TRANSFORMATOR TRIFAZAT DE REGLARE A DECALAJULUI DE FAZă CU REGLARE îN PUNCTUL NEUTRU Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Three-Phase Phase-Shifting Transformer with Regulation in Neutral Point

Kalinin L., Zaitsev D., Tirshu M., Golub I., Moraru L.

Institute of Power Engineering of the Academy of Sciences of Moldova Chisinau, Republic of Moldova

Abstract. The paper aimed to research mode characteristics of phase shift installation based on one three-phase transformer having three windings. Usually, such installations are two cores: exciting transformer and regulation transformer. In paper the installation functional scheme description, as well main relations which determine currents and voltages character in scheme elements during regulation process are given. It is shown, that installation is able to provide phase shift angle regulation up to +120°. The installation scheme is designed to place the control module in the neutral connection point of regulation windings. Such solution allowing essential reduction of installation rated capacity compare to traditional one and excluding necessity of special isolation of shell. Proposed solution ensure in such mode compact construction and commodity for transportation, mounting and service. Keywords: phase-shifting transformer rated capacity, complex transformer factor, phase-shift angle.

Transformator trifazat de reglare a decalajului de faza cu reglare in punctul neutru Calinin L., Zaitev D., Tir^u M., Golub I., Moraru L.

Institutul de Energeticä al Academiei de Stiinte a Moldovei Chisinau, Republica Moldova Rezumat. Lucrarea data a avut ca scop cercetarea caracteristicilor de regim ale instalatiei de reglare a decalajului de faza, realizate pe baza unui transformator trifazat cu trei infa§urari. De regula, astfel de instalatii sunt realizate pe doua transformatoare: paralel (de magnetizare) §i consecutiv (de reglare a decalajului de faza). ín lucrare este prezentata descrierea schemei principiale a instalatiei, sunt date relatiile de baza, care determina caracterul schimbarii curentilor §i tensiunilor in elementele schemei la realizarea reglärii. Este demonstrat, ca instalatia asigura reglarea unghiului decalajului de faza in diapazonul +120°. Schema instalatiei prevede amplasarea elementului de control in neutrul schemei de conexiune a infä§urärilor de reglare, ceea ce permite reducerea considerabila a puterii instalate a acesteia comparativ cu constructia traditionala §i conduce la excluderea necesitatii de izolare speciala a carcasei, asigurand prin aceasta o constructie compacta, comoda pentru transportare, montare §i deservire.

Cuvinte-cheie: transformator de reglare a decalajului de faza, unghiul decalajului de faza, coeficient de transformare, coeficient de transformare complex, puterea nominala a instalatiei.

Трехфазный фазорегулирующий трансформатор с регулированием в нейтрали Калинин Л. П., Зайцев Д.А., Тыршу М.С., Голуб И.В, Морару Л.П.

Институт энергетики Академии наук Молдовы Кишинев, Республика Молдова Аннотация. Цель работы состояла в исследовании режимных характеристик устройства для регулирования перетоков энергии в электрических сетях, выполненного на основе одного трехфазного трехобмоточного трансформатора. Традиционно, устройства подобного назначения изготавливают в виде агрегата, состоящего из двух трансформаторных элементов: параллельного (намагничивающего) и последовательного (фазорегулирующего). Приведено описание принципиальной схемы устройства, представлены основные соотношения, определяющие характер изменения токов и напряжений в элементах схемы при регулировании. Показано, что устройство обеспечивает регулирование угла фазового сдвига в диапазоне +120°. Схема устройства предполагает размещение управления в нейтрали схемы соединения регулировочных обмоток и позволяет существенно снизить его установленную мощность по сравнению с традиционной конструкцией. Такое техническое решение приводит к отсутствию необходимости в специальной изоляционной защите корпуса. При этом реализуется компактная, удобная для транспортировки, монтажа и обслуживания конструкция.

Ключевые слова: фазорегулирующий трансформатор, угол фазового сдвига, коэффициент трансформации, комплексный коэффициент преобразования, расчетная мощность устройства.

