PL180159B1 - Kompensator zrealizowany uzwojeniami w polaczeniu Z PL PL PL - Google Patents

Abstract

1. Kompensator zrealizowany uzwojeniami w polaczeniu Z przeznaczony do zastosowania w bloku zasilajacym dla poprawienia zrównowazenia ele- ktrycznego ukladu trójfazowego, przy czym kom- pensator stanowi przykladowo filtr w urzadzeniu pomiarowym umozliwiajacy utworzenie stabilnego punktu odniesienia wzgledem amplitudy, fazy i cze- stotliwosci wielkosci elektrycznych ukladu trójfazo- wego, znamienny tym, ze dla kazdej fazy w ukladzie trójfazowym zawiera oddzielny toroidalny rdzen magnetyczny (12,14 i 16), na którym sa rozmieszczo- ne przynajmniej dwa izolowane elektrycznie wzajem- nie od siebie uzwojenia (18,20; 22,24; i 26,28), które polaczone sa w Z. F IG .1 PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest kompensator zrealizowany uzwojeniami w połączeniu Z, przeznaczony szczególnie do zastosowania w bloku zasilającym.

Rozważana koncepcja układu trójfazowego wymaga, aby obwód elektryczny był symetryczny i pracował z czysto sinusoidalnymi napięciami i prądami. Dla tego celu prądy wymagają przekazywania przez trzy oddzielne przewody fazowe, z przewodem zerowym lub bez. W przewodzie zerowym zatem przy obciążeniu asymetrycznym występuje pewien prąd. Prąd w przewodzie zerowym może występować również przy obciążeniu symetrycznym z harmonicznymi o charakterze rzędu zerowego. Występowanie jakiegokolwiek prądu w przewodzie zerowym obwodu trófazowego powoduje powstanie niesymetrii napięciowych, napięcia na odsłoniętych częściach składowych, strat w transformatorach i przewodach zerowych, pól magnetycznych itp.

Jeżeli w takiej sytuacji prąd składowej zerowej doprowadzany jest na powrót do przewodów fazowych, to obwód staje się bardziej symetryczny i zmniejszają się również niedogodności opisane powyżej.

Urządzenia do kompensowania różnych typów asymetrii w elektrycznych obwodach trójfazowych są znane.

Z opisu patentowego SU 1206-881 znane jest urządzenie do kompensacji wykorzystujące połączenie Z, w którym równolegle z uzwojeniami dołączonymi do przewodów fazowych

180 159 elektrycznego układu trójfazowego włączone są kondensatory. Połączenie Z realizuje się w znany sposób na rdzeniu trójkolumnowym, co związane jest jednakowoż z pewnymi niedogodnościami. Strumień jarzma występuje już w warunkach pracy bez obciążenia, co powoduje sprzężenie między różnymi częściami jarzma na zewnątrz samego rdzenia. W przypadku obwodu z obciążeniem asymetrycznym, również występują różnice w wyniku faktu, że obwody zawierające żelazo się różnią, i ponieważ uzwojenia nie są wykonane symetrycznie na odcinkach rdzenia z żelazem w poszczególnych fazach.

Odpowiednio do tego asymetria tego urządzenia powoduje wzrost strumieni rozproszonych, który nasila się pod obciążeniem i przy wzroście zawartości harmonicznych.

Podobne urządzenie znane jest z opisu patentowego SU 1504-725.

Z opisu patentowego DE 2 155 903 znany jest kompensator, nie stosuje się połączenia Z, ale każda faza ma oddzielny rdzeń magnetyczny o konstrukcji konwencjonalnej. Liczba uzwojeń wtórnych w tej konstrukcji musi odpowiadać liczbie faz.

Z opisu patentowego US 2 488 628 znane jest rozwiązanie, w którym zastosowane są oddzielne rdzenie magnetyczne dla kompensatora. Jako zaletę wymienia się również uproszczenie transportu przy oddzielnym przenoszeniu każdego bloku.

