Устройство симметрирования напряжения в трёхпроводной сети
VOLTAGE BALANCER IN THREE-WIRED NETWORK

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах электроснабжения ответственных потребителей в качестве устройства симметрирования при обрыве одной любой фазы.
Известно устройство восстановления напряжения фазы в трехпроводной сети, содержащее клеммы сети на входе, реле контроля напряжения в каждой фазе с размыкающими и замыкающими контактами и собственно устройство симметрирования, содержащее общий компенсирующий конденсатор, подключаемый к уцелевшей фазе, опережающий по фазе неисправную фазу с помощью группы контактов, фазосдвигающий дроссель в каждой фазе, шунтированный замыкающим контактом, реле контроля напряжения соседней фазы и клеммы для подключения нагрузки. Данное устройство нашло широкое применение в системах электроснабжения ввиду своей простоты и надежности, а также небольшой стоимости, однако ему присуши и недостатки: большое число элементов, участвующих в нейтрализации несимметрии, сложность настройки из-за неодинаковости параметров элементов устройства: разброс величин индуктивных сопротивлений фазосдвигающих дросселей; неодинаковость времени срабатывания реле и различие во времени замыкания и размыкания контактов. Кроме того, устройство не оказывает влияния на качество напряжения сети, поэтому токи высших гармоник проходят до клемм для подключения потребителей.
Техническим результатом изобретения является повышение точности симметрирования напряжения.
Поставленный технический результат достигается тем, что в устройство симметрирования напряжения в трехпроводной сети, содержащее сеть с клеммами А, В, С на входе, реле контроля напряжения в каждой линии, снабженное замыкающим и размыкающим контактами, симметрирующее устройство с общим конденсатором на входе и клеммы для подключения нагрузки, причем первое реле контроля напряжения включено между линиями сети А и В, второе реле контроля напряжения включено между линиями сети В и С, третье реле контроля напряжения включено между линиями сети С и А, а симметрирующее устройство с общим конденсатором подключено к линиям сети между клеммами А, и С и клеммами для подключения нагрузки, введены: трехфазное реле контроля напряжения сети с первым, вторым, третьим, четвертым, пятым и шестым размыкающими контактами; шины однофазного тока, подключенные к линиям сети контактами указанных реле контроля напряжения в каждой линии сети, причем первая из указанных шин подключена к линиям сети замыкающими контактами названных реле, а вторая шина из названных шин подключена к названным линиям сети размыкающими контактами реле контроля напряжения в каждой линии соответственно; реле контроля напряжения шин однофазного тока с замыкающими и размыкающими контактами, а симметрирующее устройство выполнено в виде тороидального пазового трансформатора, содержащего входную часть, выполненную на внешнем сердечнике, содержащем первую ветвь, подключенную к первой шине шин однофазного тока, вторую ветвь, составленную из последовательно соединенных общего конденсатора и первой обмотки и подключенную к второй шине однофазного тока, и третью ветвь, содержащую вторую обмотку и подключенную к второй шине однофазного тока, причем концы всех ветвей соединены в общей точке, и выходную часть, выполненную на внутреннем соосном внешнему сердечнике, содержащую трехфазную обмотку, соединенную звездой, и клеммы для подключения нагрузки, при этом указанная обмотка выходной части подключена к линиям сети на входе клемм для подключения нагрузки замыкающими контактами реле контроля напряжения шин однофазного тока, а размыкающие контакты реле контроля напряжения шин однофазного тока включены в разрыв линий сети между входной и выходной частями симметрирующего устройства, при этом вывод указанного трехфазного реле подключен к фазе А сети, второй вывод названного реле соединен с фазой В сети, третий вывод трехфазного реле контроля напряжения сети соединен с фазой С сети, а размыкающие контакты данного реле установлены в следующих цепях: первый контакт включен в цепь питания реле контроля напряжения первой линии, второй контакт установлен в цепь питания реле контроля напряжения второй линии, третий контакт включен в цепь питания реле контроля напряжения третьей линии, а четвертый, пятый и шестой контакты включены в цепи, соединяющие линии А, В и С с второй линией шин однофазного тока соответственно.
На чертеже представлена принципиальная электрическая схема устройства симметрирования напряжения в трехпроводной сети.
