Пристрій для симетрування трифазних напруг

Пристрій для симетрування трифазних напруг відноситься до електротехніки та електроенергетики. Він призначений для зменшення несиметрії лінійних напруг у високовольтних та низьковольтних трифазних мережах, у тому числі в розподільчих чотирипровідних мережах. Пристрій може бути використаний для регулювання коефіцієнту несиметрії трифазних напруг, наприклад, при випробуванні чутливості приймачів до несиметрії трифазних напруг. Відомий пристрій для симетрування трифазних напруг [1, 2], що має тристрижневий магнітопровід, на кожному стрижні якого розміщена перша та друга обмотки. Перша обмотка, яка розміщена на одному стрижні, та друга обмотка, яка розміщена на другому стрижні, між собою ввімкнені послідовно. Три такі послідовні з'єднання ввімкнені в зірку й променями приєднані до лінійних фаз трифазної мережі. Спільна точка зірки приєднана до нульової фази мережі. Пристрій задовільно симетрує фазні напруги. Недолік пристрою полягає в тому, що пристрій принципово не може симетрувати лінійні напруги мережі. Відомі пристрої для симетрування трифазних напруг [3-6], що включають котушки індуктивності (дроселі) та конденсаторні батареї, ввімкнені між лінійними фазами мережі. Серед таких пристроїв найбільш відомою є схема Штейнметца [6]. В загальному випадку такі пристрої включають шість регульованих елементів, із яких три - котушки індуктивності, а три інші - конденсаторні батареї. Такі пристрої задовільно симетрують лінійні напруги трифазної мережі. Недоліки таких пристроїв: тр уднощі виконання регульованих котушок індуктивностей та конденсаторних батарей; висока вартість пристрою. Відомі пристрої для симетрування трифазних напруг [7, 8], які включають основні трифазні трансформатори та додаткові трифазні трансформатори, комутуючі ключі та блок керування. Трифазні основні та додаткові трансформатори мають різноманітні схеми приєднання між собою та мережею. Наприклад, обмотки основних та додаткових трансформаторів між собою можуть бути з'єднані за Т-подібною схемою. Ці пристрої мають задовільні регульовані характеристики ступеню симетрії лінійних напруг. Недоліки пристроїв: порівняно велика встановлена потужність основних та додаткових трансформаторів, недостатньо жорстка зовнішня вольт-амперна характеристика та недостатня надійність роботи блоків керування. Найближчим аналогом (прототипом) пристрою, який заявляється, є пристрій для симетрування напруг у трифазній чотирипровідній мережі із глухим заземленням нейтралі [9], який містить затискачі лінійних фаз мережі та затискачі лінійних фаз приймача електричної енергії, трифазний трансформатор, три однофазні вольтодобавочні трансформатори, силові ключі та блок керування. Пристрій має меншу на 25-30% встановлену потужність за попередні пристрої [7,8]. Недоліки пристрою: перерви електропостачання приймача електричної енергії при перемиканні силових ключів; велика (подвійна) установлена потужність; неточність роботи блоків керування. Останнє пояснюється тим, що симетрія лінійних напруг досягається шляхом пофазного керування у кожній фазі окремо за умови, що всі три лінійні напруги змінюються хаотично за випадковими законами. У зв'язку з цим була поставлена задача: забезпечити неперервність електропостачання при перемиканні силових ключів у процесі регулювання симетрії лінійних трифазних напруг; зменшити встановлену потужність пристрою; підвищити точність і надійність роботи блоку керування. Поставлена задача вирішена шляхом проведення комутацій ключів лише в одній фазі та застосування автотрансформаторів, а саме завдяки тому, що: до пристрою для симетрування трифазних напруг, який містить затискачі лінійних фаз мережі та затискачі лінійних фаз приймача електричної енергії, силові ключі та блок керування, додано трифазний тристрижневий автотрансформатор та комутуючий однофазний автотрансформатор, на кожному стрижні трифазного автотрансформатора розміщені