ТРАНСФОРМАТОР-РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ ПОД НАГРУЗКОЙ Российский патент 2007 года по МПК H01F29/10 H01F21/08 H01F3/08 

Изобретение относится к трансформаторам с устройствами регулирования напряжения под нагрузкой, преимущественно к силовым трансформаторам электрических сетей.

Известен трансформатор, содержащий первичную обмотку высокого напряжения, вторичную обмотку низкого напряжения, магнитопровод (сердечник), устройство регулирования напряжения под нагрузкой (РПН), состоящее из регулировочной обмотки, которая является частью вторичной обмотки, с выводами-ответвлениями от ее витков, контактора РПН, размещенного в баке с маслом (баке РПН), привода РПН, содержащего редуктор и электродвигатель, которые размещены на конструкции трансформатора, гасящего резистора или реактора для предоотвращения межвиткового короткого замыкания витков регулировочной обмотки в процессе переключения (1). Регулирование напряжения осуществляется за счет изменения коэффициента трансформации путем включения или выключения витков регулировочной обмотки в электрической цепи нагрузки трансформатора.

Недостатками известного устройства являются: коммутация контактов цепей высокого напряжения с большими токами нагрузки сопровождается возникновением мощной электрической дуги, для гашения которой контактор размещается в отдельном баке с маслом; переключение под током нагрузки отводов регулировочной обмотки приводит к электроизносу механических контактов, который пропорционален квадрату тока нагрузки; сложное электромеханическое устройство с электроприводом требует трудоемкого монтажа и наладки при вводе в эксплуатацию и трудоемкого технического обслуживания в процессе эксплуатации;

Известны управляемые трансформирующие устройства индуктивно-емкостной системы, в общем случае содержащие: электрический реактор, конденсаторную батарею, а также традиционный трансформатор (2). В трансформирующей системе индуктивно-емкостного типа используются явления, возникающие при внутреннем обмене энергией между элементами образующегося колебательного контура. Применение в ней традиционных трансформаторов расширяет функциональные возможности подобного устройства. Характерным для исполнительного органа индуктивно-емкостной системы является наличие в нем колебательного контура, образуемого L, C-элементами и дающего возможность выделять соответствующую гармоническую составляющую, одновременно воздействуя на ее амплитуду и фазу. Регулирование напряжения достигается путем изменения степени расстройки или добротности колебательного контура. В качестве регулирующего элемента в известном устройстве используются:

реакторы, управляемые подмагничиванием; реакторы, ток которых регулируется при помощи управляемого полупроводникового звена;

конденсаторная батарея, управляемая методом ее поперечной компенсации индуктивностью.

Недостатками известного устройства являются:

внесение нелинейных искажений;

необходимость применения дорогостоящих фильтрующих систем;

возможность перехода в режим параметрических автоколебаний и феррорезонансных неустойчивостей;

при отключении нагрузки при наличии включенной конденсаторной батареи могут возникнуть опасные перенапряжения и токовые перегрузки элементов устройства.

Известен трансформатор, содержащий:

первичную обмотку высокого напряжения,

вторичную обмотку низкого напряжения,

магнитопровод (свердечник),

сверхпроводящий виток, который надет на магнитопровод;

внешнее управляемое сопротивление, которое включено в цепь(контур) сверхпроводящего витка (3).

Сверхпроводящий виток будет всегда размагничивать магнитопровод. Если менять ток в сверхпроводнике с помощью внешнего управляемого сопротивления, то этим изменением регулируется основной магнитный поток в магнитопроводе трансформатора, и как следствие этого процесса регулируется электродвижущая сила во вторичной обмотке трансформатора, а следовательно, и напряжение. Недостатками известного устройства являются: необходимость криогенной системы для захолаживания сверхпроводящего витка, причем криогенная жидкость должна циркулировать вокруг сверхпроводящего витка, расположенного внутри бака трансформатора, заполненного маслом; сложная конструкция трансформатора за счет введения дополнительных конструктивных элементов системы захолаживания с соответствующей теплоизоляцией;

необходимость дополнительного криогенного оборудования;

дополнительное потребление энергии на работу системы криогенного охлаждения;

необходимость работы системы криогенного охлаждения даже при отключенном положении трансформатора.