Celem niniejszego wynalazku jest opracowanie kompensatora zapewniającego lepsze zrównoważenie w elektrycznym układzie trójfazowym, niż osiągane za pomocą znanych rozwiązań technicznych.

Kompensator zrealizowany z uzwojeniami połączonymi w Z przeznaczony do zastosowania w bloku zasilającym dla poprawienia zrównoważenia elektrycznego układu trójfazowego, przy czym kompensator stanowi przykładowo filtr w urządzeniu pomiarowym umożliwiający utworzenie stabilnego punktu odniesienia względem amplitudy, fazy i częstotliwości wielkości elektrycznych układu trójfazowego, według wynalazku charakteryzuje się tym, że dla każdej fazy w układzie trójfazowym zawiera oddzielny toroidalny rdzeń magnetyczny, na którym są rozmieszczone przynajmniej dwa izolowane elektrycznie wzajemnie od siebie uzwojenia, które połączone są w Z.

Korzystnym jest, że kompensator zawiera dwa uzwojenia typu uzwojeń wtórnych na każdym rdzeniu magnetycznym, w połączeniu z którym kompensator stanowi dławik.

Korzystnym jest, że jedno z uzwojeń na każdym rdzeniu magnetycznym jest typu uzwojenia pierwotnego, w połączeniu z którym kompensator stanowi transformator.

Korzystnym jest, że rdzenie magnetyczne są rdzeniami ferrytowymi.

Korzystnym jest, że uzwojenia rozmieszczone są na każdym z rdzeni magnetycznych z pewnym odstępem między nimi.

Korzystnym jest, że uzwojenia pierwotne trzech rdzeni magnetycznych przeznaczone są do połączenia D, Y, Z.

Korzystnym jest, że uzwojenia rozmieszczone sąjako bifilame na każdym rdzeniu magnetycznym.

Korzystnym jest, że uzwojenia rozmieszczone sąrównomiemie na całej długości każdego rdzenia magnetycznego.

Korzystnym jest, że uzwojenia na każdym rdzeniu magnetycznym, rozmieszczone są współśrodkowo.

Kompensator według wynalazku przeznaczony jest do wykorzystania w charakterze dławika lub transformatora. We wcześniejszych rozwiązaniach zawiera on dwa uzwojenia typu uzwojeń wtórnych na każdym rdzeniu magnetycznym, w tym przypadkujedno z uzwojeń na każdym z rdzeni magnetycznych jest uzwojeniem typu uzwojenia pierwotnego.

Dzięki temu, że połączenie Z zrealizowane jest na trzech oddzielnych rdzeniach, konstrukcja jest całkowicie symetryczna dla trzech faz w obwodzie. Symetrię można poprawić dodatkowo, przy stosowaniu dwóch uzwojeń na każdym rdzeniu, przez ich równoczesne nawijanie i równomierne rozłożenie na całym rdzeniu zawierającym żelazo. Dzięki temu minimalizuje się strumień rozproszenia, a impedancja dla składowej zerowej staje się w zasadzie całkowicie

180 159 rezystancyjna. Znaczy to, że impedancja dla składowej zerowej jest niezależna od częstotliwości, i że jej wartość określona jest tylko grubością drutu, którą można zastosować przy nawijaniu.

Należy zauważyć, że transformator w połączeniu Z na rdzeniu trój kolumnowym daje mniejsze pole rozproszenia magnetycznego, niż równoważny transformator z połączeniem typu Y po stronie wtórnej. Trzy jednofazowe transformatory w połączeniu Z zatem w jeszcze większym stopniu zmniej szaj ąpole rozproszenia. Rdzeń toroidalny zapewnia bardzo słabe pole rozproszenia, zależne od ukształtowania uzwojeń i doboru materiału rdzenia. Trójfazowo połączone toroidy zapewniają mniejsze pole rozproszenia, niż równoważne transformatory jednofazowe i trójfazowe. Trzy transformatory toroidalne w połączeniu Z łączą zalety toroidu i połączenia Z.

