Определение электромагнитной мощности фазопреобразующих трансформаторов преобразовательных установок

Рогинская Л.Э. Roginskaya L.E.

доктор технических наук, профессор кафедры «Электромеханика» Уфимского государственного авиационного технического университета, Россия, г. Уфа

Ялалова З.И. Yalalova Z.I.

аспирант Уфимского государственного авиационного технического университета, Россия, г. Уфа

УДК 621.314.25

определение электромагнитной мощности фазопреобразующих трансформаторов преобразовательных установок

В статье рассматривается методика определения установленной мощности фазопреобразующих трансформаторов. Данные трансформаторы позволяют улучшить электромагнитную совместимость полупроводниковых преобразователей с сетью и нагрузкой. Преимущество данного метода рассмотрено на примере трансформаторного преобразователя числа фаз 3^-9. Определены мощности первичной и вторичных обмоток, а также установленная мощность фазопреобразующего трансформатора. Показано, что установленная мощность данного фазопреобразующего трансформатора мало отличается от установленной мощности трехфазного выпрямительного трансформатора.

Ключевые слова: фазопреобразующий трансформатор, трехфазный выпрямительный трансформатор, установленная мощность первичной и вторичных обмоток.

the definition of electromagnetic power of the phase-reformative transformers of the transforming plants

In this article the principles of the determination of the regulation on power of the phase-reformative transformers are considered. These transformers can improve electromagnetic compatibility of the semiconductor converters with the grid and loading. The advantages of this method is considered the example of transformer converter of the number of phases 3^9.The power of the primary and secondary windings is determined and also the power of the phase-reformative transformer is installed.

The installed power of this phase-reformative transformer is little different from the installed power of the three-phase rectifier transformer.

Key words: phase-reformative transformer, three-phase rectifier transformer, the power of the primary and secondary windings.

Проблема электромагнитной совместимости различных потребителей электрической энергии и питающей сети в настоящее время является одной из наиболее важных. Одним из средств достижения электромагнитной совместимости между по-

требителями многофазного переменного тока и источниками питания являются фазопреобразую-щие устройства на трансформаторах.

Фазопреобразующие трансформаторы или трансформаторные преобразователи числа фаз

(далее ТПЧФ), наряду с согласованием напряжений и частот между сетью и нагрузкой, осуществляют приближение формы кривой потребляемого тока к синусоидальной, уменьшают пульсации выходного выпрямленного напряжения, позволяют более эффективно производить преобразование параметров электроэнергии.

В рассматриваемых устройствах может осуществляться преобразование двух видов: преобразование «-фазной системы токов (магнитных потоков) в га-фазную систему напряжений; преобразование «-фазной системы напряжений в га-фазную систему магнитных потоков и ЭДС; преобразование «-фазной системы в га;-фазную, а затем в га-фазную систему [1].

Таким образом, преобразования ТПЧФ можно разделить на:

1) «-элементные ТПЧФ«. Первичные обмотки таких преобразователей соединены в звезду или многоугольник, они создают «-фазную систему потоков, а преобразование фаз осуществляется на вторичной стороне;

2) га-элементные ТПЧФга, число стержней магнитопровода в которых равно числу выходных фаз. В них преобразование числа фаз осуществля-

ется на первичной стороне, первичные обмотки создают га-фазную систему магнитных потоков, вторичные же обмотки в преобразовании не участвуют.

Особенности режимов работы и характеристики фазопреобразующего трансформатора сказываются в первую очередь на параметрах, а также на выборе основных размеров и конструкций обмоток. Рассмотрим подробнее особенности расчета элементов конструкции фазопреобразующего устройства на примере трансформаторного преобразователя числа фаз 3^9 (га = 9, п = 3).

Для формирования девятифазной системы необходимо иметь выходные фазы с числом обмоток у/, 0.396 у/, 0.743 w.

От источника симметричной девятифазной электрической системы может быть получено восемнадцать пульсаций за период при использовании мостовых выпрямителей.

Принципиальная схема восемнадцатипульс-ного преобразователя представлена на рис. 1, содержит три последовательно включенных вентильных моста, каждый из которых подключен к обмоткам 1-2-3, Г-2'-3' и 1"-2"-3".

Рис. 1. Принципиальная схема преобразователя 3^9

При включении первичной обмотки в сеть переменного тока в фазах вторичных обмоток индуктируется э.д.с, сдвинутые по фазе на 2п/9. При идеальной коммутации длительность работы каждого вентиля и подключенной к нему обмотки составляет 2п/3. Каждый вентиль выпрямителя отпирается при угле а = л/6, т. е. одноименные вентили сдвинуты по фазе на угол 2п/9.

