Застосування потужного автотрансформаторного або трансформаторного фільтра струмів нульової послідовності як стабілізатора потенціалів лінійних та/або нульової фаз

Реферат: Винахід належить до електроенергетики та електротехніки і може бути використаний для перемикання низьковольтних та високовольтних мереж без знеструмлення відповідальних приймачів і енергорайонів, для стабілізації та зустрічного регулювання напруги мережі, для зменшення втрат енергії та нагріву трансформаторів, для підвищення надійності роботи та живучості мереж, наприклад, при обриві одного з проводів. Такий ефект одержано шляхом застосування потужного автотрансформаторного або трансформаторного фільтра струмів нульової послідовності як стабілізатора потенціалів лінійних та/або нульової фаз багатофазних електричних кіл. Стабілізатор потенціалів лінійних та нульової фаз багатофазних електричних кіл має скорочену назву ″Стабілізатор фаз″, який стабілізує фазні та лінійні напруги електричного кола, навіть при обриві однієї з фаз, забезпечує врівноваженість режиму живильної мережі та навантаження при аварійний режимах, усуває вищі гармоніки напруг та струмів, забезпечує параметричне пряме та зворотне перетворення багатофазних симетричних та несиметричних систем напруг та струмів, включаючи електромеханічні системи. Ефективність застосування потужного автотрансформаторного або трансформаторного фільтра струмів нульової послідовності як стабілізатора фаз підтверджена у лабораторних умовах. UA 101763 C2 (12) UA 101763 C2 UA 101763 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Застосування потужного автотрансформаторного або трансформаторного фільтра струмів нульової послідовності як стабілізатора фаз належить до електротехніки та електроенергетики. Це застосування призначене для використання в низьковольтних та високовольтних електроенергетичних системах, наприклад, у багатофазній багатопровідній передачі змінного струму та в електричних і електродинамічних системах багатофазного змінного струму, наприклад, у системах "лінія-трансформатор", "лінія-двигун", "лінія - генератор", "лініяавтотрансформатор" тощо. Таке застосування автотрансформаторного або трансформаторного фільтра струмів нульової послідовності як стабілізатора фаз використовується при порушенні нормального симетричного режиму трифазного електричного кола, наприклад, електричної мережі. Причинами вказаного порушення можуть бути аварійні режими, пов'язані з обривом одного або декількох проводів лінії мережі (ожеледь, повалені дерева, ненадійне кріплення, вібрація проводів, бурі, механічні пошкодження тощо) або ж перегорання або обриви однієї або декількох секцій обмоток машин змінного струму (генераторів або двигунів), накидах несиметричного навантаженнях та коротких замиканнях. Відоме послідовне з'єднання R-L або R-C, або ж R-L-C двополюсників, крайні виводи яких приєднані до затискачів джерела напруги змінного струму, для створення штучної фази. Точки (вузли) з'єднання двополюсників R, L або С між собою утворюють штучні фази електричного кола. Такі штучні фази широко використовуються у пристроях вимірювання, захисту та сигналізації. Недолік вказаних послідовних з'єднань - порівняно великий опір короткого замикання штучних фаз на землю, а застосування резисторів вносить великі втрати електроенергії. Відоме застосування автотрансформаторів та трансформаторів як засобу для створення штучних фаз в електричних колах. Недолік - струми намагнічування, які підвищують опір короткого замикання штучних фаз на землю та викликають споживання реактивної енергії. Відоме застосування фільтра напруг або струмів нульової послідовності як засобу для зменшення несиметрії напруг та струмів основної та вищих гармонік за нульовою послідовністю [1-28, 33]. Таке застосування дає можливість усунути струми намагнічування та на порядок зменшити опір нульової послідовності у порівнянні з опорами живильного трансформатора. У зв'язку з тим, що у науковій, технічній та патентній літературі мало уваги приділено визначенню понять та видів "фільтрів нульової послідовності", внесемо такі пояснення: - фільтри напруг або струмів нульової послідовності, потужності яких не перевищують 15 вольтампер, названі вимірювальними фільтрами напруг або струмів нульової послідовності; у варіантах виконання такі фільтри містять малогабаритні трансформатори або автотрансформатори та пасивні елементи, наприклад резистори або конденсатори і такі фільтри також називають трансформаторними та автотрансформаторними; - фільтри напруг або струмів нульової послідовності, потужності яких перевищують 15 вольтампер і досягають 5000000 вольтампер і більше, і які не містять пасивних елементів, тобто елементів R, L або С, названі потужними автотрансформаторними або трансформаторними фільтрами струмів нульової послідовності. Відомий потужний автотрансформаторний або трансформаторний перший фільтр струмів нульової послідовності [1-4, 6, 9,10, 13-15, 17,18, 22, 23, 25-32, 38], який містить обмотки, з'єднані у трипроменеві або багатопроменеву зірку. Такий фільтр має порівняно малий опір струмам нульової послідовності, оскільки не містить реактивної складової опору