RU2652104C2

RU2652104C2 - Device for inter-phase current distribution (options)

Info

Publication number: RU2652104C2
Application number: RU2017117207A
Authority: RU
Inventors: Ариф Гасан оглы Аслан-заде
Original assignee: Ариф Гасан оглы Аслан-заде
Priority date: 2017-05-17
Filing date: 2017-05-17
Publication date: 2018-04-25
Also published as: RU2017117207A; RU2017117207A3; RU2652104C9

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering and can be used to improve the energy efficiency of single-phase and three-phase consumers by recuperation of consumed energy due to circulation of its part between the consumer and the proposed device of inter-phase current distribution (IPCD). First version of the device for phase-to-phase current distribution contains phase input terminals, a consumer and two single-phase transformers, the winding of each of which contains an intermediate pin and is connected by the first end pin to the free phase input terminal, and the second – to the common phase input terminal connected to the first terminal of the consumer, contains an equalization reactor, the middle and extreme winding leads of which are connected respectively to the second terminal of the consumer and the intermediate terminals of the said transformers. Second version of the device for phase-to-phase current distribution contains the zero and phase input terminals to which the consumer is connected, two single-phase transformers, the winding of each of which contains an intermediate terminal dividing it into unequal parts, half of which are connected to opposite-type phase input terminals, and twice as large – with a common phase input terminal, contains an equalizing reactor, whose middle and extreme winding leads are connected respectively to the zero input terminal and the intermediate terminals of the mentioned transformers. In the first variant, the recovery range is expanded to a value limited only by the structural complication of the IPCD transformers, which is associated with a pronounced inequality in the cross sections of the sections of each phase winding. Further technical result achieved in the second variant of the proposed device is to equalize the values of the consumed phase currents, the inequality of which can be related to the asymmetry of the network voltages. Magnetic cores of IPCD transformers and equalization reactor can have different configurations, including a twisted band-shaped ribbon.

EFFECT: technical result achieved in both versions of the proposed device consists in eliminating unproductive power losses for heating the IPCD windings with parasitic currents.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для повышения энергетической эффективности однофазных и трехфазных потребителей путем рекуперации потребляемой энергии за счет циркуляции ее части между потребителем и устройством межфазного распределения тока (МРТ).The invention relates to electrical engineering and can be used to increase the energy efficiency of single-phase and three-phase consumers by recovering the energy consumed by circulating part of it between the consumer and the interphase current distribution device (MRI).

Все нижеприведенные аналоги являются аналогами для обоих вариантов устройства.All of the following analogues are analogues for both versions of the device.

Известно устройство по авт. св. №860238, кл. Н02М 7.12 от 02.08.79 г. к основному авт. св. №752681, кл. Н02М 7/06, от 04.02.76 г., содержащее дополнительно введенный трехфазный трансформатор, первичные фазные обмотки которого соединены в подключенную к фазным входным выводам «звезду», общей точкой которой образован нулевой входной вывод, а группа дополнительных обмоток соединена в треугольник.A device according to ed. St. No. 860238, cl. Н02М 7.12 from 08/02/79 to the main bus. St. No. 752681, cl. Н02М 7/06, dated 04.02.76, containing an additionally introduced three-phase transformer, the primary phase windings of which are connected to a “star” connected to the phase input terminals, the common point of which is the zero input terminal, and the group of additional windings is connected in a triangle.

Это устройство является межфазным распределителем тока (МРТ) и предназначено для защиты сети от тока нулевой последовательности. Дополнительной функциональной возможностью МРТ является рекуперация потребляемой энергии. Недостаток данного устройства МРТ заключается в невозможности дальнейшего повышения уровня рекуперации в случае его использования в однофазных потребителях и необходимость в магнитопроводе трехфазного трансформатора.This device is an interphase current distributor (MRI) and is designed to protect the network from zero-sequence current. An additional feature of MRI is the recovery of energy consumed. The disadvantage of this MRI device is the impossibility of further increasing the recovery level if it is used in single-phase consumers and the need for a three-phase transformer magnetic circuit.

