СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ГРУППОВОГО ПОТРЕБИТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использовано в электроприводах и электротехнологиях, в производствах с территориально как сосредоточенными, так и разнесенными групповыми потребителями, а также при системном подходе к проектированию систем электроснабжения близко расположенных производств.
Известна система многодвигательного электропривода переменного тока, характеризуемая использованием большого числа однотипных электрических машин, например, газовых центрифуг (см. стр. 14.... 17 в статье Тарасова В.Н. Анализ состояния и направлений развития систем электропитания и электропривода газовых центрифуг // Автоматизация и прогрессивные технологии:
Труды 111 межотраслевой научно-технической конференции (11-13 ноября 2002 г.). - Новоуральск: Изд-во НГТИ. - 2002. -490 с ), которые сгруппированы в секции до тысячи машин и более. Причем эти секции рассредоточены на территории большой протяженности. Питание секций многодвигательного электропривода при этом осуществляется от однотипных статических преобразователей частоты, которые выполняются одинаковыми. На такого рода технологической линии их может быть от нескольких десятков до нескольких сотен. Преобразователи частоты содержат два последовательно включенных звена: звено постоянного тока - выпрямитель, выполненный по 3-х фазной мостовой схеме, и звено переменного тока - 3-х фазный инвертор тока.
Однако такая система имеет пониженное значение входного коэффициента мощности на входном фидере производственного объекта.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой полезной модели является система электроснабжения группового потребителя (см. стр.
242 статьи Липанова В.М., Новикова Н.Н., Шутько В.Ф. Математическая модель электрической подсистемы электропривода буровой установки постоянного тока // Автоматизация и прогрессивные технологии: Труды Ш межотраслевой научно-технической конференции (11-13 ноября 2002 г.). - Новоуральск: Изд-во НГТИ. 2002. - 490 с.), которая содержит равное количество гальванически развязанных секций-потребителей одинаковой мощности и преобразующих каналов, причем каждый из каналов включает в себя трехфазный мостовой выпрямитель, вход которого подключен к выходу трансформаторного узла, а вход последнего соединен со входными выводами системы. Трехфазная первичная и трехфазная вторичные обмотки трансформаторного узла размещены на общем (трехстержневом) магнитопроводе. Выход каждого трехфазного мостового выпрямителя подключен к одной из секций-потребителей. Потребляемый такой системой электроснабжения сетевой ток имеет большие искажения (с коэффициентом гармоник более 30%). Поэтому для улучшения входного коэффициента мощности параллельно первичной обмотке трехфазного трансформатора подключают фазокомпенсирующее устройство.
Недостатком такого решения является, во-первых, пониженные технические характеристики в динамике (при сбросах, набросах нагрузки), во-вторых, большая материалоемкость системы. Кроме того, поскольку трансформаторный узел является общим, то такая организация системы электроснабжения, относящаяся, по сути, к централизованному типу, характеризуется пониженным показателем надежности, так как выход трансформаторного узла из строя приводит к прекращению функционирования всех потребителей.
Технической задачей изобретения является снижение материалоемкости системы электроснабжения, путем повышения входного коэффициента мощности и надежности.
Это достигается тем, что известная система электроснабжения группового потребителя, содержащая равное количество гальванически развязанных секций-потребителей одинаковой мощности и преобразующих каналов, каж-
дый из каналов включает в себя трехфазный мостовой выпрямитель, вход которого подключен к выходу трехфазного трансформаторного узла, а вход последнего соединен со входными выводами системы, снабжена дополнительным преобразующим каналом, содержащим трехфазный мостовой выпрямитель, трансформаторный узел выполнен в виде фазосдвигающего трансформатора, первичная и вторичная обмотки которого выполнены по разным схемам соединения, например, "звезда" и "треугольник".