перша, друга та третя обмотки, усі перші обмотки трифазного автотрансформатора мають однакову кількість витків, усі другі та треті обмотки трифазного автотрансформатора мають однакову кількість витків, причому три перші обмотки з'єднані між собою у трикутник, а кожен вивід його вершин по одному приєднаний до одного затискача лінійної фази трифазної мережі, кожні друга та третя обмотки, які розташовані на одному стрижні, між собою з'єднані різнойменними виводами, усі спільні точки з'єднань други х та треті х обмоток приєднані тільки до одного затискача лінійної фази мережі, наприклад, фази А, на магнітопроводі комутуючого однофазного автотрансформатора розміщені дві обмотки, причому ці обмотки мають однакову кількість витків, з'єднані між собою різнойменними виводами, а спільна точка з'єднань цих обмоток приєднана тільки до того затискача лінійних фаз приймача електричної енергії, наприклад, до затискача фази А, який є однойменним до затискача мережі, до якого приєднані всі спільні точки з'єднань других та треті х обмоток, силові ключі поділені на дві групи, кожен з інших виводів других та третіх обмоток, а також затискач мережі, до якого приєднані всі спільні точки з'єднань других та третіх обмоток, наприклад, затискач фази А, приєднаний по одному до одного з перших виводів ключів першої групи, другі виводи яких приєднані до виводу першої обмотки комутуючого однофазного автотрансформатора, кожен з указаних вище інши х виводів др уги х та третіх обмоток, а також затискач мережі, до якого приєднані всі спільні точки з'єднань других та третіх обмоток, наприклад, затискач фази А, приєднаний по одному до одного з перших виводів ключів другої групи, другі виводи яких приєднані до виводу другої обмотки комутуючого однофазного автотрансформатора, а кожен один затискач двох інших фаз мережі приєднаний до однойменного затискача приймача електричної енергії. З метою розширення області симетрування при зміні вектора коефіцієнта несиметрії лінійних напруг за зворотною послідовністю по величині та фазному куту кожна друга та кожна третя обмотки автотрансформатора споряджені проміжними виводами, кількість яких дорівнює n (n=1, 2, 3, ...), до пристрою додано 12-n ключів, 6-n із яких належать до першої додаткової групи ключів, а решта ключів належать до другої додаткової гр упи ключів, кожен один проміжний вивід други х та треті х обмоток приєднаний по одному до одного з перших виводів додаткових ключів першої групи, другі виводи яких приєднані до кінцевого виводу першої обмотки комутуючого однофазного автотрансформатора, крім того, кожен один і той же проміжний вивід други х та третіх обмоток приєднаний по одному до одного з перших виводів додаткових ключів другої групи, другі виводи яких приєднані до початкового виводу другої обмотки комутуючого однофазного автотрансформатора. Провідники першої обмотки комутуючого однофазного автотрансформатора оточені провідниками другої обмотки комутуючого однофазного автотрансформатора і навпаки. Розглянемо графічні матеріали. На Фіг.1 показана блок-схема силової частини пристрою для симетрування трифазних напруг. На Фіг.2 подане топографічне (фазорне) зображення напруг пристрою для симетрування трифазних напруг. На Фіг.3 представлене топографічне (фазорне) зображення напруг пристрою для регулювання коефіцієнту несиметрії напруг за зворотною послідовністю. На Фіг.1 позначено: 1 - трифазний автотрансформатор; 2 - комутуючий однофазний автотрансформатор; 3 - блок ключів; 4 - блок керування; 5 -тристрижневий магнітопровід трифазного автотрансформатора 1; 6, 7, 8 - перші обмотки; 9, 10, 11 - другі обмотки автотрансформатора 1; 12, 13, 14 - треті обмотки; 15 та 16 - перша та друга обмотки комутуючого однофазного автотрансформатора; 17, 19, 21, 23, 25, 27 та 29 - перша група блоку ключів; 18, 20, 22, 24, 26, 28 та 30 - друга група блоку ключів; А1, В1, С1 - затискачі лінійних фаз трифазної мережі; А2, В2 , С2 - затискачі