Напряжение на выходе и в любой момент равно мгновенному значению э.д.с. фазы вторичной обмотки, в которой вентиль открыт, и, следовательно, выпрямленное напряжение имеет вид кривой, огибающей напряжения всех фаз (рис. 2).

100

Рис. 2. Кривая выпрямленного напряжения

Для га-пульсного выпрямителя на входе присутствуют гармоники с порядковыми номерами [2] К = т  I ± 1,

где I - ряд целых чисел (1, 2, 3...). Для 9-фаз-ного выпрямителя на входе будут присутствовать высшие гармоники с порядковыми номерами не ниже 17 и 19.

На рис. 3 а-в изображены осциллограммы то-

ков фазы А, формирующиеся обмотками 1-2-3, 1-2-3', 1"-2"-3" [3]. Коммутация считается идеальной, а выпрямленный ток сглаженным. Осциллограмма потребляемого тока фазы А приведена на рис. 3 г. Как видим, его форма близка к синусоидальной и, как следует из формулы (1), порядок высших гармоник не ниже 17 (19).

Рис. 3. Осциллограммы токов первичной и вторичной цепи фазы А

Расчет и проектирование проводят при следующих основных допущениях: ток вентильной обмотки идеально сглажен и имеет прямоугольную форму, ток сетевой обмотки имеет прямоугольно-ступенчатую форму; угол управления равен нулю, не учитывают потери холостого хода, а также вли-

яние намагничивающего тока трансформатора.

Первичная и вторичная обмотка преобразователя соединены в звезду, магнитная система уравновешена.

Действующее значение линейного тока вентильной обмотки определяется

L

k • Id,

™ d

Из осциллограмм, приведенных на рис. 3 а—в,

где k - коэффициент схемы, который определяет- находим действующие значения токов вторичных ся в зависимости от формы тока, проходящего че- обмоток: рез обмотку.

1-2-3

h\n =.

12л/Ъ ¡2 * о

1-2-3'

1,92

1"-2"-3"

^23л =

-]кс2хф( =

0,157 -Ij

3

+ 1,21 -Ij

2 п п

Для мостовой схемы соединения действующее значение фазного напряжения определяется

и,-я ил

тт d " _ ^d ^2ф= Зл/6 "2,34.

Так как преобразование трехфазной системы в девятифазную систему напряжений осуществляется при помощи трех последовательно включенных мостов, то действующее значение фазного напряжения находится:

U,

и>

2ф9

2ф

При получении многофазных векторов напряжений на плоскости арифметическая сумма МДС обмоток больше их геометрической суммы. Принцип нахождения векторов напряжения показан на рис. 4 [4].

Коэффициент трансформации определяется по где и - действующее значение фазного напряже-и. , ния первичной обмотки.

Рис. 4. Принцип нахождения векторов напряжений 9-фазной системы

и.

2ф9

Действующее значение линейного тока первичной обмотки

Тл -к' .ta_-±d_ Чп ~Ксх g ~ g

vcx

Г/4

i *2>e) •

ляется в соответствии с формой первичного тока.

Для девятифазной системы в соответствии с рисунком 3 г действующее значение линейного

где k - коэффициент схемы,"который опреде- тока пеРвичной обмотки нах°дится как:

h -к' 'Хд — "TV __

сх

К

(Т/36 Т/12 57736 77736 Т/4 Л

J 02dt + J 1,12dt + J 2,12dt + J 2,82dt + J 3,22dt

К о Г/36 Г/12 5Г/36 7Г/36

К

Мощности обмоток рассчитываются по известным значениям выпрямленного напряжения и тока.

Мощность первичной или сетевой обмотки трансформатора

*=Мл-71л .

Мощность вторичной или вентильной обмотки трансформатора

52=7з-с/2л-/2л= Тз-Тз-С/^-/^.^

где Гх — коэффициент, учитывающий алгебраическую сумму векторов напряжения (рис. 4).

