УСТРОЙСТВО РАВНОМЕРНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ОДНОФАЗНОЙ НАГРУЗКИ ПО ФАЗАМ ТРЕХФАЗНОЙ СЕТИ Российский патент 2019 года по МПК H02J3/06 H02J3/26 H01F30/10 

Изобретение относится к схемам распределительных сетей переменного тока, и может быть использовано в устройствах преобразования энергии трехфазной сети в энергию для питания однофазной нагрузки.

Известен симметрирующий трехфазно-однофазный трансформатор переменного напряжения, содержащий обмотки фаз A1, В1 и С1, соединенные в «зигзаг», причем выходами нагрузки являются места соединения концов полуобмоток фаз В1 и С1 (см. RU №2321133 С1, Фиг. 2).

Однако известный трансформатор не обеспечивает равномерного распределения токов, потребляемых от трех фаз, так как распределяет токи в пропорции: 25% - 50% - 25%, что приводит к не оптимальному или неполному использованию возможностей питающей сети, параметры которой, как правило, рассчитываются на протекание равных по силе фазных токов.

Большое количество обмоток делает известное решение сложным и громоздким.

Кроме того, для безопасного и надежного функционирования часто требуется подключение соответствующего вывода нагрузки к нейтральному проводу питающей сети. Известный трансформатор, все обмотки которого гальванически связаны, исключает возможность такого подключения своих выходов нагрузки к нейтральному проводу питающей сети, что, в свою очередь исключает возможность использования нагрузок с требованием обязательного подключения нагрузки к нейтрали и тем самым сужает область применения указанного решения.

Наиболее близким по технической сущности - прототипом - является устройство для симметричного распределения однофазной нагрузки по фазам трехфазной сети, представляющее собой трехфазный разделительный одно- или многообмоточный (во вторичной цепи) трансформатор потребителя, в котором каждая из вторичных обмоток имеет независимые от основной обмотки дополнительные витки, предназначенные для компенсации падения напряжения на линии, а каждый из потребителей многообмоточного разделительного трансформатора запитан от своей или от общей (для однообмоточного трехфазного трансформатора) вторичной обмотки, в которой линия каждого потребителя запитана от трех фазных катушек трансформатора, соединенных последовательно, любые две из которых включены согласованно, а третья - встречно. (См. RU 2506676 С2).

Известное устройство способствует уравниванию между собой токов во всех трех фазах при питании однофазных нагрузок.

Недостатком известного решения является сложность и избыточная материалоемкость, обусловленная использованием трех обмоток трансформатора в первичной цепи и соответствующего количества - во вторичной цепи.

Избыточное количество обмоток снижает технологичность изготовления известного устройства так как требует привлечения соответствующих производственных ресурсов, удлиняя процесс изготовления.

Кроме того, известное решение требует наличия избыточной габаритной мощности используемого трансформатора (его мощность равна полуторакратной мощности нагрузки). Однако увеличение габаритной мощности трансформатора приводит к росту потерь в трансформаторе и снижает КПД устройства в целом.

Техническим результатом является упрощение устройства, повышение технологичности изготовления, снижение материалоемкости и массогабаритных параметров, а также повышение КПД.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для равномерного распределения однофазной нагрузки по фазам трехфазной сети, содержащем трансформатор, указанный трансформатор является однофазным и содержит одну первичную и одну вторичную обмотки, выводы первичной обмотки являются двумя входами устройства, один из выводов вторичной обмотки является третьим входом устройства, другой вывод вторичной обмотки является одним из выходов устройства, другой выход которого является четвертым входом устройства, при этом четыре входа устройства выполнены с возможностью подключения к четырехпроводной питающей трехфазной сети, содержащей три фазных и один нейтральный провод.

Кроме того: - коэффициент трансформации трансформатора равен единице.

Устройство для равномерного распределения однофазной нагрузки по фазам трехфазной сети поясняется с помощью чертежей, где показаны примеры схем подключения устройства.

На Фиг. 1 показан пример выполнения устройства, в котором к первичной обмотке подключены только фазные провода трехфазной сети.

На Фиг. 2 - пример выполнения устройства, в котором к первичной обмотке подключены фазный и нейтральный провода.