лінійних фаз споживача електричної енергії. На Фіг.2 додатково позначено: 31 - загальна область можливого симетрування, в якій може знаходитися вузол (фаза) А1; 32 - область можливого положення вузла (фази) А1 при ввімкненні ключів 29 та 30; 33 область можливого симетрування (положення вузла А1) трифазних лінійних напруг при ввімкненні ключів 19 та 20; 34 - область можливого положення вузла (фази) А1 при ввімкненні ключів 19 та 30; 35 - область можливого положення вузла (фази) А1 при ввімкненні ключів 19 та 22; UA1B1, UB1C1, UC1A1 - вектори (фазори) лінійних напруг трифазної мережі; UA2B2, UВ2С2, UC2A2 - вектори (фазори) лінійних напруг приймача енергії, які (вектори) наближені до зразкових; UА2В2зр, UB2С2зр, UС2А2зр - вектори (фазори) лінійних напруг приймача енергії, які б (напруги) мали бути зразковими (ідеальними) після симетрування; U(1)B1A1 - вектор першої вихідної фази автотрансформатора 1; U(2)C1A1 - вектор другої ви хідної фази автотрансформатора 1; U(3)C1B1 - вектор третьої вихідної фази автотрансформатора 1; U(4)A1B1 - вектор четвертої ви хідної фази автотрансформатора 1; U(5)A1C1 - вектор п'ятої вихідної фази автотрансформатора 1; U(6)B1C1 - вектор шостої ви хідної фази автотрансформатора 1; А2зр - положення вершини (фази А2) при зразковому симетруванні; А1, В1, С1 - затискачі (вершини трикутника) лінійних фаз мережі; А2, В2, С2 вершини трикутника напруг приймача на виході пристрою. На Фіг.3 позначення співпадають із частиною позначень Фіг.2. Склад пристрою. Пристрій складається із (Фіг.1): затискачів трифазної мережі А1, В1, С1 та затискачів приймача електричної енергії А2, В2, С2; трифазного автотрансформатора 1; комутаційного однофазного автотрансформатора 2; блоку ключів 3 та блоку керування 4. У свою чергу автотрансформатор 1 складається з: тристрижневого магнітопроводу 5, на кожному, стрижні якого розміщено по одній першій (6, 7, 8), другій (9, 10, 11) та третій (12, 13, 14) обмотці. Перші обмотки (6, 7, 8) між собою ввімкнені в трикутник, кожна одна вершина якого (А1, В1, С1) по одному приєднана до одного затискача (А1, В1, С1) трифазної мережі. Кожна пара другої та третьої обмоток, яка розташована на одному стрижні магнітопроводу, між собою з'єднана різнойменними виводами. Спільні точки цих з'єднань вказаних обмоток сполучені між собою та приєднані лише до одного затискача лінійної фази трифазної мережі, наприклад, фази А1. Комутаційний однофазний автотрансформатор 2 складається з магнітопроводу та дво х обмоток 15 та 16, з'єднаних між собою різнойменними виводами. Спільна точка з'єднання двох обмоток приєднана до затискача лінійної фази приймача електричної енергії, наприклад, фази А2. Зазначимо, що фаза А2 є однойменною до фази А1, до якої приєднана спільна точка обмоток 9-14. Початкові виводи обмоток 15 та 16 позначені зірочкою *. Блок ключів складається із двох груп. До першої групи входять ключі 17, 19, 21, 23, 25, 27 та 29 (непарні порядкові номери), а до другої групи входять ключі 18, 20, 22, 24, 26, 28 та 30 (парні порядкові номери). Кожен вивід обмоток 9-14 приєднаний до перших виводів двох ключів, один із яких (ключів) належить до першої групи, а другий ключ належить до другої групи. Другий вивід одного з указаних ключів першої групи, наприклад, 17, 19, 21, ... 29, приєднаний до кінцевого виводу першої обмотки 15 комутаційного однофазного автотрансформатора 2. А другий вивід другого з указаних ключів другої гр упи, наприклад, 18, 20, 22, ... 