Introducere

Dezvoltarea ín continuare a ramurii energeticii presupune nu numai construirea de noi linii electrice, dar §i gestionarea optimá cu fluxurile de energie ín baza utilizárii transformatoarelor cu reglarea a decalajului de fazá [1-4]. Acest mod de reglare permite reducerea pierderilor de energie electricá paná la un nivel tehnic argumentat, asigurá fiabilitatea §i eficienta functionárii retelelor electrice [5-7].

Instalatia elaboratá se referá la domeniul electroenergeticii §i poate fi utilizatá la dirijarea cu fluxurile de putere activá ín

ramurile de retelelor de transport §i distributie a energiei electrice.

Schema §i descrierea transformatorului trifazat cu trei rnfä^uräri

Instalatia reprezintá un transformator trifazat cu trei infá§urári (Fig.1), care contine sisteme trifazate de infa§urári primare (Wp §i

secundare (W2), precum §i sistemul trifazat cu

infá§urári de reglare (dirijare) (W^) cu

ramificatii reglabile, care sunt comutate prin contacte cu legare la pámant (P) a mecanismului de comutare sub sarciná.

W

Fig. 1. Transformator trifazat cu trei înfâçurâri.

Numärul total de spire al bobinei de reglare W3 determinä valoarea maximä a unghiului de

defazare (wmax) §i este stabilit în dependentä de

functiile exercitate de instalatie în reteaua electricä.

Comutatorul suplimentar S stabilere semnul de reglare al defazajului tensiunii de ie§ire Ur a instalatiei in raport cu tensiunea de la intrare Us. Defazajul se considerá pozitiv, dacá Ur

depä§e§te Us. In caz contrar, semnul y se va Iar tensiunea Uy pe infa§urarea de reglare se considera negativ. va supune conditiei:

Modelul matematic al instalatiei

9

Coeficientul complex de transformare (K) al transformatorului de reglare a defazajului caracterizeazä starea lui in orice pozitie a contactelor mecanismului de comutare (P) §i determinä definitiv situatia corespunzätoare regimului electric.

In scopul corelärii regimului la starea realä a instalatiei, introducem notiunea coeficientului de reglare ky, care poate fi exprimat prin raportul

urmätor:

W W

ky =-L = (1)

y w1 w2

Valoarea W^ reprezintá numárul spirelor

active (prin care trece curentul) acestei infá§urári la oricare din pozitii a mecanismului de comutare P. De asemenea de remarcat, cá valoarea ky poate fi examinatá in calitate de

coordonatá de comandá independentá.

Coeficientul complex de transformare al tensiunii se determiná, reie§ind din diagrama vectorialá a tensiunilor §i este reprezentatá in Fig.2.

Uy = ky U.

Din diagrama vectorialä Fig.2 reiese:

| Us = U1 + a2Uy = (1 + a2ky )U Ur = U2 + aUy = (1 + aky )U

(3)

(4)

unde a - este operatorul complex al sistemului trifazat

Atunci:

sau

1 +

a = -—+1 — . 2 2

Us

1 + a2ky

Ur

1 + ak

y

Ur =

1 + akv _y U

2 s 1 + a ky

(5)

(6)

(7)

¥

Fig.2. Diagrama vectorialä a tensiunilor.

Tinänd cont cä W = , putem nota:

U1 = U 2 = U .

(2)

Factorul din fata tensiunii Us pentru aceastä variantä a transformatorului cu reglare a decalajului de fazä este coeficientul complex de transformare al tensiunii:

K =

1 + ak

y

1 + a2k

(8)

y

Dacá ky = 0, obtinem K = 1. Aceasta inseamná cá Us = Ur, iar unghiul y/= 0o.

Dacá ky = 1, obtinem K = 1 + a2 = a .

' 1 + a2

Aceasta inseamná cá Us = aUr, iar unghiul y = 120o.

