ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2280911

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ТРЕХ- И ОДНОФАЗНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ТОКОВ (ВАРИАНТЫ)

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ТРЕХ- И ОДНОФАЗНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ТОКОВ (ВАРИАНТЫ)

Имя изобретателя: Ермилов Михаил Александрович (RU); Куприянович Юрий Михайлович (RU); Алякринский Борис Борисович 
Имя патентообладателя: Ермилов Михаил Александрович (RU); Куприянович Юрий Михайлович (RU); Алякринский Борис Борисович
Адрес для переписки: 109652, Москва, ул. Люблинская, 171, кв.164, М.А. Ермилову
Дата начала действия патента: 2004.09.30 

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.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

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.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ТРЕХ- И ОДНОФАЗНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ТОКОВ

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 IA, IB, IС симметричного трехфазного источника (или приемника) 2 преобразуются в симметричные двухфазные напряжения и токи IQ и ID=±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 Wт 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, Wad и Waq), размещенных на сердечнике А, двух (например, Wbd и Wbq), размещенных на сердечнике В, и двух (например. Wcd и Wcq ), размещенных на сердечнике С, секции Wad и W bd соединены последовательно согласно между собой и последовательно встречно с секцией Wcd и образуют полугруппу первой фазы D двухфазной обмотки, секции Wbq и Wcq соединены последовательно согласно между собой и последовательно встречно с секцией Waq и образуют полугруппу второй фазы Q двухфазной обмотки, при этом числа витков секций должны относиться между собой как

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) ZK =RK+jXK при замкнутой накоротко трехфазной обмотке, однофазный приемник 7 - комплексным сопротивлением Z H=RH+jXH, а балластные элементы 5 и 8 - их реактивными сопротивлениями ХБ1 и ХБ2 . Условие симметрии двухфазных токов I=±jIН с учетом уравнений Кирхгофа:

±jU=(RK+iX K)(±jIH)+jXБ1(1±j)I H U=((RK+RH)+j(ХK HБ2))IH+iXБ1(1±j)I H

реализуется при параметрах балластных элементов, равных:

ХБ1=±0,5RH ХБ2H=0

В блоке 3 преобразования однофазных напряжений и токов в симметричные двухфазные IQ и ID =±jIQ 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 ZФ=RФ +jXФ, равными их входным комплексным сопротивлениям при подключенном к трехфазной обмотке трехфазном приемнике 2, а балластные элементы 5 и 8 - их реактивными сопротивлениями ХБ1 и ХБ2. Условие симметрии двухфазных токов ID=±jIQ с учетом уравнений: iXБ1(±j-1)IQ=(RФ*j(Х ФБ2))IQ, реализуется при параметрах балластных элементов, равных: ХБ1=±RФ ХБ2+XБ1Ф=0.

В блоке 3 преобразования однофазных напряжений и токов в симметричные двухфазные IQ и ID±jIQ 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 ID=±jIQ с учетом уравнений

(RФ+j(ХФ+XБ1 ))(±jIQ)=(RФ+j(ХФ Б2))IQ

реализуется при параметрах балластных элементов, равных

ХБ1=-(RФ Ф) ХБ2=RФФ.

При изменении режима работы преобразователя, например, вследствие изменения величины и/или характера (cos ) нагрузки, выражающемся в изменении параметров ZФ =RФ+jXФ или ZH=RH +iXН, и при фиксированных параметрах ХБ1 и ХБ2 балластных элементов 5 и 8 происходит нарушение симметрии двухфазных IQ и ID и, как следствие, трехфазных IA, IB, IC 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 (ТТD и ТТQ), отражающие информацию о величине и фазе двухфазных токов IQ и ID, поступают на измерительные входы фазового дискриминатора 13, который формирует сигнал, пропорциональный отклонению угла сдвига фаз между токами IQ и I D от четверти периода. Этот сигнал поступает на вход исполнительного устройства 14, которое изменяет параметры ХБ1 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.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

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 ХБ1 первого балластного реактивного элемента равно половине активного сопротивления R H однофазного приемника электрической энергии ХБ1 =±0,5RH, а реактивное сопротивление ХБ2 второго балластного реактивного элемента в сумме с реактивным сопротивлением ХH однофазного приемника электрической энергии равно нулю ХБ2H=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 ХБ1 первого балластного реактивного элемента равно входному активному сопротивлению RФ фазы двухфазной обмотки при подключенном к трехфазной обмотке трехфазном приемнике электрической энергии ХБ1=±RФ, а реактивное сопротивление ХБ2 второго балластного реактивного элемента в сумме с реактивным сопротивлением ХБ1 первого балластного реактивного элемента и входным реактивным сопротивлением ХФ фазы двухфазной обмотки при подключенном к трехфазной обмотке трехфазном приемнике электрической энергии равно нулю ХБ2Б1Ф=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 ХБ1 первого балластного реактивного элемента равно разности активного RФ и индуктивного ХФ входных сопротивлений фаз двухфазной обмотки при подключенном к трехфазной обмотке трехфазном приемнике ХБ1=RФФ, а реактивное сопротивление ХБ2 второго балластного реактивного элемента равно сумме отрицательных значений активного RФ и индуктивного ХФ входных сопротивлений фаз двухфазной обмотки при подключенном к трехфазной обмотке трехфазном приемнике электроэнергии ХБ2=-RФФ.

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.

Версия для печати
Дата публикации 16.02.2007гг


вверх