УСТРОЙСТВО БЕЗУДАРНОГО ВКЛЮЧЕНИЯ ТРЕХФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА

Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к области преобразовательной техники.
Известны устройства включения трехфазного трансформатора на холостой ход с помощью электромагнитных трехполюсных коммутационных аппаратов, например выключателей или контакторов. Процесс включения трехфазного трансформатора сопровождается броском тока в его обмотках, величина которого соизмерима с ударным током короткого замыкания по причине насыщения магнитопровода. При этом обмотки и магнитопровод трансформатора подвергаются ударному воздействию электродинамических сил, что приводит к сокращению срока эксплуатации, как трансформатора, так и коммутационного аппарата, а также ложным срабатываниям релейной защиты, которая может воспринимать токи включения трансформатора, как токи короткого замыкания [1].
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и взятому за прототип является устройство безударного включения трехфазного трансформатора, содержащее трехфазный блок тиристоров, соединенный по цепям входов с фазами питающей сети, а по цепям выходов с фазами обмотки трехфазного трансформатора, систему импульсно-фазового управления с входами управления, источник трехфазного напряжения синхронизации, соответственно соединенные между собой, блок задания напряжения размагничивания, блок задания номинального напряжения, пульт управления и блок включения трехфазного трансформатора с аналоговыми и дискретными входами, содержащей интегрирующий усилитель с ключом на входе, компараторы, нуль-орган, RS-триггеры и логические элементы «И», соединенные между собой соответствующим образом, а также с входом системы импульсно-фазового управления, выходом блоков задания напряжений и пульта управления [2].
Данное устройство обеспечивает плавное включение трехфазного трансформатора с минимальными пусковыми токами в два этапа. На первом этапе блок включения трансформатора обеспечивает размагничивание магнитопровода трансформатора путем плавного повышения и последующего понижения напряжения на фазах трансформатора за счет воздействия на управляющий вход системы импульсно-фазового управления. На втором этапе блок включения обеспечивает плавное нарастание напряжения на фазах размагниченного трансформатора до напряжения питающей сети с последующим шунтированием блока тиристоров трехфазным выключателям, при необходимости. В целом реализуемая процедура безударного включения трехфазного трансформатора имеет невысокое быстродействие за счет затянутого во времени второго этапа. Последнее связано с дискретными свойствами процесса регулирования напряжения с помощью тиристорного блока, в части формирования положительной и отрицательной секторов полуволн выходного напряжения с минимальной асимметрией для исключения однополярного подмагничивания сердечника и, соответственно, появления значительных пусковых токов.
Технический результат заявляемого решения - повышение быстродействия безударного включения трехфазного трансформатора.
Технический результат достигается тем, что в устройстве безударного включения трехфазного трансформатора, содержащем трехфазный блок тиристоров, соединенных по цепям входов с фазами питающей сети и по цепям выходов с фазами обмотки трансформатора, систему импульсно-фазового управления с входами управления, источник трехфазного напряжения синхронизации, соответственно соединенные между собой, блок задания напряжения размагничивания, пульт управления и блок включения трехфазного трансформатора с аналоговыми и дискретными входами и выходами, содержащий интегрирующий усилитель с ключом на входе, компаратор, первый, второй и третий нуль-органы, логические элементы «3И» и «2И», первый, второй, третий и четвертый RS-триггеры, выход усилителя подключен к первому входу компаратора, входу первого нуль-органа и входу управления системы импульсно-фазового управления, выход компаратора подключен к R-входу первого и S-входу второго RS-триггеров, второй вход компаратора подключен к выходу блока задания напряжения размагничивания, S-вход первого RS-триггера соединен с входом «Пуск» пульта управления, а выход - с входом ключа управления усилителя, f выполнены новые оригинальные связи, а именно: вторая фаза источника трехфазного напряжения синхронизации подключена к входу второго нуль-органа, первая и третья фазы - к входам третьего нуль-органа, выход второго RS-триггера и выходы первого и второго нуль-органов подключены к S-входу третьего RS-триггера через логический элемент «3И», выход третьего RS-триггера и выход третьего нуль-органа подключены к S-входу четвертого RS-триггера через логический элемент «2И», выходы третьего и четвертого RS-триггеров подключены к входам системы импульсно-фазового управления прямого включения тиристоров, выход четвертого RS-триггера дополнительно соединен с входом «Пуск завершен» пульта управления.
