ТРЕХФАЗНЫЙ ТРАНСФОРМАТОРНЫЙ АГРЕГАТ С РЕГУЛИРОВАНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК H01F30/12 H01F29/04 

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 с регулированием напряжения, имеющий шесть вводов для подключения к трехфазной сети, содержащий две активные части, устройство переключения под нагрузкой и одно устройство переключения без возбуждения; первая активная часть содержит три обмотки: первую, вторую и регулировочную; регулировочная обмотка соединена с устройством переключения под нагрузкой, одни концы обмоток фаз первой обмотки соединены с тремя вводами, а другие концы обмоток фаз первой обмотки соединены с тремя другими вводами; обмотка одной фазы второй обмотки одним своим концом соединена с одним из концов обмотки другой фазы первой обмотки; вторая активная часть содержит, по меньшей мере, три обмотки: сетевую, фазосдвигающую и вентильную, при этом обмотка одной фазы фазосдвигающей обмотки соединена с обмоткой другой фазы сетевой обмотки; устройство переключения без возбуждения имеет в каждой фазе две общие и четыре крайние клеммы; сетевая обмотка содержит две части, подсоединенные к устройству переключения без возбуждения, обеспечивающему их пересоединение с параллельного на последовательное; вторые концы обмоток фаз второй обмотки первой активной части соединены с обмотками других фаз первой обмотки первой активной части и с обмотками фаз фазосдвигающей обмотки второй активной части [Л.1].

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

Однако он характеризуется неоптимальными параметрами регулирования напряжения и недостаточно хорошими массогабаритными показателями.

Действительно, агрегат имеет два диапазона регулирования: первый диапазон при параллельном соединении частей сетевой обмотки второй активной части и второй диапазон - при последовательном. Исходя из условий стыковки диапазонов при относительно малых углах фазового сдвига напряжений на каждой активной части (менее 10 электрических градусов, в действительности на одной 3,75 электрических градуса, а на другой - 7,5 электрических градуса) глубина регулирования напряжения на первом (основном, рабочем) диапазоне должна составлять около 50%. Таким образом, величина ступени регулирования будет равна 50/n процентов, где n - количество ступеней в этом диапазоне. Затраты на материалы при изготовлении первой активной части будут определяться глубиной регулирования напряжения на первом диапазоне, т.е. величиной в 50%, что недостаточно экономично.

Изобретением решается задача устранения отмеченных выше недостатков путем создания трехфазного трансформаторного агрегата с регулированием напряжения, характеризующегося оптимальными параметрами регулирования напряжения, в частности уменьшенной величиной ступени, а также улучшенными массогабаритными показателями, достигаемыми за счет существенного уменьшения массы и габаритов первой активной части.

Для решения поставленной задачи в трехфазном трансформаторном агрегате с регулированием напряжения, имеющем шесть вводов для подключения к трехфазной питающей сети, содержащем, по меньшей мере, две активные части, устройство переключения под нагрузкой и, по меньшей мере, одно устройство переключения без возбуждения; первая активная часть содержит, по меньшей мере, три обмотки: первую, вторую и регулировочную; регулировочная обмотка соединена с устройством переключения под нагрузкой, одни концы обмоток фаз первой обмотки соединены с тремя вводами, а другие концы обмоток фаз первой обмотки соединены с тремя другими вводами; обмотка одной фазы второй обмотки одним своим концом соединена с одним из концов обмотки другой фазы первой обмотки; вторая активная часть содержит, по меньшей мере, три обмотки: сетевую, фазосдвигающую и вентильную, при этом обмотка одной фазы фазосдвигающей обмотки соединена с обмоткой другой фазы сетевой обмотки, предложено согласно настоящему изобретению выполнить трехфазное устройство переключения без возбуждения таким образом, чтобы в каждой фазе оно имело одну общую и две крайние клеммы; вторые концы второй обмотки первой активной части подсоединить к общим клеммам; одни крайние клеммы всех трех фаз соединить между собой, а другие крайние клеммы фаз соединить с обмотками фаз первой обмотки первой активной части; при этом обмотки фаз регулировочной обмотки могут быть соединены с концами обмоток фаз второй обмотки первой активной части, а устройство переключения под нагрузкой может быть снабжено реверсором; число витков во второй обмотке первой активной части может превышать число витков регулировочной обмотки в n раз, где n выбрано из соотношения 3≤n≤4; при этом трехфазный трансформаторный агрегат с регулированием напряжения под нагрузкой может содержать дополнительное трехфазное устройство переключения без возбуждения, имеющее в каждой фазе одну общую и, по меньшей мере, две крайние клеммы, к общим клеммам фаз могут быть подсоединены концы обмоток фаз фазосдвигающей обмотки второй активной части, первые крайние клеммы могут быть соединены с первыми концами обмоток фаз второй обмотки первой активной части, а вторые крайние клеммы могут иметь электрическое соединение со вторыми концами фаз второй обмотки первой активной части; при этом обмотки фаз второй обмотки первой активной части могут иметь ответвления, причем число витков между первым концом обмотки фазы второй обмотки первой активной части и ответвлением может быть равно (0,4÷0,6)·W_po, где W_po - число витков в регулировочной обмотке, и эти ответвления могут быть соединены с крайними клеммами дополнительного устройства переключения без возбуждения.

