Фазосдвигающий трансформатор что это такое
Фазосдвигающие трансформаторы
Фазовый сдвиг возникает в сетях переменного тока и представляет собой модуль разности начальных фаз. Являясь величиной постоянной, он не зависит от того, в какой момент начался отсчет. В электрических коммуникациях поток мощности пропорционален синусу угла этого модуля. Фазовый сдвиг возникает между направлением потока источника электричества в начале сети и приемником в ее конце.
Если линии электропередачи отличаются передаваемой мощностью, их потоки можно перераспределить. Для этого меняется фазовый сдвиг (его угол) между направлениями источника и приемника в трехфазной сети. В этом случае удается загрузить линии максимально корректно. При естественном распределении маломощные линии слишком нагружаются. Возрастают потери энергии. Мощные же линии ограничиваются в своей пропускной способности.
Менять фазовый сдвиг можно при помощи специального оборудования. Им является фазосдвигающий трансформатор (ФСТ).
Принцип работы
Фазовый сдвиг лежит в основе работы представленного оборудования. Он появляется в момент прохождения и задержания в системе электрического сигнала. Специальные четырехполюсные приборы вносят сдвиг на пути между поступающим и исходящим напряжением.
Измеритель фазового сдвига может быть разным. Для этого применяются разные методы. Например, измерение фазового сдвига может выполняться при помощи компенсационного, осциллографического, преобразовательного подхода, а также метода дискретного подсчета.
В электрическую цепь сдвиг вводится при помощи фазовращателей. Это позволяет контролировать и регулировать весь процесс. При использовании мостовой схемы с фазовым сдвигом применяется, например, RC-фазовращатель. На плечи с равным сопротивлением подается напряжение. Между источником и приемником образуется сдвиг. Их напряжения сдвигаются относительно друг друга на 90º. Но сумма показателей всегда равна входному значению. Могут использоваться и другие схемы.
При осуществлении внесения сдвига в систему могут применяться также индуктивные, емкостные, диэлектрические, поляризационные или ступенчатые фазовращатели. Выбор методики зависит от частот, которые присутствуют в цепи.
Для уменьшения величины погрешности при замерах малых сдвига используют подход умножения частоты. Для высоких и сверхвысоких частот применяют понижение при помощи гетеродинного преобразования.
Широкие возможности при измерении фазового сдвига открываются при использовании для их построения микропроцессора. Он работает совместно с измерителями. Наблюдения проводятся в установленном периоде. При этом удается вести их статистику (дисперсию, математическое ожидание, отклонения и т. д.).
Общая характеристика
Применение фазоповоротных трансформаторов началось еще с 1969 года в Великобритании. В Европе подобные агрегаты устанавливают с конца прошлого столетия. Их еще называют кросс-трансформаторами. Такие устройства обладают сложным устройством. Встречаются приборы двухтрансформаторной мостовой схемы с фазовым сдвигом или иные разновидности. Они предназначены для управления активной и реактивной мощностью для трехфазных сетей.
Применение представленных агрегатов позволяет в режиме максимальной загруженности снять напряжение и перераспределить его оптимальным образом. Установка такого сооружения обходится дорого. Однако оно окупается быстро. Условия работы коммуникаций энергоснабжения оптимизируется. Это особенно важно для мощных линий электропередач.
Конструкция оборудования сложна. Она включает в себя множество обмоток, регуляторов напряжения и соединений между тремя фазами. Одним из таких регуляторов может быть трансформатор фазового компаундирования.
Конструкция
Фазосдвигающие трансформаторы состоят из двух отдельных установок. Это последовательный и параллельный трансформаторы. Второй агрегат имеет первичную обмотку в виде треугольника. Она отвечает за организацию трехфазной системы со смещением на 90º. Вторичная обмотка может представлять собой изолированные фазы с отпаечным блоком и заземленным центром.
Вторичная обмотка параллельного трансформатора подключается к первичной обмотке последовательного аппарата при помощи выхода переключателя блока. Этот процесс осуществляется по схеме звезда.
Вторичные катушки последовательного агрегата имеют вид трех изолированных фаз. Они последовательно включаются в рассечку проводов. Они соотносятся по фазе. Их подводят к вектору источника напряжения с добавлением элемента, сдвинутого по фазе на 90º.
