Патент на изобретение №2178228

(54) СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

(57) Реферат:

Использование: в электроснабжении. Система электроснабжения состоит из питающей электрической сети, линии электропередачи, двух трансформаторов. Их первичные обмотки соединены параллельно и подключены к двум секциям распределительного устройства. К ним через коммутационные аппараты подключены электродвигатели и резкопеременная нагрузка таким образом, что электродвигатели и резкопеременная нагрузка оказываются подключенными к двум последовательно и встречно соединенным вторичным обмоткам: основной вторичной обмотке одного трансформатора и компенсационной обмотке другого трансформатора. Технический результат заключается в стабилизации напряжения на сборных шинах, ограничении пусковых токов при включении электрических двигателей в сеть. 6 ил. , 1 табл.

Изобретение относится к области электротехники и электроснабжения.

Известно устройство [1] для электроснабжения переменным током, содержащее две группы потребителей, подключенных каждая пофазно к одноименным концам вторичной обмотки трансформатора, соединенной в треугольник через пофазно включенные резонансные токоограничивающие устройства, и два вольтдобавочных трансформатора, первичные обмотки которых соединены встречно и включены в цепь питания одной из групп потребителей, а вторичные обмотки подключены к линейным выводам разных групп потребителей.

Однако данное устройство обеспечивает токоограничение, переключая обмотки со “звезды” на “треугольник” только при коротком замыкании, и не функционирует при пусках крупных электродвигателей и других нагрузках. Использование в схеме одного понизительного трансформатора в случае выхода его из строя приводит к перерыву электроснабжения потребителей. Применение сравнительно больших емкостей обуславливает дороговизну устройства, а использование явления резонанса требует больших трудозатрат, связанных с настройкой LC-контуров, и приводит к значительному увеличению напряжения на элементах схемы.

Наиболее близкой по технической сущности к предложенной системе является система электроснабжения [2] , содержащая два отдельных трансформатора с разными группами соединения, первичные обмотки которых подключены к питающей сети, электрические машины, фазные выводы которых через коммутационные аппараты подключены к вторичной обмотке одного трансформатора, а их нулевые выводы посредством коммутационных аппаратов подключены к вторичной обмотке другого трансформатора или к другой расщепленной обмотке того же трансформатора, закорачивающий коммутационный аппарат, установленный со стороны нулевых выводов электрических машин. С целью ограничения пусковых токов при включении электрических машин в сеть группы соединения трансформаторов выбраны из условия получения результирующего вектора напряжения, создаваемого вторичными обмотками трансформаторов, соответствующего номинальному напряжению электрических машин, а номинальное напряжение по крайней мере одной из вторичных обмоток трансформаторов в отдельности выбрано меньшим номинального напряжения электрических машин.

Однако применение этого способа ограничено тем. что трансформаторы служат только для пуска электрических машин, при этом всего один из двух трансформаторов является пусковым и нет взаимозаменяемости. В системе электроснабжения осложнены стабилизация напряжения на сборных шинах и пуск электрических двигателей.

Технической задачей данного изобретения является стабилизация напряжения на сборных шинах, ограничение пусковых токов при включении электрических двигателей в сеть, упрощение их пуска.

Предлагаемая система электроснабжения содержит электрическую питающую сеть, линию электропередачи, два трансформатора, первичные обмотки которых соединены параллельно и подключены к питающей линии. а их вторичные обмотки подключены к двум секциям распределительного устройства, к которым через коммутационные аппараты подключены электродвигатели и резкопеременная нагрузка таким образом, что электродвигатели и резкопеременная нагрузка подключены к двум последовательно и встречно соединенным обмоткам: вторичной обмотке одного трансформатора и компенсационной обмотке другого трансформатора. Для стабилизации напряжения трансформаторы выполнены таким образом, что число витков основных вторичных обмоток в два раза больше числа витков компенсационных обмоток. Пуск двигателя осуществляется от одного из трансформаторов при стабильном напряжении на сборных шинах другого трансформатора.

Схема системы электроснабжения показана на фиг. 1. Схема электроснабжения состоит из электрической питающей сети С, линии электропередачи (ЛЭП), показанной в виде сопротивления силовых трансформаторов 1T и 2Т, нагрузок, показанных в виде сопротивлений Первичные обмотки с количеством витков W_1Т и W_2Т трансформаторов 1T и 2Т соответственно соединены параллельно и через сопротивление линии подключены к питающей сети С. К первичным обмоткам трансформаторов приложено напряжение U₁. В начале ЛЭП приложено напряжение системы U_c.

