ТРЕХФАЗНЫЙ ТРАНСФОРМАТОРНЫЙ АГРЕГАТ Российский патент 2007 года по МПК H01F30/12 H01F30/02 H01F29/02 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к силовой электротехнике, а более конкретно к трансформаторным агрегатам, предназначенным для питания выпрямителей мощных преобразовательных подстанций алюминиевой промышленности.

Известен трансформаторный агрегат, содержащий трехфазную группу вводов, две активные части, первая из которых выполнена в виде автотрансформатора, имеющего, по крайней мере, первую и вторую обмотки, а вторая активная часть выполнена в виде трансформатора, содержащего первичную, вторичную и фазосдвигающую обмотки, причем фазосдвигающая обмотка трансформатора соединена с его первичной обмоткой таким образом, что обмотка одной из фаз фазосдвигающей обмотки соединена последовательно с обмоткой другой фазы первичной обмотки трансформатора, первая обмотка автотрансформатора соединена по схеме "треугольник", а обмотки фаз второй обмотки автотрансформатора соединены с вершинами этого "треугольника" [1].

Описанный в [1] трансформаторный агрегат позволяет реализовывать на преобразовательных подстанциях высокую эквивалентную фазность выпрямления.

Однако он характеризуется следующими недостатками.

Необходимые для создания на преобразовательной подстанции многофазного режима выпрямления пересоединения обмоток в нескольких одинаковых трансформаторных агрегатах выполняются достаточно сложно, требуют наличия в них довольно сложных переключателей.

Такой трансформаторный агрегат имеет недостаточно высокие массо-габаритные показатели вследствие того, что фазовый сдвиг в его автотрансформаторе осуществляется под углом 90° по отношению к эквивалентным (при приведении к схеме "звезда") фазным напряжениям.

Кроме того, при устранении в одной из активных частей одних трансформаторных агрегатов угла фазового сдвига появляются различия в коэффициентах трансформации и индуктивностях разных агрегатов одной подстанции, что, в свою очередь, приводит к неравномерной токовой загрузке и невозможности выхода на номинальные параметры, а следовательно, имеет место вынужденное снижение мощности преобразовательной подстанции.

Изобретением решается задача устранения отмеченных выше недостатков путем создания трехфазного трансформаторного агрегата, характеризующегося относительной простотой схемно-конструктивных решений по обеспечению пересоединения обмоток, улучшенными массо-габаритными показателями трехфазного трансформаторного агрегата, а также повышенной проходной мощностью трехфазных трансформаторных агрегатов на преобразовательной подстанции.

Для решения поставленной задачи в трехфазном трансформаторном агрегате, содержащем основную трехфазную группу вводов, по меньшей мере, две активные части, первая из которых выполнена в виде автотрансформатора, имеющего, по крайней мере, первую и вторую обмотки, а вторая активная часть выполнена в виде трансформатора, содержащего первичную, вторичную и фазосдвигающую обмотки, причем фазосдвигающая обмотка трансформатора соединена с его первичной обмоткой таким образом, что обмотка одной фазы фазосдвигающей обмотки соединена последовательно с обмоткой другой фазы первичной обмотки трансформатора, предложено согласно настоящему изобретению первую и вторую обмотки автотрансформатора соединить таким образом, что начало обмотки первой фазы первой обмотки соединить с началом обмотки второй фазы второй обмотки, конец обмотки второй фазы второй обмотки соединить с концом обмотки третьей фазы первой обмотки, а конец обмотки первой фазы первой обмотки соединить с концом обмотки третьей фазы второй обмотки; при этом трехфазный трансформаторный агрегат может содержать дополнительную трехфазную группу вводов, идентичную основной, при этом каждый из вводов основной трехфазной группы соединен с началом одной из обмоток фаз второй обмотки автотрансформатора, а каждый из вводов дополнительной трехфазной группы соединен с концом одной из обмоток фаз второй обмотки автотрансформатора; при этом в трехфазном трансформаторном агрегате отношение числа витков первой обмотки автотрансформатора к числу витков второй обмотки автотрансформатора может быть связано с отношением числа витков первичной обмотки трансформатора к числу витков фазосдвигающей обмотки трансформатора следующей математической зависимостью:

