RU2473163C2 - Высоковольтный инвертор - Google Patents

Высоковольтный инвертор Download PDF

Info

Publication number
RU2473163C2
RU2473163C2 RU2010133723/07A RU2010133723A RU2473163C2 RU 2473163 C2 RU2473163 C2 RU 2473163C2 RU 2010133723/07 A RU2010133723/07 A RU 2010133723/07A RU 2010133723 A RU2010133723 A RU 2010133723A RU 2473163 C2 RU2473163 C2 RU 2473163C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
primary winding
current
voltage
output
phase
Prior art date
Application number
RU2010133723/07A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2010133723A (ru
Inventor
Кертис А. БИРНБАХ
Original Assignee
Эдвансд Фьюжн Системз ЭлЭлСи
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Эдвансд Фьюжн Системз ЭлЭлСи filed Critical Эдвансд Фьюжн Системз ЭлЭлСи
Publication of RU2010133723A publication Critical patent/RU2010133723A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2473163C2 publication Critical patent/RU2473163C2/ru

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/533—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using discharge tubes only
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J21/00—Vacuum tubes
    • H01J21/02—Tubes with a single discharge path
    • H01J21/06—Tubes with a single discharge path having electrostatic control means only
    • H01J21/10—Tubes with a single discharge path having electrostatic control means only with one or more immovable internal control electrodes, e.g. triode, pentode, octode
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/505—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means
    • H02M7/51—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using discharge tubes only
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/5383—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a self-oscillating arrangement
    • H02M7/53832—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a self-oscillating arrangement in a push-pull arrangement

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)
  • Circuit Arrangements For Discharge Lamps (AREA)

Abstract

Описан высоковольтный инвертор для преобразования электроэнергии постоянного тока в электроэнергию переменного тока по меньшей мере с одной выходной фазой. Для каждой выходной фазы переменного тока инвертор имеет цепь входной фазы переменного тока, содержащую первую и вторую 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. 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, так чтобы поочередно подавать на первый и затем на второй конец первичной обмотки приблизительно потенциал земли. Технический результат - повышение надежности и обеспечение безопасности. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

Description

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.

Claims (5)

