RU2727923C1 - Electrical complex for balancing single-phase load - Google Patents

Electrical complex for balancing single-phase load Download PDF

Info

Publication number
RU2727923C1
RU2727923C1 RU2019114233A RU2019114233A RU2727923C1 RU 2727923 C1 RU2727923 C1 RU 2727923C1 RU 2019114233 A RU2019114233 A RU 2019114233A RU 2019114233 A RU2019114233 A RU 2019114233A RU 2727923 C1 RU2727923 C1 RU 2727923C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
winding
balancing
phase
load
windings
Prior art date
Application number
RU2019114233A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Евгений Михайлович Костоломов
Гузель Азатовна Хмара
Дмитрий Николаевич Паутов
Роман Александрович Соколов
Сергей Павлович Вергун
Владимир Андреевич Вологжин
Игорь Сергеевич Ушаков
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью Научно-технический центр "Интерм"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью Научно-технический центр "Интерм" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью Научно-технический центр "Интерм"
Priority to RU2019114233A priority Critical patent/RU2727923C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2727923C1 publication Critical patent/RU2727923C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/26Arrangements for eliminating or reducing asymmetry in polyphase networks
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/50Arrangements for eliminating or reducing asymmetry in polyphase networks

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)

Abstract

FIELD: electrical equipment.SUBSTANCE: invention relates to the electrical equipment. Technical result is achieved by the fact that electrical complex for balancing of single-phase load consists of three-phase transformer T1, three-phase transformer T1 consists of primary windings A, B, C, connected by "star without neutral wire" and secondary windings consisting of semi-windings a-1, b-1, c-1 and a-2, b-2, c-2, connected according to special scheme: beginning of semi-winding a-1 is connected to load and end of semi-winding a-2, end of semi-winding a-1 is connected to beginning of semi-winding b-2, beginning of semi-winding a-2 is connected to end of semi-winding s-1, beginning of semi-windings b-1 and c-1 are connected to different inputs of balancing device C1, beginning of semi-winding b-1 is also connected to load, end of semi-winding b-1 is connected to beginning of semi-winding c-2, end of semi-winding b-2 is connected to end of semi-winding c-2. Primary windings A, B, C of transformer T1 have terminals for connection to three-phase power supply system, for example to power transmission line, which in its turn is connected to power supply of three-phase alternating voltage, thus supplying electric power to transformer T1.EFFECT: technical result consists in reduction of unbalance of currents of power supply system of single-phase load at incomplete matching of load power and balancing device of balancing complex.9 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться в трехфазных системах электроснабжения для питания однофазных нагрузок с целью уменьшения несимметрии токов и напряжений. В качестве симметрируемой нагрузки к комплексу может подключаться любая однофазная нагрузка; наиболее симметрично по фазам трехфазной сети распределяются токи однофазной нагрузки, имеющей активно-индуктивный характер с коэффициентом мощности cosφ =

Figure 00000001
, в том числе системы электрообогрева, например, индукционные системы нагрева при помощи теплоспутников: к таким системам обогрева относится «скин-система» и индукционная система (система обогрева вихревыми токами). Изобретение направлено на повышение электромагнитной совместимости трехфазной системы электроснабжения с однофазной нагрузкой и на повышение энергетической эффективности систем электроснабжения путем снижения несимметрии токов нагрузки в трехфазной системе электроснабжения.The invention relates to the field of electrical engineering and can be used in three-phase power supply systems for supplying single-phase loads in order to reduce the asymmetry of currents and voltages. Any single-phase load can be connected to the complex as a balanced load; the currents of a single-phase load are distributed most symmetrically along the phases of a three-phase network, having an active-inductive character with a power factor cosφ =
Figure 00000001
, including electrical heating systems, for example, induction heating systems using heat traces: such heating systems include a "skin system" and an induction system (eddy current heating system). The invention is aimed at increasing the electromagnetic compatibility of a three-phase power supply system with a single-phase load and at increasing the energy efficiency of power supply systems by reducing the asymmetry of load currents in a three-phase power supply system.

Как известно, наиболее эффективной системой передачи электроэнергии из применяемых в настоящее время, в том числе в России, является трехфазная симметричная система электроснабжения. В то же время часто используется однофазная нагрузка, среди которой можно выделить бытовые приборы, освещение и некоторые виды промышленной нагрузки. Существенным недостатком однофазной нагрузки является то, что при ее подключении в трехфазной системе электроснабжения возникает несимметрия токов и, соответственно, несимметрия напряжений. Из-за несимметрии токов неравномерно нагружается оборудование системы электроснабжения: кабельные и воздушные линии, трансформаторы, что ведет к завышению установленной мощности данного оборудования, снижению пропускной способности линий электропередачи, повышению потерь электроэнергии и, следовательно, к снижению энергоэффективности и экономической эффективности передачи и использования электроэнергии в целом. Несимметрия напряжений негативно сказывается на работе симметричного трехфазного оборудования, например, синхронных и асинхронных двигателей переменного тока, в которых растут потери энергии, температуры обмоток, увеличивается вибрация ротора и снижается срок службы оборудования. Также несимметрия тока и напряжения может привести к ложным срабатываниям релейной защиты.As you know, the most efficient power transmission system currently used, including in Russia, is a three-phase symmetric power supply system. At the same time, a single-phase load is often used, among which household appliances, lighting and some types of industrial loads can be distinguished. A significant disadvantage of a single-phase load is that when it is connected in a three-phase power supply system, current unbalance occurs and, accordingly, voltage unbalance. Due to the asymmetry of currents, the equipment of the power supply system is unevenly loaded: cable and overhead lines, transformers, which leads to an overestimation of the installed capacity of this equipment, a decrease in the capacity of power transmission lines, an increase in electricity losses and, consequently, to a decrease in energy efficiency and economic efficiency of transmission and use of electricity generally. Voltage unbalance negatively affects the operation of symmetrical three-phase equipment, for example, synchronous and asynchronous AC motors, in which energy losses, winding temperatures increase, rotor vibration increases and equipment service life decreases. Also, unbalanced current and voltage can lead to false triggering of relay protection.