обмоток і визначається лише резистивною складовою обмоток фільтра. Перший фільтр застосовується для зменшення несиметрії напруг та струмів основної гармоніки. Але з часу винаходу Менке [14, 9, 22], який показав ефективність застосування цього фільтра для істотного зменшення вищих гармонік напруг та струмів, порядковий номер яких кратний трьом, такий фільтр знаходить широке застосування для зменшення спектрального складу напруги та струмів у низьковольтних мережах 50Гц та 60 Гц. Недолік фільтра - галузь застосування такого фільтра обмежена, оскільки фільтр застосовується для зменшення несиметрії фазних напруг та струмів основної гармоніки та гармонік, порядковий номер яких кратний трьом. Відомий потужний автотрансформаторний або трансформаторний другий фільтр струмів нульової послідовності [2, 3, 5, 7, 8,10-14, 16, 19-22, 24, 28, 29, 35, 36], який містять обмотки, з'єднані у трикутник або багатокутник. Цей фільтр має порівняно більший опір струмам нульової послідовності, зокрема у випадку з'єднання обмоток у трикутник. Самостійно другий фільтр практично не застосовується через гірші масо-габаритні характеристики порівняно з першим фільтром, виконаним за схемою зірки. Відомий потужний автотрансформаторний або трансформаторний комбінований фільтр струмів нульової послідовності [3, 5, 9, 11-14, 21, 22, 24], який містить принаймні два попередні фільтри у таких варіантах: перший варіант - два і більше перших фільтрів струмів нульової 1 UA 101763 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 послідовності, другий варіант - два і більше других фільтрів струмів нульової послідовності, третій варіант - принаймні один перший фільтр та принаймні один другий фільтр. Найбільше застосування набув фільтр третього варіанта, який складається з одного першого та одного другого фільтра. У третьому, найбільш вживаному варіанті, роль другого фільтра виконують три первинні обмотки трансформатора, ввімкнені у трикутник, а перший фільтр містить шість обмоток, ввімкнених за схемою зиґзаґ або лямбда. Недолік комбінованого фільтра - сфера застосування фільтра обмежена відомими властивостями потужного автотрансформаторного або трансформаторного фільтра струмів нульової послідовності, а саме малим опором нульової послідовності. Серед аналогів не виявлено прототипу через те, що всі відомі аналоги автотрансформаторних або трансформаторних фільтрів струмів нульової послідовності мають один недолік – застосування, обмежене властивістю зменшувати несиметрію напруг та струмів нульової послідовності основної та вищих гармонік. Інші застосування та властивості автотрансформаторних або трансформаторних фільтрів струмів нульової послідовності відсутні у патентній та науковій літературі. Через це нами поставлена задача: розширити область застосування потужного автотрансформаторного або трансформаторного фільтра струмів нульової послідовності. Поставлена задача розв'язана шляхом виявлення та застосування нових його властивостей, а саме: Шляхом застосування потужного автотрансформаторного або трансформаторного фільтра струмів нульової послідовності як стабілізатора потенціалів лінійних та/або нульової фаз багатофазного електричного кола, названого скорочено стабілізатором фаз. Шляхом застосування потужного автотрансформаторного або трансформаторного фільтра струмів нульової послідовності як стабілізатора фаз для генерування принаймні однієї напруги у принаймні одній обірваній фазі багатофазного електричного кола, наприклад, багатофазної лінії мережі. Шляхом застосування потужного автотрансформаторного або трансформаторного фільтра струмів нульової послідовності як стабілізатора фаз, який генерує симетричні складові напруг прямої, зворотної та нульової послідовностей у принаймні одному проводі принаймні однієї обірваної фази електричного кола, наприклад, у багатофазній лінії мережі. Шляхом застосування потужного автотрансформаторного або трансформаторного фільтра струмів нульової послідовності як стабілізатора фаз, який параметрично перетворює та врівноважує режими принаймні двох частин багатофазного електричного кола, зокрема електродинамічних систем. Шляхом застосування потужного автотрансформаторного або трансформаторного фільтра струмів нульової послідовності як стабілізатора фаз, який параметрично перетворює та врівноважує режими принаймні двох частин багатофазного електричного кола, перша з яких має симетричний режим, а друга частина кола має несиметричний режим і навпаки. Шляхом застосування потужного автотрансформаторного або трансформаторного фільтра струмів нульової послідовності як стабілізатора фаз, який виконує параметричне перетворення та врівноваження режимів принаймні двох частин багатофазного електричного кола, обидві частини яких мають несиметричні режими. Шляхом застосування потужного автотрансформаторного або трансформаторного фільтра струмів нульової послідовності як стабілізатора фаз, який виконує параметричне врівноваження режимів частин електричної та/або електромеханічної систем, наприклад "лінія-двигун", "лініягенератор", "лінія-трансформатор" або "лінія-автотрансформатор", кожна частина яких працює при симетричному та/або несиметричному