РЕГУЛИРОВОЧНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР Российский патент 2017 года по МПК H02P13/06 H02M5/25 H02M5/00 

Изобретение относится к регулировочному трансформатору, точнее говоря, к фазосдвигающему трансформатору.

Фазосдвигающий трансформатор, он же трансформатор поперечного регулирования, является специальным силовым трансформатором, служащим в электросетях переменного тока для целенаправленного управления потоком электрической нагрузки.

В отличие от обычного применения трансформаторов, а именно преобразования напряжений переменного тока в напряжения разного уровня, фазосдвигающие трансформаторы служат, как понятно из названия фазосдвигающего устройства, для целенаправленного воздействия на мощность в электрической линии. Если, например, между двумя распределительными устройствами или трансформаторными подстанциями различными путями проходят несколько линий, с помощью фазосдвигающих трансформаторов можно повлиять на то, как распределяется передаваемая мощность. Тогда типичным случаем применения является тот, когда имеющиеся линии обладают разными пропускными способностями.

Такой фазосдвигающий трансформатор, его устройство и его регулировочные возможности подробно изложены в справочнике Кремера: Krämer: On-Load Tap-Changers for Power Transformers, 2000, S. 196 ff.

Показанный фазосдвигающий трансформатор с высокой пропускной мощностью разделен на две части и состоит из последовательного трансформатора и из возбуждающего трансформатора («шунтирующего трансформатора») для собственного регулирования, с помощью которого посредством ступенчатого переключателя может устанавливаться определенный сдвиг фазы. При обычном трехфазном переменном токе для каждого внешнего провода имеются как один последовательный трансформатор, так и один возбуждающий, то есть регулировочный трансформатор.

С помощью регулировочного трансформатора с каждой фазы посредством ступенчатого переключателя снимается напряжение, сдвинутое относительно напряжения заземленного внешнего провода на 90° и приводящее с помощью указанного последовательного трансформатора посредством добавления вектора к напряжению, сдвинутому по фазе.

Этот вид воздействия, типичный для фазосдвигающего трансформатора, называется также поперечным регулированием в отличие от продольного регулирования стандартного трансформатора.

При этом поток мощности через фазосдвигающий трансформатор также может происходить в обоих направлениях.

Диапазон установки фазового угла различен в зависимости от конструктивного исполнения. Обычно он находится в диапазоне ±10°, а в специальных исполнениях может составлять до 30°. При этом возможны разные схемные варианты, один из которых показан на стр. 197 вышеуказанного справочника.

Наряду с 90-градусным поперечным регулированием возможны также другие методы, называемые 60- или 30-градусным угловым регулированием.

Способ 60-градусного углового регулирования основан на том, что необходимое напряжение возбуждения генерируется частью обмотки соседнего стержня сердечника трансформатора, и оно векторно складывается с напряжением основной обмотки. При этом степень фазового сдвига также устанавливается ступенчатым переключателем.

Такие подключения обмоток обычно выполняются внутри бака трансформатора, поскольку переключение режима работы трансформатора, как правило, не предусмотрено. Предусмотрены только устройства с переключаемыми зажимами, посредством которых возможно переключение обмотки в состоянии отсутствия напряжения.

Поэтому известные регулировочные трансформаторы с их внутренними соединениями обмоток трансформаторов за счет их конструктивного выполнения допускают установку лишь на один конкретный режим работы трансформатора, как, например, на использование последнего в качестве фазосдвигающего устройства или в простейшем случае известного продольного регулятора для регулирования напряжения сети энергоснабжения.

Изменения режима работы в известных регулировочных трансформаторах не предусмотрено, и при текущем режиме работы трансформатора оно может реализовываться лишь с очень большим трудом, поскольку переключающие элементы не могут управляться таким образом, чтобы они могли осуществлять переключение режима работы трансформатора при минимальной нагрузке на «коммутационный участок».

Сообразно этому задачей изобретения является создание регулировочного трансформатора, в котором переключение режимов работы между продольным регулированием, то есть регулированием напряжения, с одной стороны, и режимом работы в качестве фазосдвигающего устройства, то есть вращением положения по фазе, входного и выходного напряжений того же трансформатора, с другой стороны, могло осуществляться простым способом с помощью лишь небольшого количества переключающих элементов.

Эта задача решается регулировочным трансформатором с полупроводниковыми переключающими элементами с помощью признаков обоих независимых пунктов формулы изобретения. При этом пункт 1 формулы изобретения относится к регулировочному трансформатору с основной и регулировочной обмоткой, а пункт 2 - к таковому со ступенью грубого регулирования, дополнительно включаемой параллельно и встречно.

