Стабилизатор фазного напряжения

МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ К ПАТЕНТУ ключа, второй вывод которого подключен к общей точке ключей группы. Область применения Как известно, нормативными документами на качество электроэнергии регламентируются следующие параметры 1) отклонение напряжения от номинального 2) не симметрия напряжения по фазам 3) не синусоидальность напряжения 4) содержание высших гармоник. Заявленное устройство может быть применено в сетях общего назначения для стабилизации и регулирования напряжения как симметричного, так и несимметричного и нелинейного приемника 1. Телекоммуникационные системы,информационные центры, типографии 2. Банки и промышленные объекты 3. Системы кондиционирования,4. Оборудование для медицинских учреждений,компьютерная томография,ультразвук,рентгенограмма, т.п. 5. Строительные объекты, коттеджи 6. Краны 7. Солярии 8. Компьютеры, ксероксы, оборудование для проведения испытаний и т.д. 9. Акустическое оборудование, теле-видео системы 10. И многое другое В соответствии с вышеизложенным заявленное многофункциональное устройство СФН является устройством,обеспечивающим качественное электропитание потребителей.(57) Область техники Машиностроение,электричество. Электротехническое многофункциональное устройство СФН предназначено для уменьшения токов и напряжения нулевой последовательности основной и высших гармоник, обеспечивает удовлетворительное качество энергии источника и приемника и снижает нагрев и потери в питающем трансформаторе сети. Устройство состоит из трехстержневого магнитопровода,обмотки,управляющих ключей и блока управления. На каждом стержне магнитопровода размещены основные и дополнительные обмотки, которые имеют одинаковое количество витков и соединены между собой последовательно одноименными конечными выводами. В каждой фазе устройства один вывод крайней дополнительной обмотки первой группы присоединен к нулевой фазе устройства, которая соединена с зажимом нулевой фазы. Выводы крайних дополнительных обмоток других групп присоединены к первому выводу Область техники Машиностроение, электричество. Уровень техники Вопросы энергоэффективности актуальны во всем мире. И энергетический рынок изобилует разного рода решениями. Однако остаются актуальными следующие проблемы Низкое качество электроэнергии выход напряжений за пределы установленной нормы(-5), как повышение, так и снижение (чаще) несимметрия напряжений и токов, неравномерная загрузка по фазам присутствие высших гармоник в напряжениях и токах временное пропадание напряжения на одной или нескольких фазах потери электроэнергии как при доставке энергии, так и в самом объекте потребления. Разработанное электротехническое многофункциональное устройство СФН представляет собой комплекс, состоящий из трансформатора и электронной техники,предназначенный для обеспечения стабилизации электросетевых характеристик. Стабилизатор фаз за счет анализа токопотребления, а также измерений активной и реактивной составляющей сети, умеет распознавать тип подключенной нагрузки и соответственно регулировать параметры сети меняя тем самым потребляемую мощность, что приводит к уменьшению энергопотребления. Распознавание подключенной нагрузки проводится встроенным прибором анализатором компонентов электрической сети. Кроме того, при выключении одной из трех питающих фаз электрические параметры сети на выходе устройства остаются неизменными, то есть отсутствует процесс перехода трансформатора на двухфазный режим работы. Это, прежде всего,связанно с конструктивными особенностями устройства стабилизатора. Уникальность решения заключается в конструкции и технических решениях нового типа устройства обеспечивающего быстродействующую защиту оборудования от аварий произвольного вида. Устройство может быть собрано на базе несложной электронной элементной базе (электронные компоненты) и комплектующих. Аналогом наиболее близким к электротехническому многофункциональному устстройству СФН являются электромагнитные стабилизаторы напряжения СТС (Россия). Источник информации, в котором он описанжурнал Силовая электроника 1, 2013 года.