Симметрирующее устройство для подключения многофазной симметричной нагрузки к несимметричной многофазной питающей сети

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (щ72О621

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву—

I (22) Заявлено 240378 (21) 2594620/24-07 51)м К (2

Н 02 7 3/26 с присоединением заявки ¹Государственный комитет

СССР но делам изобретений и открытий (23) Приоритет—

Опубликовано 0503,80, Бюллетень № 9 (53) УДК 621. 316. ,761,2.072. .6 (088.8) Дата опубликования описания 150380 (72) Автор изобретения

A. Д. Музыченко (7)) Заявитель

Институт электродинамики AH Украинской ССР (54) СИММЕТРИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДКЛЮЧЕНИЯ

МНОГОФАЗНОЙ СИММЕТРИЧНОЙ НАГРУЗКИ

К НЕСИММЕТРИЧНОЙ МНОГОФАЗНОЙ ПИТАЮЩЕЙ

СЕТИ

Изобретение относится к электротехнике, а именно к симметрирующим и распределительным устройствам.

Иэ вест ны симметрирующие у стройства для подключения трехфазной симметричной нагрузки к несимметричной питающей сети, содержащие в каждбй фазе взаимосвязанные нагрузочные и, входные цепи, между которыми включены компенсирующие ветви, содержащие резистор (11.

Однако известные устройства характеризуются сложностью конструкции, так как они содержат многофазный трансформатор с вращающимся магнитным полем, выполненный на основе асинхронного двигателя с заторможенным фазным ротором. Эти устройства имеют невысокие энергетические ха рактеристики из-за значительных активных потерь мощности в резисторах

Известно устройство, содержащее на к дую фазу активно-е стну 25 ветвь и дроссель, одна обмотка которого одним концом подсоединена K питающей линии, а другим — ко второй обмотке опережающего по фазе дросселя и активно-емкостной ветви, причем второй конец второй обмотки опережающего по фазе дросселя попключен к фазному зажиму нагрузки (2), Недостатком известного устройства является низкий КПД, не превышающий

50%.

Пелью изобретения является повышение КПД.

Для этого симметрирующее устройство для подключения многофаэной симметричной нагрузки K несимметричной многофаэной питающей сети, содержащее дроссель и цепь, выполненную из последовательно соединенных резистора и конденсаторной батареи, снабжено входным преобразователем п фаэ в m, где п c m, выходным преобразователем m фаз в Б, где ю> У, с выводом для подсоединения к симметричной нагрузке и дополнительными резисторами, включенными последовательно с дросселями, причем дроссели с дополнительными резисторами и цепи; выполненные иэ последователь- но соединенных резистора и,конденсаторной батареи, включены между входным и выходным преобразователями. число их составляет m, и они .составляют замкнутый многоугольник, прИ720621 чем вершины многоугольника, образованные соединением вывода конденса- . тОрной батареи и выводом резистора, соединенного с дросселем, подсоединены к входному преобразователю числа фаэ, а вершины многоугольника, образованные соединением выводов дросселя и выводом резистора, подсоединенного к выводу конденсаторной батареи, соединены с выходным преобразователем числа фаэ с выводом дпя подсоединения к симметричной нагрузке.

Преобразователи могут быть выполнены трансформаторными и между их первичными и вторичными обмотками " выполнена гальваническая связь. 1э

Входной преобразователь числа фаз может быть выполнен в виде источника переменных напряжений с числом фаз, равным m, причем в случае использования в качестве входного Щ преобразователя источника переменных напряжений с числом фаз,равным m, в качестве резисторов используют

" внутренние активные сопротивления дросселя и конденсаторной батареи.

На фиг. 1 представлена функциональйая схема устройства; на фиг, 2 — топографическая диаграмма напряжений на"ветвях и нагрузке в каждой фазе; на фиг. 3 — одна из возможных схем работы генераторов; на фиг. 4 — блок-схема включения устройства в- случае его использования как вентиля энергии; на фиг. 5 схема устройства при повышенном, числе фаз генератора.

Устройство имеет зажимы А, В, С питающей трехфазной сети с несимметричным напряжением, входной преобразователь 1 и фаз в m (например, 3 в 9); электрический многоугольник 40

2, например, 18-ти угольник, выходной преобразователь 3 m фаз в 8 фаз (например, 9 в 3); сиМметричную,например, трехфазную нагрузку 4, зажимы а, в, с нагрузки; активноиндуктивные, состоящие из дросселя

5 и раэистора 6, а активноемкостйые ветви, состоящие из конденсаторной батареи 7 и резистора. 8, соерр нены в многоугольник, число сторон кото- gp рого равно суммарному числу ветвей.

Вершины многоугольника, образованные выводами, соединены с входным преобразователем 1 и фаэ в m а вершины многоугольника, образованные выводами элементов 5 и 8, соединены с.выходным преобразователем 3 m фаэ в 8 . Индуктивные сопротивления дросселей равны между собой и емкостноМУ сопротивлению конденсаторных батарей. 60 ш) = — =X ,( (1)

МС

Активные сопротивления всех резистоРов 6 и 8 также равны между собой: г = в

Для обеспечения симметричного режима нагрузки 4 при несимметричном напряжении .питающей сети А, В, С, кроме условия (1), необходимо, чтобы имело место равенство. г = х tg Ъ) ° (3)

Работает устройство, следующим образом.

