Преобразователи переменного тока в постоянный с двунаправленными тиристорными вентилями

Аннотация

Преобразователь переменного тока в постоянный с использованием двунаправленных тиристорных вентилей, состоящий из соединенных друг с другом тиристоров в качестве вентилей преобразователя. Двунаправленные тиристорные вентили позволяют использовать преобразователь в качестве выпрямителя или инвертора при обеих полярностях напряжения на клеммах постоянного тока преобразователя. Двунаправленные вентили могут использоваться для предотвращения изменения полярности напряжения на клеммах постоянного тока преобразователя или для уменьшения величины обратного напряжения. Двунаправленные тиристорные вентили могут использоваться для обеспечения защиты от перенапряжения через вентили преобразователя и устранения или снижения номинальной мощности разрядников вентильного преобразователя. Преобразователи переменного тока в постоянный также могут быть оснащены некоторыми двунаправленными тиристорными вентилями в качестве вентилей преобразователя, при этом обычные тиристорные вентили сохраняются в других положениях вентилей преобразователя.

Предпосылки создания изобретения

Обычные преобразователи переменного тока в постоянный для мощных применений таких как передача постоянного тока используют тиристорные вентили для преобразования переменного тока в постоянный. Они могут работать как выпрямитель или инвертор выбирая соответствующие значения углов открывания. Поскольку направление протекания тока через эти вентили осуществляется только в одном направлении, полярность напряжения на клеммах постоянного тока, устанавливаемая путем регулировки углов открытия тиристоров, определяет направление потока мощности. Это верно не только для трехфазной мостовой схемы, используемой для передачи постоянного тока, но также и для любого типа преобразователей переменного тока в постоянный, использующих тиристорные вентили.

Обычная шести импульсная трехфазная мостовая схема показана на рис. 1а. Она же символически представлена на рис. 1б. В принципе рис. 1б может представлять любые преобразователи переменного тока в постоянный с использованием тиристорных вентилей, например, двенадцати импульсный преобразователь, обычно используемый для передачи постоянного тока, или однофазные преобразователи, используемые для источников питания постоянного тока низкого напряжения.

Обычная шести импульсная трехфазная мостовая схема показана на рис. 1а. Она же символически представлена на рис. 1б. В принципе рис. 1б может представлять любые преобразователи переменного тока в постоянный с использованием тиристорных вентилей, например, двенадцати импульсный преобразователь, обычно используемый для передачи постоянного тока, или однофазные преобразователи, используемые для источников питания постоянного тока низкого напряжения.

Рисунок 2 это принципиальная схема двухтерминальной системы передачи постоянного тока. В такой схеме направление мощности может быть легко изменено путем изменения полярности напряжения шины постоянного тока с помощью регулировки углов включения преобразователей двух терминалов. Однако в многотреминальной системе постоянного тока проблема изменения направлений мощности становится более сложной. Возьмите пример системы с тремя терминалами, показанной на рисунке 3. Преобразователи A и B работают как выпрямители, а преобразователь C работает как инвертор. Если кто&ndashто хочет изменить направление мощности в одном или двух из трех преобразователей, не изменяя направление мощности в остальных, это невозможно сделать, изменив полярность только шины постоянного тока. В схеме, показанной на рисунке 3, если необходимо изменить направление мощности только в преобразователе А, это можно сделать с помощью переключателей с изменением полярности, как показано на рисунке 4. Если все преобразователи должны иметь возможность изменять направление мощности без необходимости изменения направления мощности в других подключенных преобразователях, аналогичное устройство для переключения с изменением полярности должно быть предусмотрено на всех преобразователях. Такое расположение с изменением полярности требует дополнительных переключателей и повышенных требований к изоляции для преобразовательных трансформаторов, работы шины и/или конструкций вентилей. Необходимые операции переключения приводят к задержкам в изменении реверса мощности.

В биполярной системе передачи постоянного тока, один метод повышения доступности системы заключается в обеспечении распараллеливания преобразователей на двух полюсах, для работы однополярном режиме при отключении одного полюса линии передачи или кабеля.

Настоящее изобретение устраняет необходимость в переключателях с изменением полярности и более высоких требований к изоляции для преобразовательного оборудования в таких ситуациях. Это также обеспечивает дополнительные преимущества, которые будут объяснены позже.

