УСТРОЙСТВО РАВНОМЕРНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ОДНОФАЗНОЙ НАГРУЗКИ ПО ФАЗАМ ТРЕХФАЗНОЙ СЕТИ
DEVICE FOR UNIFORM DISTRIBUTION OF SINGLE-PHASE LOAD BY PHASES OF THREE-PHASE NETWORK

Область техники
Изобретение относится к схемам распределительных сетей переменного тока, и может быть использовано в устройствах преобразования энергии трёхфазной сети в энергию для питания однофазной нагрузки.
Уровень техники
Известен преобразователь трёхфазного тока в однофазный, содержащий автотрансформатор с выводом, через обмотку которого нагрузка подключается к двум фазам питающей сети, и конденсатор, через который вывод обмотки автотрансформатора соединён с одной из этих фаз, дополнительные конденсаторы, через которые вывод автотрансформатора соединён с другой из указанных фаз и с третьей фазой питающей сети, подключённой к точке подсоединения нагрузки к обмотке автотрансформатора (см. а.с. СССР № 402075).
Известен преобразователь электрической энергии трехфазных напряжений и токов в однофазные, содержащий однофазный трансформатор или автотрансформатор, трехфазный трансформатор, два блока балластных реактивных элементов: емкостей и индуктивностей - и блок управления балластными реактивными элементами и контроля симметричного режима работы указанного преобразователя (см. RU2333563C1).
Известен трансформаторный преобразователь электрической энергии трехфазных напряжений и токов в однофазные, содержащий трансформаторный преобразователь электрической энергии трехфазных напряжений и токов в двухфазные, реактивные балластные элементы и блок контроля симметричного режима работы преобразователя и управления реактивными балластными элементами, одна из фаз двухфазной обмотки трансформаторного преобразователя электрической энергии трехфазных напряжений и токов в двухфазные соединена последовательно с первым балластным элементом и последовательно встречно с второй фазой двухфазной обмотки и вторым балластным элементом, параллельно которым присоединены последовательно соединенные между собой однофазный приемник и третий балластный элемент (см. RU2292625C1).
Необходимость использования в известных решениях дополнительных компонентов: конденсаторов и балластных реактивных элементов усложняет конструкцию устройства, снижает его надёжность, а также усложняет процесс производства, снижая технологичность его изготовления.
Более того, необходимость подстройки под конкретную нагрузку, путём изменения ёмкости включаемых конденсаторов ограничивает возможность использования известного преобразователя, так как усложняет его эксплуатацию и создаёт риск неопределённого распределения фазных токов нагруженной сети.
Известно устройство для преобразования трёхфазного тока в однофазный, выполненное в виде индукционной машины с трёхфазной первичной системой и однофазной вторичной обмоткой, первичная система образована из двух общих для вторичной системы статоров с обмотками, создающими вращающиеся в противоположные стороны магнитные поля, образующие пульсирующее магнитное поле, пронизывающее контур вторичной обмотки (см. а.с. СССР № 72443).
Известно устройство питания для однофазных индукционно-резистивных нагрузок, обеспечивающее симметрию первичной трехфазной сети, содержащее магнитопровод, состоящий из трех сердечников А, В, С одинакового поперечного сечения, первичную трехфазную обмотку, состоящую из, по меньшей мере, трех одинаковых секционированных обмоток, расположенных на соответствующих сердечниках магнитопровода, соединенных между собой в звезду, секционные выводы которых через секционный переключатель подключены к трехфазной сети и вторичную обмотку, выполненную таким образом, что на каждом сердечнике магнитопровода размещено по две частичные обмотки с неравным числом витков, причем частичные обмотки каждого сердечника магнитопровода с одинаковыми индексами имеют равное число витков, а частичные обмотки вторичной обмотки соединены последовательно (см. RU 2290739 С1).
Известен трансформатор трёхфазно-однофазный, содержащий соединённые в «зигзаг» обмотки, начала первых половин которых являются входами фаз А1, В1, С1 питающей сети, а начала вторых половин обмоток соединены между собой и являются выходом однофазной нагрузки, другой выход однофазной нагрузки соединён со входом фазы А1 питающей сети, при этом обмотки выполнены на трёхстержневом магнитопроводе (см. RU 2656612 С1).
