RU2600572C2 - Способ регулирования напряжения и мощности - Google Patents
Способ регулирования напряжения и мощности Download PDFInfo
- Publication number
- RU2600572C2 RU2600572C2 RU2014130301/07A RU2014130301A RU2600572C2 RU 2600572 C2 RU2600572 C2 RU 2600572C2 RU 2014130301/07 A RU2014130301/07 A RU 2014130301/07A RU 2014130301 A RU2014130301 A RU 2014130301A RU 2600572 C2 RU2600572 C2 RU 2600572C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- phase
- voltage
- power
- frequency
- transistor
- Prior art date
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
- H02M5/00—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
- H02M5/40—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc
- H02M5/42—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters
- H02M5/44—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac
- H02M5/443—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means
- H02M5/45—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Ac-Ac Conversion (AREA)
- Inverter Devices (AREA)
- Rectifiers (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области силовой электроники и предназначено для регулирования напряжения и мощности в мощных низковольтных однофазных резистивных нагревателях различных электротермических установок. Задачей предлагаемого изобретения является устранение недостатков, связанных с перекосом фаз и снижением коэффициента мощности, которые присутствуют при формировании выходной синусоиды напряжения транзисторного преобразователя со стандартной частотой 50 Гц. Способ регулирования напряжения и мощности, в котором используют транзисторный преобразователь, состоящий из входного трехфазного диодного выпрямителя, сглаживающего LC-фильтра звена постоянного тока и однофазного транзисторного мостового инвертора, на выход которого подключен LC-фильтр переменного тока, отличающийся тем, что транзисторный преобразователь питает низковольтные резистивные нагреватели через стандартный понижающий однофазный трансформатор синусоидальным напряжением с частотой, в полтора раза превышающей частоту питающей трехфазной сети. 3ил.
Description
Заявляемое изобретение относится к области электротехники, в частности к области силовой электроники, и предназначено для регулирования напряжения и мощности в мощных низковольтных однофазных резистивных нагревателях различных электротермических установок, питаемых через стандартные однофазные низкочастотные трансформаторы частотой 50 Гц при наличии трехфазной сети частотой 50 Гц.
В России и за рубежом имеется большое количество предприятий, на которых используется мощное электротермическое оборудование, в составе которого для оптимизации конструкции используются низковольтные сильноточные однофазные нагреватели. Максимальное напряжение таких нагревателей составляет менее 10 В при токах, достигающих 10 кА, при этом требуется глубокое регулирование напряжения и мощности нагревателей. Питаются такие нагреватели через мощные однофазные силовые трансформаторы стандартной частоты.
Такое электротермическое оборудование применяется, в том числе, на предприятиях по выращиванию слитков искусственного сапфира по методу Киропулоса. Каждая применяемая электротермическая установка имеет мощность 60-80 кВт, а количество установок на предприятиях достигает нескольких сотен штук. Для регулирования напряжения и мощности эксплуатируемых в настоящее время установок массово применяются однофазные тиристорные регуляторы напряжения с известной схемой силовой части, представленной на фиг. 1 и известной из открытых источников, например рис. 2.95а на стр. 100 [1]. Регуляторы получают питание от двух фаз трехфазной сети и регулируют выходное напряжение, используя фазоимпульсный принцип регулирования напряжения.
Использованием однофазных регуляторов объясняется наличие крайне низкого уровня энергоэффективности потребления электроэнергии, так как:
- подключение регуляторов к двум из трех фаз вызывает неравномерное нагружение током фаз - «перекос фаз», полностью не устранимое даже при распределении и подключении электротермических установок к разным парам фаз;
- фазоимпульсный принцип регулирования напряжения является причиной низкого коэффициента мощности из-за сдвига фаз между кривыми напряжения и тока в нагрузке (значения коэффициента мощности близки к значениям 0,7-0,75);
- фазоимпульсный принцип регулирования напряжения приводит к появлению в сети высших гармоник тока и напряжения, отрицательно сказывающихся на других потребителях электроэнергии и энергосетевом оборудовании.
