УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ОДНОФАЗНЫХ И ТРЕХФАЗНЫХ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Заявляемое техническое решение относится к области силовой преобразовательной электротехники и является источником электропитания для проведения электрических испытаний внутренней изоляции приложенным и индуктированным напряжением, опытов холостого хода и короткого замыкания однофазных и трехфазных силовых трансформаторов. Используется преимущественно в мобильных установках для испытания силовых трансформаторов.
И известно устройство для испытаний трансформаторов (см. Патент на изобретение ФРГ №DE 102007059289 опубл. 28.07.2011, патентообладатель Maschinenfabrik Reinhausen GmbH) - [1], содержащее статический преобразователь частоты с несколькими выводами, связанными с фильтрующим устройством, имеющим также несколько выводов, связанных с согласующим трансформатором, к которому подключается испытуемый трансформатор. Фильтрующее устройство при этом включает в себя фильтрующий трансформатор, имеющий заземленный экран между первичной и вторичной обмотками, и соединенные в звезду конденсаторы с заземленной общей точкой.
Недостатком этого устройства являются значительные масса и габариты, препятствующие его исполнению в качестве мобильного устройства (при мощностях испытуемых трансформаторов в несколько сотен кВА).
Также известно устройство для высоковольтных испытаний трансформаторного и реакторного оборудования (см. Патент на полезную модель ФРГ №DE 202009017938 U1 опубл. 02.12.2010, заявитель PCS Power Converter Solutions Verwaltungs AG) - [2], содержащее разделительный трансформатор с электростатическим экраном между первичной и вторичной стороной, который заземлен, статический преобразователь частоты, фильтрующее устройство и согласующий трансформатор. Данное устройство, также как и заявляемое техническое решение, используется в мобильных установках для испытания силовых трансформаторов и реакторов.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является мобильное устройство (прототип) для испытания силовых трансформаторов большой мощности (см. New technologies for on-site testing of large power transformers, Alexander Winter, Andreas Thiede,HIGHVOLT Prueftechnik Dresden GMBH, 01139 Dresden, DE, статья депонирована в архиве ФГУП ВЭИ отчет №8914 от 09.12.2011) - [3]. В состав устройства входит статический преобразователь частоты, состоящий из фильтро-компенсирующего устройства, управляемого силового выпрямителя, трехфазного мостового инвертора напряжения и фильтрующего устройства. Также в состав прототипа входит согласующий повышающий трансформатор. Количество плеч трехфазного мостового инвертора напряжения, входящего в состав статического преобразователя частоты, равно трем, и, соответственно, количество выводов статического преобразователя частоты равно трем, каждый из которых является выводом средней точки соответствующего плеча мостового инвертора напряжения. В тексте статьи утверждается, что известное устройство можно использовать при испытании, как трехфазных, так и однофазных силовых трансформаторов.
Недостатком данного устройства является неэффективное использование его силовых полупроводниковых элементов в режиме испытания однофазного силового трансформатора, так как в этом режиме возможно использовать только два из трех плеч мостового инвертора напряжения. Следствием этого является уменьшение максимальной полной мощности, которую обеспечивает устройство при испытании однофазного силового трансформатора в сравнении с режимом испытания трехфазного силового трансформатора, когда используются все три плеча мостового инвертора напряжения.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в создании устройства, в котором увеличена эффективность использования его силовых полупроводниковых элементов в сравнении с прототипом при испытании однофазного силового трансформатора.
При решении поставленной технической задачи достигнут технический результат, который заключается в увеличении в сравнении с прототипом уровня обеспечиваемой устройством максимальной полной мощности при испытании однофазного силового трансформатора до величины 87% от уровня обеспечиваемой устройством максимальной полной мощности при испытании трехфазного силового трансформатора, при условии что прототип и заявляемое устройство обеспечивают равную максимальную полную мощность в режиме испытания трехфазного силового трансформатора. При обеспечении устройством-прототипом и заявляемым устройством равной максимальной полной мощности в режиме испытания однофазного силового трансформатора, заявляемое устройство будет рассчитано на меньшую максимальную полную мощность в режиме испытания трехфазного силового трансформатора в сравнении с устройством-прототипом, то есть на меньшую установленную мощность. Следствием этого является меньшее значение масса-габаритных параметров заявляемого устройства в сравнении с устройством-прототипом.