Недостатком известных решений является сложность, избыточная материалоемкость и громоздкость. Необходимость намотки множества обмоток трансформатора, до шести и более усложняет процесс их производства.
Известно устройство для передачи электроэнергии, содержащее: кабель, трансформатор, соединенный с кабелем, трансформатор для преобразования трехфазного переменного тока в однофазный, при этом трансформатор имеет сердечник в конфигурации тора с хордой, проходящей через внутреннюю часть тора, первичную обмотку, намотанную вокруг тора, и вторичную обмотку, намотанную вокруг хорды и соединенную с кабелем (см. EP2954544B1).
Недостатком известного решения является необходимость использования магнитопровода сложной формы, а также сложность и трудоёмкость процесса намотки на магнитопровод сложной формы.
Известно устройство для преобразования трёхфазного тока в однофазный и обратно, представляющее собой трёхфазную машину с заторможенным двухфазным ротором, обмотки статора которой включены в трёхфазную сеть, а одна фаза ротора в однофазную сеть, вторая фаза ротора, имеющая частичную магнитную связь с первой фазой, включена на активное сопротивление, соединённое последовательно с индуктивным сопротивлением (см. а.с. СССР № 89488).
Известное устройство может быть применено лишь в маломощных установках и характеризуется избыточными сложностью и массогабаритными показателями, а также рассеянием энергии на активном сопротивлении, что приводит к повышенному нагреву и снижению КПД.
Известен трехфазно-однофазный трансформатор, содержащий входные и выходные зажимы, к которым подключен трансформатор, имеющий первичные обмотки во всех трех фазах и две вторичные обмотки в фазах А и С, первичные обмотки соединены в «зигзаг», причем соединены обмотки фаз А и В, В и С, С и А, первые крайние выводы первичных обмоток подключены к входным зажимам, два из вторых крайних выводов фаз А и С соединены между собой, а вторичные обмотки включены встречно и соединены с выходными зажимами, а третий из вторых крайних выводов фазы В соединен непосредственно с нулевым рабочим выводом питающей сети (см. RU2668086).
Известное решение характеризуется сложностью, избыточным количеством обмоток, большой материалоёмкостью и массой. Необходимость подключения нейтрального провода трёхфазной сети ограничивает область применения, так как возможность использования нейтрального провода не всегда является доступной.
Наиболее близким по технической сущности — прототипом — является устройство для равномерного распределения однофазной нагрузки по фазам трехфазной сети, которое содержит однофазный трансформатор с одной первичной и одной вторичной обмотками, 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 четвёртым входом устройства, при этом четыре входа устройства выполнены с возможностью подключения к четырехпроводной питающей трёхфазной сети, содержащей три фазных и один нейтральный провод (См. RU № 2679595 C1, фиг. 1).
Известное устройство способствует уравниванию между собой токов во всех трёх фазах и нейтральном проводе при питании однофазных нагрузок.
Однако, наличие двух обмоток, требующих средств обеспечения их взаимной изоляции, усложняет конструкцию устройства, а необходимость намотки более чем одной обмотки требует выполнения соответствующих дополнительных операций, усложняющих процесс производства, что означает снижение технологичности изготовления.
Использование трансформатора с раздельными, гальванически не связанными между собой обмотками, способствует увеличению габаритной мощности трансформатора. Мощность трансформатора известного устройства равна √3/2 ≈ 0,866 от мощности нагрузки. Высокое значение габаритной мощности трансформатора приводит к высокому значению потерь в трансформаторе и снижает КПД устройства в целом, а также способствует увеличению его материалоемкости.
Ещё одним недостатком известного решения является необходимость использования четырехпроводной питающей сети, включающей нейтральный провод, что не всегда возможно и ограничивает область использования известного решения.
Кроме того, использование нейтрального провода приводит к появлению дополнительных потерь в проводах и снижает общий коэффициент мощности системы.
Раскрытие сущности
Техническим результатом является упрощение устройства, повышение технологичности изготовления, снижение материалоёмкости 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, обмотка трансформатора выполнена с отводом, при этом крайние выводы обмотки трансформатора являются первым и вторым входами устройства, а отвод обмотки трансформатора является выходом устройства, другой выход которого объединён с третьим входом устройства.