Вторичные основные обмотки с количеством витков W₁₁ и W₂₁ и компенсационные обмотки с количеством витков W₁₂ и W₂₂ трансформаторов 1T и 2Т соответственно включены по схеме “зигзаг”, и к ним последовательно подключены сопротивления нагрузок Начала обмоток на схеме обозначены звездочками (*).

Схема “зигзаг” предполагает встречное включение вторичных основных обмоток и компенсационных обмоток соседних трансформаторов. То есть основная вторичная обмотка трансформатора 1T подключена последовательно и встречно с компенсационной обмоткой соседнего трансформатора 2Т, а основная вторичная обмотка трансформатора 2Т подключена последовательно и встречно с компенсационной обмоткой трансформатора 1T.

На Фиг. 2,3 показаны векторные диаграммы токов и напряжений трансформатора 1T, соответствующие нормальному режиму работы трансформаторов (Фиг. 2) и режиму работы трансформаторов при коротком замыкании на нагрузке (Фиг. 3).

На векторных диаграммах приняты следующие обозначения:
r_1Т – активное сопротивление первичной обмотки трансформатора 1T;
х_1Т – реактивное сопротивление первичной обмотки трансформатора 1T;
r₁₁ – активное сопротивление основной вторичной обмотки трансформатора 1T;
х₁₁ – реактивное сопротивление основной вторичной обмотки трансформатора 1T;
r₂₂ – активное сопротивление компенсационной обмотки трансформатора 2Т;
х₂₂ – реактивное сопротивление компенсационной обмотки трансформатора 2Т;
Е₁ – электродвижущая сила (ЭДС), наводимая в первичной обмотке трансформатора 1T основным магнитным потоком Ф₁ трансформатора 1T;
Е₁₁ – ЭДС, наводимая в основной вторичной обмотке трансформатора 1T магнитным потоком Ф_1Т, обусловленным током первичной обмотки трансформатора 1T;
Е₂₂ – ЭДС, наводимая в компенсационной обмотке трансформатора 2Т основным магнитным потоком Ф₂, трансформатора 2Т;
– ЭДС, наводимая в основной вторичной обмотке трансформатоpa 1T магнитным потоком Ф₁₂, обусловленным током компенсационной обмотки трансформатора 1T;
– напряжение на нагрузке ;
I₁ – ток в первичной обмотке трансформатора 1T;
I₀₁ – намагничивающий ток первичной обмотки трансформатора 1T;
– ток основной вторичной обмотки трансформатора 1T, приведенный к первичной обмотке;
– ток компенсационной обмотки трансформатора 1T, приведенный к первичной обмотке;
– намагничивающий ток компенсационной обмотки трансформатора 1T, приведенный к первичной обмотке;
E_11K – ЭДС, наводимая в основной вторичной обмотке трансформатора 1T магнитным потоком Ф_1TK, обусловленным током первичной обмотки трансформатора 1T при коротком замыкании на нагрузке ;
E_22K – ЭДС, наводимая в компенсационной обмотке трансформатора 2Т основным магнитным потоком Ф₂ трансформатора 2Т при коротком замыкании на нагрузке ;
E’_11K – ЭДС, наводимая в основной вторичной обмотке трансформатора 1T магнитным потоком Ф_12K, обусловленным током компенсационной обмотки трансформатора 1T при коротком замыкании на нагрузке ;
I_1K – ток в первичной обмотке трансформатора 1T при коротком замыкании на нагрузке ;
На Фиг. 4 показана схема замещения трансформатора 1T, coстоящая из следующих элементов:
– комплексное сопротивление первичной обмотки трансформатора 1T;
– комплексное сопротивление шунта намагничивания первичной обмотки трансформатора 1T;
– комплексное сопротивление шунта намагничивания компенсационной обмотки трансформатора 1T, приведенной к первичной обмотке;
– комплексное сопротивление компенсационной обмотки трансформатора 1T, приведенной к первичной обмотке;
– комплексное сопротивление основной вторичной обмотки трансформатора 1Т, приведенной к первичной обмотке;
– комплексное сопротивление компенсационной обмотки трансформатора 2Т, приведенной к первичной обмотке;
– комплексное сопротивление компенсационной нагрузки, приведенное к первичной обмотке;
На схеме замещения указаны следующие напряжения:
U₁ – напряжение, приложенное к первичным обмоткам трансформаторов;
– напряжение на основной вторичной обмотке трансформатора 1T, приведенной к первичной обмотке;
– напряжение на компенсационной обмотке трансформатора 1T, приведенной к первичной обмотке;
– напряжение на нагрузке , приведенной к первичной обмотке трансформатора 1T.

