Фильтр напряжения симметричных составляющих на основе трансформатора с вращающимся магнитным полем

Фильтр напряжения симметричных составляющих 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 тороидальный сердечник, на котором размещены первичные обмотки, состоящие для каждой из трех фаз из двух обмоток, расположенных друг относительно друга со сдвигом на 90° для получения вращающегося магнитного поля, причем количество витков первой обмотки больше в два раза, чем второй, балластного резистора и конденсатора, причем начало первой обмотки соединено с концом второй обмотки, образуя при этом первый вход устройства, конец первой обмотки с конденсатором, затем конденсатор соединен с резистором, который, в свою очередь, соединен с началом второй обмотки, образуя второй вход устройства, а также многофазные вторичные обмотки, подключаемые к входу многофазного выпрямителя. Предполагаемая полезная модель позволяет получить технический результат, заключающийся в повышение надежности систем электроснабжения за счет повышения точности срабатывания релейной защиты и противоаварийной автоматики в несимметричных аварийных режимах. Однозвенная формула изобретения, 2 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 однофазный трансформатор с вращающимся магнитным полем (патент 2333562, по кл. МПК Н01F 30/14), наиболее близкий к заявляемой полезной модели по конструктивному исполнению, который 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.

Однофазный трансформатор с вращающимся магнитным полем близок к заявляемому фильтру напряжения симметричных составляющих по наибольшему количеству конструктивных признаков, но не может быть использован в качестве фильтра симметричных составляющих.

Также известен фильтр симметричных составляющих электрического сигнала (патент 2209441 по кл. МПК G01R 29/16), наиболее близкий к заявляемой полезной модели по своей технической сущности 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.

Для реализации фильтра симметричных составляющих электрического сигнала требуется сложная электронная база полупроводниковых элементов, что, по сравнению с предлагаемой полезной моделью, снижает общую надежность работы устройства и повышает его стоимость.

Задачей полезной модели является совершенствование защиты элементов систем электроснабжения при несимметричных коротких замыканиях.

Техническим результатом является повышение надежности систем электроснабжения за счет повышения точности срабатывания релейной защиты и противоаварийной автоматики в несимметричных аварийных режимах.

Указанный технический результат достигается тем, что фильтр напряжения симметричных составляющих на основе трансформатора с вращающимся магнитным полем включает в себя тороидальный сердечник, на котором размещены первичные обмотки, состоящие для каждой из трех фаз из двух обмоток, расположенных друг относительно друга со сдвигом на 90° для получения вращающегося магнитного поля, причем количество витков первой обмотки больше в два раза, чем второй, балластного резистора и конденсатора, причем начало первой обмотки соединено с концом второй обмотки, образуя при этом первый вход устройства, конец первой обмотки с конденсатором, затем конденсатор соединен с резистором, который, в свою очередь, соединен с началом второй обмотки, образуя второй вход устройства, а также многофазные вторичные обмотки, подключаемые к входу многофазного выпрямителя.

Разработанный фильтр напряжения симметричных составляющих на основе трансформатора с вращающимся магнитным полем реализован для каждой из трех фаз следующим образом: зажимы 2 и 3 фильтра каждой фазы включены на входные напряжения. Далее, зажим 2 подключен к началу катушки 4 и к концу 5 первой обмотки, причем количество витков первой из них в два раза больше, чем во второй. Таким образом, магнитодвижущие силы двух катушек каждой из обмоток взаимовычитаются. Последовательно с катушкой 4 включены конденсатор 6 и сопротивление 7 для обеспечения необходимого угла фазового сдвига между токами обеих ветвей схемы. Вторичные обмотки 8 выполнены в виде двух систем, каждая из которых состоит из трех фаз, расположенных друг относительно друга под углом 120°. В свою очередь, эти две системы обмоток сдвинуты пространственно на угол 30° относительно друг друга. Концы отмоток подключаются к входам многофазного выпрямителя 9, выход которого образует выпрямленный сигнал напряжения прямой или обратной последовательности.

Новизна заявляемого технического решения заключается в том, что данное устройство можно реализовать с помощью совокупности обмоток, расположенных друг относительно друга под определенными углами.

По данным научно-технической и патентной литературы, авторам не известна заявляемая совокупность признаков, направленная на достижение заявленного технического результата, и это решение не вытекает с очевидностью из известного уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии решения изобретательскому уровню.

Действие устройства основано на использовании метода симметричных составляющих. Пусть имеется система напряжений фаз А, В и С, значения которых можно определить по выражениям:

где U_a, U_b, U _c - амплитудные значения сигналов фаз А, В, С;

- угловая частота сигнала, =2,

- частота сигнала;

₁ - угол, на который сигнал u_b опережает сигнал ;

₂ - угол, на который сигнал u_c опережает сигнал u_a.