AC
B
AC
Отличительной особенностью предлагаемой полезной модели является повышение быстродействия за счет выполнения новых дополнительных связей между блоком включения, источником трехфазного напряжения синхронизации и системой импульсно-фазового управления, а также выполнения соответствующих оригинальных связей между элементами в блоке включения. В результате второй этап включения трехфазного трансформатора выполняется в два такта. На первом такте производится прямое включение тиристоров в фазах A и C при максимальном значении линейного напряжения U питающей сети (нулевом значении фазного напряжения U=0), а на втором такте, через четверть периода, когда линейное напряжение питающей сети U принимает нулевое значение, производится прямое включение тиристоров в фазе B. В целом, данная процедура безударного включения размагниченного трехфазного трансформатора происходит с максимальным быстродействием за время не более ¾ периода частоты напряжения питающей сети. На рис.1 и 2 приведены схемы заявляемого устройства безударного включения трехфазного трансформатора, на которых приняты следующие обозначения:
1 - трехфазный блок тиристоров, включенных встречно-параллельно, или симисторов;
2 - трехфазный трансформатор;
3 - трехфазная система импульсно-фазового управления с входами управления (СИФУ);
4 - источник трехфазного напряжения синхронизации;
5 - блок задания напряжения размагничивания трансформатора;
6 - пульт управления;
7 - блок включения трансформатора;
8 - интегрирующий усилитель с ключом управления на входе;
9 - аналоговый компаратор;
10, 11, 12 - аналоговые нуль-органы;
13, 14 - логические элементы «И»;
15, 16, 17, 18 - RS-триггеры;
П
~U - напряжение трехфазной питающей сети;
У
U - напряжение управления СИФУ;
a
b
c
U, U, U - трехфазное напряжение синхронизации.
a
Предлагаемое устройство безударного включения трехфазного трансформатора содержит трехфазный блок тиристоров 1, соединенный по цепям входов с фазами трехфазной питающей сети и по цепям выходов с фазами обмотки трехфазного трансформатора 2, трехфазную СИФУ 3 с входами управления, источник трехфазного напряжения синхронизации 4, соединенные между собой общеизвестным способом, блок задания напряжения размагничивания трансформатора 5, пульт управления 6 и блок включения трехфазного трансформатора 7 с аналоговыми и дискретными входами и выходами, содержащий интегрирующий усилитель 8 с ключом на входе, компаратор 9, первый, второй и третий нуль-органы: 10, 11 и 12 соответственно, логический элемент «3И» 13, логический элемент «2И» 14, первый, второй, третий и четвертый RS-триггеры: 15, 16, 17 и 18 соответственно. Выход усилителя 8 подключен к первому входу компаратора 9, входу первого нуль-органа 10 и входу управления СИФУ 3, выход компаратора 9 подключен к R-входу первого RS-триггера 15 и S-входу второго RS-триггера 16, второй вход компаратора 9 подключен к выходу блока задания напряжения размагничивания 5, S-вход первого RS-триггера 15 соединен с выходом «Пуск» пульта управления 6, а выход - с входом ключа управления усилителя 8. Вторая фаза B источника трехфазного напряжения синхронизации 4 подключена к входу второго нуль-органа 11, а первая и третья фазы A и C подключены к входу третьего нуль-органа 12, выход второго RS-триггера 16 и выходы первого и второго нуль-органов 10, 11 подключены к S-входу третьего RS-триггера 17 через логический элемент «3И» 13, выход третьего RS-триггера 17 и выход третьего нуль-органа 12 подключены к S-входу четвертого RS-триггера 18 через логический элемент «2И» 14. Выходы третьего и четвертого RS-триггеров 17 и 18 соответственно подключены к соответствующим входам (, , c, ) и (b, ) СИФУ прямого включения тиристоров, а выход четвертого RS-триггера 18 дополнительно соединен с входом «Пуск завершен» пульта управления 6.
y
У
У
PM
y
PM
Работа устройства происходит следующим образом. Будем считать, что на функциональные блоки 1…7 устройства подано питающее напряжение и блок включения трехфазного трансформатора 7 находится в готовности к пуску. RS-триггеры 15…18 установлены в состояние с нулевым уровнем выходного сигнала. Ключ на входе интегрирующего усилителя 8 закрыт и напряжение на его выходе равно нулю. В соответствии с нулевым значением напряжения управления U=0, трехфазный блок тиристоров 1 устанавливает нулевое значение трехфазного напряжения на фазах обмотки трехфазного трансформатора 2 с помощью системы импульсно-фазового управления 3 и источника трехфазного напряжения синхронизации 4. Процесс безударного включения трехфазного трансформатора начинается с подачи команды «Пуск» с пульта управления 6 единичного уровня, который подается на S-вход RS-триггера 15. RS-триггер 15 переключается в единичное состояние по выходу и включает ключ на входе интегрирующего усилителя 8. На выходе интегрирующего усилителя 8 начинается плавно увеличиваться напряжение управления U и, соответственно, трехфазное напряжение на фазах обмотки трансформатора. Последнее обеспечивается работой трехфазного блока тиристоров и СИФУ по прямому их назначению. Данный процесс продолжается до переключения компаратора 9 с порогом переключения U=U, при котором на фазы обмотки трехфазного трансформатора прикладывается максимальное значение напряжения размагничивания с токами в обмотке не превышающими номинального значения. При U>U компаратор 9 переключается в единичное состояние по выходу. Единичным сигналом с выхода компаратора производится: переключение RS-триггера 15 в нулевое состояние по выходу, переключение RS-триггера 16 в единичное состояние по выходу и выключение ключа на входе интегрирующего усилителя 8. В результате интегрирующий усилитель 8 начинает плавное уменьшение напряжения управления и, соответственно через блок тиристоров, трехфазного напряжения на фазах обмотки трансформатора. Процесс плавного снижения напряжения заканчивается при нулевом значении напряжения управления и напряжения на обмотках трансформатора.
