ТРЕХФАЗНЫЙ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР С РЕГУЛИРОВАНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ПИТАНИЯ 12-ФАЗНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЬНО-ИНВЕРТОРНОГО АГРЕГАТА Российский патент 1999 года по МПК H01F29/02 H01F30/04 H01F27/28 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к трансформаторам, работающим на выпрямительно-инверторные агрегаты.

Известен трехфазный трансформатор с регулированием напряжения для питания 12-фазного выпрямительно-инверторного агрегата, содержащий магнитную стержневую систему, трехфазные сетевую и вентильную обмотки, расположенные на трех концентрах на стержнях магнитной системы, при этом сетевая обмотка, имеющая регулировочные секции, расположена на одном концентре, а вентильная обмотка разделена на четыре электрически не связанные части, две из которых соединены по схеме "звезда", а две другие - по схеме "треугольник", одна часть, соединения в "звезду" и одна часть, соединенная в "треугольник" переплетены между собой на внутреннем концентре и предназначены для питания 12-фазного выпрямителя; одна часть, соединенная в "звезду" и одна часть, соединенная в "треугольник", расположены поэтажно на третьем концентре и предназначены для питания 12-фазного инвертора, при этом числа витков частей, предназначенных для питания инвертора>: на 15% превышают числа витков аналогичных частей, предназначенных для питания выпрямителя [1].

Описанное техническое решение характеризуется двойным количеством частей вентильной обмотки, так как половина этих частей служит для работы выпрямителя, а другая половина - для работы инвертора. Удвоенная мощность частей вентильной обмотки обуславливает большой расход материалов в трансформаторе.

Наиболее близким к заявляемому является трехфазный трансформатор с регулированием напряжения, предназначенный для питания выпрямительно-инверторного агрегата, содержащий стержневую магнитную систему, трехфазные сетевую и вентильную обмотки, расположенные на четырех концентрах на стержнях магнитной системы, при этом сетевая обмотка состоит из двух последовательно соединенных секций и каждая из секций сетевой обмотки расположена на отдельном концентре, а вентильная обмотка разделена на электрически не связанные части, каждая из которых выполнена из секций, при этом на одном из концентров вентильной обмотки расположены по одной секции каждой ее части, а на другом - остальные секции каждой из частей вентильной обмотки и секции частей, расположенные на одном концентре, соединены последовательно с секциями частей, расположенными на другом концентре, причем концентры расположены таким образом, что между концентрами, на которых расположены секции одной обмотки, расположена по крайней мере одна секция другой обмотки [2].

На базе описанного технического решения может быть создан трансформатор для инверторно-выпрямительного агрегата, в котором каждая из частей вентильной обмотки функционирует как в выпрямительном, так и инверторном режимах.

Недостатками решения являются следующие.

Чередование концентров сетевой и вентильной обмоток при высоких уровнях напряжения питающей сети приводит к значительному снижению коэффициента заполнения окна магнитной системы проводниковым материалом, ввиду чего трансформатор характеризуется недостаточно высокими массо-габаритными показателями и пониженным коэффициентом полезного действия.

Подключение выпрямителя к концам секций, расположенным на одном концентре, а инвертора к концам секций, расположенным на другом концентре, позволяет иметь на инверторе напряжение, увеличенное на 10-20% в сравнении с выпрямителем (что необходимо для работы).

Однако, при известных схемах соединения частей и секций вентильных обмоток, не удается обеспечить и на инверторных, и на выпрямительных вводах трансформатора фазовый сдвиг 30 электрических градусов между частями. Поэтому недостижим 12-фазный режим преобразования в инверторе и в выпрямителе. Таким образом, коэффициент несинусоидальности напряжения питающей сети будет иметь большую величину.

Целью данного изобретения является устранение указанных недостатков, а именно: повышение КПД, улучшение массо-габаритных показателей и снижение коэффициента несинусоидальности напряжения питающей сети.

