УСТРОЙСТВО БЕЗУДАРНОГО ВКЛЮЧЕНИЯ ТРЕХФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА

Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к области преобразовательной техники.
Известны устройства включения трехфазного трансформатора на холостой ход с помощью электромагнитных трехполюсных коммутационных аппаратов, например выключателей или контакторов. Процесс включения трехфазного трансформатора сопровождается броском тока в его обмотках, величина которого соизмерима с ударным током короткого замыкания по причине насыщения магнитопровода. При этом обмотки и магнитопровод трансформатора подвергаются ударному воздействию электродинамических сил, что приводит к сокращению срока эксплуатации, как трансформатора, так и коммутационного аппарата, а также ложным срабатываниям релейной защиты, которая может воспринимать токи включения трансформатора, как токи короткого замыкания [1].
Частичное устранение указанных недостатков достигается в устройстве включения трехфазного трансформатора, содержащего трехфазный вакуумный выключатель и блок управления выключателем, обеспечивающий синхронное отключение в «нужную» фазу и последующее включение в свою «нужную» фазу [2].
вкл.
откл.
Данный блок управления вакуумным выключателем обеспечивает уменьшение броска тока включения трансформатора при указанной процедуре алгоритма управления. Отключение трехфазного трансформатора в нужную фазу обеспечивает намагничивание соответствующих стержней магнитопровода трансформатора до значительной величины остаточной индукции Вr. Включение намагниченного трехфазного трансформатора в свою нужную фазу производится с перемагничиванием стержней магнитопровода в «нужном» направлении без глубокого его насыщения. В целом не достигается полного устранения броска тока трансформатора из-за значительной инерционности быстродействующих вакуумных выключателей t(t)≈(40÷70)мсек. Кроме того, при эксплуатации имеют место нештатные ситуации, например:
- первоначальное включение трансформатора при вводе в эксплуатацию;
- аварийное снятие напряжения питающей сети;
- продолжительный промежуток времени между отключением и включением трансформатора, обусловленный проведением профилактических и ремонтных работ.
В первых двух случаях отсутствие процедуры отключения в «нужную» фазу приводит к невозможности включения в свою «нужную» фазу. В третьем случае происходит размагничивание стержней магнитопровода трансформатора под действием внешних магнитных полей и изменение температуры магнитопровода. Общеизвестно, что синхронное включение размагниченного трехфазного трансформатора с помощью трехполюсного выключателя также сопровождается насыщением магнитопровода и броском тока по причине отсутствия в трехфазной системе напряжения нулевых однофазных условий.
ab
Известно устройство безударного включения асинхронного двигателя (трехфазной нагрузки), содержащее в каждой фазе безинерционный тиристорный коммутатор (пару встречно-включенных тиристоров или симистор), блок создания начального поля (БНП) и фазоизмерительную схему (ФИС). Выходные цепи БНП подключены к управляющим цепям тиристоров, а входные - к ФИС [3]. С помощью данного устройства реализуется безударное включение асинхронного электродвигателя следующим образом: первоначально по сигналам ФИС производится включение двух коммутаторов (тиристоров), например в фазах А и В при максимальном значении напряжения U, а затем через четверть периода включают третий коммутатор в фазе С. Таким образом, в трехфазном устройстве устраняются ненулевые однофазные условия. В результате происходит включение размагниченного двигателя без насыщения его магнитной системы и апериодической составляющей в токе, соответственно, без броска тока и сопровождающих ударных электродинамических сил. При этом размагничивание двигателя обеспечивается наличием воздушного зазора между статором и ротором. В трехфазных трансформаторах практически отсутствует воздушный зазор в магнитопроводе и при его отключении стержни остаются в намагниченном состоянии с остаточной индукцией Вr. Поэтому использование данного устройства для безударного включения трехфазного трансформатора малоэффективно.
y
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и взятому за прототип является тиристорный регулятор напряжения, содержащий блок тиристоров, соединенных по цепям входов с фазами трехфазной питающей сети и по цепям выходов с фазами обмотки трехфазного трансформатора (нагрузки), трехфазную систему импульсно-фазового управления с входами управления, источник напряжений синхронизации и блок управления, выходы системы импульсно-фазового управления соединены с управляющими входами блока тиристоров, а источник напряжений синхронизации подключен к соответствующим входам системы импульсно-фазового управления [4]. Данное устройство обеспечивает регулирование величины напряжения на фазах трехфазного трансформатора пропорционально величине напряжения U на управляющем входе системы импульсно-фазового управления, соответственно, оно способного выполнить процедуру включения трехфазного трансформатора, путем плавного увеличения напряжения на фазах трансформатора до напряжения питающей сети. Однако отсутствие в данном устройстве дополнительного блока включения трансформатора, обеспечивающего предпусковое размагничивание магнитопровода трансформатора, не позволяет реализовать процедуру включения намагниченного трансформатора без бросков тока.
