УСТРОЙСТВО ТОКОВОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ ТРЕХФАЗНОГО ИСТОЧНИКА НАПРЯЖЕНИЯ

Предлагаемое решение относится к области электротехники и может быть использовано для создания статизма внешней характеристики трехфазного источника напряжения переменного тока, например, синхронного генератора, по реактивному току в различных системах автоматического регулирования напряжения путем воздействия на регулятор напряжения этого источника. Благодаря этому обеспечивается равномерное распределение реактивных токов между источниками, включенными на параллельную работу.
Известно устройство токовой стабилизации, содержащее включенный в одну из фаз источника напряжения трансформатор тока, вторичная обмотка которого, представляющая собой катушку, индуктивно связанную с токопроводом тока нагрузки одной фазы этого источника напряжения, подключена к последовательно соединенным установочному реостату и реактору, представляющим собой два регулирующих элемента, с помощью которых производится, во - первых, регулирование статизма внешней характеристики источника и, во - вторых, настройка того, при каком коэффициенте мощности тока нагрузки источника статизм его внешней характеристики равен нулю. Начало катушки является входным зажимом устройства, подключенным к выходному зажиму первой фазы указанного выше источника напряжения, а выходной зажим устройства, подключенный к регулирующим элементам, соединен с первым входным зажимом регулятора напряжения этого источника. Второй входной зажим упомянутого регулятора напряжения соединен с выходным зажимом второй фазы указанного источника напряжения. [1, стр.106 - 108].
Этому устройству присущи два недостатка. Первый из них обусловлен использованием трансформатора тока и заключается в большой массе и размерах этого трансформатора тока и регулирующих элементов. Второй недостаток проявляется в том, что в устройстве имеются два регулирующих элемента, что усложняет настройку устройства и увеличивает его размеры и массу.
От второго из указанных недостатков свободно устройство токовой стабилизации, наиболее близкое по технической сущности к заявляемому устройству и выбранное в качестве прототипа. Оно состоит из катушки, индуктивно связанной с токопроводом тока нагрузки одной фазы трехфазного источника напряжения и регулирующего элемента, причем начало катушки является входным зажимом устройства, подключенным к выходному зажиму первой фазы указанного выше источника напряжения, а выходной зажим устройства, подключенный к регулирующему элементу, соединен с первым входным зажимом регулятора напряжения этого источника. Второй входной зажим упомянутого регулятора напряжения соединен с выходным зажимом второй фазы указанного источника напряжения. Роль элемента, индуктивно связанного с токопроводом тока нагрузки выполняет вторичная обмотка трансформатора тока, а в качестве регулирующего элемента использован установочный реостат [2, стр.98-100].
Н
Н
Первый недостаток этого устройства практически такой же, как и у рассмотренного выше, - большие масса и габариты трансформатора тока и установочного реостата. Второй недостаток проявляется в значительном снижении напряжения источника с ростом тока нагрузки при коэффициенте мощности, близком к номинальному (cosφ=0,8). Если при индуктивной нагрузке номинальным током статизм обозначить δ, то при cosφ=0,8 статизм будет равен 0,6 δ.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является снижение массы и габаритов устройства токовой
стабилизации и обеспечение астатической внешней характеристики источника напряжения при коэффициенте мощности, близком к номинальному.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в замене элемента, индуктивно связанного с токопроводом тока нагрузки одной фазы, и элемента, предназначенного для регулирования статизма, на другие, имеющие в десятки и сотни раз меньшую массу, а также в том, что напряжение источника остается практически постоянным при изменении его тока нагрузки в широких пределах, если коэффициент мощности этого тока близок к номинальному.
