Устройство для уменьшения пускового тока однофазного трансформатора при повторном включении в режиме холостого хода
METHOD FOR REDUCING INRUSH CURRENT OF SINGLE-PHASE TRANSFORMER WHEN RE-ENABLING IN IDLE MODE

Изобретение относится к электротехнике, в частности к трансформаторам, и может быть использовано при их повторном включении в режиме холостого хода.
Известно, что при включении трансформатора на переменное напряжение магнитопровод может перейти в состояние насыщения, при котором малое приращение магнитного потока через него обуславливает резкое возрастание тока через обмотку трансформатора (см. Кацман М.М. «Электрические машины», 2001 г., 77 стр.). При этом определяющее значение для величины тока играет результирующий магнитный поток через магнитопровод в момент включения, Вб:
рез
уст
пер
ост
Ф=Ф+Ф±Ф,
уст
где Ф - магнитный поток установившийся, Вб;
пер
Ф - магнитный поток переходного процесса, Вб;
ост
Ф - магнитный поток остаточного магнетизма, Вб.
Известно техническое решение для уменьшения пускового тока силового трансформатора (см. журнал «Силовая электроника», №4/2005, 37 стр.), при котором замыкание контактов выключателя при подключении трансформатора к сети осуществляют в момент достижения максимального мгновенного значения напряжения, то есть фазе 90°.
Известно техническое решение для включения в заданную фазу напряжения (см. а.с. на изобретение SU 339982, 1972 г.), содержащее выключатель с источником питания, коммутирующий элемент и цепь управления на тиристорах. Входной зажим цепи управления выключателя подключен к отрицательному полюсу источника питания через пусковой ключ и два тиристора, катод первого из которых соединен с анодом второго, управляющий переход и катод первого тиристора подключены через сопротивления к положительному полюсу источника питания, а управляющий переход и анод второго тиристора соединены диодом, причем управляющие переходы тиристоров соединены между собой коммутирующим элементом, управляемым формирователем, синхронизированным с напряжением сети.
Также известно устройство для снятия остаточной намагниченности магнитопровода трансформатора (см. журнал «Электро», №1/2015, с.36-40), содержащее источник постоянного напряжения и соединенный с первой клеммой источника постоянного напряжения выключатель, который подает напряжение на три параллельные ветви, где первая ветвь - последовательно соединенные первичная обмотка трансформатора и шунтирующий резистор, вторая ветвь - последовательно соединенные два резистора измерительного делителя напряжения, третья ветвь - разрядный конденсатор, устройство регистрации и обработки данных NICompactRIO (процессорный блок NI-cRIO-9012, FPGА блок NI-cRIO-9011, 16-разрядный АЦП NI-9223, цифровой ключ NI-9476), включено входными выводами параллельно шунтирующему резистору, а выходными - параллельно одному резистору измерительного делителя напряжения. Вторая клемма источника постоянного напряжения соединена с общим узлом трех параллельных ветвей так, чтобы избежать короткого замыкания выводов источника постоянного напряжения.
Недостаток прототипа: возникновение сверхтоков при пуске однофазного трансформатора в случае включения на переменное напряжение сети.
Техническим результатом является повышение эффективности за счет снижения пускового тока при включении однофазного трансформатора на переменное напряжение сети.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для уменьшения пускового тока однофазного трансформатора при повторном включении в режиме холостого хода, содержащем устройство для снятия остаточной намагниченности магнитопровода трансформатора, состоящее из источника постоянного напряжения и выключателя, соединенного с первой клеммой источника постоянного напряжения, подающего напряжение на три параллельные ветви, где первая ветвь - последовательно соединенные первичная обмотка трансформатора и шунтирующий резистор, вторая ветвь - последовательно соединенные два резистора измерительного делителя напряжения, третья ветвь - разрядный конденсатор, причем входными выводами параллельно шунтирующему резистору подключено устройство регистрации и обработки данных, а выходными выводами - параллельно одному из резисторов измерительного делителя напряжения, при этом вторая клемма источника постоянного напряжения соединена с общим узлом трех параллельных ветвей с возможностью исключения короткого замыкания выводов источника постоянного напряжения, согласно изобретению имеет дополнительные выключатели, защитное устройство и устройство для включения в заданную фазу напряжения, содержащее выключатель с источником питания, цепь управления, которая содержит тиристоры, диод, резисторы, коммутирующий элемент, пусковой ключ, настроенную на включение выключателя в фазу 90° сетевого напряжения, где входной зажим цепи управления выключателя подключен к отрицательному полюсу источника питания через пусковой ключ и два тиристора, катод первого тиристора соединен с анодом второго, управляющий переход и катод первого тиристора подключены через резисторы к положительному полюсу источника питания, а управляющий переход и анод второго тиристора соединены диодом, причем управляющие переходы тиристоров соединены между собой коммутирующим элементом, синхронизированным с напряжением сети, при этом один из дополнительных выключателей соединен с выводом шунтирующего резистора и с выводом первичной обмотки трансформатора, а второй дополнительный выключатель соединен с одним из резисторов измерительного делителя напряжения и со вторым выводом первичной обмотки трансформатора, в качестве нагрузки устройства включения в заданную фазу напряжения использована первичная обмотка трансформатора, пусковой ключ соединен с электрическим узлом трех параллельных ветвей с возможностью исключения короткого замыкания выводов источника постоянного напряжения, и параллельно выключателю со стороны входных выводов подключено защитное устройство, в качестве которого, например, использован автоматический выключатель с электромагнитным и/или тепловым расцепителем.
