Патент на изобретение №2292625

(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ТРЕХ- И ОДНОФАЗНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ТОКОВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат заключается в создании преобразовательных устройств для электропитания однофазных потребителей значительной мощности от трехфазной первичной сети с симметричным нагружением последней. Это достигается благодаря тому, что процесс преобразования происходит в два этапа так, что сначала с помощью трансформаторного преобразователя производится преобразование трехфазных напряжений и токов в двухфазные, одинаковые по модулю и сдвинутые по фазе на четверть периода, а затем с помощью включенных в цепь двухфазной обмотки трансформаторного преобразователя балластных реактивных элементов (конденсаторов и дросселей) – преобразование двухфазных напряжений и токов в напряжение и ток однофазного приемника. При этом указываются требуемые по условиям симметрии обмоточные параметры трансформаторного преобразователя, а также соотношения параметров балластных реактивных элементов. Контроль симметричного режима работы преобразователя и управление реактивными балластными элементами осуществляется путем измерения амплитуд двухфазных токов и угла сдвига фаз между ними и в зависимости от величины и знака отклонения этого угла от четверти периода воздействия на величины реактивных сопротивлений балластных элементов. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к трансформаторостроению и преобразовательной технике, и предназначено для преобразования электрической энергии трехфазных напряжений и токов в однофазные.

Цель изобретения – создание преобразовательных устройств для электропитания однофазных потребителей значительной мощности от трехфазной первичной сети с симметричной нагрузкой последней, расширение функциональных возможностей и вариантов конструктивных решений схем электропитания однофазных потребителей.

Предлагаемое в качестве изобретения устройство для преобразования электрической энергии трехфазных напряжений и токов в однофазные обеспечивает сопряжение режимов работы трехфазной сети и однофазных потребителей, при котором 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 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 предлагаемой схеме преобразования электрической энергии трехфазных напряжений и токов в однофазные, в которой 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, отличающейся тем, что одна из фаз двухфазной обмотки соединена последовательно с первым балластным элементом и последовательно встречно с второй фазой двухфазной обмотки и вторым балластным элементом, параллельно которым присоединены последовательно соединенные между собой однофазный приемник и третий балластный элемент, при этом блок контроля и управления в зависимости от величины и характера (cos) однофазного приемника изменяет величины реактивных сопротивлений балластных элементов так, что разность реактивных сопротивлений первого и второго балластных элементов вдвое больше активного сопротивления однофазного приемника, а реактивное сопротивление третьего балластного элемента в сумме с реактивным сопротивлением однофазного приемника равно нулю.

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], [3].

В основе устройства предлагаемых преобразователей используются аналогичные указанным выше трансформаторные преобразователи [1], [2], [3] 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], [3] и однофазным приемником или однофазной сетью и образуют блок преобразования двухфазных напряжений и токов в однофазные, 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 преобразователя электрической энергии трехфазных напряжений и токов в однофазные приведена на фиг.1. Рабочий процесс в преобразователе происходит следующим образом.

Этап преобразования трехфазных напряжений и токов в двухфазные производится в блоке 1 с соответствующим названием, который по устройству и принципу действия совпадает с известным трансформаторным преобразователем [3]. В результате симметричные трехфазные напряжения и токи I_А, I_В, I_С симметричного трехфазного источника 2 преобразуются в симметричные двухфазные напряжения U_Q и U_D=jU_Q и токи I_Q и I_D=jI_Q.

Этап преобразования двухфазных напряжений и токов в однофазные происходит в блоке 3 с соответствующим названием, электрическая схема которого приведена на фиг.2.

Так, в блоке 3 согласно схеме фиг.2 к одной из фаз 10 двухфазной обмотки (например, Dd) трансформаторного преобразователя 1 последовательно подключены первый балластный элемент 12 (например, Х_БD) и последовательно встречно вторая фаза 11 (например, Qq) двухфазной обмотки и второй балластный элемент 13 (например, Х_БQ), параллельно которым присоединены последовательно соединенные однофазный приемник 14 (например, Z_Н=R_Н+jX_Н) электрической энергии и третий балластный элемент 15 (например, Х_БН). На схеме фиг.2 двухфазные обмотки 10 и 11 трансформаторного преобразователя 1 характеризуются напряжениями U и jU холостого хода и сопротивлениями, равными их входным комплексным сопротивлениям (короткого замыкания) Z_К=R_К+jX_К при замкнутой накоротко трехфазной обмотке, однофазный приемник 14 – комплексным сопротивлением Z_H=R_H+jX_H, а балластные элементы 12, 13 и 15 – их реактивными сопротивлениями (например, X_БD, Х_БQ и Х_БН).

