Предварительные теоретические проработки и экспериментальные исследования показали, что имеется принципиальная возможность для создания совмещенного электромагнитного устройства как аппарата более высокого класса. Поскольку, согласно приведенному ранее обобщению, это устройство должно по физической сущности процесса приближаться к синхронной машине и в то же время являться высоковольтным трансформатором, при компоновке основных его элементов были поставлены следующие задачи.
- Сохранить основные элементы трансформатора, как простейшего электромагнитного устройства (стержни, ярма, цилиндрические обмотки и т. п.).
- Сохранить, несмотря на дополнение в виде вращающегося ротора, высокую надежность трансформатора- преобразователя.
- Выполнить основные конструктивные требования с учетом физических процессов (исключение короткозамкнутых контуров, сохранение параметров обмотки и т. п.).
- Добиться наименьшего удорожания
трансформатора-преобразователя по сравнению с обычным трехфазным трансформатором той же мощности и напряжения.
Наиболее трудной оказалась задача сохранения высокой надежности.
Высокую надежность можно сохранить только в том случае, если осуществить последовательное соединение неподвижного магнитопровода постоянного магнитного потока с регулируемой намагничивающей силой (н. с.) и неподвижного магнитопровода переменного потока, несущего основную обмотку. Такое соединение осуществляется при помощи синхронно вращающегося ротора специальной конструкции, позволяющего многократно уменьшить величину вращающейся массы по сравнению с обычными машинами за счет пространственного перемещения небольших магнитопроводящих участков при неподвижной основной магнитопроводящей массе и обмотке возбуждения. То есть с точки зрения классификации регулируемый трансформатор-преобразователь (РТП) может занять промежуточное положение между вращающимися машинами и статическими аппаратами. Однако с учетом соотношений вращающейся и неподвижной масс РТП должен быть ближе к статическим аппаратам. Это обстоятельство и возможность осуществления бесконтактного намагничивания позволяют сохранить высокую надежность РТП.
На рис. 22 дана компоновка основных элементов РТП. К ним относятся: магнитная система переменного тока с высоковольтной и низковольтной обмотками, магнитная система постоянного тока с обмотками возбуждения и вращающийся ротор, магнитно-связывающий эти две системы.
Электромагнитная система переменного тока состоит из трех стержней 1, расположенных параллельно друг другу (в плане под углом 120 °), высоковольтных и низковольтных обмоток 2, нижнего ярма 3 и полюсных наконечников 4.
Рис. 22. Конструкция регулируемого трансформатора-преобразователя (РТП):
1 — стержни электромагнитной системы переменного тока; 2 — низковольтная и высоковольтная обмотки; 3—нижнее ярмо; 4 — полюсные наконечники; 5 — бак; 6 — крышка бака; 7 — дно бака; 8 — обмотка возбуждения; 9 — ротор; 10 — центральный стержень.
В электромагнитную систему постоянного тока входят: цилиндрический магнитопровод 5, который служит баком трансформатора-преобразователя, верхняя крышка 6, нижняя крышка 7 и центральный стержень 10, несущий обмотку возбуждения 8.
Одной из основных частей РТП является явнополюсный ротор 9. Он состоит из двух магнитопроводящих клиновидных частей, скрепленных немагнитной связкой (алюминий, нержавеющая сталь), и выполняет следующие важные функции:
магнитно замыкает неподвижную регулируемую электромагнитную систему постоянного тока с электромагнитной системой переменного тока;
служит для введения в электромагнитный контур переменного тока реактивной мощности, изменяющейся по величине и по знаку (воздействуя на основной магнитный поток трансформатора);
осуществляет идею бесконтактного намагничивания, обеспечивая многократное уменьшение вращающейся массы и повышая надежность системы возбуждения;
аккумулирует мощность, необходимую для качественного преобразования однофазного тока в трехфазный, и обратно.
Стержни РТП, нижнее ярмо и полюсные наконечники набираются из листов трансформаторной стали, остальные участки магнитной цепи выполняются из низкоуглеродистой стали.
Рассмотрим принцип действия трансформатора-преобразователя.
Если подать трехфазное напряжение на обмотки РТП, то в расточке верхнего ярма (зона трехполюсных наконечников) образуется вращающееся магнитное поле и явнополюсный ротор 9 входит в синхронизм. В дальнейшем РТП работает как обычная синхронная машина в недовозбужденном состоянии.
Магнитный поток (для момента времени, когда ротор занял положение, показанное на рис. 2 2 ) проходит через воздушный зазор между центральным стержнем и левым магнитопроводящим клином ротора; левый клин ротора; воздушный зазор между левым клином и полюсным наконечником; стержень трансформатора одной из фаз; нижнее ярмо; через два стержня других фаз; воздушный зазор между полюсными наконечниками и правым клином ротора; воздушный зазор между правым клином ротора и крышкой; крышку и стенки бака; дно бака и центральный стержень. (На рисунке путь магнитного потока показан стрелками).