Указанное выше выполнение трехфазного трансформаторного агрегата с регулированием напряжения, имеющего трехфазное устройство переключения без возбуждения с описанным подключением обмоток к его клеммам, позволит при одном положении устройства получить схему соединения, соответствующую трехфазному трансформаторному агрегату по [Л.1] (первый диапазон). При переключении во второе положение схема соединений на первой активной части становится «зигзаг», и напряжение, подаваемое на вторую активную часть, уменьшается в раз. Стыковка первого и второго диапазонов достигается при глубине регулирования на первом диапазоне, равной .

Соответственно при этом ступень регулирования составит процентов, т.е. уменьшится в раза. Масса первой активной части также уменьшится в раза.

Дополнительно предложено соединить обмотки фаз регулировочной обмотки с концами обмоток фаз второй обмотки первой активной части, снабдить устройство переключения под нагрузкой реверсором, а число витков во второй обмотке первой активной части выполнить в 3÷4 раза большим, чем число витков регулировочной обмотки.

Реверсивное подключение регулировочной обмотки в рассматриваемой схеме и оговоренное соотношение в числах витков в сравнении с обычным включением или применением грубой ступени позволяет дополнительно, практически в 2 раза, уменьшить мощность первой активной части, определяющую ее массу. Таким образом, при условии стыковки или некоторого перекрытия первого и второго диапазонов достигается минимизация массы первой активной части и соответственно всего трехфазного трансформаторного агрегата в целом.

Также дополнительно предложено снабдить трехфазный трансформаторный агрегат дополнительным трехфазным устройством переключения без возбуждения, имеющим в каждой фазе одну общую и две крайние клеммы; к общим клеммам подсоединить концы обмоток фаз фазосдвигающей обмотки второй активной части, первые крайние клеммы соединить с первыми концами обмоток фаз второй обмотки первой активной части, а вторые крайние клеммы электрически соединить со вторыми концами обмоток фаз второй обмотки первой активной части.

При соединении посредством дополнительного трехфазного устройства переключения без возбуждения концов фаз фазоповоротной обмотки второй активной части с концами обмоток фаз второй обмотки первой активной части, которые соединены с регулировочной обмоткой, напряжение, передаваемое от первой активной части ко второй, определяется витками только регулировочной обмотки.

Поскольку число витков в регулировочной обмотке в 3÷4 раза меньше, чем во второй обмотке первой активной части, то в этом случае выходное напряжение трехфазного трансформаторного агрегата будет регулироваться в пределах от нуля до 25-30% от номинального. Таким образом, появляется еще один диапазон, обеспечивающий регулирование от 0 до 25-30%.

