ИНДУКЦИОННЫЙ АППАРАТ "UVAR" СО СТУПЕНЧАТЫМ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕМ ВИТКОВ ОБМОТКИ ПОД НАГРУЗКОЙ Российский патент 1995 года по МПК H02M5/12 H01F29/04 

Изобретение относится к электротехнике и энергетике и может быть использовано в реакторах, автотрансформаторах и трансформаторах, когда требуется ступенчато изменять число витков их обмоток под нагрузкой.

Известен индукционный аппарат с встроенным ступенчатым переключением витков обмотки под нагрузкой, содержащий регулировочную обмотку с ответвлениями и токоограничивающие элементы, подключенные к ответвлениям через две коммутирующие системы. В качестве токо- ограничивающих элементов используют реактор, резисторы [1].

Недостатками этого аппарата являются сложность конструкции из-за использования специальных токоограничивающих элементов, увеличенные массогабаритные показатели из-за наличия дополнительного реактора и жесткие требования к быстродействию и надежности коммутирующей системы при использовании резисторов во избежание их перегрева.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту является индукционный аппарат со ступенчатым переключением витков под нагрузкой, входящий в состав электропечного трансформатора, содержащий обмотку, имеющую последовательно соединенные основную и регулировочную секции, подключенную к одному из зажимов внешней цепи, две коммутирующие системы, токоограничивающий реактор, средний вывод которого подключен к другому зажиму цепи. Промежуточные выводы регулировочной части обмотки переключаются посредством коммутирующих систем, каждая из которых содержит вспомогательный переключатель (избиратель) для выбора в обесточенном состоянии ответвлений обмотки и главный переключатель (контактор) для отключения тока в цепи избирателя при переходе с одного ответвления на другое. Выходными зажимами главные переключатели соединены с токоограничивающим реактором (ТР). ТР ограничивает ток в переключаемой части обмотки при переводе тока нагрузки с одного ответвления на другое, а также при длительной работе, когда избиратели подключены к разным ответвлениям. При этом величина циркулирующего тока определяется напряжением ступени и индуктивным сопротивлением реактора [2].

Недостатком этого аппарата является его сложность из-за использования специального ТР, имеющего значительные массогабаритные показатели.

Данное устройство практически реализуемо при величине ступеней регулирования 5-10%, так как при увеличении значения ступеней регулирования необходимо увеличение сопротивления реактора, что вызывает увеличение габаритов реактора, всего аппарата в целом и его стоимости.

Специфика работы некоторых видов электротехнологического оборудования требует индукционных аппаратов со ступенчатым регулированием витков обмотки ступеней регулирования до 25% и глубины до 5 раз. Габариты ТР пропорционально зависят от величины напряжения ступени, и при ее значении в 5% от номинального установленная мощность ТР составляет примерно 5% от мощности аппарата. При увеличении ступени до 25% от номинального установленная мощность ТР возрастает до 25%, что удорожает аппарат и увеличивает его размеры. Если же диапазон регулирования обеспечивать ступенями в 5-10 % от номинального, то это приводит, кроме наличия ТР, еще и к увеличению коммутирующей системы. В условиях жестких режимов работы электротехнологического оборудования из-за этого уменьшается надежность аппаратов.

Целью изобретения является упрощение и уменьшение массогабаритных показателей индукционных аппаратов со ступенчатым переключением витков обмотки под нагрузкой.

Это достигается тем, что в известном индукционном аппарате со ступенчатым переключением витков обмотки под нагрузкой, содержащем обмотку, имеющую последовательно соединенные основную и регулировочную секции, две коммутирующие системы, каждая из которых выполнена в виде последовательно соединенных главного и вспомогательного переключателей, обмотка выполнена в виде двух одинаковых ветвей, при этом свободный вывод основной секции каждой из ветвей подключен к первому выводу для подключения внешней цепи, входные контакты каждого вспомогательного переключателя выполнены с возможностью коммутации с промежуточными выводами регулировочной секции соответствующей ветви обмотки, выходной вывод главного переключателя каждой коммутирующей системы соединен с вторым выводом для подключения внешней цепи.

С целью повышения надежности силовые выводы каждого главного переключателя могут быть зашунтированы соответст- вующим введенным бесконтактным переключателем.