-5 предназначены для обеспечения качественным электропитанием в непрерывном режиме электроснабжения промышленных и бытовых потребителей. СТС обладают возможностью значительной перегрузки по мощности. Применение стабилизаторов этой серии значительно увеличивает срок службы электрооборудования,повышает стабильность работы и исключает их повреждение из-за перепадов напряжения питания. Средний срок 2 службы этих стабилизаторов не менее 15-20 лет. Как показало время, СТС хорошо подходят для различных промышленных и бытовых объектов, их надежность очень высока, поэтому к настоящему времени значительное количество таких стабилизаторов продолжают работать в сетях трехфазного переменного тока. Эти устройства постоянно совершенствуются и в настоящее время выпускаются в модифицированных вариантах,сохраняя в своей основе силовую схему трехфазного автотрансформатора,регулируемого перераспределением напряжения (АТРПН), который компенсирует изменения напряжения сети путем изменения коэффициента трансформации. В новых моделях СТС имеется возможность обеспечения различных вариантов защиты сети и самого стабилизатора,присутствуют функция энергосбережения, обеспечиваемая встроенным или отдельным блоком компенсатора реактивной мощности, и встроенный байпас. Трехфазное железо автотрансформатора и его обмотки Т 1 представляет собой электромагнитное изделие,имеющее значительную стоимость, высокую степень надежности, а также ресурс работы,измеряемый тысячами часов. СТС осуществляют стабилизацию действующего напряжения на выходе. При уменьшении (увеличении) напряжения питающей сети стабилизатор изменяет потребление тока от нее, при этом величина выходного тока остается практически постоянной. Стабилизаторы напряжения с подмагничиванием трансформатора основаны на компенсации изменения напряжения сети путем изменения коэффициента трансформации за счет местного подмагничивания сердечника автотрансформаторов. Подмагничивание осуществляется с помощью полупроводникового(транзисторного или тиристорного) регулятора. Такие автотрансформаторы имеют специально выполненный магнитопровод и систему обмоток. Недостатками этих стабилизаторов являются значительные массогабаритные показатели. По сравнению с трансформаторами, стабилизаторы имеют дополнительное потребление реактивной мощности,обусловленное подмагничиванием сердечников АТРПН. Вследствие этого сила тока холостого хода составляет 25-30 от номинального значения. Сущность изобретения Электротехническое многофункциональное устройство СФН(стабилизатор фазного напряжения), содержащий зажимы трех линейных и нулевой фаз и шесть гальванически развязанных обмоток, каждая пара которых размещена на каждом магнитопроводе, отличающийся от аналога тем, что в СФН введены три разнесенные в пространстве однофазные магнитопроводы, на каждом однофазном магнитопроводе размещены первичная и вторичная гальванически развязанные обмотки, коэффициент трансформации напряжений образованного при этом однофазного трансформатора равен 1, каждая первичная обмотка,которая размещена на магнитопроводе одного трансформатора, и каждая вторичная обмотка,расположенная на магнитопроводе второго трансформатора,соединены между собой одноименными, например, концевыми выводами, в результате чего образовано последовательное соединение двух обмоток,три указанные последовательные соединения двух обмоток между собой включены в трехлучевую звезду, центральная точка которой присоединена к зажиму нулевой фазы стабилизатора, а каждый луч трехлучевой звезды присоединен по одному к зажиму линейной фазы стабилизатора. Основными свойствами СФН является 1. Высокая точность стабилизации. 2. Высокая скорость реагирования. Стабилизатору напряжения не требуется времени, чтобы отреагировать на колебания входного напряжения,поэтому идеально подходит для промышленного и бытового оборудования, для эл/сетей с частыми и большими скачками напряжениями. 3. Помехоподавляющие функции. Это одна из самых уникальных характеристик данного стабилизатора. Помехоподавляющая функция заключается в способности фильтровать помехи двумя способами. Происходит так называемая двусторонняя фильтрация помех - на входе и выходе. СФН также поглощает помехи высокочастотных импульсов, порождаемых мощной электросетью, вплоть до ударов молнии. 