Применение трехфазных тиристорных схем с фазоимпульсным регулированием напряжения по первичной и вторичной стороне трехфазного трансформатора, приведенным на рис. 2, 3, 4 [2], для мощных низковольтных однофазных нагревателей также нецелесообразно из-за больших потерь в выпрямителях на вторичной стороне трехфазных трансформаторов, к тому же не устраняет приведенных выше недостатков схемы однофазного тиристорного регулятора.
Схемой, направленной на устранение всех недостатков вышеперечисленных тиристорных регуляторов, является схема, содержащая трехфазный диодный выпрямитель, однофазный транзисторный инвертор и выходной фильтр, изображенная на рис. 5 [2] и на фиг. 2. На выходе данной схемы с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) формируется регулируемое однофазное синусоидальное напряжение по широко известному алгоритму, которое прикладывается к первичной обмотке низкочастотного однофазного трансформатора, уже имеющегося в составе электротермических установок. В России используются трансформаторы со стандартной частотой 50 Гц. Приведенная схема неработоспособна без фильтра звена постоянного тока, однако главный ее недостаток состоит в том, что для нее не исследована и не указана оптимальная частота выходного напряжения, а предполагаемая частота выходного напряжения стандартна и равна 50 Гц, так как выходное напряжение прикладывается к первичной обмотке трансформатора, рассчитанного на питание от сети 50 Гц.
В качестве аналога может быть применена схема, приведенная на фиг. 2. Использование данной схемы призвано устранить все недостатки вышеперечисленных тиристорных схем, однако это не так. Более подробное исследование с использованием математического моделирования с последующим испытанием опытного образца транзисторного преобразователя мощностью 80 кВт показало, что при равенстве частоты входного и выходного напряжения токи, потребляемые нагрузкой из разных фаз, существенно не равны между собой, а коэффициент мощности составляет не 0,95, а 0,93. Коэффициент несимметрии токов, вычисляемый по формуле:
где IA, IB, IC - действующие значения токов фаз, ΔImax - наибольшая разность токов двух фаз, достигает значения 12%.
Этот эффект связан с противоречием между трехфазным характером выпрямления сетевого напряжения и однофазным характером потребления энергии с одинаковой частотой.
Объясняется описанный выше эффект тем, что при одинаковой частоте входного и выходного напряжения выходная синусоида напряжения по-разному расположена по отношению к трем синусоидам входного сетевого напряжения и доли энергии, поступающие на выход схемы и в нагрузку из разных фаз сети различны. (При формировании однофазной выходной синусоиды, когда ее частота в несколько раз превышает частоту трехфазной питающей сети, эффект «перекоса фаз» нивелируется, а при наличии трехфазного инвертора отсутствует).
Задачей предлагаемого изобретения является устранение недостатков, связанных с перекосом фаз и снижением коэффициента мощности, которые присутствуют при формировании выходной синусоиды напряжения транзисторного преобразователя со стандартной частотой 50 Гц.
Техническим результатом от использования изобретения является снижение нагрузки на питающую трехфазную сеть и улучшение формы питающих напряжений, повышение энергоэффективности работы электротехнического оборудования и повышение срока его эксплуатации, возможность модернизации существующих электротермических установок без замены существующих дорогостоящих силовых трансформаторов.
Экономический эффект связан со снижением финансовых затрат на потребление электроэнергии в расчете на единицу продукции, повышением надежности и эффективности работы электротехнического оборудования электротермических установок и оборудования электрических сетей.
Указанная задача решается с помощью способа регулирования напряжения и мощности, в котором используют транзисторный преобразователь, состоящий из входного трехфазного диодного выпрямителя, сглаживающего LC-фильтра звена постоянного тока и однофазного транзисторного мостового инвертора, на выход которого подключен LC-фильтр переменного тока, отличающегося тем, что транзисторный преобразователь питает низковольтные резистивные нагреватели через стандартный понижающий однофазный трансформатор синусоидальным напряжением с частотой, в полтора раза превышающей частоту питающей трехфазной сети.
