МНОГОФАЗНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области силовой электротехники и может быть использована для питания для питания сетей переменного тока.
Уровень техники
Из уровня техники известен многофазный параметрический стабилизатор напряжения [Авторское свидетельство СССР №1265742], содержащий n параллельно включенных между входной и выходной клеммой ключевых регуляторов, каждый из которых содержит последовательно соединенные силовой ключ и DLC-фильтр, а также задающий генератор. Упомянутый задающий генератор подсоединяется входом к входным клеммам и содержит последовательно включенные регулирующий транзистор и DLC-фильтр, причем конденсатор фильтра зашунтирован стабилитроном, а его дроссель зашунтирован входной обмоткой импульсного трансформатора. Первая выходная обмотка упомянутого трансформатора связана с управляющим входом регулирующего транзистора, а вторая выходная обмотка через диод и ограничитель напряжения подсоединена к выходу задающего генератора. Распределитель тактовых импульсов с n выходов, входом подключен к выходу задающего генератора, а n формирователей ширины импульсов входами подсоединены к соответствующим выходам распределителя тактовых импульсов, и соединены своими выходами с входами ключевых регуляторов. Каждый формирователь ширины импульсов содержит последовательно соединенные одновибратор со строго фиксированной длительностью выходного импульса и усилитель мощности.
К недостаткам такого решения относится значительное число элементов, что приводит к общему снижению надежности.
Из уровня техники также известен стабилизатор трехфазного симметричного напряжения [патент РФ №2249895], содержащий трехфазный вольтодобавочный трансформатор, с расположенными на нем первичной и вторичной обмотками, и коммутирующий элемент, снабженный защитой от перенапряжений и цепями управления. Первичная обмотка соединяется одним выводом с одной из фаз сетевого источника питания, а другим - с одним из выводов трехфазной нагрузки. Для соединения свободных выводов указанных первичных обмоток используется, первый коммутирующий элемент, в виде трехфазного диодного моста, зажимами переменного тока соединенного со свободными выводами первичных обмоток всех фаз, а зажимами постоянного тока подключенного к силовым выводам транзисторного ключа, служащего для объединения выводов первичных обмоток в нулевую точку звезды. Для подключения нулевой точки звезды к нулевому выводу сетевого источника служит средний вывод двух последовательно соединенных обратных диодов, подключенных встречно-параллельно указанному транзисторному ключу. Цепи управления выполнены в виде одноканальной системы автоматического управления, содержащей задатчик эталонного напряжения, датчик обратной связи, регулятор тока и устройство управления транзисторным ключом.
К недостаткам такого решения относится необходимость управления транзисторным ключом, что требует наличия сложной системы управления, и ведет к увеличению себестоимости и снижению надежности.
Данное техническое решение является наиболее близким по своей технической сущности прототипом.
Раскрытие полезной модели. Многофазные (чаще всего трехфазные) сети переменного тока промышленной частоты используются для питания различного рода промышленных и бытовых потребителей и установок, в том числе радиоэлектронной аппаратуры, чувствительной к повышению уровня питающего напряжения. Таким образом, остаются актуальны стабилизация и ограничение повышенного уровня напряжения в сети.
В качестве потребителей могут выступать различные электроприводы, системы автоматического управления техническими процессами, а также широкий спектр сложной электронной аппаратуры, в том числе и бытовой техники. Основным параметром, характеризующим питающее напряжение, является уровень действующего значения напряжения. На допустимый уровень колебаний (отклонения) напряжения от номинального значения распространяются требования различного рода стандартов и технических условий (требований), а потребители рассчитаны на значения предельных отклонений, не превышающих заданные при их проектировании.
