Фильтр тока прямой последовательности на основе однофазного трансформатора с вращающимся магнитным полем
Фильтр тока прямой последовательности на основе трансформатора с вращающимся магнитным полем относится к измерительной технике, а точнее к устройствам, предназначенным для выделения симметричных составляющих электрического сигнала, и может быть использовано в составе устройств измерения, защиты и сигнализации трехфазных систем переменного тока. Полезная модель включает в себя три тороидальных сердечника, на которых для каждой из трех фаз расположены четыре первичные обмотки, балластные резистор и индуктивность, причем начало первой обмотки соединено с концом второй обмотки, образуя при этом первый вход устройства, конец первой обмотки с концом третьей обмотки, начало второй обмотки с началом четвертой обмотки, начало третьей обмотки - с балластной индуктивностью, а конец четвертой обмотки - с балластным резистором, другие концы которых образуют при соединении второй вход устройства, а для получения вращающегося магнитного поля в каждой фазе первая, вторая, третья и четвертая первичные обмотки расположены друг относительно друга на тороидальном магнитном сердечнике со сдвигом на 90°, при этом количество витков первой и четвертой обмоток больше в два раза, чем второй и третьей, многофазные вторичные обмотки, для каждой из трех фаз выполненные в виде двух систем обмоток, каждая из которых содержит по три обмотки, расположенные друг относительно друга под углом 120°, а между собой эти системы обмоток геометрически сдвинуты на угол 30° относительно друг друга, причем начало обмотки 15 соединено последовательно с концом обмотки 23, а начало последней соединено с концом обмотки 31 затем аналогично соединенные обмотки каждой из двух систем обмоток объединены в «звезду», а ее концы подключены к входу многофазного выпрямителя, выход которого образует выпрямленный сигнал, пропорциональный току прямой последовательности.
Предполагаемая полезная модель позволяет получить технический результат, заключающийся в повышении точности работы фильтра за счет применения многофазных вторичных обмоток, а также повысить надежность системы электроснабжения.
Однозвенная формула изобретения, 1 чертежа.
Полезная модель относится к измерительной технике, а точнее к устройствам, предназначенным для выделения симметричных составляющих электрического сигнала, и может быть использовано в составе устройств измерения, защиты и сигнализации трехфазных систем переменного тока.
Известен фильтр симметричных составляющих электрического сигнала (патент 
2209441 по кл. МПК G01R 29/16), наиболее близкий к заявляемой полезной модели по своему назначению и достигаемому результату, в котором зажим фазы А контролируемого сигнала подключен к первому входу первого сумматора, зажим фазы В связан через инвертирующий вход первого блока дифференцирования со вторым входом первого сумматора, а через инвертирующий вход первого пропорционального блока - с третьим входом первого сумматора, зажим фазы С связан через неинвертирующий вход второго блока дифференцирования с четвертым входом первого сумматора, а через инвертирующий вход второго пропорционального блока - с пятым входом первого сумматора, выход которого через неинвертирующий вход третьего пропорционального блока связан с первым выходом устройства, дополнительно содержит третий и четвертый блоки дифференцирования, второй и третий сумматоры и четвертый и пятый пропорциональные блоки, причем зажим фазы А дополнительно подключен к первому входу второго сумматора и к первому входу третьего сумматора, зажим фазы В дополнительно подключен ко второму входу второго сумматора, со вторым входом третьего сумматора соединен через неинвертирующий вход третьего блока дифференцирования, а с третьим входом третьего сумматора - через инвертирующий вход первого пропорционального блока, причем выход второго сумматора через неинвертирующий вход четвертого пропорционального блока связан со вторым выходом устройства, зажим фазы С дополнительно подключен к третьему входу второго сумматора, с четвертым входом третьего сумматора соединен через инвертирующий вход четвертого блока дифференцирования, а с пятым входом третьего сумматора - через инвертирующий вход второго пропорционального блока, причем выход третьего сумматора через неинвертирующий вход пятого пропорционального блока связан с третьим выходом устройства.
Данный фильтр симметричных составляющих электрического сигнала обеспечивает достаточно высокую точность работы, а также быстродействие и выделение полного спектра симметричных составляющих электрического сигнала, являясь близким устройством к предлагаемому фильтру тока прямой последовательности по своему назначению, но сильно отличается по конструктивному исполнению. При этом фильтр симметричных составляющих электрического сигнала построен на основе полупроводниковых элементов, поэтому является более дорогим и менее надежным устройством.