= — •-у/5,267 =2,29- —

К

Мощность вторичных обмоток трансформатора девятифазной системы находится:

для обмотки с числом витков = kм = 1

21 ' сх

521= ^-л/3-С/2ф9./21л.Г= 3-С/2ф9./21л,

для обмоток с числами витков ^22 = 0,396^, ^22 = 0,743^, kм = 1,14

сх

522 = 523 = З.С/2ф9.722

Типовая мощность трансформатора определяется как полусумма мощностей всех его обмоток

[5]:

ST9=0,5-(S1+S21+S22+S23) =

21л Un

2ф9 22л

2ф9 23л

1,14) =

3 d

1'^-1,14) = 0,5-(л/з-С/1л-2,29

'л

-+-

С/

+-

2,34

1,92

3 d

ud . №

2,34

£/1ф-3-2,34 2,34 ^/d-l,14) = 0,5-(0,56

4

Ij-UJ-S

-+

U

1л

+3,5.Ud.Id+0,39.Ud.Id+0,39.Ud.Id) = 0M0,9S.Id.Ud+0,35.Ud.Id + +0,39.Ud.Id+0,39.Ud.Id) = l,055.Ud.Id

Номинальная мощность преобразователя равна произведению номинального выпрямленного тока на номинальное напряжение:

Р = ил Ъ

Выводы

1. Применение фазопреобразующих трансформаторов позволяет повысить электромагнитную совместимость преобразовательных установок с сетью и нагрузкой.

2. При определении электромагнитной мощности фазопреобразующего трансформатора следует учитывать, что в преобразовательных уста-

новках складывается напряжение выпрямительных мостов и МДС подключенных к ним обмоток.

3. Установленная мощность фазопреобразующего девятифазного преобразователя составляет 1,055% установленной мощности трехфазного выпрямительного трансформатора.

Список литературы 1. Костюкова Т.П. Определение параметров фазопреобразующих трансформаторов [Текст] / Т.П. Костюкова, Л.Э. Рогинская, Н.Г. Уразбахти-на, С.В. Шапиро // Электротехнические комплек-

сы и системы: межвузовский научный сборник; Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. - Уфа: УГАТУ, 2011. - 267 с.

2. Рогинская Л.Э. Фильтрация высших гармоник с помощью трансформаторного преобразования числа фаз [Текст] / Л.Э. Рогинская, З.И. Яла-лова // Технические науки - основа современной инновационной системы: материалы I Международной науч.-практ. конф., 25 апр. 2012 г.: в 2 ч. / Приволжский научно-исследовательский центр.-Йошкар-Ола: Коллоквиум, 2012. - 144 с. - ISSN -978-5-905371-26-4. - С. 70-73.

3. Пат. 126232 Российская Федерация, МПК7Н02М7/10. Многофазный преобразователь на базе фазопреобразующего трансформатора [Текст] / Л.Э. Рогинская, З.И. Ялалова; патен-

тообладатель ФГБОУ ВПО «Уфимс. гос. авиац. техн. ун-т» (КУ). - 2012141819/07; заявл. 01.10.2012; опубл. 20.03.2013.

4. Рогинская Л.Э., Ялалова З.И. Синтез фазо-преобразующих трансформаторов для преобразования числа фаз [Текст] / Л.Э. Рогинская, З.И. Ялалова // Актуальные проблемы в науке и технике. Том 2. Машиностроение, электроника, приборостроение: сборник трудов 7-й Всероссийской зимней школы - семинара аспирантов и молодых ученых, 14-16 февраля 2012 г. / Уфимск. гос. авиац. тех. ун-т. - Уфа: УГАТУ, 2012. - С. 38-41.

5. Фишлер Я.Л. Трансформаторное оборудование для преобразовательных установок [Текст]/ Я.Л. Фишлер, Р.Н. Урманов, Л.М. Пестряева. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 320 с.

Ураксеев М.А. Urakseev М.А.

доктор технических наук, профессор кафедры «Информационно-измерительная техника» Уфимского государственного авиационного технического университета, Россия, г. Уфа

Левина Т.М. Levina Т.М.

кандидат технических наук, доцент филиала Уфимского государственного нефтяного технического университета в г. Салавате, Россия, г. Салават

УДК 321.3.08

оптоволоконные трансформаторы как элементы современных электротехнических комплексов И СИСТЕМ

В статье рассматривается современное состояние электротехнических комплексов и систем. Показано, что измерительные трансформаторы тока и напряжения, применяемые традиционно в цепях релейной защиты и автоматики, имеют ряд недостатков. В связи с этим показано, что оптоэлектронные трансформаторы устраняют недостатки традиционных трансформаторов тока и напряжения, а также являются ис-кро-, взрывобезопасными. В статье рассматриваются оптоэлектронные трансформаторы тока, использующие магнитооптический эффект Фарадея. Рассмотрены принципы, на которых могут быть построены оптоэлектронные трансформаторы тока.

Ключевые слова: волоконная оптика, эффект Фарадея, магнитооптика, трансформаторы тока, опто-электронные трансформаторы тока.

FIBER opTIC CompoNENTS TRANSFoRMERS AS MoDERN ELECTRICAL

AND CoMPLEX SYSTEMS

The article discusses the current state of the electric units and systems. It indicates that the currentand voltage