3 Синтез опытного образца симметрирующего устройства
3.1 Анализ средств симметрирования фазных напряжений, применяемых в современных условиях
В настоящее время из всех более-менее универсальных средств для симметрирования фазных напряжений в сети промышленных предприятий широко получили распространение трансформаторы типа ТСТ. По данным поставляющих организаций, трансформаторы ТСТ предназначены для обеспечения заданного качества электрической энергии для электроприемников при их электроснабжении как от Госсети, так и от автономных источников электроэнергии. Трансформаторы ТСТ выравнивают напряжение в фазах питающей сети, равномерно распределяют нагрузки между фазами.
Трансформатор ТСТ-63 представлен на рисунке 3.1
Рисунок 3.1 - Трансформатор ТСТ-63
Технический результат состоит в уменьшении установленной мощности и несимметричности первичных токов и напряжений. Симметрирующий трехфазно-однофазный трансформатор переменного напряжения содержит входные и выходные зажимы, к которым подключен трансформатор, имеющий первичные обмотки во всех трех фазах и две вторичные обмотки в фазах А и С. Первичные обмотки соединены в «зигзаг». Соединены обмотки фаз А и В, В и С, а также С и А соответственно. Вторичные обмотки в фазах А и С включены встречно и соединены с выходными зажимами. Соединение обмоток показано на рисунке 3.2.
Рисунок 3.2 – Схема соединения обмоток
Трансформатор ТСТ обеспечивает выравнивание линейных напряжений, то есть устранение несимметрии напряжения из-за неравномерной линейной нагрузки, в том числе в динамических режимах работы. Так если входное линейное напряжение равно, соответственно, UАВ=348 В, UВС=396 В, UСА=465 В, то после ТСТ линейные напряжения будут составлять приблизительно 389В, 398 В и 409В соответственно.
Если после симметрирования напряжение сети значительно ниже/выше нормы, то симметрирующий трансформатор оснащается дополнительными обмотками, позволяющими повысить/понизить напряжение до нормы. Дополнительные обмотки выполняются из расчета изменения напряжения на (5-15)% Uн.
Трансформатор ТСТ обеспечивает выравнивание фазных напряжений. Так если входное напряжение по фазам равно, соответственно, Uа=148 В, Uв=196 В, Uс=265 В, то после ТСТ все фазные напряжения будут составлять приблизительно 201 В, потери выходного напряжения на фазу составят приблизительно 2 В.
Трансформатор ТСТ допускает стопроцентный перекос нагрузки. Это значит, что в одной или в двух фазах мощность нагрузки равна нулю, а другие фазы загружены полностью. Так, например, для симметрирующего трансформатора мощностью 63 кВА стопроцентный перекос нагрузки составит: 21 кВА в одной или в двух фазах и 0 кВА в двух или в одной фазе соответственно.
Из выше описанного ясно, что трансформаторы типа ТСТ имеют ряд недостатков, главным из которых является невозможность точного регулирования напряжения в сети, и при высоких отклонениях, напряжения остаются симметричными, но не достигают, либо превышают необходимый уровень.
Для обеспечения заданного напряжения на каждой из фаз традиционно используются стабилизаторы напряжения. В бытовых условиях применяют однофазные стабилизаторы напряжения, которые обеспечивают защиты отдельных электроприемников или небольшой их группы. В промышленных условиях используются трехфазные стабилизаторы напряжения различной мощности, которые конструктивно состоят из трех однофазных стабилизаторов напряжения. Эти устройства применяют совместно с трансформаторами ТСТ, что еще больше увеличивает расходы как на приобретение и установку, так и на обслуживание средств повышения качества электроэнергии.
Известны также случаи применения специального симметрирующего устройства (СУ), которое встраивается в трансформатор со схемой Y/Yн.
Симметрирующее устройство представляет собой отдельную обмотку, уложенную в виде бандажа поверх обмоток высокого напряжения трансформатора со схемой соединения обмоток Y/Yн. Обмотка симметрирующего устройства рассчитана на длительное протекание номинального тока трансформатора, то есть на полную номинальную однофазную нагрузку. Схемы включения основных и дополнительной обмоток трансформатора представлены на рисунке 3.3.
1 – трехстержневой магнитопровод трехфазного трансформатора; 2 – обмотки высокого напряжения; 3 – обмотки низкого напряжения; 4 – обмотка из компенсационных витков; 5 – дистанционные клинья; 6 – конец компенсационной обмотки, подключаемой к нейтрали обмоток низкого напряжения; 7 – конец компенсационной обмотки, который выводится наружу
Рисунок 3.3 – Схемы включения основных и дополнительной обмоток трансформатора
Обмотка симметрирующего устройства включена в рассечку нулевого провода трансформатора Y/Yн из расчета на то, что при несимметричной нагрузке и появлении тока в нулевом проводе создаваемые в магнитопроводе потоки нулевой последовательности в рабочих обмотках трансформатора Y/Yн полностью компенсируются противоположно направленными потоками нулевой последовательности от симметрирующего устройства. Тем самым, в конечном счете, предотвращается несимметрия фазных напряжений.
Для объективной оценки симметрирующих свойств вообще любых конструкций трансформаторов необходимо несимметричный режим представить в виде трех гармонических составляющих, − это прямая последовательность, обратная последовательность и нулевая последовательность, создаваемая третьей гармоникой. При таком подходе работа любого трансформатора в несимметричном режиме легко анализируется, а его векторная диаграмма строится путем последовательного векторного сложения всех трех составляющих последовательностей.
Прямая последовательность является основной и совпадающей по фазе с векторной диаграммой симметричного режима, а обратная и нулевая последовательности появляются только в несимметричном режиме и обе в одинаковой степени ответственны за угловые и размерные искажения векторных диаграмм фазных токов и напряжений.
В трансформаторе со схемой Y/Yн с СУ третья гармоника, в силу совпадения направлений всех фазных составляющих, складывается в 3I0 и втекает в симметрирующую обмотку. Вполне понятно, что симметрирующие конструкции, создаваемые на базе трансформатора со схемой Y/Yн и предназначенные для компенсации только нулевой последовательности, должны создавать адекватный ей магнитный поток, направленный встречно потоку, их породившему. Тогда, такое устройство должно иметь количество витков хотя бы равное количеству витков фазной обмотки (без учета потерь и неоднородности потокосцепления).
При этом, если учесть, что проводник такого компенсатора должен иметь сечение не менее сечения фазного провода и уложен в два слоя поверх трех фазных обмоток, становится понятным, что такая конструкция трансформатора будет дорогой и громоздкой, к тому же реагирующей только на 3I0.
Таким образом, при разработке устройства симметрирования необходимо учесть недостатки на данный момент применяющихся и устранить их.