режимах. Стабілізатор фаз має такі властивості: - генерувати принаймні одну напругу у принаймні одній обірваній фазі багатофазного електричного кола, наприклад, в багатофазній мережі або/та в електричній машині змінного струму; - генерувати симетричні складові напруг прямої, зворотної та нульової послідовностей у принаймні одному проводі принаймні однієї обірваної фази електричного кола, наприклад, в багатофазній мережі або/та в електричній машині змінного струму; - виконувати параметричне перетворення та врівноваження режимів принаймні двох частин багатофазного електричного кола, перша з яких має симетричний режим, а друга частина кола має несиметричний режим і навпаки; - виконувати параметричне врівноваження режимів частин електричної та/або електромеханічної систем, наприклад "лінія-двигун", "лінія-трансформатор", "лінія 2 UA 101763 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 автотрансформатор", або "лінія-генератор", кожна частина яких працює при симетричному та/або несиметричному режимах. Однією з умов роботи стабілізатора фаз є відсутність намагнічування стрижнів магнітопроводу робочими струмами, які протікають по обмотках стабілізатора фаз. Ця умова виконується також у автотрансформаторному або трансформаторному фільтрі струмів нульової послідовності. Досвід застосування автотрансформаторного або трансформаторного фільтра струмів нульової послідовності як стабілізатора фаз у різних галузях електротехніки показав значну ефективність. Для кращого розуміння суті винаходу розглянемо креслення, подані на фіг. 1-7. На фіг.1 показані дві ламані лінії, кожна з яких у своєму складі має однакові відрізки. На фіг.2 подане топографічне зображення двох двоелементних двополюсників, пов'язаних між собою взаємною індуктивністю. На фіг.3 дана принципова схема стабілізатора фаз, який має властивість генерувати напругу у штучній фазі електричного кола. На фіг.4 накреслене топографічне зображення трифазного стабілізатора фаз, виконаного у вигляді трьох двополюсників, пов'язаних між собою взаємною індуктивністю за схемою зиґзаґ. На фіг.5, а, б та в зображенні етапи перетворення несиметричного режиму в симетричний режим за допомогою трифазного стабілізатора фаз, виконаного за схемою Скотта. На фіг.6 показане топографічне зображення трифазного стабілізатора фаз, виконаного у вигляді трьох триелементних двополюсників, пов'язаних між собою взаємними індуктивностями. На фіг.7 показане топографічне зображення шестифазного стабілізатора фаз без нульової фази, виконаного у вигляді дванадцятиобмоткового трифазного автотрансформатора, обмотки якого ввімкнені у шестикутник. На фіг.1 позначено: 1-3 - кінці відрізків ламаної лінії 13; 4-6 - кінці відрізків ламаної лінії 46; 23 та 56 - рівні за величиною та напрямком відрізки двох ламаних ліній 13 та 46. На фіг.2 позначено: В, С та 0 - затискачі двох лінійних та нульової фаз відповідно; А затискач штучної фази; 7 та 9 - елементи електричного кола довільного характеру; 8 та 11 обмотки трансформатора міжфазного електромагнітного зв'язку; 10 - магнітопровід трансформатора; Μ - взаємна індуктивність між обмотками 8 та 11; Uво та Uco - фазні напруги; с та в - точки з'єднання двох елементів. На фіг.3 позначено: 12,13 та 16 - довільні складові елемента, який має позначку 9 на фіг.2; 14,15 та 17 - довільні складові елемента, який має позначку 7 на фіг.2; 18 та 20 - обмотки першого допоміжного трансформатора; 19 та 21 - обмотки другого допоміжного трансформатора; в та с - точки (вузли) з'єднань; решта позначень співпадає з позначеннями фіг.2. На фіг.4 позначено: 23-28 - обмотки фільтра струмів нульової послідовності, які ввімкнені у зиґзаґ; решта позначень співпадає з позначеннями фіг.2 та фіг.3. На фіг.5 позначено: In, Ів та Іс - струми в проводі нейтралі, проводі фази В та проводі фази С відповідно; И - І8 - струми в обмотках фільтра струмів нульової послідовності, виконаному за схемою Скота; 29-32 - обмотки фільтру струмів нульової послідовності; решта позначень співпадає з позначеннями фіг.2. На фіг.6 wa, wв та wс - основні обмотки 35, 38 та 41 фільтра струмів нульової послідовності відповідно; wa/2, wв/2 та wc/2 - допоміжні обмотки 33,34, 36,37, 39 та 50 фільтра струмів нульової послідовності, кількість витків у яких удвічі менша, наприклад, удвічі від кількості витків основних обмоток; решта позначень співпадає з позначеннями фіг.2. На фіг.7 позначено: D, F, Ε - позначення другої частини фаз шестифазної системи напруг А, В, С, D, F, Ε фільтра струмів нульової послідовності; d, f, e - позначення другої частини точок (вузлів) з'єднань обмоток шестифазного стабілізатора фаз (a, в, c, d, f, e); 42-53 - обмотки фільтра; решта позначень співпадає з позначеннями фіг.2-фіг.4. Склад та будова автотрансформаторного або трансформаторного фільтра струмів нульової послідовності, який використовується як стабілізатор фаз. Основою створення фільтра струмів нульової послідовності є наявність взаємної індуктивності М, обмотки якої ввімкнені у електричних колах різних фаз. Обмотка 8 ввімкнена у коло фази С, а обмотка 11 ввімкнена у коло фази В. У більшості варіантів виконання обмотки 8 та 11 мають однакові кількості