Условие симметрии двухфазных токов I_D=jI_Q и I_Н=I_D+jI_Q=I_Q(1+j) с учетом уравнений Кирхгофа: jU=(R_K+j(X_К+X_БD))(jI_D)+(R_H+j(X_H+X_БН)(1+j)I_Q и U=(R_K+j(Х_К+Х_БQ))I_Q+(R_Н+j(X_Н+X_БН))(1+j)I_Q реализуется при параметрах балластных элементов, равных: Х_БD-X_БQ=2R_Н, Х_БН+Х_Н=0.

При этом, если первый балластный элемент отсутствует Х_БD=0, то второй балластный элемент является емкостью, реактивное сопротивление которого равно удвоенному активному сопротивлению однофазного приемника R_H.

Если же отсутствует второй балластный элемент X_БQ=0, то первый балластный элемент является индуктивностью, реактивное сопротивление Х_БD которой равно удвоенному активному сопротивлению однофазного приемника R_H.

При изменении режима работы преобразователя, например, вследствие изменения величины и(или) характера (cos) нагрузки, выражающемся в изменении параметров Z_H=R_H+jX_Н, и при фиксированных параметрах Х_БD, X_БQ и Х_БН балластных элементов 12, 13 и 15 происходит нарушение симметрии двухфазных I_Q и I_D и, как следствие, трехфазных I_А, I_В, I_С токов. Сохранение симметричного режима работы преобразователя осуществляется с помощью блока 5 контроля симметричного режима работы преобразователя и управления реактивными балластными элементами 12, 13 и 15. Блок 5 контроля и управления (фиг.1) работает следующим образом. Напряжения с вторичных обмоток трансформаторов тока 6 и 7 (ТТ_D и ТТ_Q), отражающие информацию о величине и фазе двухфазных токов I_Q и I_D, поступают на измерительные входы фазового дискриминатора 8, который формирует сигнал, пропорциональный разности величин и отклонению угла сдвига фаз между токами I_Q и I_D от четверти периода. Этот сигнал поступает на вход исполнительного устройства 9, которое изменяет параметры Х_БD, X_БQ и Х_БН балластных элементов 12, 13 и 15 в соответствии с указанными выше условиями симметрии двухфазных токов.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №598 197, 11.10.1976, кл. Н 02 М 514.

2. Патент Франции №2 648 612, 15.06.1989, кл. H 01 F 33/00.

3. Патент РФ №2255411, 05.02.2004, кл. Н 02 М 5/14, H 01 F 30/14.

Формула изобретения

1. Трансформаторный преобразователь электрической энергии трехфазных напряжений и токов в однофазные, содержащий трансформаторный преобразователь электрической энергии трехфазных напряжений и токов в двухфазные, реактивные балластные элементы и блок контроля симметричного режима работы преобразователя и управления реактивными балластными элементами, отличающийся тем, что одна из фаз двухфазной обмотки трансформаторного преобразователя электрической энергии трехфазных напряжений и токов в двухфазные соединена последовательно с первым балластным элементом X_БD и последовательно встречно с второй фазой двухфазной обмотки и вторым балластным элементом X_БQ, параллельно которым присоединены последовательно соединенные между собой однофазный приемник Z_H и третий балластный элемент Х_БН, при этом блок контроля и управления в зависимости от величины и характера (cos) однофазного приемника изменяет величины реактивных сопротивлений балластных элементов так, что разность реактивных сопротивлений первого и второго балластных элементов вдвое больше активного сопротивления однофазного приемника R_H, а реактивное сопротивление третьего балластного элемента X_БН в сумме с реактивным сопротивлением Х_H однофазного приемника равно нулю:

X_БD-X_БQ=2 R_H Х_БН+Х_Н=0.

2. Трансформаторный преобразователь электрической энергии трехфазных напряжений и токов в однофазные по п.1, отличающийся тем, что первый балластный элемент отсутствует, а второй балластный элемент является емкостью, реактивное сопротивление Х_БQ которой равно удвоенному активному сопротивлению однофазного приемника R_H.

3. Трансформаторный преобразователь электрической энергии трехфазных напряжений и токов в однофазные по п.1, отличающийся тем, что второй балластный элемент отсутствует, а первый балластный элемент является индуктивностью, реактивное сопротивление X_БD которой равно удвоенному активному сопротивлению однофазного приемника R_H.

РИСУНКИ