1. Высоковольтный инвертор для преобразования электроэнергии постоянного тока на входе в три или более выходных фаз переменного тока с раздельным регулированием тока каждой выходной фазы, в котором:
а) каждая выходная фаза переменного тока имеет цепь входной фазы переменного тока, содержащую:
i) первую и вторую управляемые электронные лампы триодного, тетродного или пентодного типа с автоэлектронной эмиссией холодного катода,
ii) первичную обмотку трансформатора, имеющую первый конец, второй конец и отвод от средней точки,
iii) причем входное напряжение постоянного тока превышает 20 кВ, а
iv) 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,
v) при этом состояние проводимости каждой электронной лампы регулируется с обеспечением преобразования электроэнергии постоянного тока потенциалом свыше 20 кВ в электроэнергию переменного тока с использованием указанной первичной обмотки трансформатора, причем первая и вторая электронные лампы попеременно проводят электрический ток с обеспечением поочередной подачи на первый конец первичной обмотки приблизительно потенциала земли и затем подачи на второй конец первичной обмотки приблизительно потенциала земли,
b) для каждой первичной обмотки входной фазы переменного тока соответствующую соединенную с ней вторичную обмотку связанной выходной фазы переменного тока, причем каждая первичная обмотка и связанная вторичная обмотка образуют многофазный трансформатор,
c) средство регулирования тока в каждой отдельной фазе, содержащее:
i) средство определения мгновенного состояния каждой выходной фазы переменного тока, включая ток и напряжение,
ii) средство регулирования тока, реагирующее на указанное средство определения с обеспечением регулирования уровня тока каждой выходной фазы, причем средство регулирования тока включает третью управляемую электронную лампу с автоэлектронной эмиссией холодного катода, подключенную последовательно между первой электронной лампой и первичной обмоткой, и четвертую управляемую электронную лампу с автоэлектронной эмиссией холодного катода, подключенную последовательно между второй электронной лампой и первичной обмоткой.
2. Инвертор по п.1, который
a) включает средство присоединения выходных фаз переменного тока к электрической распределительной сети, имеющей несколько генераторов электроэнергии и несколько подстанций для распределения энергии потребителям,
b) причем средство регулирования тока регулирует баланс мощности между отдельными выходными фазами по меньшей мере до степени, составляющей около 1% от средней мощности указанных нескольких выходных фаз переменного тока.
3. Инвертор по п.1, в котором каждая электронная лампа, первая, вторая, третья и четвертая, содержит:
a) удлиненный цилиндрический холодный катод,
b) удлиненный цилиндрический анод и
c) цилиндрическую сетку, которая служит в качестве затвора между указанным катодом и указанным анодом,
d) причем указанный анод является аксиально-симметричным указанному катоду и указанной сетке и окружает их.
4. Инвертор по п.1, в котором первичная и вторичная обмотки трансформатора выполнены с возможностью получения на вторичных обмотках напряжения по меньшей мере 10 кВ.
5. Высоковольтный преобразователь постоянного тока с регулированием выходного тока, содержащий:
a) цепь входной фазы переменного тока, содержащую:
i) первую и вторую электронные лампы триодного, тетродного или пентодного типа с автоэлектронной эмиссией холодного катода,
ii) первичную обмотку трансформатора, имеющую первый конец, второй конец и отвод от средней точки,
iii) причем входное напряжение постоянного тока превышает 20 кВ, а
iv) 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,
v) при этом состояние проводимости каждой электронной лампы регулируется с обеспечением преобразования электроэнергии постоянного тока потенциалом, превышающим 20 кВ, в электроэнергию переменного тока с использованием указанной первичной обмотки трансформатора, причем первая и вторая электронные лампы попеременно проводят электрический ток с обеспечением поочередной подачи на первый конец первичной обмотки приблизительно потенциала земли и затем подачи на второй конец первичной обмотки приблизительно потенциала земли,
b) выходную фазу переменного тока, включающую вторичную обмотку трансформатора, связанную с первичной обмоткой трансформатора,
c) выпрямитель для преобразования выходного напряжения от вторичной обмотки трансформатора в выходное высокое напряжение постоянного тока, превышающее 50 кВ,
d) средство регулировки выходной мощности преобразователя постоянного тока, которая подается в высоковольтную линию передачи постоянного тока, до степени, составляющей по меньшей мере около 1% от среднего уровня мощности, причем средство регулировки содержит:
i) средство определения напряжения и тока на высоковольтном выходе постоянного тока,
ii) средство регулирования тока, реагирующее на указанное средство определения с обеспечением регулирования уровня мощности на выходе преобразователя постоянного тока, причем средство регулирования тока включает третью управляемую электронную лампу с автоэлектронной эмиссией холодного катода, подключенную последовательно между первой электронной лампой и первичной обмоткой, и четвертую управляемую электронную лампу с автоэлектронной эмиссией холодного катода, подключенную последовательно между второй электронной лампой и первичной обмоткой.
RU2010133723/07A 2008-01-24 2009-01-23 Высоковольтный инвертор RU2473163C2 (ru)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US6215408P 2008-01-24 2008-01-24
US61/062,154 2008-01-24
PCT/US2009/031904 WO2009094589A1 (en) 2008-01-24 2009-01-23 High voltage inverter

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2010133723A RU2010133723A (ru) 2012-02-27
RU2473163C2 true RU2473163C2 (ru) 2013-01-20

Family

ID=40899046

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010133723/07A RU2473163C2 (ru) 2008-01-24 2009-01-23 Высоковольтный инвертор

Country Status (14)