витків і розміщені на магнітопроводі 10. У фільтрі струмів нульової послідовності існує міжфазний зв'язок між фазами 0, В та С Цей зв'язок реалізований за допомогою взаємної індуктивності М. Нульова фаза 0 та лінійні фази В та С приєднані до джерела напруг, тому мають малий внутрішній опір і тому придбали назву нерухомих. Вузли в та с є рухомими вузлами через значні резистивні та реактивні опори короткого замикання цих вузлів. Вузол А не зв'язаний із джерелом живлення і на початку розглядається як незв'язаний з 3 UA 101763 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 колом фільтра струмів нульової послідовності. При новому застосуванні вказаного фільтра як стабілізатора фаз виникає перша задача: створити штучну фазу А з малим внутрішнім опором (опором короткого замикання), меншим від опорів навантаження, а у ряді варіантів - меншим від опору джерела живлення. Елементи 7 та 9 можуть бути довільними активними та пасивними елементами кола, наприклад, резистивними (фіг.2). На фіг.3 показано, що елемент 9 може мати резистивну R (12), ємнісну С (13) та/або індуктивну L (17) складові. Аналогічно, елемент 7 може мати резистивну R (14), ємнісну С (15) та/або індуктивну L (18) складові. Крім цього, елементи 7 та 9 можуть мати у своєму складі джерела напруги або струму. Наприклад, до них можуть бути приєднані обмотки 19 та/або 20 трансформаторів (фіг.3). Через вторинні обмотки 21 та 22 фаза А приєднана до вузла 0. Таке з'єднання фільтра струмів нульової послідовності забезпечує створення нової штучної фази А, для якої характерним є різке зменшення внутрішнього опору до резистивного опору обмоток. Отже, при вказаному використанні фільтрів струмів нульової послідовності набуває більшості властивостей стабілізатора фаз. Шляхом еквівалентних перетворень схема фільтра струмів нульової послідовності фіг.3 може бути перетворена у схему фіг.4, у якій обмотки 23-28 фільтра струмів нульової послідовності ввімкнені у зиґзаґ і розміщені на стрижнях тристрижневого магнітопроводу. Можна зробити попередній висновок про можливість застосування всіх варіантів виконання фільтрів струмів нульової послідовності як стабілізатора фаз. Такими варіантами виконання фільтрів струмів нульової послідовності є: схема лямбда; схема зиґзаґ; схема Скотта; Α-подібна схема; схема з однофазними трансформатором та автотрансформатором; дво-та триобмоткові схеми "сніжинка" при довільній кількості фаз; схеми "піврогач"; схема трикутника (схема ввімкнення обмоток у трикутник); схеми ввімкнення обмоток у багатокутник, наприклад, у шестикутник; комбіновані схеми фільтрів струмів нульової послідовності. На фіг.5 зображені етапи перетворення несиметричного неповнофазного режиму (фіг.5,а) трифазного електричного кола в симетричний режим (фіг.5,в) за допомогою трифазного фільтра струмів нульової послідовності, виконаного за схемою Скотта (фіг.5,б). Схема Скотта подана Т-подібною схемою, яка містить обмотки 29-32. На фіг.6 показане топографічне зображення фільтра струмів нульової послідовності, виконаного у вигляді трьох триобмоткових двополюсників, пов'язаних між собою взаємними індуктивностями. Триобмотковий двополюсник, який ввімкнений між фазами О та А, містить: послідовне з'єднання основної обмотки wa та двох допоміжних обмоток wв/2 та wc/2; послідовне з'єднання основної обмотки wв та двох допоміжних обмоток wa/2 та wc/2; послідовне з'єднання основної обмотки we та двох допоміжних обмоток wa/2 та we/2. Одні крайні виводи трьох послідовних з'єднань обмоток між собою ввімкнені у трипроменеву зірку, з'єднану з нульовою фазою, а кожен один другий вивід кожного послідовного з'єднання по одному приєднаний до одного нерухомого вузла, причому комбінація із трьох нерухомих вузлів належить джерелу напруги стабілізатора фаз, а четвертий нерухомий вузол має потенціал штучної фази стабілізатора фаз. На фіг.7 показане топографічне зображення шестифазного фільтра струмів нульової послідовності, без нульової фази, виконаного у вигляді дванадцятиобмоткового трифазного автотрансформатора, обмотки 33-44 якого ввімкнені у шестикутник. Принаймні три нерухомі вузли із шести, наприклад, А, В та С належать джерелу напруги стабілізатора фаз, а принаймні один з трьох нерухомих вузлів має потенціал штучної фази стабілізатора фаз, наприклад вузол F. Вузли а, в, c, d, f, е у більшості випадків є рухомими вузлами, практично не впливаючих на величину та фазу потенціалів штучних фаз багатофазного стабілізатора фаз. Робота фільтра струмів нульової послідовності в режимі стабілізатора фаз протікає так. Стабілізатор фаз містить міжфазні зв'язки, які створюються котушками із взаємною індуктивністю, наприклад, спеціальними однофазними трансформаторами. Відмінність таких трансформаторів від інших трансформаторів полягає у тісному електромагнітному зв'язку між двома обмотками. У спеціальному однофазному трансформаторі провідники обмоток укладені так, що магнітний потік розсіювання, створюваний робочими струмами, практично дорівнює нулю. Це означає, що напруги на обмотках таких трансформаторів можна подати у вигляді двох рівних паралельних векторів. Для пояснення роботи стабілізатора фаз доведемо теорему 