Необходимо отметить, что бытовая и общехозяйственная однофазная нагрузка характеризуется небольшой мощностью, неравномерностью использования в течение суток и подключается на фазное напряжение таким образом, чтобы в целом система электроснабжения была нагружена симметрично. Однофазная промышленная нагрузка большой мощности в свою очередь редко может быть симметрирована таким же способом и требует применения специальных технических средств. В целях снижения несимметрии потребляемого тока однофазной нагрузки большой мощности в трансформаторных подстанциях промышленных предприятий часто используются специальные симметрирующие электротехнические комплексы, в том числе выполненные на основе специальных трансформаторов.It should be noted that the household and general economic single-phase load is characterized by low power, uneven use during the day and is connected to phase voltage in such a way that the whole power supply system is loaded symmetrically. A single-phase industrial load of high power, in turn, can rarely be balanced in the same way and requires the use of special technical means. In order to reduce the asymmetry of the consumed current of a single-phase load of high power, special balancing electrical systems are often used in transformer substations of industrial enterprises, including those based on special transformers.

В промышленности России существует опыт применения симметрирующих трансформаторов с различными схемами соединения обмоток. В частности симметрирующие трансформаторы широко используются в системах тягового электроснабжения, где наибольшее применение нашли хорошо зарекомендовавшие себя трансформаторы, преобразующие три фазы в две, сдвинутые на 90°, собранные по следующим схемам: схеме Скотта, схеме ДСТ, схеме Кюблера и другим [1]. Недостатком при использовании данных схем для питания однофазной нагрузки является то, что в лучшем случае нагрузка симметрируется лишь частично, в худшем - несимметрия токов нагрузки становится еще больше.The Russian industry has experience of using balun transformers with different winding connection schemes. In particular, balancing transformers are widely used in traction power supply systems, where well-proven transformers that convert three phases into two, shifted by 90 °, assembled according to the following schemes: Scott's scheme, DST scheme, Kubler's scheme and others have found the greatest application [1]. The disadvantage of using these circuits to power a single-phase load is that, at best, the load is only partially symmetrical, at worst, the load current unbalance becomes even greater.

Существуют также симметрирующие электротехнические комплексы для преобразования трех фаз в одну; все такие комплексы на основе специальных трансформаторов строятся с использованием балансирующих устройств, например, по схеме Штейнмеца [1] или по другой специальной схеме, в частности, приведенных в источниках [2, 3]. Полное симметрирование однофазной нагрузки без балансирующих устройств невозможно. Само балансирующее устройство представляет собой реактивный элемент, например, дроссель, если сопротивление балансирующего устройства должно быть индуктивным, а также конденсатор или синхронный компенсатор, если сопротивление балансирующего устройства должно быть емкостным.There are also balancing electrical complexes for converting three phases into one; all such complexes based on special transformers are built using balancing devices, for example, according to the Steinmetz scheme [1] or according to another special scheme, in particular, those given in the sources [2, 3]. Complete balancing of a single-phase load without balancing devices is impossible. The balancing device itself is a reactive element, for example, a choke if the resistance of the balancing device should be inductive, as well as a capacitor or synchronous compensator if the resistance of the balancing device should be capacitive.

Недостатками схемы Штейнмеца являются: необходимость применения одновременно двух балансирующих устройств - емкостного и индуктивного, - зависимость качества симметрирования от согласования мощности нагрузки и мощности балансирующих устройств, а также необходимость компенсации реактивной мощности нагрузки до симметрирования, так как схема эффективно работает только с чисто активной нагрузкой [1]. При этом в промышленности большая часть нагрузок имеет активно-индуктивный характер. Частично данные недостатки устранены в изобретении [4], которое основано на применении сложной схемы регулирования напряжения переключением ответвлений обмоток трансформатора, а также регулирования индуктивности и емкости балансирующих устройств (блока симметрирования).The disadvantages of the Steinmetz circuit are: the need to use simultaneously two balancing devices - capacitive and inductive, - the dependence of the balancing quality on the matching of the load power and the power of the balancing devices, as well as the need to compensate for the reactive power of the load before balancing, since the circuit effectively works only with a purely active load [ 1]. At the same time, in industry, most of the loads are of an active-inductive nature. These disadvantages are partially eliminated in the invention [4], which is based on the use of a complex voltage regulation circuit by switching the taps of the transformer windings, as well as regulation of the inductance and capacitance of balancing devices (balancing unit).