Указанная цель достигается тем, что в трехфазном высоковольтном трансформаторе с регулированием напряжения для питания 12-фазного выпрямительно-инверторного агрегата, содержащем стержневую магнитную систему, трехфазные сетевую и вентильную обмотки, расположенные на четырех концентрах на стержнях магнитной системы, при этом сетевая обмотка состоит из двух последовательно соединенных секций, и каждая из секций сетевой обмотки расположена на отдельном концентре, а вентильная обмотка разделена на электрически не связанные части, каждая из которых выполнена из секций, при этом на одном из концентров вентильной обмотки расположены по одной секции каждой ее части, а на другом - остальные секции каждой из частей вентильной обмотки, и секции частей, расположенные на одном концентре, соединены последовательно с секциям частей, расположенными на другом концентре, ПРЕДЛОЖЕНО концентры, принадлежащие одной обмотке, располагать рядом друг с другом, половину частей вентильной обмотки соединять по схеме "звезда", другую половину частей выполнять с такой схемой соединения, при которой ее секция, расположенная на одном концентре, соединена по схеме "треугольник" так, что начало ее секции фазы с номером n соединено с концом секции фазы с номером m; начало этой же секции фазы с номером n соединено с электрической цепью, образованной двумя равновитковыми последовательно встречно соединенными секциями фаз с номерами n и m, расположенными на другом концентре, при этом каждую из частей выполнить с двумя трехфазными группами вводов, причем у каждой из частей, соединенных по схеме "звезда", к одной трехфазной группе вводов подсоединить начала одной ее секции, а к другой - начала другой ее секции, а у каждой из частей с другой схемой соединения к одной трехфазной группе вводов подсоединить секцию, соединенную в "треугольник", а к другой трехфазной группе вводов - другую секцию, причем одну из секций сетевой обмотки выполнить с регулировочными отпайками, где n и m - номера фаз могут принимать значения 1, 2, 3, причем n≠m.

Необходимость и достаточность перечисленных отличительных признаков для достижения цели подтверждается следующим.

Расположение концентров, принадлежащих одной обмотке, рядом друг с другом сводит к минимуму количество каналов между концентрами, рассчитанными на полное напряжение питающей сети. Таким образом, повышается коэффициент заполнения окна магнитной системы проводниковым материалом, повышается КПД, и улучшаются массо-габаритные показатели трансформатора.

Оговоренные выше схемы соединения частей вентильной обмотки и секций фаз в совокупности с конкретизацией подсоединения групп вводов трансформатора при условии оговоренного равенства чисел витков в секциях позволяют достигнуть углов сдвига фазных напряжений между группами вводов каждой части в 30 электрических градусов и получить требуемую разницу в напряжениях для инвертора и выпрямителя, составляющую 10-20%.

Выполнение одной из секций сетевой обмотки с регулировочными отпайками позволяет обеспечить необходимое регулирование выходного напряжения трансформатора.

В дальнейшем суть изобретения поясняется на примере выполнения.

На фиг. 1 представлен трехфазный трансформатор 1, содержащий магнитную систему 2 со стержнями 3, 4, 5, трехфазную сетевую обмотку 6 и трехфазную вентильную обмотку 7. Сетевая обмотка 6 состоит из двух последовательно соединенных секций 8 и 9. Вентильная обмотка 7 разделена на две электрически не связанные части 10 и 11. Часть 10 выполнена из секций 12 и 13, а часть 11 - из секций 14, 15, 16. Секция 14 состоит из трех секций фаз 17, 18, 19, расположенных соответственно на стержнях 3, 4, 5 магнитной системы 2. Секция 15 состоит из трех секций фаз 20, 21, 22, расположенных соответственно на стержнях 3, 4, 5. Секция 16 состоит из трех секций фаз 23, 24, 25, расположенных соответственно на стержнях 3, 4, 5. Секции 12 и 13 части 10 соединены последовательно между собой. Секции 14, 15, 16 части 11 соединены между собой последовательно. Часть 10 имеет схему соединения "звезда". Секция 14 части 11 соединена по схеме "треугольник". При этом начале ее секции фазы 19 (на фиг. 1 начало каждой секции фазы вверху, конец внизу) расположенной на третьем стержне (n=3), соединено с концом секции фазы 17, расположенной на первом стрежне (m=1). Одновременно начало секции фазы 19 соединено с электрической цепью, образованной секциями фаз 22 и 23, расположенными соответственно на третьем и первом стержнях (n=3, m=1). Указанные секции фаз 22 и 23 имеют равные числа витков и соединены между собой последовательно встречно.