Совокупность причин, препятствующих получению требуемого технического результата, заключается в том, что соединение первичной обмотки трехфазного трансформатора МРТ в «звезду» и подключение его к трехфазному потребителю предопределяют разделение потребляемого тока на три равные части.The combination of reasons that impede the achievement of the required technical result is that the connection of the primary winding of a three-phase MRT transformer into a "star" and its connection to a three-phase consumer predetermine the separation of the consumed current into three equal parts.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению (прототип) является устройство для межфазного распределения тока (МРТ), содержащее трансформатор, две фазные обмотки которого подключены каждая одним выводом к нулевому входному выводу, а другим - к одному из фазных входных выводов, трансформатор выполнен на двух магнитопроводах с последовательно соединенными фазными обмотками и промежуточным выводом в каждой, подключенными промежуточными и свободными крайними выводами соответственно к нулевому и общему фазному входному выводу, при этом промежуточный вывод делит число витков каждой фазной обмотки на неравные части, вдвое меньшие из которых соединены с разноименными фазными входными выводами (патент №2365019 от 04.07.2008).Closest to the proposed technical solution (prototype) is a device for interphase current distribution (MRI), containing a transformer, two phase windings of which are connected each with one output to the zero input terminal, and the other to one of the phase input terminals, the transformer is made on two magnetic cores with series-connected phase windings and an intermediate terminal in each, connected intermediate and free extreme terminals, respectively, to the zero and common phase input terminal, p and the intermediate output divides the number of turns of each phase winding into unequal parts, half of which are connected with opposite phase input terminals (patent №2365019 from 04.07.2008).

Это устройство предназначено для защиты сети от тока нулевой последовательности. Дополнительной функциональной возможностью МРТ является рекуперация потребляемой энергии. В этом качестве частным случаем применения этого устройства является возможность его подключения к входным выводам двухпроводной сети (например, однофазной, ортогональной) на одном из двух трансформаторов. При этом если меньшая часть витков его обмотки составляет часть общего контура с потребителем, то уровень рекуперации больше, чем в обратном случае. Если же обе части витков его обмотки равны, то они имеют одинаковые сечения. Недостаток данного устройства МРТ на двух однофазных трансформаторах заключается в том, что в случае несимметрии напряжений сети их сумма в замкнутом на промежуточные выводы внутреннем контуре обмоток не равна нулю. Поэтому в этом контуре может циркулировать паразитный ток.This device is designed to protect the network from zero sequence current. An additional feature of MRI is the recovery of energy consumed. In this capacity, a special case of using this device is the ability to connect it to the input terminals of a two-wire network (for example, single-phase, orthogonal) on one of two transformers. Moreover, if a smaller part of the turns of its winding is part of a common circuit with the consumer, then the level of recovery is greater than in the opposite case. If both parts of the turns of its winding are equal, then they have the same section. The disadvantage of this MRI device on two single-phase transformers is that in the case of asymmetry of the mains voltage, their sum in the internal winding circuit closed to the intermediate leads is not equal to zero. Therefore, stray current can circulate in this circuit.

Совокупность причин, препятствующих получению требуемого технического результата, заключается в непроизводительных потерях мощности на нагрев обмоток от паразитного тока.The set of reasons that impede the achievement of the required technical result is the unproductive loss of power for heating the windings from stray current.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, заключается в устранении непроизводительных потерь мощности на нагрев обмоток.The task to which the proposed technical solution is directed is to eliminate unproductive power losses for heating the windings.

Эта задача в первом варианте решается тем, что устройство для межфазного распределения тока, содержащее фазные входные выводы, потребитель и два однофазных трансформатора, обмотка каждого из которых содержит промежуточный вывод и подключена первым крайним выводом к свободному фазному входному выводу, а вторым - к общему фазному входному выводу, подключенному к первой клемме потребителя, содержит уравнительный реактор, средний и крайние выводы обмотки которого подключены соответственно ко второй клемме потребителя и промежуточным выводам обмоток упомянутых трансформаторов.This problem in the first embodiment is solved by the fact that a device for interphase current distribution containing phase input terminals, a consumer and two single-phase transformers, the winding of each of which contains an intermediate terminal and is connected by the first extreme terminal to a free phase input terminal, and the second to a common phase the input terminal connected to the first terminal of the consumer contains a surge reactor, the middle and extreme conclusions of the winding of which are connected respectively to the second terminal of the consumer and the intermediate output I will give windings to the mentioned transformers.

