источник трехфазного напряжения с регулируемой несимметрией

Формула изобретения

ИСТОЧНИК ТРЕХФАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ С РЕГУЛИРУЕМОЙ НЕСИММЕТРИЕЙ, содержащий блок регулировки несимметрии с выходными клеммами и источником напряжения, к выходу которого параллельно подключены три линейных делителя напряжения, снабженных приборами контроля и фазовращателем на их выходах, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и технологичности задания несимметрии, он выполнен в виде генератора однофазного синусоидального напряжения, и блок регулировки несимметрии дополнен четырьмя трансформаторами напряжений, причем первые выводы первичных обмоток первого, второго и третьего трансформаторов напряжения соединены с выходами соответственно первого, второго и третьего делителей напряжения, вторые выводы первичных обмоток и общие зажимы делителей напряжения объединены с корпусом блока регулировки несимметрии, первая цепочка последовательно и согласно соединенных первых вторичных обмоток первых трех трансформаторов напряжения одним концевым выводом соединена с первой выходной клеммой блока регулировки несимметрии, а другим концевым выводом - с четвертой выходной клеммой, вторая цепочка последовательно соединенных вторых вторичных обмоток первых трех трансформаторов напряжения одним концевым выводом присоединена к четвертой выходной клемме, при этом вторые вторичные обмотки второго и третьего трансформатора напряжения соединены согласно между собой и встречно второй вторичной обмотке первого трансформатора напряжения, вторичная обмотка четвертого трансформатора выполнена с выводом средней точки, соединенным с другим концевым выводом упомянутой второй цепочки, вторая и третья выходные клеммы блока регулировки несимметрии соединены с первым и вторым концевыми выводами вторичной обмотки четвертого трансформатора, первичная обмотка которого подключена к выходу фазовращателя, последний входом подключен между выходами второго и третьего делителей напряжения и выполнен с углом 90 эл.град. сдвига напряжения на выходе фазовращателя относительно напряжения на его входе, причем коэффициенты трансформации по первым вторичным обмоткам К₁₁, К₂₁, К₃₁ и по вторым вторичным обмоткам К₁₂, К₂₂, К₃₂соответственно первого, второго и третьего трансформаторов напряжений, К₄ - четвертого трансформатора и коэффициент К₅ передачи фазовращателя, определяемый как отношение амплитуды выходного напряжения фазовращателя к амплитуде его входного напряжения, соответствует соотношению

K₁₁:K₂₁:K₃₁:K₁₂:K₂₂:K₃₂:K₄= 2:2:2:2:1:1:

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для получения образцовых источников трехфазных напряжений, поверки и градуировки измерителей несимметрии.

Известно устройство, реализующее метод построения измерительного генератора для трехфазных цепей, основанный на изменении и измерении трех линейных напряжений трехфазной системы и последующего расчета несимметрии [1] .

Устройство имеет ряд недостатков, к ним относятся низкая точность задания нормируемых значений несимметрии, обусловленная, во-первых, влиянием высших гармонических составляющих, поскольку несимметрия задается по действующему или среднему значениям напряжений трехфазной сети, которая практически всегда содержит высшие гармоники, во-вторых, разновременностью измерения трех напряжений. Кроме того, неоднозначность зависимости несимметрии от изменения напряжений, а также зависимость одного напряжения от изменений другого обуславливают дополнительную погрешность задания несимметрии, приводят к увеличению времени регулирования и практически не позволяют автоматизировать процесс задания несимметрии.

Известно устройство, содержащее источник трехфазного напряжения и подключенный к нему блок регулировки несимметрии. Последний состоит из потенциометров, соединенных в звезду и подключенных к источнику, и четвертого дополнительного потенциометра, подключенного параллельно одному из основных потенциометров. Контроль выставляемой несимметрии осуществляется по вольтметрам переменного тока [2]. Точность устройства определяется в основном точностью источника трехфазного напряжения. Городская трехфазная сеть для этой цели неприменима ввиду наличия в ней высших гармоник, а также из-за того, что режим напряжения в ней практически всегда несимметричен, причем уровень несимметрии изменяется непрерывно и случайно. Параметры несимметрии, например напряжение U₁прямой последовательности, определяется косвенно путем математической обработки показаний вольтметров переменного тока, что увеличивает время и технологичность процесса поверки.