1
11
1
В другом варианте выполнения известная система электроснабжения группового потребителя, содержащая равное количество гальванически развязанных секций-потребителей одинаковой мощности и преобразующих каналов, причем каждый из каналов включает в себя трехфазный мостовой выпрямитель, вход которого подключен к выходу трехфазного трансформаторного узла, а вход последнего соединен со входными выводами системы, снабжена дополнительным преобразующим каналом, содержащим трехфазный мостовой выпрямитель, трансформаторный узел выполнен в виде двух фазосдвигающих трансформаторов, при этом одна из его трехфазных обмоток, например, вторачная, выполнена в виде двух комплектов с числами витков W и W, причем в одном фазосдвигающем трансформаторе обмотки соединены по схеме "прямой зигзаг", в другом - по схеме "обратный зигзаг", а числа витков W и W" этих двух комплектов трехфазных обмоток находятся между собой в соотношении
В третьем варианте выполнения известная система электроснабжения группового потребителя, содержащая равное количество гальванически развязанных секций-потребителей одинаковой мощности и преобразующих каналов, причем каждый из каналов включает в себя трехфазный мостовой выпрями-
1
11
11
тель, вход которого подключен к выход трехфазного трансформаторного узла, а вход последнего соединен со входными выводами системы, снабжена дополнительным преобразующим каналом, содержащим трехфазный мостовой выпрямитель, трансформаторный узел выполнен в виде трех фазосдвигающих трансформаторов, в одном из которых, первичная и вторичная обмотки выполнены по разным схемам соединения, например, "звезда" и "треугольник", а в двух других фазосдвигающих трансформаторах одна из обмоток, например, первичная, выполнена в виде двух комплектов с числами витков W и W, причем в одном из двух фазосдвигающих трансформаторов они соединены по схеме "прямой зигзаг", в другом -по схеме "обратный зигзаг", а числа витков W' и W этих двух комплектов 3-х фазных обмоток находятся между собой в соотношении
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на
фиг.1 представлена двухканальная система электроснабжения с выходом постоянного тока с использованием развязывающе-согласующего трансформатора в первом канале;
фиг.2 показана двухканальная система электроснабжения с выходом постоянного тока с векторными диаграммами поясняющими формирование трехфазных напряжений каналов и их входных токов;
фиг.3 приведены временные диаграммы работы двухканальной системы электроснабжения с выходом постоянного тока;
фиг.4 показана трехканальная система электроснабжения с выходом постоянного тока с векторными диаграммам, поясняющими формирование входных токов, потребляемых от сети;
фиг.5 изображены временные диаграммы процессов формирования то-
ков каналов и общего входного тока в трехканальной системе;
фиг.6 представлена четырехканальная система электроснабжения с выходом постоянного тока;
фиг.7 приведены временные диаграммы процессов формирования токов каналов и потребляемого из сети результирующего тока в четырехканальной системе и векторные диаграммы, поясняющие образование фазовых сдвигов трехфазных напряжений в каналах.
Система электроснабжения содержит, подключенный к питающей трехфазной сети ("А", "В", "С") через развязывающе-согласующий трансформатор 1 с первичной 2 и вторичной 3 обмотками, первый мостовой выпрямитель 4, нагруженный на потребитель 5 постоянного тока, а также, подключенный через фазосдвигающий трансформатор 6 с первичной 7 и вторичной 8 обмотками, второй мостовой выпрямитель 9, нагруженный на потребитель 10. Первичную 2 и вторичную 3 обмотки трансформатора 1 выполняют по одной и той же схеме (- или "звезда", или "треугольник"), что обеспечивает по обоим каналам гальваническую развязку потребителей от сети. Первичную обмотку 7 и вторичную обмотку 8 фазосдвигающего трансформатора 6 выполняют по разным схемам, первичную, например, по схеме "треугольник", а вторичную по схеме "звезда".
Во втором варианте число потребителей, а, значит, и число преобразующих каналов-мостовых выпрямителей равно трем. Мостовой выпрямитель 11 первого преобразующего канала нагружен на потребитель 12 и подключен к сети непосредственно или через развязывающе-согласующий трансформатор 13 с первичной 14 и вторичной 15 обмотками, выполненными по одной и той же схеме, например, "звезда". Мостовой выпрямитель 16 второго преобразующего канала нагружен на потребитель 17, к сети подключен через фазосдвигающий трансформатор 18, вторичную 19 (или первичную) обмотки которого выполняют по схеме "прямой зигзаг", а первичную - 20 (или вторичную) об-
мотку - по схеме "звезда". Мостовой выпрямитель 21 третьего преобразующего канала нагружен на потребитель 22, и к сети подключен через фазосдвигаю-щий трансформатор 23, вторичная 24 (или первичная) обмотка которого выполнена по схеме "обратный зигзаг", а первичная 25 (или вторичная) обмотка по схеме "звезда".
1
11
Вторичные обмотки 19, 24 двух фазосдвигающих трансформаторов 18, 23 выполнены в виде двух комплектов, числа витков W2 и W2 которых выбраны в соответствии с соотношением  и соединены по схемам  "прямой зигзаг" и "обратный зигзаг" соответственно.