Кроме того: - трансформатор является однофазным,
- отвод обмотки трансформатора выполнен из её средней точки,
- первый, второй и третий входы устройства выполнены с возможностью подключения к фазным проводам трёхпроводной питающей трёхфазной сети, а два выхода устройства с проводами однофазной нагрузки.
Устройство для равномерного распределения однофазной нагрузки по фазам трёхфазной сети поясняется с помощью чертежей, где на Фиг. 1 показана схема устройства, на Фиг. 2 – вариант схемы подключения устройства с пониженным выходным напряжением.
На чертеже сделаны следующие обозначения.
1, 2, 3 – входы устройства для подключения фаз трёхфазной питающей сети А, В и С, соответственно, 4 и 5 – выходы устройства для подключения однофазной нагрузки D1 и D2, соответственно, 6 — трансформатор, 7 — первая полуобмотка трансформатора, 8 — вторая полуобмотка трансформатора, 9 – отвод обмотки трансформатора, 10 – понижающий автотрансформатор, 11 – отвод обмотки понижающего автотрансформатора.
Устройство для равномерного распределения однофазной нагрузки по фазам трехфазной сети содержит однофазный трансформатор, включённый по схеме автотрансформатора, который имеет одну обмотку, все витки которой выполнены в одном направлении. Обмотка снабжена отводом из её средней точки, который делит обмотку на две полуобмотки с равным количеством витков, намотанных проводом одного сечения.
Крайние выводы обмотки трансформатора являются двумя входами устройства, а отвод обмотки трансформатора является одним из выходов устройства, другой выход которого объединён с третьим входом устройства.
Три входа устройства выполнены с возможностью подключения к трёхпроводной питающей трёхфазной сети, содержащей три фазных провода, а два выхода устройства представляют собой однофазный выход, с возможностью подключения нагрузки.
К выходу устройства может быть подключён автотрансформатор для формирования однофазного выходного напряжения требуемой величины.
Трансформатор 6 является однофазным и может быть выполнен на магнитопроводе тороидальной или стержневой конструкции. Трансформатор имеет единственную обмотку, состоящую из первой 7 и второй 8 полуобмоток, которые имеют одинаковое число витков, а вся обмотка рассчитана на линейное напряжение трёхфазной сети.
Требуемая габаритная мощность трансформатора относительно мощности потребления нагрузки составляет 1/(2√3)≈0,289, что в три раза меньше, чем требуемая габаритная мощность ближайшего аналога.
Осуществление изобретения
Устройство для равномерного распределения однофазной нагрузки работает следующим образом.
Многофазная питающая сеть характеризуется значениями линейного и фазного напряжения. Фазное напряжение трёхфазной сети, составляет величину 1/√3 от линейного напряжения и для стандартных значений линейных напряжений 220 В, 380 В или 10 кВ фазные напряжения составляют 127 В, 220 В или 5,8 кВ, соответственно. Помимо трёхфазных сетей стандартных напряжений устройство для равномерного распределения однофазной нагрузки по фазам трехфазной сети может быть использовано в трёхфазной сети с иными значениями линейного и соответствующего фазного напряжений.
Устройство равномерного распределения однофазной нагрузки, с трансформатором, включённым по схеме автотрансформатора, обеспечивает преобразование энергии трёхфазной сети в энергию для питания однофазной нагрузки, отбирая мощность от всех трех фаз питающей сети.
При равенстве количества витков двух полуобмоток величины токов в фазах А, В равны между собой, а ток в фазе С вдвое больше. При этом потребление мощности по фазам А, В, С происходит в пропорции 25%—25%—50%. Устройство обеспечивает наиболее благоприятный режим работы питающей сети, поскольку подводящие провода нагружаются равномерно.
В варианте исполнения, когда первая и вторая полуобмотки выполнены с не равным количеством витков распределение токов по фазам А и В становится иным, что может оказаться полезным в каких-то конкретных вариантах применения устройства, например, в условиях несимметрично нагруженной сети.
При подаче на входы 1, 2 и 3 устройства трехфазного напряжения питающей сети, в которой фазные провода обозначены как А, В и С, соответственно, на выходах 4 и 5 устройства формируется выходное однофазное напряжение. При подключении нагрузки к выходам D1, D2 через нагрузку протекает ток.
