Электротехнический комплекс для симметрирования однофазной нагрузки

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться в трехфазных системах электроснабжения для питания однофазных нагрузок с целью уменьшения несимметрии токов и напряжений. В качестве симметрируемой нагрузки к комплексу может подключаться любая однофазная нагрузка; наиболее симметрично по фазам трехфазной сети распределяются токи однофазной нагрузки, имеющей активно-индуктивный характер с коэффициентом мощности cosφ = , в том числе системы электрообогрева, например, индукционные системы нагрева при помощи теплоспутников: к таким системам обогрева относится «скин-система» и индукционная система (система обогрева вихревыми токами). Изобретение направлено на повышение электромагнитной совместимости трехфазной системы электроснабжения с однофазной нагрузкой и на повышение энергетической эффективности систем электроснабжения путем снижения несимметрии токов нагрузки в трехфазной системе электроснабжения.

Как известно, наиболее эффективной системой передачи электроэнергии из применяемых в настоящее время, в том числе в России, является трехфазная симметричная система электроснабжения. В то же время часто используется однофазная нагрузка, среди которой можно выделить бытовые приборы, освещение и некоторые виды промышленной нагрузки. Существенным недостатком однофазной нагрузки является то, что при ее подключении в трехфазной системе электроснабжения возникает несимметрия токов и, соответственно, несимметрия напряжений. Из-за несимметрии токов неравномерно нагружается оборудование системы электроснабжения: кабельные и воздушные линии, трансформаторы, что ведет к завышению установленной мощности данного оборудования, снижению пропускной способности линий электропередачи, повышению потерь электроэнергии и, следовательно, к снижению энергоэффективности и экономической эффективности передачи и использования электроэнергии в целом. Несимметрия напряжений негативно сказывается на работе симметричного трехфазного оборудования, например, синхронных и асинхронных двигателей переменного тока, в которых растут потери энергии, температуры обмоток, увеличивается вибрация ротора и снижается срок службы оборудования. Также несимметрия тока и напряжения может привести к ложным срабатываниям релейной защиты.

Необходимо отметить, что бытовая и общехозяйственная однофазная нагрузка характеризуется небольшой мощностью, неравномерностью использования в течение суток и подключается на фазное напряжение таким образом, чтобы в целом система электроснабжения была нагружена симметрично. Однофазная промышленная нагрузка большой мощности в свою очередь редко может быть симметрирована таким же способом и требует применения специальных технических средств. В целях снижения несимметрии потребляемого тока однофазной нагрузки большой мощности в трансформаторных подстанциях промышленных предприятий часто используются специальные симметрирующие электротехнические комплексы, в том числе выполненные на основе специальных трансформаторов.

В промышленности России существует опыт применения симметрирующих трансформаторов с различными схемами соединения обмоток. В частности симметрирующие трансформаторы широко используются в системах тягового электроснабжения, где наибольшее применение нашли хорошо зарекомендовавшие себя трансформаторы, преобразующие три фазы в две, сдвинутые на 90°, собранные по следующим схемам: схеме Скотта, схеме ДСТ, схеме Кюблера и другим [1]. Недостатком при использовании данных схем для питания однофазной нагрузки является то, что в лучшем случае нагрузка симметрируется лишь частично, в худшем - несимметрия токов нагрузки становится еще больше.

Существуют также симметрирующие электротехнические комплексы для преобразования трех фаз в одну; все такие комплексы на основе специальных трансформаторов строятся с использованием балансирующих устройств, например, по схеме Штейнмеца [1] или по другой специальной схеме, в частности, приведенных в источниках [2, 3]. Полное симметрирование однофазной нагрузки без балансирующих устройств невозможно. Само балансирующее устройство представляет собой реактивный элемент, например, дроссель, если сопротивление балансирующего устройства должно быть индуктивным, а также конденсатор или синхронный компенсатор, если сопротивление балансирующего устройства должно быть емкостным.

Недостатками схемы Штейнмеца являются: необходимость применения одновременно двух балансирующих устройств - емкостного и индуктивного, - зависимость качества симметрирования от согласования мощности нагрузки и мощности балансирующих устройств, а также необходимость компенсации реактивной мощности нагрузки до симметрирования, так как схема эффективно работает только с чисто активной нагрузкой [1]. При этом в промышленности большая часть нагрузок имеет активно-индуктивный характер. Частично данные недостатки устранены в изобретении [4], которое основано на применении сложной схемы регулирования напряжения переключением ответвлений обмоток трансформатора, а также регулирования индуктивности и емкости балансирующих устройств (блока симметрирования).