В соответствии с предложенным техническим решением указанная задача решается тем, что в устройстве для проведения электрических испытаний однофазных и трехфазных силовых трансформаторов, содержащем статический преобразователь частоты, состоящий из силового выпрямителя и трехфазного автономного инвертора напряжения с подключенным к нему фильтрующим устройством, имеющим реакторы, конденсаторные батареи и несколько выводов, и согласующий трансформатор, первичная обмотка которого подключена к фильтрующему устройству, а вторичная обмотка подключена к подлежащему испытанию трансформатору, согласно заявляемому техническому решению трехфазный инвертор содержит, по меньшей мере, шесть или кратное шести число инверторных плеч, а фильтрующее устройство содержит шесть реакторов, три конденсаторные батареи и четыре вывода; причем вход первого реактора подключен к средней точке первого инверторного плеча, вход второго реактора подключен к средней точке второго инверторного плеча, вход третьего реактора подключен к средней точке третьего инверторного плеча, вход четвертого реактора подключен к средней точке четвертого инверторного плеча, вход пятого реактора подключен к средней точке пятого инверторного плеча, вход шестого реактора подключен к средней точке шестого инверторного плеча, вывод первого реактора подключен к первому выводу фильтрующего устройства, выводы второго и третьего реакторов подключены ко второму выводу фильтрующего устройства, выводы четвертого и пятого реакторов подключены к третьему выводу фильтрующего устройства, вывод шестого реактора подключен к четвертому выводу фильтрующего устройства; к первому и второму выводам фильтрующего устройства подключена первая конденсаторная батарея, к второму и третьему выводам фильтрующего устройства подключена вторая конденсаторная батарея, к третьему и четвертому выводам фильтрующего устройства подключена третья конденсаторная батарея, кроме того к первому выводу фильтрующего устройства подключен первый вывод первого коммутирующего устройства, к четвертому выводу фильтрующего устройства подключен второй вывод первого коммутирующего устройства, к первому выводу фильтрующего устройства подключен первый вывод второго коммутирующего устройства, к третьему выводу фильтрующего устройства подключен второй вывод второго коммутирующего устройства, ко второму выводу фильтрующего устройства подключен первый вывод третьего коммутирующего устройства, к четвертому выводу фильтрующего устройства подключен второй вывод третьего коммутирующего устройства.
Применение в составе заявляемого устройства шести инверторных плеч в отличие от устройства-прототипа, где используются три инверторных плеча, а также трех коммутирующих устройств, позволяет включать в работу устройства все силовые полупроводниковые элементы и, соответственно, все шесть инверторных плеч и соответствующие им реакторы фильтрующего устройства, как в режиме испытания трехфазного силового трансформатора, так и в режиме испытания однофазного силового трансформатора. В результате при переходе в режим испытания однофазного силового трансформатора уменьшение максимальной обеспечиваемой полной мощности заявляемого устройства незначительно. В прототипе в режиме испытания однофазного силового трансформатора количество используемых инверторных плеч ограничено двумя, поэтому при переходе в режим испытания однофазного силового трансформатора уменьшение его максимальной обеспечиваемой полной мощности значительно.
Сопоставление предлагаемого устройства для проведения электрических испытаний однофазных и трехфазных силовых трансформаторов с уровнем техники и отсутствие аналогичного технического решения в известных источниках информации позволяют сделать вывод о соответствии предлагаемого устройства критерию «новизна».
Для пояснений представлены следующие чертежи:
Фиг.1 - принципиальная схема устройства для проведения электрических испытаний однофазных и трехфазных силовых трансформаторов в статическом состоянии;
Фиг.2 - принципиальная схема устройства с соединениями при проведении электрических испытаний трехфазных силовых трансформаторов;
Фиг.3 - принципиальная схема устройства с соединениями при проведении электрических испытаний однофазных силовых трансформаторов;
Фиг.4 - принципиальная схема инверторного плеча по полумостовой схеме;
Фиг.5 - принципиальная схема инверторного плеча по трехуровневой схеме.
Устройство в его статическом состоянии показано на фиг.1.
