ТРЕХФАЗНОЕ СИММЕТРИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2023 года по МПК H02J3/26 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в трехфазных четырехпроводных электрических сетях с несимметричными нагрузками для симметрирования режимов их работы, снижения потерь и улучшения показателей качества электроэнергии у конечных потребителей.

Известен способ и устройство симметрирования режима работы четырехпроводной электрической сети, позволяющее осуществлять полное симметрирование режима ее работы за счет выравнивания по фазам сети суммарной активной мощности фаз нагрузки и полной компенсации реактивной мощности фаз нагрузки [патент RU на изобретение №2776278С1, опубл. 15.07.2022 г.]. Устройство подключается к фазам и нулевому проводу электрической сети. В зависимости от режима работы фаз нагрузки устройство формирует свою систему токов, которая совместно с токами нагрузки обеспечивает симметричный режим работы фаз электрической сети. Устройство построено на основе элементов силовой электроники, а его управление использует информацию о режимах работы фаз нагрузки. Недостатком устройства является сложность его системы управления и большая установленная мощность его силового оборудования.

Известно устройство симметрирования, построенное на основе симметрирующего трансформатора с обмотками, включенными встречно в зигзаг [патент RU на изобретение №2314620С2, опубл. 10.01.2008 г.] и автоматическими выключателями. Устройство подключается своими входами к фазам электрической сети и нулевым выводам сети и нагрузки с помощью автоматического выключателя. За счет конструкции симметрирующего трансформатора устройство автоматически выделяет и компенсирует ток нулевой последовательности нагрузки в нейтральном проводе электрической сети. Недостатком устройства является его ограниченная нагрузочная способность, связанная с тем, что при большой несимметрии токов и мощности нагрузки в симметрирующим трансформаторе начинает протекать большой по величине ток нулевой последовательности и возникают значительные потери электроэнергии. При достижении предельно допустимых для симметрирующего трансформатора уровней несимметрии и мощностей нагрузки устройство отключается от электрической сети с помощью автоматических выключателей. Это ограничивает область применения устройства относительно невысокими уровнями несимметрии и мощностей нагрузки.

Технической задачей предлагаемого изобретения является снятие ограничений по предельно допустимым для устройства симметрирования уровням несимметрии и мощностей нагрузки электрической сети за счет включения в состав устройства дополнительного оборудования с целью уменьшения загрузки симметрирующего трансформатора токами нулевой последовательности.

Техническим результатом, на получение которого направлено предлагаемое изобретение, является расширение функциональных возможностей симметрирующего устройства за счет расширения допустимых диапазонов уровней несимметрии и мощностей нагрузки электрической сети, при которых осуществляется надежная работа симметрирующего устройства.

Технический результат достигается тем, что трехфазное симметрирующее устройство с входными зажимами, подключенными к фазам и нулевому проводу четырехпроводной электрической сети, содержащее трехфазный симметрирующий трансформатор, обмотки которого включены встречно в зигзаг, причем три первых крайних вывода этих обмоток соединены с тремя входными зажимами устройства, подключенными к фазам электрической сети, а три вторых крайних вывода соединены между собой, содержит дополнительный трехфазный трансформатор с первичными обмотками, соединенными в звезду и подключенными к фазам и нулевому проводу четырехпроводной электрической сети, а три его вторичные обмотки соединены в открытый треугольник и своими свободными концами подключены между общей точкой соединения трех вторых крайних выводов обмоток симметрирующего трансформатора и нулевым проводом четырехпроводной электрической сети.

На фиг. 1 приведена структура заявляемого трехфазного симметрирующего устройства. На фиг. 2 приведена схема подключения трехфазного симметрирующего трансформатора к электрической сети с заданными параметрами несимметричной нагрузки и сопротивлениями фаз. На фиг. 3 приведена схема подключения, заявляемого симметрирующего устройства к электрической сети с заданными параметрами несимметричной нагрузки и сопротивлениями фаз. На фиг. 4 приведена таблица рассчитанных режимов работы электрической сети со схемами симметрирующих устройств, приведенными на фиг. 2 и 3.