Существует также схема трансформаторного симметрирующего устройства со специальным соединением вторичных обмоток [5] при соединении первичных обмоток по схеме «звезда без нейтрального провода» или «зигзаг без нейтрального провода»: обмотки фаз a и b включены последовательно и встречно, а обмотка фазы с включена последовательно с конденсатором С₁, и подключена последовательно и согласно с обмоткой фазы а. Таким образом, все три вторичные обмотки трансформатора включены последовательно; к выходным зажимам вторичных обмоток a и b подключена однофазная нагрузка Z_н. Данная схема построена с использованием только одного емкостного балансирующего устройства и симметрирует активно-индуктивную однофазную нагрузку с коэффициентом мощности cosφ = . Недостатком устройства является то, что качество симметрирования нагрузки зависит от согласования мощности нагрузки и емкостного балансирующего устройства. Под согласованием понимается то, что их сопротивления и мощности должны быть пропорциональны друг другу со специально рассчитанным коэффициентом μ. Рассогласование этих мощностей приводит к несимметрии фазных токов симметрирующего комплекса, а в некоторых случаях и к появлению значительной емкостной или индуктивной составляющей в данных токах. При этом идеальное согласование мощности балансирующего устройства и симметрируемой однофазной нагрузки достижимо редко. Так, например, в области электрообогрева фактическая протяженность внеплощадочных трубопроводов может отличаться от проектной более чем на 5%, электромагнитные параметры теплоспутников не нормированы соответствующими стандартами и также имеют отклонения от параметров, учтенных в проектах, в связи с чем фактическое значение мощности нагрузки обогрева не соответствует проектным значениям, следовательно, не согласовано с мощностью балансирующего устройства.

Целью данного изобретения является создание электротехнического комплекса для симметрирования однофазной нагрузки, который характеризуется меньшей несимметрией токов при несогласованных начальных параметрах мощности нагрузки и балансирующего устройства.

Также целью данного изобретения является снижение потерь электрической энергии в оборудовании симметрирующего электротехнического комплекса и системы электроснабжения.

Еще одной целью изобретения является возможность подключения к электротехническому комплексу для симметрирования однофазной нагрузки индукционных систем нагрева при помощи теплоспутников без применения устройств, корректирующих коэффициент мощности, так как их коэффициент мощности cosφ соответствует коэффициенту μ согласования мощностей нагрузки и балансирующего устройства.

Указанные цели достигаются за счет того, что вторичные обмотки трехфазного трансформатора выполнены в виде шести полуобмоток, расположенных на трех стержнях магнитопровода трансформатора, на которых также расположены первичные обмотки. Полуобмотки вторичных обмоток подключены друг к другу, к нагрузке и балансирующему устройству таким образом, что токи нагрузки распределяются по всем фазам первичной обмотки, что в случае согласованной мощности нагрузки и балансирующего устройства приводит к полному симметрированию однофазной активно-индуктивной нагрузки на трехфазную сеть питания, а в случае несогласованной - к меньшей несимметрии токов электротехнического комплекса, чем при применении трансформаторного симметрирующего устройства из источника [5]. Первичная обмотка трансформатора при этом соединяется по схеме «звезда без нейтрального провода».

Возможно соединение первичной обмотки трансформатора по схеме треугольник, звезда с нейтральным проводом или зигзаг с нейтральным проводом, но при данном соединении токи нулевой последовательности также протекают в первичных обмотках, что снижает КПД симметрирующего комплекса, а также качество симметрирования нагрузки. Возможно соединение первичной обмотки трансформатора по схеме зигзаг без нейтрального провода, но данный вариант более сложен в производстве и требует больше материалов для изготовления. Порядок фаз первичных обмоток значения не имеет; порядок фаз вторичных обмоток также не имеет значения, если выполняется их соединение по специальной схеме данного изобретения, учитывая направление намотки на стержнях.

В еще одном варианте выполнения электротехнического комплекса для симметрирования однофазной нагрузки для случая, когда нагрузка имеет характер отличный от активно-индуктивного с коэффициентом мощности cosφ = , для согласования мощности нагрузки и балансирующего устройства параллельно нагрузке может подключаться компенсирующее устройство, изменяющее характер нагрузки до соответствующего коэффициенту мощности cosφ = при активно-индуктивном характере, что способствует лучшему симметрированию нагрузки. Свойства компенсирующего устройства зависят от начального характера нагрузки:

- если нагрузка чисто активная, активно-емкостная или активно-индуктивная с cosφ > , то компенсирующее устройство представляет собой техническое средство, обладающее индуктивностью, например, дроссель, в том числе регулируемый посредством ответвлений, вручную или автоматически для чего может использоваться программируемый логический контроллер и различные коммутационные аппараты, например, вакуумные контакторы;

- если нагрузка активно-индуктивная с cosφ < , то компенсирующее устройство представляет собой техническое средство, обладающее емкостью, например, синхронный компенсатор, конденсатор или батарею конденсаторов, в том числе регулируемую посредством параллельного подключения отдельных модулей конденсаторов с меньшей емкостью, вручную или автоматически для чего может использоваться программируемый логический контроллер и различные коммутационные аппараты, например, вакуумные контакторы.