1. Теорема 1. Сума двох векторів, кожен з яких містить рівні за величиною та протилежні за напрямком складові, дорівнює сумі двох інших складових цих векторів. Дано: Два вектори 31 та 46 (фіг.1), кожен з яких містить складові 32 та 56, які рівні за величиною та протилежні за напрямком, тобто 32 = - 56. Довести, що 31+46=21+45. Доведення: 31+46=32+21+45+56 = -56+21+45+56=21+45………………………(1) 4 UA 101763 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 На фіг.2 показане топографічне зображення двох двоелементних двополюсників ОВ та ОС. Однофазний трансформатор з тісним магнітним зв'язком має магнітопровід 10 і обмотки 8 та 11, які пов'язані між собою взаємною індуктивністю М. Якщо напруги на елементах кола 7-9,11 позначити U7, U8, U9, U11, а вхідну систему фазних напруг подати у вигляді U0b та U0c, при умові U8 = - U11, то із застосуванням наслідків теореми 1, зокрема виразу (1), одержимо: U7 та U9C=U0b+U0c (2) -j2/3 j2/3 Якщо U0b=Uф*е та Uoc=Uo*e , то вираз (2) має конкретне значення: U7 тa U9 = -Uф (3) Із (2) та (3) випливають такі властивості стабілізатора фаз: 1. сума напруг U7 та U9 на електротехнічних елементах 7 та 9 відповідно дорівнює конкретному значенню, наприклад, фазній напрузі зі знаком мінус; 2. ця сума не залежить від величини опорів елементів 7 та 9; 3. ця сума залежить від векторної суми фазних напруг U0b+U0c системи живлення; якщо сума Uob+Uoc дорівнює нулеві, створення потенціалу штучної фази неможливе; у загальному випадку створення штучної фази можливе при умові, якщо симетричні складові напруг прямої та зворотної послідовностей системи живлення неоднакові та непротилежні за фазою; 4. якщо суму векторних напруг додати і змінити знак на протилежний, то можна одержати потенціал штучної фази А, тобто перетворити несиметричну систему живлення "дві фази нуль" у повністю симетричну систему. На фіг.3 подана принципова схема стабілізатора фаз, який має властивість генерувати напругу у штучній фазі А електричного кола. Робота цього стабілізатора ґрунтується на четвертій властивості стабілізатора фаз. Зазначимо, що при подачі на фази 0, В та С несиметричної системи напруг "дві фази-нуль" на виході стабілізатора фаз, тобто на затискачах А, В, С, 0 має місце симметрична система напруг. Схема стабілізатора виявляється працездатною при відсутності елементів (опорів) 7 та 9 або їх одного, або декількох складових. Особливістю цього стабілізатора є те, що напруга штучної фази А одержана шляхом підсумовування напруг U0в та U0c за допомогою обмоток 18 та 19, гальванічної розв'язки первинних та вторинних напруг за допомогою однофазних трансформаторів та зміни фази напруг на 180°. Створення штучної фази за умови наявності принаймні трьох фаз живильної мережі. Якщо у попередньому режимі створення штучної фази відбувалось у фазі А, то недоліком стабілізатора фаз фіг.3 є те, що при створенні штучної фази В, необхідно перемикати первинні обмотки однофазних трансформаторів з обмотками 18-21. Відомо, що перемикачі вносять ненадійність у роботу пристроїв. Тому недоліків цього стабілізатора фаз можна уникнути при умові, якщо три однофазні трансформатори з обмотками 8, 11, 18-21 ввімкнені за схемою зиґзаґ. У іншому варіанті обмотки 8, 11, 18-21 розміщені на трьох стрижнях тристрижневого автотрансформатора (фіг.4) і ввімкнені у зиґзаґ. Одержані стабілізатори фаз, показані на фіг.3 та фіг.4 є типовими трансформаторним та автотрансформаторним фільтрами струмів нульової послідовності. Отже, установлено, що типовий трансформаторний або автотрансформаторний фільтр струмів нульової послідовності може бути застосований як стабілізатор фаз. Зазначимо, що потенціал фази А завжди синхронний з частотою мережі, і незначно залежить від величини навантаження трифазної системи напруг. Для визначення можливості практичного застосування фільтра струмів нульової послідовності як стабілізатора фаз необхідно розглянути його урівноважуючі властивості. Система електроживлення є врівноваженою, якщо її пульсуюча потужність дорівнює нулю. N=3U1*I2+3U2*I1+3U0*I0=0, (4) де: U1, U2, U0 - симетричні складові у векторній формі багатофазних напруг прямої, зворотної та нульової послідовностей відповідно; І1, І2, І0 - симетричні складові у векторній формі багатофазних струмів прямої, зворотної та нульової послідовностей відповідно. Урівноважуючі властивості вказаних фільтрів розглянемо для випадку обриву фази А живильної трифазної мережі, показаної затискачами А, В, С, О (фіг.5,а). До приймальних кінців мережі приєднаний фільтр струмів нульової послідовності, виконаний за схемою Скотта (фіг.5,6). Обмотки 29-32 розміщені на двох стрижнях тристрижневого магнітопроводу. На першому стрижні розміщені обмотки 29 та 30, а на другому стрижні розміщені обмотки 31 та 32. До затискачів фільтра струмів нульової послідовності приєднане симетричне навантаження, топографічне зображення якого показане на фіг.5,в. Для кращого розуміння процесів у фільтрі величину модулів фазних напруг та струмів навантаження приймемо рівними одиниці (1,0). При симетрії напруг та струмів трифазного приймача, тобто при рівностях UA=UB=UC та ІА=ІВ=ІС (5) 5 UA 101763 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 