Устройство на фиг.1 содержит статический преобразователь 1 частоты, состоящий из силового выпрямителя 2 и трехфазного автономного инвертора напряжения, состоящего из шести инверторных плеч 3, 4, 5, 6, 7, 8. Каждое из шести инверторных плеч 3, 4, 5, 6, 7, 8 может быть образовано из двух и более параллельно включенных инверторных плеч в зависимости от мощности заявляемого устройства и токовой загрузки силовых ключевых полупроводниковых элементов инвертора, например, силовой биполярный транзистор с изолированным затвором. Средние точки инверторных плеч 3, 4, 5, 6, 7, 8 образуют выводы 9, 10, 11, 12, 13, 14 статического преобразователя 1 частоты, к которым подключено фильтрующее устройство 15, содержащее реакторы 16, 17, 18, 19, 20, 21 и конденсаторные батареи 22, 23, 24, и имеющее несколько выводов 25, 26, 27, 28. Между первым выводом 25 и четвертым выводом 28 фильтрующего устройства 15 подключено первое коммутирующее устройство 29, между первым выводом 25 и третьим выводом 27 фильтрующего устройства 15 подключено второе коммутирующее устройство 30, между вторым выводом 26 и четвертым выводом 28 фильтрующего устройства 15 подключено третье коммутирующее устройство 31. Коммутирующие устройства 29, 30, 31 предназначены для коммутации соответствующих выводов 25, 26, 27, 28 фильтрующего устройства 15 для переключения между режимами испытания однофазного и трехфазного силовых трансформаторов. В зависимости от типа испытуемого трансформатора 32 (однофазного или трехфазного) используется, соответственно, однофазный или трехфазный согласующий трансформатор 33. Согласующий трансформатор 33 может быть выполнен с отпайками от его обмоток, соответствующее использование которых позволяет получить требуемый уровень выходного напряжения устройства. К выводам 25, 26, 27 фильтрующего устройства 15 при необходимости может быть подключено фильтрующее устройство 34 радиопомех, имеющее несколько выводов 35, 36, 37, к которым подключается первичная обмотка согласующего трансформатора 33, вторичная обмотка которого служит для подключения подлежащего испытанию трансформатора 32.
На фиг.1 приведена схема устройства для проведения испытания трехфазного силового трансформатора 32 и использования трехфазного согласующего трансформатора 33. Инверторные плечи 3, 4, 5, 6, 7, 8 статического преобразователя 1 частоты могут быть выполнены по полумостовой схеме, как показано на фиг.4 или по трехуровневой схеме, как показано на фиг.5. Коммутирующие устройства 29, 30, 31 могут быть выполнены в виде токопроводящих перемычек для ручного переключения устройства на монтажном поле между режимами испытания однофазного и трехфазного силовых трансформаторов. Коммутирующие устройства 29, 30, 31 могут быть также выполнены в виде электрических контакторов для автоматизированного переключения между режимами испытания однофазного и трехфазного силовых трансформаторов.
Устройство работает следующим образом.
d
d
ф.ном.
ф.ном.
ф.ном
ф.ном
3ф
d
ф.ном
При испытании трехфазного силового трансформатора 32, как показано на фиг.2, первое коммутирующее устройство 29 соединяет выводы 25, 28 фильтрующего устройства 15. Второе коммутирующее устройство 30 и третье коммутирующее устройство 31 находятся в разомкнутом состоянии. Силовой выпрямитель 2 в составе статического преобразователя 1 частоты формирует на выходе постоянное напряжение U, которое преобразуется с помощью шести инверторных плеч 3, 4, 5, 6, 7, 8 статического преобразователя 1 частоты в переменное трехфазное напряжение на выводах 25, 26, 27 фильтрующего устройства 15 путем отпирания и запирания силовых ключевых полупроводниковых элементов, входящих в состав инверторных плеч 3, 4, 5, 6, 7, 8, по алгоритму широтно-импульсной модуляции для трехфазного инвертора напряжения, первая фаза которого образована инверторными плечами 3, 8, соединенными параллельно, вторая фаза - инверторными плечами 4, 5, постоянно соединенными параллельно, третья фаза - инверторными плечами 6, 7, также постоянно соединенными параллельно. Отпирание и запирание силовых ключевых полупроводниковых элементов инверторных плеч 3, 8 происходит синхронно, отпирание и запирание силовых ключевых полупроводниковых элементов инверторных плеч 4, 5 происходит синхронно, и отпирание и запирание силовых ключевых полупроводниковых элементов инверторных плеч 6, 7 происходит также синхронно. Фильтрующее устройство 15 осуществляет фильтрацию выходного напряжения статического преобразователя 1 частоты, сформированного методом широтно-импульсной модуляции. Фильтрующие конденсаторные батареи 22, 23, 24 фильтрующего устройства 15 соединены по схеме треугольника между выводами 25, 26, 27. Фильтрующее устройство 34 радиопомех в случае его использования осуществляет фильтрацию напряжения на выводах 25, 26, 27 от высокочастотных помех, а трехфазный согласующий трансформатор 33 осуществляет повышение выходного напряжения между выводами 35, 36, 37 фильтрующего устройства 34 радиопомех до требуемого уровня испытательного напряжения для испытуемого трехфазного силового трансформатора 32. В случае отсутствия необходимости использования фильтрующего устройства 34 радиопомех трехфазный согласующий трансформатор 33 подключен первичной обмоткой