30, приєднаний до початкового виводу др угої обмотки 16 комутаційного однофазного автотрансформатора 2. Робота пристрою. Після приєднання автотрансформатора 1 до затискачів трифазної мережі А1, В1, С1 збуджуються обмотки 6-8, розміщені на стрижнях магнітопроводу 5. Напруги з обмоток 6-8 трансформуються в обмотки 9-14, причому так, що на виводах обмоток 9-14 генерується шестифазна система напруг (Фіг.2), нульова фаза якої приєднана до затискача А1 мережі (Фіг.1). На Фіг.2 представлене топографічне зображення пристрою для симетрування трифазних напруг. Напруга мережі подана у вигляді спотвореного трикутника А1, В1, С1. Для порівняння на стороні В1С1, як основі, прибудований рівносторонній трикутник із сторонами UА2В2зр, UВ2С2зр, UС2А2зр. Сторони цього трикутника відображують зразкову, тобто симетричну, систему напруг. Система вхідних трифазних напруг трикутника А1, В1, С1 трансформується у шести фазну систему напруг U(1)B1A1, U(2)C1A1, U(3)C1B1, U(4)A1B1, U(5)A1C1, U(6)B1C1. Нульовою фазою для цієї шестифазної системи напруг є лінійна фаза А1. Для симетрування вхідної системи напруг, поданої у вигляді трикутника А1, В1, С1 пристрій генерує напругу, вектор (фазор) якої знаходиться між точкою А1 та поблизу точки А2зр. Через брак необхідної кількості ключів пристрій генерує напругу, яка близька до різниці потенціалів А1 - А2зр. З цією метою блок керування 4 (Фіг.1) видає сигнал на ввімкнення ключів, наприклад, 23 та 26. Ключ 23 приєднує кінцевий вивід обмотки 15 комутаційного автотрансформатора 2 до виводу обмотки 10, потенціал якого визначається вектором U(3)C1B1 (Фіг.2). Ключ 26 приєднує початковий вивід обмотки 16 комутаційного автотрансформатора 2 до виводу обмотки 12, потенціал якого визначається вектором U(4)A1B1. Комутаційний однофазний автотрансформатор 2 працює як суматор двох векторів (U(3)C1B1 та U(4)A1B1) і подільник результату на 2. Унаслідок цього вихідна фаза А2 одержує потенціал, який є близьким до потенціалу А2зр зразкової симетричної системи напруг приймача енергії. Робоча зона кожної пари ключів обмежена зоною еліпса (Фіг.2). Загальна область можливого положення вузла (фази) А2 визначається зоною 31, огинаюча крива якої при несиметрії напруг також має форму еліпсу значно більшого розміру. Загальна кількість робочих зон (еліпсів) рівна 19. З них сім робочих зон (еліпсів) утворені шістьма фазами, наприклад, 33 та нулем шестифазної системи 32. У кожній з цих зон (32, 33) або один із виводів обмоток 9-14 або нуль із допомогою двох ключів залишається приєднаним до виводів 15 та 16 комутаційного автотрансформатора 2. Шість робочих зон, наприклад, 34 утворені в результаті приєднання однієї з фаз шестифазної системи за допомогою одного ключа першої групи до виводу обмотки 15 автотрансформатора 2 та приєднання нульової фази (А1) за допомогою другого ключа другої гр упи до виводу обмотки 16 того ж автотрансформатора 2. Ще шість робочих зон (еліпсів), наприклад, 35 утворені комбінацією фаз шестифазної системи напруг, причому тих фаз, порядкові номери яких відрізняються на одиницю. У такому випадку, наприклад, у зоні 35, показаному на Фіг.2, одна фаза U(3)C1B1 через ключ 23 приєднана до виводу 15, а др уга U(4)A1B1) через ключ 26 приєднана до виводу 16 авто трансформатора 2. У кожний момент часу блок керування 4 визначає потенціал вершини А2зр зразкового вихідного трикутника напруг. В усталеному режимі пристрою точка А2зр може перебувати тільки у зоні одного еліпсу. Два ключі залишаються ввімкненими до тих пір, поки потенціал вершини А2зр зразкового вихідного трикутника напруг перебуває в зоні такого еліпсу, положення центру якого визначає блок керування. Ступінь несиметрії напруг у мережі змінюється з часом. В результаті регулювання ступеню симетрії трикутник вихідних напруг А2, В2, С2 змінюється несуттєво. Зате трикутник вхідних напруг змінюється порівняно у більших розмірах. Тому положення як усієї області можливого симетрування 31, так і окремих зон, наприклад, 32-35 різко змінюється на комплексній площині, а положення вузла А2зр міняється у 5-6 разів менше. Координати центрів малих еліпсів переміщуються по площині при зміні несиметрії напруг разом із великим еліпсом 31. Як тільки потенціал вершини А2зр зразкового вихідного трикутника напруг виявиться у іншій зоні, наприклад, у зоні кінця вектора U(2)C1A1, блок керування виявляє таку зміну і дає команду на ввімкнення ключів 17 та 18, які