Zaletą kompensatora według wynalazku jest poprawienie zrównoważenia elektrycznego układu trój fazowego, przy czym kompensator działa na przykład jako filtr, a przy jego wykorzystaniu urządzeniu powiarowym, dla umożliwienia utworzenia stabilnego punktu odniesienia w odniesieniu do amplitudy, fazy i częstotliwości wielkości elektrycznych układu trójfazowego. Blokiem zasilającym w niniejszym kontekście określa się urządzenie przeznaczone do dokonywania operacji na mocy elektrycznej, na przykład transformowania, ograniczania przepięć, rozdzielania prądu itp., a urządzeniem pomiarowym nazywa się urządzenie przeznaczone do celów pomiarowych, przy których nie występuje żaden znaczący pobór mocy.

Sieć trój fazowa wykorzystująca kompensator według wynalazku zapewnia bardziej symetrycznąpracę przy zmiennych obciążeniach, zaburzeniach, włączeniach i wyłączeniach oraz zerwaniach ciągłości fazy itp. Zapewnia to zmniejszenie ilości problemów w postaci prądów błądzących, pół magnetycznych, przepięć i przeciążeń w przewodach zerowych i szynach przewodowych. Dotychczas rozwiązywano oddzielnie te problemy, bez rozpatrywania systemu jako całości.

Przedmiot wynalazku w przekładzie wykonaniajest przedstawiony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia kompensator zrealizowany według wynalazku, w odniesieniu do połączenia dławikowego, fig. 2 przedstawia połączenie dławikowe zrealizowane według fig. 1 uzupełnione dodatkowym otwartym uzwojeniem D, do którego mogą być dołączone zewnętrzne elementy impedancyjne, fig. 3 przedstawia wykres charakterystyki Ul struktury' połączeniowej według fig. 2, fig. 4 przedstawia jedno z kilku połączeń transformatorowych według wynalazku, fig. 5 i 6 przedstawiająstrukturę połączeniową częściowo z kondensatorami w połączeniu Y, a częściowo połączonąjak w przypadku dławika Z, fig. 7 przedstawia wykres impedancji składowej zerowej w funkcji częstotliwości, w przypadku struktury połączeniowej według wynalazku.

Kompensator przedstawiony na fig. 1 jest włączony w charakterze dławika w pożądanym punkcie obwodu rozprowadzającego z trzema przewodami fazowymi LI, L2 i L3. Między przewód fazowy LI a przewód zerowy N włączone jest obciążenie 10. Kompensator w tym przypadku zaopatrzony jest w trzy całkowicie oddzielne rdzenie magnetyczne, 12,14 i 16, wykonane ze stali. Rdzenie magnetyczne 12,14 wykonane sąjako oddzielnie montowane toroidy, a każdy rdzeń jest zaopatrzony w dwa uzwojenia elektryczne 18,20; 22, 24 i 26, 28. Uzwojenia na odpowiednich rdzeniach są całkowicie izolowane od siebie pod względem elektrycznym, i mogą być rozmieszczone współśrodkowo (nie pokazano na rysunku), i w tym przypadku mają one nieco różne impedancje. Różnicom rezystancji przy małych częstotliwościach przeciwdziała się w przedstawionym połączeniu Z przez łączenie uzwojenia zewnętrznego, na przykład 18 z uzwojeniem wewnętrznym 24.

Różnica induktancj i jednak pozostaje. Zarówno składowe rezystywne, jak i indukcyjne kompensuje się przez zastosowanie uzwojenia bifilamego. Zwiększenie strumienia rozproszenia oznacza również straty rezystancyjne, między innymi wskutek przesunięcia fazowego prądu. Ponieważ rdzenie magnetyczne 12,14 i 16 sązupełnie oddzielne, to nie ma między nimi sprzężenia magnetycznego. Jednakowoż rozdzielenie oznacza, że wymagania dotyczące zrównoważenia amperozwojów dla każdego rdzenia 12, 14, są bardzo wysokie. Konstrukcja z oddzielnymi rdzeniami i uzwojeniami rozłożonymi pozwala zrealizować cel polegający na otrzymaniu najmniejszego możliwego pola rozproszenia.