Вращающийся ротор является своеобразным преобразователем магнитного потока, изменяющегося по синусоидальному закону (в наборных участках магнитопровода) в постоянный магнитный поток (участки магнитной цепи возбуждения). Совершенно очевидно, что если магнитный поток проходит через четыре воздушных зазора, то ток холостого хода РТП будет больше тока холостого хода трансформатора обычного исполнения, то есть в данном случае при отсутствии питания обмотки возбуждения РТП является потребителем дополнительной реактивной мощности.
На рис. 23, б и в дана векторная диаграмма работы регулируемого трансформатора-преобразователя на холостом ходу, отражающая изменение векторов при изменении тока возбуждения. Векторные диаграммы представлены в обычном начертании. Если же давать их в объединенном начертании, как это сделано на рис 18, то для отражения этих процессов потребуется вдвое больше рисунков. Для сравнения на рис. 23,а показана векторная диаграмма обычного трансформатора соизмеримой мощности.
Рис. 23. Векторные диаграммы работы на холостом ходу:
а) обычного трансформатора; б) РТП до компенсации (¡в = 0); в) РТП после компенсации.
Рассмотрим рис. 23,б. В невозбужденном состоянии РТП реактивная составляющая Рр тока холостого хода больше аналогичной составляющей в обычном трансформаторе на величину А 1 р, определяемую, как уже говорилось, величинами воздушных зазоров в магнитной цепи. Активная составляющая Iа тока холостого хода также больше на величину I мех, обусловленную трением в подшипниках ротора, то есть:
(38)
С увеличением тока возбуждения в обмотке возбуждения 8 (рис. 23, в) э.д.с. Е; увеличивается, а относительно вектора напряжения сети их появляется опережающая составляющая тока холостого хода Iк. При этом вектор тока холостого хода Р0, поворачиваясь в положительном направлении, совпадает с вектором напряжения сети III (соs φ0 =1).
С небольшой погрешностью можно считать, что величина скомпенсированного тока холостого хода Iок определяется теперь потерями в стали, механическими потерями в конструкции и затратами на возбуждение, то есть:
Рис. 24. Векторная диаграмма РТП при нагрузке.
При определенной мощности возбуждения (минимальную величину которой можно подсчитать довольно точно) наступает момент, когда скомпенсированный регулируемый трансформатор потребляет из сети ток (Iок), меньший по сравнению с трансформатором обычной конструкции на величину ΔIок. Эта величина в зависимости от мощности РТП может составить 30-60 % тока холостого хода обычного трансформатора.
Рассмотрим теперь векторную диаграмму при нагрузке, имея в виду полнофазный, симметричный режим работы РТП (рис. 24). Полагаем, что вторичная обмотка трансформатора отдает в низковольтную потребительскую сеть мощность:
где U2, h — вторичные напряжения и ток;
cos φ2 — коэффициент мощности нагрузки.
Уменьшение тока в первичной обмотке определяется уравнением:
(42)
Как видно из диаграммы, изменение тока возбуждения в регулируемом трансформаторе сопровождается изменением э.д.с. Ei и Е2 и соответственно некоторым изменением напряжения U2. Питание обмотки возбуждения РТП осуществляется от корректора коэффициента мощности и напряжения («ККМН»), представляющего собой датчик, выполненный на трансформаторной основе. Разработанный в настоящее время ККМН имеет в своей конструкции ряд элементов компаундирующего устройства, которое, как известно, осуществляет управление возбуждением синхронных машин.
РЕГУЛИРОВОЧНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА
Как было показано выше, регулируемый трансформатор-преобразователь (РТП) может вырабатывать или потреблять реактивную мощность в зависимости от величины тока возбуждения. Это свойство трансформатора является весьма ценным для оптимизации режимов распределительных сетей. Поскольку распределение (изменение) потоков реактивной мощности косвенно влияет и на уровни напряжения, то регулировочные возможности трансформатора-преобразователя необходимо рассмотреть с двух позиций — с позиции регулирования коэффициента мощности и с позиции регулирования напряжения.
Рассмотрим РТП как совмещенную конструкцию с позиции регулирования коэффициента мощности.
При технико-экономическом обосновании рекомендуемого способа компенсации следует руководствоваться сравнением расчетных затрат на 1 кВАр-ч, определяемых по методике ГНТК.
