IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012

Рост мощности электровозов и интенсивности движения на железных дорогах привели к дефициту мощности в сетях питания тяговых подстанций. При допустимых кратковременных перегрузках по току в контактной сети постоянного тока  или  напряжение падает ниже допустимого уровня 2800 В при номинальном значении 3300 В, что вызвано значительным реактансом сети электроснабжения.

Ввиду сказанного,  вопрос автоматического поддержания напряжения на требуемом уровне приобретает особое звучание. По мнению авторов, решить данную проблему позволит использование трехфазного трансформатора напряжения, конструкция которого предлагается в данной работе. На данное устройство выдан патент на полезную модель №109909.

Основной идеей при создании данного устройства стало разделение магнитного потока, протекающего в стержнях 2 трансформатора (рис. 1). Это стало возможным при расщеплении нижней части стержня на участки 5 и 6, на которые намотаны фазы вторичных обмоток 4. В связи с этим, каждая из вторичных обмоток разделяется на две секции 7 и 8. Стержни 2, как и ярма 1, собраны из листов электротехнической стали Э Ст-4. Главной особенностью такого расщепления стержней является то, что поперечное сечение участка 5 больше поперечного сечения участка 6, однако число витков 7, намотанных на участок 5, меньше числа витков 8, намотанных на  участок 6 стержня.

Заявленное устройство рассчитывалось в пакете программ ELCUT 5.8.

Таким образом, рассмотрим работу трехфазного трансформатора  и прокомментируем это графиками физических величин, а именно напряжений.

1.  Работа устройства при номинальном режиме.

При запитывании фаз первичных  обмоток 1 напряжением номинального значения, по обмоткам протекает электрический ток, который создает переменный трехфазный магнитный поток. Магнитный поток, проходящий по стержням, разделяется ввиду их расщепления. В обеих секциях фаз вторичных обмоток наводятся электродвижущие силы, не равные по значению, вследствие неравенства поперечных сечений и числа витков секций. Напряжения секций обмоток складываются, формируя напряжение вторичной обмотки.

На рис. 2 представлена расчетная схема трехфазного  трансформатора с указанием номинальных значений напряжений.

На рис. 3 приведена картина магнитного поля в магнитопроводе трехфазного трансформатора.

На рис. 4 приведен график зависимости напряжения на первичной обмотке  трехфазного трансформатора  от времени.

На рис.5 показана зависимость напряжения на вторичной обмотке трехфазного трансформатора от времени.

Действующее значение номинального напряжения на первичной обмотке составляет U=1270 В, действующее значение номинального напряжения на вторичной обмотке U=200 В из напряжения U=120 В на первой секции и U=80 В второй секции. Из рис. 5 видно, что происходит искажение формы напряжения вторичной обмотки, появляются высшие гармоники, такое наибольшее влияние оказывает третья гармоническая составляющая. Согласно расчетной схеме и графической зависимости, вывод о наличии третьей гармоники является правомерным.

Со стороны обмотки, соединенной в «звезду», гармоники, кратные трем, в фазных токах существовать не могут. Из-за намагничивания стержней магнитопровода  кривая переменного трехфазного магнитного потока будет иметь уплощенную сверху форму. Такая кривая потока наряду с основной гармоникой  будет содержать также относительно сильную третью гармонику . Третьи гармоники потока  всех трех фаз совпадают по фазе и будут индуктировать во вторичной обмотке, соединенной треугольником, три равные по величине и совпадающие по фазе электродвижущие силы . Складываясь в контуре треугольника, эти электродвижущие силы создают в этом контуре  ток   , который вследствие преобладания индуктивного сопротивления будет почти чисто индуктивным. Создаваемые этим током потоки    будут почти полностью компенсировать потоки . Результирующие потоки фаз будут практически синусоидальными, а значит, намагничивающий  ток,  протекающий в контуре треугольника, будет содержать гармоники, кратные трем. Так как рассматривался общий случай, следовательно, напряжения фаз вторичных обмоток будут иметь в своем составе гармоники, кратные трем.

2.  Работа устройства при повышенном напряжении

При повышении напряжения на первичных обмотках, токи, протекающие в фазах первичной обмотки,  будут превышать номинальные значения, и, следовательно, магнитные потоки, созданные этими токами, будут больше номинальных. Сказанное приведет к увеличению ЭДС и токов во вторичных обмотках. Участки расщепленных стержней с большим числом витков перейдут в состояние насыщения и их магнитное сопротивление резко увеличится. В результате, большая часть магнитного потока будет проходить по участкам стержней с большими поперечными сечениями, а  величина магнитного потока, проходящего по участкам с меньшими поперечными сечениями,  окажется ничтожно малой и ей  можно пренебречь.

Это означает следующее, фазные напряжения будут формироваться только за счет секций с большими поперечными сечениями и малыми числами витков вторичных обмоток, поэтому действующее значение напряжения этих обмоток будет практически равно номинальному, то есть трансформатор будет выполнять свою стабилизирующую функцию.

На рис. 6 показана расчетная схема для режима с повышенным напряжением на первичных обмотках.

На рис. 7 показана картина переменного трехфазного магнитного поля для данного случая.

На рис. 8 показана зависимость напряжения на первичной обмотке от времени.

На рис. 9 показана зависимость напряжения на вторичной обмотке от времени.

Если действующее значение напряжения на первичной обмотке увеличится до U=1400 В, то напряжение на вторичной обмотке станет равным U=190 В.

3.   Работа устройства при пониженном напряжении.

При понижении уровня напряжения на первичных обмотках токи, создающие магнитный поток, также уменьшатся. Магнитный поток, проходящий по расщепленным участкам стержней трансформатора, перераспределится между ними, и наведет в секциях вторичных обмоток  электродвижущие силы, которые будут формировать напряжения на вторичных обмотках, причем величина электродвижущих сил, индуктируемых в секциях  вторичных обмоток, расположенных на расщепленных участках стержней с малым сечением увеличится (насыщение этих участков меньше по сравнению со случаем повышенного напряжения первичной обмотки), что скомпенсирует влияние уменьшения напряжения на первичных обмотках и напряжения этих обмоток  останутся на заданном уровне.

На рис. 10 приведена картина замыкания трехфазного переменного магнитного потока по магнитопроводу.

На рис. 11 приведена зависимость напряжения на первичной обмотке трансформатора от времени.

На рис. 12 приведена зависимость напряжения на вторичной обмотке трансформатора от времени.

Действительно, при понижении напряжения на первичной обмотке до уровня U=1143 В, напряжение на вторичной обмотке U=190 В будет складываться из напряжения на первой секции вторичной обмотки    U=113 В и напряжения на второй секции вторичной обмотки U=87 В.

Выводы:

• Расчеты, проведенные в данной работе, показали, что данный трехфазный трансформатор выполняет свою функцию автоматического поддержания значения напряжения вторичной обмотки на заданном уровне при колебаниях напряжения на первичной обмотке.
• Одним из направлений в усовершенствовании трехфазного трансформатора является подавление высших гармоник, циркулирующих в контуре треугольника вторичной обмотки.

Код для цитирования: Скопировать