Общая изобретательская идея обоих вариантов осуществления заключается в том, чтобы усовершенствовать регулировочный трансформатор с полупроводниковыми переключающими элементами с помощью дополнительных электрических линий связи и эти дополнительные подключенные полупроводниковые переключающие элементы усовершенствовать таким образом, чтобы он простым способом предусматривался как для работы в качестве продольного регулятора, так и фазосдвигающего устройства, то есть углового регулятора.

Модульный регулировочный трансформатор с полупроводниковыми переключающими элементами в принципе известен из публикации Demirci, Torrey, Degeneff, Schaeffer, Fraser «A new approach to solid-state load tap changing transformers», IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 13, Nr. 3, Juli 1998. Он используется для продольного регулирования и ниже поясняется еще раз.

Ниже изобретение более подробно поясняется на примерах со ссылкой на чертежи, на которых показано:

фиг. 1 - известный регулировочный трансформатор, функционирующий в качестве продольного регулятора,

фиг. 2 - регулировочный трансформатор согласно изобретению в качестве 60-градусного углового регулятора с 27 ступенями,

фиг. 3 - второй регулировочный трансформатор согласно изобретению в качестве 60-градусного углового регулятора с ступенью линейного грубого регулирования,

фиг. 4 - вид согласно фиг. 2, дополненный несколькими ссылочными позициями,

фиг. 5 - векторная диаграмма примера регулировочного трансформатора согласно фиг. 2 и 4.

На фиг. 1 изображен известный трехфазный регулируемый трансформатор, каким он уже предлагался, состоящий из обмотки 1 низшего напряжения и обмотки 2 высшего напряжения с тремя отдельными частями W1…W3 обмотки, к которым подключен ступенчатый переключатель, в данном случае состоящий из трех отдельных модулей М1, М1, М3.

Все фазы выполнены идентично.

Первый модуль М1 содержит первую часть W1 обмотки, а также по обе стороны от нее две шунтирующие цепи, каждая из которых содержит по два последовательно включенных полупроводниковых переключающих элемента. Между обоими последовательно включенными переключающими элементами предусмотрено соответствующее ответвление от середины.

В данном варианте отдельные полупроводниковые переключающие элементы, как и на следующих фигурах, изображены лишь схематично как простые переключатели. На практике они содержат параллельно включенные пары тиристоров, биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) или другие переключающие элементы. Они могут содержать также несколько таких отдельных полупроводниковых переключающих элементов, включенных последовательно или параллельно.

Одно ответвление от середины соединено с точкой 3 звезды. Другое ответвление от середины соединено с ответвлением от середины второго модуля М2. Этот второй модуль М2 выполнен идентично; он также содержит часть W2 обмотки, а также обе схемы последовательного соединения из двух полупроводниковых переключающих элементов. Аналогичным образом в соответствующих схемах последовательного соединения снова предусмотрено ответвление от середины. Соединение одного ответвления от середины с первым модулем М1 уже пояснялось; второе ответвление от середины, со своей стороны, соединено с ответвлением от середины третьего модуля М3.

Этот третий модуль М3, в свою очередь, выполнен идентично. Он, в свою очередь, содержит часть W3 обмотки, а также обе схемы последовательного соединения полупроводниковых переключающих элементов, а также ответвления от середины, расположенные между ними. Ответвление от середины третьего и в данном случае последнего модуля М3, еще не упоминавшееся до сих пор, электрически соединено с концом обмотки 2 высшего напряжения.

Описанные здесь модули М1…М3 отличаются лишь размерами соответствующих частей W1…W3 обмоток.

Часть W2 обмотки во втором модуле М2 содержит, например, трехкратное число витков части W1 обмотки в первом модуле М1.

Регулировочный трансформатор, показанный на данной фиг., работает как обычный продольный регулятор для регулирования напряжения с, в совокупности, 21 ступенями напряжения. Отдельные частичные напряжения являются результатом различного параллельного, встречного включения или шунтирования отдельных частей W1…W3 обмоток.

На фиг. 2 изображен первый регулировочный трансформатор в качестве 60-градусного углового регулятора с 27 доступными ступенями напряжения. Дополнительно здесь предусмотрены соответствующие электрические линии L1 и L2 связи. В каждой из линий L1 связи предусмотрен электронный переключающий элемент. При этом каждая из линий L1 связи соединяет ответвление от середины модуля М3 каждой фазы с концом основной обмотки 2 соответствующей соседней фазы. Другая линия L2 связи, в которой предусмотрен другой соответствующий электронный переключающий элемент S2, соединяет, соответственно, это ответвление от середины модуля М3 с концом основной обмотки 2 собственной фазы.

