Устройство для преобразования электрической энергии трех- и однофазных напряжений и токов (варианты)

Изобретение относится к электротехнике, к преобразовательной технике и предназначено для обратимого преобразования электрической энергии трех- и однофазных напряжений и токов. Технический результат заключается в обеспечении питания однофазных потребителей от трехфазной первичной сети с симметричной нагрузкой, а также симметричного питания трехфазных потребителей от однофазной сети. Изобретение обеспечивает сопряжение режимов работы трехфазных и однофазных сетей и потребителей, при которых выполняются требования симметрии трехфазных напряжений и токов. Линейность характеристик входящих в состав преобразователей элементов обеспечивает высокое качество электроэнергии в электрических сетях и у потребителей и нормативно необходимую электромагнитную совместимость источников и приемников электроэнергии между собой. Сначала напряжение и ток однофазного источника питания преобразуются в симметричную систему двухфазных напряжений и токов, одинаковых по модулю и сдвинутых по фазе на 1/4 периода. Затем с помощью трансформаторного преобразователя производится преобразование двухфазных напряжений и токов в симметричную систему трехфазных напряжений и токов трехфазного приемника, одинаковых по модулю и сдвинутых по фазе на 1/3 периода. Обратное двухэтапное преобразование происходит в обратной последовательности. Контроль симметричного режима работы преобразователя и управление балластными реактивными элементами осуществляется измерением угла сдвига фаз между двухфазными токами, в зависимости от величины и знака отклонения которого воздействуют на величины реактивных сопротивлений балластных элементов. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к трансформаторостроению, и преобразовательной технике и предназначено для обратимого взаимного преобразования электрической энергии трех- и однофазных напряжений и токов.

Цель изобретения - создание преобразовательных устройств для электропитания однофазных потребителей значительной мощности от трехфазной первичной сети с симметричной нагрузкой последней, а также симметричного электропитания трехфазных потребителей от однофазной сети, расширение функциональных возможностей и вариантов конструктивных решений схем электропитания одно- и трехфазных потребителей.

Предлагаемые в качестве изобретения способ и устройства для преобразования электрической энергии одно- и трехфазных напряжений и токов обеспечивают сопряжение режимов работы трехфазных и однофазных сетей и потребителей, при которых достаточно полно выполняются, прежде всего, требования симметрии трехфазных напряжений и токов. При этом возможно значительное варьирование чисел витков секций обмоток, а также регулирование напряжения путем переключения секций. Более того, благодаря линейности характеристик входящих в состав преобразователей элементов и, как следствие, линейности интегральных электрических характеристик преобразователей в целом обеспечиваются высокие показатели качества электроэнергии в электрических сетях и у потребителей как однофазных, так и трехфазных напряжений и токов, то есть достигается нормативно необходимая электромагнитная совместимость источников и приемников электроэнергии между собой (например, требования ГОСТ 13109-97).

Это достигается благодаря предлагаемому способу взаимного обратимого преобразования электрической энергии трехфазных напряжений и токов в однофазные, в процессе которого используются трансформаторный преобразователь электрической энергии трехфазных напряжений и токов в двухфазные, содержащий, по меньшей мере, трехфазную обмотку, с одной стороны, и двухфазную, с другой, блок балластных реактивных элементов (конденсаторов и дросселей), датчики двухфазного тока и блок контроля симметричного режима работы преобразователя и управления реактивными балластными элементами, отличающемуся тем, что процесс преобразования происходит в два этапа так, что на первом этапе производится преобразование однофазных напряжений и токов в двухфазные с помощью включенных в цепь двухфазной обмотки трансформаторного преобразователя балластных реактивных элементов (конденсаторов и дросселей), в процессе которого напряжение и ток однофазного источника преобразуются в симметричную систему двухфазных напряжений и токов, одинаковых по модулю и сдвинутых по фазе на четверть периода, а на втором этапе с помощью указанного трансформаторного преобразователя производится преобразование двухфазных напряжений и токов в трехфазные, в процессе которого напряжения и токи двухфазной обмотки преобразуются в симметричную систему трехфазных напряжений и токов трехфазного приемника, одинаковых по модулю и сдвинутых по фазе на треть периода, при этом обратное преобразование (трехфазных напряжений и токов в однофазные) происходит также в два этапа, но в обратной последовательности.