непосредственно к выводам 25, 26, 27 фильтрующего устройства 15 и осуществляет повышение выходного напряжения фильтрующего устройства 15 между выводами 25, 26, 27 до требуемого уровня испытательного напряжения для испытуемого трехфазного силового трансформатора 32. Величина максимального линейного амплитудного значения напряжения на выводах 25, 26, 27 фильтрующего устройства 15 составляет U. Максимальное эффективное значение фазного тока через вывод 26 фильтрующего устройства 15 равно I Максимальное эффективное значение фазного тока через вывод 27 фильтрующего устройства 15 равно I Максимальное эффективное значение суммарного тока через вывод 25 и вывод 28 фильтрующего устройства 15 равно I. Инверторные плечи 3, 4, 5, 6, 7, 8 работают попарно параллельно 3 и 8, 4 и 5, 6 и 7, и реакторы 16, 17, 18, 19, 20, 21 фильтрующего устройства 15 также работают попарно параллельно 16 и 21, 17 и 18, 19 и 20. Поэтому максимальное эффективное значение тока, на который рассчитаны силовые ключевые полупроводниковые элементы статического преобразователя 1 частоты и реакторы 16, 17, 18, 19, 20, 21 фильтрующего устройства 15 составляет I/2. Максимальная полная мощность S, которую обеспечивает статический преобразователь 1 частоты и, соответственно, устройство для проведения электрических испытаний однофазных и трехфазных силовых трансформаторов при испытании трехфазного силового трансформатора составляет U*I*√3/√2.
d
d
ф.ном
ф.ном
ф.ном
1ф
d
ф.ном
1ф
3ф
1ф
3ф
При испытании однофазного силового трансформатора 32, как показано на фиг.3, второе коммутирующее устройство 30 соединяет выводы 25, 27 фильтрующего устройства 15, а третье коммутирующее устройство 31 соединяет выводы 26, 28 фильтрующего устройства 15. Первое коммутирующее устройство 29 находится в разомкнутом состоянии. Силовой выпрямитель 2 в составе статического преобразователя 1 частоты формирует на выходе постоянное напряжение U, которое преобразуется с помощью шести инверторных плеч 3, 4, 5, 6, 7, 8 статического преобразователя 1 частоты в однофазное переменное напряжение между выводами 26, 27 фильтрующего устройства 15 путем отпирания и запирания в необходимой последовательности силовых ключевых полупроводниковых элементов, входящих в состав инверторных плеч 3, 6, 7 и 4, 5, 8, по алгоритму широтно-импульсной модуляции для однофазного инвертора напряжения. При этом инверторные плечи 3, 6, 7 соединены параллельно, а отпирание и запирание их силовых ключевых полупроводниковых элементов происходит синхронно, также инверторные плечи 4, 5, 8 соединены параллельно, а отпирание и запирание их силовых ключевых полупроводниковых элементов происходит синхронно. Фильтрующее устройство 15 осуществляет фильтрацию выходного напряжения статического преобразователя 1 частоты, сформированного методом широтно-импульсной модуляции. Конденсаторные батареи 22, 23, 24 фильтрующего устройства 15 соединены параллельно между выводами 26, 27. Фильтрующее устройство 34 радиопомех в случае его использования осуществляет фильтрацию напряжения на выводах 26, 27 от высокочастотных помех, а однофазный согласующий трансформатор 33 осуществляет повышение выходного напряжения между выводами 36, 37 фильтрующего устройства 34 радиопомех до требуемого уровня испытательного напряжения для испытуемого однофазного силового трансформатора 32. В случае отсутствия необходимости использования фильтрующего устройства 34 радиопомех однофазный согласующий трансформатор 33 подключен первичной обмоткой непосредственно к выводам 26, 27 фильтрующего устройства 15 и осуществляет повышение выходного напряжения фильтрующего устройства 15 между выводами 26, 27 до требуемого уровня испытательного напряжения для испытуемого однофазного силового трансформатора 32. Величина максимального эффективного значения напряжения между выводами 26, 27 фильтрующего устройства 15 составляет U/√2. Максимальное эффективное значение тока, на который рассчитаны силовые ключевые полупроводниковые элементы статического преобразователя 1 частоты и реакторы 16, 17, 18, 19, 20, 21 фильтрующего устройства 15 составляет I/2. Инверторные плечи 3, 4, 5, 6, 7, 8 работают параллельно по три плеча 3, 6, 7 и 4, 5, 8, и реакторы 16, 17, 18, 19, 20, 21 фильтрующего устройства 15 работают параллельно по три реактора 16, 19, 20 и 17, 18, 21. Максимальное эффективное значение суммарного тока через вывод 26 и вывод 28 фильтрующего устройства 15 равно I(3/2). Также максимальное эффективное значение суммарного тока через вывод 25 и вывод 27 фильтрующего устройства 15 равно I(3/2). Максимальная полная мощность S, которую обеспечивает статический преобразователь 1 частоты и, соответственно, устройство для проведения электрических испытаний однофазных и трехфазных силовых трансформаторов при испытании однофазного силового трансформатора составляет U*I 3/(2√2). Из вышесказанного следует, что в заявляемом устройстве отношение значения максимальной полной мощности S, которую обеспечивает статический преобразователь частоты при испытании однофазного силового трансформатора, к значению максимальной полной мощности S, которую обеспечивает статический преобразователь частоты при испытании трехфазного силового трансформатора, составляет S/S=√3/2=0.87.