,

где η_АТ - отношение числа витков первой обмотки автотрансформатора к числу витков второй обмотки автотрансформатора;

η_ТР - отношение числа витков первичной обмотки трансформатора к числу витков фазосдвигающей обмотки трансформатора; при этом в трехфазном трансформаторном агрегате первая обмотка автотрансформатора может содержать, по меньшей мере, две регулировочные секции; автотрансформатор может содержать устройство переключения регулировочных секций, первичная обмотка трансформатора может быть выполнена из двух частей с равными числами витков, а трансформатор может быть снабжен переключателем, обеспечивающим переключение частей первичной обмотки с параллельного на последовательное; при этом в трехфазном трансформаторном агрегате автотрансформатор может содержать регулировочную обмотку, обмотки фаз которой могут быть соединены с обмотками одноименных фаз первой обмотки автотрансформатора; при этом в трехфазном трансформаторном агрегате автотрансформатор может содержать дополнительную подпитывающую обмотку, обмотки фаз которой могут быть соединены с обмотками одноименных фаз первой обмотки автотрансформатора.

Указанное выше выполнение соединений между обмотками фаз первой и второй обмоток автотрансформатора в трехфазном трансформаторном агрегате позволит:

- осуществить фазовый сдвиг под углом 60 электрических градусов, что в сравнении с осуществлением его под углом 90 электрических градусов позволит снизить типовую мощность трехфазного трансформаторного агрегата, расход материалов на его изготовление, улучшить массо-габаритные показатели;

- упростить схемно-конструктивные решения по переводу автотрансформатора и всего трехфазного трансформаторного агрегата в целом с положительного значения угла фазового сдвига на отрицательное значение. В частности, появляется возможность отказаться от сложных переключателей и производить указанный переход, подключаясь к сети одной из групп трехфазных вводов.

Выбор чисел витков фазосдвигающей обмотки трансформатора в соответствии с приведенной математической зависимостью позволит при числе агрегатов, кратном четырем, получать эквивалентные углы фазовых сдвигов, равные: -3γ; -γ; +γ; +3γ, что позволит учетверить фазность выпрямления на преобразовательной подстанции, причем таким образом, что все трансформаторные агрегаты будут иметь абсолютно равные коэффициенты трансформации и индуктивности. Таким образом, достигается равномерное распределение токовой нагрузки между агрегатами на преобразовательной подстанции.

Введение в автотрансформатор регулировочных секций и переключающего устройства для переключения этих секций, а также выполнение первичной обмотки из двух частей позволяет в широких пределах регулировать выходное напряжение трехфазного трансформаторного агрегата. Существенным отличием от известных аналогичных решений является то, что тонкая регулировка будет выполняться в автотрансформаторе, а грубая - в трансформаторе за счет пересоединения частей первичной обмотки. Такое регулирование позволит обеспечить необходимую глубину регулирования и оптимизировать конструктивное совместное выполнение активных частей в заданном объеме.

Введение в автотрансформатор дополнительной регулировочной обмотки, а также подпитывающей обмотки позволит осуществить передачу мощности от автотрансформатора к трансформатору на наиболее оптимальном напряжении, при котором минимизированы затраты на переключающее устройство.

В дальнейшем изобретение поясняется на примере выполнения чертежами, на которых представлены: на фиг.1 - принципиальная электрическая схема заявляемого трехфазного трансформаторного агрегата; на фиг.2 - электрическая схема переключения частей одной из обмоток фаз первичной обмотки трансформатора; на фиг.3 - векторная диаграмма напряжений в трехфазном трансформаторном агрегате.

Трехфазный трансформаторный агрегат 1 содержит две активные части: первая из которых выполнена в виде автотрансформатора 2, а вторая активная часть выполнена в виде трансформатора 3.