Известны трансформаторные преобразователи электрической энергии трехфазных синусоидальных напряжений и токов в двухфазные, содержащие пространственный трехстержневой магнитопровод с расположенными на нем трехфазной входной и двухфазной выходной обмотками [1, 2].

В основе устройства предлагаемых трансформаторных преобразователей используются аналогичные указанным выше трансформаторные преобразователи [1, 2] электрической энергии трехфазных напряжений и токов в двухфазные, трехфазная обмотка которых присоединена к трехфазной сети или трехфазному приемнику, реактивные балластные элементы и блок контроля симметричного режима работы преобразователя и управления реактивными балластными элементами, при этом реактивные балластные элементы включены между двухфазной обмоткой трансформаторного преобразователя [1, 2] и однофазным приемником или однофазной сетью и образуют блок преобразования однофазных напряжений и токов в двухфазные, а блок контроля симметричного режима работы преобразователя и управления реактивными балластными элементами включает в себя трансформаторы тока в качестве датчиков двухфазных токов, фазовый дискриминатор, измеряющий разность амплитуд двухфазных токов и отклонение угла сдвига фаз между ними от четверти периода, и исполнительное устройство, изменяющее величины реактивных сопротивлений балластных элементов, при этом шины двухфазных токов проходят сквозь сердечники магнитопроводов трансформаторов тока, вторичные обмотки трансформаторов тока подключены к измерительным входам фазового дискриминатора, выход которого соединен с входом исполнительного устройства.

Функциональная блок-схема трансформаторного преобразователя электрической энергии трехфазных напряжений и токов в однофазные приведена на фиг.1. Рабочий процесс в трансформаторном преобразователе происходит следующим образом.

Этап преобразования трехфазных напряжений и токов в двухфазные происходит в блоке 1 с соответствующим названием, который по устройству и принципу действия совпадает с известными трансформаторными преобразователями [1], [2]. В результате симметричные трехфазные напряжения и токи I_A, I_B, I_С симметричного трехфазного источника (или приемника) 2 преобразуются в симметричные двухфазные напряжения и токи I_Q и I_D=±jI_Q. Для примера одна из возможных электрических схем внутренних соединений трансформаторного преобразователя трехфазных напряжений и токов в двухфазные показана на фиг.2.

Трансформаторный преобразователь 1 электрической энергии трехфазных напряжений и токов в двухфазные содержит магнитопровод, состоящий из, по меньшей мере, трех сердечников (например. А, В, С) одинакового поперечного сечения стержневого или группового типа, трехфазную обмотку, состоящую из, по меньшей мере, трех одинаковых с числом витков W_т фаз (например, А, В, С), расположенных на соответствующих сердечниках магнитопровода, соединенных между собой в звезду или треугольник, и двухфазную обмотку, которая выполнена состоящей, по меньшей мере, из шести секций: двух (например, W_ad и W_aq), размещенных на сердечнике А, двух (например, W_bd и W_bq), размещенных на сердечнике В, и двух (например. W_cd и W_cq), размещенных на сердечнике С, секции W_ad и W_bd соединены последовательно согласно между собой и последовательно встречно с секцией W_cd и образуют полугруппу первой фазы D двухфазной обмотки, секции W_bq и W_cq соединены последовательно согласно между собой и последовательно встречно с секцией W_aq и образуют полугруппу второй фазы Q двухфазной обмотки, при этом числа витков секций должны относиться между собой как

причем отношение K=W_cq/W_aq может варьироваться произвольно в пределах

Этап преобразования двухфазных напряжений и токов в однофазные происходит в блоке 3 с соответствующим названием, электрические схемы различных вариантов которого приведены на фиг.3-5.

