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

Изобретение относится к схемам распределительных сетей переменного тока, и может быть использовано в устройствах преобразования энергии трехфазной сети в энергию для питания однофазной нагрузки.
Известен симметрирующий трехфазно-однофазный трансформатор переменного напряжения, содержащий обмотки фаз A1, В1 и С1, соединенные в «зигзаг», причем выходами нагрузки являются места соединения концов полуобмоток фаз В1 и С1 (см. RU №2321133 С1, Фиг. 2).
Однако известный трансформатор не обеспечивает равномерного распределения токов, потребляемых от трех фаз, так как распределяет токи в пропорции: 25% - 50% - 25%, что приводит к не оптимальному или неполному использованию возможностей питающей сети, параметры которой, как правило, рассчитываются на протекание равных по силе фазных токов.
Большое количество обмоток делает известное решение сложным и громоздким.
Кроме того, для безопасного и надежного функционирования часто требуется подключение соответствующего вывода нагрузки к нейтральному проводу питающей сети. Известный трансформатор, все обмотки которого гальванически связаны, исключает возможность такого подключения своих выходов нагрузки к нейтральному проводу питающей сети, что, в свою очередь исключает возможность использования нагрузок с требованием обязательного подключения нагрузки к нейтрали и тем самым сужает область применения указанного решения.
Наиболее близким по технической сущности - прототипом - является устройство для симметричного распределения однофазной нагрузки по фазам трехфазной сети, представляющее собой трехфазный разделительный одно- или многообмоточный (во вторичной цепи) трансформатор потребителя, в котором каждая из вторичных обмоток имеет независимые от основной обмотки дополнительные витки, предназначенные для компенсации падения напряжения на линии, а каждый из потребителей многообмоточного разделительного трансформатора запитан от своей или от общей (для однообмоточного трехфазного трансформатора) вторичной обмотки, в которой линия каждого потребителя запитана от трех фазных катушек трансформатора, соединенных последовательно, любые две из которых включены согласованно, а третья - встречно. (См. RU 2506676 С2).
Известное устройство способствует уравниванию между собой токов во всех трех фазах при питании однофазных нагрузок.
Недостатком известного решения является сложность и избыточная материалоемкость, обусловленная использованием трех обмоток трансформатора в первичной цепи и соответствующего количества - во вторичной цепи.
Избыточное количество обмоток снижает технологичность изготовления известного устройства так как требует привлечения соответствующих производственных ресурсов, удлиняя процесс изготовления.
Кроме того, известное решение требует наличия избыточной габаритной мощности используемого трансформатора (его мощность равна полуторакратной мощности нагрузки). Однако увеличение габаритной мощности трансформатора приводит к росту потерь в трансформаторе и снижает КПД устройства в целом.
Техническим результатом является упрощение устройства, повышение технологичности изготовления, снижение материалоемкости 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, указанный трансформатор является однофазным и имеет одну первичную и одну вторичную обмотки, устройство содержит второй однофазный трансформатор с первичной и вторичной обмотками, выводы первичной обмотки первого трансформатора являются входами для двух из трех фаз трехфазной сети, выводы первичной обмотки второго трансформатора являются входами для третьей из трех фаз трехфазной сети и нейтрального провода, а выводы последовательного соединения вторичных обмоток двух трансформаторов являются выходами устройства.
Кроме того: - трансформаторы выполнены понижающими, с одинаковым коэффициентом трансформации, равным двум.
Устройство для равномерного распределения однофазной нагрузки по фазам трехфазной сети поясняется с помощью чертежа, где показана схема соединения обмоток трансформаторов.
На чертеже сделаны следующие обозначения.
1, 2, 3, 4 - выводы первичных обмоток для подключения фаз трехфазной питающей сети и нейтрального провода соответственно; 5 и 6 - выводы последовательного соединения вторичных обмоток для подключения нагрузки; 7 и 8 - первый и второй трансформаторы, соответственно; 9 - первичные обмотки трансформаторов; 10 - вторичные обмотки трансформаторов.
Устройство для равномерного распределения однофазной нагрузки по фазам трехфазной сети содержит два трансформатора с первичной и вторичной обмотками каждый. Выводы первичной обмотки первого трансформатора являются входами и предназначены для подключения любых двух из трех фаз трехфазной сети. Выводы первичной обмотки второго трансформатора являются входами и предназначены для подключения оставшейся неподключенной к первому трансформатору третьей из трех фаз трехфазной сети и нейтрального провода. Вторичные обмотки двух трансформаторов соединены последовательно, причем порядок соединения выводов самих вторичных обмоток не имеет значения, так как вторичные обмотки могут быть соединены и последовательно согласно, и последовательно встречно. Выводы указанного последовательного соединения вторичных обмоток являются выходами устройства, предназначенными для подключения однофазной нагрузки D2, D2.
Выводы первичных обмоток трансформаторов могут быть подключены к фазным проводам трехфазной питающей сети в любом сочетании, исключающем дублированное подключение или короткое замыкание фазных проводов, т.е. каждый из четырех входов устройства должен быть подключен к одному из фазных проводов или нейтральному проводу, который при этом должен быть подключен к одному из выводов второго трансформатора.
Трансформаторы 7 и 8 являются однофазными, понижающими и могут быть выполнены на магнитопроводах тороидальной или стержневой конструкции. Каждый из трансформаторов имеет первичную 9 обмотку и вторичную 10 обмотку, намотанные так, что коэффициент трансформации каждого из трансформаторов равен двум.