На выходе определяется нагрузка, равная сумме направлений напряжений генератора и элемента влияния фазоповоротного трансформатора. Основные характеристики воздействия прибора можно регулировать при помощи устройства отпаек. Настройку можно производить для каждой линии.
Компаундирование
Стоимость фазоповоротных трансформаторов достаточно велика. В России пока не применяется ни одной подобной установки. Однако разрабатывается множество проектов по внедрению в энергетические коммуникации подобного оборудования. Это финансово оправдано особенно в масштабных, высоковольтных коммуникациях. Их эффективность работы значительно увеличивается. Оборудование не подвергается нагрузкам, меньше изнашивается. Оптимальное распределение электричества выгодно во всех отношениях. Поэтому представленное направление сегодня развивается и в нашей стране.
Возможно регулировать электричество в сети посредством управления напряжением генератора. Устройство, которое стабилизирует напряжение по току, называется компаундирующим. Если же прибор управляет величиной фазы нагрузки, его называют фазовым компаундированием. В этом случае геометрически складываются два сигнала. Первый из них пропорционален току, а второй – напряжению генератора.
Компаундирующие трансформаторы работают с однофазной сетью. Их вторичные обмотки соединяются в треугольник. Такие приборы при включении их в схему генератора компенсируют падение напряжения на источнике тока. На зажимах этот показатель изменится значительно меньше, чем без применения компаундирующего трансформатора.
Развитие системы распределения напряжения в энергетических сетях актуально для нашей страны. Представленное оборудование позволяет повысить качество электроснабжения, снизить затраты на осуществление этого процесса.
Принцип действия, устройство и особенности фазоповоротного трансформатора
Фазоповоротный трансформатор (ФТ) представляет собой особый вид преобразующих устройств, используемый для изменения фазных характеристик напряжения.
Принцип работы
В основе работы трансформатора лежит явление фазового сдвига, появляющегося при прохождении тока через распределенные элементы электрических цепей. Вследствие его появления отдаваемая в нагрузку полезная мощность снижается, что недопустимо при значительной ее величине (она связана с фазными характеристиками через косинус угла между векторами напряжений на входе и выходе).
Сдвиг появляется на стороне приемника и измеряется по отношению к источнику энергоснабжения, находящемуся на распределительной подстанции. Эта особенность передачи энергии по трехфазным цепям позволяет целенаправленно управлять ее потоками между отдельными линиями (при условии, что к ним подключены нагрузки).
Благодаря этому удается восстановить баланс, нарушенный из-за несимметричности параметров линейных цепей методом искусственной компенсации появившейся разницы фаз. Принцип действия фазосдвигающего устройства как раз и состоит в том, чтобы компенсировать сдвиг на стороне потребителя.
Причина несимметричности нагрузок в различных цепях – непропорциональность их подключения к различным фазам одной и той же питающей линии.
Дополнительная информация: Каждая из подводимых к жилым или промышленным объектам фаз «работает» на свою группу нагрузок, состав которых постоянно меняться.
В результате этого возможны перегрузки отдельных линий и как следствие – возрастание неэффективных потерь, а также угроза выхода из строя станционного оборудования.
Устройство трансформатора
Схема включения
Каждый фазоповоротный трансформатор принцип работы которого был рассмотрен в предыдущем разделе, состоит из двух преобразователей напряжения, отличающихся схемой включения. В его состав входят:
Первичные обмотки ПТ включается параллельно линейной цепи по общеизвестной схеме типа «треугольник» (смотрите рисунок выше).
Вторичные же выполнены в виде полностью изолированных катушек с отводами от отдельных витков. Одним своим концом они подключаются к первичным обмоткам ПсТ, ответные части которых наглухо заземляются.
Вторичные обмотки последовательного трансформатора – это три изолированные фазы, включенные в разрыв основных питающих цепей. Из приведенной выше схемы следует, что трансформатор ПсТ подключается по схеме «звезда» (с наглухо заземленной нейтралью).
Важно! Такое включение обеспечивает дополнительный сдвиг фазы питающего напряжения на 90 градусов относительно сигнала, приходящего со станционного оборудования.
По этой причине другое название этих устройств – фазоповоротный или кросс-трансформатор. Они способны работать как самостоятельно, так и в составе агрегатов, в которые входят преобразователи других типов. Из схемы включения также видно, что нагрузки к нему подключается через фазные вторичные обмотки ПсТ.
