Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ МЕЖФАЗНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТОКА

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).

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. Недостатком данного устройства МРТ является необходимость в 3-стержневом магнитопроводе трехфазного трансформатора и повышенная расчетная мощность.

Совокупность причин, препятствующих получению требуемого технического результата, заключается в том, что соединение первичной обмотки МРТ в «звезду» на групповом трансформаторе резко увеличивает ее индуктивное сопротивление для замыкающегося через нее тока нулевой последовательности. В случае 3-стержневого магнитопровода через каждую фазную обмотку трансформатора МРТ замыкается треть его общего тока, что может повышать расчетную мощность трансформатора МРТ до ~ 30% от мощности, выделяемой на нагрузке (потребителе).

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению (прототип) является устройство для межфазного распределения тока (МРТ), содержащее три однофазных трансформатора, обмотки которых выполнены каждая со средним выводом, соединены крайними выводами в «треугольник», вершины которого подключены к фазным входным выводам, нулевой входной вывод, образованный общей точкой упомянутых средних выводов, потребитель, подключенный к нулевому и фазным входным выводам (патент №2379818 от 15.07.2008).

Недостаток данного устройства МРТ заключается в том, что, в случае несимметрии напряжений сети их сумма в замкнутом на промежуточные выводы внутреннем контуре обмоток не равна нулю. Поэтому в каждом из этих контуров могут циркулировать паразитные токи.

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

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

Эта задача решается тем, что устройство для межфазного распределения тока, содержит три однофазных трансформатора, обмотки которых выполнены каждая со средним выводом, соединены крайними выводами в «треугольник», вершины которого подключены к фазным входным выводам, нулевой входной вывод, потребитель, подключенный к нулевому входному выводу и, по крайней мере, к одному фазному входному выводу, уравнительный реактор с тремя идентичными обмотками, подключенными одноименными выводами к нулевому входному выводу, а свободными выводами - к средним выводам обмоток трансформаторов.

Технический результат, достигаемый в предлагаемом устройстве, заключается в устранении непроизводительных потерь мощности на нагрев обмоток МРТ.

Дополнительный технический результат, достигаемый в предлагаемом устройстве, заключается в уравнивании величин потребляемых фазных токов. Кроме того, устройство может быть использовано для рекуперации энергии как в случае подключения потребителя между тремя фазными и нулевым входными выводами, так и в случае его подключения между одним из фазных и нулевым входными выводами. Это происходит за счет циркуляции трети энергии между МРТ и потребителем, минуя питающую сеть.

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

Устройство (фиг. 1) содержит три однофазных трансформатора 1, 2 и 3 с обмотками соответственно 4, 5, 6, 7 и 8, 9. Эти обмотки соединены в «треугольник», а их числа витков равны. Начало (конец) обмотки 4 (8) трансформатора 1 (3) подключено к входному выводу фазы А. Начало (конец) обмотки 6 (5) трансформатора 2 (1) подключено к входному выводу фазы В. Начало (конец) обмотки 9 (7) трансформатора 3 (2) подключено к входному выводу фазы С. Общие точки разноименных выводов пар обмоток 4, 5; 6, 7 и 8, 9, составляющих каждая пара соответствующую фазную обмотку трансформатора, подключены соответственно к началам обмоток 10, 11, 12 уравнительного реактора 13. Концы обмоток 10, 11, 12 подключены к нулевому входному выводу 0. Потребитель подключен к нулевому входному выводу 0 и фазным входным выводам А, В, С. Потребитель выполнен в виде соединенной в «звезду» первичной обмотки магнитно неуравновешенного трехфазного трансформатора, генерирующего в сеть ток нулевой последовательности I₀. Такая генерация может быть следствием работы трансформаторного выпрямителя с неравной нулю суммой первичных фазных токов.

К каждому из замкнутых нулевым входным выводом 0 контуров, содержащих, например, обмотки 5, 6 прикладываются три равных по величине U_Л/2 и сдвинутых друг относительно друга на 120 эл. град. напряжения, где U_Л - линейное напряжение сети. Поэтому их сумма в каждом из этих замкнутых контуров равна нулю, а нулевой входной вывод 0 - искусственный ноль. Однако, на практике строгая симметрия сети отсутствует, и в рассматриваемом контуре замыкаются паразитные токи, препятствующие разветвлению тока I₀ на три равные части. Этот дисбаланс устраняется взаимоиндуктивностью обмоток 10, 11, 12 уравнительного реактора 13.

На фиг. 1 показаны величины разветвляющихся частей тока I₀ при положительной разности потенциалов между фазным входным выводом А и нулевым входным выводом. При смене полярности на входном выводе фазы А, все показанные на фиг. 1 токи замыкаются в обратном направлении. Если сумма линейных напряжений сети не равна нулю, то она прикладывается к обмоткам уравнительного реактора 13, стремясь внести неравенство в токи обмоток трансформаторов 1, 2, 3. Уравнительный реактор 13, для баланса ампер-витков его обмоток обеспечивает равенство токов в обмотках 5 и 6, 4 и 8, 7 и 9, тем самым, устраняя паразитный ток.

Как видно из фиг. 1, большая часть потребляемого тока замыкается через искусственно образованный внутренний контур с обмотками 10, 4 и 12, 8, а меньшая - через внешнюю цепь, включающую обмотки 10, 5; 12, 9; 11, 6, 7 и фазные входные выводы В и С. Таким образом, мощность, отбираемая потребителем от сети, без учета мощности МРТ, составляет ~2/3 от мощности, выделяемой в потребителе. Расчетная мощность трансформаторной группы на фиг. 1, с учетом автотрансформаторной связи между обмотками каждого однофазного трансформатора, в 4/√3 раз меньше, чем в прототипе (без учета обмотки трансформатора, соединенной в "треугольник»), т.е. составляет (√3/4)⋅100% = 43, 3% от мощности МРТ в прототипе для одного и того же потребителя. Что касается расчетной мощности уравнительного реактора, то она нивелируется реактансами однофазных трансформаторов независимо от величины несимметрии сети и зависит, в основном, от замыкающегося через его обмотки тока.

Устройство на фиг. 2 схемотехнически отличается от устройства на фиг. 1 только тем, что потребитель в виде нагрузки любого вида подключен только к одной фазе А сети и к нулевому входному выводу. В обоих случаях циркуляция энергии между МРТ и потребителем уменьшает величину потребляемой из сети энергии. Однако во втором случае (фиг. 2), верхний предел мощности потребителя ограничен возможностью «перекоса» напряжений сети, вследствие неравной нагрузки ее фаз.

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