4. Долговечность. Основной принцип работы стабилизатора - изменение магнитных полей внутри стабилизатора. Поэтому он обладает большой долговечностью за счет того, что в нем не используются элементы, имеющие ограниченный рабочий ресурс или подвижные механические части. 5. Высокая перегрузочная способность. Стабилизатор может эксплуатироваться в цепях питания с большими возвратными токами. При этом подключенное к стабилизатору оборудование будет функционировать нормально. 6. Совместимость с различным типом нагрузок. Стабилизатор может работать с любым типом нагрузки активной, емкостной, реактивной. 7. Включение с нагрузкой. Стабилизатор можно включать как при нулевой нагрузке, так и при полной за счет возможности функции плавного пуска. Использование специальной схемы намотки обеспечивает следующие свойства стабилизатора 1) симметрия фазных напряжений (т.е. устранение межфазных перекосов по напряжению) 2) выравнивание фазных токов (т.е. часть токов при несимметричной нагрузке может быть перераспределена по другим фазам в сторону источника тока) 3) фильтрация высших гармоник и импульсных помех 4) увеличение коэффициента мощности за счет снижения реактивной составляющей 5) длительная генерация одной из пропавших фаз за счет двух других. Перечень фигур чертежей На фиг.1 представлена принципиальная схема электротехнического многофункционального устройства СФН, выполненная по схеме зигзаг на трех разнесенных в пространстве однофазных магнитопроводах. На фиг.2 на плоскости комплексного потенциала показано топографическое изображение расположения элементов СФН, выполненного по принципиальной схеме фиг. 1. На фиг.3 представлен случай короткого замыкания между витками обмотки 4 СФН,принципиальная схема которого представлена на фиг.1. На фиг.4 на плоскости комплексного потенциала показано топографическое изображение расположение элементов СФН, выполненного по принципиальной схеме фиг.1,в случае межвиткового замыкания в обмотке 4. На фиг.5 представлена принципиальная схема электротехнического многофункционального устройства СФН, выполненная по схеме лямбда(условно несимметричный зигзаг) на трех разнесенных в пространстве однофазных магнитопроводах. На фиг.6 на плоскости комплексного потенциала показано топографическое изображение расположения элементов СФН, выполненного по принципиальной схеме фиг.5. На фиг.1, фиг.2 и фиг.4 обозначены А, В, С зажимы линейных фаз СФН 0 - зажим нулевой фазы 1, 3, 5 - три однофазные трансформаторы,каждый из которых выполнен на разнесенных в пространстве однофазных магнитопроводах 2, 4, 6 соответственно 7 и 8 - первая и вторая обмотки 5 размещены на однофазном магнитопроводе 2 трансформатора 1 9 и 10 - первая и вторая обмотки,размещенные на однофазном магнитопроводе 4 трансформатора 3 11 и 12 - первая и вторая обмотки,размещенные на однофазном магнитопроводе 6 трансформатора 5. На фиг.3 обозначено 13 - короткий проводник,который изображает процесс и место возникновения 10 межвиткового короткого замыкания в первой обмотке 7 трансформатора 1 остальные обозначения фиг.3 совпадает с обозначениями фиг.1. На фиг.5 и фиг.6 обозначено 14, 16, 18 - три однофазные трансформаторы, выполненные на разнесенных в пространстве однофазных магнитопроводах 15, 17, 19 21 и 22 - первая и вторая обмотки, размещенные 15 на однофазном магнитопроводе 15 трансформатора 14 23 и 24 первая и вторая обмотки, размещенные на однофазном магнитопроводе 17 трансформатора 16 25 и 26 - первая и вторая обмотки, размещенные на однофазном магнитопроводе 19 трансформатора 18 остальные обозначения фиг.5 совпадает с обозначениями фиг.1. Сведения,подтверждающие возможность осуществления полезной модели Для включения СФН в работу зажимы линейных А, В, С и нулевой фаз 0 (фиг.1) присоединяют к трехфазной сети. Благодаря протеканию токов 3 намагничивания в обмотках возникают напряжения,топографическое изображение которых показано на фиг.2. Рассмотрим первый вариант выполнения СФН. Первый положительный эффект заключается в достижении симметричного режима работы. Действительно, однофазные трансформаторы могут быть выполнены с большой вероятностью одинаковыми, а СФН симметричным стержни и ярма однофазных магнитопроводов имеют одинаковые размеры