Краткое описание рисунков

На рисунках с 1 по 4 представлены предшествующие уровни техники. Рисунок 1а это схема вентильного трехфазного мостового преобразователя. Рисунок 1б является символическим представлением схемы преобразователя рисунка 1а для использования на рисунках. 2, 3 и 4. На рисунке 2 представлен один полюс двухтерминальной системы передачи постоянного тока, показывающий, как можно изменить направление мощности без изменения направления тока через вентили преобразователя, но путем изменения полярности напряжения постоянного тока. На рисунках 3 и 4 показан один полюс трехтерминальной системы передачи постоянного тока, чтобы продемонстрировать, как изменения направления потока энергии в трехполюсной системе осуществляются с помощью переключателей изменения полярности. На рисунке 5 показана схема трехфазного мостового преобразователя с использованием двунаправленных тиристорных вентилей.

Подробное описание изобретения

В настоящем изобретении преобразователи переменного тока в постоянный используют двунаправленные тиристорные вентили, состоящие из соединенных друг с другом тиристоров, в качестве вентилей преобразователя.

Тиристоры могут быть подключены друг к другу несколькими способами, чтобы получить двунаправленный тиристорный вентиль. Для применения с низким напряжением, когда вентилю нужен только один уровень тиристора, двунаправленный тиристорный будет иметь два тиристора, при этом анодный вывод одного тиристора соединен с катодным выводом другого. Само по себе это может быть достигнуто двумя различными способами: два тиристора получают на одной пластине из полупроводникового материала, такого как кремний, или одну полупроводниковую пластину обрабатывают для получения двух тиристоров. В двунаправленном тиристоре с множеством уровней тиристоров, соединение «спина к спине» может быть получено последовательным соединением пар тиристоров, соединенных друг с другом, последовательным соединением двух цепочек последовательно соединенных тиристоров или последовательным соединением или последовательныме соединением спина к спине тиристорных модулей с количеством последовательных тиристоров в каждом модуле. В экономичной конструкции двунаправленного тиристорного вентиля тиристоры в двунаправленном вентиле могут совместно использовать многие вспомогательные части, связанные с тиристорными вентилями, включая, помимо прочего, такие элементы, как демпфирующие цепи, реакторы, части системы открывания управляющего электрода и системы охлаждения вентиля. Независимо от конструктивных деталей, важно то, что двунаправленный тиристорный вентиль функционально эквивалентен двум тиристорным вентилям с анодной клеммой одного вентиля, соединенной с катодной клеммой другого вентиля.

На рисунке 5 показана схема настоящего изобретения в том виде, в котором она применяется к трехфазной мостовой схеме. Каждый двунаправленный тиристорный вентиль показан на рисунке двумя тиристорными вентилями, соединёнными вплотную, с разными буквами – «F» для прямого хода и «R» для обратного хода – в их обозначениях для противоположных направлений протекания тока через два вентиля. Для преобразования переменного тока в постоянный или постоянного тока в переменный ток используются только вентили, проводящие в одном направлении, в качестве вентилей преобразователя, в то время как вентили, которые могут проводить в противоположном направлении, остаются заблокированными. Полярность напряжения постоянного тока преобразователя переменного тока в постоянный будет зависеть от того, работает ли преобразователь в качестве выпрямителя или инвертора, и от направления, в котором проводят двунаправленные тиристорные вентиили. На рисунке 5 гда клапаны, обозначенные буквой F – VF1, VF2, VF3, VF4, VF5 и VF6 м используются для преобразования переменного тока в постоянный ток, напряжение клеммы постоянного тока DCH будет положительным по отношению к клемме постоянного тока DCL, если преобразователь работает как выпрямитель и отрицательным, если преобразователь работает как инвертор. Если вентили с буквами R в их обозначениях используются для преобразования переменного тока в постоянный, то для работы выпрямителя напряжение на клемме DCH будет отрицательным по отношению к клемме DCL, а для работы в качестве инвертора – напряжение на клемме DCH будет положительным по отношению к клемме DCL. Следовательно, с помощью этого изобретения можно использовать преобразователь переменного тока в постоянный в качестве выпрямителя или инвертора с любой из двух полярностей напряжения на клемме постоянного тока без помощи устройства переключения с изменением полярности.

Преобразователи с двунаправленными тиристорными вентилями имеют и другие преимущества.

В одном применении, тиристоры, проводящие в одном направлении, могут использоваться для преобразования переменного тока в постоянный, в то время как тиристоры, которые могут проводить в противоположном направлении, могут использоваться для устранения или ограничения напряжения полярности, противоположного напряжению полярности преобразователя постоянного тока. Например, при использовании кабелей постоянного тока переполюсовка напряжения на кабелях создает сильные напряжения на кабелях постоянного тока. Преобразователь переменного тока в постоянный, подключенный к кабелю постоянного тока, может использовать один из соединенных спина к спине вентилей в качестве вентиля преобразователя, в то время как другие вентили работают, чтобы сформировать обходные пары, чтобы устранить или значительно уменьшить величину напряжения обратной полярности через его клемму постоянного тока при во время некоторых временных помех. Это может предоставить новые возможности для использования относительно дешевых цельных диэлектрических кабелей постоянного тока с тиристорными вентильными преобразователями – преобразователей с истоником тока вместо более дорогих и с большими потерями преобразователей с источником напряжения.