Автотрансформатор 2 содержит четыре обмотки: первую обмотку 4, вторую обмотку 5, подпитывающую обмотку 6 и дополнительную регулировочную обмотку 7.

Трансформатор 3 содержит первичную обмотку 8, вторичную обмотку 9 и фазосдвигающую обмотку 10. Первичная обмотка 8 состоит из трех обмоток фаз: обмотки 11 первой фазы, обмотки 12 второй фазы и обмотки 13 третьей фазы; фазосдвигающая обмотка 10 также состоит из трех обмоток фаз: обмотки 14 первой фазы, обмотки 15 второй фазы и обмотки 16 третьей фазы.

Обмотка 14 первой фазы фазосдвигающей обмотки 10 трансформатора 3 соединена последовательно с обмоткой 13 третьей фазы первичной обмотки 8 трансформатора 3.

Обмотка 15 второй фазы фазосдвигающей обмотки 10 трансформатора 3 соединена последовательно с обмоткой 11 первой фазы первичной обмотки 8 трансформатора 3.

Обмотка 16 третьей фазы фазосдвигающей обмотки 10 трансформатора 3 соединена последовательно с обмоткой 12 второй фазы первичной обмотки 8 трансформатора 3.

Первая обмотка 4 автотрансформатора 2 содержит обмотки фаз: обмотку 17 первой фазы, обмотку 18 второй фазы и обмотку 19 третьей фазы.

Вторая обмотка 5 автотрансформатора 2 содержит обмотки фаз: обмотку 20 первой фазы, обмотку 21 второй фазы и обмотку 22 третьей фазы.

Первая обмотка 4 и вторая обмотка 5 автотрансформатора 2 соединены следующим образом.

Начало обмотки 17 (обозначено на фиг.1 звездочкой) первой фазы первой обмотки 4 соединено с началом обмотки 21 (также обозначено на фиг.1 звездочкой) второй фазы второй обмотки 5. Конец обмотки 21 второй фазы второй обмотки 5 соединен с концом обмотки 19 третьей фазы первой обмотки 4.

Трехфазный трансформаторный агрегат 1 содержит две трехфазные группы первичных вводов. Основная группа образована вводами 23, 24, 25, а дополнительная группа, идентичная основной, образована вводами 26, 27, 28. Каждый из вводов 23, 24, 25, образующих основную группу, соединен с началом обмотки соответствующей фазы 20, 21, 22 второй обмотки 5 автотрансформатора 2, а каждый из вводов 26, 27, 28, образующих дополнительную группу, соединен с концом обмотки соответствующей фазы 20, 21, 22 второй обмотки 5 автотрансформатора 2.

Число витков в первой обмотке 4 автотрансформатора 2 равно 61, а во второй обмотке 5 автотрансформатора 2 равно 10. При таком соотношении чисел витков η_АТ=6,1, а угол фазового сдвига напряжений в автотрансформаторе составляет 7,5 электрических градуса.

Число витков в первичной обмотке 8 трансформатора 3 составляет также 61 виток, а во вторичной обмотке 10-5 витков. При таком сочетании чисел витков η_ТР=12,2, а угол фазового сдвига напряжений в трансформаторе 3 составляет 3,75 электрических градуса. Величина (η_АТ+η_ТР)/|η_АТ-η_ТР|=(6,1+12,2)/|6,1-12,2|=18,3/6,1=3.

Необходимо заметить, что граничные значения указанного соотношения от двух до четырех получены на основании того, что при некоторых углах фазового сдвига из-за дискретности в числах витков отступления от идеального числа, равного трем, могут быть значительными.

Первая обмотка 4 автотрансформатора 2 содержит регулировочные секции 29 и, кроме того, автотрансформатор 2 содержит трехфазное устройство переключения регулировочных секций 30. Первичная обмотка 8 трансформатора 3 выполнена из двух частей. Обмотка 11 первой фазы первичной обмотки 8 состоит из двух частей 31 и 32, имеющих равное число витков, которые могут переключаться с параллельного соединения на последовательное посредством переключателя 33 (см. фиг.2).