Если в трехфазном трансформаторном агрегате оставить пересоединение частей сетевой обмотки с параллельного на последовательное при схеме соединения второго диапазона - появляется третий диапазон с пределами регулирования от 33 до 18 процентов. Таким образом, на четырех диапазонах обеспечивается регулирование напряжения от нуля до 100%. Обеспечение такого регулирования напряжения позволяет применять такие трансформаторные агрегаты на новых алюминиевых заводах, когда пуск электролизных серий осуществляется с напряжения, составляющего единицы процентов от номинального.

Для достижения 100%-ного регулирования без наличия частей в сетевой обмотке предложено в обмотках фаз второй обмотки первой активной части выполнить ответвления таким образом, чтобы число витков между первым концом второй обмотки и ответвлением составляло 0,4÷0,6 от числа витков в регулировочной обмотке, и эти ответвления соединить с крайними клеммами дополнительного трехфазного устройства переключения без возбуждения. При переключении на указанные ответвления появляется диапазон регулирования напряжения от нуля до приблизительно 33%. Таким образом, появляется диапазон, который, дополняя первые два диапазона, обеспечивает 100%-ное регулирование напряжения.

В дальнейшем изобретение поясняется на примере выполнения чертежом, на котором представлена принципиальная электрическая схема заявляемого трехфазного трансформаторного агрегата с регулированием напряжения. Трехфазный трансформаторный агрегат с регулированием напряжения содержит две активные части: первая из которых выполнена в виде автотрансформатора 1, а вторая активная часть выполнена в виде трансформатора 2.

Автотрансформатор 1 содержит три обмотки: первую обмотку 3, вторую обмотку 4 и регулировочную обмотку 5.

Трансформатор 2 содержит сетевую обмотку 6, вентильную обмотку 7 и фазосдвигающую обмотку 8.

Регулировочная обмотка 5 первой активной части - автотрансформатора 1 соединена с устройством переключения под нагрузкой 9.

Автотрансформатор 1 имеет шесть вводов 10÷15 для подключения к питающей сети. Начала (сверху) обмоток фаз (первой, второй, третьей, соответственно слева направо) первой обмотки 3 первой активной части - автотрансформатора 1 соединены с вводами соответственно 10, 12, 14, а концы этих же обмоток фаз (снизу) соединены с вводами соответственно 11, 13, 15.

Обмотка первой фазы второй обмотки 4 автотрансформатора 1 своим началом (сверху) соединена с началом обмотки второй фазы первой обмотки 3 автотрансформатора 1.

Обмотка второй фазы второй обмотки 4 автотрансформатора 1 своим началом соединена с началом обмотки третьей фазы первой обмотки 3 автотрансформатора 1.

Обмотка третьей фазы второй обмотки 4 автотрансформатора 1 своим началом соединена с началом обмотки первой фазы первой обмотки 3 автотрансформатора 1.

В описанном примере рассмотрен случай соединения начал обмоток второй обмотки с началами обмоток других фаз первой обмотки. Однако может быть и другое соединение, а именно начал обмоток фаз одной обмотки с концами обмоток фаз другой обмотки.

Во второй активной части - трансформаторе 2 сетевая обмотка 6 соединена с фазосдвигающей обмоткой 8 следующим образом.

Начало (сверху) обмотки первой фазы сетевой обмотки 6 соединено с началом (сверху) обмотки второй фазы фазосдвигающей обмотки 8. Начало обмотки второй фазы сетевой обмотки 6 соединено с началом обмотки третьей фазы фазосдвигающей обмотки 8. Начало обмотки третьей фазы сетевой обмотки 6 соединено с началом обмотки первой фазы фазосдвигающей обмотки 8.

Трехфазный трансформаторный агрегат с регулированием напряжения содержит трехфазное устройство переключения без возбуждения 16, имеющее в каждой фазе одну общую клемму 17 и две крайние клеммы 18 и 19.

Конец (снизу) обмотки первой фазы второй обмотки 4 первой активной части - автотрансформатора 1 соединен с общей клеммой 17 первой фазы. Аналогично выполнены соединения общих клемм 17 и обмоток фаз второй обмотки 4 во второй и третьей фазах.