Кроме того, с целью повышения надежности за счет облегчения условий работы главных переключателей введено четыре неуправляемых вентиля, каждая из коммутирующих систем содержит дополнительный вспомогательный переключатель, входные контакты основного вспомогательного переключателя выполнены с возможностью переключения четных выводов регулировочной секции соответствующей ветви обмотки, входные контакты дополнительного вспомогательного переключателя выполнены с возможностью переключения нечетных выводов, главный переключатель содержит три дополнительных выходных контакта, его подвижный контакт выполнен с возможностью замыкания одного или одновременно двух входных контактов, при этом первый и второй дополнительные входные контакты каждого из главных переключателей соединены через соответствующие неуправляемые вентили с выходными контактами основного вспомогательного переключателя cоответcтвующей коммутирующей cиcтемы и дополнительного вcпо- могательного переключателя другой коммутирующей системы соответственно, третий дополнительный входной контакт главного переключателя соединен с выходным контактом дополнительного вспомогательного переключателя другой коммути- рующей системы, а неуправляемые вентили, связанные с разными главными переключателями, включены встречно друг другу.

На фиг.1 приведена принципиальная схема индукционного аппарата в режиме, когда вспомогательные переключатели подключаются к ответвлениям разного количества витков ветвей обмотки; на фиг.2 и 3 - варианты выполнения аппарата.

Индукционный аппарат, подключенный к выводам 1(А) и 2(Х) внешней цепи, содержит обмотку, выполненную в виде двух одинаковых ветвей 3 и 4. Ветви имеют последовательно соединенные основные секции 5 и 6 и регулировочные секции 7 и 8 с промежуточными выводами (ответвлениями) 9 - 12 и 13 - 16. Количество витков выводов 9 - 12 одинаково с соответствующими промежуточными выводами 13 - 16. Коммутирующие системы содержат вспомогательные переключатели (избиратели) 17, 17' и 18, 18', входные контакты которых в обесточенном состоянии переключают ответвления, и главные переключатели (контакторы) 19 и 20. Выходные контакты вспомогательных переключателей 17, 17' и 18, 18' присоединены к входным контактам главных переключателей 19 и 20. Одноименные свободные выводы ветвей 3 и 4 подключены к выводу 1, а выходные зажимы главных переключателей 19 и 20 подключены к другому выводу 2 внешней цепи.

Один вариант выполнения аппарата предусматривает присоединение параллельно главным переключателям 19 и 20 бесконтактного переключателя 21 с двумя управляемыми плечами 22 и 23 (фиг.2).

В другом варианте выполнения аппарата могут быть использованы неуправляемые вентили 24 - 27 (фиг.3). Входные контакты 17 и 17' выполнены с возможностью коммутации с четными ответвлениями 10 и 12, 14 и 16 соответственно одного и того же количества витков ветвей 3 и 4. Входные контакты 18 и 18' выполнены с возможностью коммутации с нечетными ответвлениями 9 и 11, 13 и 15 соответственно одного и того же количества витков ветвей. Главные переключатели 19 и 20 каждой ветви в этом варианте выполнения имеют входные контакты 28 - 31 и 32 - 35. Выходные контакты вспомогательных переключателей каждой коммутирующей системы присоединены к входным контактам главных переключателей через вентили 24, 26 и 25, 27, проводящее направление которых у каждой из ветвей 3 и 4 противоположное.

Индукционный аппарат со ступенчатым переключением витков обмотки под нагрузкой работает следующим образом (фиг.1). Например, входные подвижные контакты вспомогательных переключателей 17 и 18 находятся соответственно на ответвлениях 10 и 14 одного и того же количества витков обеих ветвей. Главные переключатели 19 и 20 замкнуты. Рассмотрим переход с ответвлений 10 и 14 на ответвления 11 и 15 (фиг.1). Ток нагрузки проходит по обеим параллельно подключенным одинаковым ветвям 3 и 4 в одном направлении, избирателям 17 и 18 и главным переключателям 19 и 20. Размыкается контактор 19. Ток нагрузки продолжает протекать через контактор 20, избиратель 18, ответвление 14, ветвь 4. Избиратель 17 в бестоковом положении размыкает свой контакт на ответвлении 10 и замыкает на ответвлении 11. Затем контактор 19 вновь замыкается. В этом промежуточном положении, когда избиратели 17 и 18 подключаются к ответвлениям разного количества витков ветвей 3 и 4, образуется из-за несбалансированности ЭДС контур циркулирующего тока: 11-17-19-20-18-14-6-5-11. Источником напряжения в этом контуре является часть ветви 3 между предыдущим ответвлением 10 и ответвлением 11. Встречно-последовательное включение ветвей 3 и 4 в этом контуре создает необходимое сопротивление для ограничения циркулирующего тока. В этом положении последний накладывается на ток нагрузки. Далее размыкается контактор 20, тем самым обрывая циркулирующий ток. Ток нагрузки протекает через контактор 19, избиратель 17, ответвление 11 и ветвь 3. Избиратель 18 размыкает свой контакт с ответвлением 14 и замыкает с ответвлением 15. Далее замыкается контактор 20. Ток нагрузки вновь проходит по ветвям 3 и 4. Этим цикл заканчивается.