Известен наиболее близкий к предлагаемому трансформатор, состоящий из первичной обмотки высокого напряжения, вторичной обмотки низкого напряжения, магнитопровода с воздушным каналом в окне магнитопровода, магнитного шунта, вводимого в окно магнитопровода (4). Магнитная проводимость этого канала зависит от ширины окна магнитопровода, чем уже окно, тем больше проводимость. Значение магнитной проводимости можно регулировать при помощи магнитных шунтов, вводимых в окно магнитопровода. Если изменять положение магнитного шунта в воздушном канале магнитопровода, то этим изменением регулируется основной магнитный поток в магнитопроводе трансформатора, и как следствие этого процесса, регулируется электродвижущая сила во вторичной обмотке трансформатора, а следовательно, и напряжение.

Недостаток известного трансформатора заключается в следующем.

В трансформаторах с механическим регулированием подвижные части подвержены вибрации, возникающей под действием электромагнитных сил. Эти силы пропорциональны квадрату тока и пульсируют с двойной частотой сети. Поэтому надежность таких аппаратов зависит от того, насколько удачно механически сконструирован регулировочный узел. Необходимо отметить, что чем мощнее трансформатор, тем сложнее сконструировать подобный регулировочный узел. В связи с этим на мощных трансформаторах не применяется подобное устройство регулирования.

Задачами изобретения является простое и надежное регулирование напряжения вторичной обмотки трансформатора, а следовательно, и напряжения на нагрузке; снижение затрат на монтаж, пусконаладочные работы и эксплуатацию устройства регулирования напряжения,

упрощение конструкции трансформатора за счет использования регулирующего звена с магнитной жидкостью, которое установлено в зазоре магнитопровода трансформатора.

Поставленная задача решается тем, что в трансформаторе-регуляторе напряжения под нагрузкой, содержащем первичную обмотку высокого напряжения, вторичную обмотку низкого напряжения, магнитопровод с узлом регулирования напряжения, установленным в воздушном зазоре магнитопровода и выполненным в виде герметичной камеры с диамагнитным поршнем, делящим герметичную камеру на две полости, причем нижняя полость заполнена магнитной жидкостью, обладающей повышенной устойчивостью к расслоению в неоднородном магнитном поле, высоким электрическим сопротивлением, свойством не замерзать при низких температурах, а верхняя полость соединена гибким пневмошлангом с источником управляемого давления воздуха, в качестве которого используется электропневматический преобразователь, электрическим сигналом управления для которого является разность напряжения на нагрузке (в сети) и заданного уровня напряжения. Кроме того, нижняя полость камеры с магнитной жидкостью соединена гибким гидрошлангом с отдельной емкостью для приема и выдачи магнитной жидкости. Емкость для приема и выдачи магнитной жидкости представляет собой гидроцилиндр с подпружиненным поршнем.

Устройство трансформатора-регулятора представлено на чертеже, где изображена его конструкция, а именно первичная обмотка высокого напряжения 1, вторичная обмотка низкого напряжения 2, магнитопровод 3 с узлом регулирования напряжения, представляющим собой герметичную камеру 4, разделенную на две полости диамагнитным поршнем 5, причем нижняя полость 6 заполнена магнитной жидкостью, а верхняя полость 7 соединена гибким пневмошлангом 8 с источником управляемого давления воздуха 9, в качестве которого используется электропневматический преобразователь, электрическим сигналом управления для которого является разность напряжения на нагрузке (в сети) и заданного уровня напряжения. Кроме того, нижняя полость камеры с магнитной жидкостью соединена гибким гидрошлангом 10 с отдельной емкостью 11 для приема и выдачи магнитной жидкости. Емкость 11 для приема и выдачи магнитной жидкости представляет собой гидроцилиндр с подпружиненным поршнем 12.