Крайние клеммы 18 всех трех фаз устройства переключения без возбуждения 16 соединены между собой.

Крайние клеммы 19 устройства переключения без возбуждения 16 соединены с обмотками фаз первой обмотки 3 первой активной части - автотрансформатора 1 следующим образом.

Крайняя клемма 19 первой фазы устройства переключения без возбуждения 16 соединена с концом обмотки третьей фазы первой обмотки 3.

Крайняя клемма 19 второй фазы устройства переключения без возбуждения 16 соединена с концом обмотки первой фазы первой обмотки 3.

Крайняя клемма 19 третьей фазы устройства переключения без возбуждения 16 соединена с концом второй фазы первой обмотки 3.

Введение в трехфазный трансформаторный агрегат с регулированием напряжения устройства переключения без возбуждения 16 и соединения этого устройства с конструктивными элементами трансформаторного агрегата обеспечили получение двух диапазонов регулирования напряжения. В первом диапазоне в каждой фазе устройства переключения без возбуждения 16 общая клемма 17 соединена с крайней клеммой 19 (как показано на чертеже). В этом диапазоне на соединенные последовательно обмотки фаз сетевой обмотки 6 и фазосдвигающей обмотки 8 второй активной части - трансформатора 2 подается напряжение, близкое по величине к линейному напряжению питающей сети. Величина этого напряжения приблизительно от 125 до 75 процентов изменяется посредством изменения числа подключенных витков регулировочной обмотки 5.

Во втором диапазоне регулирования напряжения устройство переключения без возбуждения переключается в левое положение, при котором общая клемма 17 в каждой фазе соединяется с крайней клеммой 18. При таком соединении напряжение, передаваемое от первой активной части ко второй активной части, уменьшается в раз.

При наличии двух указанных диапазонов регулирования, как было отмечено ранее, в сравнении с трансформаторным агрегатом по [Л.1] достигаются следующие преимущества:

- ступень регулирования напряжения уменьшается в 1,18 раза;

- типовая мощность первой активной части уменьшается в 1,18 раза, что позволяет уменьшить массу всего трехфазного трансформаторного агрегата приблизительно на 5%.

Значительно большего эффекта можно достигнуть за счет применения реверсивного включения регулировочной обмотки 5 при ее соответственно согласном или встречном подключении ко второй обмотке 4 первой активной части 1.

Действительно, обмотка каждой фазы регулировочной обмотки 5 соединена с началом (сверху) обмотки той же фазы второй обмотки 4 первой активной части 1. Устройство переключения под нагрузкой оснащено реверсором 20.

В обмотках первой, второй и регулировочной первой активной части 1 числа витков составляют соответственно: 23 витка, 293 витка, 80 витков. Соотношение чисел витков в первой и второй обмотках позволяет получить угол фазового сдвига на первой активной части 1, составляющий 3,75 электрических градуса. Отношение же числа витков второй обмотки к числу витков в регулировочной обмотке равно 293/80=3,66. При таких числах витков и напряжении сети 10 кВ при регулировании напряжения на первом диапазоне на вторую активную часть 2 передается напряжение от 12,2 кВ до 6,98 кВ.

Необходимо заметить, что повышение передаваемого напряжения на 22% по отношению к напряжению питающей сети соответственно снижает токи переключающих устройств и минимизирует затраты на обеспечение регулирования напряжения.

При переходе на второй диапазон за счет переключения устройства переключения без возбуждения 16 передаваемое напряжение уменьшается ровно в раза и изменяется на диапазоне от 7,06 до 4,03 кВ. Таким образом, достигается перекрытие диапазонов. Во втором диапазоне минимальное выходное напряжение агрегата составляет 33%.

Для осуществления регулирования напряжения практически до нуля в агрегате имеется дополнительное трехфазное устройство переключения без возбуждения 21, которое содержит в каждой фазе общую клемму 22 и крайние клеммы 23 и 24.