Наиболее близким к предложенному устройству по технической сущности является источник трехфазного напряжения с регулируемой несимметрией, содержащий последовательно соединенные источник трехфазного напряжения и блок регулировки несимметрии. Последний состоит из источника напряжения постоянного тока, нагруженного на три потенциометра с приборами контроля, трех сумматоров, входы которых связаны с выходами блоков прямой, обратной и нулевой последовательностей, каждый из которых содержит множительные устройства. Два последних блока, кроме того, содержат трехфазный и однофазный фазовращатели соответственно. Выставленные на потенциометрах напряжения подаются на первые входы соответствующих множительных устройств, а на их вторые входы - трехфазные напряжения от источника трехфазного напряжения. Данные напряжения во множительных устройствах пофазно перемножаются. Выходные напряжения блоков прямой, обратной и нулевой последовательностей используются в качестве эталонных симметричных составляющих, которые после соответствующего суммирования в сумматорах образуют на нагрузке трехфазное напряжение с заданной несимметрией. Отсутствие косвенных расчетов при определении выставленных параметров несимметрии сокращает время задания [2].

Однако, в прототипе в качестве основного элемента сохранен источник трехфазного напряжения, который должен быть симметричен. Следовательно, весь ряд недостатков приведенных аналогов, связанных с использованием источника трехфазного напряжения, остается и в прототипе. Кроме того, блоки прототипа содержат семь множительных устройств, осуществляющих нелинейные преобразования, одно- и трехфазный фазовращатели, что в значительной степени ограничивает достижимую точность задания несимметрии. Длительные операции поверки или градуировки измерителей несимметрии, моделирования несимметричных режимов в нагрузке предъявляют жесткие требования к временной стабильности работы источника трехфазного напряжения, что приводит к его усложнению за счет ввода контуров регулирования и настройки, снижает технологичность работ, связанных с применением данного источника.

Повышенная точность и технологичность задания несимметрии достигается за счет того, что в известном устройстве, содержащем блок регулировки несимметрии с источником напряжения, к выходу которого подключены параллельно три линейных делителя напряжения, снабженных приборами контроля и фазовращателем на их выходах, упомянутый источник напряжения выполнен в виде генератора однофазного синусоидального напряжения, и блок регулировки несимметрии дополнен четырьмя трансформаторами напряжения, причем первые выводы первичных обмоток первого, второго и третьего трансформаторов напряжения соединены с выходами соответственно первого, второго и третьего делителей напряжения, вторые выводы первичных обмоток и общие зажимы делителей напряжения объединены с корпусом блока регулировки несимметрии, первая цепочка последовательно и согласно соединенных первых вторичных обмоток первых трех трансформаторов напряжения одним концевым выводом соединена с первой выходной клеммой блока регулировки несимметрии, а другим концевым выводом - с четвертой выходной клеммой, вторая цепочка последовательно соединенных вторых вторичных обмоток первых трех трансформаторов напряжения одним концевым выводом присоединена к четвертой выходной клемме, при этом вторые вторичные обмотки второго и третьего трансформатора напряжения соединены согласно между собой и встречно второй вторичной обмотке первого трансформатора напряжения, вторичная обмотка четвертого трансформатора выполнена с выводом средней точки, соединенным с другим концевым выводом упомянутой второй цепочки, вторая и третья выходные клеммы блока регулировки несимметрии соединены с первым и вторым концевыми выводами вторичной обмотки четвертого трансформатора, первичная обмотка которого подключена к выходу фазовращателя, последний входом подключен между выходами второго и третьего делителей напряжения и выполнен с углом 90 эл.град. сдвига напряжения на выходе фазовращателя относительно напряжения на его входе, причем коэффициенты трансформации по первым вторым обмоткам К₁₁,К₂₁,К₃₁и по вторым вторичным обмоткам К₁₂, К₂₂,К₃₂ соответственно первого, второго и третьего трансформатора напряжений, К₄ - четвертого трансформатора и коэффициент К₅ передачи фазовращателя, определяемый как отношение амплитуды выходного напряжения фазовращателя к амплитуде его входного напряжения, соответствуют соотношению

K₁₁:K₂₁:K₃₁:K₁₂:K₂₂:K₃₂:K₄= 2:2:2:2:1:1: .