На фиг. 1 к четырехпроводной сети А, В, С, N подключена несимметричная нагрузка 1. Симметрирующее устройство 2 подключено к трем фазам А, В, С сети и нулевому проводу N. Оно состоит из трехфазного симметрирующего трансформатора 3 и дополнительного трехфазного трансформатора 4. Обмотки 5 и 6 симметрирующего трехфазного трансформатора 3 соединены встречно в зигзаг, при этом три первых крайних вывода обмоток 5 соединены с входами устройства симметрирования 2, подключенным к фазам электрической сети А, В, С. Три крайних вывода обмоток 6 симметрирующего трансформатора 3 соединены между собой. Первичные обмотки 7 дополнительного трехфазного трансформатора 4 соединены в звезду и своими свободными концами подключены к входам устройства симметрирования, соединенным с фазами электрической сети А, В, С, а общей точкой их соединения подключены к нулевому проводу сети N. Вторичные обмотки 8 дополнительного трехфазного трансформатора 4 соединены в открытый треугольник и своими свободным концами включены между общей точкой соединения обмоток 6 симметрирующего трехфазного трансформатора 3 и нулевым проводом сети N.

Трехфазное симметрирующее устройство 2 работает следующим образом. При несимметрии нагрузки 1 в фазах электрической сети протекают несимметричные токи. Для каждой фазы сети их можно представить в виде совокупности токов прямой, обратной и нулевой последовательности. В нулевом проводе электрической сети протекает утроенная величина тока нулевой последовательности фаз сети. Симметрирующий трансформатор 3 выделяет и формирует токи нулевой последовательности в фазах сети, компенсирующие токи нулевой последовательности нагрузки. При этом, ток в нейтральном проводе сети, соединяющем общую точку соединения генераторов сети с соответствующим выводом устройства симметрирования 2, будет стремиться к нулю. При существенной несимметрии трехфазной нагрузки 1 ток нулевой последовательности в каждой фазе нагрузки составляет значительную часть от тока прямой последовательности. Чем больше ток и, соответственно, мощность несимметричной нагрузки 1, тем больше будут токи прямой и нулевой последовательностей. Таким образом, величина суммарной мощности несимметричной нагрузки и ее несимметрия напрямую сказываются на величине токов нулевой последовательности в фазах сети и ее нулевом проводе. В виду сложной конструкции симметрирующего трансформатора 3 потери электрической энергии в нем значительны и пропорциональны токам нулевой последовательности в фазах нагрузки. Значительная мощность несимметричной нагрузки является ограничительным фактором при применении подобной конструкции трансформатора для выделения и компенсации токов нулевой последовательности нагрузки. Поэтому в схеме прототипа применены автоматические выключатели симметрирующего трансформатора 3, предотвращающие его перегрузку и отключающие его от электрической сети. Применение дополнительного трехфазного трансформатора с вторичными обмотками, соединенными в открытый треугольник и подключенными между общей точкой соединения крайних выводов обмоток 6 симметрирующего трансформатора 3 и нулевым проводом сети, позволяет пропорционально перераспределить ток нулевой последовательности устройства симметрирования 2 (ток в нулевом проводе нагрузки) между симметрирующим трансформатором 3 и дополнительным трехфазным трансформатором 4. При этом, в первичных обмотках 7 дополнительного трехфазного трансформатора 4 будут протекать вытесненные токи нулевой последовательности из обмоток 5 симметрирующего трансформатора 3. Соотношение между токами в нулевом проводе дополнительного трехфазного трансформатора 4 и нулевом проводе симметрирующего трехфазного трансформатора 3 определяется выражением I_tz0=3K_tI_z0, где I_z0 - ток в нулевом проводе трехфазного симметрирующего трансформатора 3, I_tz0 - ток в нулевом проводе дополнительного трехфазного трансформатора 4, а - коэффициент трансформации дополнительного трехфазного трансформатора 4, где W_t1a, W_t1b, W_t1c, W_t2a, W_t2b, W_t2c - количество витков первичных и вторичных обмоток дополнительного трехфазного трансформатора подключенных к соответствующим фазам сети. Потери энергии в дополнительном трехфазном трансформаторе 4, в виду его более простой конструкции, существенно меньше, чем в симметрирующем трехфазном трансформаторе 3. Таким образом, в симметрирующем устройстве 2 симметрирущий трехфазный трансформатор 3 фактически выполняет роль измерительного устройства, выделяющего ток, пропорциональный току нулевой последовательности нагрузки. При этом большая часть тока нулевой последовательности, компенсирующая ток нулевой последовательности нагрузки, формируется и протекает в дополнительном трехфазном трансформаторе 4. Следует отметить, что как выделение тока нулевой последовательности в симметрирующем трехфазном трансформаторе 3, так и его пропорциональное перераспределение между симметрирующим трехфазным трансформатором 3 и дополнительным трехфазным трансформатором 4 происходит автоматически без какого-либо устройства управления.