180 159

Teoretyczną podstawę układu według wynalazku stanowią następujące założenia i równania.

Załóżmy,że uzwojenia 18, 20; 22, 24 i 26, 28 mają różną liczbę zwojów, N, i N2:

Ir ~ Jf + Ia

Is = Ib

1t_ Ic _ _ _ _ -Jf = Ia +Jb + Ic

Ia -n. = Ic -N

Ib ·Ν, = Ia N2

I_c-N, = I_b-N2 _ _ _ _ _

Warunkiem dla równowagi amperozwojów zatem jest, aby N_t= N2 i aby prądy Ia = Ib = Ic co oznacza że If = 3 · IaPołączony w Z trójfazowy transformator/dławik, wykonany według zasad niniejszego wynalazku może być wykorzystywany również do ograniczania napięcia. Połączenie dławikowe przedstawione na fig. 1 może zostać zatem uzupełnione w sposób pokazany na fig. 2 dodatkowym uzwojeniem o konfiguracji D 30, 32 i 34 na odpowiednich rdzeniach 12,14 i 16. Zajego pomocąmożna zmieniać charakterystykę Ul w punkcie zagięcia, j ak na wykresie z fig. 3. Krzywa w lewej części wykresu przedstawia warunki z włączonym dodatkowym uzwojeniem D, a krzywa po prawej przedstawia warunki bez dodatkowego uzwojenia D. Można je wykorzystywać zarówno przy rozdzielaniu prądu, jak i przy generacji mocy elektrycznej, na przykład w połączeniu z kondensatorowym wzbudzeniem maszyny asynchronicznej. W tym przypadku dławik w połączeniu Z, poza ochroną przepięciową zapewnia otrzymanie neutralnego punktu obwodu i zrównoważenie obciążenia. Przy stosowaniu kompensatora do tego rodzaju ograniczania napięcia, j ego charakterystyki częstotliwościowe wyznaczone sąkonstrukcjąuzwojenia i rdzenia.

Trójkolur^owy transformator w połączeniu Z nawija się z zastosowaniem dodatkowych 15 procent zwojów ze względu na położenie fazowe napięcia tego uzwojenia. Jeżeli w połączeniu Z występują trzy oddzielne transformatory jednofazowe spięte w układ toroidu w celu utworzenia transformatora trójfazowego, to może on być magnesowany do pełnego napięcia, bez potrzeby dodawania zwojów w uzwojeniu. Jest tak ze względu na to, że napięcia składowe ulegają odkształceniu równocześnie, gdyż napięcie sumacyjne na uzwojeniach jest sinusoidalne. Znaczy to, że transformator wykonany zgodnie z zasadą według wynalazku można zaopatrzyć w mniej sząliczbę zwojów, lecz przy pewnym wzroście zawartości harmonicznych prądu magnesowania. Efekt ten można częściowo wykorzystać do zmniejszenia kosztów transformatowa/dławika i częściowo ogranicznika napięcia.

Sposób nawijania transformatorów toroidalnych umożliwia zastosowanie materiału rdzenia innego, niż w postaci blach zwijanych czy składanych. Możliwe jest również stosowanie rdzeni litych. Korzystne jest zastosowanie w filtrach przeciwzakłóceniowych rdzeni z ferrytu itp., które mają bardzo dobre parametry wielkoczęstotliwościowe.

Uzwojenie pierwotne transformatora trójfazowego może mieć połączenie D, Y lub Z. Natomiast strona wtórna ma zawsze połączenie Z, tak że charakteryzuje się symetriąi małąimpedancją. Transformator, przedstawiony przykładowo na fig. 4 ma po stronie pierwotnej połączenie D, a po stronie wtórnej połączenie Z. Przy oddzielnym wykonaniu uzwójeń pierwotnych i wtórnych otrzymuje się tradycyjne ograniczenie prądu zwarciowego. Jego zaleta polega na tym, że eliminacj a przepięć krótkotrwałych może się odbywać po stronie pierwotnej, bez narastania napięć po stronie wtórnej powyżej poziomu ograniczania.