К общим клеммам фаз 22 подсоединены концы обмоток фаз фазосдвигающей обмотки 8 второй активной части 2. Крайние клеммы 23 соединены с началами обмоток фаз второй обмотки 4 первой активной части 1, а крайние клеммы 24 имеют электрическое соединение с концами обмоток фаз второй обмотки 4. Принципиально, крайние клеммы 24 можно было бы соединить не с концами обмоток фаз второй обмотки 4, а с клеммами 19 устройства переключения без возбуждения 16. В этом случае механического соединения клемм 24 с концами обмоток фаз второй обмотки 4 не было бы, но их электрическое соединение через устройство переключения без возбуждения 16 имело бы место.

В правом положении дополнительного устройства переключения без возбуждения 21 на вторую активную часть 2 подается полное напряжение. При переключении же устройства 21 влево и соединении клемм соответственно 22 и 23 подается напряжение, наведенное только в регулировочной обмотке 5.

При этом устройство переключения без возбуждения 16 должно быть установлено в положение, соответствующее основному, т.е. первому диапазону регулирования. В этом случае на вторую активную часть будет передаваться напряжение от 2,62 кВ до нуля, и выходное напряжение агрегата будет изменяться от до нуля.

Регулирование же напряжения в пределах от 33% до 21,5% может быть выполнено при известном из [Л.1] пересоединении частей сетевой обмотки трансформатора 2 с параллельного на последовательное, при схеме соединения в автотрансформаторе «зигзаг».

Необходимо заметить, что при схемных решениях массогабаритные показатели первой активной части определяются только первым диапазоном регулирования, и поскольку мощность регулировочной обмотки составляет около 20 процентов от проходной, соответственно затраты материалов на изготовление такого автотрансформатора будут примерно в 3,5 раза меньше, чем у трансформатора такой же проходной мощности.

Для обеспечения регулирования напряжения в диапазоне от 33% до нуля во второй обмотке 4 первой активной части 1 можно выполнить ответвление и подсоединить его к одной из крайних клемм устройства переключения без возбуждения 21 (на чертеже не показано). При числе витков от ответвления до начала обмотки 4, равном половине числа витков регулировочной обмотки, получим диапазон регулирования напряжения от нуля до 32%, т.е. нормальную стыковку со вторым диапазоном.

Таким образом, выполнение ответвления позволяет получить 100%-ное регулирование напряжения в трех диапазонах.

С учетом изложенного заявленное техническое решение позволяет выполнить трансформаторный агрегат экономичным при улучшенных параметрах регулирования напряжения.

В остальном заявляемое техническое решение имеет все преимущества, что и техническое решение по [Л.1]: универсальность и возможность обеспечения различных углов фазовых сдвигов за счет различного подключения вводов к питающей сети; уменьшенный в раз в сравнении с другими автотрансформаторными схемами ток устройства переключения под нагрузкой.

На чертеже представлено конкретное соединение начал и концов разных обмоток, однако эти соединения могут быть и другими.

В настоящее время ведется подготовка к использованию заявляемого технического решения на двух трансформаторных заводах России.