Для решения поставленной задачи устройство токовой стабилизации трехфазного источника напряжения, содержащее катушку, индуктивно связанную с токопроводом тока нагрузки одной фазы этого источника напряжения, и подключенный к указанной катушке регулирующий элемент, причем начало катушки является входным зажимом устройства, подключенным к выходному зажиму первой фазы указанного выше источника напряжения, а выходной зажим устройства, подключенный к регулирующему элементу, соединен с первым входным зажимом регулятора напряжения этого источника, а второй входной зажим упомянутого регулятора напряжения соединен с выходным зажимом второй фазы указанного источника напряжения, отличающийся тем, что в качестве упомянутой катушки используют имеющую отводы катушку дифференцирующего индукционного преобразователя тока, а в качестве регулирующего элемента применен однополюсный переключатель, число выходных зажимов и число позиций которого равно числу отводов этой катушки, каждый отвод которой подключен к одному из выходных зажимов указанного переключателя, входной зажим которого является упомянутым выходным зажимом устройства, причем указанная катушка индуктивно связана с токопроводом первой фазы источника напряжения.
Отличительные признаки предлагаемого решения выполняют следующие функциональные задачи:
Признак: «... используют имеющую отводы катушку дифференцирующего индукционного преобразователя тока...» - позволяет уменьшить массу и габариты устройства, а также изменять напряжение этой катушки и тем самым статизм внешней характеристики источника по реактивному току. Дифференцирующий индукционный преобразователь работает в режиме, близком к холостому току. Ток, проходящий по катушке этого преобразователя, в десятки и сотни раз меньше, чем у вторичной обмотки трансформатора тока. Поэтому, при одинаковом значении напряжения на вторичной обмотке трансформатора тока и на катушке дифференцирующего индукционного преобразователя тока, расчетная мощность и, следовательно, масса последнего в десятки и сотни раз меньше, чем у трансформатора тока.
Признак «...в качестве регулирующего элемента применен однополюсный переключатель, число выходных зажимов и число позиций которого равно числу отводов этой катушки...» - позволяет исключить установочный реостат и тем самым уменьшить массу и габариты устройства.
Признак «...катушка индуктивно связана с токопроводом первой фазы источника напряжения...» - позволяет поддерживать напряжение источника практически постоянным с нулевым статизмом при изменении его тока нагрузки, если коэффициент мощности этого тока близок к номинальному.
Сопоставительный анализ признаков заявляемого решения и признаков аналога и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
Предлагаемое решение поясняется чертежами. На фиг.1 представлена функциональная схема устройства токовой стабилизации трехфазного источника напряжения, а на фиг.2 изображены внешние характеристики трехфазного источника напряжения при различных углах нагрузки.
На чертежах обозначено:
U - линейное напряжение источника 3 напряжения;
I - фазный ток источника 3 напряжения;
вx
I. - входной ток регулятора 11 напряжения источника 3;
вx
U - фазное входное напряжение регулятора 11 напряжения;
наг
I - фазный ток нагрузки источника 3 напряжения;
0
U - напряжение источника 3 напряжения при холостом ходе;
φ - угол нагрузки источника 3 напряжения;
н
φ - номинальный угол нагрузки источника 3 напряжения;
δ - статизм внешней характеристики источника 3 напряжения;
н
I - номинальный ток нагрузки источника 3 напряжения;
н
I/I- относительное значение тока нагрузки источника 3 напряжения.
Устройство токовой стабилизации состоит из катушки 1, индуктивно связанной с токопроводом 2 тока нагрузки первой фазы источника 3 напряжения, и однополюсного переключателя 4. Каждый из отводов 5 катушки 1 подключен к контактам 6 переключателя 4. Начало катушки 1 является входным зажимом 7 устройства, подключенным к выходному зажиму 8 первой фазы источника 3. Входной зажим 9 переключателя 4 является выходным зажимом устройства. Этот зажим соединен с первым входным зажимом 10 регулятора 11 напряжения источника 3. Второй входной зажим 12 регулятора 11 соединен с выходным зажимом 13 второй фазы источника 3 напряжения.