Country Link
US (1) US7916507B2 (ru)
EP (1) EP2243210B1 (ru)
JP (2) JP2011511608A (ru)
KR (1) KR101265854B1 (ru)
CN (1) CN101965675A (ru)
AU (1) AU2009206259B2 (ru)
CA (1) CA2713018C (ru)
ES (1) ES2624555T3 (ru)
IL (1) IL207077A (ru)
MX (1) MX2010007688A (ru)
NZ (1) NZ586764A (ru)
PL (1) PL2243210T3 (ru)
RU (1) RU2473163C2 (ru)
WO (1) WO2009094589A1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2661901C1 (ru) * 2014-07-04 2018-07-23 Нр Электрик Ко., Лтд. Способ регулирования частоты на стороне инвертора для передачи постоянного тока

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5099636B2 (ja) * 2008-03-19 2012-12-19 株式会社ネットコムセック 電流測定装置、電圧測定装置及びそれを備えた電源装置
US8248740B2 (en) * 2008-09-19 2012-08-21 Advanced Fusion Systems, Llc High speed current shunt
KR101863378B1 (ko) * 2010-02-12 2018-05-31 어드밴스드 퓨젼 시스템스 엘엘씨 물질 탐지 방법 및 시스템
CA2809883C (en) 2010-10-05 2016-10-04 Advanced Fusion Systems Llc High voltage high current regulator circuit
AU2014246683B2 (en) * 2010-10-05 2016-06-23 Advanced Fusion Systems Llc Adjustable voltage-clamping circuit
EP2773032A1 (en) * 2013-03-01 2014-09-03 GE Energy Power Conversion Technology Ltd Current source converter with gate turn off semiconductor elements and a special commutation mode
US9728967B2 (en) * 2014-03-24 2017-08-08 Advanced Fusion Systems Llc System for improving power factor in an AC power system
US9520801B1 (en) * 2015-08-12 2016-12-13 General Electric Company Method and system for a gas tube switch-based voltage source high voltage direct current transmission system
US9973092B2 (en) * 2016-04-22 2018-05-15 General Electric Company Gas tube-switched high voltage DC power converter

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU886699A1 (ru) * 1980-01-14 1986-03-23 Предприятие П/Я А-7904 Устройство высоковольтного питани ионных источников инжекторов термо дерных реакторов
US20050207189A1 (en) * 2002-04-18 2005-09-22 Weibin Chen Green switch power supply with standby function and its ic
US20070041221A1 (en) * 2005-08-16 2007-02-22 Astec International Limited Reverse current control system for a power converter

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3156846A (en) * 1960-06-30 1964-11-10 Jr Hugo J Wilms High power thyratron inverter with a low value resistor by-pass
US3916246A (en) * 1973-08-20 1975-10-28 Varian Associates Electron beam electrical power transmission system
US4124886A (en) * 1974-07-03 1978-11-07 Counting Instruments Limited Generation of low frequency, high voltages
JPS5848398A (ja) * 1981-09-18 1983-03-22 Toshiba Corp Ｘ線装置
US4950962A (en) 1985-05-20 1990-08-21 Quantum Diagnostics, Ltd. High voltage switch tube
US5075594A (en) * 1989-09-13 1991-12-24 Hughes Aircraft Company Plasma switch with hollow, thermionic cathode
US5666278A (en) * 1992-11-24 1997-09-09 Sundstrand Corporation High voltage inverter utilizing low voltage power switches
JPH09331682A (ja) * 1996-06-12 1997-12-22 Meidensha Corp 電力変換器
JP2939943B2 (ja) * 1996-11-01 1999-08-25 日本電気株式会社 冷陰極電子銃およびこれを備えたマイクロ波管装置
US5896281A (en) * 1997-07-02 1999-04-20 Raytheon Company Power conditioning system for a four quadrant photovoltaic array with an inverter for each array quadrant
JPH11285268A (ja) * 1998-01-27 1999-10-15 Toshiba Corp 電力変換装置および電力開閉装置
JP3723032B2 (ja) * 2000-03-06 2005-12-07 財団法人電力中央研究所 ループ系統配電システムにおける配電線ループコントローラ
US7270911B2 (en) 2001-08-10 2007-09-18 Plurion Limited Load leveling battery and methods therefor
JP3696604B2 (ja) * 2003-05-23 2005-09-21 ローム株式会社 直流−交流変換装置、及び交流電力供給方法
JP2005086844A (ja) * 2003-09-04 2005-03-31 Toshiba Mitsubishi-Electric Industrial System Corp 電力変換装置
US7535738B2 (en) * 2006-08-23 2009-05-19 Rockwell Automation Technologies, Inc. Method and apparatus including multi-drive configurations for medium voltage loads
JP4512117B2 (ja) * 2007-05-23 2010-07-28 株式会社日立製作所 多重電力変換装置、及び多重変圧器

