ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (РАСЩЕПИТЕЛЬ) ОДНОФАЗНОГО ТОКА В ТРЕХФАЗНЫЙ - ОСНОВНОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ СРЕДСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ УПРОЩЕННЫХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ
Хотя проблеме расщепления однофазного тока в трехфазный уделяется определенное внимание, однако удачного решения еще не найдено. Это объясняется сложностью поставленной задачи: расщепитель фаз должен быть конструктивно прост, иметь высокий к.п.д. при стандартной форме кривой выходного напряжения, обладать внутренней устойчивостью и т. п.
Необходимо отметить, что при разработке расщепителей предпочтение отдается статическим вариантам. Вполне возможно, что этот выбор обусловлен несовершенством конструкции предложенного в свое время вращающегося расщепителя. Однако, вне всякого сомнения, можно сделать вывод о том, что на уровне современных представлений определение «статический» и «вращающийся» требуют конкретизации и уточнения.
Действительно, определение вращающийся, как правило, ассоциируется с надежностью и громоздкостью, а статический — с надежностью и компактностью. Это, конечно, упрощенное и не совсем верное представление.
В классическом смысле преобразователь следует называть вращающимся только в том случае, если вращаются соизмеримые по мощности обмотки и магнитные массы. Например, если расщепитель выполнен в виде обычной синхронной машины, его следует отнести к типу вращающихся преобразователей, так как вращается массивный ротор, на котором размещена мощная обмотка, имеются контактные кольца и т. п. Если же расщепитель не имеет вращающихся обмоток и у него отсутствуют контактные кольца, то его следует отнести к статическому типу.
Чтобы отдать предпочтение тому или иному типу преобразователя, необходимо проанализировать его работу с учетом физики процесса преобразования. Этот анализ должен сводиться к одному выводу: предпочтительнее расщепитель, который дешевле, имеет лучшие характеристики и более надежен, независимо от того вращается в нем что-либо или не вращается.
Более того, иногда вращающаяся часть является универсальным элементом, который упрощает конструкцию и улучшает ее характеристики. Например, в рассматриваемом процессе расщепления однофазная мощность, величина которой колеблется по синусоидальному закону с двойной частотой, преобразуется в трехфазную, постоянную по величине. Это обстоятельство усложняет процесс, так как преобразователь должен содержать аккумулирующий элемент, который в течение 0,01 сек. накапливает энергию, а в последующие 0,01 сек. отдает ее во вторичную сеть.
Статические расщепители в классическом смысле имеют аккумулирующие элементы в виде емкости и индуктивности. Как с энергетической точки зрения (энергосодержание на единицу объема), так и с точки зрения регулируемости величины аккумулируемой мощности элементы L и С далеко не идеальны. Поэтому наличие вращающегося ротора с определенной регулируемой магнитной массой делает конструкцию наиболее качественной и содержательной. То есть, делая вывод, мы должны сказать, что конструктивное решение расщепителя следует искать по аналогии с описанными совмещенными электромеханическими устройствами типа регулируемого трансформатора-преобразователя.
Вообще говоря, подход к изучению проблемы преобразователя однофазного тока в трехфазный методически не совсем правильный. Все преобразователи, как правило, изучались изолированно от своего основного потребителя — асинхронной машины, то есть исследователи стремились получить полноценное трехфазное напряжение на холостом ходу. Если же изучать любой тип преобразователя с нагрузкой, то можно было бы отметить ряд явлений, положительно сказывающихся на процессе преобразования. Например, установлено, что работающая асинхронная машина является стабилизатором как с точки зрения выравнивания асимметрии напряжения по величине и по фазе, так и с точки зрения сглаживания высших гармонических составляющих в кривых напряжения.
Для того, чтобы иметь представление о технических решениях проблемы преобразования однофазного тока в трехфазный, кратко познакомимся со средствами, применяемыми для этой цели.
ПРИМЕНЯЕМЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ДЛЯ РАСЩЕПЛЕНИЯ ФАЗ
Преобразователи однофазного тока в трехфазный (расщепители фаз) — это своеобразные установки, которые могут быть выполнены как статическими, так и вращающимися. Расщепитель фаз должен быть конструктивно прост, иметь высокий к.п.д. при стандартной кривой выходного напряжения, обладать внутренней устойчивостью и т. д.
Некоторые исследователи в связи с этими требованиями находят целесообразным предусматривать процесс расщепления непосредственно у двигателя. Так,
Рис. 27. Принципиальная схема соединения обмоток статора расщепителя НБ-453.
А. И. Адаменко были предложены к асинхронным двигателям приставки, содержащие емкости и индуктивности.
В настоящее время вращающиеся (электромагнитные) расщепители фаз применяют для питания трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, приводящих вспомогательные механизмы на электровозах переменного тока.
Рассмотрим для примера расщепитель фаз типа НБ-453 мощностью 115 кВА. Это агрегат, состоящий из расщепителя фаз и генератора управления ДН-405. Расщепитель фаз представляет собой асинхронную машину, выполняющую одновременно функции однофазного двигателя и трехфазного генератора. Обмотка статора расщепителя выполнена в виде трехфазной несимметричной звезды (рис. 27). Фазы С1—М—С2 составляют двигательную обмотку, а третья фаза С3—С4 — генераторную.
Двигательная обмотка включается в однофазную сеть и служит для приведения во вращение машины. Генераторная обмотка создает третью фазу. Для симметрирования трехфазного напряжения, улучшения пусковых свойств приводных двигателей и улучшения коэффициента мощности системы между генераторной фазой и одним из зажимов сети включается емкость.
Наиболее простой и дешевой схемой преобразователя числа фаз с пассивными элементами является схема В. А. Терехина (рис. 28). Она приемлема в случаях, когда применяются специальные меры. Например, возможен асинхронный пуск при помощи пускового сопротивления или пуск при помощи разгонного двигателя.
На электровозах, выпускаемых многими зарубежными фирмами, также устанавливаются расщепители фаз. Так, французская фирма «Альстом» выпускает расщепитель фаз типа Арно, представляющий собой трехмашинный агрегат, который состоит из расщепителя фаз, пускового двигателя переменного тока и генератора постоянного тока. Мощность трехфазной нагрузки расщепителя 220 кВА.
Все приведенные примеры говорят о том, что расщепители фаз довольно сложны и громоздки, и кроме того, они расщепляют однофазный ток низкого напряжения.
Остановимся на отдельных схемах статических расщепителей фаз.
Статические преобразователи числа фаз можно разделить на две группы: первая — преобразователи только с пассивными элементами (емкостные и индуктивные звенья) и вторая — преобразователи с двойным преобразованием числа фаз.
Преобразователи первой группы бывают с двумя пассивными элементами и многоэлементными. Первые имеют высокий к.п.д., причем коэффициент мощности их на однофазной стороне выше, чем на трехфазной; у вторых к.п.д. весьма низок и применение их ограничивается самыми малыми мощностями.
Рис. 28. Схема преобразования однофазного тока в трехфазный Терехина В. Л.
Рис. 29. Схема преобразования числа фаз с трансформатором системы Кюблера
На рис. 28 приведена схема преобразования с пассивными элементами. К двум зажимам первичной обмотки трансформатора подводится однофазное напряжение, а третий зажим получает питание через конденсатор. На зажимах вторичной обмотки создается несимметричная трехфазная система э.д.с. Симметричная же трехфазная система может образоваться только при cos φ нагрузки, равном 0,5.
Схема Терехина имеет сравнительно высокий к.п.д., однако коэффициент асимметрии у нее выше 20% и сильно зависит от параметров цепи нагрузки.
Преобразователи числа фаз второй группы с двойным преобразованием числа фаз сначала преобразуют однофазную электрическую систему в двухфазную, а затем в трехфазную. В таких преобразователях для получения симметричной трехфазной системы напряжений требуется дополнительный активный элемент, в качестве которого может быть применен трансформатор или автотрансформатор.