На чертежах сделаны следующие обозначения:

1, 2, 3,4 - входы устройства для подключения фаз трехфазной питающей сети А, В и С и нейтрального провода N, 5 и 6 - выходы устройства для подключения однофазной нагрузки D1 и D2, 7 - трансформатор, 8 - первичная обмотка трансформатора, 9 - вторичная обмотка трансформатора.

Устройство для равномерного распределения однофазной нагрузки по фазам трехфазной сети содержит трансформатор с первичной и вторичной обмотками и коэффициентом трансформации равным 1. Выводы первичной обмотки являются двумя входами устройства, другими двумя входами которого являются, соответственно, один из выводов вторичной обмотки и один из выходов устройства. Другой выход устройства соединен с другим выводом вторичной обмотки. Все четыре входа устройства выполнены с возможностью подключения к четырехпроводной питающей трехфазной сети, содержащей три фазных и один нейтральный провод.

Соединение входов устройства с конкретной фазой трехфазной сети в общем случае значения не имеет, поэтому если трансформатор рассчитан на напряжение не менее линейного напряжения трехфазной сети, то конкретный вход устройства может быть подключен к любому фазному проводу или нейтральному проводу, единственным условием является соединение всех четырех входов устройства с четырьмя проводами трехфазной питающей сети, исключающее короткое замыкание или дублированное подключение.

Также не имеет значения порядок намотки обмоток, так как входом устройства может являться как начало (Фиг. 2), так и конец (Фиг. 1) вторичной обмотки, а одним из выходов устройства, соответственно, конец или начало этой вторичной обмотки.

Трансформатор 7 является однофазным, и может быть выполнен на магнитопроводах тороидальной или стержневой конструкции. Трансформатор имеет первичную 8 обмотку и вторичную 9 обмотку, намотанные так, что коэффициент трансформации равен единице.

Процесс намотки каждой из обмоток обуславливает наличие начала и конца соответствующей обмотки. В одном (Фиг. 1) из примеров выполнения устройства начало первичной обмотки 8 подключено к фазе А питающей сети, а конец первичной обмотки подключен к фазе В. Вторичная обмотка 9 своим началом соединена с одним из выходов устройства для подключения к входу D1 нагрузки, а своим концом - с третьей фазой С.Нейтральный провод N в указанном примере выполнения устройства соединен с другим выходом устройства для подключения к входу D2 нагрузки.

В другом (Фиг. 2) примере выполнения устройства один из входов, а именно, вход 4 является одновременно и входом устройства, и его выходом, т.е. входом для нагрузки. Габаритная мощность трансформатора в данном примере выполнения устройства равна половине мощности нагрузки. Уменьшение требуемой габаритной мощности трансформатора обусловлено меньшим значением фазного напряжения между фазным проводом и нейтралью по сравнению с линейным напряжением между фазными проводами. Указанные линейное и фазное напряжения, отличающиеся между собой в √3 раз, и могут иметь стандартные величины 220/127 В, соответственно, или 380/220 В, соответственно, или 10/5,8 кВ, соответственно, или иные значения.

Устройство для равномерного распределения однофазной нагрузки работает следующим образом.

Трансформатор с учетом его схемы соединения обеспечивает преобразование энергии трехфазной сети в энергию для питания однофазной нагрузки, равномерно отбирая мощность от всех трех фаз питающей сети. При этом величины токов в фазах и тока нейтрального провода равны между собой. Это обеспечивает наиболее благоприятный режим работы питающей сети, поскольку подводящие провода нагружаются равномерно.

При подаче на входы 1, 2, 3 и 4 устройства трехфазного напряжения питающей сети, в которой фазные провода и нейтраль могут быть обозначены как А, В, С, N, соответственно, на выходах 5 и 6 устройства формируется выходное однофазное напряжение. При подключении нагрузки Dl, D2 к выходам через нагрузку протекает ток.

Для примера выполнения, представленного на Фиг. 1, равенство токов в фазе С и нейтральном проводе объясняется тем, что в данной цепи протекает ток нагрузки, равенство токов в фазах А и В следует из того, что ток первичной обмотки трансформатора равен току его вторичной обмотки и, следовательно, току нагрузки. Таким образом, все четыре значения тока равны между собой по величине.

Устройство для равномерного распределения однофазной нагрузки обеспечивает повышенное в 2/√3 раза напряжение на своих выходах по сравнению с линейным напряжением. Так при условии работы устройства от стандартной электрической трехфазной сети с номинальным напряжением 380 В напряжение на выходах устройства составляет 440 В.