Эффект коррекции фаз
Последствия коррекции фаз могут быть представлены в виде поправок, которые вносятся в цепи после установки в них фазовращательных устройств. Для успешной работы таких трансформаторов при их проектировании должны учитываться следующие моменты:
Таким путем осуществляется коррекция фазной разницы между векторами напряжений источника и потребителя, возникающего из-за распределенных параметров линий и неравномерности нагрузки.
Особенности фазовращающих устройств
Особенностью фазосдвигающего трансформатора является возможность его использования только в промышленных целях, масштабы которых оправдывают затраты на изготовление такого агрегата. Для личных потребительских нужд (в частных хозяйствах, например) его применение неоправданно и совершенно бессмысленно.
К специфике этих устройств также относят:
Основное назначение фазоповоротного трансформатора – перераспределять нагрузку на линейные цепи, оптимизируя распределение полезной мощности в них.
Стоимость фазоповоротных трансформаторов из-за сложности их схемы довольно велика. Однако затраченные на них средства с лихвой окупаются тем выигрышем, который удается получить за счет оптимизации работы нагрузочных цепей. Особую актуальность приобретает это обстоятельство при эксплуатации линий, в которых устанавливаются достаточно мощные потребительские нагрузки.
История и перспективы
История появления трансформаторов этого класса не очень богата датами и событиями, хотя первые упоминания и достоверная информация о них появилась еще в 1969 году. В дальнейшем в конце века они были введены в эксплуатацию в ряде европейских стран (в 1996 году – во Франции и Германии, в частности). В Бельгии, Голландии и Казахстане они появились чуть позже – к 2009-му году.
В России решение об использовании фазосдвигающих трансформаторов было принято много лет назад, однако их разработка по-прежнему находится в стадии проектирования. Опыт, накопленный специалистами многих стран в части эксплуатации ФТ, свидетельствует о целесообразности их применения в мощных и разветвленных трехфазных цепях. Он однозначно подтверждает все теоретические выкладки и согласуется с ними при оценке эффективности работы электрических сетей после установки в них корректирующих устройств.
В заключение отметим, что перспективность развития систем управления фазовыми характеристиками трехфазных цепей все чаще увязывается с внедрением современной микропроцессорной техники. Для эффективного их применения помимо быстродействующих контроллеров потребуется комплект чувствительных измерительных датчиков. С их помощью можно будет организовать статистические исследования характера изменений параметров контролируемых цепей.
Фазоповоротные трансформаторы и их использование
В сетях переменного тока потоки активной мощности в линиях пропорциональны синусу угла фазового сдвига между векторами напряжений источника электрической энергии, расположенного в начале линии и приемника электрической энергии, который расположен в конце линии.
Так, если рассмотреть сеть линий, отличающихся по передаваемой мощности, то можно перераспределить потоки мощности между линиями этой сети, специально меняя величину угла фазового сдвига между векторами напряжений источника и приемника в одной или нескольких линиях рассматриваемой трехфазной сети.
Это делается для того, чтобы загрузить линии наиболее благоприятным для них образом, чего в обычных случаях зачастую не бывает. Естественное распределение потоков мощности таково, что приводит к перегрузкам маломощных линий, при этом возрастают потери электроэнергии, а пропускная способность мощных линий ограничивается. Возможны и другие вредные для электротехнической инфраструктуры последствия.
Главное же преимущество фазоповоротного трансформатора в том, что в режиме максимальной нагрузки он способен разгрузить наиболее загруженную линию, перераспределив потоки мощности оптимальным образом.
Фазоповоротный трансформатор включает в себя два отдельных трансформатора: последовательный трансформатор и параллельный трансформатор. Параллельный трансформатор имеет первичную обмотку, выполненную по схеме «треугольник», которая нужна для организации системы трехфазных напряжений со сдвигом по отношению к фазным напряжениям на 90 градусов, и вторичную обмотку, которая может быть выполнена в виде изолированных фаз с блоком отпаек с заземленным центром.
Фазы вторичной обмотки параллельного трансформатора подключаются через выход переключателя блока отпаек к первичной обмотке последовательного трансформатора, которая, как правило, выполняется по схеме «звезда» с заземленной нейтралью.
Вторичная обмотка последовательного трансформатора, в свою очередь, выполняется в виде трех изолированных фаз, включаемых каждая последовательно в рассечку соответствующего провода линии, соотносящегося по фазе так, что к вектору напряжения источника добавляется компонента, сдвинутая по фазе на 90 градусов.