Наиболее эффективным и наиболее оправданным среди методов уменьшения пускового тока трансформатора при включении является уменьшение результирующего магнитного потока к началу переходного процесса в цепи «первичная обмотка трансформатора - генератор».
ост
ост
рез
Применение устройства для снятия остаточной намагниченности магнитопровода Ф трансформатора предварительно перед включением трансформатора в случайную фазу позволяет получить значение Ф=0 Вб, тогда результирующий магнитный поток Ф через магнитопровод в момент включения:
рез
уст
пер
Ф=Ф+Ф.
уст
ост
Включение трансформатора по способу уменьшения пускового тока силового трансформатора в момент времени, когда переменное напряжение сети в фазе 90°, после предварительного осуществления способа способа снятия остаточной намагниченности магнитопровода трансформатора позволяет получить значения Ф=Ф=0 Вб, тогда результирующий магнитный поток через магнитопровод в момент включения:
рез
пер
Ф=Ф.
Обоснование критериев охраноспособности изобретения
Исследованиями авторов было доказано, что полное размагничивание магнитопровода трансформатора в совокупности с последующим включением в заданную фазу обеспечивает снижение пусковых токов, не допускает насыщения сердечника. Устройство позволяет отказаться от использования в схеме включения ограничивающих и шунтирующих резисторов, тем самым избавиться от потерь энергии в них. Поиск технических решений в смежных и других областях техники выявил уникальность отличительных признаков заявленного технического решения, что соответствует критерию «изобретательский уровень».
Новизна обусловлена тем, что предлагаемая совокупность существенных признаков не известна из сведений об уровне техники, а именно: наличие дополнительных выключателей, защитного устройства и устройства включения в заданную фазу напряжения, содержащего выключатель с источником питания, цепь управления, которая содержит тиристоры, диод, резисторы, коммутирующий элемент, пусковой ключ, настроенную на включение выключателя в фазу 90° сетевого напряжения, где входной зажим цепи управления выключателя подключен к отрицательному полюсу источника питания через пусковой ключ и два тиристора, катод первого из которых соединен с анодом второго, управляющий переход и катод первого тиристора подключены через сопротивления к положительному полюсу источника питания, а управляющий переход и анод второго тиристора соединены диодом, причем управляющие переходы тиристоров соединены между собой коммутирующим элементом, синхронизированным с напряжением сети, в устройстве для снятия остаточной намагниченности магнитопровода трансформатора, содержащем источник постоянного напряжения, и выключатель, соединенный с первой клеммой источника постоянного напряжения, который подает напряжение на три параллельные ветви, где первая ветвь - последовательно соединенные первичная обмотка трансформатора и шунтирующий резистор, вторая ветвь - последовательно соединенные два резистора измерительного делителя напряжения, третья ветвь - разрядный конденсатор, причем входными выводами параллельно шунтирующему резистору подключено устройство регистрации и обработки данных, а выходными выводами - параллельно одному из резисторов измерительного делителя напряжения, при этом вторая клемма источника постоянного напряжения соединяется с общим узлом трех параллельных ветвей так, чтобы избежать короткого замыкания выводов источника постоянного напряжения.
Промышленная применимость подтверждается возможностью применения в силовых трансформаторах, питающих мощные электроприемники объектов промышленности и сельского хозяйства.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена принципиальная электрическая схема устройства для уменьшения пускового тока однофазного трансформатора при повторном включении в режиме холостого хода.
Принципиальная электрическая схема устройства для уменьшения пускового тока однофазного трансформатора при повторном включении в режиме холостого хода содержит устройство для снятия остаточной намагниченности магнитопровода трансформатора, состоящее из источника постоянного напряжения 1 и выключателя 2, соединенного с первой клеммой источника постоянного напряжения 1, подающего напряжение на три параллельные ветви, где первая ветвь - последовательно соединенные первичная обмотка трансформатора 3 и шунтирующий резистор 4, вторая ветвь - последовательно соединенные резисторы 5, 6 измерительного делителя напряжения, третья ветвь - разрядный конденсатор 7, причем входными выводами параллельно шунтирующему резистору 4 подключено устройство 8 регистрации и обработки данных, а выходными выводами - параллельно резистору 5 измерительного делителя напряжения, при этом вторая клемма источника постоянного напряжения 1 соединена с общим узлом трех параллельных ветвей с возможностью исключения короткого замыкания выводов источника постоянного напряжения 1. Устройство имеет: дополнительные выключатели 9 и 10, первый дополнительный выключатель 9 соединен с выводом шунтирующего резистора 4 и с выводом первичной обмотки трансформатора 3, а второй дополнительный выключатель 10 соединен с резистором 6 измерительного делителя напряжения и со вторым выводом первичной обмотки трансформатора 3; защитное устройство 11, в качестве которого, например, использован автоматический выключатель с электромагнитным и/или тепловым расцепителем, подключено параллельно выключателю 12 со стороны входных выводов; устройство для включения в заданную фазу напряжения, подключенное к источнику постоянного напряжения 1 и содержащее выключатель 12 с источником питания 1, цепь управления, состоящую из тиристоров 13, 14, которые соединены с отрицательным полюсом источника питания 1 через пусковой ключ 15, причем катод тиристора 13 соединен с анодом тиристора 14, а управляющий переход и катод тиристора 13 подключены через резисторы 16 и 17 к положительному полюсу источника 1. Управляющий переход и анод тиристора 14 соединены диодом 18, причем управляющие переходы тиристоров 13. 14 соединены между собой коммутирующим элементом 19, синхронизированным с напряжением сети. В качестве нагрузки устройства включения в заданную фазу напряжения использована первичная обмотка трансформатора 3. Вторичная обмотка трансформатора не показана, так как ее выводы находятся в разомкнутом состоянии и ток через нее не протекает.