Mai departe, neglijand cu curentul de scurt circuit, determinám coeficientul complex de transformare pentru curentul de sarciná.

Ecuatia de echilibru electromagnetic (cu conditia cá W = W2 = W §i Wy = kyW) devine:

kyWI3 + WIr = WIs .

(9)

Din aceasta ecuatie poate fi exprimata

valoarea Iy :

j _I s Ir

ky

(10)

Pentru nodul la care trece curentul I y, se poate scrie:

I y + aIs _ a Ir ,

(11)

1 + ak

y

(1 + ak )2

y

1 + a2k (1 + ak )(1 + a2k )

У У У

(1 - k - —) + jV3(1 - —)

_ У 2 2

1 - k + k У У

Unde

cosw _ -

1 - ky (1 +

1 - ky + k У

(18)

sau

I y _ a Ir - aIs .

Cu aceste conditii obtinem expresia

Is - Ir _ Л

_ a Ir - aIs .

De aici reiese

1 + aky

I __i

2

1 + a k

У

(12)

(13)

(1 + aky )Is _ (1 + a2ky )Ir . (14)

În fine, ajungem la rezultatul

(15)

Astfel, coeficientul complex de transformare pentru curent corespunde pe deplin coeficientului complex de transformare pentru tensiune

u r

(16)

jr \ Ks În cazul egalitatii modulelor tensiunii de intrare §i tensiunii de ieçire, dupa cum §i are loc în regim d scurt circuit, putem scrie:

• 1 + aky jw . .

K _-_ eJY _ cosw + j sinw .

1 + a2k

y

Acest raport permite exprimarea dependentei coeficientului de reglare ky cu functiile

trigonometrice ce caracterizeaza unghiul reglabil

W:

sinw _

^(1- Ц-Щ

1 - ky + k y

(19)

Raportul ce stabileçte relatia dintre ц §i ky

poate fi necesar la solutionarea problemelor de dirijare cu regimurile schimbului de energie între nodurile sistemului electric §i se determina astfel:

Sky

W _ 2arctg

y

2-k

y

ky _

2tg f Л + gW

(20)

(21)

Principalii indicatori pentru regimul normal de functionare al instalatiei sunt curentii §i tensiunile din elementele circuitului electric, care se modificä în procesul reglärii unghiului y.

Caracterul schimbäri acestor variabile determinä caracteristicile energetice §i costul produsului la proiectarea instalatiei. Unul dintre aceçti indicatori este tensiunea Usr dintre bornele de

intrare §i de ieçire ale instalatiei.

Din schema instalatiei reprezentate în Fig.1 reiese:

(22)

Ur _ Us + Usr .

Atunci

1 + ak

Usr Ur Us

1 + a k-

2 и i. „2 ;

y

1 + a k-

y

2 ky

(a - a2)(1 + aky )ky ^ _-3k ky - jj3(1 U

(1 + a2ky )(1 + aky ) s 2 У 1 - ky + k2 s

y

k

1 + aky (a — a )ky

Usr = Ur - Us = 2 Us — Us = 2 Us = 1 + a ky 1 + a ky

2 ky

= (a — a2)(1 + aky )ky __ 3 ky — ~) u

2 US = 0 ky 2 U S

(1 + a ky )(1 + aky )

1 — ky + ky

Revenind la modulul acestei valori complexe, se obtine o expresie destul de simplä

Sky

Psr\ = -

y

f ky + ky

(23)

Tinänd cont de corelatia stabilitä anterior dintre ky §i unghiul y, ajungem la rezultatul:

|Usr| = 2sinyy Us (24)

Tensiunile infä§urärilor W^ §i W2 care se schimbä la reglarea unghiului y §i sunt descrise in functie de coeficientul de reglare ky, se supun urmätoarei legi:

_ U i _ u _

IT+*

1 — k + y 1 ky +

j! — ky + k

Us .

(25)

Acelea§i tensiuni reprezentate prin functii trigonometrice, sunt exprimate astfel:

IuJ = U2 = U = (cos^ + isin—)US.

