Информационный портал  "TRANSFORMаторы"

transform.ru :: Исследование трехфазного бессердечникового сверхпроводникового силового трансформатора / Hiroshi. Yamaguchi, Electrotechnical Lab., Ibaraki, Japan
 

Исследование трехфазного бессердечникового сверхпроводникового силового трансформатора

Hiroshi


 

 

Краткий обзор – бессердечниковые сверхпроводниковые силовые трансформаторы были исследованы как один из типов сверхпроводниковых трансформаторов. Согласно предыдущим исследованиям бессердечниковый сверхпроводниковый силовой трансформатор имеет много преимуществ по сравнению с традиционными и сверхпроводниковыми силовыми трансформаторами с сердечником. Но так как эти исследования проводились в основном для однофазных бессердечниковых трансформаторов, то следующим шагом должно быть изучение трехфазных трансформаторов.

В данной статье результаты предыдущих исследований однофазных бессердечниковых сверхпроводящих трансформаторов, например, теоретические характеристики, расширены для оценки характеристик трехфазных трансформаторов. Затем представлены результаты тестирования экспериментального трехфазного бессердечникового сверхпроводникового трансформатора под нагрузкой, чтобы подтвердить результаты теоретических исследований.

ВВЕДЕНИЕ

Сверхпроводниковые силовые трансформаторы, являющиеся одними из активно исследуемых сверхпроводниковых приборов переменного тока, могут быть разделены на две группы: трансформаторы с сердечником и без.

Согласно нашим предыдущим исследованиям [1] - [6], бессердечниковые сверхпроводниковые силовые трансформаторы применимы для систем воздушных ультравысоковольтных передач или кабельных систем передач, в которых необходимо компенсировать большие значения емкостного тока вследствие функционирования в качестве шунтирующего электрического реактора. Более того, размер, масса и потери системы силовых трансформаторов и дополнительного оборудования могут быть уменьшены благодаря использованию бессердечниковых сверхпроводниковых силовых трансформаторов [3].

Однако поскольку в основном исследования проводились для однофазных бессердечниковых сверхпроводниковых трансформаторов [1] - [6], то следующим шагом должно быть изучение трехфазных трансформаторов. При этом особый упор следует сделать на эффект взаимоиндукции между фазами, так как индуктивность обмоток значительно влияет на характеристики бессердечникового сверхпроводникового трансформатора.

С этой точки зрения результаты предыдущих исследований однофазных бессердечниковых сверхпроводниковых силовых трансформаторов [1] - [3], такие как теоретические характеристики, расширены до исследования трехфазных трансформаторов. По результатам теоретического анализа подробно рассмотрен эффект взаимоиндукции между фазами. Затем были получены результаты испытаний экспериментального трехфазного бессердечникового сверхпроводникового трансформатора под нагрузкой, подтверждающие теоретические расчеты.

АНАЛИТИЧЕСКИЕ ВЫРАЖЕНИЯ

А. Однофазный трансформатор

Перед выводом теоретических характеристик для трехфазного бессердечникового трансформатора, они были получены для модели однофазного бессердечникового трансформатора [1], [2], представленного на рис. 1 (а).

Согласно рис.1 (а), формула для напряжения однофазного бессердечникового трансформатора будет иметь следующий вид:

. (1)

где V1 , I1 , I2 , ZL , L1 , L2 , M и ? – это напряжение и ток первичной обмотки, ток вторичной обмотки, полное сопротивление нагрузки, самоиндукция первичной обмотки, самоиндукция вторичной обмотки, взаимоиндукция между первичной и вторичной обмотками и круговая частота источника питания соответственно. После введения коэффициента пропорциональности , который приводит величины вторичной обмотки к первичной обмотке, формула (1) принимает вид

. (2)

где - это коэффициент индуктивной связи между первичной и вторичной обмотками.

Из этой формулы может быть получен эквивалентный ток, показанный на рисунке 1(b).

(a) анализируемая модель


(b) эквивалентный ток

Рис. 1. Однофазный трансформатор

При использовании системы, включающей единицу оборудования, чьи основные параметры – это номинальное напряжение вторичной обмотки V2r и номинальный ток вторичной обмотки I2r , из формулы (2) может быть получено следующее выражение для характеристик трансформатора

. (3)

где индекс n показывает величину на единицу. Обозначения Xn и ZLn показывают реактивное сопротивление и полное сопротивление на единицу оборудования, которые можно определить с помощью следующих выражений:

С помощью формул (3) – (5) можно рассчитать теоретические характеристики однофазного трансформатора.