струм у нульовій фазі навантаження відсутній (Ін = 0). У фазах А, В та С протікають струми ІА, IB та ІС, показані на фіг. 5,в. Оскільки напруги та струми на виході фільтра симетричні, то для симетричних складових напруг та струмів можна записати: U1=1,0; U2=0;I0=0; І1=0; І2=0; Ι0=0 (6) Пульсуючу потужність на виході фільтра запишемо з врахуванням даних (6). Одержимо Νβиχ. = 0 (7) За струмами ІА, IB та ІС навантаження визначені струми І1 - І8 в обмотках фільтра, виконаного за схемою Скотта. За струмами фільтра визначені струми у трифазній мережі j120 1/2 -j120 1/2 j120 IN=3,0*е °; Іа=0; Ів = (3) *e °; Ic = (3) *e ° (8). Визначимо симетричні складові струмів на вході системи живлення при обриві фази А. 1/2 -j150 j120 1/'2 j150 j240 I1 = (0 +(3) *e ° *e ° + (3) *e °*e °)/3=1,0; (9) 1/2 -j150 j240 1/'2 j150 j120 I2 = (0 +(3) *e ° *e ° + (3) *e °*e °)/3=0,0; (10) 1/2 -j150 1/'2 j150 I0 = (0 +(3) *e ° + (3) *e °)/3 =-1,0 (11) Напруги мережі після обриву запишемо у вигляді: -j120 j120 Ua=0; Ub=Uф*е °; Uc=Uф*е ° (12) Визначимо симетричні складові напруг на вході системи живлення при обриві фази А. -j120 j120 j120 j240 U1 = (0+1*e ° *e ° + 1,0*e °*e °)/3=2/3; (13) -j120 j240 j120 j120 U2 = (0+1,0*e ° *e ° + 1,0*e °*e °)/3 =-1/3; (14) -j120 j120 U0 = (0+1,0*e ° + 1,0*e °)/3 =-1/3 (15) Підстановка виразів (9)-(11) та (13)-(14) в (4) дає: Νβχ = 0 (16) Із порівняння (7) та (16) витікає, що при симетричному режимі навантаження фільтра урівноважений режим має місце не тільки на виході фільтра, але і на його вході. Отже фільтр має такі властивості: 1. фільтр не вносить додаткових пульсуючих потужностей; 2. режим урівноваження властивий входу, виходу та власне фільтру; 3. режим урівноваження властивий входу, виходу та власне фільтру не залежить від потужності навантаження виходу фільтра, отже є параметричним; 4. фільтр має властивості узгодження несиметричного режиму входу фільтра з симетричним режимом виходу фільтра. Ці властивості підтверджені експериментально. З огляду на виявлені властивості робимо висновок, про те, що автотрансформаторний або трансформаторний потужний фільтр струмів нульової послідовності може бути застосований як стабілізатор фаз багатофазної мережі. За допомогою теорем 2 та 3 доведемо, що більш складні фільтри струмів нульової послідовності також можуть застосовуватись як стабілізатори фаз. Розглянемо потужний автотрансформаторний фільтр променевого типу, топографічне зображення якого показане на фіг.6. Фільтр виконано за схемою "піврогач". На кожному стрижні тристрижневого магнітопроводу розміщені три обмотки, числа витків яких відносяться як 2:1:1. Доведемо за допомогою теореми 2, що напруга фази А може бути створена за допомогою штучної фази, генерованої фільтром. Терема 2. Сума векторів двох фазних напруг U0b та U0c двох фаз системи живлення, причому кожен з цих векторів є сумою трьох складових, які є векторами напруг обмоток фільтра, кожна з яких розміщена на різних стрижнях магнітопроводу, і дві з цих обмоток мають удвічі меншу кількість витків ніж третя обмотка, дорівнює з від'ємним знаком напрузі штучної четвертої фази U0a. Дано: Два вектори U0b та U0c системи живлення (фіг.6), кожен з яких розкладений на три складові, причому кожна складова вектора є напругою обмотки автотрансформатора U36-U38 та U39-U41 відповідно; серед складових вектора два вектори рівні між собою за величиною і удвічі менші за третій вектор. Довести, що U0a = - (U0b+U0c). Доведення: U38-U36-U37+U41-U39-U40=U0b+U0c; (17) Uwв - Uwc/2-Uwa/2+Uwc-Uwа/2-Uwв/2=U0B+U0с, (18) -Uwa+Uwc/2+Uwв/2=U0B+U0с (19) U0a = - (U0b+U0c) (20) Отже напруга штучної фази А дорівнює сумі фазних напруг системи живлення, взятій з протилежним знаком. Таким чином і більш складний променевий потужний фільтр струмів нульової послідовності має властивості стабілізатора фаз. Розглянемо потужний автотрансформаторний фільтр кільцевого типу, топографічне зображення якого показане на фіг.7. Фільтр виконано за схемою "шестикутник". На кожному стрижні тристрижневого магнітопроводу розміщені чотири обмотки, числа витків яких 6 UA 101763 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 відносяться як 1:1:1:1. Доведемо за допомогою теореми 3, що напруга фази Ε може бути створена за допомогою штучної фази, генерованої кільцевим фільтром. Терема 3. Сума векторів двох фазних напруг Udc та Udf двох фаз системи живлення, причому кожен з цих векторів є сумою двох складових, які є векторами напруг обмоток фільтра, кожна з яких розміщена на різних стрижнях магнітопроводу, дорівнює з від'ємним знаком напрузі штучної четвертої фази Ufe. Дано: Два вектори Udc та Udf системи живлення (фіг.7), кожен з яких розкладений на дві складові, причому кожна складова вектора є напругою обмотки автотрансформатора U42-U53; складові вектора рівні за величиною. Довести, що Ufe = - (Udc та Udf). Доведення: U47-U46-U48+U49=Udc та Udf; (21) - (U46-U49) = Udc та Udf; (22) -U46=U51; U49=U50 (23) Ufe = -(Udc та Udf) (24) Отже напруга штучної фази Е (Ufe) дорівнює сумі фазних напруг Udc та Udf системи живлення, взятій з протилежним знаком. Таким чином, і більш складний кільцевий потужний фільтр