В левом положении переключателя 33 (как показано на фиг.2) части 31 и 32 обмотки фазы 11 первичной обмотки 8 трансформатора 3 соединены параллельно. В правом положении переключателя 33 имеет место последовательное соединение частей 31 и 32 обмотки фазы 11 первичной обмотки 8 трансформатора 3.

Аналогичное исполнение имеют и обмотки фаз 12 и 13 первичной обмотки 8 трансформатора 3.

Векторная диаграмма напряжений в автотрансформаторе 2 и в трансформаторе 3 представлена на фиг.3. Она выполнена для случая, когда напряжение от питающей сети подано на вводы 26, 27, 28, образующие дополнительную группу вводов. При этом напряжения U₁₇, U₁₈, U₁₉, подаваемые на обмотки трансформатора, сдвинуты по отношению к напряжениям сети на угол α, в данном случае равный 7,5°. Фазные напряжения на обмотках фаз первичной обмотки трансформатора U₁₁, U₁₂, U₁₃ сдвинуты по фазе относительно напряжений соответственно U₁₇, U₁₈, U₁₉, на угол β, в данном случае равный 3,75°.

Таким образом, напряжения на обмотках 11, 12, 13 первичной обмотки 8 трансформатора 3 сдвинуты по фазе на угол (α+β)=(7,5+3,75)=11,25° относительно напряжений питающей сети, соответственно СА, АВ, ВС.

Если подать напряжения от питающей сети на вводы 23, 24, 25, образующие основную трехфазную группу вводов, то угол α составит минус 7,5° и тогда (α+β) будет равно (-7,5+3,75)=-3,75°.

Подключая трехфазный трансформаторный агрегат к сети с перестановкой фаз, когда его вводы а, b, с будут подключены соответственно, например, к фазам а, с, b сети, можно достигнуть изменения знака угла фазового сдвига.

Следовательно, трехфазный трансформаторный агрегат указанного исполнения позволит на преобразовательной подстанции иметь 12-фазные преобразовательные агрегаты с углами фазового сдвига минус 11,25°, минус 3,75°, плюс 3,75°, плюс 11,25°. Причем на такой подстанции в силу идентичности агрегатов не будет возникать вопросов обеспечения равенства токовой нагрузки между ними.

В приведенном случае числа витков были выбраны таким образом, что фазовый сдвиг, обеспечиваемый автотрансформатором, был в два раза больше, чем фазовый сдвиг, обеспечиваемый трансформатором. Можно было бы выполнить обратное соотношение, когда, например, η_АТ=12,2, а η_ТР=6,1. В этом случае также выполняется соотношение чисел витков, приведенное в пункте 3 формулы:

(η_АТ+η_ТР)/|η_AT-η_ТР|=(12,2+6,1)/|12,2-6,1|=18,3/6,1=3.

В этом случае в трехфазном трансформаторном агрегате также обеспечивались бы те же самые четыре угла фазового сдвига.

Наличие в первой обмотке автотрансформатора регулировочных секций, переключающего устройства, регулировочной обмотки и выполнение первичной обмотки из двух частей, а также наличие подпитывающей обмотки позволит достигнуть требуемой глубины регулирования напряжения при оптимальных параметрах обмоток и переключающих устройств.

Применение трехфазных трансформаторных агрегатов на преобразовательных подстанциях позволит добиться равномерного распределения нагрузки между агрегатами, а также решить вопросы обеспечения высокой фазности выпрямления благодаря использованию агрегатов единого исполнения; переход с одного угла фазового сдвига на другой осуществляется без использования переключающих устройств. Указанные конструктивные особенности заявляемого трехфазного трансформаторного агрегата подтверждают тот факт, что такая подстанция будет обладать повышенной надежностью. При этом единое исполнение агрегатов приведет к уменьшению числа резервных трансформаторных агрегатов.

В настоящее время прорабатывается вопрос создания трехфазных трансформаторных агрегатов в соответствии с изобретением на одном из заводов России.