В еще одном варианте выполнения электротехнического комплекса для симметрирования однофазной нагрузки с целью снижения потребляемой реактивной мощности, следовательно, снижения потерь электроэнергии в системе электроснабжения, к входу трехфазного трансформатора может подключаться компенсатор реактивной мощности, представляющий собой техническое средство, обладающее емкостью, например, батарея трехфазных конденсаторов, синхронный компенсатор или регулируемое компенсирующее устройство (активный фильтр, СТАТКОМ или другие).

В другом варианте выполнения электротехнического комплекса для симметрирования однофазной нагрузки с целью более точного согласования мощности нагрузки и балансирующего устройства обмотки трехфазного трансформатора могут выполняться с системой ответвлений, которые посредством переключения, ручного или автоматического, позволяют регулировать напряжение на нагрузке и балансирующем устройстве, а соответственно и их мощность таким образом, что мощность нагрузки и балансирующего устройства согласуется. С целью автоматического регулирования может использоваться программируемый логический контроллер и устройства регулирования под нагрузкой (РПН). Количество ответвлений зависит от требуемого диапазона регулирования напряжения и точности регулирования напряжения, например, при количестве ответвлений 10 шт., расположенных по всей обмотке трансформатора равномерно, возможно регулирование напряжения от 0% до 100% с точностью 10%.

Изобретение проиллюстрировано вариантами осуществления и пояснениями, показанными на чертежах, на которых представлено следующее:

На фиг.1 - изображена линейная электрическая схема электротехнического комплекса для симметрирования однофазной нагрузки.

На фиг.2 - изображена линейная электрическая схема другого варианта исполнения электротехнического комплекса для симметрирования однофазной нагрузки.

На фиг.3 - изображена векторная диаграмма токов и напряжений электротехнического комплекса для симметрирования однофазной нагрузки.

На фиг.4 - изображен пример системы ответвлений первичных обмоток трансформатора для регулирования напряжения на нагрузке и балансирующем устройстве.

На фиг.1 приведена линейная электрическая схема электротехнического комплекса для симметрирования однофазной нагрузки, который включает трехфазный трансформатор Т1. Трехфазный трансформатор Т1 состоит из первичных обмоток A, B, C, соединенных по схеме «звезда без нейтрального провода» и вторичных обмоток, состоящих из полуобмоток a-1, b-1, c-1 и a-2, b-2, c-2, соединенных по специальной схеме: начало полуобмотки а-1 подключено к нагрузке Z_H и концу полуобмотки а-2, конец полуобмотки а-1 подключен к началу полуобмотки b-2, начало полуобмотки а-2 подключено к концу полуобмотки с-1, начала полуобмоток b-1 и c-1 подключаются к разным входам балансирующего устройства С1, начало полуобмотки b-1 также подключено к нагрузке Z_H, конец полуобмотки b-1 подключен к началу полуобмотки c-2, конец полуобмотки b-2 соединен с концом полуобмотки c-2. Полуобмотки вторичных обмоток a-1 и a-2, b-1 и b-2, c-1 и c-2, располагающиеся на стержнях A, B и C соответственно, намотаны в одном направлении. Первичные обмотки A, B, C трансформатора T1 имеют выводы для подключения к трехфазной системе электроснабжения, например, к линии электропередачи, которая в свою очередь подключена к источнику питания трехфазного переменного напряжения, подавая, таким образом, электрическое питание на трансформатор Т1. Вторичные полуобмотки a-1 и b-1 имеют выводы для подключения нагрузки. Вторичные полуобмотки b-1 и c-1 имеют выводы для подключения балансирующего устройства.

