Регулювальний трансформатор (варіанти)

Реферат: Винахід стосується регулювального трансформатора, виконаного в формі фазозсувного трансформатора, причому в регулювальній обмотці (2, W1, W2, W3) з кількома секціями обмотки (W1, W2, W3) для кожної фази передбачені напівпровідникові перемикальні елементи. Згідно з винаходом в кожній фазі (U, V, W) передбачена додаткова з'єднувальна лінія (L1, L2), в яку включені додаткові електронні перемикальні елементи (S1, S2), причому кожна з цих з'єднувальних ліній з'єднує модуль (М3) відповідної фази з кінцем основної обмотки (2) сусідньої фази. UA 112467 C2 (12) UA 112467 C2 UA 112467 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід стосується регулювального трансформатора, точніше кажучи фазозсувного трансформатора. Фазозсувний трансформатор, називаний також трансформатором поперечного регулювання, є спеціальним силовим трансформатором, застосовуваним в електричних мережах змінного струму для цілеспрямованого керування потоком потужності. На відміну від традиційного застосування трансформаторів, а саме перетворення змінної напруги на напругу різних рівнів, фазозсувні трансформатори, про що свідчить вже їх найменування, застосовують як фазозсувні пристрої (фазозсувачі) для цілеспрямованого впливу на потужність, передану по електричній лінії. Якщо, наприклад, між двома розподільними пристроями або трансформаторними підстанціями різними шляхами прокладено кілька ліній, за допомогою фазозсувних трансформаторів можна впливати на розподіл переданої потужності. В типовому випадку спроможність існуючих ліній щодо передачі потужності є різною. Подібний фазозсувний трансформатор, його конструкція і можливості регулювання докладно описані в публікації Kramer, On-Load Tap-Changers for Power Transformers, 2000, стор. 96 і наст. Описаний фазозсувний трансформатор із високою пропускною спроможністю розділений на дві частини - послідовно включеного трансформатора і збуджувального трансформатора для регулювання (трансформатор напруги, англ. shunt transformer), який забезпечує можливість встановлення певного зсуву фаз за допомогою ступеневого перемикача. При зазвичай застосовуваному трифазовому змінному струмі для кожного фазового проводу передбачений як послідовно включений, так і збуджувальний, тобто регулювальний трансформатор. За допомогою регулювального трансформатора для кожної фази через ступеневий перемикач знімають напругу, яка зміщена порівняно з лінійною напругою відносно землі на 90°, і за допомогою описаного послідовного трансформатора шляхом векторного додавання одержують напругу зі зсувом по фазі. Цей спосіб впливу на потужність, типовий для фазозсувного трансформатора, називають також поперечним регулюванням на відміну від поздовжнього регулювання за допомогою стандартного трансформатора. Можливими при цьому також є два напрямки потоку потужності через фазозсувний трансформатор. Діапазон регулювання фазового кута відрізняється залежно від конструкції. В типовому випадку він становить близько +10° і в спеціальних конструкціях може досягати 30°. При цьому можливими є різні варіанти схем, одна з яких як приклад наведена на стор. 197 вищевказаної публікації. Поряд із поперечним регулюванням із кутом зсуву фаз 90° відомі також інші методи, які називають поздовжньо-поперечним регулюванням, причому фазовий кут становить 60° чи 30°. Спосіб поздовжньо-поперечного регулювання із фазовим кутом 60° полягає в тому, що необхідну напругу збудження одержують за допомогою секції обмотки сусіднього стрижня сердечника трансформатора і її вектор додають до вектора напруги основної обмотки. Зсув фаз при цьому також можна регулювати за допомогою ступеневого перемикача. Подібні схеми включення обмоток зазвичай реалізують всередині бака трансформатора, оскільки перемикання режиму роботи трансформатора, як правило, не передбачене. Передбачені