РЕГУЛИРОВОЧНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР
CONTROL TRANSFORMER

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.
a
b
c
2
u2
V2
W2
На фиг. 4, в принципе изображающей вариант осуществления, уже поясненный на фиг. 2, дополненный ссылочными позициями для полных напряжений U, U и U, а также для напряжения U, падающего на основной обмотке 2, кроме того, для напряжений U, U и U, падающих на регулировочной части, состоящей в каждой фазе из соответствующих модулей М1…М3.
V2
2
a
2
V2
2
На фиг. 5 изображена соответствующая векторная диаграмма, поясняющая сдвиг по фазе. На данной фиг. показаны напряжение U, получаемое в качестве регулировочного напряжения из частичных напряжений на частях W1, W2 и W3 обмотки, а также напряжение U, обозначенное на фиг. 4. В результате получается напряжение U=U+U со сдвигом по фазе. При этом ϕ означает угол сдвига фаз, то есть угол, на который сдвигается положение по фазе напряжения U.
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.