Технический результат заявляемого решения - исключение бросков тока при включении трехфазного трансформатора и повышение надежности работы.
Технический результат достигается тем, что в устройство безударного включения трехфазного трансформатора, содержащее блок тиристоров, соединенный по цепям входов с фазами трехфазной питающей сети и по цепям выходов с фазами обмотки трехфазного трансформатора, трехфазную систему импульсно-фазового управления с входами управления, источник напряжений синхронизации, соответственно соединенные между собой, и пульт управления, дополнительно введены: блок включения трансформатора с аналоговыми и дискретными входами и выходами, блок задания напряжения размагничивания и блок задания номинального напряжения трансформатора, аналоговый выход блока включения трансформатора подключен к входу системы импульсно-фазового управления, первый аналоговый вход подключен к блоку задания напряжения размагничивания, а второй - к блоку задания номинального напряжения, дискретные вход и выход соединены с пультом управления. Блок включения трансформатора содержит интегрирующий усилитель с ключом на входе, первый и второй компараторы, нуль-орган, первый, второй и третий RS-триггеры, первый и второй логические элементы 2И и логический элемент 2ИЛИ, выход интегрирующего усилителя подключен к первому входу компараторов и к входу нуль-органа, выход первого компаратора подключен к R-входу первого RS-триггера и S-входу второго RS-триггера, выход нуль-органа подключен к первому входу логических элементов 2И, выход первого RS-триггера подключен к первому входу логического элемента 2ИЛИ, выход второго - к второму входу второго элемента 2И, выход третьего - к второму входу элемента 2ИЛИ, выход первого элемента 2И подключен к S-входу первого RS-триггера, выход второго - к S-входу третьего RS-триггера, выход элемента 2ИЛИ подключен к управляющему входу ключа интегрирующего усилителя, выход интегрирующего усилителя является аналоговым выходом блока включения трансформатора, вторые входы компараторов, -соответственно, его аналоговыми входами, а второй вход первого элемента 2И и выход второго компаратора - дискретными входом и выходом блока включения трансформатора.
Отличительной особенностью предлагаемой полезной модели является то, что устранение бросков тока при включении трехфазного трансформатора и повышение надежности достигается за счет введения дополнительного блока включения трансформатора с аналоговыми и дискретными входами и выходами, блока задания напряжения размагничивания и блока задания номинального напряжения трансформатора, а также оригинально выполненного блока включения трансформатора с помощью интегрирующего усилителя, двух компараторов, нуль-органа и логических элементов, соединенных между собой соответствующим образом и обеспечивающего двухэтапное включение трехфазного трансформатора. На первом этапе блок включения трехфазного трансформатора обеспечивает размагничивание магнитопровода трансформатора путем увеличения напряжения на его фазах до заданного напряжения размагничивания и последующего его плавного уменьшения до нулевого значения посредством воздействия на управляющий вход системы импульсно-фазового управления. На втором этапе блок включения обеспечивает плавное увеличение напряжения на фазах размагниченного трансформатора от нулевого значения до номинального без насыщения магнитопровода и бросков тока, с воздействием на вышеуказанный вход системы импульсно-фазового управления. Таким образом, реализованный в заявляемом устройстве двухэтапный алгоритм включения трехфазного трансформатора с принудительным размагничиванием его магнитопровода на первом этапе и плавным подъемом напряжения на втором гарантированно обеспечивает включение трехфазного трансформатора на холостой ток с токами, не превышающими номинального значения, и, соответственно, надежную работу, как трансформатора, так и релейной защиты. На фигуре 1 приведена схема заявляемого устройства безударного включения трансформатора, на фигуре 2 схема блока включения трансформатора, входящего в состав заявляемого устройства безударного включения трансформатора. На фигурах приняты следующие обозначения:
1 - блок тиристоров, включенных встречно-параллельно, или симисторов;
2 - трехфазный трансформатор;
3 - трехфазная система импульсно-фазового управления с входами управления;
4 - источник напряжений синхронизации;
5 - блок включения трансформатора;
6 - блок задания напряжения размагничивания трансформатора;
7 - блок задания номинального напряжения трансформатора;
8 - пульт управления;
9 - интегрирующий усилитель с ключом управления на входе;
10, 11 - компараторы аналоговые;
12 - нуль-орган аналоговый;
13, 14, 15 - RS-триггеры;
16, 17 - логические элементы 2И;
18 - логический элемент 2ИЛИ;
П
~U - напряжение трехфазной питающей сети;
p
ном
П
U, U - соответственно уровни напряжений размагничивания трансформатора и номинального значения, равного ~U;
у
U - напряжение управления системы импульсно-фазового управления;
синхр
U - напряжение синхронизации;
R - вход установки начального состояния RS-триггеров.