Литература

1. Патент РФ на полезную модель №46882, МПК H01F 29/02, 2005.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к силовой электротехнике, а более конкретно к трансформаторным агрегатам, предназначенным для питания выпрямителей мощных преобразовательных подстанций алюминиевой промышленности. Технический результат состоит в оптимизации параметров регулирования напряжения, в частности уменьшения величины ступени, а также улучшения массогабаритных показателей, достигаемых за счет существенного уменьшения массы и габаритов первой активной части. Трехфазный трансформаторный агрегат с регулированием напряжения имеет шесть вводов для подключения к трехфазной питающей сети, две активные части, устройство переключения под нагрузкой и, по меньшей мере, одно устройство переключения без возбуждения. Первая активная часть содержит, по меньшей мере, три обмотки: первую, вторую и регулировочную. Регулировочная обмотка соединена с устройством переключения под нагрузкой. Одни концы обмоток фаз первой обмотки соединены с тремя вводами. Другие концы обмоток фаз первой обмотки соединены с тремя другими вводами. Обмотка одной фазы второй обмотки одним своим концом соединена с одним из концов обмотки другой фазы первой обмотки. Вторая активная часть содержит, по меньшей мере, три обмотки: сетевую, фазосдвигающую и вентильную. Обмотка одной фазы фазосдвигающей обмотки соединена с обмоткой другой фазы сетевой обмотки. Трехфазное устройство переключения без возбуждения в каждой фазе имеет одну общую и две крайние клеммы. Вторые концы второй обмотки первой активной части подсоединены к общим клеммам. Одни крайние клеммы всех трех фаз соединены между собой. Другие крайние клеммы фаз соединены с обмотками фаз первой обмотки первой активной части. Обмотки фаз регулировочной обмотки соединены с концами обмоток фаз второй обмотки первой активной части. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Трехфазный трансформаторный агрегат с регулированием напряжения, имеющий шесть вводов для подключения к трехфазной питающей сети, содержащий, по меньшей мере, две активные части, трехфазное устройство переключения под нагрузкой и, по меньшей мере, одно трехфазное устройство переключения без возбуждения; первая активная часть содержит, по меньшей мере, три обмотки: первую, вторую и регулировочную; регулировочная обмотка соединена с трехфазным устройством переключения под нагрузкой, одни концы обмоток фаз первой обмотки соединены с тремя вводами, а другие концы обмоток фаз первой обмотки соединены с тремя другими вводами; обмотка одной фазы второй обмотки одним своим концом соединена с одним из концов обмотки другой фазы первой обмотки; вторая активная часть содержит, по меньшей мере, три обмотки: сетевую, фазосдвигающую и вентильную, при этом обмотка одной фазы фазосдвигающей обмотки соединена с обмоткой другой фазы сетевой обмотки, отличающийся тем, что обмотки фаз регулировочной обмотки соединены с концами обмоток фаз второй обмотки первой активной части, трехфазное устройство переключения без возбуждения имеет в каждой фазе одну общую и две крайние клеммы; вторые концы второй обмотки первой активной части подсоединены к общим клеммам; одни крайние клеммы всех трех фаз соединены между собой, а другие крайние клеммы фаз соединены с обмотками фаз первой обмотки первой активной части.2. Трехфазный трансформаторный агрегат с регулированием напряжения по п.1, отличающийся тем, что обмотки фаз регулировочной обмотки соединены с концами обмоток фаз второй обмотки первой активной части, трехфазное устройство переключения под нагрузкой снабжено реверсором, обеспечивающим согласное или встречное подключение регулировочной обмотки ко второй обмотке первой активной части, при этом число витков во второй обмотке первой активной части превышает число витков регулировочной обмотки в n раз, где n выбрано из соотношения 3≤n≤4.3. Трехфазный трансформаторный агрегат с регулированием напряжения по п.1, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным трехфазным устройством переключения без возбуждения, имеющим в каждой фазе одну общую и, по меньшей мере, две крайние клеммы; к общим клеммам фаз подсоединены концы обмоток фаз фазосдвигающей обмотки второй активной части, первые крайние клеммы соединены с первыми концами обмоток фаз второй обмотки первой активной части, а вторые крайние клеммы имеют электрическое соединение со вторыми конца фаз второй обмотки первой активной части.4. Трехфазный трансформаторный агрегат с регулированием напряжения по п.1, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным трехфазным устройством переключения без возбуждения, имеющим в каждой фазе одну общую и, по меньшей мере, две крайние клеммы; к общим клеммам фаз подсоединены концы обмоток фаз фазосдвигающей обмотки второй активной части, вторые крайние клеммы имеют электрическое соединение со вторыми концами фаз второй обмотки первой активной части, обмотки фаз второй обмотки первой активной части имеют ответвления, причем число витков между первым концом обмотки фазы второй обмотки первой активной части и ответвлением равно (0,4÷0,6)·W_po, где W_po - число витков регулировочной обмотки, и эти ответвления соединены с крайними клеммами дополнительного трехфазного устройства переключения без возбуждения.