В частности, для этого можно использовать трансформатор системы Кюблера, имеющий один трехфазный магнитопровод, несимметричную по числу витков первичную обмотку и конденсаторную батарею (рис. 29). При определенных параметрах нагрузки в первичных обмотках трансформатора создается симметричная двухфазная система токов, которая затем трансформируется в симметричную трехфазную систему выходных токов. Однако параметры нагрузки не остаются постоянными в течение длительного промежутка времени, и следовательно, для поддержания симметрии трехфазной системы нужно изменять величину емкости и число витков регулируемой фазы трансформатора.
Рассмотренные преобразователи фаз относятся к многочисленной группе статических электромагнитных нерегулируемых плавно преобразователей. Всем им свойственен один недостаток: получение симметричной трехфазной системы напряжений возможно лишь при одном определенном сочетании параметров нагрузки и преобразующих элементов. Применять такие преобразователи можно лишь при неизменной нагрузке и питании от мощной сети с практически постоянным по величине напряжением.
В большинстве случаев преобразователи должны работать при изменяющемся напряжении сети и параметрах нагрузки, поэтому в них для стабилизации симметрии выходных напряжений необходимо регулирование. С этой целью применяют дроссели с насыщенным сердечником, выполняют расщепители фаз в виде феррорезонансных контуров, а также применяют автоматическое ступенчатое или плавное изменение параметров элементов расщепителей фаз в зависимости от изменения нагрузки.
При помощи дросселей насыщения не удается получить стабилизацию выходных напряжений при изменении нагрузки или напряжения источника в широких пределах; кроме того, сильно искажается форма кривых напряжений искусственных фаз и возникает сильная зависимость работы преобразователя фаз от частоты.
Преобразователи фаз с феррорезонансной стабилизацией не имеют специальных устройств для автоматического управления, но способны стабилизировать по величине выходное напряжение при его колебаниях в сети. Главный недостаток этих преобразователей — практически неустранимая частотозависимость, большая расчетная мощность элементов и искажение формы кривой напряжений искусственных фаз. Для примера рассмотрим схему феррорезонансного преобразователя однофазного напряжения в трехфазное (В. Ю. Гессен, В. В. Губанов).
Рис. 30. Схема преобразователя числа фаз с феррорезонансными стабилизаторами.
Преобразователь (рис. 30) состоит из трех феррорезонансных стабилизаторов. Номинальная мощность его 30 кВА, номинальное значение однофазного напряжения входа 10 кВ, действующее значение напряжения трехфазной системы на выходе преобразователя 220/400 в, частота переменного тока 50 гц. Экспериментальные исследования опытной установки показали:
- Коэффициент полезного действия установки η= 93%, коэффициент мощности cos φ = 0,97, коэффициент асимметрии напряжений Кас=2,5% и не зависит от режима нагрузки; коэффициент искажения формы кривой токов и напряжений на выходе преобразователя Киск=10%.
- Пусковые и рабочие показатели асинхронных двигателей при питании от преобразователя мало отличаются от паспортных значений.
В результате испытаний выявились и некоторые недостатки стабилизаторов и преобразователя. Напряжение на конденсаторах первичной емкости С п при холостом ходе в 1,5—1,7 раза больше, чем при номинальной нагрузке. Это приводит к повышению реактивной мощности конденсаторов при возможном длительном режиме холостого хода преобразователя.
Другим существенным недостатком является наличие больших потоков рассеяния, приводящее к тому, что при применении баков из магнитных материалов снижается к.п.д. преобразователя и нарушаются условия преобразования числа фаз.
В Горьковском политехническом институте были выполнены опытные образцы расщепителей с автоматическим плавным регулированием параметров их элементов. Одни из них рассчитаны на работу при переменной комплексной нагрузке с колеблющимся напряжением и частотой. Технические данные преобразователя таковы: вторичная мощность 1,6 кВА; напряжение на первичной стороне 220 в; линейное напряжение на вторичной стороне 220 в; к.п.д. при номинальной нагрузке 0,87; cos φ нагрузки 0,8.