В соответствии с указанным методом выражение для составляющей прямой последовательности u_a1 электрического сигнала фазы А имеет вид:

где а - оператор трехфазной системы;

a=е^j·120° ; а²=е^j·240°; е=2,71828.

Выражение для составляющей обратной последовательности u_a2 электрического сигнала фазы А имеет вид:

Данные напряжения обуславливают наличие токов, которые создают магнитодвижущие силы, обеспечивающие трансформацию сигналов во вторичные обмотки фильтра и описываются следующими выражениями, отражающими углы фазовых сдвигов магнитодвижущих сил:

где , , и - амплитудные значения магнитодвижущих сил фаз

В нормальном режиме работы при рассмотрении обмоток по фазам с указанными пространственными сдвигами, получим:

При равенстве имеем:

Это прямая последовательность, которая образует во вторичных обмотках напряжение прямой последовательности в виде многофазной системы.При выпрямлении данного сигнала выделяется амплитудное значение напряжения прямой последовательности U _1m.

Если подается система векторов токов обратной последовательности, то

В соответствие с выражением (5):

Следовательно, приведенное устройство с указанным расположением обмоток образует фильтр прямой последовательности.

Для получения фильтра напряжения обратной последовательности необходимо подключить трехфазную систему напряжений так, чтобы фазы В и С имели относительно фазы А сдвиг в 240° и 120° соответственно, то есть не изменяя конструкцию устройства фильтра поменять подключаемые сигналы фазы В и С на входе фильтра местами. Тогда углы пространственных сдвигов фаз можно отразить выражениями:

Если на вход фильтра напряжения обратной последовательности подать систему векторов прямой последовательности, получим следующие значений магнитодвижущих сил:

Если на вход фильтра подать систему векторов обратной последовательности, получим следующие значений магнитодвижущих сил:

Таким образом, во вторичных обмотках фильтра за счет магнитодвижущих сил f вращающегося магнитного поля образуется напряжение обратной последовательности. Следовательно, приведенное устройство с указанным расположением обмоток образует фильтр напряжения обратной последовательности.

В аварийном режиме работы при двухфазном коротком замыкании фаз В и С магнитодвижущие силы с учетом углов пространственных сдвигов фаз будут иметь следующие значения для вычисления составляющей прямой последовательности:

Магнитодвижущие силы прямой последовательности:

.

При вычислении составляющей обратной последовательности магнитодвижущие силы с учетом углов пространственных сдвигов фаз будут иметь следующие значения:

Магнитодвижущие силы обратной последовательности:

Равенство магнитодвижущих сил по модулю |f₁|=|f₂| и по фазе указывает на соответствие прямой и обратной последовательностей теоретическим результатам [Ульянов С.А. Электромагнитные переходные процессы в электрических системах. Учебник для электротехнических и энергетичесих вузов и факультетов. M., «Энергия», 1970].

На фигуре 1 представлена принципиальная электрическая схема первичных обмоток фильтра напряжения симметричных составляющих. На фигуре 2 изображена принципиальная электрическая схема вторичных обмоток фильтра напряжения симметричных составляющих. На фигуре на тороидальном сердечнике 1 располагаются первичные обмотки фильтра. Зажимы 2 и 3 - входные зажимы устройства каждой из трех фаз. Фильтр напряжения для каждой фазы содержит две первичных встречно включенных обмоток (4 и 5), имеющих пространственный сдвиг 90°, а так же балластные конденсатор 6 и резистор 7. В пазах тороидального сердечника 1 также уложена многофазная вторичная обмотка 8 в виде двух систем, каждая из которых состоит из трех фаз, расположенных друг относительно друга под углом 120°. В свою очередь, эти две системы обмоток сдвинуты пространственно на угол 30° относительно друг друга. Концы отмоток подключаются к входам многофазного выпрямителя 9, выход которого образует выпрямленный сигнал напряжения прямой или обратной последовательности.