Тиристорные вентили для преобразователей переменного тока обычно имеют защиту от перенапряжения двумя различными способами. Для перенапряжений в прямом направлении вентили защищены защитой от коммутации. Такая защита может осуществляться пассивно с помощью БПК или электронного эквивалента БПК или активно с помощью коммутации при обнаружении условий возможного перенапряжения. Вентильные предохранители обеспечивают защиту от перенапряжения в обоих направлениях, но необходимы в первую очередь для защиты от перенапряжений в обратном направлении. В преобразователях с двунаправленными тиристорными вентилями, защита от перенапряжений в обоих направлениях может обеспечиваться только коммутацией. Защитная коммутация одного из двух соединенных между собой вентилей может использоваться для обеспечения защиты от перенапряжений в прямом направлении для себя, а также для защиты от перенапряжений в обратном направлении для другого вентиля. Таким образом можно будет устранить недостатки вентилей. Если для повышения надежности защиты от перенапряжения разработчик сохраняет разрядник вентиля, то предохранитель может использоваться для минимизации номинальной мощности разрядников.

Изобретение также охватывает случай, в котором преобразователь переменного тока в постоянный имеет некоторые двунаправленные вентили и некоторые обычные тиристорные вентили. Такое расположение может быть полезно в определенных применениях. Преобразователи переменного тока в постоянный, имеющие большую емкость на стороне постоянного тока, например, при передаче постоянного тока с двенадцатью импульсными преобразователями и длинными кабелями постоянного тока, для защиты от перенапряжения вентилей, подключенных к клеммам высокого напряжения выпрямителя, могут потребоваться разрядники с относительно высокой номинальной мощностью. В таких ситуациях, чтобы исключить или снизить номинальную мощность разрядников вентилей, подключенных к клеммам высокого напряжения, преобразователи могут быть снабжены двунаправленными вентилями для вентилей, подключенных к клеммам высокого напряжения, в то время как из-за экономических соображений традиционные тиристорные вентили используются в других местах вентильного преобразователя.

Изобретение применимо к любому типу схемы преобразователя переменного тока в постоянный, с однофазным или многофазным переменным током и с или без преобразовательных трансформаторов.

Я утверждаю:

1. Преобразователь переменного тока в постоянный с двунаправленными тиристорными вентилями состоит из подключенных друг к другу тиристоров в качестве преобразовательных вентилей, которые могут работать с двумя разными полярностями через свои клеммы постоянного тока, выбирая один или другой из подключенных друг к другу тиристоров для преобразования переменного тока в постоянный, при котором защитное срабатывает подключенных друг к другу тиристоров используется для защиты от перенапряжений обеих полярностей через двунаправленные тиристорные вентили.

2. Преобразователь переменного тока в постоянный с двунаправленными тиристорными вентилями, состоит из подключенных друг к другу тиристоров в качестве преобразовательных вентилей, которые могут работать с двумя разными полярностями на его клеммах постоянного тока, выбирают один или другой из соединенных друг с другом тиристоров для преобразования в постоянный ток, в котором тиристоры двунаправленных тиристорных вентилей, проводящих в одном направлении, используются для преобразования переменного тока в постоянный ток, а тиристоры, проводящие в противоположном направлении, используется для устранения или минимизации величины обратное напряжение на клеммах постоянного тока преобразователя

3. Преобразователь переменного тока в постоянный с двунаправленными тиристорными вентилями, состоит из соединенных друг с другом тиристоров в качестве вентилей преобразователя и, по меньшей мере, одного тиристорного вентиля, в котором используется защитное ограничение подключенных друг к другу тиристоров для защиты от перенапряжения обеих полярностей через двунаправленные тиристорные вентили.

4. Преобразователь переменного тока в постоянный с двунаправленными тиристорными вентилями состоит, из соединенных друг с другом тиристоров в качестве вентилей преобразователя и, по меньшей мере, одного обычного тиристорного вентиля в качестве вентильного преобразователя, в котором тиристоры двунаправленных тиристорных вентилей проводящие одном направлении используются для преобразования переменного тока в постоянный ток, а тиристоры, проводящие в противоположном направлении, используются для устранения или минимизации величины обратного напряжения на клеммах постоянного тока преобразователя.