вx
Работу устройства теоретически можно описать следующим образом. На зажимах 10 и 12 регулятора 11 напряжения фазное входное напряжение U определяется суммированием линейного напряжения источника 3 и падением напряжения на катушке 1, индуктивно связанной с токопроводом 2 тока нагрузки первой фазы источника 3. При синусоидальной форме напряжений и токов источника 3 напряжения и пренебрежимо малом
вx
значении входного тока I регулятора 11 справедливо следующее выражение:
cв
где U - линейное напряжение источника 3 напряжения;
ω - круговая частота.
C
C
Напряжение на катушке 1 равно произведению взаимной индуктивности М этой катушки с токопроводом 2 на производную  тока I этого токопровода, где t время. Ток I является фазным током источника.
м
м
Заменим произведение ω М на сопротивление Х взаимной индукции катушки 1 дифференцирующего индукционного преобразователя тока (переключателем 4 изменяют число витков обмотки 5 катушки 1 с помощью контактов 6 и тем самым пропорциональное этому числу витков сопротивление взаимной индукции X), тогда уравнение (1) примет вид
CB
C
св
cв
c
Между вектором линейного напряжения U и током I сдвиг фаз составляет . Примем фазовый угол напряжения U равным нулю и обозначим модуль напряжения U через U, а модуль тока I через I. Тогда
или
По теореме косинусов
где
M
2
2
Так как численное значение (X I) много меньше, чем U, то
M
H
M
H
0
0
Учитывая, что падение напряжения Х I много меньше напряжения U (например, при номинальном токе I падение напряжения Х I≤0,05U, где U - напряжение источника 3 напряжения при холостом ходе), разложим выражение (6) в ряд Маклорена и ограничимся двумя первыми членами
BX
BX
0
Учитывая, что регулятор 11 напряжения поддерживает неизменным напряжение U, воздействуя для этого на источник 3, заменим напряжение U на U, тогда
При реактивной нагрузке индуктивным током . Подставим значение угла φ в (8), тогда
или
H
Отсюда при I=I определим статизм
M
Этому случаю на фиг.2 соответствует нижняя характеристика. Напряжение источника 3 снижается с ростом тока нагрузки. Найдем из (10) Х
и подставим в (8), тогда
При активной нагрузке φ=0. Подставим это значение угла φ в (8)
Подставим (11) в (13), тогда
Этому случаю на фиг.2 соответствует верхняя характеристика. Напряжение источника 3 растет с ростом тока нагрузки.
H
H
H
H
При φ=φ, cosφ=0,8, тогда φ=arccos(0,8). Подставим значение φ
M
и Х в (8), тогда
Этому случаю на фиг.2 соответствует средняя характеристика. Напряжение источника немного снижается с ростом тока нагрузки.
H
0
H
0
В предлагаемом устройстве статизм при φ=φ меньше, чем для прототипа в  раза. Например, если U=400 В а δ=5%, то снижение напряжения при I=I равно всего 2,8 В. (Допустимое снижение напряжения источника 3 составляет 2,5% или 10 В.) При этом, если угол φ будет равен , то U=U, то есть статизм равен нулю.
Таким образом, предлагаемое решение позволяет: во - первых -заменить трансформатор тока как элемент, индуктивно связанный с токопроводом тока нагрузки источника напряжения, и элемент, предназначенный для регулирования статизма, на другие, имеющие в десятки и сотни раз меньшую массу; во - вторых, при такой замене напряжение
источника напряжения остается практически постоянным при изменении его тока нагрузки в широких пределах, если коэффициент мощности этого тока близок к номинальному.
Источники информации:
1. Максимов Ю.И., Павлюченков А.М. Эксплуатация судовых синхронных генераторов. -М.: Транспорт, 1976, с.106-108.
2. Константинов В.Н. Системы и устройства автоматизации судовых электроэнергетических установок. -Л.: Судостроение, 1988, с.98-100.