Выполнение трансформатора-регулятора с применением магнитопровода с воздушным зазором, в котором расположено регулирующее звено, в виде герметичной камеры с магнитной жидкостью обеспечивает бесконтактную регулировку напряжения вторичной обмотки трансформатора, путем изменения магнитного сопротивления магнитопровода в воздушном зазоре, которое изменяется путем изменения уровня магнитной жидкости в герметичной камере 4 регулирующего звена. При этом меняется магнитное сопротивление воздушного зазора за счет изменения площади поперечного сечения магнитопровода 3 в герметичной камере 4, где воздушная среда с высоким магнитным сопротивлением заменяется магнитной жидкостью с низким магнитным сопротивлением. Следует отметить, что магнитное сопротивление магнитной жидкости приблизительно равно магнитному сопротивлению ферромагнитного материала магнитопровода трансформатора. Согласно закону Ома для магнитной цепи:

где Ф - магнитный поток;

I - ток в обмотке;

W - количество витков в обмотке;

L_м - длина магнитопровода;

μ_м - магнитная проницаемость материала магнитопровода;

S_м - площадь сечения магнитопровода;

L_вз - длина воздушного зазора;

μ_вз - магнитная проницаемость воздуха;

S_вз - площадь сечения воздушного зазора.

Таким образом, изменяя уровень магнитной жидкости в воздушном зазоре магнитопровода, фактически меняем площадь сечения магнитопровода 3, а следовательно, и магнитное сопротивление магнитной цепи основного магнитного потока трансформатора, что в свою очередь вызывает изменение магнитного потока. В свою очередь электродвижущая сила вторичной обмотки 2 трансформатора связана с магнитным потоком известным соотношением:

(6)

где Е2 - э.д.с. вторичной обмотки;

f - частота сети, питающей трансформатор;

W2 - число витков вторичной обмотки трансформатора;

Ф - магнитный поток в магнитопроводе трансформатора.

Таким образом, изменяя уровень магнитной жидкости в воздушном зазоре магнитопровода трансформатора, изменяем напряжение вторичной обмотки 2 трансформатора.

Понижение или повышение уровня магнитной жидкости достигается перемещением диамагнитного поршня 5 в герметичной камере 4 воздушного зазора магнитопровода 3 трансформатора за счет повышения или снижения давления воздуха в верхней полости 7 герметичной камеры 4. Изменение давления в верхней полости 7 выполняет электропневматический преобразователь давления 9, который имеет линейную характеристику выходного давления воздуха от входного электрического сигнала, пропорционального разности напряжения вторичной обмотки (напряжения сети) и заданного напряжения. При понижении напряжения сети ниже заданного напряжения электропневматический преобразователь 9 снижает давление в воздушной полости 7, и под действием пружины в емкости 11 приема и выдачи магнитная жидкость поступает в нижнюю полость 6 герметичной камеры 4, где происходит рост уровня магнитной жидкости и, как следствие, увеличение значения магнитного потока, которое приведет к подъему напряжения в сети и снижению управляющего электрического сигнала до нуля. После этого устанавливается равновесие, то есть в сети имеется заданное требуемое напряжение. При повышении напряжения сети выше заданного напряжения электропневматический преобразователь повышает давление в воздушной полости и происходит сжатие пружины и поступление в емкость хранения и выдачи магнитной жидкости из нижней полости герметичной камеры, где происходит снижение уровня магнитной жидкости и, как следствие, уменьшение значения магнитного потока, которое приведет к спаду напряжения в сети и снижению управляющего электрического сигнала до нуля. После этого устанавливается равновесие, то есть в сети имеется заданное требуемое напряжение.

Необходимо отметить, что выполнение трансформатора-регулятора напряжения с регулирующем звеном с магнитной жидкостью в воздушном зазоре магнитопровода обеспечивает: простое и надежное регулирование напряжения вторичной обмотки трансформатора, а следовательно, и на нагрузке, то есть в присоединенной сети; снижение затрат на монтаж, пусконаладочные работы, эксплуатацию устройства регулирования напряжения; упрощение конструкции трансформатора.

