворами транзисторов инвертора.

3. Силовой преобразователь по п.1, отличающийся тем, что снабжен блоком уставки напряжения и защиты, содержащим задатчик уставки напряжения, который задает необходимую величину выходного напряжения выпрямителя, и блок защиты.