Устройство для уменьшения пускового тока однофазного трансформатора при повторном включении в режиме холостого хода работает следующим образом.
В исходном состоянии выключатели 2, 9, 10, устройство 8 регистрации и обработки данных, пусковой ключ 15, защитное устройство 11, выключатель 12 находятся в состоянии «отключено», а цепь управления выключателем 12 настроена так, что включение первичной обмотки трансформатора 3 в сеть происходит в момент времени, когда мгновенное значение сетевого напряжения достигает максимума в фазе 90°. При необходимости повторного включения первичной обмотки трансформатора 3 на переменное напряжение переводятся выключатели 9 и 10 в состояние «включено», переводится устройство 8 регистрации и обработки данных в состояние «включено», в завершение переводится выключатель 2 в состояние «включено», тогда ток от источника напряжения 1 протекает по трем параллельным ветвям устройства для снятия остаточной намагниченности магнитопровода трансформатора, а именно через элементы 2, 3, 9, 4, 10, 6, 5, 7, 8, причем первичная обмотка трансформатора 3 и разрядный конденсатор 7 в этом процессе накапливают энергию. Устройство 8 регистрации и обработки данных в определенный момент после включения выключателя 2 подает сигнал на отключение выключателя 2, и затухающий колебательный разряд тока трансформатора через разрядный конденсатор производит перемагничивание магнитной системы с постепенным снижением амплитуды магнитной индукции до нуля, в результате которого магнитопровод полностью размагничивается и остаточный магнитный поток в нем отсутствует. Далее переводятся выключатели 9, 10, устройство 8 регистрации и обработки данных в состояние «отключено». Следующим шагом элемент 11 переводится в состояние «включено» и сетевое переменное напряжение подводится к входным выводам выключателя 12, далее пусковой ключ 15 переводится в состояние «включено», причем ключ 15 может замыкаться в то время, когда контакт 19 замкнут или разомкнут, так как контакт 19 замыкается и размыкается синхронно с напряжением сети.
Если замыкание элемента 15 произведено в то время, когда контакт 19 разомкнут, то подготовка устройства к срабатыванию происходит немедленно после замыкания ключа 15: через сопротивление 17, замкнутый контакт 19 и управляющий переход тиристора 14 протекает ток, тиристор включается и удерживается во включенном состоянии, благодаря наличию сопротивления 16. При включении тиристора 14 открывается диод 18, шунтируя в течение того времени, пока замкнут контакт 19, управляющий переход тиристора, при включении которого подается напряжение на цепь управления выключателя 12.
Если замыкание элемента 15 произведено в то время, когда контакт 19 разомкнут, сразу после замыкания ключа 15 состояние устройства не изменяется, затем после замыкания контакта 19 происходит подготовка, а при его размыкании - срабатывание устройства в той же последовательности, как это было описано выше.
Срабатывание устройства включения в заданную фазу напряжения, а именно в фазу 90°, означает подачу переменного напряжения на первичную обмотку трансформатора 3, причем установившийся магнитный поток магнитопровода и магнитный поток остаточного магнетизма в момент подачи напряжения равны 0 Вб, а пусковой ток трансформатора оказывается меньше, чем при включении без предлагаемого устройства согласно изобретению.
В случае недопустимых отклонений показателей сетевого электропитания элемент 11 перейдет в состояние «отключено», одновременно подав сигнал на отключение пускового ключа 15, при этом первичная обмотка 3 отключается от питания, предотвращая тем самым ошибочную подачу сетевого напряжения на первичную обмотку 3 без предварительного размагничивания магнитопровода.
Заявленное устройство для уменьшения пускового тока однофазного трансформатора при повторном включении в режиме холостого хода обладает следующими преимуществами:
- повышается надежность снижения пусковых токов трансформатора при повторном включении;
- повышается эффективность снижения пусковых токов трансформатора после размагничивания за счет включения в фазу 90° напряжения сети, так как установившийся магнитный поток в магнитопроводе первичной обмотки в момент включения равен 0 Вб и не вносит вклад в величину результирующего магнитного потока.