Электротехнический комплекс для симметрирования однофазной нагрузки работает следующим образом. При подаче напряжения от источника питания трехфазного переменного напряжения, например, посредством линии электропередачи на первичные обмотки A, B, C трансформатора Т1 первичные обмотки A, B, C индуцируют напряжение во вторичных полуобмотках a-1, b-1, c-1 и a-2, b-2, c-2 трансформатора Т1, которое больше или меньше входного напряжения в k раз, где k - коэффициент трансформации трансформатора T1. Так как у трансформатора T1 первичные обмотки A, B, C соединены по схеме «звезда без нейтрального провода», а вторичные полуобмотки a-1, b-1, c-1 и a-2, b-2, c-2 последовательно включены друг с другом, балансирующим устройством С1 и нагрузкой Z_H по специальной схеме, то на нагрузке Z_H индуцируется линейное напряжение U_H вторичных обмоток трехфазного трансформатора Т1, а на балансирующем устройстве С1 напряжение U₁, равное удвоенному фазному напряжению вторичных обмоток трансформатора Т1, данные напряжения сдвинуты по фазе друг относительно друга на 150°, а фаза тока нагрузки I_H отличается от фазы тока балансирующего устройства I₁ на 30°. При мощности балансирующего устройства С1 согласованной с мощностью нагрузки Z_H, в полуобмотках a-1, b-1, c-1 и a-2, b-2, c-2 вторичных обмоток трансформатора Т1 формируется трехфазная несимметричная система токов, при этом ток обратной последовательности в этой системе токов отсутствует, а ток нулевой последовательности протекает только во вторичных обмотках, в первичных обмотках A, B, C протекает только симметричная система токов I_A, I_B, I_C прямой последовательности, так как ток нулевой последовательности при схеме соединения обмоток «звезда без нейтрального провода» не протекает. В этом случае коэффициенты несимметрии по токам прямой и обратной последовательности в первичных обмотках равны нулю: , . Данные коэффициенты рассчитываются по формулам (1, 2):

(1) (2)

где - - действующее значение тока нулевой последовательности, А;

- - действующее значение тока обратной последовательности, А;

- - номинальный ток, А.

В случае если мощности балансирующего устройства С1 и нагрузки Z_H не согласованы, то трехфазная несимметричная система токов, формирующаяся во вторичных обмотках, включает ток обратной последовательности, который распределяется по первичным обмоткам A, B, C трансформатора T1 более равномерно, чем в прототипе. Проведенные исследования: математическое, в том числе методом конечных элементов, и физическое моделирование показали, что при полном отсутствии балансирующего устройства, например, в случае его выхода из строя, коэффициенты несимметрии для прототипа составляют: , , а для изобретения , .

На фиг.2 изображена линейная электрическая схема другого варианта исполнения электротехнического комплекса для симметрирования однофазной нагрузки, отличающегося тем, что намотка вторичных полуобмоток с разными цифровыми индексами a-1, b-1, c-1 и a-2, b-2, c-2 выполнена противоположно друг другу. Соответственно конец и начало полуобмоток с измененным направлением намотки меняются местами.

На фиг. 3 изображена векторная диаграмма токов и напряжений электротехнического комплекса для симметрирования однофазной нагрузки, которая иллюстрирует и поясняет принцип работы симметрирующего комплекса.

На фиг. 4 приведен пример системы ответвлений первичных обмоток A, B, C трансформатора Т1 для регулирования напряжения на нагрузке Z_H и балансирующем устройстве С1. Такие ответвления при необходимости могут быть выведены из обмоток трансформатора в разных количествах.

Список использованной литературы

1. Закарюкин В. П. Моделирование систем тягового электроснабжения, оснащенных симметрирующими трансформаторами: монография / В. П. Закарюкин, А. В. Крюков, И. М. Авдиенко. - М.: Берлин: Директ-Медиа, 2017. - 166 с.

2. Струпинский М. Л. Проектирование и эксплуатация систем электрического обогрева в нефтегазовой отрасли / М. Л. Струпинский, Н. Н. Хренков, А. Б. Кувалдин. - М.: Инфра-Инженерия, 2015. - 272 с.

3. RU 2290739 C1 Патент на изобретение РФ. Устройство питания для однофазных индукционно-резистивных нагрузок, обеспечивающее симметрию первичной трехфазной сети: МПК H02M 5/14, H01F 30/12 / М.Л. Струпинский, В.М. Есехин; патентообладатель Струпинский М.Л., Есехин В.М. - №2005137391/09; заявл. 02.12.2005; опубл. 27.12.2006, Бюл. №36.

4. RU 2477555 C2 Патент на изобретение РФ. Устройство электропитания для непосредственного электрического нагрева системы трубопровода: МПК H02J 3/26 / Д. РАДАН (NO); патентообладатель СИМЕНС АКЦИЕНГЕЗЕЛЛЬШАФТ (DE). - №2011115102/07; заявл. 24.07.2009; опубл. 10.03.2013, Бюл. №30.

5. Филлипов А. О. Снижение потерь электрической энергии в сельских сетях 0,38 кВ с помощью трансформаторного симметрирующего устройства дис. канд. техн. наук по специальности 05.20.02 / Филлипов Антон Олегович. - Санкт-Петербург - Пушкин: ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет», 2010. - 141 с.