Поддержание стабильного уровня действующего значения напряжения, соответствующего стандартам, является самостоятельной задачей, решаемой в существующих установках за счет преобразования электроэнергии. Оно реализуется путем использования автономных инверторов напряжения [1, 2] и двойного преобразования - выпрямления, далее инвертирования. Такие установки представляют собой полупроводниковые преобразователи. Однако в таких сложных устройствах применяются электронные комплектующие, и потому они, как правило, имеют ограниченную надежность. Кроме того, для промышленных установок и технологических процессов большой мощности практически невозможно технически или нецелесообразно экономически обеспечить стабилизацию колебаний напряжения в питающей сети двойным преобразованием электроэнергии. Кроме того, одним из самых массовых из всех потребителей электроэнергии являются лампы освещения разных типов, причем все из них чувствительны к повышению питающего напряжения.
Колебания уровня напряжения происходят как на генераторе, так и в процессе транспортирования и распределения в электрических сетях. Для его ограничения (например, в выходные и праздничные дни - когда нагрузка в сетях от промышленных предприятий резко снижается) используют разного рода переключатели отводов силовых трансформаторов на подстанциях - в том числе без снятия напряжения (РПН - регулирование под напряжением). Это имеет свои недостатки – коммутацию тока без отключения [3, 4].
При переключении отводов трансформаторов под напряжением могут возникать коммутационные перенапряжения в сети, кроме того, коммутация высоковольтного напряжения в распределительных сетях требует элегазовой коммутационной аппаратуры, что удорожает установку и требует дорогого технического обслуживания.
В предлагаемом решении предлагается стабилизация напряжения сети путем управления магнитным потоком в трансформаторе подстанции. Для этого может быть использовано свойство самоиндукции в короткозамкнутом витке, вытесняющее магнитный поток возбуждения из магнитного стержня, на котором расположен короткозамкнутый виток [3, 5].
Как известно, для транспортирования и распределения электроэнергии используются сети высокого напряжения, поскольку это позволяет снизить протекающий и ток - обеспечив передачу необходимой мощности по малому сечению проводов линий электропередач. Вблизи потребителя происходит ступенчатое (в несколько этапов) понижение напряжения в подстанциях, и к промышленным потребителям, как правило, поступает напряжение с уровнем от 0,4 до 10 кВ. На подстанциях может быть реализовано предлагаемое здесь решение, что позволит ограничить превышение уровня напряжения в случае его колебаний.
На фиг. 1 изображен внешний вид трехфазного трансформатора в общем виде [4]. Из рисунка видно, что в его конструкцию входят стержни, каждый из которых соответствует одной из трех фаз питающего напряжения. На стержнях трансформатора устанавливаются катушки первичной обмотки и вторичной (выходной) обмотки. Катушки каждой обмотки соединяются по схеме “звезда” для создания единой трехфазной системы напряжений [3, 4]. Напряжение вторичной обмотки отличается от питающего в соответствии с коэффициентом трансформации, определяемом как соотношение витков в обмотках. В существующих сетях генерирования и распределения всегда по пути транспортирования происходит только понижение уровня напряжения, что уже было объяснено выше снижением потерь и массы проводов.
В существующих решениях для ограничения выходного напряжения на подстанциях используется регулирование под напряжением отводов обмотки трансформатора, что требует как наличия дополнительных отводов, так и коммутации высокого напряжения. В ряде случаев исключают разрыв тока в цепи путем переключения через замыкание секции обмотки с последующим отключения предыдущего отвода.
На фиг. 2 изображено сечение магнитопровода трансформатора для предлагаемого решения. На рисунке видно, что в просветах магнитопровода (окнах между основными стержнями) установлены дополнительные стержни, которые обеспечивают шунтирование части магнитного потока. Магнитный поток возбуждения (создаваемый первичной обмоткой) проходя через них, не участвует в формировании выходного напряжения смежной вторичной обмотки. Как известно, поскольку катушки каждой из фаз соединяются по схеме “звезда”, с суммированием их ЭДС (электродвижущих сил), падение напряжения в любой из катушек ведет к снижению общего напряжения на выходе обмотки. Таким образом, шунтирование магнитного потока двумя стержнями обеспечивает отбор магнитного потока, создаваемого всеми тремя первичными катушками, и снижение общего выходного напряжения.