Так, в блоке 3 преобразования симметричных двухфазных напряжений и токов в однофазные согласно схеме фиг.3 к одной из фаз 4 двухфазной обмотки трансформаторного преобразователя 1 трехфазных напряжений и токов в двухфазные параллельно подключены один из балластных элементов 5 и вторая фаза 6 двухфазной обмотки, последовательно с которой соединен однофазный приемник 7 электрической энергии и другой балластный элемент 8. На схеме фиг.3 двухфазные обмотки 4 и 6 трансформаторного преобразователя 1 трехфазных напряжений и токов в двухфазные характеризуются напряжениями U и ± jU холостого хода и сопротивлениями, равными их входным комплексным сопротивлениям (короткого замыкания) Z_K=R_K+jX_K при замкнутой накоротко трехфазной обмотке, однофазный приемник 7 - комплексным сопротивлением Z_H=R_H+jX_H, а балластные элементы 5 и 8 - их реактивными сопротивлениями Х_Б1 и Х_Б2. Условие симметрии двухфазных токов I=±jI_Н с учетом уравнений Кирхгофа:

±jU=(R_K+iX_K)(±jI_H)+jX_Б1(1±j)I_H U=((R_K+R_H)+j(Х_K+Х_H+Х_Б2))I_H+iX_Б1(1±j)I_H

реализуется при параметрах балластных элементов, равных:

Х_Б1=±0,5R_H Х_Б2+Х_H=0

В блоке 3 преобразования однофазных напряжений и токов в симметричные двухфазные I_Q и I_D=±jI_Q согласно схеме фиг.4 обе фазы 4 и 6 двухфазной обмотки трансформаторного преобразователя 1 соединены последовательно друг с другом, с одним из балластных элементов 8 и однофазной сетью 9, а второй балластный элемент 5 подключен параллельно последовательно соединенным между собой одной из фаз 6 двухфазной обмотки и однофазной сетью 9. На схеме фиг.4 однофазный источник 9 характеризуется напряжением U, обмотки 4 и 6 трансформаторного преобразователя 1 - сопротивлениями Z_Ф=R_Ф+jX_Ф, равными их входным комплексным сопротивлениям при подключенном к трехфазной обмотке трехфазном приемнике 2, а балластные элементы 5 и 8 - их реактивными сопротивлениями Х_Б1 и Х_Б2. Условие симметрии двухфазных токов I_D=±jI_Q с учетом уравнений: iX_Б1(±j-1)I_Q=(R_Ф*j(Х_Ф+Х_Б2))I_Q, реализуется при параметрах балластных элементов, равных: Х_Б1=±R_Ф Х_Б2+X_Б1+Х_Ф=0.

В блоке 3 преобразования однофазных напряжений и токов в симметричные двухфазные I_Q и I_D±jI_Q согласно схеме фиг.5 обе фазы 4 и 6 двухфазной обмотки подключены к однофазной сети 9, при этом последовательно с каждой из них включен балластный реактивный элемент 5 и 8. Условие симметрии двухфазных токов I_D=±jI_Q с учетом уравнений

(R_Ф+j(Х_Ф+X_Б1))(±jI_Q)=(R_Ф+j(Х_Ф+Х_Б2))I_Q

реализуется при параметрах балластных элементов, равных

Х_Б1=-(R_Ф+Х_Ф) Х_Б2=R_Ф-Х_Ф.

При изменении режима работы преобразователя, например, вследствие изменения величины и/или характера (cosϕ) нагрузки, выражающемся в изменении параметров Z_Ф=R_Ф+jX_Ф или Z_H=R_H+iX_Н, и при фиксированных параметрах Х_Б1 и Х_Б2 балластных элементов 5 и 8 происходит нарушение симметрии двухфазных I_Q и I_D и, как следствие, трехфазных I_A, I_B, I_C токов. Сохранение симметричного режима работы преобразователя осуществляется с помощью блока 10 контроля симметричного режима работы преобразователя и управления реактивными балластными элементами 5 и 8. Блок 10 контроля и управления (фиг.1) работает следующим образом. Напряжения со вторичных обмоток трансформаторов тока 11 и 12 (ТТ_D и ТТ_Q), отражающие информацию о величине и фазе двухфазных токов I_Q и I_D, поступают на измерительные входы фазового дискриминатора 13, который формирует сигнал, пропорциональный отклонению угла сдвига фаз между токами I_Q и I_D от четверти периода. Этот сигнал поступает на вход исполнительного устройства 14, которое изменяет параметры Х_Б1 и Х_Б2 балластных элементов 5 и 8 в соответствии с указанными выше условиями симметрии двухфазных токов.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №598197, 11.10.1976. Кл. Н 02 М 5/14.