обмотки СФН имеют одинаковые числа витков и намотаны проводом одинакового сечения. При таких условиях индукции магнитного потока во всех стержнях одинаковы и одинаковые падения напряжений на резистивных и индуктивных сопротивлениях схем замещения трансформаторов. В режиме холостого хода,который имеет место при присоединении зажимов только линейных фаз с четко симметричной системы напряжений потенциал зажима нулевой фазы 0 находится точно на пересечении медиан треугольника входных напряжений. Вследствие симметричного СФН отклонения потенциала зажима нулевой фазы 0 от точки пересечения медиан треугольника напряжений в режиме холостого хода не превышает 0,000-0,002 В. В режиме нагруженного СФН к трехфазной сети кроме линейных зажимов фаз присоединяется также и зажим нулевой фазы 0. Мультипликативная погрешность СФН (в режиме нагрузки) состоит из двух частей первая из них возникает через несимметрию магнитопровода в несимметричных трехстержневых магнитопроводах. Ее величина достигает от 5 до 10 вольт в результате разной длины пути магнитного потока в аналогах. Длина пути магнитного потока состоит из суммы длин стержня и ярма. Длина пути магнитного потока среднего стержня в 1,5-2,5 раза меньше длины пути магнитного потока крайнего стержня. Через это в аналогах потенциал зажима нулевой фазы СФН отклоняется от потенциала точки пересечения медиан треугольника напряжений. В предложенном изобретении длины пути магнитного потока во всех однофазных магнитопроводах одинаковые. Поэтому первая составляющая переменной(мультипликативной) погрешности напряжения нулевой последовательности СФН равна нулю. Вторая составляющая мультипликативной погрешности СФН вызвана наличием сопротивления нулевой последовательности . Через это потенциал зажима нулевой фазы СФН отклоняется от потенциала точки пересечения медиан треугольника напряжений. Вторая часть мультипликативной погрешности СФН равна произведению тока нулевой последовательности Ио на сопротивление нулевой последовательности . Доминирующая составляющая сопротивления нулевой последовательностиимеет резистивный характер примесь индуктивной составляющей является незначительной. Фазный угол сопротивления нулевой последовательностисоставляет от 5 до 20 в зависимости от мощности 4 и конструкции СФН. Величина сопротивления нулевой последовательностиСФН находится в пределах от 0,1 Ом до 0,001 Ом, а токи нулевой последовательности Ио находятся в пределах от 1,0 ампера до 5000 ампер. За это вторая составляющая мультипликативной погрешности может находиться в пределах от 0,1 вольта до 5 вольт. Третий положительный эффект заключается в повышении живучести СФН при межвитковом замыкании одной из его обмоток. Покажем, что при возникновении межвиткового замыкания одной из его обмоток СФН продолжает выполнять свои функции. На фиг.3 показана принципиальная схема СФН, обмотки которого соединены по схеме зигзаг. Витковое замыкание на фиг.3 показано с помощью короткого проводника 13, который переключил часть витков обмотки 7. Из-за межвиткового замыкания напряжения на обмотках 7 и 8 трансформатора 1 уменьшается до нулевого значения. 70(2) Из равенства (1) и (2) на обмотки 9 и 12 подаются напряжения 9 и 12, которые равны фазным напряжениямисоответственно(6) По данным равенств (1) - (6) на фиг.4 построено топографическое изображение режима СФН,который образовался после межвиткового короткого замыкания в обмотке 7. Анализ показывает, что после межвиткового замыкания обмотки 7 между линейными фазами А,В, С, образовался электрический круг, который также жестко связан с нулевой фазой 0. Электрическая цепь, что образовалось после межвиткового замыкания обмотки 7, имеет малое сопротивление нулевой последовательности (0,0750,00075 Ом). А это означает, что СФН успешно продолжает свою работу после межвиткового короткого замыкания. Важным также является то, что сопротивление нулевой последовательности СФН после виткового короткого замыкания уменьшился на 25, что также является положительным эффектом. Итак- после виткового короткого замыкания одной из обмоток СФН его работа продолжается в нормальном режиме. Поэтому следует считать, что СФН,выполненный на разнесенных магнитопроводах и обмотки которого