Исследования показали, что по мере увеличения частоты выходного напряжения выше 50 Гц «перекос фаз» снижается и становится равным нулю, когда частота выходной синусоиды в 1,5 раза превышает частоту трехфазной питающей сети, а коэффициент мощности увеличивается и становится максимальным и равным 0,95.
Из всего вышесказанного следует, что для выравнивания токов фаз и получения максимального коэффициента мощности при частоте питающей сети 50 Гц на выходе преобразователя необходимо формировать синусоиду напряжения с частотой 75 Гц.
Схема транзисторного преобразователя с подключенной нагрузкой и указанием частоты питающей сети 50 Гц и частоты выходного напряжения 75 Гц изображена на фиг. 3.
На схеме фиг. 3 введена следующая нумерация блоков: 1 - трехфазный диодный мостовой выпрямитель, 2 - сглаживающий LC-фильтр звена постоянного тока, 3 - однофазный транзисторный мостовой инвертор, 4 - выходной LC-фильтр переменного тока, 5 - однофазный силовой трансформатор, 6 - однофазная низковольтная резистивная нагрузка.
Так как напряжение повышенной частоты 75 Гц прикладывается к первичной обмотке однофазного силового трансформатора, рассчитанного на питание от сети частотой 50 Гц, то необходимо оценить влияние эффекта повышения частоты питающего напряжения на трансформатор.
С одной стороны, с увеличением частоты синусоидального напряжения, приложенного к первичной обмотке трансформатора, растут потери в стали трансформатора. С другой стороны, при замене однофазного тиристорного регулятора (см. фиг. 1) на транзисторный преобразователь с синусоидальным выходным напряжением становятся равными нулю потери в стали от высших гармоник несинусоидального напряжения. Сравнительные испытания, проведенные на опытном образце транзисторного преобразователя и серийного тиристорного регулятора, показали, что с транзисторным преобразователем температура корпуса трансформатора при той же мощности нагрузки уменьшилась, а дребезг и шум снизились.
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами:
Фиг. 1 - силовая часть однофазного тиристорного регулятора напряжения,
Фиг. 2 - схема, содержащая трехфазный выпрямитель и однофазный инвертор,
Фиг. 3 - схема изобретения (с подключенной нагрузкой).
Разработанный транзисторный преобразователь имеет широкую область применения как для модернизации существующего электротермического оборудования, так и для применения в электротермических установках нового поколения.
Транзисторный преобразователь реализован в виде опытного образца и принят к производству ФГУП «Экспериментальный завод научного приборостроения со Специальным конструкторским бюро РАН».
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Электрооборудование и автоматика электротермических установок: (Справочник) / Альтгаузен А.П., Бершидский И.М., Бершидский М.Д. и др., Под ред. А.П. Альтгаузена, М.Д. Бершидского, М.Я. Смелянского, В.М. Эдемского. - М.: Энергия, 1978. - 304 с., ил.
2. Тиристорный преобразователь как средство модернизации однофазных печей. http://www.elec.ru/articles/tiristornyj-preobrazovatel-kak-sredstvo-modernizac/
Claims (1)
- Способ регулирования напряжения и мощности, в котором используют транзисторный преобразователь, состоящий из входного трехфазного диодного выпрямителя, сглаживающего LC-фильтра звена постоянного тока и однофазного транзисторного мостового инвертора, на выход которого подключен LC-фильтр переменного тока, отличающийся тем, что транзисторный преобразователь питает низковольтные резистивные нагреватели через стандартный понижающий однофазный трансформатор синусоидальным напряжением с частотой, в полтора раза превышающей частоту питающей трехфазной сети.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014130301/07A RU2600572C2 (ru) | 2014-07-23 | 2014-07-23 | Способ регулирования напряжения и мощности |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014130301/07A RU2600572C2 (ru) | 2014-07-23 | 2014-07-23 | Способ регулирования напряжения и мощности |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2014130301A RU2014130301A (ru) | 2016-02-10 |
RU2600572C2 true RU2600572C2 (ru) | 2016-10-27 |
Family
ID=55313196