приєднують вивід обмотки 14 автотрансформатора 1 до виводів 15 та 16 автотрансформатора 2. Доки потенціал вузла Азр знаходитиметься у зоні кінця вектора U(2)C1A1, доти блок керування не буде видавати нових команд. Таблиця Увімкнені ключі А1 29; 30 Вершина А2зр зразкового вихідного трикутника напруг перебуває в зоні (еліпсі) вузла А1 або кінця вектора U(1)B1A1 U(2)C1A1 U(3)C1B1 U(4)A1B1 U(5)A1C1 U(6)A1C1 27; 28 17; 18 23; 24 25; 26 19; 20 21; 22 У таблиці для ілюстрації показана залежність порядкових номерів пари ввімкнених ключів від положення вершини А2зр зразкового вихідного трикутника напруг. У блоці керування для одержання положення вершини А2зр зразкового вихідного трикутника напруг вхідна однофазна напруга В1С1 перетворюється в симетричну трифазну з допомогою резисторно-конденсаторних схем. Далі блок керування за величиною та фазою напруги між вузлами А1 та А2зр із допомогою діодно-фазових детекторів визначає упереджене значення порядкових номерів тих ключів, які забезпечують симетрування лінійних напруг. Робота пристрою при перемиканнях ключів. При зміні несиметрії лінійних напруг по величині або по фазі потенціал вузла Азр виходить із зони (еліпсу), наприклад, кінця вектора U(2)C1A1 і попадає в зону кінця вектора U(1)B1A1. Блок керування обчислює необхідну зону (U(1)B1A1) і після витримки часу видає нову команду - виключити попередньо включений ключ 17. Ключ 17 вимикається. Перед вимкненням ключа 17 комутаційний автотрансформатор 2 працював у ненасиченому режимі, оскільки струми в обмотках 15 та 16 направлені так, що викликані ними магнітні поля взаємно компенсуються. Але після вимкнення ключа 17 струм в обмотці 15 зникає. Створений струмом обмотки 16 магнітний потік насичує комутаційний автотрансформатор 2. Час насичення не перебільшує 1мс. Тому споживачі, приєднані до затискачів А2, В2, С2, не встигають відчути перерви електроживлення, оскільки допустиме значення перерви живлення обмежене відрізком часу 10мс. Після вимкнення ключа 17 одразу ж включається ключ 27, після чого комутаційний автотрансформатор виходить із насичення. Після цього виключається ключ 18 і знову настає насичення автотрансформатора 2. Включення ключа 28 виводить автотрансформатор із насичення і завершує процес перемикання ключів. Після цього потенціал вузла Азр попадає в нову зону (еліпс), наприклад, кінця вектора U(1)B1A1, після чого блок керування не видає нові команди до тих пір, поки несиметрія лінійних напруг не зміниться по величині або фазі на допустиму дискретну величину. З метою розширення області симетрування при зміні вектора коефіцієнта несиметрії лінійних напруг за зворотною послідовністю по величині та фазному куту кожна друга та кожна третя обмотки автотрансформатора споряджені проміжними виводами, кількість яких дорівнює n (n=1, 2, 3, ...), до пристрою додано 12*n ключів, 6*n із яких належить до першої додаткової групи ключів, а решта ключів належить до другої групи ключів, кожен один проміжний вивід других та третіх обмоток приєднаний по одному до одного з перших виводів додаткових ключів першої групи, другі виводи яких приєднані до кінцевого виводу першої обмотки 15 комутуючого однофазного автотрансформатора, крім того, кожен один і той же проміжний вивід други х та треті х обмоток приєднаний по одному до одного з перших виводів додаткових ключів др угої гр упи, другі виводи яких приєднані до початкового виводу др угої обмотки комутуючого однофазного автотрансформатора. Кількість дискретних зон (елепсів) при цьому збільшується, а область симетрування розширюється. Розширення області симетрування та збільшення дискретних значень регулювання дозволяє з більшою точністю підтримувати симетрію лінійних напруг мережі. При цьому утричі зменшуються вимоги до блоку керування, оскільки комутація ключів відбувається в одній фазі, а це означає, що блок керування позбавлений необхідності розв'язувати задачу комівояжера при зміні несиметрії напруг