Устройство содержит сеть с клеммами А, В, С на входе, реле контроля наличия напряжения в каждой линии 1, 2 и 3, при этом каждое реле содержит по одному замыкающему контакту: 1-1, 2-1 и 3-1 и одному размыкающему контакту 1-2, 2-2 и 3-2, реле контроля напряжения шин однофазного тока 4 с размыкающими контактами 4-1 и замыкающими контактами 4-2, шины однофазного тока 5 с первой шиной 5-1 и второй шиной 5-2, тороидальный пазовый трансформатор 6, содержащий входную часть 6-1 и выходную часть 6-2, причем входная часть, выполненная на внешнем сердечнике (не показан), содержит первую ветвь 7, вторую ветвь 8, составленную конденсатором 9, к которому последовательно подключена первая обмотка 10, и третью ветвь 11, содержащую вторую обмотку 12, при этом концы всех ветвей соединены в общей точке 13, а обмотки 10 и 12 размещены на внешнем сердечнике, причем выходная часть 6-2 выполнена на внутреннем сердечнике, соосном внешнему сердечнику, и содержит трехфазную обмотку, соединенную звездой 16, а на выходе сети установлены клеммы для подключения нагрузки 14 (14-1, 14-2 и 14-3). Кроме того, устройство содержит трехфазное реле контроля напряжения сети 15 с первым 15-1, вторым 15-2, третьим 15-3, четвертым 15-4, пятым 15-5 и шестым 15-6 размыкающими контактами.
Тороидальный пазовый трансформатор 6 представляет собой симметрирующее устройство, при этом входная часть 6-1 построена по типу обмоток конденсаторных асинхронных двигателей при образовании кругового вращающегося магнитного поля (КВМП) по [2], а выходная часть 6-2 аналогична статору синхронного трехфазного генератора по [3]. В соответствии со схемой входной части 6-1 тороидального пазового трансформатора КВМП в ней образуется при соблюдении следующих условий:
1. Обмотки 10, 12 размещены на внешнем сердечнике тора с пространственным сдвигом 90°, а соединенные звездой обмотки фаз выходной обмотки 13 расположены на внутреннем сердечнике с пространственным сдвигом 120° между ними, т.е. ортогональным размещением в пространстве обмоток 10 и 12, т.е. угол обмотки 10 по отношению к углу размещения обмотки 12 равен π/2
10
12
A13
B13
c13
где w, w - числа витков обмотки 10 и 12; w, w, w - числа витков фаз обмотки 13.
2. Ток, протекающий через обмотку 10 по отношению к току, протекающему через обмотку 12, сдвинут во времени на угол π/2, т.е.
10
12
3. Намагничивающие силы обмоток F=F равны, т.е.
10
12
10
12
где w, w, I, I - число витков и токи соответствующих обмоток.
δ
i
При наличии КВМП магнитный поток, образованный магнитной индукцией воздушного зазора В между сердечниками, образует ЭДС E
i
0i
где ƒ - частота сети; w - число витков i-й фазы обмотки 13; K - обмоточный коэффициент обмотки i-й фазы.
Поскольку в синхронном генераторе по [3] числа витков всех трех фаз равны, а обмоточные коэффициенты обмоток фаз одинаковы, то при соблюдении условий (1)…(3) ЭДС фаз вторичной обмотки 13 будут равны:
Реле контроля напряжения 1 включено между линией А и линией В; реле контроля напряжения 2 включено между линией В и линией С, а реле контроля напряжения 3 включено между линией С и линией А. Первая шина 5-1 шин однофазного тока 5 подключена к линии В с помощью замыкающего контакта 2-1 реле контроля 2, к линии С с помощью замыкающего контакта 3-1 реле контроля напряжения 3, к линии А с помощью замыкающего контакта 1-1 реле контроля 1, а вторая шина 5-2 шин однофазного тока 5 подключена к линии С с помощью размыкающего контакта 3-2 реле контроля 3, к линии А с помощью размыкающего контакта 1-2 реле контроля 1, к линии В с помощью размыкающего контакта 2-2 реле контроля 2, причем к шинам 5-1 и 5-2 подключено реле контроля напряжения шин однофазного тока 4, размыкающие контакты 4-1, установленные в линиях между входами А, В и С и клеммами для подключения нагрузки 14-1, 14-2 и 14-3 соответственно, а замыкающие контакты 4-2 установлены в фазах трехфазной обмотки 16 выходной части 6-2 тороидального пазового трансформатора 6. Первый вывод (не обозначен) трехфазного реле контроля напряжения сети 15 подключен к фазе А сети, второй вывод (не обозначен) названного реле соединен с фазой В сети, третий вывод (не обозначен) названного реле соединен с фазой С сети, при этом первый размыкающий контакт 15-1 трехфазного реле контроля напряжения сети 15 установлен в цепь питания реле контроля напряжения в первой линии 1, второй размыкающий контакт 15-2 указанного реле включен в цепь питания реле контроля напряжения второй линии 2, третий размыкающий контакт 15-3 названного реле установлен в цепи питания реле контроля напряжения третьей линии 3, четвертый размыкающий контакт 15-4 включен в цепь, соединяющую линию А с второй шиной 5-2 шин однофазного тока 5, пятый размыкающий контакт 15-5 установлен в цепи, соединяющей линию В с второй шиной 5-2 шин однофазного тока 5, и шестой размыкающий контакт 15-6 включен в цепь, соединяющую линию С с второй шиной 5-2 шин однофазного тока 5.