струмів нульової послідовності має властивості стабілізатора фаз. Галузь застосування. Лабораторні дослідження підтвердили вищенаведені властивості фільтра струмів нульової послідовності, застосованого як стабілізатор фаз. Вище вказані властивості параметричного перетворення мають місце не тільки у трифазних мережах з проводом нульової фази, але і в інших багатофазних мережах, наприклад, шестифазних, які на даний час є перспективними. Стабілізатор потенціалів лінійних та/або нульової фаз багатофазних електричних кіл має скорочену назву "Стабілізатор фаз", який стабілізує фазні та лінійні напруги електричного кола, навіть при обриві однієї з фаз, забезпечує врівноваженість режиму живильної мережі та навантаження при аварійний режимах, усуває вищі гармоніки напруг та струмів, забезпечує параметричне пряме та зворотне перетворення багатофазних симетричних та несиметричних систем напруг та струмів. Включаючи електромеханічні системи. Винахід може бути використаний: для перемикання низьковольтних та високовольтних мереж без знеструмлення відповідальних приймачів і енергорайонів; для стабілізації та зустрічного регулювання напруги мережі; для зменшення втрат енергії та нагріву трансформаторів; для підвищення надійності роботи та живучості мереж, наприклад, при обриві одного з проводів тощо. Джерела інформації: 1. Bergmann-Elektrizitat-Werke. Spartransformator mit compensierten primaren und sekundaren Amperewindungen und herausgefuhrter Neutralen. Patent Deutsche Reich Nr 258438, Kl.21d gruppe 49, 05.04.1913. 2. Palley O.ST. Transformer. Patent US No 1935419, H01F 29/04, 323/340. Публікований 14.11.1933. 3. Maslin A.J. et al. Electrical induction apparatus. Patent US No 2307527, H02M 5/00. Публікований 05.01.1943. 4. Куликовский А.А., Система городских распределительных сетей низкого напряжения с искусственными нейтральными точками. // Электричество.-1947.- № 9.- С. 45-54. 5. Friedrich K.F. Electric power translation system. Patent US No 3036258, H02M 7/06. Публікований 22.05.1962. 6. Court M.J. Auto-transformateur a primaire triphase, et a secondaire biphase avec possibilite de triphase. Brevet d'lnvention Republique Francaise. No 1.408.359, H02I. Публіковано 05.06.1965. Bulletin officiel de la Propriete industrielle, 1965, No 33. 7. Laurent P.G. High-voltage power conversion assembly composed of a poly-phase transformer combined with a plurality of sets of controlled rectifiers. Patent US No 3.445,747, H02M7/06. Публікований 20.05.1969. 8. Kljucaricek P. Zagreb electrical circuit. Patent US No 4023090, H01F 29/02. Публікований 10.05.1977. 9. Dortort I.K. Axial ampere-turn balancing in multiple, segregated secondary winding transformers. Patent US No 3585484, H02M 7/12. Публікований 15.06.1971. 10. Galliker J. Ozonizer feeding device. Patent US No 4314321, H02M 5/00. Публікований 02.02.1982. 11. Shekhawat S.S., Shah M.J., Vaidya J.G., Dhyanchand J.J. Three phase inverter pwer supply with balancing transformer. Patent US No 4847745, H02M 5/02. Публікований 11.07.1989. 7 UA 101763 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 12. Johnson L.j., Hammond R.E. Main and auxiliary transformer rectifier system for minimizing line harmonics. Patent US No 5063487, H02M 1/14. Публікований 05.11.1991. 13. Levin M.I. Zero phase sequence current filter with adjustable impedance. Patent US No 5406437, H02H 7/08. Публікований 11.04.1995. 14. Menke W.W., Croft F.B., Nay J.J. Power distribution transformer for non-linear loads. Patent US No 5416458, Int. Cl. H01F 33/00, U.S. Cl. 336/12. Публікований 16.05.1995. 15. Beverly L.H., Kristalinski H.D., Visser AT. Method and apparatus for reducing the harmonic currents in alternating-current distribution networks. Patent US No 5576942, H02J 1/02. Публікований 19.11.1996. 16. Levin M.I. Phase shifting transformer or autotransformer. Patent US No 5543771, H01F 33/00. Публікований 06.08.1996. 17. Levin M.I. Phase shifting transformer with low zero phase sequence impedance. Patent US No 5801610, H01F 33/00. Публікований 01.09.1998. 18. Levin M.I. Phase shifting transformer with low zero phase sequence impedance. Patent US No 5982262, H01F 30/12. Публікований 09.11.1999. 19. Zhou D., Guscow N.N, Skibinski L. Twelve-phase transformer configuration. Patent US No 6198647, H02M 5/6. Публікований 06.03.2001. 20. Zhou D., Skibinski L, Guscow N.N. Nine-phase transformer. Patent US No 6249443, H02M 5/10. Публікований 19.06.2001. 21. Kamath C.R. Harmonic filter with low cost magnetics. Patent US No 6498736, H02M 1/14. Публікований 24.12.2002. 22. Boudrias J.-G., Broullette S. Integrated harmonic mitigation device and distribution panel configured as a power center unit for electronic equipment. Patent US No 6605882, H02J 1/00. Публікований 12.08.2003. 23. Bottrell G.W., Yu L.Y. Transformer protection system for protecting source transformers from ill effects of zero-sequence currents. Patent US No 5790356, H02H 3/00. Публікований 4.08.1998. 24. Owen D.W. Transformer, system and method to control harmonic distortion. Patent US No 6169674, H02M 7/00. Публікований 02.01.2001. 25. Музиченко О.Д., Музиченко Ю.О., Музиченко О.