Для повышения надежности и эффективности переключения параллельно контакторам 19 и 20 дополнительно может быть присоединен бесконтактный переключатель 21. В этом случае индукционный аппарат работает следующим образом (фиг.2). Например, входные подвижные контакты вспомогательных переключателей 17 и 18 находятся соответственно на ответвлениях 10 и 14 одного и того же количества витков обеих ветвей. Рассмотрим переход с ответвлений 10 и 14 на ответвления 11 и 15. Ток нагрузки проходит по обеим параллельно подключенным одинаковым ветвям 3 и 4 в одном направлении, вспомогательным переключателям 17 и 18 и главным переключателям 19 и 20. Бесконтактный переключатель 21 включается, а переключатели 19 и 20 размыкаются. Затем размыкается плечо 22, ток нагрузки продолжает протекать через плечо 23, избиратель 18, ветвь 4. Избиратель 17 в бестоковом положении размыкает свой контакт на ответвлении 10 и замыкает на ответвлении 11, после чего замыкается плечо 22. В этом промежуточном положении, когда избиратели 17 и 18 подключаются к ответвлениям разного количества витков регулировочных секций 7 и 8, образуется из-за несбалансированности ЭДС контур циркулирующего тока: 11-17-22-23-18-14-6-5-11. Источником напряжения в этом контуре является часть ветви 3 между предыдущим ответвлением 10 и ответвлением 11. Встречно-последовательное включение ветвей 3 и 4 в этом контуре создает необходимое сопротивлением для ограничения циркулирующего тока. В этом положении последний накладывается на ток нагрузки. Далее запирается плечо 23 переключателя 21, циркулирующий ток обрывается, а ток нагрузки продолжает протекать через плечо 22, избиратель 17, ответвление 11 ветви 3. Избиратель 18 размыкает свой контакт на ответвлении 14 и замыкает на ответвлении 15. Замыкается плечо 23, затем замыкаются контакторы 19 и 20. Ток нагрузки вновь проходит по двум ветвям 3 и 4 в одном направлении. В конце цикла бесконтактный переключатель 21 размыкается. Ток нагрузки проходит по контурам 1, 3, 11, 17, 19, 2 и 1, 4, 15, 18, 20, 2.

Главные переключатели 19 и 20 шунтируются бесконтактным переключателем 21 и практически не коммутируют токов, поэтому значительно облегчается режим их эксплуатации, не загрязняется масло в баке индукционного аппарата. Бесконтактный переключатель 21 может быть выполнен на базе встречно-параллельно соединенных тиристоров или других бесконтактных ключевых элементов. Для повышения коммутационной способности аппарата, заключаю- щейся в облегчении условий работы главных переключателей, может быть увеличено количество вспомогательных переключателей в каждой коммутирующей системе, а подсоединение их к входным контактам главных переключателей может проходить через неуправляемые вентили (фиг.3).

В этом случае аппарат работает следующим образом. Например, входные подвижные контакты избирателей 17 и 17' одной коммутирующей системы находятся на четных ответвлениях 10 и 14 одного и того же количества витков обеих ветвей, а избиратели 18 и 18' другой коммутирующей системы - на ответвлениях 9 и 13. Подвижные контакты главных переключателей замыкают соответственно 28 и 29, 32 и 33, вентили 24 и 26 зашунтированы. Рассмотрим переход с ответвлений 10 и 14 на ответвления 11 и 15. Ток нагрузки протекает по обеим параллельно подключенным ветвям 3 и 4, ответвлениям 10 и 14, избирателям 17 и 17', переключателям 19 и 20. В бестоковом состоянии избиратели 18 и 18' размыкают свои контакты с ответвлений 9 и 13 и замыкают на ответвлениях 11 и 15.

Далее подвижные контакты главных переключателей размыкаются на 28 и 32, замыкаясь на 29 и 33. Тогда в положительный полупериод ток нагрузки течет от вывода 1(А) по ветви 4, ответвлению 14, вентилю 26 и через контакт 33 к выводу 2(Х), в отрицательный полупериод - по ветви 3, ответвлению 10, вентилю 24 и через контакт 29 к выводу 2(Х).

Затем переключатели 19 и 20 замыкают одновременно контакты 29 и 30, 33 и 34. В этом промежуточном положении, когда избиратели 17 и 17' одной коммутирующей системы и избиратели 18 и 18' другой подключаются к ответвлениям разного количества витков ветвей, образуется из-за несбалансированности ЭДС контур циркулирующего тока: 14-26-20-19-25-18-11-5-6-14 либо 10-24-19-20-27-18'-15-6-5-10. Источником напряжения в этих контурах являются части ветвей между четными и нечетными ответвлениями. Встречно-последовательное включение ветвей 3 и 4 в этих контурах создает необходимое сопротивле- нием для ограничения циркулирующего тока.