Устройство работает следующим образом. При наличии напряжения в сети А, В, С и исправности всех линий срабатывает трехфазное реле контроля напряжения сети 15 и его размыкающие контакты 15-1, 15-2, 15-3 разрывают цепи питания реле контроля напряжения в первой линии 1, второй линии 2 и третьей линии 3, при этом токи в каждой линии будут протекать от клемм А, В, С на входе сети клеммы 14-1, 14-2 и 14-3 для подключения нагрузки 14 непосредственно, а размыкающие контакты 15-4, 15-5 и 15-6 указанного реле 15 разрывают цепи образования второй шины 5-2 шин однофазного тока 5 от линий А, В и С. При выключенных реле 1, 2, 3 их контакты остаются в положениях, указанных на чертеже, - замыкающие контакты 1-1, 2-1 и 3-1 разомкнуты, а размыкающие контакты 1-2, 2-2 и 3-2 будут замкнуты, при этом шины 5-1 и 5-2 шин однофазного тока 5 обесточены, реле контроля напряжения на шинах однофазного тока 4 обесточено и его контакты 4-1 и 4-2 будут занимать показанные на чертеже положения.
При обрыве любой из линий сети, например линии А, отключится трехфазное реле контроля напряжения сети 15 и все его контакты 15-1…15-6 замкнутся, при этом срабатывает только реле контроля напряжения 2 и его замыкающий контакт 2-1 замыкается, а размыкающий контакт 2-2 размыкается. При замыкании контакта 2-1 линия В соединяется с шиной 5-1 шин однофазного тока, а при размыкании контакта 2-2 размыкается цепь соединения линии В с шиной 5-2 шин однофазного тока 5. Поскольку реле контроля напряжения 1 и 3 не сработали, то их контакты 1-1, 1-2 и 3-1, 3-2 остаются в прежнем состоянии, поэтому на шине 5-2 шин однофазного тока 5 появляется напряжение от линий С и А, поэтому реле контроля образования шин 4 сработает. Появление напряжения на шинах однофазного тока 5 обусловит возникновение КВМП во входной части 6-1 тороидального пазового трансформатора 6, чему способствует схема включения обмоток 10 и 12 и наличие конденсатора 9. Созданный с помощью КВМП магнитный поток пересекает витки трехфазной обмотки 13, расположенной в выходной части 6-2, поэтому на зажимах данной обмотки возникает трехфазная симметричная система напряжений. Срабатывание реле контроля напряжения шин 4 приводит к размыканию контактов 4-1, что обеспечивает отключение сети от потребителей, а замыкание контактов 4-2 позволяет подключить к клеммам для подключения нагрузки 14 симметричное трехфазное напряжение. Указанный механизм работает при обрыве любой из линий сети.
Таким образом, введение тороидального пазового трансформатора в качестве симметрирующего устройства позволяет повысить качество электроэнергии на зажимах потребителей, повысить точность симметричности, поскольку любой синхронный генератор обеспечивает минимальные значения коэффициентов несимметрии по обратной и нулевой последовательностям, и уменьшить число дросселей и конденсаторов в схеме устройства, чем и достигается требуемый результат.
Источники информации
1. Патент на изобретение РФ Н02Н 5/10, H02J 9/06 №2353038. Устройство для восстановления напряжения фазы в трехпроводной сети. / Н.П. Кириллов, А.В. Катаржин, В.А. Гапанович. Заяв. 2007144601/09, 04.12.2007; Опубл. 20.04.2009. Бюл. №11.
2. Юферев Ф.М. Электрические машины автоматических устройств. М.: ВШ., 1988, стр. 24…27.
3. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. Т. 2. М.: МЭИ, 2004, стр. 35…38.