2. Патент Франции №2648612, 15.06.1989. Кл. H 01 F 33/00.

1. Трансформаторный преобразователь трехфазных напряжений и токов в однофазные, в котором процесс преобразования происходит в два этапа: на первом этапе трехфазные напряжения и токи трехфазной сети преобразуются в симметричную систему двухфазных напряжений и токов, одинаковых по модулю и сдвинутых по фазе на четверть периода, которые на втором этапе преобразуются в однофазные напряжения и токи однофазного приемника электроэнергии, содержащий блок преобразования трехфазных напряжений и токов в симметричную систему двухфазных напряжений и токов с трехфазной обмоткой, присоединенной к трехфазной сети и двухфазной обмоткой, балластные реактивные элементы, а преобразование симметричной системы двухфазных напряжений и токов в однофазные обеспечено тем, что к одной из фаз двухфазной обмотки параллельно подключены один из балластных реактивных элементов и вторая фаза двухфазной обмотки, последовательно с которой соединен однофазный приемник электрической энергии и другой балластный реактивный элемент, при этом блок контроля симметричного режима работы и управления балластными реактивными элементами измеряет разность амплитуд двухфазных токов и угол сдвига фаз между ними и воздействует в зависимости от величины и знака отклонения этого угла от четверти периода на величины реактивных сопротивлений балластных реактивных элементов так, что реактивное сопротивление Х_Б1 первого балластного реактивного элемента равно половине активного сопротивления R_H однофазного приемника электрической энергии Х_Б1=±0,5R_H, а реактивное сопротивление Х_Б2 второго балластного реактивного элемента в сумме с реактивным сопротивлением Х_H однофазного приемника электрической энергии равно нулю Х_Б2+Х_H=0.

2. Трансформаторный преобразователь по п.1, отличающийся тем, что блок контроля симметричного режима работы и управления балластными реактивными элементами включает в себя трансформаторы тока в качестве датчиков двухфазных токов, фазовый дискриминатор, измеряющий разность амплитуд двухфазных токов и отклонение угла сдвига фаз между ними от четверти периода и исполнительное устройство, изменяющее величины реактивных сопротивлений балластных реактивных элементов, при этом шины двухфазных токов проходят сквозь сердечники магнитопроводов трансформаторов тока, вторичные обмотки трансформаторов тока подключены к измерительным входам фазового дискриминатора, выход которого соединен с входом исполнительного устройства.

3. Трансформаторный преобразователь однофазных напряжений и токов в трехфазные, в котором процесс преобразования происходит в два этапа: на первом этапе однофазные напряжения и токи однофазной сети преобразуются в симметричную систему двухфазных напряжений и токов, одинаковых по модулю и сдвинутых по фазе на четверть периода, которые на втором этапе преобразуются в симметричную систему трехфазных напряжений и токов трехфазного приемника электрической энергии, одинаковых по модулю и сдвинутых по фазе на треть периода, содержащий блок преобразования симметричной системы двухфазных напряжений и токов в симметричную систему трехфазных напряжений и токов с присоединенной к трехфазному приемнику электрической энергии трехфазной обмоткой и двухфазной обмоткой, балластные реактивные элементы, а преобразование однофазных напряжений и токов в симметричную систему двухфазных напряжений и токов на первом этапе обеспечено тем, что обе фазы двухфазной обмотки соединены последовательно друг с другом, с одним из балластных реактивных элементов и однофазной сетью, а второй балластный реактивный элемент подключен параллельно последовательно соединенным между собой одной из фаз двухфазной обмотки и однофазной сетью, при этом блок контроля симметричного режима работы и управления балластными реактивными элементами измеряет разность амплитуд двухфазных токов и угол сдвига фаз между ними и воздействует в зависимости от величины и знака отклонения этого угла от четверти периода на величины реактивных сопротивлений балластных реактивных элементов так, что реактивное сопротивление Х_Б1 первого балластного реактивного элемента равно входному активному сопротивлению R_Ф фазы двухфазной обмотки при подключенном к трехфазной обмотке трехфазном приемнике электрической энергии Х_Б1=±R_Ф, а реактивное сопротивление Х_Б2 второго балластного реактивного элемента в сумме с реактивным сопротивлением Х_Б1 первого балластного реактивного элемента и входным реактивным сопротивлением Х_Ф фазы двухфазной обмотки при подключенном к трехфазной обмотке трехфазном приемнике электрической энергии равно нулю Х_Б2+Х_Б1+Х_Ф=0.