Литература:

1. Патент РФ №2200355, МПК H 01 F 29/02, 2003 г.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к трансформаторным агрегатам для питания выпрямителей мощных преобразовательных подстанций алюминиевой промышленности. Технический результат состоит в упрощении схемно-конструктивных решений пересоединения обмоток, улучшении массо-габаритных показателей, а также повышении проходной мощности. Трехфазный трансформаторный агрегат содержит основную трехфазную группу первичных вводов, по меньшей мере, две активные части, первая из которых выполнена в виде автотрансформатора, имеющего, по крайней мере, первую обмотку и вторую обмотку. Начало каждой фазы второй обмотки соединено с соответствующим вводом основной трехфазной группы первичных вводов. Вторая активная часть выполнена в виде трансформатора, содержащего первичную, вторичную и фазосдвигающую обмотки. Фазосдвигающая обмотка трансформатора соединена с его первичной обмоткой таким образом, что обмотка ее первой фазы соединена последовательно с обмоткой третьей фазы первичной обмотки трансформатора. Обмотка ее второй фазы соединена последовательно с обмоткой первой фазы указанной обмотки. Обмотка ее третьей фазы соединена последовательно с обмоткой второй фазы указанной обмотки. Начало обмотки первой фазы первой обмотки соединено с началом обмотки второй фазы второй обмотки. Конец обмотки второй фазы второй обмотки соединен с концом обмотки третьей фазы первой обмотки. Конец обмотки первой фазы первой обмотки соединен с концом обмотки третьей фазы второй обмотки. Напряжения, подаваемые на обмотки фаз первичной обмотки, сдвинуты по фазе относительно соответствующих напряжений питающей сети. 5 з.п. - ф-лы, 3 ил.

1. Трехфазный трансформаторный агрегат, содержащий основную трехфазную группу первичных вводов, по меньшей мере, две активные части, первая из которых выполнена в виде автотрансформатора, имеющего, по крайней мере, первую обмотку и вторую обмотку, начало каждой фазы которой соединено с соответствующим вводом основной трехфазной группы первичных вводов, а вторая активная часть выполнена в виде трансформатора, содержащего первичную, вторичную и фазосдвигающую обмотки, причем фазосдвигающая обмотка трансформатора соединена с его первичной обмоткой таким образом, что обмотка ее первой фазы соединена последовательно с обмоткой третьей фазы первичной обмотки трансформатора, обмотка ее второй фазы соединена последовательно с обмоткой первой фазы указанной обмотки, а обмотка ее третьей фазы - последовательно с обмоткой второй фазы указанной обмотки, отличающийся тем, что начало обмотки первой фазы первой обмотки соединено с началом обмотки второй фазы второй обмотки, конец обмотки второй фазы второй обмотки соединен с концом обмотки третьей фазы первой обмотки, а конец обмотки первой фазы первой обмотки соединен с концом обмотки третьей фазы второй обмотки, при этом напряжения, подаваемые на обмотки фаз первичной обмотки трансформатора, сдвинуты по фазе относительно соответствующих напряжений питающей сети.2. Трехфазный трансформаторный агрегат по п.1, отличающийся тем, что он содержит дополнительную трехфазную группу первичных вводов, идентичную основной, при этом каждый из вводов дополнительной трехфазной группы первичных вводов соединен с концом обмотки соответствующей фазы второй обмотки автотрансформатора.3. Трехфазный трансформаторный агрегат по п.1, отличающийся тем, что отношение числа витков первой обмотки автотрансформатора к числу витков второй обмотки автотрансформатора связано с отношением числа витков первичной обмотки трансформатора к числу витков фазосдвигающей обмотки трансформатора следующей математической зависимостью:

где η_АТ - отношение числа витков первой обмотки автотрансформатора к числу витков второй обмотки автотрансформатора;

η_ТР - отношение числа витков первичной обмотки трансформатора к числу витков фазосдвигающей обмотки трансформатора.