3ф
ф.ном
d
3ф
d
ф.ном
1ф
ф.ном
d
1ф
d
ф.ном
1ф
3ф
d
ф.ном
d
ф.ном
1ф
3ф
В прототипе при проведении электрических испытаний трехфазного силового трансформатора используются три фазных вывода статического преобразователя частоты, при этом максимальная полная мощность S, которую обеспечивает статический преобразователь частоты при номинальном эффективном значении фазного тока I, на которое рассчитаны силовые ключевые полупроводниковые элементы (например, силовой биполярный транзистор с изолированным затвором) статического преобразователя частоты, и напряжении звена постоянного тока U, равна S=U*I*√3/√2. В случае, когда требуется провести испытания однофазного силового трансформатора, в прототипе возможно использовать только два фазных вывода статического преобразователя частоты из трех, при этом максимальная полная мощность S, которую обеспечивает статический преобразователь частоты при номинальном эффективном значении фазного тока I, на которое рассчитаны силовые ключевые полупроводниковые элементы статического преобразователя частоты, и напряжении звена постоянного тока U равна S=U*I*1/√2. Отсюда отношение величин максимальных полных мощностей S/S=(U*I*1/√2)/(U*I*√3/√2)=1/√3=0.58, которые обеспечивает статический преобразователь частоты прототипа при испытании однофазного и трехфазного силовых трансформаторов, равно S/S=1/√3=0.58.
m
m2
m
m
m2
m
m
m
ф.ном
ф.ном
ф.ном
ф.ном
В сравнении с прототипом заявляемое устройство обеспечивает большее значение максимальной полной мощности при испытании однофазного силового трансформатора при равном значении максимальной полной мощности, обеспечиваемой при испытании трехфазного силового трансформатора, то есть при равной установленной мощности. А в случае, когда прототип и заявляемое устройство должны обеспечивать равную максимальную полную мощность величиной S для испытания однофазного силового трансформатора, заявляемое устройство должно быть рассчитано на максимальную полную мощность в трехфазном режиме (т.е. при испытании трехфазного силового трансформатора) S=S*2/√3=S*1.15. В прототипе этот параметр составляет S=S*√3=S*1.73. Это показывает, что при одинаковой требуемой максимальной полной мощности величиной S для испытания однофазного силового трансформатора установленная мощность (то есть максимальная полная мощность, которую обеспечивает устройство в режиме испытания трехфазного силового трансформатора) заявляемого устройства меньше установленной мощности прототипа в 1.73/1.15=1.5 раза. При этом использование в составе заявляемого устройства шести инверторных плеч, рассчитанных на ток I/2, эквивалентно по количеству силовых ключевых полупроводниковых элементов использованию в прототипе трех инверторных плеч, рассчитанных на ток I, так как при построении мощных силовых преобразователей для обеспечения пропускания через силовые ключевые полупроводниковые элементы тока I часто применяется параллельное включение силовых ключевых полупроводниковых элементов рассчитанных на ток I/2. Отсюда меньшее значение установленной мощности заявляемого устройства в 1.5 раза в сравнении с прототипом позволяет выполнить заявляемое устройство с меньшими массой и габаритами.
Таким образом, при вышеуказанном исполнении заявляемого устройства обеспечивается выполнение основных функций устройства для проведения электрических испытаний однофазных и трехфазных силовых трансформаторов.
Исходя из вышеизложенного, в предложении решена задача создания устройства, в котором получена высокая эффективность использования его элементов при испытаниях однофазных силовых трансформаторов.