Во втором варианте эта задача решается тем, что устройство для межфазного распределения тока, содержащее нулевой и фазные входные выводы, к которым подключен потребитель, два однофазных трансформатора, обмотка каждого из которых содержит промежуточный вывод, делящий ее на неравные части, вдвое меньшие из которых соединены с разноименными фазными входными выводами, а вдвое большие - с общим фазным входным выводом, содержит уравнительный реактор, средний и крайние выводы обмотки которого подключены соответственно к нулевому входному выводу и промежуточным выводам обмоток упомянутых трансформаторов. Технический результат, достигаемый в первом варианте предлагаемого устройства, заключается в устранении непроизводительных потерь мощности на нагрев обмоток МРТ. Кроме того, диапазон рекуперации расширяется до величины, ограниченной только конструктивным усложнением трансформаторов МРТ, связанным с сильно выраженным неравенством сечений участков каждой фазной обмотки.In the second embodiment, this problem is solved in that a device for interphase current distribution containing zero and phase input terminals to which the consumer is connected, two single-phase transformers, each winding of which contains an intermediate terminal dividing it into unequal parts, half of which are connected with opposite phase input terminals, and twice as large with a common phase input terminal, contains an equalizing reactor, the middle and extreme terminals of the winding of which are connected respectively to the zero input terminal do and intermediate terminals of the windings of the above transformers. The technical result achieved in the first embodiment of the proposed device is to eliminate unproductive power losses for heating the MRI windings. In addition, the recovery range extends to a value limited only by the structural complication of MRT transformers, associated with a pronounced inequality of sections of sections of each phase winding.

Технический результат, достигаемый во втором варианте предлагаемого устройства, заключается в устранении непроизводительных потерь мощности на нагрев обмоток МРТ.The technical result achieved in the second embodiment of the proposed device is to eliminate unproductive power losses for heating the MRI windings.

Дополнительный технический результат, достигаемый во втором варианте предлагаемого устройства, заключается в уравнивании величин потребляемых фазных токов.An additional technical result achieved in the second embodiment of the proposed device is to equalize the values of the consumed phase currents.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема первого варианта устройства для межфазного распределения тока однофазного потребителя, где стрелками показаны направления протекания долей потребляемого тока I в его положительный полупериод с частотой питающей сети. На фиг. 2 приведена принципиальная схема второго варианта устройства для межфазного распределения тока трехфазного потребителя, где стрелками показаны направления протекания долей потребляемого тока I₀ в его положительный полупериод с утроенной частотой питающей сети.In FIG. 1 is a schematic diagram of a first embodiment of a device for interphase current distribution of a single-phase consumer, where arrows show the directions of the flow of fractions of the consumed current I in its positive half-cycle with the frequency of the supply network. In FIG. 2 is a schematic diagram of a second embodiment of a device for interphase current distribution of a three-phase consumer, where the arrows show the flow directions of the fractions of the consumed current I ₀ in its positive half-cycle with a triple frequency of the supply network.

Устройство на фиг. 1 содержит два однофазных трансформатора 1 и 2 с обмотками соответственно 3, 4 и 5, 6, потребитель, первая клемма 7 которого соединена с входным выводом фазы В, а вторая клемма 8 - с началом обмотки 9 и концом обмотки 10 уравнительного реактора 11. Конец (начало) обмотки 3 (5) трансформатора 1 (2) подключен к входному выводу фазы А (С). Начало (конец) обмотки 4 (6) подключено к входному выводу фазы В. Общие точки разноименных выводов пар обмоток 3, 4 (5, 6) образуют промежуточные выводы, соединенные с концом (началом) обмотки 9 (10) уравнительного реактора 11. Число витков обмотки 3 (5) в рассматриваемом частном случае в четыре раза больше числа витков обмотки 4 (6), а числа витков обмоток 9 и 10 равны между собой.The device of FIG. 1 contains two single-phase transformers 1 and 2 with windings 3, 4 and 5, 6, respectively, a consumer, the first terminal 7 of which is connected to the input terminal of phase B, and the second terminal 8 is connected to the beginning of winding 9 and the end of winding 10 of equalization reactor 11. End (beginning) of winding 3 (5) of transformer 1 (2) is connected to the input terminal of phase A (C). The beginning (end) of the winding 4 (6) is connected to the input terminal of phase B. The common points of the opposite terminals of the pairs of windings 3, 4 (5, 6) form intermediate leads connected to the end (beginning) of the winding 9 (10) of the equalization reactor 11. Number winding turns 3 (5) in this particular case four times the number of turns winding 4 (6), and the number of turns of windings 9 and 10 are equal to each other.