Часть 10 подсоединена к двум трехфазным группам вводов 26 и 27, а часть 11 - к двум трехфазным группам вводов 28 и 29. Секция 9 сетевой обмотки снабжена регулировочными отпайками.

На фиг. 2 представлено расположение секций фазы, расположенных на стержне 5 магнитной системы. Как видно на фиг. 2, секции обмоток и частей расположены на четырех концентрах. На первом от стержня 5 концентре расположены вмотанные друг в друга секции фаз 22 и 25 секций соответственно 15 и 16 части 11 вентильной обмотки 7 (при этом секции фаз 22 и 25 имеют равные числа витков), и секция фазы секции 13 части 10 вентильной обмотки 7.

На втором от стержня 5 концентре расположены секция фазы 19 секции 14 части 11 вентильной обмотки 7 и секция фазы секции 12 части 10 вентильной обмотки 7. Таким образом, на втором от стержня концентре расположены по одной секции каждой части вентильной обмотки 7, а именно: секция 14 части 11 и секция 12 части 10. А на первом от стержня концентре расположены остальные секции каждой из частей вентильной обмотки 7, а именно: секции 15, 16 части 11 и секция 13 части 10.

Конструктивно секции фаз, расположенные на втором концентре, выполнены таким образом, чтобы магнитная связь между ними была сильной.

На третьем от стержня 5 концентре расположена секция фазы секции 8 сетевой обмотки 6.

На четвертом от стержня 5 концентре расположена секция фазы секции 9 сетевой обмотки 6.

Аналогично расположены секции фаз обмоток на стержнях 3 и 4 магнитной системы 2.

Таким образом, секция 8 сетевой обмотки 6 расположена на третьем концентре, а секции 9 сетевой обмотки 6 расположена на четвертом концентре.

Таким образом, из описанного выше расположения секций следует, что на первом и втором концентрах расположены секции вентильной обмотки, а на третьем и четвертом концентрах - секции сетевой обмотки. Отсюда следует, что концентры 1, 2, расположенные рядом друг с другом, принадлежат вентильной обмотке, а расположенные рядом друг с другом концентры 3, 4 принадлежат сетевой обмотке. Группы вводов 26, 27, 28, 29 соединены с частями 10 и 11 вентильной обмотки 7 следующим образом.

Группа вводов 26 части 10 вентильной обмотки 7 соединена с началами секции 12, расположенной на втором от стержня концентре, а группа вводов 27 этой же части соединена с началами секции 13, расположенной на первом от стержня концентре.

Группа вводов 28 части 11 вентильной обмотки 7 соединена с началами секции 14, расположенной на втором от стержня концентре, а группа вводов 29 этой же части вентильной обмотки соединена с концами секций фаз 23, 24, 25 секции 16, расположенной на первом от стержня концентре.

Описанная конструкция имеет всего один между обмотками высокого и низкого напряжения (в прототипе 3 канала). Наличие лишь одного канала с большой разницей потенциалов обуславливает хорошие массогабаритные показатели трансформатора, низкий уровень потерь энергии в нем и высокий КПД.

На фиг. 3 представлены векторные диаграммы линейных напряжений:
а) _BA, _CB, _AC сетевой обмотки 6;
б) _B3a3, _c3b3, _a3c3, _b4a4, _c4b4, _a4c4 на группах вводов 26, 27 части 10 вентильной обмотки 7;
в)_b1c₁, _c1b1, _a1c1, _b2c2,_c2b2, _a2c2 на группах вводов 28, 29 части 11 вентильной обмотки 7;
Как видно из диаграмм 3а и 3б, с учетом равенства витков в секциях 15, 16 части 11 на каждой из групп вводов 28, 29 части 11 линейные напряжения сдвинуты по фазе относительно линейных напряжений на группах вводов 26, 27 части 10 равно на 30 эл. градусов.

Таким образом, при питании от групп вводов 26 и 28 выпрямителя он с учетом фазового сдвига напряжений будет иметь 12-фазный режим выпрямления.