Предлагаемое устройство безударного включения трехфазного трансформатора, содержит блок тиристоров 1, соединенный по цепям входов с фазами трехфазной питающей сети и по цепям выходов с фазами обмотки трехфазного трансформатора 2, трехфазную систему импульсно-фазового управления 3 с входом управления, источник напряжений синхронизации 4, соединенные между собой общеизвестным способом, блок включения трансформатора 5 с аналоговыми и дискретными входами и выходами, блок задания напряжения размагничивания трансформатора 6, блок задания номинального напряжения трансформатора 7 и пульт управления 8. Аналоговый выход блока включения трансформатора 5 подключен к входу управления системы импульсно-фазового управления 3, первый аналоговый вход подключен к блоку задания напряжения размагничивания трансформатора 6, а второй - к блоку задания номинального напряжения трансформатора 7, дискретные вход и выход блока включения трансформатора 5 соединены с пультом управления 8. При этом блок включения трансформатора 5 содержит интегрирующий усилитель 9, первый и второй компараторы 10, 11, нуль-орган 12, первый, второй и третий RS-триггеры 13, 14, 15, первый и второй логические элементы 2И 16, 17 и логический элемент 2ИЛИ 18. Выход интегрирующего усилителя 9 подключен первому входу компараторов 10, 11 и к входу нуль-органа 12, выход первого компаратора 10 подключен к R-входу первого RS-триггера 13 и S-входу второго RS-триггера 14, выход нуль-органа 12 подключен к первому входу логических элементов 2И 16, 17, выход первого RS-триггера 13 подключен к первому входу логического элемента 2ИЛИ 18, выход второго 14 - к второму входу второго элемента 2И 16, выход третьего 15 - к второму входу элемента 2ИЛИ 18, выход первого элемента 2И 16 подключен к S-входу первого RS-триггера 13, выход второго 17 - к S-входу третьего RS-триггера 15, выход элемента 2ИЛИ 18 подключен к управляющему входу ключа интегрирующего усилителя 9, выход интегрирующего усилителя 9 является аналоговым выходом блока включения трансформатора 5, вторые входы компараторов 10, 11, - соответственно, его аналоговыми входами, а второй вход первого элемента 2И 16 и выход второго компаратора 11 - дискретными входом и выходом блока включения трансформатора 5.
Работа устройства происходит следующим образом.
y
y
y
y
y
p
p
y
Будем считать, что на функциональные блоки 1…8 устройства безударного включения трехфазного трансформатора подано питающее напряжение и блок включения трансформатора 5 находится в состоянии готовности к пуску. RS-триггеры 13, 14, 15 установлены в состояние с нулевым уровнем выходного сигнала. Ключ на входе интегрирующего усилителя 9 закрыт и напряжение на его выходе равно нулю U=0. В соответствии с нулевым значением напряжения управления U, блок тиристоров 1 устанавливает нулевое значение трехфазного напряжения на фазах обмотки трехфазного трансформатора 2 с помощью системы импульсно-фазового управления 3 и источника напряжения синхронизации 4. Процесс безударного включения трехфазного трансформатора 2 начинается с подачи команды «Пуск» единичного уровня с пульта управления 8, которая подается на вход логического элемента 2И 16, на втором входе этого элемента присутствует сигнал единичного уровня, поступающий с выхода нуль-органа 12 в соответствии с принятым исходным состоянием устройства (U=0). Сигналом единичного уровня с выхода элемента 2И 16 первый RS-триггер 13 переключается в единичное состояние по выходу и через логический элемент 2ИЛИ 18 включает ключ на входе интегрирующего усилителя 9. На выходе интегрирующего усилителя 9 начинается плавно увеличиваться напряжение управления U несоответственно, напряжение на фазах обмотки трехфазного трансформатора 2. Последнее обеспечивается работой блока тиристоров 1 и системы импульсно-фазового управления 3 по прямому их назначению. Данный процесс продолжается до переключения первого компаратора 10 с порогом переключения U=U, при котором к фазам обмотки трехфазного трансформатора 2 прикладывается максимальное значение напряжения размагничивания U с токами в обмотке, не превышающими номинального значения холостого хода. Компаратор 10 переключается в единичное состояние по выходу. Единичным сигналом с выхода компаратора 10 производится: переключение первого RS-триггера 13 в нулевое состояние по выходу, переключение второго RS-триггера 14 в единичное состояние по выходу и выключение ключа на входе интегрирующего усилителя 9. В результате интегрирующий усилитель 9 начинает плавное уменьшение напряжения управления U и, соответственно через блок тиристоров 1, напряжения на фазах обмотки трехфазного трансформатора 2. Процесс плавного снижения напряжения заканчивается при нулевых значениях напряжения управления и напряжения на фазах обмотки трехфазного трансформатора 2.