На Фиг. 5 показана однолинейная схема электроснабжения. На схеме приняты следующие обозначения:
– резкопеременная нагрузка, подключенная к секции сборных шин 1С трансформатора 1T;
– резкопеременная нагрузка, подключенная к секции сборных шин 2С трансформатора 2Т;
ЭД1 – группа электродвигателей, подключенных к секции сборных шин 1С трансформатора 1Т;
ЭД2 – группа электродвигателей, подключенных к секции сборных шин 2С трансформатора 2Т.

На Фиг. 6 показана схема магнитной цепи трансформатора 1Т. На схеме приняты следующие обозначения:
– магнитный поток, обусловленный током компенсационной обмотки трансформатора 1T;
– магнитный поток, обусловленный током основной вторичной обмотки трансформатора 1T;
– магнитный поток, обусловленный током первичной обмотки трансформатора 1T;
– магнитодвижущая сила (МДС) компенсационной обмотки трансформатора 1T;
– МДС первичной обмотки трансформатора 1T;
– МДС основной вторичной обмотки трансформатора 1T.

Как видно из фиг. 6, магнитные потоки направлены согласно, что достигается встречным включением компенсационной обмотки трансформатора 1T и основной вторичной обмотки трансформатора 2Т.

Уравнения напряжений в первичной цепи имеют вид:

где – токи в первичных обмотках трансформаторов 1T и 2Т соответственно;
Уравнения напряжений на основных вторичных обмотках трансформаторов 1T и 2Т соответственно:


где – комплексные сопротивления основных вторичных обмоток трансформаторов 1T и 2Т соответственно;
– токи основных вторичных обмоток трансформаторов 1T и 2Т (токи нагрузок), и токи компенсационных обмоток трансформаторов 2Т и 1T соответственно;
– результирующая ЭДС основной вторичной обмотки трансформатора 1T;
– результирующая ЭДС основной вторичной обмотки трансформатора 2Т;
– ЭДС, наводимая в основной вторичной обмотке трансформатора 2Т магнитным потоком Ф_2Т, обусловленным током первичной обмотки трансформатора 2Т;
– ЭДС, наводимая в основной вторичной обмотке трансформатора 2Т магнитным потоком Ф₂₂, обусловленным током компенсационной обмотки трансформатора 2Т.

Уравнения напряжений на компенсационных обмотках трансформаторов 1T и 2Т соответственно равны:


где – комплексные сопротивления компенсационных обмоток трансформаторов 1T и 2Т соответственно;
– ЭДС, наводимая в компенсационной обмотке трансформатора 1T основным магнитным потоком Ф₁ трансформатора Т1;
– ЭДС, наводимая в компенсационной обмотке трансформатора 2Т основным магнитным потоком Ф₂ трансформатора 2Т.

Знак падения напряжения на внутренних сопротивлениях обмоток z₁₂ и z₂₂ объясняется тем, что направление токов в обмотках противоположно ЭДС .

Так как вторичные основные обмотки включены встречно последовательно с компенсационными обмотками, то напряжения на нагрузках:


Уравнения токов для трансформаторов 1T и 2Т согласно 1-му закону Кирхгофа для узла А схемы замещения (Фиг. 4) будут иметь вид:


где – намагничивающие токи первичных обмоток трансформаторов 1T и 2Т соответственно;
– намагничивающие токи компенсационных обмоток трансформаторов 1T и 2Т соответственно, приведенные к первичным обмоткам;
– токи основных вторичных обмоток трансформаторов IT и 2Т, соответственно приведенные к первичным обмоткам;
– токи компенсационных обмоток трансформаторов 2Т и 1T соответственно, приведенные к первичным обмоткам.

Зависимость ЭДС от магнитного потока выражается известной формулой:
E = 2fW (10)
где f – частота сети (в данном случае – 50 Гц);
W – количество витков, сцепленных с рассматриваемым магнитным потоком .

Используя закон полного тока и значения намагничивающих токов (8) и (9), получим:


где l – длина магнитной линии.