Для иллюстрации работы предлагаемого устройства на фиг. 4 приведена таблица режимов работы при несимметричной нагрузке 1 и сопротивлениях фаз сети: Z_r=0,164+j0,016 Ом - расчетные значения сопротивлений фаз А, В, С, Z_s=0,126+j0,014 Ом - расчетное значение сопротивления нулевого провода N сети (значения сопротивлений Z_r и Z_s получены для кабеля СИП-2 3×50 мм² + 1×70 мм² длиной 200 метров), Z_na=6+j2 Ом, Z_nb=1+j0,5 Ом, Z_nc=3+j9 Ом - сопротивления несимметричной нагрузки в фазах А, В, С сети, для случаев: отсутствия устройства симметрирования (режим работы 1); подключении к сети только трехфазного симметрирующего трансформатора (фиг. 2) (режим работы 2); подключении к сети заявляемого устройства (фиг. 3) (режим работы 3). Коэффициент трансформации K_t дополнительного трехфазного трансформатора 4 выбран равным 1. Коэффициент трансформации симметрирующего трансформатора , где W_z1a, W_z1b, W_z1c, W_z2a, W_z2b, W_z2c - количество витков первичных и вторичных обмоток симметрирующего трехфазного трансформатора, также равен 1. Электрическая сеть представляет собой генераторы напряжения трехфазной сети со следующими параметрами для соответствующих фаз А, В, С: E_a=220∠0°B, E_b=220∠-120°B, E_c=220∠1200°В. Из таблицы фиг. 4 видно, что значительная часть тока нулевого провода нагрузки протекает через нулевой провод дополнительного трехфазного трансформатора 4. Увеличение K_t больше единицы будет приводить к еще более значительному уменьшению тока I_tz0 в нулевом проводе симметрирующего трехфазного трансформатора 3 и увеличению тока в нулевом проводе дополнительного трехфазного трансформатора 4.

Предложенное построение симметрирующего устройства 2 обеспечивает достижение заявляемого технического результата, заключающегося в расширении функциональных возможностей симметрирующего устройства за счет расширения допустимых диапазонов уровней несимметрии и мощностей нагрузки электрической сети, при которых осуществляется надежная работа симметрирующего устройства.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в трехфазных четырехпроводных электрических сетях с несимметричными нагрузками для симметрирования режимов их работы, снижения потерь и улучшения показателей качества электроэнергии у конечных потребителей. Техническим результатом, на получение которого направлено предлагаемое изобретение, является расширение функциональных возможностей симметрирующего устройства за счет расширения допустимых диапазонов уровней несимметрии и мощностей нагрузки электрической сети, при которых осуществляется надежная работа симметрирующего устройства. Технический результат достигается тем, что трехфазное симметрирующее устройство с входными зажимами, подключенными к фазам и нулевому проводу четырехпроводной электрической сети, содержащее трехфазный симметрирующий трансформатор, обмотки которого включены встречно в зигзаг, причем три первых крайних вывода этих обмоток соединены с тремя входными зажимами устройства, подключенными к фазам электрической сети, а три вторых крайних вывода соединены между собой, содержит дополнительный трехфазный трансформатор с первичными обмотками, соединенными в звезду и подключенными к фазам и нулевому проводу четырехпроводной электрической сети, а три его вторичные обмотки соединены в открытый треугольник и своими свободными концами подключены между общей точкой соединения трех вторых крайних выводов обмоток симметрирующего трансформатора и нулевым проводом четырехпроводной электрической сети. 4 ил.

Трехфазное симметрирующее устройство с входными зажимами, подключенными к фазам и нулевому проводу четырехпроводной электрической сети, содержащее трехфазный симметрирующий трансформатор, обмотки которого включены встречно в зигзаг, причем три первых крайних вывода этих обмоток соединены с тремя входными зажимами устройства, подключенными к фазам электрической сети, а три вторых крайних вывода соединены между собой, отличающееся тем, что устройство содержит дополнительный трехфазный трансформатор с первичными обмотками, соединенными в звезду и подключенными к фазам и нулевому проводу четырехпроводной электрической сети, а три его вторичные обмотки соединены в открытый треугольник и своими свободными концами подключены между общей точкой соединения трех вторых крайних выводов обмоток симметрирующего трансформатора и нулевым проводом четырехпроводной электрической сети.