Существует также схема трансформаторного симметрирующего устройства со специальным соединением вторичных обмоток [5] при соединении первичных обмоток по схеме «звезда без нейтрального провода» или «зигзаг без нейтрального провода»: обмотки фаз a и b включены последовательно и встречно, а обмотка фазы с включена последовательно с конденсатором С1, и подключена последовательно и согласно с обмоткой фазы а. Таким образом, все три вторичные обмотки трансформатора включены последовательно; к выходным зажимам вторичных обмоток a и b подключена однофазная нагрузка Zн. Данная схема построена с использованием только одного емкостного балансирующего устройства и симметрирует активно-индуктивную однофазную нагрузку с коэффициентом мощности cosφ =

Figure 00000001
. Недостатком устройства является то, что качество симметрирования нагрузки зависит от согласования мощности нагрузки и емкостного балансирующего устройства. Под согласованием понимается то, что их сопротивления и мощности должны быть пропорциональны друг другу со специально рассчитанным коэффициентом μ. Рассогласование этих мощностей приводит к несимметрии фазных токов симметрирующего комплекса, а в некоторых случаях и к появлению значительной емкостной или индуктивной составляющей в данных токах. При этом идеальное согласование мощности балансирующего устройства и симметрируемой однофазной нагрузки достижимо редко. Так, например, в области электрообогрева фактическая протяженность внеплощадочных трубопроводов может отличаться от проектной более чем на 5%, электромагнитные параметры теплоспутников не нормированы соответствующими стандартами и также имеют отклонения от параметров, учтенных в проектах, в связи с чем фактическое значение мощности нагрузки обогрева не соответствует проектным значениям, следовательно, не согласовано с мощностью балансирующего устройства.There is also a diagram of a transformer balancing device with a special connection of the secondary windings [5] when connecting the primary windings according to the "star without neutral wire" or "zigzag without neutral wire" scheme: the windings of phases a and b are connected in series and opposite, and the winding of phase c is connected in series with a capacitor C 1, and connected in series and in accordance with a phase winding. Thus, all three secondary windings of the transformer are connected in series; a single-phase load Z n is connected to the output terminals of the secondary windings a and b. This circuit is built using only one capacitive balancing device and balances an active-inductive single-phase load with a power factor cosφ =
Figure 00000001
... The disadvantage of the device is that the quality of the load balancing depends on the matching of the load power and the capacitive balancing device. Matching means that their resistances and powers must be proportional to each other with a specially calculated coefficient μ. The mismatch of these powers leads to asymmetry of the phase currents of the balancing complex, and in some cases to the appearance of a significant capacitive or inductive component in these currents. At the same time, ideal matching between the balancing device power and the balanced single-phase load is rarely achievable. So, for example, in the field of electrical heating, the actual length of off-site pipelines may differ from the design one by more than 5%, the electromagnetic parameters of heat tracers are not standardized by the relevant standards and also have deviations from the parameters taken into account in the projects, and therefore the actual value of the heating load power does not correspond the design values are therefore not consistent with the capacity of the balancing device.

Целью данного изобретения является создание электротехнического комплекса для симметрирования однофазной нагрузки, который характеризуется меньшей несимметрией токов при несогласованных начальных параметрах мощности нагрузки и балансирующего устройства.The aim of this invention is to create an electrical complex for balancing a single-phase load, which is characterized by less asymmetry of currents with inconsistent initial parameters of the load power and the balancing device.

Также целью данного изобретения является снижение потерь электрической энергии в оборудовании симметрирующего электротехнического комплекса и системы электроснабжения.Also, the aim of this invention is to reduce the loss of electrical energy in the equipment of the balancing electrical complex and the power supply system.

Еще одной целью изобретения является возможность подключения к электротехническому комплексу для симметрирования однофазной нагрузки индукционных систем нагрева при помощи теплоспутников без применения устройств, корректирующих коэффициент мощности, так как их коэффициент мощности cosφ соответствует коэффициенту μ согласования мощностей нагрузки и балансирующего устройства.Another object of the invention is the possibility of connecting to an electrical complex for balancing a single-phase load of induction heating systems using heat traces without the use of power factor correcting devices, since their power factor cosφ corresponds to the coefficient μ of matching the power of the load and the balancing device.

Указанные цели достигаются за счет того, что вторичные обмотки трехфазного трансформатора выполнены в виде шести полуобмоток, расположенных на трех стержнях магнитопровода трансформатора, на которых также расположены первичные обмотки. Полуобмотки вторичных обмоток подключены друг к другу, к нагрузке и балансирующему устройству таким образом, что токи нагрузки распределяются по всем фазам первичной обмотки, что в случае согласованной мощности нагрузки и балансирующего устройства приводит к полному симметрированию однофазной активно-индуктивной нагрузки на трехфазную сеть питания, а в случае несогласованной - к меньшей несимметрии токов электротехнического комплекса, чем при применении трансформаторного симметрирующего устройства из источника [5]. Первичная обмотка трансформатора при этом соединяется по схеме «звезда без нейтрального провода».These goals are achieved due to the fact that the secondary windings of the three-phase transformer are made in the form of six half-windings located on three rods of the magnetic circuit of the transformer, on which the primary windings are also located. The semi-windings of the secondary windings are connected to each other, to the load and the balancing device in such a way that the load currents are distributed over all phases of the primary winding, which, in the case of matched power of the load and the balancing device, leads to complete balancing of the single-phase active-inductive load to the three-phase power supply network, and in the case of an inconsistent one - to a lower current asymmetry of the electrical complex than when using a transformer balancing device from a source [5]. In this case, the primary winding of the transformer is connected according to the "star without neutral wire" scheme.

Возможно соединение первичной обмотки трансформатора по схеме треугольник, звезда с нейтральным проводом или зигзаг с нейтральным проводом, но при данном соединении токи нулевой последовательности также протекают в первичных обмотках, что снижает КПД симметрирующего комплекса, а также качество симметрирования нагрузки. Возможно соединение первичной обмотки трансформатора по схеме зигзаг без нейтрального провода, но данный вариант более сложен в производстве и требует больше материалов для изготовления. Порядок фаз первичных обмоток значения не имеет; порядок фаз вторичных обмоток также не имеет значения, если выполняется их соединение по специальной схеме данного изобретения, учитывая направление намотки на стержнях.It is possible to connect the primary winding of the transformer according to the delta, star with a neutral wire, or zigzag with a neutral wire, but with this connection, zero sequence currents also flow in the primary windings, which reduces the efficiency of the balancing complex, as well as the quality of balancing the load. It is possible to connect the primary winding of the transformer according to the zigzag scheme without a neutral wire, but this option is more difficult to manufacture and requires more materials for manufacturing. The phase order of the primary windings does not matter; the phase order of the secondary windings also does not matter if they are connected according to a special scheme of the present invention, taking into account the direction of winding on the rods.