Понятие начал и концов обмоток трансформаторов 1 и 2 условно, т.к. они магнитно изолированы друг от друга. Важно, чтобы соблюдалось равенство чисел витков между обмотками 4 и 6, 3 и 5. Напряжение, прикладываемое к обмотке 4 (6) равно пятой части напряжения между фазными входными выводами А и В (В и С). Напряжение, прикладываемое к сумме чисел витков обмоток 6 и 4, также равно пятой части напряжения между фазными входными выводами С и А. Поскольку эти три линейных напряжения сдвинуты друг относительно друга по фазе на 120 эл. град. и равны по величине, то их сумма в замкнутом контуре с обмотками 4, 6 и 9, 10 равна нулю, а точка соединения обмоток 9 и 10 образует искусственный ноль, к которому подключена клемма 8 потребителя.The concept of the beginnings and ends of the windings of transformers 1 and 2 is conditional, because they are magnetically isolated from each other. It is important that the number of turns between the windings 4 and 6, 3 and 5 is observed. The voltage applied to the winding 4 (6) is equal to one fifth of the voltage between the phase input terminals A and B (B and C). The voltage applied to the sum of the number of turns of the windings 6 and 4 is also equal to one fifth of the voltage between the phase input terminals C and A. Since these three line voltages are phase-shifted 120 e. hail. and are equal in magnitude, then their sum in a closed circuit with windings 4, 6 and 9, 10 is zero, and the connection point of the windings 9 and 10 forms an artificial zero, to which the consumer terminal 8 is connected.

При положительной разности потенциалов между фазным входным выводом В и клеммой 8 ток I потребителя замыкается, разветвляясь на две равные части, через обмотки 9 и 10 уравнительного реактора 11. Каждая из этих частей тока далее вновь разветвляется на две неравные части, соотношение которых обратно пропорционально соотношению чисел витков обмоток с автотрансформаторной связью 3 и 4 (5 и 6). Далее части тока I замыкаются через фазные входные выводы А, С и узловую точку между фазным входным выводом В и клеммой 7 потребителя. На фиг. 1 показаны величины разветвляющихся частей тока I. При смене полярности на входном выводе фазы В все показанные на фиг. 1 токи замыкаются в обратном направлении.With a positive potential difference between the phase input terminal B and terminal 8, the current I of the consumer closes, branching into two equal parts, through the windings 9 and 10 of the equalization reactor 11. Each of these current parts further branches out into two unequal parts, the ratio of which is inversely proportional to the ratio the number of turns of windings with autotransformer coupling 3 and 4 (5 and 6). Next, the current parts I are closed through the phase input terminals A, C and the nodal point between the phase input terminal B and the consumer terminal 7. In FIG. 1 shows the values of branching parts of current I. When changing the polarity at the input terminal of phase B, all shown in FIG. 1 currents close in the opposite direction.

Если сумма линейных напряжений сети не равна нулю, то она прикладывается к обмоткам 9 и 10 уравнительного реактора 11 и делится между ними пополам, стремясь, например, уменьшить (увеличить) ток обмотки 9 (10). Уравнительный реактор 11, для баланса ампер-витков между обмотками 9 и 10 обеспечивает равенство их токов и, тем самым, устраняет паразитный ток.If the sum of the line voltage of the network is not equal to zero, then it is applied to the windings 9 and 10 of the equalization reactor 11 and divided between them in half, trying, for example, to reduce (increase) the current of the winding 9 (10). Equalization reactor 11, for the balance of ampere-turns between the windings 9 and 10 ensures the equality of their currents and, thereby, eliminates the stray current.

Как видно, при выбранном соотношении между числами витков участков обмоток трансформаторов 1 и 2, большая часть потребляемого тока замыкается через искусственно образованный внутренний контур с обмотками 4, 6, а меньшая - через внешнюю цепь, включающую обмотки 3, 5 и фазные входные выводы А и С. Таким образом, мощность, отбираемая потребителем от сети, без учета мощности МРТ, составляет всего 20% от полной мощности.As you can see, with the selected ratio between the number of turns of the sections of the windings of transformers 1 and 2, most of the consumed current is closed through an artificially formed internal circuit with windings 4, 6, and a smaller one through an external circuit including windings 3, 5 and phase input terminals A and C. Thus, the power taken by the consumer from the network, excluding the power of MRI, is only 20% of the total power.