Процесс намотки каждой из обмоток обуславливает наличие начала и конца соответствующей обмотки. Один из примеров выполнения устройства показан на чертеже, где начала первичных обмоток 9 подключены к фазам А и С питающей сети, а концы первичных обмоток, соответственно, к фазе В и нейтральному проводу N питающей сети. Вторичные 10 обмотки в указанном примере выполнения соединены последовательно согласно, а концы их последовательного соединения, а именно выводы 5 и 6, являются выходами устройства и предназначены для подключения к нагрузке Dl, D2. При этом любой из выходов однофазной нагрузки может быть соединен с нейтральным проводом питающей сети (на чертеже не показано).
Параметры первого и второго трансформаторов выбирают из условия нормальной работы при величине линейного и фазного напряжения трехфазной сети соответственно. Указанные напряжения могут иметь стандартные величины 220/127 В, соответственно, или 380/220 В, соответственно, или 10/5,8 кВ, соответственно, или иные значения, отличающиеся между собой в √3 раз.
Устройство для равномерного распределения однофазной нагрузки работает следующим образом.
Однофазные трансформаторы с учетом их схемы соединения обеспечивают преобразование энергии трехфазной сети в энергию для питания однофазной нагрузки, равномерно отбирая мощность от всех трех фаз питающей сети. При этом величины токов в фазах и ток нейтрального провода равны между собой. Это обеспечивает наиболее благоприятный режим работы питающей сети, поскольку подводящие провода нагружаются равномерно.
При подаче на входы 1, 2, 3 и 4 устройства трехфазного напряжения питающей сети, в которой фазные провода и нейтраль могут быть обозначены как А, В, С, N, соответственно, на выходах 5 и 6 устройства формируется выходное однофазное напряжение. При подключении нагрузки Dl, D2 к выходам через нагрузку протекает ток.
При условии работы устройства от стандартной электрической трехфазной сети с номинальным напряжением 380 В напряжение на первичной и вторичной обмотках первого трансформатора составляет 380 В и 190 В, соответственно, напряжение на первичной и вторичной обмотках второго трансформатора - 220 В и 110 В, соответственно.
Результат суммирования переменных напряжений вторичных обмоток с учетом их фазовых значений дает величину переменного напряжения 220 В.
Меньшее количество обмоток по сравнению с прототипом упрощает устройство и делает его более технологичным в изготовлении, а также обеспечивает снижение суммарной габаритной мощности трансформаторов на 10%, при этом снижаются также масса и стоимость материалов трансформаторов.
В случаях, для которых массогабаритные параметры устройства не важны, трансформаторы могут быть выбраны одинаковыми, с расчетным рабочим напряжением не менее величины линейного напряжения и коэффициентом трансформации равным 2. Если трехфазная сеть стандартного напряжения 380 В, то оба трансформатора в этом случае должны быть рассчитаны на рабочее напряжение не менее 380 В. Вариант с двумя одинаковыми трансформаторами обеспечивает унификацию узлов и возможность их взаимозаменяемости.
Расчеты с использованием векторных диаграмм напряжений показывают, что для обеспечения равных токов фазных проводов и нейтрального провода коэффициенты трансформации обоих трансформаторов должны быть равны двум, в этом случае напряжения вторичных обмоток будут различаться в √3 раз.
Поскольку суммарная габаритная мощность трансформаторов определяется произведением арифметической суммы напряжений вторичных обмоток на ток нагрузки, меньшей габаритной мощностью и, следовательно, большей эффективностью обладает устройство, в котором арифметическая сумма напряжений вторичных обмоток меньше. В устройстве для равномерного распределения однофазной нагрузки при напряжении трехфазной питающей сети 380 В, сумма напряжений равна 190 В + 110 В = 300 В, что ниже, чем в прототипе: 110 В + 110 В + 110 В=330 В.
Таким образом, устройство для равномерного распределения однофазной нагрузки требует меньшую суммарную габаритную мощность трансформаторов.
Поскольку в трансформаторах происходят потери энергии, снижающие общий КПД устройства, потери будут тем меньше, чем меньшая габаритная мощность трансформаторов будет требоваться для преобразования одного и того же количества энергии. Следовательно, снижение требуемой габаритной мощности трансформаторов приведет к увеличению КПД устройства. При этом также снизятся массогабаритные параметры устройства.
Кроме того, в силу уменьшения в полтора раза требуемого количества обмоток по сравнению с прототипом (4 вместо 6) упрощается конструкция устройства и упрощается процесс его изготовления.
Устройство для равномерного распределения однофазной нагрузки обеспечивает возможность соединения с нейтральным проводом питающей сети любого из выходов нагрузки. Таким образом, нагрузка, требующая соединения с нейтралью, может быть подключена к нейтральному проводу питающей сети любым одним из своих выводов.
Для обеспечения решаемой задачи трехфазно-однофазного преобразования при обеспечении равномерной нагрузки фаз с одновременным обеспечением гальванической развязки цепей нагрузки от питающей сети не существует более простой схемы устройства, чем предлагаемая.
Несмотря на простоту устройства, уровень техники не содержит решений, характеризующихся совокупностью сформулированных признаков.
Трансформаторы устройства могут быть изготовлены с использованием стандартного трансформаторного железа и обмоточной проволоки.
Таким образом, устройство для равномерного распределения однофазной нагрузки по фазам трехфазной сети конструктивно проще и технологичнее, обладает более низкими материалоемкостью, массой и габаритами и большим КПД.
Кроме того, снижение массогабаритных параметров устройства обеспечено при условии гальванической развязки между входами и выходами, обеспечивающей возможность подключения одного из выходов нагрузки к нейтральному проводу питающей сети, что расширяет область применения устройства.