соединены по схеме зигзаг, имеет высокую живучесть при условии межвиткового короткого замыкания одной из его обмоток. Объяснение этого явления кроется в одном дополнительном степени свободы схем кругов,которые содержат последовательные соединения двух обмоток, размещенных на магнитопроводах трансформаторов, которые питаются от разных фазных напряжений (, , ). Второй вариант выполнения СФН выполнен по схеме лямбда (условно несимметричный зигзаг) и его принципиальная схема представлена на фиг.5. Схему соединений и режим этого СФН можно определить по топографическому изображению режима работы,показанным на фиг.6. Принципиальная разница между стабилизаторами,выполненными по фиг.1 и 5, заключается в том, что один из трех трансформаторов, например,трансформатор 16,включенный по автотрансформаторной схеме. Свойства второго варианта выполнения СФН по схеме фиг.6 аналогичные свойствам СФН, показанного на фиг.1. Поэтому все описанные выше положительные эффекты в СФН, выполненном по схеме зигзаг,обмотки которого размещены на разнесенных магнитопроводах, имеют место также и в СФН,выполненном по схеме лямбда при условии, что обмотки схемы лямбда также размещены на разнесенных магнитопроводах. ФОРМУЛА ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ 1. Стабилизатор фазного напряжения,содержащий зажимы трех линейных и нулевой фаз и шесть гальванически развязанных обмоток, каждая пара которых размещена на каждом магнитопроводе,отличающийся тем,что дополнительно введены три разнесенные в пространстве однофазные магнитопроводы, на каждом однофазном магнитопроводе размещены первичная и вторичная гальванически развязанные обмотки, коэффициент трансформации напряжений образованного при этом однофазного трансформатора равен 1, каждая первичная обмотка,которая размещена на магнитопроводе одного трансформатора, и каждая вторичная обмотка,расположенная на магнитопроводе второго трансформатора,соединены между собой одноименными, например, концевыми выводами, в результате чего образовано последовательное соединение двух обмоток,три указанные последовательные соединения двух обмоток между собой включены в трехлучевую звезду, центральная точка которой присоединена к зажиму нулевой фазы стабилизатора, а каждый луч трехлучевой звезды присоединен по одному к зажиму линейной фазы стабилизатора. 2. Стабилизатор фазного напряжения по п.1,отличающийся тем, что шесть гальванически развязанных обмоток между собой включены по схеме зигзаг. 3. Стабилизатор фазного напряжения по п.1,отличающийся тем, что шесть гальванически развязанных обмоток между собой включены по лямбдо подобной схеме, то есть условно несимметричным зигзагом. 4. Стабилизатор фазного напряжения по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что каждый из трех однофазных магнитопроводов выполнено в виде тора. 5. Стабилизатор фазного напряжения по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что каждый из трех однофазных магнитопроводов выполнен с прямоугольным окном. 6. Стабилизатор фазного напряжения по любому из пп.1-3, 5, отличающийся тем, что каждая из шести гальванически развязанных обмоток разделена на части, при этом каждая пара первых частей гальванически развязанных обмоток размещена на первом стержне магнитопровода с прямоугольным окном, а каждая пара вторых частей обмоток размещена на втором стержне магнитопровода с прямоугольным окном, при этом первая и вторая части каждой обмотки между собой соединены одноименными выводами. 7. Стабилизатор фазного напряжения по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что в каждом трансформаторе один провод или группа проводов первичной обмотки окруженная проводами вторичной обмотки и наоборот - один провод или группа проводов вторичной обмотки окруженная проводами первичной обмотки. 8. Стабилизатор фазного напряжения по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что каждая из шести гальванически развязанных обмоток или их частей выполнена проводом, сечение которого от 2 до 1000 раз больше от толщины сечения провода. 9. Стабилизатор фазного напряжения по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что гальванически развязанные обмотки изготовлены из медной или алюминиевой фольги.