Удельные расчетные затраты, согласно этой методике, определяются из выражения
(43)
где Зуэ — стоимость 1 кВт · ч,
Рук —удельный расход активной мощности на компенсацию κвт/кВАр;
Кук — удельные капитальные вложения на компенсацию, руб/кВАр,
Рн=0,125 — нормативный коэффициент эффективности;
Ра — коэффициент амортизационных отчислений;
Тв — годовое число часов работы компенсирующего устройства.
Для точного определения расчетных затрат необходимо иметь значение всего, двух коэффициентов Рук и Кук.
Удельный расход активной мощности пропорционален мощности возбуждения РТП и зависит от многих факторов: от конфигурации магнитной цепи, числа и величины воздушных зазоров, магнитной индукции и т. п. Однако в предварительном приближении можно считать, что мощность возбуждения составляет 60-80% от мощности возбуждения синхронной машины (Рвсм) такой же мощности.
Величина реактивной мощности, которую можно получить от совмещенного устройства, составляет (по предварительным данным) 45—50% от номинальной мощности Р, то есть удельный расход активной мощности определяется из зависимости
(44)
Удельные капитальные вложения на компенсацию определяются как разность между стоимостью РТП (Зртп) и стоимостью регулируемого трансформатора серийного производства (Зтр) вместе с конденсаторной батареей (Зк6), отнесенная к единице реактивной мощности, то есть
(45)
Предварительное изучение технико-экономических вопросов говорит в пользу совмещенной конструкции РТП.
Рассмотрим РТП со стороны регулирования напряжения.
Поскольку потеря напряжения в электрической сети определяется из выражения (8) или из следующего соотношения, связывающего мощности с сопротивлением линии
(46)
то, изменяя величину Q, можно изменять ∆U, то есть регулировать напряжение сети. Поскольку сельские сети отличаются значительной протяженностью, то регулировочный эффект может быть большим, чем в промышленных сетях.
Рассмотрим РТП с точки зрения увеличения надежности электроснабжения.
Одной из особенностей РТП является возможность работы его в режиме однофазно-трехфазного преобразователя даже при изолированной нейтрали. Кратко это можно объяснить следующими благоприятными сочетаниями физических процессов. (Подробное описание процесса расщепления однофазного тока в трехфазный дано в последней главе настоящей работы.)
При обрыве одной из фаз РТП продолжает работать в однофазном режиме и ротор продолжает вращаться. Мощное магнитное поле ротора совпадает с полем прямого следования и наводит соответствующие э.д.с. в основных низковольтных обмотках трансформатора. Другими словами, наблюдается своеобразное совмещение (именно для этого аварийного режима) однофазного двигателя, понижающего трансформатора и трехфазного генератора. Кроме того, на сохранении полнофазного режима благоприятно сказывается асинхронная нагрузка. При определенной мощности асинхронные двигатели входят в режим вращающихся преобразователей и способствуют симметрированию токов и напряжений.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО ОБРАЗЦА РЕГУЛИРУЕМОГО ТРАНСФОРМАТОРА-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
В лаборатории электрификации Казахского научно-исследовательского института механизации и электрификации сельского хозяйства был испытан образец трансформатора-преобразорателя мощностью 30 кВт (рис. 25). Ниже приводится его техническая характеристика.
Р=30 кВт — мощность по активной стали;
U2=380 в — вторичное напряжение (схема автотрансформаторная К-1);
S = 40 см2—сечение стержней;
Д=129 мм — диаметр ротора;
W= 1 80— число витков на фазе;
d = 3 мм — диаметр провода;
W = 6000 витков — обмотка возбуждения;
d1 = 0,8 мм — диаметр провода.
В данном разделе приведены результаты экспериментального исследования трансформатора-преобразователя при работе в полнофазном режиме. Исследовались компенсирующая и регулирующая способности РТП.
Результаты эксперимента показывают, что основные качественные соотношения находятся в соответствии с предварительными теоретическими предпосылками, то есть с увеличением тока возбуждения i в коэффициент мощности cos φ растет, значения токов в фазах уменьшаются.
Таблица 1
Экспериментальные данные при работе трансформатора-преобразователя в полнофазном режиме
В режиме нагрузки напряжение на выходе устройства может меняться в пределах 2—4% Uн и зависит от суммарного сопротивления рассеяния.
Кроме того, в процессе испытаний изучались преобразовательные способности РТП с целью выявления возможности увеличения надежности. В результате оказалось, что физические основы процесса преобразования более благоприятны, чем в статических расщепителях фаз.
Последнее обстоятельство обязывает более подробно рассмотреть вопрос о принципиальной возможности электроснабжения сельских потребителей однопроводными и двухпроводными линиями с преобразованием в конце электропередачи энергии в трехфазный ток. Этому и посвящается V глава.
Рис. 25. Экспериментальный образец регулируемого трансформатора-преобразователя (РТП).