A1
B1
C1
A2
B2
C2
A3
B3
C3
A4
B4
C4
В третьем варианте число потребителей, а, значит, и число преобразующих каналов - мостовых выпрямителей равно четырем и требуется гальваническая развязка всех четырех потребителей 26, 27, 28, 29 от сети. Система электроснабжения содержит 4 трансформатора. Трансформатор 30 первого канала выполняет лишь функции гальванической развязки и согласования уровней напряжения. Использование трех фазосдвигающих трансформаторов 31, 32, 33, которые одновременно выполняют и функции гальванической развязки и усиления, создают последовательный фазовый сдвиг на необходимый угол π/12 между четырьмя трехфазными системами напряжений U, U, U; U, U, U; U, U, U; U, U, U, которые подают на входы 3-фазных мостовых выпрямителей 34, 35, 36, 37.
Система работает следующим образом
A
A
C
A
B
C
AC
11
11
11
1
1
1
1
11
В первом варианте трехфазная система напряжений U , U , U второго канала, подается на вход выпрямителя 9 и за счет фазосдвигающего трансформатора 6 оказывается сдвинутой по фазе относительно сетевой трехфазной системы напряжений U , U , U  первого канала на угол π/6. Формы фазных токов iA и i , потребляемых каждым из мостовых выпрямителей 4 и
1
11
A
AC
Г(i)
Г(i)
9, соответственно, и общий ток i  + i  показаны на диаграммах. Коэффициент гармоник общего тока равен К=0,152 против значения этого показателя K=0,31 в каналах. Ток, потребляемый выпрямителем 9, для первичной обмотки трансформатора 7 линейный, а для сети -фазный.
1
11
111
AW2
AW2
AW2
A
A
Г
1
Г
1
Во втором варианте, как показано на временных диаграммах, фазные напряжения А1, В1, С1; А2, В2, С2; A3, В3, С3 подают на входы выпрямителей каждого из трех каналов. Мгновенные значения потребляемых каждым каналом из сети фазных токов обозначены как i , i , i . Потребляемый тремя каналами общий ток 1 имеет пять (на 1/4 периода) уровней (в относительных единицах) квантования, включая нулевой. Коэффициент гармоник тока i здесь уже равен K(i)=0,101, т.е. в три раза меньше, чем этот же показатель K(i) в каждом канале. Формирование напряжений каналов и их входных токов пояснено векторными и временными диаграммами.
1
+
11
1
11
1
11
1A
1А
АС
В третьем варианте выполнения первый преобразующий канал с последовательно включенными трехфазным мостовым выпрямителем 34 и развязывающе-согласующим трансформатором 30 и второй преобразующий канал с последовательно включенными 3-х фазным мостовым выпрямителем 35 и фазосдвигающим трансформатором 31, обслуживающие потребители 26, 27, выполнены аналогично первому варианту. Поэтому потребляемый этими двумя каналами суммарный ток i  i  имеет такой же вид, как и ток iA+i . Третий же и четвертый преобразующие каналы, выполненные в виде попарно последовательно включенных трехфазных мостовых выпрямителей 36, 37 и фазосдвигающих трансформаторов 32, 33, обслуживающие потребители 28, 29, схемотехнически выполнены так же, как и второй и третий преобразующие каналы во втором варианте системы электроснабжения обслуживающие потребители 17, 22. Однако числа витков вторичных обмоток W2 и W2 фазосдвигающих трансформаторов 32, 33 здесь находятся в другом соотношении:
111
1V
1
11
111
1V
1А
1A
Г(i)
АС
1А
1A
Г(i)
1
2
3
4
Формы суммарного тока i +i1  (с К=0,152), потребляемого третьим и четвертым каналами, а также суммарного тока iA+i  + i +i1  (с К<0,08), потребляемого всеми четырьмя каналами, показаны на временных диаграммах. Образование фазовых сдвигов напряжений каналов (A, А, А, А) поясняется векторной диаграммой.
2(1)
2(1)
Для сохранения высокого значения входного коэффициента мощности системы электроснабжения и за счет второй его составляющей - cosφ (где φ - фазовый угол сдвига между основными гармониками входных напряжения и результирующего тока системы) функция регулирования уровней выходного напряжения выпрямителей должна осуществляться современными средствами:
- либо с помощью импульсного регулятора в цепи постоянного тока выпрямителей - для системы электроснабжения с выходом постоянного тока;
- либо в инверторном звене - для системы электроснабжения с выходом переменного тока.
Использование полезной модели обеспечивает минимальные искажения потребляемого выпрямителями из сети суммарного тока, во всех вариантах ее исполнения и, в частности, если потребители однотипны по своей физической сущности, одинаковы по мощности и одновременно функционируют.