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU886699A1 (ru) * 1980-01-14 1986-03-23 Предприятие П/Я А-7904 Устройство высоковольтного питани ионных источников инжекторов термо дерных реакторов
US20050207189A1 (en) * 2002-04-18 2005-09-22 Weibin Chen Green switch power supply with standby function and its ic
US20070041221A1 (en) * 2005-08-16 2007-02-22 Astec International Limited Reverse current control system for a power converter

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2661901C1 (ru) * 2014-07-04 2018-07-23 Нр Электрик Ко., Лтд. Способ регулирования частоты на стороне инвертора для передачи постоянного тока

Also Published As

Publication number Publication date
KR101265854B1 (ko) 2013-05-20
PL2243210T3 (pl) 2017-09-29
CA2713018A1 (en) 2009-07-30
IL207077A (en) 2013-08-29
AU2009206259B2 (en) 2013-07-11
ES2624555T3 (es) 2017-07-14
EP2243210A1 (en) 2010-10-27
US7916507B2 (en) 2011-03-29
EP2243210B1 (en) 2017-03-22
EP2243210A4 (en) 2015-10-14
RU2010133723A (ru) 2012-02-27
US20090190383A1 (en) 2009-07-30
CN101965675A (zh) 2011-02-02
CA2713018C (en) 2013-11-12
AU2009206259A1 (en) 2009-07-30
KR20100114027A (ko) 2010-10-22
WO2009094589A1 (en) 2009-07-30
JP2014239646A (ja) 2014-12-18
JP2011511608A (ja) 2011-04-07
NZ586764A (en) 2011-12-22
IL207077A0 (en) 2010-12-30
MX2010007688A (es) 2011-04-11
JP5855183B2 (ja) 2016-02-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2473163C2 (ru) Высоковольтный инвертор
RU2693530C1 (ru) Способ и устройство управления гибридной системой передачи постоянного тока
JP2011511608A5 (ru)
JP6416436B2 (ja) 電力変換装置
US20100232190A1 (en) Conversion of ac lines to hvdc lines
US20180097450A1 (en) Hybrid high voltage direct current converter station and operation method therefor
JP2009507463A (ja) 電気エネルギー伝送のための装置
US20060114642A1 (en) Systems and methods for integrated VAR compensation and hydrogen production
WO2019053447A1 (en) SUBSTATION TRANSFORMER LOAD BALANCING SYSTEM
KR102266322B1 (ko) 멀티 레벨 컨버터
KR102235397B1 (ko) 스콧 트랜스포머를 갖는 전력 변환 장치
US10148164B2 (en) Topology of composite cascaded high-voltage and low-voltage modules
KR20170120687A (ko) 전류 제한을 갖는 전압 소스 변환기
US20120087161A1 (en) Power supply connected in parallel with a power switch for the control circuit thereof
US10742136B2 (en) DC offset compensation in modular multilevel converter
CN212435577U (zh) 具有故障电流关断能力的电力变换器装置
US20220149621A1 (en) Converter, arrangement comprising a converter and method for operating same
RU180125U1 (ru) Преобразователь электрической энергии с высоким диапазоном входного напряжения
KR101705524B1 (ko) 배터리 연계형 고효율 무정전 dc 전력공급기
SU589852A1 (ru) Управл емый многофазный вентильный преобразователь, питающий индуктивную нагрузку в режимах глубокого регулировани
CN115176406A (zh) 电力变换装置以及电力变换装置的控制方法
KR20160103410A (ko) 송전 시스템