Также известен однофазный трансформатор с вращающимся магнитным полем (ОТВП) (патент 2333562, по кл. МПК Н01F 30/14), который взят за основу фильтра тока прямой последовательности, содержит четыре первичные обмотки, расположенные на тороидальном сердечнике, балластные резистор и индуктивность, многофазные вторичные обмотки, причем начало первой обмотки соединено с концом второй обмотки, образуя при этом первый вход устройства, конец первой обмотки с концом третьей обмотки, конец второй обмотки с концом четвертой обмотки, конец третьей обмотки - с балластной индуктивностью, а начало четвертой обмотки - с балластным резистором, другие концы которых образуют при соединении второй вход устройства, а для получения вращающегося магнитного поля первая, вторая, третья и четвертая обмотки расположены друг относительно друга на тороидальном магнитном сердечнике со сдвигом на 90° при этом количество витков первой и четвертой обмоток больше в два раза, чем второй и третьей.
ОТВП близок к заявляемому фильтру тока прямой последовательности по наибольшему количеству конструктивных признаков, но не может быть использован в качестве фильтра симметричных составляющих.
Задачей полезной модели является повышение надежности системы электроснабжения.
Указанная задача решается таким образом, что фильтр тока прямой последовательности на основе ОТВП содержит три тороидальных сердечника, на которых для каждой из трех фаз расположены четыре первичные обмотки, балластные резистор и индуктивность, причем начало первой обмотки соединено с концом второй обмотки, образуя при этом первый вход устройства, конец первой обмотки с концом третьей обмотки, конец второй обмотки с концом четвертой обмотки, конец третьей обмотки - с балластной индуктивностью, а начало четвертой обмотки - с балластным резистором, другие концы которых образуют при соединении второй вход устройства, а для получения вращающегося магнитного поля в каждой фазе первая, вторая, третья и четвертая первичные обмотки расположены друг относительно друга на тороидальном магнитном сердечнике со сдвигом на 90°, при этом количество витков первой и четвертой обмоток больше в два раза, чем второй и третьей, многофазные вторичные обмотки, для каждой из трех фаз выполненные в виде двух систем обмоток, каждая из которых содержит по три обмотки, расположенные друг относительно друга под углом 120°, а между собой эти системы обмоток геометрически сдвинуты на угол 30° относительно друг друга, причем начало обмотки 15 соединено последовательно с концом обмотки 23, а начало последней соединено с концом обмотки 31, затем аналогично соединенные обмотки каждой из двух систем обмоток объединены в «звезду», а ее концы подключены к входу многофазного выпрямителя, выход которого образует выпрямленный сигнал, пропорциональный току прямой последовательности.
Техническим результатом является повышение точности срабатывания релейной защиты и противоаварийной автоматики в несимметричных аварийных режимах за счет упрощения конструкции фильтра и применения многофазных вторичных обмоток.
Действие устройства основано на использовании метода симметричных составляющих. Пусть на вход фильтра подается система токов обратной последовательности, которая первичными обмотками каждого ОТВП формирует соответствующие магнитодвижущие силы (МДС), образующие вращающиеся магнитные поля:
где Fm - амплитудное значения МДС фаз А, В, С;
- угловая частота сигнала, =2
f;
f - частота сигнала.
Во вторичных обмотках каждого ОТВП, исходя из их пространственного расположения, наводятся соответствующие напряжения, имеющие следующие фазовые сдвиги:
,
,
,
,
,
;
,
,
,
,
,
;
,
,
,
,
,
.
Исходя из приведенного соединения обмоток, на вход выпрямителя поступают следующие напряжения:
'
,
,
,
,
.
Пусть на вход фильтра подается система токов нулевой последовательности, которая формирует следующие МДС, образующие в каждом ОТВП вращающиеся магнитные поля:
Во вторичных обмотках каждого ОТВП наводятся соответствующие напряжения:
,
,
,
,
,
.
Очевидно, что при указанной комбинации обмоток на вход выпрямителя поступают следующие сигналы напряжения:
.
Пусть на вход фильтра подается система токов прямой последовательности, которая формирует следующие МДС каждым ОТВП, образующим вращающиеся магнитные поля:
Во вторичных обмотках каждого ОТВП наводятся соответствующие напряжения:
,
,
,
,
,
;
,
,
,
,
;
,
,
,
,
,
.
На вход выпрямителя поступают следующие напряжения:
,
,
,
,
,
.
Следовательно, предлагаемый фильтр на выходе формирует систему векторов напряжения, пропорциональных токам прямой последовательности. При этом данная система векторов образует шестифазную систему выпрямления и на выходе выпрямителя из-за низких пульсаций выделяется напряжение, пропорциональное амплитудному значению входного тока прямой последовательности.
Пусть на вход фильтра тока прямой последовательности поступают токи двухфазного короткого замыкания фаз В и С из электрической сети, которые образуют следующие МДС соответствующим ОТВП, формирующих вращающиеся магнитные поля:
Bo вторичных обмотках наводятся следующие напряжения:
;
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
.