Далее контакты замыкаются на 30 и 34, размыкаясь с 29 и 33. Циркулирующий ток обрывается. Ток нагрузки в положительный полупериод протекает по цепи 1-4-15-18'-27-20, а в отрицательный - по цепи 1-3-11-18-25-19-2.

В заключении цикла переключения контакты переключателей 19 и 20 замыкаются соответственно с 30 и 31, 34 и 35. Диоды шунтированы. Ток течет по обеим параллельно подключенным ветвям 3 и 4, ответвлениям 11 и 15 одинакового количества витков, избирателям 18 и 18', переключателям 19 и 20 к выводу 2(Х).

В этом варианте выполнения длительность горения дуги в главных переключателях не превышает половины периода из-за последовательного подключения к избирателям неуправляемых вентилей. Дуга может образоваться только на контактах одного из главных переключателей, т.е. либо на контакте 29, либо на контакте 33.

Технико-экономические преимущества заключаются в значительном упрощении, уменьшении массогабаритных показателей, повышении надежности аппарата. Отпадает необходимость в специальном токоограничивающем реакторе. При этом появляется возможность выполнить регулировочную часть обмотки в реакторах, автотрансформаторах, трансформаторах, выпускаемых промышленностью, с большими ступенями переключаемых витков обмотки до 25% и обеспечить, например, глубину переключения четырьмя ступенями. Предельное значение ступени определяется напряжением короткого замыкания ветвей обмотки. При его большем значении можно в предлагаемом устройстве получить и ступени 35-40%, что в известных устройствах получить крайне сложно. При этом переключение протекает без чрезмерного увеличения циркулирующего тока, повышается надежность, а габариты магнитопровода и обмоток индукционного аппарата остаются практически такими же, как и габариты прототипа. При малых ступенях (до 5% от номинального) индукционный аппарат может постоянно работать в режиме, когда вспомогательные переключатели подключаются к ответвлениям разного количества витков регулировочных частей ветвей обмотки. Такое положение соответствует самостоятельной ступени переключения, при котором напряжение регулировочной части равно среднему арифметическому от напряжения подключенных ступеней. При этом величина циркулирующего тока не превышает 0,2 номинального тока. В процессе коммутации и при постоянной работе в этом режиме такой циркулирующий ток в ветвях обмотки не оказывает заметного влияния на температурный режим индукционного аппарата. Таким образом, повышается надежность, так как отсутствуют требования к быстродействию устройства. Величина ступени при таком режиме работы примерно в 2 раза больше, чем у прототипа.

Данный аппарат может быть использован при высоких и сверхвысоких напряжениях, так как позволяет включать обмотки в "звезду" с заземленной нейтралью и поэтому коммутационные аппараты не оказываются под высоким потенциалом.

Предлагаемый индукционный аппарат "UVAR" может широко использоваться в электротехнологическом оборудовании, когда по условиям технологического режима не допускается перерыв в электроснабжении или ресурс коммутирующих аппаратов не позволяет частого снятия питания для осуществления переключения со снятием напряжения.

Использование: изобретение относится к электротехнике и электроэнергетике и может быть использовано для переключения витков обмоток в реакторах, автотрансформаторах и трансформаторах. Сущность изобретения:устройство содержит обмотку в виде двух одинаковых ветвей 3 и 4. Каждая ветвь имеет последовательно соединенные основную секцию 5 (6) и регулировочную секцию 7 (8). Одноименные выводы ветвей 3 и 4 подключены к одному из выводов 1 внешней цепи. Регулировочные секции ветвей выполнены с выводами от одного и того же количества витков. Каждая из двух коммутирующих систем выполнена в виде последовательно соединенных главного и вспомогательного переключателей. Вспомогательные переключатели 17 и 18 выполнены с возможностью коммутации с выводами 9 - 16. Выходные выводы главных переключателей 19 - 20 подключены к другому выводу 2 внешней 2 цепи. При подключении вспомогательных переключателей 17 - 18 к выводам одного и того же количества витков ток нагрузки проходит по обеим параллельно подключенным ветвям 3 и 4. При переключении витков и при длительной работе, когда вспомогательные переключатели 17 и 18 к выводам одного и того же количества витков ток нагрузки проходит по обеим параллельно подключенным ветвям 3 и 4. При переключении витков и при длительной работе, когда вспомогательные переключатели 17 и 18 подключены к отверстиям разного количества витков, циркулирующий ток ограничивается встречно-последовательным включением ветвей 3 и 4. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

ИНДУКЦИОННЫЙ АППАРАТ "UVAR" СО СТУПЕНЧАТЫМ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕМ ВИТКОВ ОБМОТКИ ПОД НАГРУЗКОЙ.