Аналогично, при питании от групп вводов 27 и 29 инвертора (для инвертора необходимо несколько большее напряжение обмоток трансформатора, чем для выпрямителя), инвертор также будет функционировать в 12-фазном режиме.

Обеспечение 12-фазного режима как при работе инвертора, так и при работе выпрямителя, позволяет обеспечить низкий уровень выхода в питающую сеть высших гармоничных тока и тем самым иметь уменьшенную величину коэффициента несинусоидальности напряжения питающей сети.

Эффект от использования данного изобретения будет заключаться в том, что при выполнении трансформаторов на железных дорогах России на постоянном токе в соответствии с заявленным решением, будет осуществлен переход от двухступенчатой трансформации к одноступенчатой.

В настоящее время на подстанциях железных дорог на постоянном токе стоят понизительные трансформаторы с напряжением 110 кВ на напряжение 35 или 10 кВ, и к этим трансформаторам подключены преобразовательные трансформаторы с отдельными обмотками для выпрямителя и отдельными обмотками для инвертора. При таких решениях невозможно достижение одноступенчатой трансформации, т.е. питание преобразовательного трансформатора непосредственно от высоковольтной сети. Невозможность связана с тем, что большое количество частей вентильной обмотки при больших уровнях напряжения питающей сети, с учетом необходимости обеспечения нужных напряжений к.з. обмоток, требует даже больших затрат, чем на обеспечение двухступнчатой трансформации.

Таким образом, заявленное техническое решение позволит в 2 раза уменьшить количество трансформаторов и снизить за счет этого капитальные затраты на преобразовательных подстанциях железных дорог.

1. Трансформатор ТРДТП-20000/35И. Габаритно-установочный чертеж ИБПД. 672434.041-01ГЧ.

2. А.с. СССР N 1020872, H 01 F 27/28, 1983 г.

Использование: в выпрямительно-инверторных агрегатах. Технический результат - повышение КПД, улучшение массогабаритных показателей и снижение коэффициента несинусоидальности напряжения питающей сети. Для этого сетевая и вентильная обмотки расположены на четырех концентрах, и каждая из них занимает два рядом расположенных концентра. Половина частей вентильной обмотки соединена по схеме "звезда", а каждая из частей второй половины состоит из секций, одна из которых соединена по схеме "треугольник". 5 ил.

Трехфазный высоковольтный трансформатор с регулированием напряжения для питания 12-фазного выпрямительно-инверторного агрегата, содержащий стержневую магнитную систему, трехфазные сетевую и вентильную обмотки, расположенные на четырех концентрах на стержнях магнитной системы, при этом сетевая обмотка состоит из двух последовательно соединенных секций, и каждая из секций сетевой обмотки расположена на отдельном концентре, а вентильная обмотка разделена на электрически не связанные части, каждая из которых выполнена из секций, при этом на одном из концентров вентильной обмотки расположены по одной секции каждой ее части, а на другом - остальные секции каждой из частей вентильной обмотки, и секции частей, расположенные на одном концентре, соединены последовательно с секциями частей, расположенными на другом концентре, отличающийся тем, что концентры, принадлежащие одной обмотке, расположены рядом друг с другом, половина частей вентильной обмотки соединена по схеме "звезда", а каждая из другой половины частей имеет секцию, расположенную на одном концентре и соединенную по схеме "треугольник" так, что начало ее секции фазы с номером n соединено с концом секции фазы с номером m, начало этой же секции фазы с номером n соединено с электрической цепью, образованной двумя равновитковыми последовательно-встречно соединенными секциями фаз с номерами n и m, расположенными на другом концентре, при этом каждая из частей выполнена с двумя трехфазными группами вводов, причем у каждой из частей, соединенных по схеме "звезда", к одной трехфазной группе вводов подсоединены начала одной ее секции, а к другой - начала другой ее секции, а у каждой из частей с другой схемой соединения к одной трехфазной группе вводов подсоединена секция, соединенная в "треугольник", а к другой трехфазной группе вводов - другая секция, причем одна из секций сетевой обмотки выполнена с регулировочными отпайками, где m и n - номера фаз могут принимать значения 1, 2, 3, причем m ≠ n.