r
r
На данном этапе работы устройства под действием плавно изменяющегося напряжения на фазах обмотки трансформатора происходит перемагничивание намагниченного магнитопровода с увеличением и последующим снижением до нуля переменной составляющей индукции. При этом происходит переход магнитного состояния магнитопровода с предельной (рабочей) петли гистерезиса остаточной индукции B=B по частным петлям гистерезиса на симметричную петлю гистерезиса с полным размагничиванием магнитопровода B=0. Данный процесс является общепринятым способом размагничивания ферромагнитных материалов, в том числе и электротехническая сталь, из которого обычно выполняются трансформаторы.
У
AC
AC
max
a
c
При нулевом значении напряжения управления U≤0 происходит переключение нуль-органа 10 в единичное состояние по выходу и ожидание появления импульса единичного уровня с выхода нуль-органа 11, периодически появляющегося при переходе напряжения синхронизации фазы B через нулевое значение. В этот момент времени логический элемент «3И» переключается в единичное состояние по выходу и устанавливает RS-триггер 17 в единичное состояние по выходу. Выходной сигнал RS-триггера 17 подается на соответствующий вход СИФУ прямого включения тиристоров в фазах A и C блока 1. В результате к фазам A и C обмотки трехфазного трансформатора прикладывается линейное напряжение питающей сети U в момент его максимального значения U=U. В фазах A и С трансформатора начинает протекать ток намагничивания i=i, который через четверть периода достигает значения:
,
µ
max
max
ф
где L индуктивность цепи намагничивания фазной обмотки трансформатора, U  - амплитудное значение фазного напряжения питающей сети, i - амплитудное значение тока намагничивания трансформатора, ω - угловая частота питающей сети.
AC
B
max
B
AC
ном
ф
В этот момент времени линейное напряжение U=0, а фазное напряжение U=U . Соответственно, при переходе линейного напряжения через нулевое значение на выходе нуль-органа 12 появляется импульс единичного уровня, переключающий RS-триггер 18 в единичное состояние по выходу через логический элемент «2И» 14. Выходной сигнал RS-триггера 18 подается на соответствующий вход СИФУ прямого включения тиристоров в фазе B блока 1. В этот момент времени на фазы A, B и C трехфазного трансформатора подается полное напряжение питающей сети. Через все открытые тиристоры блока 1 в фазах A, B и C трансформатора начинают протекать токи намагничивания установившегося режима работы. Процесс безударного включения трехфазного трансформатора завершен (см. поясняющий рис.3) и с выхода RS-триггера 18 подается соответствующая команда на пульт управления 6. Таким образом, в результате двухтактного подключения фазных обмоток размагниченного трехфазного трансформатора достигается его включение на питающую сеть с протеканием в его фазах установившихся значений тока намагничивания и перемагничивания сердечника с индукцией установившегося режима работы. В целом продолжительность двухтактного включения трехфазного трансформатора составляет не более ¾ периода напряжения питающей сети с учетом максимального времени ожидания начала первого такта включения. Кроме того, реализованное в заявляемом устройстве включения двух фаз A и C трансформатора при максимальном значении линейного напряжения по сигналу перехода через нулевое значение фазного напряжения U обеспечивает высокую точность данного процесса, независящего от абсолютной величины максимального линейного напряжения U питающей сети, изменяющегося в допустимых пределах (U±10%). В соответствие с общепринятым принципом конструктивного выполнения трехфазного трансформатора, размещения фазных обмоток A и C на крайних стержнях магнитопровода, а фазы B на среднем стержне, выполненный в данном устройстве алгоритм первого такта включения фазных обмоток A и C на крайних стержнях происходит при отсутствии магнитного потока в среднем стержне и, соответственно, второй такт включения фазы B происходит с нулевым начальным значением индукции в среднем стержне и в этот момент времени начинается процесс протекания установившихся значений тока в фазах и магнитного потока в стержнях трехфазного трансформатора.
Как правило, по окончанию безударного включения трехфазного трансформатора производится шунтирование блока тиристоров с помощью трехполюсного выключателя с целью снижения потерь в блоке тиристоров и последующим включением трансформатора под нагрузку.
Источники известности:
1. Лурье А.И. Процесс включения трансформатора на холостой ход и короткое замыкание, ж-л «Электротехника», 2008 г., №2;
2. Патент РФ на полезную модель №109936. Устройство безударного включения трехфазного трансформатора.