Jeżeli dławik Z włączony jest na końcu obwodu elektrycznego, to lepsze zrównoważenie osiąga się w przypadku zwarcia jedno- lub dwufazowego na długości przewodu. Oznacza to zrównoważenie napięć i wahań prądu.

W jednej z odmian wykonania połączonego w Z transformatoriPdławika z oddzielnymi toroidalnymi rdzeniami magnetycznymi otrzymuje się, w warunkach braku obciążenia, całkowitą symetrię trzech faz w odniesieniu do napięcia, prądu, mocy i współczynnika mocy. Przy stosowaniu

180 159 oddzielnych rdzeni magnetycznych współczynnik mocy przy zadanym napięciu jest również znacznie większy, niż przy stosowaniu rdzenia trójkolumnowego.

Zwykle pomiaru napięcia punktu zerowego dokonuje się z użyciem elementów impedancyjnych, dławików, rezystancji i kondensatorów w połączeniu Y. Jednakowoż element indukcyjny w konfiguracji Z składający się z trzech dławików jednofazowych wykonanych zgodnie z zasadami wynalazku, wykazuje impedancję dla składowej zerowej, znacznie mniejszą od jej impedancji dla wyższej składowej. Odmiana wykonania może być:

- w postaci dławika (fig. 1, lecz bez impedancji (10));

- w postaci transformatora (na przykład według fig. 4); dodatkowo połączonego z kondensatorami według fig. 5 i 6.

W połączeniu według fig. 5, kondensatory 38,40,42 eliminują dużą część napięcia składowej podstawowej zmniejszając dzięki temu rozmiary rdzenia.

Na fig. 6 kondensatory 38', 40⁷, 42' kompensują zwiększoną indukcyjność rozproszenia na bardzo wysokich częstotliwościach.

Impedancję składowej zerowej tradycyjnie uważa się za indukeyjną(Z₀ = X_o). Zazwyczaj impedancja dla składowej zerowej zależy częściowo od parametrów·' nawiniętej cewki a częściowo od parametrów indukcyjnych rdzenia (w porównaniu z częścią indukcyjną obwodu magnesującego w transformatorze prądowym). Połączenie Z zapewnia zrównoważenie strumienia między uzwojeniami. Im silniejsze jest sprzężenie między uzwojeniami, tym mniejszy można stosować rdzeń. Dobre sprzężenie osiąga się, jeżeli uzwojenia nawinięte sąbifilamie. Możliwość nawijania toroidalnego, dla zapewnienia małego strumienia rozproszenia, daje w efekcie po części zmniejszenie bezpośrednio indukcyjności rozproszenia, apo części zmniejszenie przenikania z rdzenia. Przy połączeniu Z trzech rdzeni toroidalnych we włączeniu trójfazowym, przy wykorzystaniu wspomnianych powyżej właściwości, otrzymuje się bardzo płaską charakterystykę częstotliwościową dla impedancji dla składowej zerowej. Można to stwierdzić na podstawie wykresu z fig. 7, gdzie Z_g wskazuje impedancję dla częstotliwości podstawowej f0 i częstotliwości f_m odpowiadającej minimalnej wartości Zo.

Impedancja na częstotliwości podstawowej jest prawie czysto rezystancyjna, a reaktancja zmienia się wolno w miarę wzrostu częstotliwości. Szybkość zmiany zależy od sposobu wykonania uzwojenia i rdzenia. Na wykresie można zauważyć, że osiąga się punkt minimalny, co znaczy, że impedancja składowej zerowej dla trzeciej harmonicznej jest mniejsza, niż dla częstotliwości podstawowej. Połączony w Z toroidalny transformator/dlawik zapewnia otrzymanie impedancji dla składowej zerowej w zasadzie rezystywnej w szerokim zakresie częstotliwości. Rezystywna część impedancji dla składowej zerowej przy tym składa się głównie z rezystancji uzwojenia. Ten zakres częstotliwościowy rezystywności można dodatkowo rozszerzyć przez wprowadzenie kondensatorów przedstawionych na fig. 6.