О. Фільтр струмів нульової послідовності. Патент України № 34226, МПК Н01Н 07/08, Н02М 07/53. Публікований 15.02.2001, Бюл. № 1, 2001. 26. Музиченко Ю.О., Музиченко О.Д. Фільтр струмів нульової послідовності основної та вищих гармонік. Патент № 93809. МПК Н02М 1/12; H02J 3/00. Публікований 10.03.2011. Бюл. №5,201. 27. Nojima G. Method and apparatus for high impedance grounding of medium voltage ac drives. Patent US No 7050279, H02H 3/00. Публікований 23.05.2006. 28. Lee S.H. Device for reducing harmonics in three-phase poly-wire power lines. Patent US No 7629786, H01F 30/12, H01J 1/02. Публікований 08.12.2009. 29. Музиченко Ю.О. Пристрій для стабілізації або регулювання напруг трифазного приймача (варіанти). Патент України на винахід № 89833, МПК G05F 1|14; G05F 1|1б; Заявка № а 2008 00937; подано 28.01.2008; публіковано 10.03.2010. 30. Музиченко Ю.О. Пристрій для стабілізації та регулювання напруг трифазного приймача. Патент України на винахід № 89839, МПК H02J 3/26; G05F 1/26; G05F 1/14; Заявка № а 2008 02130, подано 19.02.2008; публіковано 10.03.2010. 31. Музиченко Ю.О., Музиченко О.Д. Фільтр струмів основної та вищих гармонік нульової послідовності. Патент № 93810. МПК Н02М 1/12. Публікований 10.03.2011. Бюл. №5, 2011. 32. Музиченко О.Д., Музиченко Ю.О. Фільтр струмів нульової послідовності основної та вищих гармонік. Заявка № а 2010 13567 від 15.11.2010 на патент України на винахід, МПК Н02М 1/12. Подана 15.11.2010. 33. Музиченко О.Д., Музиченко Ю.О. Енергозбереження при масовому застосуванні нелінійних приймачів електричної енергії. Матеріали доповіді на науково-практичній конференції "Енергозбереження та енергозберігаючі технології", м. Дніпропетровськ, Національний гірничий університет, 6-7 грудня 2007. 34. Huang J., White JJ. Symmetrical Autoransformer delta topologies. Patent US No 7772953, H01F 30/12, H02M 7/06,336/5,. Публікований 10.06.2010. 35. Раісе D.A. Fifteen-phase autotransformer. Patent US No 7719858, H02M 7/48,363/5. Публікований 18.05.2010. 36. Zhou D., Skibinski L. Guscow N.N, Nine-phase transformer. Patent US No 6335872, H02M 5/6. Публікований 01.01.2002. 8 UA 101763 C2 5 37. Шидловский А.К., Новский В.А., Каплычный Η.Η. Стабилизация параметров электрической энергии в распределительных сетях. АН УССР. - Киев: Наукова думка, 1989.312с. 38. Музиченко Ю.О., Музиченко О.Д. Трифазний автотрансформатор. Патент України № 74960, MnKHOIF 17/02, публіковано 15.02.2006. 39. Музиченко Ю.О., Музиченко О.Д. Спосіб перемикання трифазного приймача. Патент України № 77637, МПК H02J 9/06, публіковано 15.12.2006 40. Музиченко О.Д., Музиченко Ю.О. Пристрій для перемикання трифазних кіл (група винаходів). Патент України № 90475, G05F 1/14, публіковано 11.05.2010, Бюл. №9. 10 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 20 25 30 35 40 1. Застосування потужного автотрансформаторного або трансформаторного фільтра струмів нульової послідовності як стабілізатора потенціалів лінійних та/або нульової фаз багатофазного електричного кола (названого далі скорочено стабілізатором фаз). 2. Застосування потужного автотрансформаторного або трансформаторного фільтра струмів нульової послідовності за п. 1 як стабілізатора фаз для генерування принаймні однієї напруги у принаймні одній обірваній фазі багатофазного електричного кола, наприклад, багатофазної лінії мережі. 3. Застосування потужного автотрансформаторного або трансформаторного фільтра струмів нульової послідовності за пп. 1 та 2 як стабілізатора фаз, який генерує симетричні складові напруг прямої, зворотної та нульової послідовностей у принаймні одному проводі принаймні однієї обірваної фази електричного кола, наприклад, у багатофазній лінії мережі. 4. Застосування потужного автотрансформаторного або трансформаторного фільтра струмів нульової послідовності за п. 1 як стабілізатора фаз, для параметричного перетворення та врівноваження режимів принаймні двох частин багатофазного електричного кола, зокрема електродинамічних систем. 5. Застосування потужного автотрансформаторного або трансформаторного фільтра струмів нульової послідовності за пп. 1 та 4 як стабілізатора фаз для параметричного перетворення та врівноваження режимів принаймні двох частин багатофазного електричного кола, перша з яких має симетричний режим, а друга частина кола має несиметричний режим і навпаки. 6. Застосування потужного автотрансформаторного або трансформаторного фільтра струмів нульової послідовності за пп. 1 та 4 як стабілізатора фаз для виконання параметричного перетворення та врівноваження режимів принаймні двох частин багатофазного електричного кола, обидві частини яких мають несиметричні режими. 7. Застосування потужного автотрансформаторного або трансформаторного фільтра струмів нульової послідовності за пп. 1-5 як стабілізатора фаз, для параметричного врівноваження режимів частин електричної та/або електромеханічної систем, наприклад, таких як ″лініядвигун″, ″лінія-генератор″, ″лінія-трансформатор″ або ″лінія-автотрансформатор″, кожна частина яких працює при симетричному та/або несиметричному режимах. 9 UA 101763 C2 10 UA 101763 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 11