В еще одном варианте выполнения электротехнического комплекса для симметрирования однофазной нагрузки для случая, когда нагрузка имеет характер отличный от активно-индуктивного с коэффициентом мощности cosφ =

Figure 00000001
, для согласования мощности нагрузки и балансирующего устройства параллельно нагрузке может подключаться компенсирующее устройство, изменяющее характер нагрузки до соответствующего коэффициенту мощности cosφ =
Figure 00000001
при активно-индуктивном характере, что способствует лучшему симметрированию нагрузки. Свойства компенсирующего устройства зависят от начального характера нагрузки:In another embodiment of the electrical complex for balancing a single-phase load for the case when the load has a character different from active-inductive with a power factor cosφ =
Figure 00000001
, to match the power of the load and the balancing device, a compensating device can be connected in parallel with the load, changing the nature of the load to the corresponding power factor cosφ =
Figure 00000001
with an active-inductive nature, which contributes to a better balancing of the load. The properties of the compensating device depend on the initial nature of the load:

- если нагрузка чисто активная, активно-емкостная или активно-индуктивная с cosφ >

Figure 00000001
, то компенсирующее устройство представляет собой техническое средство, обладающее индуктивностью, например, дроссель, в том числе регулируемый посредством ответвлений, вручную или автоматически для чего может использоваться программируемый логический контроллер и различные коммутационные аппараты, например, вакуумные контакторы;- if the load is purely active, active-capacitive or active-inductive with cosφ>
Figure 00000001
, then the compensating device is a technical means with inductance, for example, a choke, including adjustable by means of taps, manually or automatically, for which a programmable logic controller and various switching devices, for example, vacuum contactors, can be used;

- если нагрузка активно-индуктивная с cosφ <

Figure 00000001
, то компенсирующее устройство представляет собой техническое средство, обладающее емкостью, например, синхронный компенсатор, конденсатор или батарею конденсаторов, в том числе регулируемую посредством параллельного подключения отдельных модулей конденсаторов с меньшей емкостью, вручную или автоматически для чего может использоваться программируемый логический контроллер и различные коммутационные аппараты, например, вакуумные контакторы.- if the load is active-inductive with cosφ <
Figure 00000001
, then the compensating device is a technical means with a capacity, for example, a synchronous compensator, a capacitor or a capacitor bank, including one that is regulated by parallel connection of individual capacitor modules with a smaller capacity, manually or automatically for which a programmable logic controller and various switching devices can be used eg vacuum contactors.

В еще одном варианте выполнения электротехнического комплекса для симметрирования однофазной нагрузки с целью снижения потребляемой реактивной мощности, следовательно, снижения потерь электроэнергии в системе электроснабжения, к входу трехфазного трансформатора может подключаться компенсатор реактивной мощности, представляющий собой техническое средство, обладающее емкостью, например, батарея трехфазных конденсаторов, синхронный компенсатор или регулируемое компенсирующее устройство (активный фильтр, СТАТКОМ или другие).In another embodiment of an electrical complex for balancing a single-phase load in order to reduce the consumed reactive power, therefore, reduce electricity losses in the power supply system, a reactive power compensator can be connected to the input of a three-phase transformer, which is a technical means with a capacity, for example, a battery of three-phase capacitors , a synchronous compensator or an adjustable compensating device (active filter, STATCOM or others).

В другом варианте выполнения электротехнического комплекса для симметрирования однофазной нагрузки с целью более точного согласования мощности нагрузки и балансирующего устройства обмотки трехфазного трансформатора могут выполняться с системой ответвлений, которые посредством переключения, ручного или автоматического, позволяют регулировать напряжение на нагрузке и балансирующем устройстве, а соответственно и их мощность таким образом, что мощность нагрузки и балансирующего устройства согласуется. С целью автоматического регулирования может использоваться программируемый логический контроллер и устройства регулирования под нагрузкой (РПН). Количество ответвлений зависит от требуемого диапазона регулирования напряжения и точности регулирования напряжения, например, при количестве ответвлений 10 шт., расположенных по всей обмотке трансформатора равномерно, возможно регулирование напряжения от 0% до 100% с точностью 10%.In another embodiment of an electrical complex for balancing a single-phase load in order to more accurately match the load power and the balancing device, the winding of a three-phase transformer can be performed with a tapping system that, by means of switching, manual or automatic, allows you to regulate the voltage on the load and the balancing device, and, accordingly, their power in such a way that the power of the load and the balancing device are matched. For the purpose of automatic control, a programmable logic controller and on-load control devices (OLTC) can be used. The number of taps depends on the required range of voltage regulation and the accuracy of voltage regulation, for example, with the number of taps 10 pcs., Located uniformly throughout the transformer winding, voltage regulation from 0% to 100% with an accuracy of 10% is possible.

Изобретение проиллюстрировано вариантами осуществления и пояснениями, показанными на чертежах, на которых представлено следующее:The invention is illustrated by the embodiments and explanations shown in the drawings, which show the following:

На фиг.1 - изображена линейная электрическая схема электротехнического комплекса для симметрирования однофазной нагрузки.Figure 1 shows a linear electrical diagram of an electrical complex for balancing a single-phase load.

На фиг.2 - изображена линейная электрическая схема другого варианта исполнения электротехнического комплекса для симметрирования однофазной нагрузки.Figure 2 shows a linear electrical diagram of another embodiment of an electrical complex for balancing a single-phase load.