Так на выходе линии получается напряжение, равное сумме векторов напряжений источника питания и дополнительного вектора квадратурной компоненты, которую вносит фазоповоротный трансформатор, то есть в результате меняется фаза.
Амплитуду и полярность вносимой квадратурной составляющей, которую создает фазоповоротный трансформатор, можно менять, для этого предусмотрена возможность регулировки блока отпаек. Так происходит изменение на необходимую величину угла фазового сдвига между векторами напряжений на входе линии и на ее выходе, связанное с режимом работы конкретной линии.
Стоимость установки фазоповоротных трансформаторов довольно велика, однако затраты окупаются благодаря оптимизации условий работы сети. Это особенно актуально для мощных линий электропередач.
В Великобритании фазоповоротные трансформаторы начали применять еще в 1969, во Франции их устанавливают начиная с 1998 года, с 2002 года началось внедрение в Голландии и Германии, в 2009 – в Бельгии и Казахстане.
В России пока нет ни одного установленного фазоповоротного трансформатора, однако проекты есть. Мировой опыт применения фазоповоротных трансформаторов в названных странах однозначно свидетельствует о повышении эффективности работы электрических сетей благодаря управлению энергопотоками с применением фазоповоротных трансформаторов для оптимального их распределения.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Где и почему мы используем трансформаторы с фазовым сдвигом?
Видео: Высоковольтные преобразователи частоты VEDADRIVE 2021, Декабрь
Основной принцип применения
Из-за преимущественно индуктивного характера энергосистемы активный поток энергии между источником и нагрузкой должен выполняться с фазовым запаздыванием между терминалами. Трансформаторы с фазовым сдвигом являются предпочтительным инструментом для достижения этой цели.
Где и почему мы используем трансформаторы с фазовым сдвигом (фото: BTW Atlanta)
Особый интерес представляют две основные конфигурации:
Ситуация. Одна практическая базовая ситуация заключается в том, что место, где требуется мощность (сторона нагрузки), подключается к стороне источника через две системы, которые необязательно должны иметь одинаковый номинальный уровень напряжения.
См. Рисунок 1 ниже.
Без какой-либо дополнительной меры токи I 1 и I 2 будут распределены пропорционально отношению импедансов систем,
и нет сомнений в том, что система 2 займет лишь небольшую часть нагрузки из-за дополнительных сопротивлений двух трансформаторов в этой ветви.
Если поток мощности в системе 2 должен быть увеличен, необходимо ввести дополнительное напряжение ΔV для компенсации увеличенного падения напряжения в системе 2.
В принципе, источник ΔV может быть установлен в каждой из двух систем. На рисунке 2 показаны диаграммы напряжений обоих вариантов. Рисунок 2a соответствует рис. 1 с PST, установленным в системе 2, с более высоким импедансом. Дополнительное напряжение уменьшает падение напряжения в системе 2 по сравнению с системой 1.
Напряжение на выходе или стороне нагрузки PST V L * приводит к напряжению на стороне входа или источника VS. По определению это называется расширенным фазовым углом. Если PST были установлены в системе 1 (рис. 2b), дополнительное напряжение увеличило бы падение напряжения до падения напряжения в системе 2.
В этом случае напряжение на стороне нагрузки V L * отстает от напряжения источника V S, и это определяется как фазовый угол замедления. Как также видно из диаграмм, расширенный фазовый угол минимизирует общий угол между стороной источника и нагрузки.
Типы трансформаторов фазового сдвига
Общие аспекты
Общий принцип получения фазового сдвига основан на соединении сегмента одной фазы с другой фазой. Для получения дополнительного напряжения на 90º ΔV использование дельта-подключенной обмотки предлагает простейшее решение.
Фейсорная диаграмма построена для условий без нагрузки, т. Е. Без учета падения напряжения в блоке. Следует также отметить, что токи в двух половинах обмотки серии не находятся в фазе.
Это отличается от обычных силовых трансформаторов и имеет последствия для внутреннего поля рассеяния.