На фиг. 3 показана конструкция предлагаемого решения в сборе. На рисунке видно, что на основные стержни трехфазного трансформатора установлены катушки первичной и вторичной обмоток, а также в просветах между основными стержнями установлены дополнительные (шунтирующие) стержни с расположенными на каждом из них дополнительных обмотках. Выход каждой обмотки подключен к соответствующему ей контакту реле, причем принцип регулирования (стабилизации) является обратным, то есть при размыкании контактов реле магнитный поток через дополнительные стержни отбирается (шунтируется) от основных стержней, тем самым снижая уровень выходного напряжения всего предлагаемого стабилизатора. В случае замыкания контактов, ток короткозамкнутого витка вытесняет основной поток из дополнительного стержня, что известно из основ ТОЭ [3].
Для такого управления будет свойственно наличие потерь, однако они могут быть весьма низкими [4, 5]. Потери в дополнительных катушках будут в таком случае определяться потерями в активном сопротивлении и контакте, при этом использование контакта реле обеспечивает практически нулевое переходное сопротивление и соответствующее ему падение напряжения.
Кроме того, дополнительные стержни обеспечивают шунтирование только меньшей части магнитного потока, что обеспечивает ограниченную мощность при коммутации дополнительных катушек контактами реле. По оценке автора, возможно обеспечить потерю не выше 2-3% от мощности в дополнительных стержнях.
При уровне отбора магнитного потока возбуждения в дополнительные стержни на уровне 10% (что будет соответствовать ступени ~10% управления по выходному напряжению) такие потери составят не более 0,2÷0,3% общей мощности трансформатора, и будут ниже потерь холостого хода.
Уровень отбора мощности может быть заложен при проектировании за счет выбора сечения дополнительных стержней. Уменьшение сечения будет соответствовать снижению глубины регулирования выходного напряжения.
На фиг. 4 показана принципиальная схема предлагаемого решения, причем контакты реле изображены в разомкнутом виде – что соответствует повышенному напряжению на выходе. Кроме того, на схеме показана также магнитная система магнитопровода трансформатора, и расположение на ней катушек обмоток, а также соединение обмоток по схеме “звезда”.
Заявляемая полезная модель является новым решением, имеющим следующие принципиальные отличия от основного прототипа:
используется трехфазный трансформатор;
в трехфазном трансформаторе установлены два дополнительных (шунтирующих) стержня;
на дополнительных стержнях дополнительные катушки, которые подключены к замыкающим накоротко контактам реле.
Таким образом, вся совокупность существенных признаков решения приводит к новому техническому результату - упрощению и повышению надежности конструкции, и обеспечению ступенчатой стабилизации уровня выходного трехфазного напряжения при отклонениях питающей сети.
Краткое описание чертежей. На фиг. 1 изображен внешний вид трехфазного трансформатора. Здесь 1 - основной стержень, 2 - обмотка высокого напряжения, 3 - обмотка низкого напряжения. На фиг. 2 изображено сечение магнитопровода трансформатора многофазного стабилизатора. Здесь 1 - основной стержень, 4 - дополнительный стержень. На фиг. 3 изображен внешний вид трансформатора многофазного стабилизатора. Здесь 1 - основной стержень, 2 - обмотка высокого напряжения, 3 - обмотка низкого напряжения, 4 - дополнительный стержень, 5 - дополнительная катушка. На фиг. 4 изображена принципиальная электрическая схема силовой части многофазного стабилизатора.
Список использованной литературы.
1. Дмитриев Б.Ф., Рябенький В.М., Черевко А.И., Музыка М.М. Судовые полупроводниковые преобразователи: учебник. - Архангельск: Изд-во САФУ, 2015. - 556 с.
2. Зиновьев Г.С. Силовая электроника. - М.: Юрайт, 2012. 667 с.
3. Фрумкин А.М. Теоретические основы электротехники. - М.: Высшая школа, 1982. - 407 с.
4. Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов. М: Альянс, 2013. - 528 с.
5. Регулятор накала. Техника-молодежи, 1941-02, с.48.