Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ МЕЖФАЗНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТОКА (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для повышения энергетической эффективности однофазных и трехфазных потребителей путем рекуперации потребляемой энергии за счет циркуляции ее части между потребителем и устройством межфазного распределения тока (МРТ).

Все нижеприведенные аналоги являются аналогами для обоих вариантов устройства.

Известно устройство по авт. св. №860238, кл. Н02М 7.12 от 02.08.79 г. к основному авт. св. №752681, кл. Н02М 7/06, от 04.02.76 г., содержащее дополнительно введенный трехфазный трансформатор, первичные фазные обмотки которого соединены в подключенную к фазным входным выводам «звезду», общей точкой которой образован нулевой входной вывод, а группа дополнительных обмоток соединена в треугольник.

Это устройство является межфазным распределителем тока (МРТ) и предназначено для защиты сети от тока нулевой последовательности. Дополнительной функциональной возможностью МРТ является рекуперация потребляемой энергии. Недостаток данного устройства МРТ заключается в невозможности дальнейшего повышения уровня рекуперации в случае его использования в однофазных потребителях и необходимость в магнитопроводе трехфазного трансформатора.

Совокупность причин, препятствующих получению требуемого технического результата, заключается в том, что соединение первичной обмотки трехфазного трансформатора МРТ в «звезду» и подключение его к трехфазному потребителю предопределяют разделение потребляемого тока на три равные части.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению (прототип) является устройство для межфазного распределения тока (МРТ), содержащее трансформатор, две фазные обмотки которого подключены каждая одним выводом к нулевому входному выводу, а другим - к одному из фазных входных выводов, трансформатор выполнен на двух магнитопроводах с последовательно соединенными фазными обмотками и промежуточным выводом в каждой, подключенными промежуточными и свободными крайними выводами соответственно к нулевому и общему фазному входному выводу, при этом промежуточный вывод делит число витков каждой фазной обмотки на неравные части, вдвое меньшие из которых соединены с разноименными фазными входными выводами (патент №2365019 от 04.07.2008).

Это устройство предназначено для защиты сети от тока нулевой последовательности. Недостаток данного устройства МРТ на двух однофазных трансформаторах заключается в том, что в случае несимметрии напряжений сети их сумма в замкнутом на промежуточные выводы внутреннем контуре обмоток не равна нулю. Поэтому в этом контуре может циркулировать паразитный ток.

Совокупность причин, препятствующих получению требуемого технического результата, заключается в непроизводительных потерях мощности на нагрев обмоток от паразитного тока.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, заключается в устранении непроизводительных потерь мощности на нагрев обмоток.

Эта задача в первом варианте решается тем, что устройство для межфазного распределения тока, содержащее фазные входные выводы, потребитель и два однофазных трансформатора, обмотка каждого из которых содержит промежуточный вывод и подключена первым крайним выводом к свободному фазному входному выводу, а вторым - к общему фазному входному выводу, подключенному к первой клемме потребителя, содержит уравнительный реактор, средний и крайние выводы обмотки которого подключены соответственно ко второй клемме потребителя и промежуточным выводам обмоток упомянутых трансформаторов.

Во втором варианте эта задача решается тем, что устройство для межфазного распределения тока, содержащее нулевой и фазные входные выводы, к которым подключен потребитель, два однофазных трансформатора, обмотка каждого из которых содержит промежуточный вывод, делящий ее на неравные части, вдвое меньшие из которых соединены с разноименными фазными входными выводами, а вдвое большие - с общим фазным входным выводом, содержит уравнительный реактор, средний и крайние выводы обмотки которого подключены соответственно к нулевому входному выводу и промежуточным выводам обмоток упомянутых трансформаторов. Технический результат, достигаемый в первом варианте предлагаемого устройства, заключается в устранении непроизводительных потерь мощности на нагрев обмоток МРТ. Кроме того, диапазон рекуперации расширяется до величины, ограниченной только конструктивным усложнением трансформаторов МРТ, связанным с сильно выраженным неравенством сечений участков каждой фазной обмотки.

Технический результат, достигаемый во втором варианте предлагаемого устройства, заключается в устранении непроизводительных потерь мощности на нагрев обмоток МРТ.

Дополнительный технический результат, достигаемый во втором варианте предлагаемого устройства, заключается в уравнивании величин потребляемых фазных токов.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема первого варианта устройства для межфазного распределения тока однофазного потребителя, где стрелками показаны направления протекания долей потребляемого тока I в его положительный полупериод с частотой питающей сети. На фиг. 2 приведена принципиальная схема второго варианта устройства для межфазного распределения тока трехфазного потребителя, где стрелками показаны направления протекания долей потребляемого тока I₀ в его положительный полупериод с утроенной частотой питающей сети.