На фиг.3 - изображена векторная диаграмма токов и напряжений электротехнического комплекса для симметрирования однофазной нагрузки.Figure 3 shows a vector diagram of currents and voltages of an electrical complex for balancing a single-phase load.

На фиг.4 - изображен пример системы ответвлений первичных обмоток трансформатора для регулирования напряжения на нагрузке и балансирующем устройстве.Figure 4 shows an example of a primary tapping system of a transformer for voltage regulation of a load and a balancing device.

На фиг.1 приведена линейная электрическая схема электротехнического комплекса для симметрирования однофазной нагрузки, который включает трехфазный трансформатор Т1. Трехфазный трансформатор Т1 состоит из первичных обмоток A, B, C, соединенных по схеме «звезда без нейтрального провода» и вторичных обмоток, состоящих из полуобмоток a-1, b-1, c-1 и a-2, b-2, c-2, соединенных по специальной схеме: начало полуобмотки а-1 подключено к нагрузке ZH и концу полуобмотки а-2, конец полуобмотки а-1 подключен к началу полуобмотки b-2, начало полуобмотки а-2 подключено к концу полуобмотки с-1, начала полуобмоток b-1 и c-1 подключаются к разным входам балансирующего устройства С1, начало полуобмотки b-1 также подключено к нагрузке ZH, конец полуобмотки b-1 подключен к началу полуобмотки c-2, конец полуобмотки b-2 соединен с концом полуобмотки c-2. Полуобмотки вторичных обмоток a-1 и a-2, b-1 и b-2, c-1 и c-2, располагающиеся на стержнях A, B и C соответственно, намотаны в одном направлении. Первичные обмотки A, B, C трансформатора T1 имеют выводы для подключения к трехфазной системе электроснабжения, например, к линии электропередачи, которая в свою очередь подключена к источнику питания трехфазного переменного напряжения, подавая, таким образом, электрическое питание на трансформатор Т1. Вторичные полуобмотки a-1 и b-1 имеют выводы для подключения нагрузки. Вторичные полуобмотки b-1 и c-1 имеют выводы для подключения балансирующего устройства.Figure 1 shows a linear electrical diagram of an electrical complex for balancing a single-phase load, which includes a three-phase transformer T1. Three-phase transformer T1 consists of primary windings A, B, C, connected in a "star without a neutral wire" and secondary windings, consisting of half-windings a-1, b-1, c-1 and a-2, b-2, c -2, connected according to a special scheme: the beginning of the half-winding a-1 is connected to the load Z H and the end of the half-winding a-2, the end of the half-winding a-1 is connected to the beginning of the half-winding b-2, the beginning of the half-winding a-2 is connected to the end of the half-winding c-1 , the beginning of the half-windings b-1 and c-1 are connected to different inputs of the balancing device C1, the beginning of the half-winding b-1 is also connected to the load Z H , the end of the half-winding b-1 is connected to the beginning of the half-winding c-2, the end of the half-winding b-2 is connected to end of half-winding c-2. The semi-windings of the secondary windings a-1 and a-2, b-1 and b-2, c-1 and c-2, located on the legs A, B and C, respectively, are wound in the same direction. The primary windings A, B, C of transformer T1 have terminals for connection to a three-phase power supply system, for example, to a power line, which in turn is connected to a three-phase alternating voltage power supply, thus supplying electrical power to transformer T1. Secondary half-windings a-1 and b-1 have terminals for connecting the load. Secondary half-windings b-1 and c-1 have terminals for connecting a balancing device.

Электротехнический комплекс для симметрирования однофазной нагрузки работает следующим образом. При подаче напряжения от источника питания трехфазного переменного напряжения, например, посредством линии электропередачи на первичные обмотки A, B, C трансформатора Т1 первичные обмотки A, B, C индуцируют напряжение во вторичных полуобмотках a-1, b-1, c-1 и a-2, b-2, c-2 трансформатора Т1, которое больше или меньше входного напряжения в k раз, где k - коэффициент трансформации трансформатора T1. Так как у трансформатора T1 первичные обмотки A, B, C соединены по схеме «звезда без нейтрального провода», а вторичные полуобмотки a-1, b-1, c-1 и a-2, b-2, c-2 последовательно включены друг с другом, балансирующим устройством С1 и нагрузкой ZH по специальной схеме, то на нагрузке ZH индуцируется линейное напряжение UH вторичных обмоток трехфазного трансформатора Т1, а на балансирующем устройстве С1 напряжение U1, равное удвоенному фазному напряжению вторичных обмоток трансформатора Т1, данные напряжения сдвинуты по фазе друг относительно друга на 150°, а фаза тока нагрузки IH отличается от фазы тока балансирующего устройства I1 на 30°. При мощности балансирующего устройства С1 согласованной с мощностью нагрузки ZH, в полуобмотках a-1, b-1, c-1 и a-2, b-2, c-2 вторичных обмоток трансформатора Т1 формируется трехфазная несимметричная система токов, при этом ток обратной последовательности в этой системе токов отсутствует, а ток нулевой последовательности протекает только во вторичных обмотках, в первичных обмотках A, B, C протекает только симметричная система токов IA, IB, IC прямой последовательности, так как ток нулевой последовательности при схеме соединения обмоток «звезда без нейтрального провода» не протекает. В этом случае коэффициенты несимметрии по токам прямой и обратной последовательности в первичных обмотках равны нулю:

Figure 00000002
,
Figure 00000003
. Данные коэффициенты рассчитываются по формулам (1, 2):The electrical complex for balancing a single-phase load works as follows. When voltage is applied from a three-phase alternating voltage power source, for example, through a power line to the primary windings A, B, C of the transformer T1, the primary windings A, B, C induce a voltage in the secondary half-windings a-1, b-1, c-1 and a -2, b-2, c-2 of the transformer T1, which is k times greater or less than the input voltage, where k is the transformation ratio of the transformer T1. Since the transformer T1 has the primary windings A, B, C connected according to the "star without a neutral wire" scheme, and the secondary semi-windings a-1, b-1, c-1 and a-2, b-2, c-2 are connected in series with each other, the balancing device C1 and the load Z H according to a special scheme, then the line voltage U H of the secondary windings of the three-phase transformer T1 is induced on the load Z H , and on the balancing device C1, the voltage U 1 , equal to twice the phase voltage of the secondary windings of the transformer T1, data the voltages are shifted in phase with respect to each other by 150 °, and the phase of the load current I H differs from the current phase of the balancing device I 1 by 30 °. With the power of the balancing device C1 matched to the load power Z H , in the semi-windings a-1, b-1, c-1 and a-2, b-2, c-2 of the secondary windings of the transformer T1, a three-phase asymmetric current system is formed, while the current there is no negative sequence in this system of currents, and the zero sequence current flows only in the secondary windings, in the primary windings A, B, C only the symmetrical system of currents I A , I B , I C of positive sequence flows, since the zero sequence current in the connection scheme windings "star without neutral wire" do not leak. In this case, the unbalance coefficients for the positive and negative sequence currents in the primary windings are equal to zero:
Figure 00000002
,
Figure 00000003
... These coefficients are calculated by the formulas (1, 2):

Figure 00000004
Figure 00000004
(1)(1)
Figure 00000005
Figure 00000005
(2)(2)

где -

Figure 00000006
- действующее значение тока нулевой последовательности, А;where -
Figure 00000006
- effective value of zero sequence current, A;

-

Figure 00000007
- действующее значение тока обратной последовательности, А;-
Figure 00000007
- effective value of the negative sequence current, A;

-

Figure 00000008
- номинальный ток, А.-
Figure 00000008
- rated current, A.

В случае если мощности балансирующего устройства С1 и нагрузки ZH не согласованы, то трехфазная несимметричная система токов, формирующаяся во вторичных обмотках, включает ток обратной последовательности, который распределяется по первичным обмоткам A, B, C трансформатора T1 более равномерно, чем в прототипе. Проведенные исследования: математическое, в том числе методом конечных элементов, и физическое моделирование показали, что при полном отсутствии балансирующего устройства, например, в случае его выхода из строя, коэффициенты несимметрии для прототипа составляют:

Figure 00000002
,
Figure 00000009
, а для изобретения
Figure 00000002
,
Figure 00000010
.If the powers of the balancing device C1 and the load Z H are not matched, then the three-phase asymmetrical system of currents formed in the secondary windings includes the negative sequence current, which is distributed over the primary windings A, B, C of the transformer T1 more evenly than in the prototype. The conducted research: mathematical, including the finite element method, and physical modeling showed that in the complete absence of a balancing device, for example, in the event of its failure, the asymmetry coefficients for the prototype are:
Figure 00000002
,
Figure 00000009
, and for invention
Figure 00000002
,
Figure 00000010
...

На фиг.2 изображена линейная электрическая схема другого варианта исполнения электротехнического комплекса для симметрирования однофазной нагрузки, отличающегося тем, что намотка вторичных полуобмоток с разными цифровыми индексами a-1, b-1, c-1 и a-2, b-2, c-2 выполнена противоположно друг другу. Соответственно конец и начало полуобмоток с измененным направлением намотки меняются местами.Figure 2 shows a linear electrical diagram of another embodiment of an electrical complex for balancing a single-phase load, characterized in that the winding of secondary semi-windings with different digital indices a-1, b-1, c-1 and a-2, b-2, c -2 is made opposite to each other. Accordingly, the end and the beginning of the semi-windings with a changed winding direction are reversed.

На фиг. 3 изображена векторная диаграмма токов и напряжений электротехнического комплекса для симметрирования однофазной нагрузки, которая иллюстрирует и поясняет принцип работы симметрирующего комплекса.FIG. 3 shows a vector diagram of currents and voltages of an electrical complex for balancing a single-phase load, which illustrates and explains the principle of operation of a balancing complex.

На фиг. 4 приведен пример системы ответвлений первичных обмоток A, B, C трансформатора Т1 для регулирования напряжения на нагрузке ZH и балансирующем устройстве С1. Такие ответвления при необходимости могут быть выведены из обмоток трансформатора в разных количествах.FIG. 4 shows an example of a tapping system of the primary windings A, B, C of the transformer T1 to regulate the voltage across the load Z H and the balancing device C1. Such taps, if necessary, can be removed from the transformer windings in different quantities.

Список использованной литературыList of used literature

1. Закарюкин В. П. Моделирование систем тягового электроснабжения, оснащенных симметрирующими трансформаторами: монография / В. П. Закарюкин, А. В. Крюков, И. М. Авдиенко. - М.: Берлин: Директ-Медиа, 2017. - 166 с.1. Zakaryukin V. P. Modeling of traction power supply systems equipped with balancing transformers: monograph / V. P. Zakaryukin, A. V. Kryukov, I. M. Avdienko. - M .: Berlin: Direct-Media, 2017 .-- 166 p.

2. Струпинский М. Л. Проектирование и эксплуатация систем электрического обогрева в нефтегазовой отрасли / М. Л. Струпинский, Н. Н. Хренков, А. Б. Кувалдин. - М.: Инфра-Инженерия, 2015. - 272 с.2. Strupinsky ML Design and operation of electrical heating systems in the oil and gas industry / ML Strupinsky, NN Khrenkov, AB Kuvaldin. - M .: Infra-Engineering, 2015 .-- 272 p.