От соотношения между числами витков участков обмоток трансформаторов 1 и 2 зависит увеличение доли рекуперируемой энергии, т.е. энергетическая экономичность потребителя. Например, для того, чтобы уменьшить мощность без учета мощности МРТ, отбираемую потребителем от сети до 10% от полной мощности, т.е. увеличить долю рекуперируемой энергии до 90%, число витков обмотки 3 (5) должно быть в девять раз больше числа витков обмотки 4 (6). Если же число витков обмотки 3 (5) равно числу витков обмотки 4 (6), то мощность, отбираемая потребителем от сети, равна половине полной мощности. Это обеспечивает равные сечения участков каждой фазной обмотки трансформатора, т.е. простоту его изготовления.From the ratio between the number of turns of sections of the windings of transformers 1 and 2 depends on the increase in the proportion of recovered energy, i.e. energy efficiency of the consumer. For example, in order to reduce power without taking into account the power of MRI, taken by the consumer from the network to 10% of full power, i.e. increase the share of recovered energy to 90%, the number of turns of winding 3 (5) should be nine times the number of turns of winding 4 (6). If the number of turns of the winding 3 (5) is equal to the number of turns of the winding 4 (6), then the power taken by the consumer from the network is equal to half the total power. This ensures equal sections of the sections of each phase winding of the transformer, i.e. simplicity of its manufacture.

Устройство на фиг. 2 схемотехнически отличается от устройства на фиг. 1 только тем, что потребитель подключен ко всем трем фазам А, В, С сети и содержит нулевой входной вывод 0, к которому подключена общая точка обмоток 9, 10 уравнительного реактора 11. В качестве нулевого входного вывода можно использовать вывод общей точки соединенной в «звезду» обмотки трехфазного трансформатора, подключенный к общей точке обмоток 9, 10 через вентили или непосредственно. Устройство на фиг. 2 работает аналогично устройству на фиг. 1. Отличие в том, что вследствие подключения потребителя к трем фазным входным выводам распределение тока I₀ между ними должно быть в равных долях. Иначе будет нарушено равенство фазных токов. Это ограничивает уровень рекуперации энергии. Однако сопоставление случаев, когда потребитель выполнен на трехфазном трансформаторе, первичная обмотка которого соединена в «звезду» с нулевым выводом, соединенным с МРТ, и когда она соединена в «треугольник» без МРТ, показывает, что в первом случае циркуляция энергии между МРТ и потребителем уменьшает величину потребляемой из сети энергии на 42,3%.The device of FIG. 2 differs schematically from the device in FIG. 1 only by the fact that the consumer is connected to all three phases A, B, C of the network and contains a zero input terminal 0, to which a common point of the windings 9, 10 of the equalization reactor 11 is connected. As a zero input output, you can use the output of the common point connected to " star "windings of a three-phase transformer connected to a common point of windings 9, 10 through valves or directly. The device of FIG. 2 operates similarly to the device in FIG. 1. The difference is that due to the consumer connecting to the three phase input terminals, the current distribution I ₀ between them should be in equal shares. Otherwise, the equality of phase currents will be violated. This limits the level of energy recovery. However, a comparison of cases when the consumer is made on a three-phase transformer, the primary winding of which is connected to a “star” with a zero output connected to an MRI, and when it is connected to a “triangle” without MRI, shows that in the first case the energy circulation between the MRI and the consumer reduces the amount of energy consumed from the network by 42.3%.

Функция уравнительного реактора на фиг. 2 также, как и на фиг. 1, заключается в том, что уравнительный реактор 11, для баланса ампер-витков между обмотками 9 и 10, обеспечивает равенство их токов и, тем самым, не только устраняет паразитный ток, но и уравнивает величины потребляемых фазных токов. Неравенство этих токов может быть связано с несимметрией напряжений сети.The function of the surge reactor in FIG. 2 as in FIG. 1, the equalization reactor 11, for balancing ampere-turns between the windings 9 and 10, ensures the equality of their currents and, thus, not only eliminates the stray current, but also equalizes the values of the consumed phase currents. The inequality of these currents may be due to the asymmetry of the network voltage.

Магнитопроводы трансформаторов МРТ и УР могут иметь различную конфигурацию, в том числе витую ленточную кольцевидной формы.Magnetic cores of transformers MRI and UR can have various configurations, including twisted ring-shaped tape.

Claims

1. A device for interphase current distribution containing phase input terminals, a consumer and two single-phase transformers, the winding of each of which contains an intermediate terminal and is connected by the first extreme terminal to a free phase input terminal and the second to a common phase input terminal connected to the first terminal consumer, characterized in that it contains a surge reactor, the middle and extreme conclusions of the winding of which are connected respectively to the second terminal of the consumer and the intermediate conclusions of the windings mentioned transformers.

2. A device for interphase current distribution containing zero and phase input terminals to which the consumer is connected, two single-phase transformers, each winding of which contains an intermediate terminal, dividing it into unequal parts, half of which are connected to unlike phase input terminals, and twice as large - with a common phase input terminal, characterized in that it contains a surge reactor, the middle and extreme conclusions of the winding of which are connected respectively to the zero input terminal and the intermediate output am windings of said transformers.