Меньшее количество вторичных обмоток по сравнению с прототипом упрощает устройство и делает его более технологичным в изготовлении, а также обеспечивает снижение суммарной габаритной мощности трансформаторов. Как показывают расчеты, габаритная мощность трансформатора в примере выполнения, показанном на Фиг. 1, равна √3/2≈0,866 мощности нагрузки, а в примере на Фиг. 2 в √3 раз меньше по сравнению с соответствующим показателем прототипа, масса и стоимость материалов трансформатора также соответственно снижены.

Таким образом, устройство для равномерного распределения однофазной нагрузки требует меньшую суммарную габаритную мощность трансформаторов.

Поскольку в трансформаторе происходят потери энергии, снижающие общий КПД устройства, потери будут тем меньше, чем меньшая габаритная мощность трансформатора будет требоваться для преобразования одного и того же количества энергии. Следовательно, снижение требуемой габаритной мощности трансформатора приведет к увеличению КПД устройства. При этом также снизятся массогабаритные параметры устройства.

Кроме того, в силу меньшего в три раза количества обмоток упрощается конструкция устройства и упрощается процесс его изготовления, т.е. увеличивается технологичность изготовления.

Расчеты с использованием векторных диаграмм напряжений показывают, что величина выходного напряжения

где: U_н - напряжение нагрузки,

U_л - линейное напряжение питающей сети (то есть напряжение между любыми двумя фазами).

Для изменения напряжения, питающего нагрузку, к выходу устройства может быть подключен регулируемый трансформатор, при этом равенство фазных токов и тока нейтрального провода нарушено не будет.

Устройство для равномерного распределения однофазной нагрузки, выполненное по схеме Фиг. 1, имеет сквозной нейтральный провод, так, что нагрузка, требующая соединения с нейтралью, может быть подключена к нейтральному проводу питающей сети, в данном примере это реализовано подключением входа D2 нагрузки.

Устройство работоспособно при подключении выводов обеих обмоток без учета их начала и конца намотки, что также является достоинством устройства.

Для обеспечения решаемой задачи трехфазно-однофазного преобразования при обеспечении равномерной нагрузки фаз не существует более простого решения, чем предлагаемое: количество используемых трансформаторов (один) является минимально возможным; количество обмоток в трансформаторе (две - одна первичная, одна вторичная) - также является минимально возможным.

Несмотря на простоту устройства, уровень техники не содержит решений, характеризующихся совокупностью сформулированных признаков.

Трансформатор устройства может быть изготовлен с использованием стандартного трансформаторного железа и обмоточной проволоки.

Таким образом, устройство для равномерного распределения однофазной нагрузки по фазам трехфазной сети конструктивно проще и технологичнее, обладает более низкими материалоемкостью, массой и габаритами и большим КПД.

Кроме того, снижение массогабаритных параметров устройства может быть обеспечено с возможностью подключения нагрузки к нейтральному проводу питающей сети, что расширяет область применения устройства.

Изобретение может быть использовано в устройствах преобразования энергии трехфазной сети в энергию для питания однофазной нагрузки. Техническим результатом является упрощение устройства, повышение технологичности изготовления, снижение материалоемкости и массогабаритных параметров, а также повышение КПД. Устройство для равномерного распределения однофазной нагрузки по фазам трехфазной сети содержит трансформатор, который является однофазным, имеет одну первичную и одну вторичную обмотки, выводы первичной обмотки являются двумя входами устройства, один из выводов вторичной обмотки является третьим входом устройства, другой вывод вторичной обмотки является одним из выходов устройства, другой выход которого является четвертым входом устройства, при этом четыре входа устройства выполнены с возможностью подключения к четырехпроводной питающей трехфазной сети, содержащей три фазных и один нейтральный провод. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для равномерного распределения однофазной нагрузки по фазам трехфазной сети, содержащее трансформатор, отличающееся тем, что указанный трансформатор является однофазным, имеет одну первичную и одну вторичную обмотки, выводы первичной обмотки являются двумя входами устройства, один из выводов вторичной обмотки является третьим входом устройства, другой вывод вторичной обмотки является одним из выходов устройства, другой выход которого является четвертым входом устройства, при этом четыре входа устройства выполнены с возможностью подключения к четырехпроводной питающей трехфазной сети, содержащей три фазных и один нейтральный провод.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что коэффициент трансформации трансформатора равен единице.