На данном этапе работы устройства под действием плавно изменяющегося напряжения на фазах обмотки трехфазного трансформатора 2 происходит перемагничивание намагниченного магнитопровода с увеличением и последующим снижение до нуля переменной составляющей индукции. При этом происходит переход магнитного состояния магнитопровода с предельной (рабочей) петли гистерезиса В=Вr по частным петлям гистерезиса на симметричную петлю гистерезиса с полным размагничиванием магнитопровода Вr=0. Данный процесс является общепринятым способом размагничивания ферромагнитных материалов (электротехнической стали).
y
y
y
ном
П
При нулевом значении напряжения управления U=0 происходит переключение нуль-органа 12 в единичное состояние по выходу. Этим сигналом через логический элемент 2И 17 переключается третий RS-триггер 15 в единичное состояние по выходу, так как на второй вход элемента 2И17 поступает единичный сигнал с выхода второго RS-триггера 14, установленный в единичное состояние ранее. Единичным сигналом с выхода третьего RS-триггера через элемент 2ИЛИ 18 происходит повторное включение ключа на входе интегрирующего усилителя 9 и плавное увеличение напряжения управления U и, соответственно, напряжения на фазах обмотки трехфазного трансформатора 2. Данный процесс происходит до напряжения управления, равного номинальному напряжению U=U, при котором на фазы обмотки трехфазного трансформатора 2 подается полное напряжение питающей сети ~U (на тиристоры подаются управляющие импульсы с углом управления α=0 эл. град., и они открыты поочередно на весь период питающей сети). В этот момент второй компаратор 11 переключается в единичное состояние по выходу. Единичным сигналом с выхода компаратора 11 подается команда «Пуск завершен» в пульт управления 8 и трансформатор может эксплуатироваться в штатном режиме с нагрузкой.
Таким образом, на втором этапе производится плавное включение размагниченного трехфазного трансформатора на питающую сеть с перемагничиванием магнитопровода по возрастающим симметричным петлям гистерезиса без захода в область насыщения и, соответственно, без бросков тока в его обмотке с величиной, не превышающей номинального значения холостого хода.
Как правило, по окончанию безударного включения трехфазного трансформатора производится шунтирование блока тиристоров с помощью трехполюсного выключателя с целью снижения потерь в блоке тиристоров. Данное техническое решение применяется в устройствах плавного пуска электродвигателей переменного тока [5].
В принципе данное устройство может быть реализовано с полным использованием элементов цифровой техники.
Источники известности
[1] Лурье А.И. Процесс включения трансформатора на холостой ход и короткое замыкание - «Электротехника» 2008 г., №2, стр.2-18.
[2] Кузьменко В.А. и др. Снижение тока включения трансформатора - «Электротехника» 1997 г., №2, стр.9-12.
[3] Соколов М.М. и др. Электромагнитные переходные процессы в асинхронном электроприводе - изд-во Энергия, Москва, 1967 г.стр.195-196.
[4] Патент РФ на полезную модель №55227 «Тиристорный регулятор напряжения» от 26.12.2005 г.
[5] Шамис М.А. и др. Экономические аспекты внедрения устройств плавного пуска высоковольтных электродвигателей - «Энергетика в нефтегазодобыче» 2003 г., №1, стр.28.