лише перемикальні клемні пристрої, за допомогою яких можна змінювати схему підключення обмоток при відключеній напрузі. Тому відомі регулювальні трансформатори з їх внутрішніми схемами підключення обмоток трансформатора в зв'язку з конструктивними особливостями дозволяють лише встановлювати конкретний режим роботи трансформатора - наприклад його застосування як фазозсувача або в найпростішому випадку як відомого регулятора для поздовжнього регулювання напруги мережі електропостачання. Зміни режиму роботи відомих регулювальних трансформаторів не передбачені і можуть бути реалізовані в поточному режимі роботи трансформатора лише за рахунок екстремально високих витрат, оскільки немає можливості такого керування перемикальними елементами, щоб вони при мінімальному навантаженні міжконтактних проміжків могли здійснювати перемикання режиму роботи трансформатора. Тому задачею винаходу є розроблення регулювального трансформатора, в якому простим чином за допомогою лише кількох перемикальних елементів була забезпечена можливість перемикання режиму роботи одного і того самого трансформатора між поздовжнім регулюванням, тобто регулюванням напруги, з однієї сторони, і режимом фазозсувного пристрою, тобто забезпеченням зсуву фаз між вхідною та вихідною напругами, з іншої сторони. 1 UA 112467 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Цю задачу вирішено в регулювальному трансформаторі з напівпровідниковими перемикальними елементами ознаками обох незалежних формули винаходу. Пункт 1 формули винаходу при цьому стосується регулювального трансформатора, що містить основну і регулювальну обмотки, пункт 2 формули винаходу стосується регулювального трансформатора з додатковим ступенем грубого регулювання, виконаним з можливістю підключення і зустрічного включення. Загальна винахідницька ідея обох форм виконання винаходу полягає у вдосконаленні регулювального трансформатора, що містить напівпровідникові перемикальні елементи, за допомогою додаткових електричних з'єднувальних ліній і підключення додаткових напівпровідникових перемикальних елементів із забезпеченням можливості його простого застосування як поздовжнього регулятора, тобто регулятора напруги, та як фазозсувача, тобто поздовжньо-поперечного регулятора. Модульний регулювальний трансформатор, що містить напівпровідникові перемикальні елементи, в принципі вже відомий із публікації Demirci, Torrey, Degeneff, Schaeffer, Frazer:"A new approach to solid-state on load tap changing transformers", IEEE Transactions on Power Delivery, том 13, № 3, липень 1998 р. Він може бути застосований для поздовжнього регулювання і описаний далі. Далі винахід пояснюється докладніше на прикладах виконання за допомогою креслень. На кресленнях наведено: Фіг. 1: Відомий регулювальний трансформатор, що діє як поздовжній регулятор Фіг. 2: Перший відповідний винаходові регулювальний трансформатор як поздовжньо-поперечний регулятор із кутом зсуву фаз 60°, 27 ступенів Фіг. 3: Перший відповідний винаходові регулювальний трансформатор як поздовжньопоперечний регулятор із кутом зсуву фаз 60° і лінійним ступенем грубого регулювання Фіг. 4: Пристрій згідно з фіг. 2, доповнений кількома позиційними позначеннями Фіг. 5: Векторна діаграма для прикладу виконання відповідного винаходові регулювального трансформатора згідно з фіг. 2 і 4 На фіг. 1 зображений відомий трифазовий регульований трансформатор, який вже був запропонований, що містить обмотку 1 нижчої напруги і обмотку 2 вищої напруги, утворену в даному випадку трьома окремими секціями W1-W3 обмотки, до яких підключений модульний ступеневий перемикач, який у даному випадку складається з трьох окремих модулів М1, М2, МЗ. Конструкція всіх фаз є ідентичною. Перший модуль М1 містить першу секцію W1 обмотки, а також по обидві сторони від неї дві шунтувальних ланки, кожна з яких містить