4. Трансформаторный преобразователь по п.3, отличающийся тем, что блок контроля симметричного режима работы и управления балластными реактивными элементами включает в себя трансформаторы тока в качестве датчиков двухфазных токов, фазовый дискриминатор, измеряющий разность амплитуд двухфазных токов и отклонение угла сдвига фаз между ними от четверти периода и исполнительное устройство, изменяющее величины реактивных сопротивлений балластных реактивных элементов, при этом шины двухфазных токов проходят сквозь сердечники магнитопроводов трансформаторов тока, вторичные обмотки трансформаторов тока подключены к измерительным входам фазового дискриминатора, выход которого соединен с входом исполнительного устройства.

5. Трансформаторный преобразователь однофазных напряжений и токов в трехфазные, в котором процесс преобразования происходит в два этапа: на первом этапе однофазные напряжения и токи однофазной сети преобразуются в симметричную систему двухфазных напряжений и токов, одинаковых по модулю и сдвинутых по фазе на четверть периода, которые на втором этапе преобразуются в симметричную систему трехфазных напряжений и токов трехфазного приемника электрической энергии, одинаковых по модулю и сдвинутых по фазе на треть периода, содержащий блок преобразования симметричной системы двухфазных напряжений и токов в симметричную систему трехфазных напряжений и токов с присоединенной к трехфазному приемнику электрической энергии трехфазной обмоткой и двухфазной обмоткой, балластные реактивные элементы, а преобразование однофазных напряжений и токов в симметричную систему двухфазных напряжений и токов на первом этапе обеспечено тем, что обе фазы двухфазной обмотки подключены к однофазной сети, последовательно с каждой из них включен балластный реактивный элемент, при этом блок контроля симметричного режима работы и управления балластными реактивными элементами измеряет разность амплитуд двухфазных токов и угол сдвига фаз между ними и воздействует в зависимости от величины и знака отклонения этого угла от четверти периода на величины реактивных сопротивлений балластных реактивных элементов так, что реактивное сопротивление Х_Б1 первого балластного реактивного элемента равно разности активного R_Ф и индуктивного Х_Ф входных сопротивлений фаз двухфазной обмотки при подключенном к трехфазной обмотке трехфазном приемнике Х_Б1=R_Ф-Х_Ф, а реактивное сопротивление Х_Б2 второго балластного реактивного элемента равно сумме отрицательных значений активного R_Ф и индуктивного Х_Ф входных сопротивлений фаз двухфазной обмотки при подключенном к трехфазной обмотке трехфазном приемнике электроэнергии Х_Б2=-R_Ф-Х_Ф.

6. Трансформаторный преобразователь по п.5, отличающийся тем, что блок контроля симметричного режима работы и управления балластными реактивными элементами включает в себя трансформаторы тока в качестве датчиков двухфазных токов, фазовый дискриминатор, измеряющий разность амплитуд двухфазных токов и отклонение угла сдвига фаз между ними от четверти периода и исполнительное устройство, изменяющее величины реактивных сопротивлений балластных реактивных элементов, при этом шины двухфазных токов проходят сквозь сердечники магнитопроводов трансформаторов тока, вторичные обмотки трансформаторов тока подключены к измерительным входам фазового дискриминатора, выход которого соединен с входом исполнительного устройства.