Принцип регулирования напряжения с помощью регулировочного звена с магнитной жидкостью проверялся на макете, который представлял из себя однофазный трансформатор 220/24 В с магнитопроводом, в котором была сделана "выборка" (вырез), который был загерметизирован и образовывал сосуд. В образованном сосуде с помощью капиллярных трубок изменялся уровень магнитной жидкости. Магнитная жидкость представляла собой коллоидный раствор ферромагнетика в кремнеорганической жидкости.

Следует также отметить, что выполнение трансформатора-регулятора напряжения с регулирующем звеном с магнитной жидкостью в воздушном зазоре магнитопровода решает такую задачу, как управление режимом работы трансформатора на холостом ходу и на малых нагрузках. Из источника информации (7) известно, что при малых нагрузках магнитопровод трансформатора насыщается, что приводит к его перегреву и перегреву обмоток. Такой режим предлагалось исключить установкой на линиях управляемых шунтирующих реакторов. Имея же в магнитопроводе трансформатора воздушный зазор с магнитной жидкостью, можно понижением уровня магнитной жидкости регулировать магнитный поток основного магнитопровода трансформатора, не доводя его до режима насыщения, исключив перегрев магнитопровода и обмотки, что ведет не только к снижению потерь электроэнергии, но и продлевает как срок службы трансформатора, так и его межремонтный период за счет увеличения продолжительности срока службы бумажно-масляной изоляции обмоток трансформатора.

Наличие в магнитопроводе трансформатора-регулятора воздушного зазора с управляемым звеном с магнитной жидкостью позволяет улучшить качество электроэнергии за счет следующих факторов:

позволяет поддерживать требуемый заданный уровень напряжения в сети плавным и экономичным путем, исключив из практики эксплуатации процесс переключения отводов регулировочной обмотки под большими токами нагрузки, и регулировку напряжения дискретными скачками, ступенями, что повысит качество электроэнергии;

диапазон регулирования по своему принципу действия намного превышает диапазон регулирования других устройств, в которых диапазон регулирования ограничен количеством витков регулировочной обмотки (в настоящее время не более +-5% в мощных силовых сетевых трансформаторах), или допустимой степенью расстройки резонансного контура. В предложенном трансформаторе-регуляторе диапазон регулирования возможно осуществить практически от 0 до Umax, что в ряде случаев крайне необходимо в практике эксплуатации электросетей (например, при испытаниях нового вновь вводимого оборудования, когда при его опробованиях напряжением необходимо поднять напряжение на оборудовании с 0 до Umax, для чего в энергосистемах выделяются специальные отдельные генераторы и путем сложных и рискованных переключении создаются режимы и схемы для такого опробования);

наличие воздушного зазора в магнитопроводе с управляемым уровнем магнитной жидкости позволяет избежать насыщения магнитопровода, а следовательно, избежать искажения синусоиды тока и напряжения, то есть нелинейных искажений формы токов и напряжений, что повысит качество электроэнергии.

Предлагаемое устройство применимо также и на силовых автотрансформаторах, что позволит значительно расширить их возможности в части регулирования и поддержания заданного уровня напряжения.

Следует также отметить, что выполнение трансформатора-регулятора напряжения с регулирующем звеном с магнитной жидкостью в воздушном зазоре магнитопровода позволяет осуществить управление режимом работы трансформатора на холостом ходу и на малых нагрузках, а именно за счет регулирования создавать основной магнитный поток такой величины, которая необходима для обеспечения требуемого на данный конкретный момент времени режима работы трансформатора с имеющейся нагрузкой.