Таким образом, концы основных обмоток 2 всех трех фаз как бы электрически соединены между собой в виде «кольцевой линии»; переключающие элементы S1 и S2 этой фазы, находящиеся в этой «кольцевой линии», устанавливают в зависимости от коммутационного положения электрическую связь - альтернативно электрическую связь с соответствующим ответвлением от середины соответствующего модуля М3 соответствующей фазы.

Положение по фазе добавляемого вектора напряжения задается соседним стержнем сердечника, то есть соседней фазой, трансформатора. Отсюда следует фазовый угол 60°.

На фиг. 3 изображен второй регулировочный трансформатор в качестве 60-градусного углового регулятора со ступенью линейного грубого регулирования. При этом ступень грубого регулирования образуется, соответственно, частью W3 обмотки каждой фазы, параллельно или встречно подключенной соответствующим модулем М3 к основной обмотке 2. Другими словами, в данном случае модуль М3 приводит в действие ступень грубого регулирования и не участвует в собственном регулировании напряжения, реализуемом в этом примере модулями М1 и М2. Здесь также предусмотрены соответствующие электрические линии L1 и L2 связи. В каждой из линий L1 связи совершенно аналогично с первым примером выполнения предусмотрен электронный переключающий элемент S1. На данной фиг. каждая из линий L1 связи соединяет ответвление от середины модуля М2 каждой фазы с ответвлениями от середины модуля М3 других соответствующих фаз - вместо соответствующей связи с концом основной обмотки, как это описано выше. Другая линия L2 связи, в которой в данном примере осуществления также предусмотрен другой соответствующий электронный переключающий элемент S2, соединяет, соответственно, это ответвление от середины модуля М2 с ответвлением от середины соответствующего модуля М3 собственной фазы. Таким образом, ответвления от середины модулей М3 всех трех фаз электрически соединены здесь между собой линиями L1 связи снова как бы в виде «кольцевой линии»; переключающие элементы S1 и S2 каждой фазы в зависимости от своего коммутационного положения устанавливают электрическую связь.

На фиг. 4, в принципе изображающей вариант осуществления, уже поясненный на фиг. 2, дополненный ссылочными позициями для полных напряжений U_a, U_b и U_c, а также для напряжения U₂, падающего на основной обмотке 2, кроме того, для напряжений U_u2, U_V2 и U_W2, падающих на регулировочной части, состоящей в каждой фазе из соответствующих модулей М1…М3.

На фиг. 5 изображена соответствующая векторная диаграмма, поясняющая сдвиг по фазе. На данной фиг. показаны напряжение U_V2, получаемое в качестве регулировочного напряжения из частичных напряжений на частях W1, W2 и W3 обмотки, а также напряжение U₂, обозначенное на фиг. 4. В результате получается напряжение U_a=U₂+U_V2 со сдвигом по фазе. При этом ϕ означает угол сдвига фаз, то есть угол, на который сдвигается положение по фазе напряжения U₂.

В общем, изображенный регулировочный трансформатор с описанной топологией допускает быстрое изменение отношения числа витков в трансформаторе и тем самым быстрое изменение коэффициента трансформации трансформатора.

При этом одним из условий является регистрация положения по фазе тока и напряжения для управления полупроводниковыми переключателями в нужный момент времени. Благодаря расширению согласно изобретению на описанные линии L1 и L2 и установленные в них переключатели S1 и S2 в каждой фазе, функционирующие как бы в качестве переключателей на два направления, и использованию уже имеющейся в управлении полупроводникового ступенчатого переключателя информации в отношении положения по фазе токов даже соседней фазы, в текущем режиме работы регулировочного трансформатора допускается переключение схем основной и регулировочной обмоток, чтобы можно было осуществлять переключение между режимом продольного регулирования (регулирования напряжения), а также режимом фазосдвигающего устройства (вращения фазы входного и выходного напряжений) того же трансформатора.