два послідовно включених напівпровідникових перемикальних елементи. Між кожними двома послідовно включеними перемикальними елементами передбачений середній відвід. Окремі напівпровідникові перемикальні елементи як на цій, так і на наступних схемах зображені лише схематично у вигляді простих перемикачів. На практиці вони містять включені паралельно пари тиристорів, біполярні транзистори з ізольованим затвором або інші напівпровідникові перемикальні елементи. Вони можуть охоплювати також кілька послідовно або паралельно підключених аналогічних окремих напівпровідникових перемикальних елементів. Один середній відвід електрично з'єднаний із нульовою точкою 3. Інший середній відвід з'єднаний із середнім відводом другого модуля М2. Цей другий модуль М2 має ідентичну конструкцію; він також містить секцію W2 обмотки, а також обидві схеми, кожна з яких містить два послідовно включених напівпровідникових перемикальних елементи. Також між відповідними послідовно підключеними елементами передбачений середній відвід. Підключення одного середнього відводу до першого модуля М1 вище описано вище; другий середній відвід з'єднаний із середнім відводом третього модуля МЗ. Цей третій модуль МЗ також має ідентичну конструкцію. Він також містить секцію W3 обмотки, а також обидві схеми послідовно включених напівпровідникових перемикальних елементів та передбачених між ними середніх відводів. Ще не описаний середній відвід третього і в даному випадку останнього модуля МЗ електрично з'єднаний з кінцем обмотки 2 вищої напруги. Три описаних в даному випадку модулі М1 - МЗ відрізняються лише параметрами відповідних секцій W1-W3 обмотки. Секція W2 обмотки в другому модулі М2 має, наприклад, втричі більшу кількість витків, аніж секція W1 обмотки в першому модулі М1. Секція W3 обмотки в третьому модулі МЗ має, наприклад, вшестеро або вдев'ятеро більшу кількість витків, аніж секція W1 обмотки в першому модулі М1. 2 UA 112467 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Зображений на цій схемі регулювальний трансформатор працює як традиційний поздовжній регулятор напруги, причому кількість ступенів напруги становить 21. Окремі часткові напруги одержують шляхом відповідного підключення, зустрічного включення або шунтування окремих секцій W1-W3 обмотки. На фіг. 2 зображений перший відповідний винаходові регулювальний трансформатор як поздовжньо-поперечний регулятор із фазовим кутом 60° із 27 можливими ступенями напруги. Додатково при цьому в кожному випадку передбачені електричні з'єднувальні лінії L1 та L2. В кожній із з'єднувальних ліній L1 передбачений електронний перемикальний елемент S1. При цьому кожна зі з'єднувальних ліній L1 з'єднує середній відвід модуля МЗ кожної фази з кінцем основної обмотки 2 відповідної сусідньої фази. Інша з'єднувальна лінія L2, в якій передбачений відповідний інший електронний перемикальний елемент S2, з'єднує відповідно цей середній відвід модуля МЗ з кінцем основної обмотки 2 власної фази. Таким чином, кінці основних обмоток 2 усіх трьох фаз електрично з'єднані між собою з'єднувальними лініями L1 на кшталт "кільцевої шини"; включені в цю "кільцеву шину" перемикальні елементи S1 та S2 кожної фази залежно від їх положення перемикання утворюють електричне з'єднання альтернативно електричному з'єднанню з відповідним середнім відводом відповідного модуля МЗ відповідної фази. Фазовий кут додаваного вектора напруги задається сусіднім стрижнем сердечника, тобто сусідньою фазою трансформатора. В результаті кут зсуву фаз становить 60°. На фіг. З зображений другий відповідний винаходові регулювальний трансформатор, виконаний у формі комбінованого поздовжньо-поперечного регулятора з кутом зсуву фаз 60° і ступенем грубого лінійного регулювання. При цьому ступінь грубого регулювання в кожному випадку утворена секцією W3 обмотки кожної фази, виконаною з можливістю