Разработанный фильтр напряжения симметричных составляющих реализован для каждой из трех фаз следующим образом: зажимы 2 и 3 фильтра каждой фазы включены в токовые цепи. Далее, зажим 2 подключен к началу катушки 4 и к концу 5 первой обмотки, причем количество витков первой из них в два раза больше, чем во второй. Таким образом, магнитодвижущие силы двух катушек каждой из обмоток взаимовычитаются. Последовательно с катушкой 4 включены конденсатор 6 и сопротивление 7 для обеспечения необходимого угла фазового сдвига между токами обеих ветвей схемы. Вторичные обмотки 8 выполнены в виде двух систем, каждая из которых состоит из трех фаз, расположенных друг относительно друга под углом 120°. В свою очередь, эти две системы обмоток сдвинуты пространственно на угол 30° относительно друг друга. Концы отмоток подключаются к входам многофазного выпрямителя 9, выход которого образует выпрямленный сигнал напряжения прямой или обратной последовательности.

Каждая фаза фильтра напряжения симметричных составляющих содержит две одинаковые в конструктивном исполнении обмотки с индуктивностями 4 (L₁) и 5 (L₂), расположенные на тороидальном сердечнике под углом 90°, через которые протекают токи и , равные по величине и имеющие фазовый сдвиг между собой 90°. Это создает вращающееся магнитное поле двумя магнитодвижущими силами, образуемыми данными токами в указанных обмотках.

Определим соотношения между параметрами ветвей отмоток фаз при условии равенства по величине токов и и наличие фазового сдвига между ними в 90°. Если естественные активные сопротивления катушек 4 и 5 значительно меньше их индуктивных сопротивлений, то сопротивление ветвей первичных обмоток однофазного трансформатора с вращающимся полем будут равны:

где R₁ - активное балластное сопротивление 7;

C₁ - емкость конденсатора 6.

Пусть будут справедливы следующие соотношения:

L₁=L₂;

R₁=·L₂.

Тогда получим:

Следовательно, соотношение для магнитодвижущих сил двух катушек будет иметь вид:

Таким образом, магнитодвижущие силы и равны по модулю и сдвинуты друг относительно друга на угол 90°, образуя вращающееся магнитное поле. При этом во вторичных обмотках наводится электродвижущие силы, соответствующие их пространственному расположению для многофазной системы.

Работает заявляемый фильтр напряжения симметричных составляющих следующим образом: на зажимы 2 и 3 каждой фазы подается напряжение частотой 50 Гц и фазовым сдвигом 120° относительно друг друга. Первичная обмотка фазы (4-7) посредством встречно включенных секций создает систему из двух перпендикулярных и равных по модулю магнитодвижущих сил () в магнитной системе 1. Описанные магнитодвижущие силы каждой фазы в свою очередь создают вращающееся магнитное поле, которое наводит во вторичных обмотках 8, 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 7, которые в результате подключения к многофазному выпрямителю 9 позволяют получить на выходе фильтра постоянный сигнал, равный амплитуде тока одной из последовательностей.

Для получения фильтра напряжения прямой последовательности, необходимо к входным зажимам фильтра подключить трехфазную систему напряжений, при этом первичные обмотки, согласно формуле (2), должны располагаться под углом 120° относительно друг друга таким образом, чтобы фазы В и С имели относительно фазы А сдвиг в 120° и 240° соответственно.

Для получения фильтра напряжения обратной последовательности, необходимо к входным зажимам фильтра подключить трехфазную систему напряжений, при этом первичные обмотки, согласно формуле (3), должны располагаться под углом 120° относительно друг друга таким образом, чтобы фазы В и С имели относительно фазы А сдвиг в 240° и 120° соответственно, то есть в сравнении с фильтром напряжения прямой последовательности, надо подключаемые сигналы фазы В и С на входе фильтра поменять местами, не изменяя при этом конструкцию устройства.

Использование фильтра симметричных составляющих на базе многофазного трансформатора с вращающимся полем позволяет получить на выходе этого фильтра сигнал соответствующей последовательности, а также расширяет возможности предлагаемого устройства. Многофазность выходных обмоток фильтра напряжения симметричных составляющих позволяет понизить пульсации результирующего выходного напряжения и выделять соответственно амплитудные значения напряжений прямой последовательности U_1m и обратной последовательности U_2m.

Фильтр напряжения симметричных составляющих на основе трансформатора с вращающимся магнитным полем, содержащий тороидальный сердечник, на котором размещены первичные обмотки, состоящие для каждой из трех фаз из двух обмоток, расположенных относительно друг друга со сдвигом на 90° для получения вращающегося магнитного поля, причем количество витков первой обмотки больше в два раза, чем второй, балластного резистора и конденсатора, причем начало первой обмотки соединено с концом второй обмотки, образуя при этом первый вход фильтра, конец первой обмотки с конденсатором, затем конденсатор соединен с резистором, который, в свою очередь, соединен с началом второй обмотки, образуя второй вход фильтра, а также многофазные вторичные обмотки, подключаемые к входу многофазного выпрямителя.