В. Трехфазный трансформатор

Модель трехфазного трансформатора, использованного для исследования представлена на рис. 2 (а). Прописные буквы в индексах напряжения V, тока I и индуктивностей L, M указывают на то, что данная величина относится к первичной обмотке, а строчные буквы указывают на принадлежность к вторичной обмотке. Mij (i , j = U , V , W , u , v , w : i j) обозначает взаимоиндукцию между обмотками i и j . (Так, MUv обозначает взаимоиндукцию между первичной обмоткой фазы U и вторичной обмоткой фазы V).

С учетом этих обозначений формула для напряжений трехфазного трансформатора примет следующий вид

.(6)

(a) анализируемая модель

(b) эквивалентный ток

Рис. 2. Трехфазный трансформатор

Предположим, что обмотки трех фаз имеют ту же структуру (то есть имеют такие же индуктивности) и расположены симметрично, тогда будут справедливы следующие равенства

По этим формулам видно, что в матрице индуктивностей (6) есть только 6 независимых величин ( LU , Lu , MUu , MUV , Muv и MUv ).

Кроме того, представим формулы соотношений между источником энергии и нагрузкой.

где .

Подставляя данные выражения в формулу (6), получим следующее соотношение для напряжений фазы U

. (20)

Выражения для фаз U и W можно получить, умножив равенство 20 на a и a соответственно.

Сравнивая соотношения (20) и (1), заметим, что величины V1 , L1 , L2 и M в выражении (1) замещены величинами VU , LU - MUV , Lu - Muv и MUu - MUv соответственно. Это значит, что взаимоиндукция между фазами влияет на действующие значения самоиндукций и взаимоиндукций трехфазного трансформатора.

Такое же преобразование, как показано для однофазной части трансформатора, может быть использовано для соотношения (20). При этом эффективный коэффициент пропорциональности a' и эффективный коэффициент индуктивной связи K' определяются следующим образом.

Результирующее соотношение будет иметь следующий вид.

(23)

Из этой формулы можно получить эквивалентный ток, проиллюстрированный на рисунке 2 (b).

Из формулы, использующей значения для единицы оборудования, в которой основными величинами являются номинальное напряжение вторичной обмотки Vur и номинальный ток вторичной обмотки Iur , может быть получено следующее выражение

(24)

где действующие значения реактивного сопротивления X'n и полного сопротивления нагрузки Z'Ln рассчитываются следующим образом

Как рассмотрено выше, выражения для единицы оборудования для трехфазного бессердечникового сверхпроводникового трансформатора можно получить из формул для однофазного трансформатора [2], заменив V1n, K, Xn и ZLn на VUn, K', X'n и Z'Ln соответственно.

Таким образом, номинальное напряжение на первичной обмотке VUnr , номинальный ток на первичной обмотке IUnr и входной коэффициент мощности in можно получить из результатов предыдущих исследований [1], [2] с помощью следующих формул:

где – это номинальный коэффициент мощности нагрузки, а функция Arg(A + jB) (A, B: действительные) определена следующим образом:

(30)

ИСПЫТАНИЯ ПОД НАГРУЗКОЙ

Для подтверждения аналитических результатов было проведено тестирование экспериментального бессердечникового сверхпроводникового трансформатора под нагрузкой. В этой главе представлена спецификация и экспериментальные данные трансформатора.

А. Экспериментальный трехфазный трансформатор

Обмотки фаз U , V и W экспериментального трехфазного трансформатора имеют вид соленоидов. Эти обмотки размещены симметрично (рис. 3) – их оси расположены в вершинах равностороннего треугольника.

Рис. 3. Расположение обмоток

Обмотки каждой фазы имеют 3 изолированные обмотки (обмотка #1, #2 и #3 изнутри), которые расположены концентрически. Для получения больших коэффициентов индуктивной связи обмотки #1 и #3 используются в качестве первичных обмоток, а обмотка #2 является вторичной. Спецификации трансформаторных обмоток и сверхпроводниковых проводов представлены в таблицах 1 и 2 соответственно.