На чертеже представлена схема источника трехфазного напряжения с регулируемой несимметрией.

Он содержит блок 1 регулировки несимметрии (БРН) и нагрузку 2. К выходным зажимам А,В,С,О БРН 1 подключается нагрузка 2, представляющая собой объект поверки градуировки, моделирования и т.п. БРН 1 состоит из генератора 3 однофазного синусоидального напряжения (ГОСН), трех линейных делителей 4-6 напряжения с приборами 7 контроля, первого 8, второго 9, третьего 10, четвертого 11 трансформаторов напряжения и фазовращателя 12. Делители 4-6 напряжения могут быть выполнены, например, в виде потенциометров или автотрансформаторов, приборы 7 контроля - в виде вольтметров переменного напряжения, действующего, среднего или амплитудного значений. Каждый из трансформаторов 8-10 снабжен одной первичной обмоткой и двумя вторичными, четвертый трансформатор 11 - по одной первичной и вторичной, причем последняя имеет вывод средней точки. Выход ГОСН 3 присоединен к крайним зажимам всех трех делителей 4-6 напряжений, к выходам которых подключены приборы 7 контроля, а также первые выводы первичных обмоток соответственно первого 8, второго 9 и третьего 10 трансформаторов напряжения. Вторые выводы первичных обмоток и общие зажимы делителей 4-6 объединены с корпусом БРН 1.

Первые вторичные обмотки первого 8, второго 9 и третьего 10 трансформаторов соединены согласно в первую последовательную цепочку, один концевой вывод которой присоединен к зажиму А, другой - к зажиму О БРН 1. Вторые вторичные обмотки трансформаторов 8-10 соединены последовательно, образуя вторую цепочку, один концевой вывод которой присоединен к зажиму О БРН 1, другой концевой вывод - к выводу средней точки вторичной обмотки четвертого трансформатора 11. Причем вторые вторичные обмотки второго 9 и третьего 10 трансформаторов, соединенные между собой согласно, включены встречно второй вторичной обмотке первого трансформатора 8 и той половине вторичной обмотки четвертого трансформатора 11, которая подключена крайним выводом к выходному зажиму С, и согласно другой половине вторичной обмотки трансформатора 11, которая подключена крайним выводом к выходному зажиму В. Первичная обмотка трансформатора 11 присоединена к выходу фазовращателя 12, вход которого подключен между выходами второго 5 и третьего 6 делителей напряжений. Фазовращатель 12 выполнен однофазным с углом 90 эл. град. сдвига напряжения на его выходе относительно входного напряжения. Трансформаторы 8-11 и фазовращатель 12 выполнены так, что коэффициенты трансформации по напряжению К₁₁, К₂₁, К₃₁ соответственно первого 8, второго 9, третьего 10 трансформаторов по первым вторичным обмоткам, К₁₂,К₂₂,К₃₂ - соответственно по вторым вторичным обмоткам, коэффициент трансформации К₄ по напряжению четвертого трансформатора 11 и коэффициент К₅ передачи фазовращателя 12, определяемый как отношение амплитуды выходного напряжения фазовращателя 12 к амплитуде его выходного напряжения, соответствуют соотношению

K₁₁:K₂₁:K₃₁:K₁₂:K₂₂:K₃₂:K₄= 2:2:2:2:1:1: . (1)

Частота выходного напряжения ГОСН 3 может быть любой, но она должна соответствовать частоте, на которой производится задание несимметрии трехфазной системы напряжений, т.е. рабочей частоте, например, проверяемого или градуируемого измерителя несимметрии.

Работа источника трехфазного напряжения с регулируемой несимметрией происходит следующим образом.