W przypadku przerwania fazy w normalnej trójfazowej sieci rozdzielczej z obciążeniem niesymetrycznym, jednofazowym lub dwufazowym, mogą wystąpić napięcia pośrednie. W przypadku wystąpienia w sieci trój fazowej zwarcia do ziemi, na wszystkich nie uziemionych przewodach fazowych podczas przerwy wystąpi podwyższone napięcie względem ziemi. Rozległy układ uziemiający może spowodować wystąpienie napięcia między różnymi uziemionymi częściami układu, na przykład między rurami kanalizacyjnymi a uziemiającymi połączeniami bezpieczeństwa rur wodociągowych itp. Z punktu widzenia bezpieczeństwa elektrycznego zrównoważenie za pomocą kompensatora według wynalazku pozwala na zawrócenie asymetrycznych prądów do faz sieci trój fazowej możliwie blisko punktu wystąpienia niesymetrii. Wykonanie kompensatora jako transformatora lub jak dławika oznacza że impedancja składowej zerowej ma wyraźnie charakter rezystancyjny, i że wypadkowe pole zewnętrzne w związku z tym jest małe.

180 159

FIG.5

FIG.6

180 159

FIG.3 FIG.7

L1

FIG.4

180 159

/

FIG.1

Ν j

FIG.2

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz. Cena 2,00 zł.

Claims (9)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Kompensator zrealizowany uzwojeniami w połączeniu Z przeznaczony do zastosowania w bloku zasilającym dla poprawienia zrównoważenia elektrycznego układu trójfazowego, przy czym kompensator stanowi przykładowo filtr w urządzeniu pomiarowym umożliwiający utworzenie stabilnego punktu odniesienia względem amplitudy, fazy i częstotliwości wielkości elektrycznych układu trój fazowego, znamienny tym, że dla każdej fazy w układzie trójfazowym zawiera oddzielny toroidalny rdzeń magnetyczny (12,14 i 16), na którym sąrozmieszczone przynajmniej dwa izolowane elektrycznie wzajemnie od siebie uzwojenia (18,20; 22,24; i 26,28), które połączone są w Z.
2. 2. Kompensator według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera dwa uzwojenia (20,30; 24, 32; 28,34), typu uzwojeń wtórnych na każdym rdzeniu magnetycznym, w połączeniu z którym kompensator stanowi dławik.
3. 3. Kompensator według zastrz. 1, znamienny tym, że jedno z uzwojeń na każdym rdzeniu magnetycznym (12,14,16) jest typu uzwojenia pierwotnego, w połączeniu z którym kompensator stanowi transformator.
4. 4. Kompensator według zastrz. 1 albo 3, znamienny tym, że rdzenie magnetyczne (12,14,16) są rdzeniami ferrytowymi.
5. 5. Kompensator według zastrz. 1 albo 3, znamienny tym, że uzwojenia rozmieszczone są na każdym z rdzeni magnetycznych (12,14,16) z pewnym odstępem między nimi.
6. 6. Kompensator według zastrz. 1 albo 3, znamienny tym, że uzwojenia pierwotne trzech rdzeni magnetycznych (12,14,16) przeznaczone są do połączenia D, Y, lub Z.
7. 7. Kompensator według zastrz. 1 albo 3, znamienny tym, że uzwojenia rozmieszczone są jako bifilarne na każdym rdzeniu magnetycznym (12,14,16).
8. 8. Kompensator według zastrz. 1 albo 3, znamienny tym, że uzwojenia rozmieszczone są równomiernie na całej długości każdego rdzenia magnetycznego (12, 14, 16).
9. 9. Kompensator według zastrz. 1 albo 3, znamienny tym, że uzwojenia na każdym rdzeniu magnetycznym (12,14,16) rozmieszczone są współśrodkowo.