3. RU 2290739 C1 Патент на изобретение РФ. Устройство питания для однофазных индукционно-резистивных нагрузок, обеспечивающее симметрию первичной трехфазной сети: МПК H02M 5/14, H01F 30/12 / М.Л. Струпинский, В.М. Есехин; патентообладатель Струпинский М.Л., Есехин В.М. - №2005137391/09; заявл. 02.12.2005; опубл. 27.12.2006, Бюл. №36.3. RU 2290739 C1 Patent for invention of the Russian Federation. Power supply device for single-phase inductive-resistive loads, ensuring the symmetry of the primary three-phase network: IPC H02M 5/14, H01F 30/12 / M.L. Strupinsky, V.M. Esekhin; patentee Strupinsky M.L., Esekhin V.M. - No. 2005137391/09; declared 02.12.2005; publ. 27.12.2006, Bul. No. 36.

4. RU 2477555 C2 Патент на изобретение РФ. Устройство электропитания для непосредственного электрического нагрева системы трубопровода: МПК H02J 3/26 / Д. РАДАН (NO); патентообладатель СИМЕНС АКЦИЕНГЕЗЕЛЛЬШАФТ (DE). - №2011115102/07; заявл. 24.07.2009; опубл. 10.03.2013, Бюл. №30.4. RU 2477555 C2 Patent for invention of the Russian Federation. Power supply device for direct electric heating of the pipeline system: IPC H02J 3/26 / D. RADAN (NO); Patent holder SIEMENS AKTSIENGESELLSHAFT (DE). - No. 2011115102/07; declared 07.24.2009; publ. 03/10/2013, Bul. No. 30.

5. Филлипов А. О. Снижение потерь электрической энергии в сельских сетях 0,38 кВ с помощью трансформаторного симметрирующего устройства дис. канд. техн. наук по специальности 05.20.02 / Филлипов Антон Олегович. - Санкт-Петербург - Пушкин: ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет», 2010. - 141 с.5. Fillipov AO Reduction of electrical energy losses in rural networks of 0.38 kV using a transformer balancing device dis. Cand. tech. Sciences in the specialty 05.20.02 / Anton Olegovich Fillipov. - St. Petersburg - Pushkin: FGOU VPO "St. Petersburg State Agrarian University", 2010. - 141 p.

Claims (9)

1. Электротехнический комплекс для симметрирования однофазной нагрузки, состоящий из балансирующего технического средства, обладающего электрической емкостью, и трехфазного трансформатора с первичными обмотками A, B, C, соединенными по схеме «звезда без нейтрального провода», отличающийся тем, что вторичные обмотки состоят из полуобмоток a-1, b-1, c-1 и a-2, b-2, c-2, при этом начало полуобмотки а-1 подключено к нагрузке и к концу полуобмотки а-2, конец полуобмотки а-1 подключен к началу полуобмотки b-2, начало полуобмотки а-2 подключено к концу полуобмотки с-1, начала полуобмоток b-1 и c-1 подключаются к разным входам балансирующего технического средства, обладающего электрической емкостью, начало полуобмотки b-1 также подключено к нагрузке, конец полуобмотки b-1 подключен к началу полуобмотки c-2, конец полуобмотки b-2 соединен с концом полуобмотки c-2.1. An electrical complex for balancing a single-phase load, consisting of a balancing technical means with an electric capacity, and a three-phase transformer with primary windings A, B, C connected according to the "star without a neutral wire" scheme, characterized in that the secondary windings consist of half windings a-1, b-1, c-1 and a-2, b-2, c-2, while the beginning of the half-winding a-1 is connected to the load and to the end of the half-winding a-2, the end of the half-winding a-1 is connected to the beginning half-windings b-2, the beginning of half-winding a-2 is connected to the end of half-winding c-1, the beginning of half-windings b-1 and c-1 are connected to different inputs of a balancing technical device with electric capacity, the beginning of half-winding b-1 is also connected to the load, end half-winding b-1 is connected to the beginning of half-winding c-2, the end of half-winding b-2 is connected to the end of half-winding c-2. 2. Электротехнический комплекс для симметрирования однофазной нагрузки по п. 1, отличающийся тем, что первичные обмотки трехфазного трансформатора A, B, C состоят из полуобмоток, которые соединены по схеме «зигзаг».2. An electrical complex for balancing a single-phase load according to claim 1, characterized in that the primary windings of the three-phase transformer A, B, C consist of half-windings, which are connected according to the "zigzag" scheme. 3. Электротехнический комплекс для симметрирования однофазной нагрузки по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере одна из полуобмоток вторичных обмоток трехфазного трансформатора намотана в обратную сторону, при этом конец и начало этой полуобмотки при подключениях меняются местами.3. An electrical complex for balancing a single-phase load according to claim 1, characterized in that at least one of the semi-windings of the secondary windings of a three-phase transformer is wound in the opposite direction, while the end and the beginning of this semi-winding are interchanged when connected. 4. Электротехнический комплекс для симметрирования однофазной нагрузки по п. 1, отличающийся тем, что к нагрузке подключено компенсирующее устройство, представляющее собой техническое средство, обладающее индуктивностью.4. An electrical complex for balancing a single-phase load according to claim 1, characterized in that a compensating device is connected to the load, which is a technical means with inductance. 5. Электротехнический комплекс для симметрирования однофазной нагрузки по п. 1, отличающийся тем, что к нагрузке подключено компенсирующее устройство, представляющее собой техническое средство, обладающее емкостью.5. An electrical complex for balancing a single-phase load according to claim 1, characterized in that a compensating device is connected to the load, which is a technical means with a capacity. 6. Электротехнический комплекс для симметрирования однофазной нагрузки по п. 1, отличающийся тем, что к первичным обмоткам трехфазного трансформатора подключен компенсатор реактивной мощности.6. An electrical complex for balancing a single-phase load according to claim 1, characterized in that a reactive power compensator is connected to the primary windings of a three-phase transformer. 7. Электротехнический комплекс для симметрирования однофазной нагрузки по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере одна обмотка трехфазного трансформатора имеет по меньшей мере одно ответвление для регулирования напряжения.7. An electrical complex for balancing a single-phase load according to claim 1, characterized in that at least one winding of a three-phase transformer has at least one branch for voltage regulation. 8. Электротехнический комплекс для симметрирования однофазной нагрузки по п. 7, отличающийся тем, что трансформатор приспособлен для изменения напряжения под нагрузкой с использованием переключателя ответвлений.8. An electrical complex for balancing a single-phase load according to claim 7, characterized in that the transformer is adapted to change the voltage under load using a tap changer. 9. Электротехнический комплекс для симметрирования однофазной нагрузки по п. 1, отличающийся тем, что балансирующее техническое средство, обладающее электрической емкостью, состоит из нескольких конденсаторов, подключенных параллельно при помощи коммутационных аппаратов, управление которыми осуществляется программируемым логическим контроллером.9. Electrotechnical complex for balancing a single-phase load according to claim 1, characterized in that the balancing technical means with electrical capacity consists of several capacitors connected in parallel by means of switching devices controlled by a programmable logic controller.
RU2019114233A 2019-05-07 2019-05-07 Electrical complex for balancing single-phase load RU2727923C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019114233A RU2727923C1 (en) 2019-05-07 2019-05-07 Electrical complex for balancing single-phase load