Используя (2), (5), (6), получаем:

Подставив (11) и (12) в (13), имеем:

Принцип стабилизирующего эффекта можно объяснить следующим образом. Первичное напряжение отличается от напряжения системы С на величину потери напряжения в ЛЭП:
U= U_c-U₁ (15)
ЭДС определяются первичным напряжением U₁ и зависят, кроме того, от тока нагрузки соседнего трансформатора, то есть увеличивается с ростом тока увеличивается с ростом тока Увеличение это незначительно и его можно объяснить так. Ток проходя по компенсационной обмотке трансформатора 2Т с числом витков W₂₂, создает намагничивающий поток ₂₂, вектор которого направлен согласно с потоком _2T, создаваемым током , протекающим по первичной обмотке трансформатора 2Т с числом витков W_2Т. Напряжение U₁₁ уменьшается о ростом тока , а напряжение U₂₁ – с ростом тока , тем самым подтверждаются уравнения (2) и (3).

При значительном увеличении тока I_н2 основной вторичной обмотки трансформатора 2Т до величины , например вследствие короткого замыкания на нагрузке , происходит снижение напряжения U₁ на первичных обмотках трансформаторов 1T и 2Т, что вызывает понижение напряжения U_н1 на нагрузке .

Вместе с тем за счет увеличения тока I_н2, возрастает МДС компенсационной обмотки трансформатора 1T. Магнитный поток _12K, созданный током 1_н2К, протекающим по компенсационной обмотке трансформатора 1T, наводит в основной вторичной обмотке трансформатора 1T с числом витков W₁₁ ЭДС .

При этом разность ЭДС остается неизменной и равной разности тех же ЭДС в нормальном режиме работы
трансформаторов 1T и 2Т:

Таким образом, обеспечивается стабильность напряжения на нагрузке при бросках тока в основной вторичной обмотке трансформатора 2Т.

Пуск электродвигателей упрощен и является одноступенчатым, то есть электродвигатель запускается включением выключателя, который подключает электродвигатель к секциям сборных шин распределительного устройства.

Лабораторные исследования предлагаемого способа были проведены по схеме (Фиг. 1), см. таблицу.

Для стабилизации напряжения трансформаторы были выполнены таким образом, что число витков основных обмоток было в 2 раза больше числа витков компенсационных обмоток.

Потеря напряжения в линии была вычислена по формуле

а нестабильность напряжения для трансформатора 1T следующим образом:

где U_н1(2) – напряжение на нагрузке трансформатора 1T в опыте 2, а напряжение U_н1(1) – напряжение на нагрузке трансформатора 1T в опыте 1, то есть цифра, стоящая в скобках, обозначает опыта. Аналогичным образом была вычислена нестабильность напряжения на нагрузке трансформатора 2Т по формуле:

где U_н2(2) – напряжение на нагрузке трансформатора 2Т в опыте 2, а напряжение U_н2(1) – напряжение на нагрузке трансформатора 2Т в опыте 1.

Аналогичным образом была вычислена нестабильность напряжения и в остальных опытах.

Результаты опытов позволили убедиться в работоспособности и целесообразности внедрения предложенного способа и устройства для его реализации и подтвердили зависимость нестабильности напряжения от величины сопротивления линии. Самая малая нестабильность оказалась при z_л = 3 Ом (опыты 5, 6, 7).

Система электроснабжения позволяет осуществить упрощенный одноступенчатый пуск электродвигателя подключением его коммутационным аппаратом к любой из двух секций сборных шин распределительного устройства и не требует переключении с одного трансформатора на другой, как в [2] .

Последовательное соединение вторичных основных и компенсационных обмоток обеспечивает ограничение пусковых токов и токов короткого замыкания.

Оба трансформатора, применяемые в системе электроснабжения, взаимозаменяемые и имеют одинаковые параметры.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 1081732, H 02 J 3/00, 1984.

2. Авторское свидетельство CCCР N 1582273, H 02 J 3/00, 1990.

Формула изобретения

Система электроснабжения, состоящая из линии электропередач, двух трансформаторов, первичные обмотки которых соединены параллельно и подключены к питающей сети, а их вторичные и компенсационные обмотки подключены к двум секциям распределительного устройства, к которым через коммутационные аппараты подключены электродвигатели и резкопеременная нагрузка, отличающаяся тем, что указанное подключение электродвигателей и резкопеременной нагрузки осуществлено между вторичной обмоткой одного трансформатора и компенсационной обмоткой другого трансформатора так, что вторичная обмотка одного трансформатора подключена последовательно и встречно с компенсационной обмоткой другого трансформатора, при этом число витков вторичных обмоток трансформаторов в два раза больше числа витков компенсационных обмоток.

РИСУНКИ

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 30.09.2001

Номер и год публикации бюллетеня: 10-2003

Извещение опубликовано: 10.04.2003