по фазі та величині. Як варіант виконання описаний пристрій може бути використаний для регулювання ступеню (коефіцієнту) несиметрії напруг за зворотною послідовністю як по фазі, так і по величині. Його принципова схема співпадає із представленою на Фіг.1. На Фіг.3 представлене топографічне (фазорне) зображення напруг пристрою, який використовується і для симетрування лінійних напруг і для регулювання коефіцієнту несиметрії напруг за зворотною послідовністю. У цьому випадку блок керування задає певну несиметрію лінійних напруг по величині та фазі. При зміні заданого блоком керування завдання, наприклад, при зміні несиметрії живильної мережі, блок керування відновлює задану величину несиметрії лінійних напруг. При вказаній зміні потенціал вузла Азр виходить із зони (еліпсу), наприклад, кінця вектора U(2)C1A1 і попадає в зону кінця вектора U(1)B1A1. У цьому випадку для живлення використовується симетрична напруга трифазної мережі. Тому трикутник вхідних напруг А1, В1, С1 приймається для ілюстрації рівностороннім і нерухомим на площині топографічного зображення. У процесі перемикання пари ключів змінюється форма трикутника вихідних напруг А2, В2, С2. Блок керування забезпечує автоматичне підтримання заданого коефіцієнту несиметрії лінійних напруг на приймачі електричної енергії. Пристрій призначений для використання в електротехнічних лабораторіях для дослідження впливу несиметрії лінійних трифазних напруг на електротехнічне устаткування, наприклад, на двигуни змінного струму. Для одержання кращої жорсткості зовнішньої вольт-амперної характеристики пристрою обмотки комутуючого однофазного автотрансформатора виконані з тісним магнітним зв'язком. Це означає, що провідники першої обмотки комутуючого однофазного автотрансформатора оточені провідниками другої обмотки комутуючого однофазного автотрансформатора і навпаки. При цьому зменшуються магнітні поля розсіювання, що в свою чергу приводить до зменшення реактивної складової опору КЗ пристрою, тобто до підвищення жорсткості зовнішньої вольт-амперної характеристики. Пристрій дозволяє як мінімум у чотири рази зменшити коефіцієнт несиметрії за зворотною послідовністю у трифазних мережах загального та спеціального призначення. При цьому пристрій забезпечує неперервність електропостачання при перемиканні силових ключів у процесі регулювання симетрії лінійних трифазних напруг. Установлена потужність пристрою не перевищує 30% від номінальної прохідної потужності. При цьому покращується точність та надійність роботи блоку керування. Пристрій пройшов лабораторні дослідження. Можливість реалізації пристрою підтверджена. Джерела посилань: 1. Шидловский А.К., Новский В.Α., Каплычный Η.Η. Стабилизация параметров электрической энергии в распределительных сетях. - АН УССР, Институт электродинамики. - Киев: Наукова думка, 1989. с.312, С.189, рис.66. 2. Музиченко О.Д., Музиченко Ю.О., Музиченко О.О. Фільтр стр умів нульової послідовності. Патент України, №34226А, Н02Н007/08, 2001. Бюл. №1. 3. Aigner V. Die Symmetrierung unsymmetrischbelasteter Drehstromnetzt durch ruhende Aus-gleichkreise. ETZ, 1936, 57, N 34; 35, S.971-974; 997-1002. 4. Куренев С.Η., Гашев М.А., Еремеев А.С. Выравнивание неодинаковой нагрузки фаз в трехфазной системе. - Электричество, 1939, №3, с.63-66. 5. Bader W. Die Umwandlung der Einphasenlast in symmetrische Drehstromlast. - ETZ, 1950, 71, N 12, S.302305. 6. Шидловський А.К., Музиченко О.Д. Симетруючі пристрої. - Київ: Те хніка, 1970, с.164, С.94, рис.31. 7. Каржавов Б.Н., Бродовский В.Η., Рыбкин Ю.П., Геруцкий Г.И. Устройство для симметрирования трехфазного напряжения. Авторское свидетельство СССР, №741371Η02J3/26, 1980. 8. McClain James E., Skott Howard. Патент США №4288737, G05F1/34, 8.09.1981. 9. Белоусов B.C., Золотарева О.П. Устройство для симметрирования трехфазных напряжений в трехфазных сетях с глухим заземлением нейтрали. Авторское свидетельство СССР, №617797, Η02j3/26,1978.