Из фазовой диаграммы (рис. 4b) следует (V S1 = V L1 = V):
ΔV = V × 2 × sin (α / 2)
V Δ = V × cos (α / 2) × √3
и при I S = I L = I часть тока, которая передается возбуждающей обмотке, становится:
I Δ = (ΔV / V Δ ) × I × cos (α / 2) = I × (2 / √3) × sin (α / 2)
Пропускная способность может быть рассчитана из
и номинальная мощность проекта, определяющая размер PST, становится
P T = 3 × ΔV × I = P SYS × 2 × sin (α / 2)
В дополнение к переданной мощности также важен угол фазового сдвига.
Угол сдвига фаз 20 ° означает, что PST должен быть рассчитан на 34, 8% от пропускной способности, а угол 40 ° должен составлять 68, 4%. В этом отношении следует учитывать, что эффективный угол фазового сдвига под нагрузкой меньше угла фазового сдвига без нагрузки.
В оптимальном случае, когда коэффициент мощности нагрузки близок к 1, импеданс PST на 15% уменьшит угол сдвига фаз нагрузки на 8.58.
На практике можно разработать различные решения для создания PST. Основными факторами, влияющими на выбор, являются:
Кроме того, предпочтения изготовителя относительно типа трансформатора (сердечника или оболочки) или типа обмоток и других конструктивных характеристик также могут играть определенную роль.
В зависимости от рейтинга используются одно- или двухжильные конструкции. Двухъядерные конструкции могут потребовать либо однобарабанную, либо двухконтурную конструкцию.
Одноядерный дизайн
Поэтому нельзя планировать, что PST будет способствовать ограничению токов повреждения в системе.
Преимущество симметричной конструкции (рис. 5а) заключается в том, что угол фазового сдвига является единственным параметром, который влияет на поток мощности. Проекту нужны два однофазных OLTC (для низких оценок вместо него может использоваться один двухфазный OLTC) на фазу или два трехфазных OLTC.
На рисунке 5b показано несимметричное решение. Используется только половина регулирующих обмоток. Количество необходимых OLTC уменьшается, но соотношение между напряжением источника и напряжением нагрузки изменяется с углом фазового сдвига и дополнительно влияет на поток мощности.
Решение, которое часто используется для трансформаторов, соединяющих две системы, показано на рисунке 6.
Отводная обмотка регулирующего трансформатора может быть подключена к другой фазе, вызывая сдвиг напряжения между регулируемой обмоткой и другими обмотками блока.
Регулируемая обмотка обычно подключается к стороне источника, но также возможна косвенная регулировка стороны нагрузки. Переход от нормального состояния регулирующего трансформатора к фазовому сдвигу возможен в среднем положении OLTC без необходимости отключения устройства.
Другое решение симметричного PST, дельта-гексагонального фазосдвигающего трансформатора, показано на рисунке 7.
Двухъядерный дизайн
Наиболее часто используемая схема для двухжильного дизайна показана на рисунке 8 ниже. Эта конфигурация состоит из серии и основного блока. Для меньших номиналов и более низких напряжений двухжильные PST могут быть встроены в один резервуар, в то время как более высокие рейтинги и PST с более высоким напряжением требуют конструкции с двумя резервуарами.
Поскольку OLTC имеют ограниченные номинальные токи и ступенчатые напряжения на фазу, а также ограниченную коммутационную способность, они являются основными ограничивающими характеристиками для максимально возможного рейтинга PST. Возможно, потребуется использовать более одного OLTC на фазу для очень больших оценок.
До определенного рейтинга можно использовать трехполюсные OLTC. Для более высоких рейтингов необходимы три однополюсных OLTC. Уровень изоляции OLTC не зависит от напряжения в системе и может поддерживаться на низком уровне. Импеданс короткого замыкания представляет собой сумму импедансов основного и серийного трансформаторов.
Поскольку импеданс блока серии является постоянным и независимым от фазового угла, блок может быть спроектирован так, чтобы быть самозащитой, и изменение импеданса с углом сдвига фазы может быть небольшим, когда импеданс основного блока сохраняется на низком уровне.
Квадратурные бустерные трансформаторы
Квадратурные вспомогательные трансформаторы представляют собой комбинацию регулирующего силового или автоматического трансформатора с фазосдвигающим трансформатором. PST, который может быть одно- или двухжильным, поставляется с регулируемой стороны силового трансформатора (рис. 9).
Благодаря этому способу выходное напряжение можно отрегулировать в соотношении четыре квадранта (амплитуда и фаза).
Ссылка // Руководство по электроэнергетике Леонарда Л. Григсби (Покупка печатной копии от Amazon)