Исполнительными элементами преобразователя являются дроссели насыщения. Измерительными элементами служат трансформатор тока, включенный в однофазную линию, и измерительные обмотки на исполнительных дросселях. Система автоматического управления обеспечивает стабилизацию симметрии трехфазной системы напряжений при переменной комплексной нагрузке. Система питается через стабилизатор напряжения.
Исследования показали, что преобразователь обеспечивает стабилизацию симметрии при изменении параметра нагрузки в пределах 1:4 напряжения и частоты источника питания в широких пределах. Недостатком преобразователя являются малая мощность и низкое напряжение.
РТП КАК ОДНОФАЗНО-ТРЕХФАЗНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ФАЗ (ОТП)
Поскольку РТП в неполнофазном режиме выполнял роль преобразователя двухфазного тока в трехфазный, конструкция РТП и конструкция ОТП должны быть идентичными. Разница заключается в том, что обмотка средней фазы, то есть фазы, в которой индуктируется э.д.с. магнитным потоком ротора, выполнена с большим числом витков. На двух стержнях размещаются высоковольтные однофазные обмотки и две низковольтные трехфазные обмотки, на третьем — одна низковольтная обмотка третьей фазы.
Две обмотки (высоковольтная и низковольтная), расположенные вместе на стержнях, названы продольными XV а, низковольтная обмотка, которая расположена отдельно, названа поперечной W. Число витков, через которые необходимо сделать отпайку, если отсчет вести от точки соединения обмоток Wd и Wq, определяется по зависимости:
(54)
В остальном конструкция ОТП аналогична ранее описанному трансформатору.
Запуск ротора ОТГ1 предусматривается путем временного включения низковольтной обмотки на пусковую нагрузку, состоящую из трех видов сопротивлений — R, L и С.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
В лаборатории электрификации КазНИИМЭСХ был исследован экспериментальный образец преобразователя мощностью 10 кВА. Данные его таковы:
Р= 10 кВА — мощность преобразователя;
Результаты эксперимента приведены в таблице 2, а, форма кривых трехфазного напряжения показана на осциллограммах (рис. 31).
Рис. 31. Осциллограммы кривых трехфазного напряжения преобразователя (ОТП):
вверху — при работе на холостом ходу; внизу — при нагрузке.
Экспериментальная проверка опытного образца показала, что процесс преобразования однофазного тока в трехфазный происходит при самом благоприятном сочетании физических процессов с точки зрения качества преобразования, коэффициента полезного действия и внутренней устойчивости.
Таблица 2
Преобразование однофазного тока в трехфазный в различных режимах
Анализируя экспериментальные данные, можно заметить, что предлагаемый преобразователь расщепляет однофазный ток и позволяет регулировать величину и знак реактивной мощности с хорошими к.п.д. и формой кривой выходного напряжения при сохранении устойчивости процесса расщепления. Некоторая асимметрия по величине и фазе является не органическим недостатком, а объясняется неточностью расчета и выполнения опытного образца.
Некоторые количественные соотношения процесса преобразования однофазного тока в трехфазный приведены в таблице.
* * *
В настоящей работе далеко не полно обоснована возможность комплексного решения проблемы сельского электроснабжения. Это объясняется тем, что многие вопросы остаются пока дискуссионными, теоретически и экспериментально недоработанными и не совсем ясными. Наиболее обоснованной в техническом отношении является только сама постановка вопроса о необходимости применения совмещенных устройств в народном хозяйстве, в частности в сельском электроснабжении.
Объективная оценка выдвинутых положений поможет определить целесообразность применения предлагаемой конструкции и сконцентрирует усилия исследователей в определенном направлении, поскольку предстоит очень большая и серьезная работа по изучению многих прикладных вопросов и процессов. При успешном решении всех этих задач можно будет предположить, что при определенных схемных построениях и выполнении необходимых эксплуатационных режимов удастся полностью отказаться от трехфазного тока для передачи и распределения электрической энергии.