Устройство на фиг. 1 содержит два однофазных трансформатора 1 и 2 с обмотками соответственно 3, 4 и 5, 6, потребитель, первая клемма 7 которого соединена с входным выводом фазы В, а вторая клемма 8 - с началом обмотки 9 и концом обмотки 10 уравнительного реактора 11. Конец (начало) обмотки 3 (5) трансформатора 1 (2) подключен к входному выводу фазы А (С). Начало (конец) обмотки 4 (6) подключено к входному выводу фазы В. Общие точки разноименных выводов пар обмоток 3, 4 (5, 6) образуют промежуточные выводы, соединенные с концом (началом) обмотки 9 (10) уравнительного реактора 11. Число витков обмотки 3 (5) в рассматриваемом частном случае в четыре раза больше числа витков обмотки 4 (6), а числа витков обмоток 9 и 10 равны между собой.

Понятие начал и концов обмоток трансформаторов 1 и 2 условно, т.к. они магнитно изолированы друг от друга. Важно, чтобы соблюдалось равенство чисел витков между обмотками 4 и 6, 3 и 5. Напряжение, прикладываемое к обмотке 4 (6) равно пятой части напряжения между фазными входными выводами А и В (В и С). Напряжение, прикладываемое к сумме чисел витков обмоток 6 и 4, также равно пятой части напряжения между фазными входными выводами С и А. Поскольку эти три линейных напряжения сдвинуты друг относительно друга по фазе на 120 эл. град. и равны по величине, то их сумма в замкнутом контуре с обмотками 4, 6 и 9, 10 равна нулю, а точка соединения обмоток 9 и 10 образует искусственный ноль, к которому подключена клемма 8 потребителя.

При положительной разности потенциалов между фазным входным выводом В и клеммой 8 ток I потребителя замыкается, разветвляясь на две равные части, через обмотки 9 и 10 уравнительного реактора 11. Каждая из этих частей тока далее вновь разветвляется на две неравные части, соотношение которых обратно пропорционально соотношению чисел витков обмоток с автотрансформаторной связью 3 и 4 (5 и 6). Далее части тока I замыкаются через фазные входные выводы А, С и узловую точку между фазным входным выводом В и клеммой 7 потребителя. На фиг. 1 показаны величины разветвляющихся частей тока I. При смене полярности на входном выводе фазы В все показанные на фиг. 1 токи замыкаются в обратном направлении.

Если сумма линейных напряжений сети не равна нулю, то она прикладывается к обмоткам 9 и 10 уравнительного реактора 11 и делится между ними пополам, стремясь, например, уменьшить (увеличить) ток обмотки 9 (10). Уравнительный реактор 11, для баланса ампер-витков между обмотками 9 и 10 обеспечивает равенство их токов и, тем самым, устраняет паразитный ток.

Как видно, при выбранном соотношении между числами витков участков обмоток трансформаторов 1 и 2, большая часть потребляемого тока замыкается через искусственно образованный внутренний контур с обмотками 4, 6, а меньшая - через внешнюю цепь, включающую обмотки 3, 5 и фазные входные выводы А и С. Таким образом, мощность, отбираемая потребителем от сети, без учета мощности МРТ, составляет всего 20% от полной мощности.

От соотношения между числами витков участков обмоток трансформаторов 1 и 2 зависит увеличение доли рекуперируемой энергии, т.е. энергетическая экономичность потребителя. Например, для того, чтобы уменьшить мощность без учета мощности МРТ, отбираемую потребителем от сети до 10% от полной мощности, т.е. увеличить долю рекуперируемой энергии до 90%, число витков обмотки 3 (5) должно быть в девять раз больше числа витков обмотки 4 (6). Если же число витков обмотки 3 (5) равно числу витков обмотки 4 (6), то мощность, отбираемая потребителем от сети, равна половине полной мощности. Это обеспечивает равные сечения участков каждой фазной обмотки трансформатора, т.е. простоту его изготовления.

Устройство на фиг. 2 схемотехнически отличается от устройства на фиг. 1 только тем, что потребитель подключен ко всем трем фазам А, В, С сети и содержит нулевой входной вывод 0, к которому подключена общая точка обмоток 9, 10 уравнительного реактора 11. В качестве нулевого входного вывода можно использовать вывод общей точки соединенной в «звезду» обмотки трехфазного трансформатора, подключенный к общей точке обмоток 9, 10 через вентили или непосредственно. Устройство на фиг. 2 работает аналогично устройству на фиг. 1. Отличие в том, что вследствие подключения потребителя к трем фазным входным выводам распределение тока I₀ между ними должно быть в равных долях. Иначе будет нарушено равенство фазных токов. Это ограничивает уровень рекуперации энергии. Однако сопоставление случаев, когда потребитель выполнен на трехфазном трансформаторе, первичная обмотка которого соединена в «звезду» с нулевым выводом, соединенным с МРТ, и когда она соединена в «треугольник» без МРТ, показывает, что в первом случае циркуляция энергии между МРТ и потребителем уменьшает величину потребляемой из сети энергии на 42,3%.

Функция уравнительного реактора на фиг. 2 так же, как и на фиг. 1, заключается в том, что уравнительный реактор 11, для баланса ампер-витков между обмотками 9 и 10, обеспечивает равенство их токов и, тем самым, не только устраняет паразитный ток, но и уравнивает величины потребляемых фазных токов. Неравенство этих токов может быть связано с несимметрией напряжений сети.

Магнитопроводы трансформаторов МРТ и УР могут иметь различную конфигурацию, в том числе витую ленточную кольцевидной формы.