На данной фиг. отдельные полупроводниковые переключающие элементы изображены лишь схематично как простые переключатели. На практике они содержат параллельно включенные пары тиристоров, биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) или другие полупроводниковые переключающие элементы. Они могут содержать также соответствующие схемы последовательного или параллельного включения нескольких таких отдельных полупроводниковых переключающих элементов.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к регулировочному трансформатору, выполненному в виде фазосдвигающего трансформатора, причем в регулировочной обмотке (2, W1, W2, W3) с несколькими частями (W1, W2, W3) обмотки для каждой фазы предусмотрены полупроводниковые переключающие элементы, при этом в каждой фазе (U, V, W) предусмотрена дополнительная линия (L1, L2) связи с дополнительным электронным переключающим элементом (S1, S2), каждая из этих линий связи соединяет модуль (М3) соответствующей фазы с концом основной обмотки (2) соседней фазы. Технический результат состоит в расширении функциональных возможностей регулировочных трансформаторов путем изменения режимов работы с продольным и поперечным регулированием. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Регулировочный трансформатор для регулирования напряжения с полупроводниковыми переключающими элементами, основной обмоткой (2) и регулировочной обмоткой с несколькими частями (W1, W2, W3) обмотки для каждой фазы, причем для каждой фазы предусмотрены несколько модулей (М1, М2, М3), причем каждый модуль (М1, М2, М3) содержит соответствующую часть (W1, W2, W3) регулировочной обмотки, а также по обе стороны от них две шунтирующие цепи, причем каждая шунтирующая цепь содержит соответствующую схему последовательного соединения из двух полупроводниковых переключающих элементов, причем между обоими последовательно соединенными переключающими элементами каждой шунтирующей цепи предусмотрено соответствующее ответвление от середины, причем части (W1, W2, W3) обмотки имеют разное число витков, причем одно из обоих ответвлений от середины каждого модуля (М1, М2, М3) соединено с соответствующим ответвлением от середины соседнего модуля, и причем оставшееся ответвление от середины первого модуля (М1) электрически соединено с отводом (4) нагрузки, а оставшееся ответвление от середины последнего модуля (М3) электрически соединено с концом основной обмотки (2) регулировочного трансформатора, отличающийся тем, что в каждой фазе предусмотрена дополнительная линия (L1) связи, причем в каждую из линий (L1) связи включен электронный переключающий элемент (S1), причем каждая из линий (L1) связи электрически соединяет ответвление от середины модуля (М3) соответствующей фазы с концом основной обмотки (2) соответствующей соседней фазы, при этом в каждой фазе предусмотрена другая линия (L2) связи, в которую включен соответствующий дополнительный электронный переключающий элемент (S2), и при этом каждая из этих дополнительных линий (L2) связи соединяет соответствующее ответвление от середины модуля (М3) с концом основной обмотки (2) собственной фазы.

2. Регулировочный трансформатор для регулирования напряжения с полупроводниковыми переключающими элементами, основной обмоткой (2), обмоткой (W3) ступени грубого регулирования и регулировочной обмоткой с несколькими частями (W1, W2) обмотки для каждой фазы, причем на каждую фазу предусмотрены несколько модулей (М1, М2, М3), причем один модуль (М3) содержит обмотку (W3) ступени грубого регулирования, а по обе стороны от нее две шунтирующих цепи, причем другие модули (М1, М2) содержат соответствующие части (W1, W2) регулировочной обмотки, а по обе стороны от них две шунтирующих цепи, причем каждая шунтирующая цепь содержит соответствующую схему последовательного соединения из двух полупроводниковых переключающих элементов, причем между обоими последовательно соединенными переключающими элементами каждой шунтирующей цепи предусмотрено соответствующее ответвление от середины, причем части (W1, W2) обмотки имеют разные числа витков, причем одно из обоих ответвлений от середины каждого модуля (М1, М2, М3) соединено с соответствующим ответвлением от середины соседнего модуля, и причем оставшееся одно ответвление от середины первого модуля (М1) электрически соединено с отводом (4) нагрузки, а оставшееся одно ответвление от середины последнего модуля (М3) электрически соединено с концом основной обмотки (2) регулировочного трансформатора, отличающийся тем, что в каждой фазе предусмотрена дополнительная линия (L1) связи, причем в каждую из линий (L1) связи включен электронный переключающий элемент (S1), при этом каждая из линий (L1) связи электрически соединяет ответвление от середины модуля (М2) каждой фазы с ответвлением от середины модуля (М3) соответствующей другой фазы, причем в каждой фазе предусмотрена другая линия (L2) связи, в которую включен другой электронный переключающий элемент (S2), и при этом другая линия (L2) связи соединяет ответвление от середины модуля (М2) с ответвлением от середины соответствующего модуля (М3) собственной фазы.

3. Регулировочный трансформатор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что электронные переключающие элементы (S1, S2) содержат встречно-параллельно включенные пары тиристоров, биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), или другие полупроводниковые переключающие элементы, или соответствующие схемы последовательного или параллельного соединения нескольких таких отдельных полупроводниковых переключательных элементов.