I 1 I 2 v 2 S 2 s

(26)

Prin urmare, tensiunea pe partea activä a infä§urärii de reglare Uy este caracterizatä prin

relatia:

\y

Us .

(27)

r ky + ky

Iy = ^^J3cos—- + sm—)IS .

Parametrii §i caracteristicile regimului normal de functionare al transformatorului cu reglare al decalajului de fazá prezentate in acest punct, in continuare vor fi supuse simulárii cu aplicarea mijloace tehnice moderne.

Una dintre cele mai importante caracteristici ale produsului tehnic destinate transmiterii de energie electricá, este puterea nominalá (tipicá). Aceastá caracteristicá poate fi examinatá ca un indicator care permite estimarea diferitor solutii de proiectare.

Conform definitiei standard, puterea de proiectare (calculatá) a instalatiei transformatoare este o jumátate din suma puterilor maxime a tuturor infa§urárilor lucrátoare. Pentru varianta constructivá a transformatorului de reglare a decalajului de fazá examinat, acest fapt poate fi reprezentat ca:

c -

0PST

\Usmax | ^smax | + U'yma^ py maJ + |U

r ma^M r max

2

Folosind relatiile obtinute anterior, ajungem la rezultatul:

¿ ky 1 — ky + ky )( ^ +J1 — ky + k2)

S = _2 '_U I

0PST 1 7. , 7 2 us2s

sau

1—ky + k^

. — — 1 . —

Spst = (1 + sin-2)(cos-2 + —3 sin -2) USIs .(30)

Valoarea USIS caracterizeazä puterea de sarcinä, la care trebuie sä fie calculat transformatorul de reglare a decalajului de fazä.

Referitor la curentul infä§urärii de reglare Iy,

caracterul dirijärii sale se supune urmätoarelor legi:

- in functie de k

y

"y

Iy =■

1—ky +-y

I1 ky + ky

- in functie de —

(28)

Sistemul modificat de dirijare al instalatiei

In schema Fig.1 este prezintá cea mai simplá versiune a unui transformator de reglare a defazajului cu trei infa§urári §i comutare in neutru. Particularitatea acestei scheme constá in faptul cá la trecerea comutatorului S in pozitia opusá, diapazonul de reglare al unghiului defazajului se reduce semnificativ, ceea ce poate fi examinat ca un dezavantaj al acestei solutii tehnice. Varianta circuitului ce oferá simetria reglárii unghiului y/ in ambele domenii este

prezentata în Fig.3, iar diagrama vectoriala în Fig.4.

^2 B1 B 2

* *J

W

W

a

S

* *

W1

W

C1 C 2 i •

L* *

W1

W

> a . a

, 4 a , 4 4 a 4

Fig.3. Schema de reglare a unghiului ц.

Fig.4. Diagramele vectoriale ale tensiunilor la reglarea unghiului ц în zona pozitiva - (a), (b) - în zona

negativa.

O característica suplimentará a variantei mentionate este, cá infá§urarea de reglare a transformatorului de reglare a defazajului este impártitá in sectiune reglabilá W'y §i

W"y nereglabilá, iar mecanismul de comutare al

ramificatiilor reglabile sub sarciná contine douá contacte opuse de comutare. Aceasta contribuie

la o extindere semnificativa a limitelor de reglare a unghiului ц.

În fig.5 sunt prezentate graficele modificarii puterii nominale a transformatorului de reglare a decalajului de faza SPST la schimbarea unghiului

ц în diapazon de ±120°.

-120

100 120

Fig.5. Graficele modificarii puterii stabilite (calculate) a instalatiilor cu transformatoare de reglare a

decalajului de faza.

Respectiv, sunt prezentate graficele modificarii puterii proiectate SN a variantei

cunoscute a instalatiei de reglare a defazajului cu doua transformatoare. Comparatia graficelor SPST (ц) §i SN (ц) permite selectarea unei sau altei solutii la examinarea problemelor tehnice specifice.