Тогда на вход выпрямителя поступают следующие напряжения:
Таким образом, в нормальном режиме работы системы электроснабжения на выходе фильтра тока прямой последовательности образуется сигнал, пропорциональный амплитудному значению тока системы. В аварийном режиме работы при возникновении коротких замыканий на выходе устройства образуется сигнал, пропорциональный амплитудному значению тока прямой последовательности. Использование шестифазных вторичных обмоток позволяет увеличить точность работы фильтра, в связи с уменьшением пульсаций результирующего сигнала. Использование вместо полупроводниковых элементов совокупности обмоток, расположенных друг относительно друга под определенными углами, позволяет упростить конструкцию устройства, повысив надежность.
На фигуре 1 представлена принципиальная электрическая схема фильтра тока прямой последовательности на основе ОТВП. На тороидальном сердечнике 1 расположены первичные обмотки фильтра Зажимы 2 и 3 - входные зажимы устройства каждой из трех фаз. Фильтр тока для каждой фазы содержит две группы первичных встречно включенных обмоток (4,5 и 6,7), имеющих пространственный сдвиг 90°, а так же дроссель 8 и балластный резистор 9. Вторичные обмотки 12-14 для каждой из трех фаз выполнены в виде двух систем обмоток, каждая из которых содержит по три обмотки, расположенные друг относительно друга под углом 120°, а между собой эти системы обмоток геометрически сдвинуты на угол 30° относительно друг друга. Причем, начало обмотки 15 соединено последовательно с концом обмотки 23, а начало последней соединено с концом обмотки 31. Аналогично соединены остальные обмотки, при этом каждая из двух систем обмоток объединена в «звезду», а ее концы подключены к входу многофазного выпрямителя 33, выход которого образует выпрямленный сигнал, пропорциональный току прямой последовательности.
Работает заявляемый фильтр тока прямой последовательности на основе ОТВП следующим образом: через зажимы 2 и 3 каждой фазы протекают электрические токи частотой 50 Гц и фазовым сдвигом 120° относительно друг друга. Первичные обмотки фазы (4-7) посредством встречно включенных секций создает систему из двух перпендикулярных и равных по модулю магнитодвижущих сил (
и 
) в магнитной системе 1. Описанные магнитодвижущие силы каждой фазы в свою очередь создают вращающееся магнитное поле, которое наводит во вторичных обмотках 12-14, образующих две трехфазные системы обмоток, сдвинутых пространственно друг относительно друга на угол 30°, электродвижущие силы, также имеют попарно фазовый сдвиг 30°, в итоге, получена система напряжений с числом фаз равным 6, которые в результате подключения к многофазному выпрямителю 33 позволяют получить на выходе фильтра постоянный сигнал, пропорциональный амплитуде тока прямой последовательности.
Использование фильтра симметричных составляющих на базе однофазного трансформатора с вращающимся полем позволяет упростить конструкцию устройства, понизив в результате его стоимость и повысив надежность системы электроснабжения. Многофазность вторичных обмоток фильтра тока прямой последовательности позволяет повысить точность срабатывания релейной защиты и противоаварийной автоматики, составной частью которых является фильтр, уменьшить пульсации результирующего выходного сигнала и выделять сигнал, пропорциональный амплитудному значению тока прямой последовательности в аварийном режиме работы.
Фильтр тока прямой последовательности на основе трансформатора с вращающимся магнитным полем состоит из трех тороидальных сердечников, на которых для каждой из трех фаз расположены четыре первичные обмотки, балластные резистор и индуктивность, причем начало первой обмотки соединено с концом второй обмотки, образуя при этом первый вход устройства, конец первой обмотки с концом третьей обмотки, начало второй обмотки с началом четвертой обмотки, начало третьей обмотки - с балластной индуктивностью, а конец четвертой обмотки - с балластным резистором, другие концы которых образуют при соединении второй вход устройства, а для получения вращающегося магнитного поля в каждой фазе первая, вторая, третья и четвертая первичные обмотки расположены относительно друг друга на тороидальном магнитном сердечнике со сдвигом на 90°, при этом количество витков первой и четвертой обмоток больше в два раза, чем второй и третьей, многофазные вторичные обмотки для каждой из трех фаз состоят из двух систем обмоток, каждая из которых содержит по три обмотки, расположенные относительно друг друга под углом 120°, а между собой эти системы обмоток геометрически сдвинуты на угол 30° относительно друг друга, причем вторичные обмотки каждой фазы последовательно соединены между собой в «звезду», а ее концы подключены к входу многофазного выпрямителя, на выходе которого получен выпрямленный сигнал, пропорциональный току нулевой последовательности.