підключення до або відключення від основної обмотки 2 за допомогою відповідного модуля МЗ. Іншими словами: модуль МЗ в даному випадку приводить у дію ступінь грубого регулювання і не задіяний у самому процесі регулювання напруги, який у цьому прикладі реалізований за допомогою модулів М2 та М1. І в цьому випадку також передбачені відповідні електричні з'єднувальні лінії L1 та L2. В кожній із з'єднувальних ліній L1 цілком аналогічно першому прикладу виконання винаходу передбачений електронний перемикальний елемент S1. Кожна зі з'єднувальних ліній L1 в даному випадку з'єднує середній відвід модуля М2 кожної фази з середніми відводами модуля МЗ інших відповідних фаз замість з'єднання з кінцем основної обмотки, як описано вище. Інша з'єднувальна лінія L2, в якій в даному випадку також передбачений відповідний електронний перемикальний елемент S2, з'єднує цей середній відвід модуля М2 із середнім відводом відповідного модуля МЗ власної фази. Таким чином, середні відводи модулів МЗ всіх трьох фаз електрично з'єднані між собою з'єднувальними лініями L1 на кшталт "кільцевої шини"; включені в цю "кільцеву шину" перемикальні елементи S1 та S2 кожної фази утворюють електричне з'єднання залежно від їх положення перемикання. Фіг. 4, на якій принципово зображена вже описана за допомогою фіг. 2 форма виконання винаходу, була доповнена позиційними позначеннями для прикладених до окремих фаз загальних напруг Ua, Ub та Uc, а також для падіння напруги U2 на основній обмотці 2, для падіння напруг UU2, UV2,, UW2 на відповідних секціях регулювальної обмотки, які для кожної фази складаються з відповідних модулів М1 - МЗ. На фіг. 5 зображена відповідна векторна діаграма, яка пояснює картину зсуву фаз. Зображено регулювальну напругу UV2, яка складається з часткових напруг секцій обмотки W1, W2 та W3, а також напругу U2, яка позначена на фіг. 4. В результаті одержують напругу Ua=U2+UV2 із зсувом по фазі. При цьому φ означає кут зсуву фаз, тобто фазовий кут напруги U2. Узагалі зображений на кресленнях регулювальний трансформатор із описаною топологією дозволяє швидко змінювати співвідношення між кількістю витків обмоток трансформатора і, таким чином, коефіцієнт трансформації. При цьому однією з умов є реєстрація фаз струму та напруги для забезпечення можливості приведення в дію напівпровідникових перемикачів в потрібний момент часу. Завдяки відповідному винаходові розширенню шляхом введення додаткових ліній L1 та L2 і включених у ці лінії перемикачів S1 та S2 в кожній фазі, які функціонують аналогічно перемикачам із нейтральним положенням, і використанню інформації, вже відомої з галузі керування напівпровідниковими ступеневими перемикачами стосовно фаз струму також для сусідньої фази, забезпечується можливість перемикання секцій основної та регулювальної обмоток регулювального трансформатора у поточному режимі роботи, завдяки чому можна здійснювати перемикання між режимом поздовжнього регулювання (регулювання напруги), а також режимом зсуву фаз (зсув фаз вхідної та вихідної напруги) одного і того самого трансформатора. 3 UA 112467 C2 5 Окремі напівпровідникові перемикальні елементи в даному випадку зображені лише схематично як прості перемикачі. На практиці вони містять паралельно включені пари тиристорів, біполярні транзистори з ізольованим затвором або інші напівпровідникові перемикальні елементи. Вони можуть охоплювати також кілька послідовно або паралельно підключених аналогічних окремих напівпровідникових перемикальних елементів. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 1. Регулювальний трансформатор для регулювання напруги, що містить напівпровідникові перемикальні елементи, основну обмотку (2) та регулювальну обмотку, утворену кількома секціями обмотки (W1, W2, W3) для кожної фази, причому для кожної фази передбачено кілька модулів М1, М2, М3, причому кожен модуль М1, М2, М3 містить відповідну секцію (W1, W2, W3) регулювальної обмотки, а також по обох сторонах від неї дві шунтувальних ланки, причому кожна шунтувальна ланка містить два послідовно включених напівпровідникових перемикальних елементи, причому між кожними обома послідовно включеними перемикальними елементами кожної шунтувальної ланки передбачений середній відвід, причому секції (W1, W2, W3) обмотки мають різну кількість витків, причому один із обох середніх відводів кожного модуля М1, М2, М3 з'єднаний з середнім відводом сусідніх модулів, і причому непідключений середній відвід першого модуля М1 електрично з'єднаний із силовим відводом (4), а непідключений середній відвід останнього модуля М3 електрично з'єднаний з кінцем основної обмотки (2) регулювального трансформатора, який відрізняється тим, що у кожній фазі передбачена додаткова з'єднувальна лінія (L1), причому в кожну зі з'єднувальних ліній (L1) включений електронний перемикальний елемент (S1), а також тим, що кожною із з'єднувальних ліній (L1) середній відвід модуля М3 відповідної фази електрично з'єднаний із кінцем основної обмотки (2) відповідної сусідньої фази, а також тим, що в кожній фазі передбачена додаткова з'єднувальна лінія (L2), в яку включений додатковий електронний перемикальний елемент (S2), а також тим, що кожною з цих додаткових з'єднувальних ліній (L2) середній відвід модуля М3 з'єднано з кінцем основної обмотки (2) власної фази. 2. Регулювальний трансформатор для регулювання напруги, що містить напівпровідникові перемикальні елементи, основну обмотку (2), обмотку (W3) ступеневого грубого регулювання та регулювальну обмотку, утворену кількома секціями (W1, W2) обмотки для кожної фази, причому для кожної фази передбачено кілька модулів М1, М2, М3, причому модуль М3 містить обмотку (W3) грубого ступеневого регулювання і підключені по обох сторонах до неї дві шунтувальних ланки, причому кожен із додаткових модулів (М1, М2) містить секцію (W1, W2) регулювальної обмотки, а також підключені по обох сторонах до неї дві шунтувальних ланки, причому кожна шунтувальна ланка містить два послідовно включених напівпровідникових перемикальних елементи, причому між кожними двома послідовно включеними перемикальними елементами кожної шунтувальної ланки передбачений середній відвід, причому секції (W1, W2) обмотки мають різну кількість витків, причому кожен із обох середніх відводів кожного модуля М1, М2, М3 з'єднаний із середнім відводом сусідніх модулів, і причому непідключений середній відвід першого модуля М1 електрично з'єднаний із силовим відводом (4), а непідключений середній відвід останнього модуля М3 електрично з'єднаний з кінцем основної обмотки (2) регулювального трансформатора, який відрізняється тим, що у кожній фазі передбачена додаткова з'єднувальна лінія (L1), причому в кожну з'єднувальну лінію (L1) включений електронний перемикальний елемент (S1), а також тим, що кожною із з'єднувальних ліній (L1) середній відвід модуля М2 кожної фази з'єднано з середніми відводами модуля М3 кожної з інших фаз, а також тим, що в кожній фазі передбачена додаткова з'єднувальна лінія (L2), в яку включений додатковий електронний перемикальний елемент (S2), а також тим, що додатковою з'єднувальною лінією (L2) кожен середній відвід модуля М2 з'єднано із середнім відводом відповідного модуля М3 власної фази. 3. Регулювальний трансформатор за пунктом 1 або 2, який відрізняється тим, що 4 UA 112467 C2 кожен із електронних перемикальних елементів (S1, S2) містить пару включених зустрічнопаралельно тиристорів, біполярні транзистори з ізольованим затвором або інші напівпровідникові перемикальні елементи, або кілька послідовно або паралельно підключених аналогічних окремих напівпровідникових перемикальних елементів. 5 UA 112467 C2 6 UA 112467 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 7