Табица 1. Спецификация трехфазного трансформатора

Высота
138.6 (мм)
Внутренний диаметр
Обмотка #1
49.9 (мм)
Обмотка #2
60.1 (мм)
Обмотка #3
70.3 (мм)
Внешний диаметр
Обмотка #1
59.2 (мм )
Обмотка #2
69.4 (мм)
Обмотка #3
77.0 (мм)
Общее число витков
Обмотка #1
740 (4 слоя)
Обмотка #2
740 (4 слоя)
Обмотка #3
755 (3 слоя)

Таблица 2. Спецификация сверхпроводникового провода

Многожильный провод
Диаметр многожильного провода
0.189 (мм) (с изоляцией)
Состав
CuNi: Cu: NbTi = 2.48:0.35:1
Диаметр волокна
0.57
Число волокон
19050
Критический постоянный ток
27.8 ADC (1 TDC)
Провод
Диаметр провода
менее чем 0.71 мм (с изоляцией)
Изоляция
Эпоксидное покрытие
Критический постоянный ток
более чем 154 ADC (1 TDC)

В. Измеренные величины индуктивностей

Для расчета теоретических характеристик были измерены величины индуктивностей обмоток LU , Lu , MUu , MUV , Muv и MUv . Получены следующие результаты:

Очевидно, что величины взаимоиндукций между фазами (MUV , Muv и MUv) отрицательны и значительно меньше по модулю, чем взаимоиндукция между первичной и вторичной обмоткой одной фазы (MUu). Эти соотношения зависят от расположения обмоток (рис. 3).

С помощью полученных результатов по формулам (21) и (22) можно рассчитать параметры a' и K' экспериментального трансформатора. Получим следующие результаты:

a' = 1.59
K' = 0.959

В случае соединения звезда-звезда, в котором номинальные величины на вторичной обмотке соответствуют Vur =100/ В и Iur =50А, расчетные значения действующего реактивного сопротивления и номинальных величин первичной обмотки на единицу оборудования равны:

X'n = 3.75 p.u.;
VUnr = 1.09 p.u.;
IUnr = 1.08 p.u.,

где p. u. – единица мощности

Здесь номинальный коэффициент мощности нагрузки = 0 (чисто активная нагрузка), а круговая частота источника энергии (50Гц).

По этим результатам номинальные значения на первичной обмотке экспериментального трансформатора соответствуют 172/ В - 34.0 А.

С. Результаты теста под нагрузкой

Результаты тестов под нагрузкой представлены на рис. 4 (а) и 4 (b). Нагрузка активная, а частота источника энергии равна 50Гц. Так как напряжение первичной обмотки не может быть установлено на номинальную величину (172/ В) из-за ограничений, вызванных тем, что оборудование экспериментальное, то здесь это напряжение установлено на величину 190/ В (=1,10 единиц мощности).

(a) ток и напряжение

(b) потери и КПД

Рис. 4. Результаты испытаний под нагрузкой

На рисунке 4(а) представлены кривые, изображенные по результатам расчетов, выполненных по формуле (24), на которых отмеченные точки – это экспериментальные значения. Очевидно, что аналитические результаты соответствуют экспериментальным, и справедливость теоретического анализа может быть подтверждена.

Так как характеристики потерь и КПД трансформатора очень важны, то их значения тоже были измерены. Результаты представлены на рисунке 4 (b). Максимальное значение КПД составляет 98,9% (Iun = 0,52 единиц мощности). Заметим, что потери в экспериментальном сверхпроводниковом трансформаторе зависят от нагрузки, тогда как характеристики потерь однофазного бессердечникового сверхпроводникового трансформатора от нее не зависят [1].

На рисунках 4 (а) и 4 (b) экспериментальные данные проиллюстрированы только на участке Iun < 0,52 единиц мощности из-за непредсказуемых затуханий колебаний в обмотках. Величина тока с затухающими колебаниями очень мала по сравнению с величиной тока с затухающими колебаниями (около 2,4 единиц мощности), вычисленной в предыдущей статье методики анализа устойчивости [6], и эта расчетная величина тока с затухающими колебаниями достаточно велика по сравнению с максимальным значением номинального тока. Природа возникновения затуханий колебаний не достаточно ясна в настоящее время, однако, должна быть объяснена в ходе дальнейших исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной статье был представлен теоретический анализ трехфазного бессердечникового сверхпроводникового трансформатора, а также формулы для характеристик на единицу оборудования. Справедливость теоретического анализа была подтверждена испытаниями под нагрузкой с использованием экспериментального трехфазного бессердечникового сверхпроводникового трансформатора.

Однако в испытуемом трансформаторе неожиданно начинало проявляться затухание колебаний при подключении примерно половины нагрузки, и он не мог работать при номинальных значениях. Причина этого должна быть исследована в дальнейшем.

Метод расчета взаимоиндукции между фазами также должен быть принят для его применения при конструировании обмоток.

 
  Источник:  ©  Hiroshi
Материал размещен на www.transform.ru13.09.2004 г.
 

 

Перейти в форум для обсуждения

  ©  TRANSFORMаторы 2004—2010


Рейтинг@Mail.ru Яндекс.Метрика ??????????? ????