При использовании магнитной жидкости с высоким электрическим сопротивлением позволит исключить такое явление, как появление вихревых токов или токов Фуко, в регулировочном звене с магнитной жидкостью, которые в обязательном порядке присутствуют в магнитопроводах современных трансформаторов. Для уменьшения этих токов магнитопроводы современных трансформаторов собираются из тонких листов ферромагнитных металлических сплавов с изоляционным слоем лака между ними. Если же значительную часть магнитопровода трансформатора выполнить из магнитной неэлектропроводной жидкости, то появляется возможность избежать потерь на нагрев магнитопровода от токов Фуко. Это возможно вследствии того, что магнитные домены магнитной жидкости ориентируются по направлениям силовых линий магнитного поля и создают дополнительной внутренний магнитный поток как и любой из металлических ферромагнетиков, а вот токов Фуко, неизбежно возникающих в металлических ферромагнетиках, не будет, так как вместо электропроводной металлической среды ферромагнетиков в неэлектропроводной магнитной жидкости среда между магнитными доменами не проводящая, а с высоким электрическим сопротивлением.

Предложенный трансформатор позволит повысить качество напряжения и добиться плавного и надежного регулирования напряжения в сети, повысить надежность работы трансформатора, продлить срок его службы и увеличить время межремонтного периода, избежать нелинейных искажений синусоидальной формы токов и напряжений.

Источники информации

1. Якобсон И.А. "Наладка и эксплуатация переключающих устройств силовых трансформаторов" - М: Энергоатомиздат, 1985 г. (Библиотека электромонтера. Вып.573)

2. Кулинич В.А. "Индуктивно-емкостные управляемые трансформирующие устройства" - М: Энергоатомиздат, 1987 г. стр.8-13.

3. Околотин B.C. "Сверхзадача для сверхпроводников" М: Знание 1983 г. стр.103-104.

4. Журнал "Сварщик №3, 1999 г. статья "Источники питания сварочной дуги", автор: Андреев В.В. Институт электросварки им. Е.О.Патона Национальной академии наук Украины.

5. Жеребцов И.П. "Электрические и магнитные цепи. Основы электротехники" 2-е изд-е, переработанное и дополненное. - Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение. 1987 г. стр.78-79.

6. Иванов-Смоленский А.П. "Электрические машины" Учебник для вузов. - М: Энергия, 1980 г., стр.35-36.

7. Журнал "Электричество" №5 2003 г. статья "Особенности магнитного поля трансформаторов под нагрузкой" автор: Александров Г.Н.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано преимущественно в электросетях для регулирования напряжения под нагрузкой. Технический результат состоит в упрощении регулирования на нагрузке или сети. Трансформатор содержит магнитопровод с воздушным зазором, в котором имеется герметичная камера, разделенная на две полости диамагнитным поршнем. Нижняя полость заполнена магнитной жидкостью. Верхняя полость соединена гибким пневмошлангом с источником управляемого давления воздуха, электрическим сигналом управления для которого является разность напряжения на нагрузке (в сети) и заданного уровня напряжения. Нижняя полость камеры с магнитной жидкостью соединена гибким гидрошлангом с отдельной емкостью для приема и выдачи магнитной жидкости. Изменением уровня магнитной жидкости добиваются изменения напряжения на вторичной обмотке. 1 ил.

Трансформатор-регулятор напряжения под нагрузкой, содержащий первичную обмотку высокого напряжения, вторичную обмотку низкого напряжения, магнитопровод с узлом регулирования напряжения, отличающийся тем, что он имеет в воздушном зазоре магнитопровода герметичную камеру с диамагнитным поршнем, делящим герметичную камеру на две полости, причем нижняя полость заполнена магнитной жидкостью, обладающей повышенной устойчивостью к расслоению в неоднородном магнитном поле, высоким электрическим сопротивлением, свойством не замерзать при низких температурах, а верхняя полость соединена гибким пневмошлангом с источником управляемого давления воздуха, в качестве которого используется электропневматический преобразователь, электрическим сигналом управления для которого является разность напряжения на нагрузке (в сети) и заданного уровня напряжения, кроме того, нижняя полость камеры с магнитной жидкостью соединена гибким гидрошлангом с отдельной емкостью для приема и выдачи магнитной жидкости, которая представляет собой гидроцилиндр с подпружиненным поршнем.