ГОСН 3 формирует синусоидальное однофазное напряжение заданной частоты, которое поступает на зажимы линейных делителей 4-6 напряжения. На выходах последних выставляют соответственно значения напряжений U_о,U₁,U₂, которые можно представить в комплексной форме

U₀= ; U₁= ; U₂= . (2) При этом контроль значений выставляемых напряжений осуществляют непосредственно по приборам 7 контроля на выходе каждого делителя. Напряжения , , далее поступают в первичные обмотки соответственно первого 8, второго 9 и третьего 10 трансформаторов напряжения.

На выходах первых вторичных обмоток трансформаторов 8-10 формируются напряжения K, K, K. Последние суммируются в первой последовательной цепочке, поэтому подведенное к выходному зажиму А напряжение относительно выходного зажима О составляет

= K+K+K. (3)

На выводах вторых вторичных обмоток трансформаторов 8-10 формируются напряжения K, K, K. На вход фазовращателя 12 поступает разность напряжений -. Учитывая, что фазовращатель 12 выполнен с углом сдвига 90 эл. град., на его выходе формируется напряжение

jK₅(-), где j - мнимая единица как оператор поворота на 90^о.

Это напряжение поступает на первичную обмотку четвертого трансформатора 11 с коэффициентом трансформации К₄, в результате чего на каждом концевом выводе вторичной обмотки трансформатора 11 относительно среднего вывода формируется напряжение

jK₅K₄/2(-).

Тогда напряжения и , подведенные к выходным зажимам В и С относительно зажима О, формируются путем сложения напряжения, образованного во второй последовательной цепочке, и напряжений половин вторичной обмотки четвертого трансформатора 12, взятых с соответствующим знаком

= K- K- K-jK (-) (4)

= K- K- K+jK (-) (5) Если выполнить трансформаторы 9-11 так, чтобы

К₁₁= К₂₁= К₃₁= К₁₂=1, (6) то необходимо обеспечить с учетом соотношения (1)

K₂₂= K₃₂= 0,5 и K₄= (7)

Подставляют принятые в (6) и (7) значения в соотношения (3), (4), (5).

(8)

Переписываем в следующем виде

(9)

Видно, что соотношения (9) идентичны известным соотношениям (4) связи между фазными напряжениями , , несимметричной трехфазной системы с составляющими напряжений прямой , обратной и нулевой последовательностей. Следовательно, выставленные значения U₀,U₁,U₂напряжений на выходах делителей напряжения 4-6 - это значение симметричных составляющих напряжений нулевой , прямой и обратной последовательностей

= ; = ; = . Таким образом, на нагрузку 2 подается трехфазное напряжение , , с заданной несимметрией, характеризуемой , , . Изменяя значения напряжений , с помощью делителей 4-6 напряжения, можно формировать любую определенную тройку векторов напряжений , , . Однозначность этой связи приводит к тому, что точность предложенного устройства практически обуславливается классом элементов, задающих изменения напряжений делителями 4-6 напряжения и фазовращателем 12. Делители могут быть выполнены прецизионными, это доступные элементы и выпускаются серийно. Фазовращатель на фиксированный и "удобный" угол 90^оможет быть выполнен в виде фазосдвигающей цепи на RС-элементах повышенной точности. Все трансформаторы напряжения также являются линейными элементами и современный уровень технологии позволяют изготовить их с высокой точностью преобразования. Выполнение генератора синусоидального напряжения, например, промышленной частоты 50 Гц, на уровне прецизионного также достижимо. Можно использовать в его качестве серийно выпускаемые средства.

Таким образом, введенные новшества в предложенный источник выгодно отличают его от прототипа. Схема его проста, в нем отсутствуют нелинейные узлы (множительные устройства), исключены трехфазный источник несимметричного напряжения, трехфазный фазовращатель. Исключена необходимость в градуировке приборов контроля. Все это обеспечивает достижение более высокой по сравнению с прототипом, потенциальной точности задания несимметрии. В предложенном источнике значительно уменьшены источники дополнительных погрешностей (временные, температурные, вызванные настройкой и т.п.), что обуславливает более высокую технологичность работ, связанных с применением данного источника трехфазного напряжения с регулируемой несимметрией.

Экономический эффект предложенного решения определяется более низкой стоимостью источника и повышенной его надежностью.