При подаче несимметричной системы напряжения на зажимы А, Б, С на выходе преобразователя 1 имеет место также несимметричная многофазная система напряжений, состоящая из симметричных составляющих напряжений прямой и обратной последовательностей. При соблюдении условий (1) (3) симметричная составляющая напряжения обратной последовательности не проходит к зажимам, образованным элементами 5 и 8. При подаче на входе А, В, С симметричной системы напряжений с обратным чередованием на зажимах образованными элементами

5 и 8, напряжение равно нулю. Таким образом, многоугольник, составленный из активно-емкостных и активно-индуктивных ветвей, при условии (1) — (3) является фильтром напряжения обратной последовательности, в результате чего на зажимах а, в, с нагрузки имеет место симметричная система напряжений при любой величине и фазном угле нагрузки. Выходной преобразователь m фаз в 6 служит для согласования числа фаз электрического многоугольника с числом фаз нагруз-. ки.

Увеличение числа фаэ иэ и в m c помощью преобразователя 1 числа фаз необходимо для увеличения коэффициента полезного действия устройства.

Для доказательства того, что при повышении числа фаз коэффициент полезного действия возрастает приведена топографическая диаграмма напряжений на двух ветвях (фиг. 2), одна из которых образована элемен-. тами б и 5, а вторая элементами 7 и 8 (см. фиг. 1), точки, образован- ные выводами элементов б и 7, характеризуют положение фаз исходной системы — фазных напряжений, полученной после умножения и фаэ в m;

R„ - эквивалентное сопротивление нагрузки для двух ветвей схемы.

На топографической диаграмме показан случай оптимального значения сопротивления В„нагрузки. Известно, что при симметрйи входной системы напряжений на ее выходе преобразователя имеет место симметричная система напряжений, точки фазы которой образуют равносторонний многоугольник (точки, образованные элементами б и 7, фиг. 2). Приняв напряжение между нулем (землей) и фазой за U+, 720621

20 определим из геометрических отношений основные параметры цепи.

У(ь,) = V< 2 sin(m} (4)

Напряжение на эквивалентной нагрузке R„ равно:

И< сояЯ) . (5)

Напряжение на дроссбле Б и конденсаторной батарее U:

U = U = Н я ° 1n(— „, ) соя () ° (6)

Напряжение на резисторах r и r< равно:

"6 - ()3

ТоК в резисторах с учетом (3) и (7):

:1 = — = — . 1п — ) соя (.

u„u„. 6д (д

a s Z Х ) (. (8) 6

Токи в реактивных элементах равны

75 = д ; кроме того, токи в реактивных элементах равны токам резисторов.

m 3 4 б 9 ю7 0,250 0,500 0,750 0,883 из которой видно, что повышение числа фаз из 3-х до 9-ти позволяет более чем 3,5 раза увеличить коэффициент полезного действия. Величину числа . фаэ m устройства следует принимать в пределах .от 9 до 15. Преобразователи числа фаз с таким m нашли применение для питания многофазных выпрямителей; таки ." образом, в качестве преобразователей числа фаз могут быть использованы серийно вы пускаемые .

В качестве статических преобразователей числа фаз используются трансформаторные преобразователи, выполняющие гальваническое-разде- ление первичной и вторичной систем обмоток. Однако ввиду того, что в данной схеме используется два преобразователя, один из них для умень.шения установленной мощности может быть. выполнен с гальванической связью между обмотками, например, с помощью автотрансформаторного преобразователя, Применение такого преобразователя, работающего .с числом фаз

m = б, также необходимо для обеспе-. чения синусоидальной формы тока на элементах схемы и питающей сети.

Предлагаемое устройство может применяться как направленный фильтр . электрической энергии, так как он пропускает энергию (фиг. 3) только в одну сторону, например, от генератора в нагрузку. Так в случае короткого замыкания в одном генераторе, второй генератор также оказывается в режиме короткого замыкания. Для

Ток в нагрузке Т равен:

a„=n сов(-)= „" siiip)cas ф). (9)

Оптимальное значение сопротивления активной нагрузки равно:

Он опт) Х н(опт>= д = . д (10) н(оы

Мощность активной нагрузки Р равна г

Р„= g Z„= 2 я1п () соя (—;,,). (11)

Мощность потерь в резисторах д P

Равна: Uz дР = 2У Э . ° = 2 „sin („,) соя()(12)

С учетом (1 1) и (12) определяем КПД я цепи

Р / и

g= —,р=сов (- ) (13) н

Из (12) можно заключить, что коэффициент полезного q, действия с увеличением числа фаз m увеличивается. Расчетные данные зависимосТи q. от m приведены в таблице:

0,921 0,957 0,978, 0,987 ограничения токов короткого эамыка30 ния используются ограничительные реакторы 9-10 и быстродействующие выключатели 11-12, имеются сборные шины 13. Недостатками такой схемы включения являются: дополнительная реактивная мощность в сети и эксплуатационные расходы на эксплуатацию

- масляных выключателей. Кроме того, такая схема включения не обеспечива/ ет устойчивой работы параллельно работающих генераторов. С целью исключения взаимнОго влияния генераторов в нормальном режиме и при коротком замыкании, что способствует повышению устойчивости работы генераторов, целесообразно использовать известное устройство. Включение уст ройства между генератором и сборны- ми шинамй (фиг. 4) позволяет при коротком замыкании в генераторе не пропускать энергию от сборных шин к генератору. Принципиальная схема использующая заявляемое устройство, показана на фиг. 4, где изображен генератор - выходной и выходной преобразователи числа фаэ 1 и 3, 2 электрический многоугольник, выполненный из активно-индуктивных и активно-емкостных ветвей, 13 — сборные шины. В этом случае с целью исключения входного преобразователя числа фаз генератор может из готавливаться с повышенным числом фаз, в резуль тате чего можно существенно уменьшить установленную мощность устройства. Схема соединения источник"..переменного напряжения с заявляемым

7206,21 устройством и сборными шинами показана на фиг. 5, где изображен генератор, 2 — электрический многоугольник, выполненный из активно-реактивных цепей, 3 — выходной преобразователь числа фаз и 13 — сборные шины. Генератор имеет повышенное чис5 ло фаз, например, 21, что позволяет получить высокий коэффициент полезного действия, равный 0,978, уменьшить установленную мощность

10 устройства, увеличить устойчивость при параллельной работе генераторов.

Как видно иэ приведенной выше таблицы при числе фаз от 21 до 27 и выше практически отпадает надобность во включении резисторов. B этом случае в активно-индуктивную и активно- емкостную цепь необходимо включить резисторы сравнительно

1 малого сопротивления (второго порядка малости) . Такой порядок малости 20 имеют омические сопротивления дросселей и конденсаторных батарей. Поэтому в целях обеспечения нормальной работы устройства при числе фаз от

21 и выше необходимо исключить из активно-реактивных ветвей резисторы.

Учет потерь в реактивных элементах целесообразно учитывать при проектировании устройств с числом mp равным 9-15.

Предлагаемое устройство может быть использовано: для питания электрических трехфаэных потребителей, чувствительных к несимметрии напряжений от трехфазной сети, питающей одновременно мощные несимметричные нагрузки, для питания выпрямительных установок с малыми пульсациями удво-. енной частоты, обусловленными несимметрией питающего напРяжения, для питания накала ламп радиотехни- 40 ческих устройств, как фильтр направления энергии, например, от источника к потребителю.

Технико-экбномические преимущества симметрирующего устройства по сравнению с известными состоят в существенном повышении КПД устрой- . ства до 0,88-0,96, в то время как

КПД известных устройств находится в пределах 0,25-0,5.

Формула изобретения

Симметрирующее устройство для подключения многофаэной симметричной нагрузки к несимметричной много фазной питающей сети, содержащее дроссель и цепь, выполненную из последовательно соединенных резистора и конденсаторной батареи, отличающееся тем,что, с целью повышения коэффициента полезного действия, оно снабжено входным преобразователем и фаз в m, где и ф m, выходным преобразователем m фаз в g, где m > 2, с выводом для подсоединения к симметричной нагрузке и дополнительными резисторами, включенными последовательно с дросселями, причем дроссели с дополнительными резисторами и цепи, выполненные из последовательно соединенных резистора и конденсаторной батареи, включены между входным и выходным преобразователями, число их составляет m и они образуют замкнутый многоугольник, вершины которого, образованные соединением вывода конденсаторной батареи и выводом дополнительного резистора, подсоединены к входному преобразователю числа фаз, а вершины многоугольника, образованные соединением выводом дросселя и выводом резистора, соединены с выходным преобразователем числа фаз.

2. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что преобразователи выполнены трансформаторными и между их первичными и вторичными обмотками выполнена гальваиическая связь.

3. Устройство по п, 1-2, о т л ич а ю щ е е с я тем, что с целью уменьшения установленной мощности, входной преобразователь числа фаз выполнен в виде источника переменных напряжений с числом фаз, равным m.

4. Устройство по пп. 1-3, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что в случае использования в качестве входного преобразователя источника переменных напряжений с числом фаз, равным m, в качестве резисторов используют внутренние активные сопротивления дросселя и конденсаторной батареи.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1 ° Авторское свидетельство СССР

М 184965, кл. Н 02 Т 3/26, 1964.

2. Авторское свидетельство СССР

9 464938, кл. Н 02 7 3/26, 1973.

720621 фиа3

Составитель Л. Дементьева

Редактор А. Челюканов Техред О. йндрейко Корректор Н. Стен

Заказ 532, Мираж 783 Подписное

Ш1ИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытиЯ

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4