Устройство для равномерного распределения однофазной нагрузки обеспечивает пониженное в 2/√3≈1,155 раза напряжение на своих выходах по сравнению с линейным напряжением сети. Так, при условии работы устройства от стандартной электрической трёхфазной сети с номинальным напряжением 380 В напряжение на выходах устройства составляет 330 В.
Устройство для равномерного распределения однофазной нагрузки имеет меньшее количество обмоток: одну вместо двух обмоток ближайшего аналога, а значит не требует средств межобмоточной изоляции, конструктивно проще и проще в изготовлении. Упрощение процесса изготовления устройства означает более высокую технологичность его изготовления.
Устройство для равномерного распределения однофазной нагрузки характеризуется меньшим по сравнению с прототипом током, протекающим через обмотки, это следует, в частности, из сопоставления схем устройств. Меньшие токи обеспечивают снижение требуемой суммарной габаритной мощности трансформатора. Меньшая габаритная мощность трансформатора устройства для равномерного распределения однофазной нагрузки означает снижение массогабаритных параметров устройства в целом, снижение его материалоёмкости.
Меньшая габаритная мощность трансформатора означает также меньшие потери при преобразовании одного и того же количества энергии, что в свою очередь, означает более высокий КПД устройства для равномерного распределения однофазной нагрузки в целом.
Расчеты с использованием векторных диаграмм напряжений показывают, что величина выходного напряжения составляет:
Uн = (√3/2) *Uл≈0,866Uл
где Uн - напряжение нагрузки,
Uл - линейное напряжение питающей сети (то есть напряжение между любыми двумя фазами).
Несмотря на простоту устройства, уровень техники не содержит тождественных решений.
Вместе с тем совокупность признаков устройства для равномерного распределения однофазной нагрузки, а именно использование лишь одной трансформаторной обмотки, а также схема соединения выходов устройства с фазными линиями трёхфазной сети через обмотку, реализующую автотрансформаторное включение трансформатора, представляет собой не очевидное решение, обеспечивающее максимально возможную, с использованием трансформатора, простоту конструкции устройства, максимальную простоту его изготовления и минимальные массогабаритные показатели при высоком КПД.
Устройство для равномерного распределения однофазной нагрузки требует для работы наличия лишь трёх фазных проводов питающей трёхфазной сети и не требует наличия нейтрального провода, что обеспечивает возможность подключения к любой трёхфазной сети и расширяет область использования устройства.
Возможность функционирования устройства для равномерного распределения однофазной нагрузки без необходимости использования нейтрального провода обеспечивает также снижение потерь в проводах и повышает общий коэффициент мощности системы.
Для изменения напряжения, питающего нагрузку, к выходу устройства может быть подключен регулируемый автотрансформатор, при этом пропорциональность потребления мощностей от фаз питающей сети остаётся неизменной.
Пример.
Вариант устройства для равномерного распределения однофазной нагрузки (Фиг. 2) с возможностью понижения выходного напряжения включает второй трансформатор, выполненный в виде понижающего автотрансформатора, обеспечивающего понижение выходного напряжения. При соотношении чисел витков первой и второй полуобмоток понижающего автотрансформатора как 2:1 напряжение на нагрузке определяется выражением:
Uн=Uл/√3≈0,577Uл,
То есть при линейном напряжении 380 В выходное напряжение равно 220 В.
Трансформатор устройства может быть выполнен на основе обычного однофазного трансформатора, с использованием стандартного магнитопровода, при этом для намотки провода может быть задействован лишь один сердечник.
В устройстве для равномерного распределения однофазной нагрузки не требуется применение дополнительных компонентов и узлов, таких как конденсаторы, балластные реактивные элементы, переключатели и пр., что делает устройство простым и надёжным.
Устройство для равномерного распределения однофазной нагрузки может быть изготовлено с использованием трансформаторного железа стандартной формы и обмоточной проволоки.
Таким образом, устройство для равномерного распределения однофазной нагрузки по фазам трёхфазной сети конструктивно проще и более технологично в изготовлении, обладает более низкими материалоёмкостью, массой и габаритами, а также обеспечивает больший КПД.