УЛУЧШЕННЫЙ 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. Для передачи электроэнергии на большие расстояния используется высокое напряжение (110 кВ и выше), что делает невозможным стабилизацию напряжения в сетях путем преобразования его частоты и напряжения. В России и многих других странах действуют единые электроэнергетические системы, объединяющие разные регионы и источники электроэнергии. Управление потоками мощности, их распределением по сети и стабилизация параметров (в том числе и напряжения) является сложной задачей решаемой оперативным персоналом диспетчерской службы путем управления узловыми точками (подстанциями), что позволяет обеспечить не только распределение, но и поддержание параметров электроэнергии.
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 на отводах трансформатора 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]. Известен пример для использования этого эффекта для управления накалом мощной лампы звезды на Красной площади, где замкнутая накоротко катушка перемещалась вдоль стержня со вторичной обмоткой, и перекрывала часть его витков, вытесняя из них магнитной поток, что вело к снижению коэффициента трансформации  силового трансформатора и позволило регулировать яркость подсветки [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. В близи 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. Как упоминалось выше, предлагаемое решение может быть использовано и при передаче электроэнергии на дальние расстояния.
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. 1 изображен внешний вид магнитопровода трансформатора предлагаемого решения. Видно, что в конструкцию входят стержни, каждый из которых соответствует одной из трех фаз питающего напряжения, кроме того, в конструкции магнитопровода есть ярмо [4], для создания замкнутого пути для протекания магнитного потока возбуждения, создаваемого входной обмоткой. Также показаны шунтирующие стержни, установленные поперек оси основных стержней и замыкающие часть магнитного потока на себя, сечение основных стержней больше на сечение шунтирующих стержней в той части, которая соответствует месту установки катушек входной обмотки для исключения насыщения ферромагнитного материала.
На фиг. 2 показан внешний вид трехфазного трансформатора в сборе с установленными катушками первичной обмотки и вторичной (выходной) обмотки. Катушки каждой обмотки трехфазного трансформатора соединены в “звезду” для создания трехфазной системы напряжений [3, 4]. Напряжение выходной обмотки отличается от питающего напряжения 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. Однако уровни напряжения как в распределительных сетях, так и на подстанциях в близи от потребителей имеют значительные уровни, достигающие десятков и сотен киловольт, что исключает использование полупроводниковой техники.
На фиг. 2 также показано наличие дополнительных, управлявших катушек, установленных на шунтирующих стержнях. Указанные катушки могут быть изготовлены с малым числом витков (вплоть до одного), так как это позволяет снизить уровень коммутируемого на них напряжения, а кроме того, увеличить сечение провода - а значит, уменьшить потери на токах.
Следует обратить внимание, что шунтирующие стержни установлены в просветах (интервалах) между катушками входной и выходной обмоток, что и обеспечивают шунтирование части магнитного потока. Магнитный поток возбуждения, создаваемый входной обмоткой, расщепляется на основные и шунтирующие стержни. Таким образом, осуществляется отбор магнитного потока. 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 электрическая схема предлагаемого решения, в обобщенном виде. На рисунке видно, что на основные стержни трехфазного трансформатора установлены катушки первичной и вторичной обмоток, а также в просветах между основными стержнями установлены шунтирующие стержни с расположенными на каждом из них шунтирующими обмотками. Выход каждой обмотки подключен к контакту соответствующего ей 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 предлагаемого решения. В случае замыкания контактов реле, ток короткозамкнутого витка вытесняет основной поток из дополнительного стержня, что известно из основ ТОЭ [3] по самоиндукции катушки, подключенной к нагрузке.
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.
Известное из уровня техники [5] решение обеспечило эффективность, удовлетворившую заказчика подсветки звезды на Красной площади.
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 потери не выше 1-2% от мощности.
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 шунтирующих стержней. Уменьшение сечения дает снижение глубины регулирования выходного напряжения. Само управление реле обеспечивается внешним оперативным персоналом, в том числе при использовании дистанционного управления из общей диспетчерской. Таким образом, система управления не входит в состав предлагаемого решения, поскольку регулирование в сетях централизовано для согласования потоков мощности. Такое управление может быть и автоматизировано, но в любом из вариантов регулирование напряжения в узлах сети осуществляется с учетом текущей оперативной обстановки, с подачей управляющего сигнала на реле.
В случае потери управления (то есть и снятие сигнала с обмотки реле) произойдет расщепление магнитного потока возбуждения входной обмотки в шунтирующие стержни, и таким образом, отбор от выходной обмотки, что приведет к падению наводимой там ЭДС, и снижению напряжения в нагрузке на потребителях. Это говорит о безопасности внедрения для потребителей.
Заявляемая полезная модель является новым решением, имеющим следующие принципиальные отличия от основного прототипа:
используется трехфазный трансформатор, имеющий большую площадь сечения основных стержней под входной обмоткой;
катушки входной и выходной обмоток выполняются раздельно;
магнитопровод трансформатора оснащен двумя шунтирующими магнитный поток стержнями, в поперечной плоскости;
шунтирующие стержни установлены между катушками входной и выходной обмоток.
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 магнитопровод трехфазного трансформатора предлагаемого улучшенного многофазного стабилизатора. Здесь 1 - основной стержень, 2 - ярмо, 3 - шунтирующий стержень. На фиг. 2 изображен внешний вид трехфазного трансформатора предлагаемого улучшенного многофазного стабилизатора в сборе. Здесь 4 - катушка входной обмотки, 5 - катушка выходной обмотки, 6 - управляющая катушка. На фиг. 3 изображена принципиальная схема предлагаемого улучшенного 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.
2. Зиновьев Г.С. Силовая электроника.  - М.: Юрайт, 2012.
3. Фрумкин А.М. Теоретические основы электротехники. - М.: Высшая школа, 1982.
4. Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов. М: Альянс, 2013.
Регулятор накала. Техника-молодежи, 1941-02, с.48.