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014130301/07A RU2600572C2 (ru) | 2014-07-23 | 2014-07-23 | Способ регулирования напряжения и мощности |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2600572C2 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU190399U1 (ru) * | 2018-12-17 | 2019-07-01 | Федеральное государственное унитарное предприятие Экспериментальный завод научного приборостроения со Специальным конструкторским бюро Российской академии наук | Транзисторный преобразователь для графитовых нагревателей |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU49656U1 (ru) * | 2005-04-11 | 2005-11-27 | Новосибирский государственный технический университет | Преобразователь частоты и числа фаз |
EP2088668A2 (de) * | 2008-02-06 | 2009-08-12 | Siemens Aktiengesellschaft | Statischer Umformer |
RU2399145C1 (ru) * | 2009-07-27 | 2010-09-10 | Открытое акционерное общество "Электровыпрямитель" | Преобразователь частоты с явно выраженным звеном постоянного тока |
-
2014
- 2014-07-23 RU RU2014130301/07A patent/RU2600572C2/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU49656U1 (ru) * | 2005-04-11 | 2005-11-27 | Новосибирский государственный технический университет | Преобразователь частоты и числа фаз |
EP2088668A2 (de) * | 2008-02-06 | 2009-08-12 | Siemens Aktiengesellschaft | Statischer Umformer |
RU2399145C1 (ru) * | 2009-07-27 | 2010-09-10 | Открытое акционерное общество "Электровыпрямитель" | Преобразователь частоты с явно выраженным звеном постоянного тока |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU190399U1 (ru) * | 2018-12-17 | 2019-07-01 | Федеральное государственное унитарное предприятие Экспериментальный завод научного приборостроения со Специальным конструкторским бюро Российской академии наук | Транзисторный преобразователь для графитовых нагревателей |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2014130301A (ru) | 2016-02-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20150078053A1 (en) | Single-phase cycloconverter with integrated line-cycle energy storage | |
CN102686351A (zh) | 利用并联功率模块的通用输入电源 | |
US9973077B2 (en) | Delta conversion rectifier | |
US10326272B2 (en) | Unified power flow controller utilizing energy saving devices at a point of power consumption | |
RU2673250C1 (ru) | Полупроводниковый выпрямитель | |
Park et al. | Multi-level operation with two-level converters through a double-delta source connected transformer | |
Denis et al. | Active rectifier with different control system types | |
JP6406877B2 (ja) | 分散型電源の制御装置及び分散型電源の制御方法 | |
US11283362B2 (en) | Series AC voltage regulator | |
RU2600572C2 (ru) | Способ регулирования напряжения и мощности | |
RU2400917C1 (ru) | Компенсированная система электроснабжения разночастотных потребителей электрической энергии | |
Rakshit et al. | Three phase, 10 kVA dual conversion type automatic AC voltage regulator-An approach based on Fuzzy Logic Controlled ĆUK converter and PI controlled three phase inverter | |
Qasim et al. | ADALINE based control strategy for three-phase three-wire UPQC system | |
Zinoviev et al. | Three-phase AC voltage regulator as part of an autonomous system | |
RU195453U1 (ru) | Многоуровневое устройство компенсации реактивной мощности и подавления высших гармоник тока | |
Sokol et al. | 18-pulse rectifier with electronic phase shifting and pulse width modulation | |
JPH0495882A (ja) | 試験用負荷設備 | |
RU176888U1 (ru) | Полупроводниковый выпрямитель | |
Khramshin et al. | Methodic of calculation of the non-sinusoidal voltage index within electrical networks with high-voltage frequency convertors | |
Zhu et al. | Neutral-point voltage waveform control method for mitigating the low-frequency ripple current in E-capless full-bridge inverter | |
Pyakuryal et al. | Ripple control in AC to DC converter | |
Sidorov et al. | Power electronic transformer based on AC voltage regulator | |
RU2402143C1 (ru) | Способ управления многофазным выпрямительным агрегатом | |
RU2819809C1 (ru) | Преобразователь частоты с устройством коммутации постоянного тока | |
Krystkowiak et al. | Simulation and experimental models of 3-phase diode rectifier with power electronics current modulator |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190724 |