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019114233A RU2727923C1 (en) 2019-05-07 2019-05-07 Electrical complex for balancing single-phase load

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2727923C1 true RU2727923C1 (en) 2020-07-27

Family

ID=71741455

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019114233A RU2727923C1 (en) 2019-05-07 2019-05-07 Electrical complex for balancing single-phase load

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2727923C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1256123A1 (en) * 1984-01-04 1986-09-07 Львовский Сельскохозяйственный Институт Versions of symmetrizing device
US6084791A (en) * 1997-01-31 2000-07-04 Siemens Aktiengesellschaft Control system for supply recovery of energy from a three-phase network into a converter with a variable voltage link
RU2224317C2 (en) * 2001-12-20 2004-02-20 Московский государственный университет путей сообщения Transformer with balancing effect for distributed power supply of railway
CN101373662A (en) * 2007-08-25 2009-02-25 青岛云路电气有限公司 Transformer with zero sequence filtering function
EA025827B1 (en) * 2012-10-16 2017-02-28 Открытое Акционерное Общество "Минский Электротехнический Завод Имени В.И. Козлова" Three-phase balance-to-unbalance autotransformer (embodiments)

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1256123A1 (en) * 1984-01-04 1986-09-07 Львовский Сельскохозяйственный Институт Versions of symmetrizing device
US6084791A (en) * 1997-01-31 2000-07-04 Siemens Aktiengesellschaft Control system for supply recovery of energy from a three-phase network into a converter with a variable voltage link
RU2224317C2 (en) * 2001-12-20 2004-02-20 Московский государственный университет путей сообщения Transformer with balancing effect for distributed power supply of railway
CN101373662A (en) * 2007-08-25 2009-02-25 青岛云路电气有限公司 Transformer with zero sequence filtering function
EA025827B1 (en) * 2012-10-16 2017-02-28 Открытое Акционерное Общество "Минский Электротехнический Завод Имени В.И. Козлова" Three-phase balance-to-unbalance autotransformer (embodiments)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7049921B2 (en) Auto-transformer for use with multiple pulse rectifiers
KR101828831B1 (en) A transformer having the advanced functions for attenuating higher harmonics and recovering an open-phase
US20150270057A1 (en) Iterative Transformers With Complex Triple Windings And Systems For Reducing Electrical Consumption Using The Iterative Transformers
CN104752043A (en) Voltage regulating method for three-phase loaded voltage-regulating self-coupling transformer
CN104769688B (en) single-phase electric furnace transformer
RU2727923C1 (en) Electrical complex for balancing single-phase load
CN103457480A (en) Power supply assembly with an inverter for creating single phase alternating current
KR100990329B1 (en) Regulation apparatus of three phase distribution line for removing the harmonics
CN109637792A (en) Testing transformer
CN113315149B (en) Scott transformer and use method thereof
CZ306041B6 (en) Device to symmetrize three-phase electric network
Patel et al. Mitigation of voltage fluctuation in distribution system using Sen transformer with variable loading conditions
Andrei et al. A novel autotransformer design improving power system operation
WO2001011751A1 (en) Impedance-compensated power transmission circuit
Sekaran Magnetic circuits and power transformers
RU2656612C1 (en) Three-phase and single-phase transformer
US2748338A (en) Phase converter
RU2686303C2 (en) Device for phase-to-phase current distribution
Apryansyah et al. Effect of K-Factor on Capability in Power Transformers
Klimash et al. Increasing the efficiency of power electronics application at transformer substations
Ugale et al. Design of Transformer with Flexible Vector Group Combinations and Adjustable Voltage Levels
RU2641649C1 (en) Device for symmetrization and stabilization of three-phase voltage
Alkadhim Three phase Transformer: Connection and Configuration
Linortner Phase shifting transformers, specific issues with regard to design and testing
Liang et al. Transformer winding connections for practical industrial applications