Concluzii

Rezultatele lucrarii efectuate sugereaza urmatoarele concluzii:

1. Instalatia propusa permite o utilizare a unei constructii compacte, comode la transportare, montare §i întretinere a constructiei.

2. Comutatorul ramificatiilor de reglare a instalatiei propuse este plasat în neutrul schemei de racordare a mfa§urarilor de reglare, ceea ce conduce la caderea necesitatii unei protectii de izolare speciala a carcasei.

3. Instalatia asigurä un diapazon larg de reglare a unghiului defazajului y/ = ±120°.

4. Transformatorul de reglare a decalajului de fazä poate reduce semnificativ puterea instalatä in comparatie cu transformatoarele traditionale de rotatie fazei intr-un diapazon larg de reglare.

Bibliografie (References)

[1] Xiao-Ping Zhang, Christian Rehtanz, Bikash Pal FACTS-Devices and Applications Flexible AC Transmission Systems: Modelling and Control Power Systems 2012, pp 1-30

[2] Helder Lopes Ferreira, Angelo L'Abbate, Gianluca Fulli, Ulf Häger Flexible Alternating Current Transmission Systems (FACTS) Devices Advanced Technologies for Future Transmission Grids Power Systems 2013,pp 119-156

[3] A.Kramer, J.Ruff, Transformers for Angle Regulation Considering the Selection of On-Loas Tap-Changers, IEEE transactions on power delivery, Vol.13, No.2, April 1998, Page(s):518-525.

[4] FACTS Overview, IEEE Power Engineering Society, Cigre International Conference On Large High Voltage Electric Systems, 95TP108.

[5] Luiz A. C. Lopes, Geza Joos, Boon-Teck Ooi, "A High-Power PWM Quadrature Booster Phase Shifter Based on a Multimodul AC Controller", IEEE Transactions on Power Electronics, Vol.13, No.2, March 1998

[6] Stelimakov V., Zhmurov V., Tarasov A., Grinshteyn B., [Phase rotation device thyristor-controlled.]. Fazopovorotnye ustroystva s

tiristornym upravleniem, Energetik 2010, №8, str.20-23.

[7] Zhmurov V., Stelimakov V.,Tarasov A., Grinshteyn B., [The use of phase rotation devices with thyristor controlled at high angles of adjustment of the phase shift]. Primenenie fazopovorotnikh ustroystv s tiristornym upravleniem pri bolshikh uglakh regulirovania fazovogo sdviga, Izvestia Akademii Nauk Energetika, 2010 №5, str.132-141.

Despre autori:

II

Kalinin Lev,

kalinin [email protected] Institutul de Energeticá al A§M, doctor ¡jtiinte tehnice. Domeniul intereselor ¡jtiintifice este determinat de elaborarea ¡ji utilizarea controlerelor FACTS in sisteme energetice. Tír^u Mihai, [email protected] Institutul de Energeticá al A§M, doctor ¡jtiinte tehnice. Domeniul intereselor ¡jtiintifice este legat de diagnostica echipamentului

tensiune inaltá ¡ji electronicá de putere.

Moraru Larisa, larisa moraru@ ie.asm.md Institutul de Energeticá al A§M. Domeniul intereselor ¡jtiintifice este în domeniul cercetärilor ¡i analizei

problemelor

energeticä,

energeticä.

generale în securitatea

Zaitev Dmitrii,

/[email protected] Institutul dc Energetica al A§M, doctor ¡jtiinte tehnice. Domeniul intcrcsclor ¡jtiintifice este in domeniul ccrcctarilor regimurilor sistcmclor cncrgcticc cc contin interconexiuni flcxibilc. Golub Irina, [email protected] Institutul dc Energetica al A§M. Domeniul intcrcsclor ¡tiintificc este dctcrminat dc cercetarile regimurilor sistcmclor cncrgcticc liniilor electric dirijatc dc curcnt alternativ cu capacitate sporita dc trafic.