Wo und warum verwenden wir phasenschiebende Transformatoren?

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Anonim

Grundprinzip der Anwendung

Aufgrund des überwiegend induktiven Charakters des Stromversorgungssystems muss ein aktiver Stromfluss zwischen Quelle und Last mit einer Phasenverzögerung zwischen den Anschlüssen erfolgen. Phasenschiebertransformatoren sind ein bevorzugtes Werkzeug, um dieses Ziel zu erreichen.

Wo und warum nutzen wir phasenschiebende Transformatoren (Foto: BTW Atlanta)

Zwei Hauptkonfigurationen sind von besonderem Interesse:

  1. Der Leistungsfluss zwischen parallel arbeitenden Übertragungssystemen, wobei ein System eine PST und eine
  2. Wo eine einzelne Übertragungsleitung, die eine PST enthält, zwei ansonsten unabhängige Energiesysteme verbindet.

Letzteres ist in der Tat ein Sonderfall des ersten, aber es ist heutzutage für die Verbindung großer Systeme wichtiger geworden. Für die folgenden Betrachtungen wird angenommen, dass der ohmsche Widerstand R im Vergleich zur Reaktanz X klein ist und somit vernachlässigt wurde.

Situation - Eine praktische Grundsituation besteht darin, dass ein Ort, an dem Strom benötigt wird (Lastseite), über zwei Systeme mit der Quellenseite verbunden ist, die nicht notwendigerweise die gleiche Nennspannung haben müssen.

Siehe Abbildung 1 unten.

Abbildung 1 - Parallele Systeme

Ohne zusätzliche Maßnahme würden die Ströme I 1 und I 2 proportional zum Verhältnis der Impedanzen der Systeme verteilt werden,

I 1 = I × X 2 / (X 1 + X 2 )
I 2 = I × X 1 / (X 1 + X 2 )

und es besteht kein Zweifel, dass das System 2 wegen der zusätzlichen Impedanzen der beiden Transformatoren in diesem Zweig nur einen kleinen Teil der Last aufnehmen würde.

Wenn der Leistungsfluss in System 2 erhöht werden soll, muss eine zusätzliche Spannung ΔV eingeführt werden, um den erhöhten Spannungsabfall in System 2 zu kompensieren.

Unter der Annahme, dass Wirkleistung der Lastseite zugeführt werden sollte und unter Berücksichtigung des induktiven Charakters der Systeme muss diese Spannung eine Phasenverzögerung von 90 ° zu den Leiter -Erde-Spannungen des Systems (V L ) aufweisen .

Im Prinzip könnte die Quelle von ΔV in jedem der beiden Systeme installiert werden. Abbildung 2 zeigt die Spannungsdiagramme beider Optionen. Fig. 2a entspricht Fig. 1 mit dem in System 2 installierten PST, dem System mit der höheren Impedanz. Die zusätzliche Spannung reduziert den Spannungsabfall in System 2 auf das von System 1.

Die Spannung an der Ausgangs- oder Lastseite des PST V L * führt die Spannung an der Eingangs- oder Source-Seite VS. Per definitionem wird dies als erweiterter Phasenwinkel bezeichnet. Wenn der PST in System 1 installiert wurde (Abbildung 2b), würde die zusätzliche Spannung den Spannungsabfall auf den von System 2 erhöhen.

In diesem Fall liegt die lastseitige Spannung V L * hinter der speiseseitigen Spannung V S, und dies ist als verzögerter Phasenwinkel definiert. Wie aus den Diagrammen ersichtlich, minimiert ein vorgerückter Phasenwinkel den Gesamtwinkel zwischen Quellen- und Lastseite.

Abbildung 2 - Leerlaufspannungsdiagramm von Parallelsystemen

Die zweite wichtige Anwendung ist die Verwendung eines PST zur Steuerung des Leistungsflusses zwischen zwei großen unabhängigen Gittern (Abbildung 3). Ein fortgeschrittener Phasenwinkel ist erforderlich, um einen Wirkleistungsfluss von System 1 zu System 2 zu erreichen.

Abbildung 3 - Verbindung von zwei Systemen

Arten von Phasenverschiebungstransformatoren

Allgemeine Aspekte

Das allgemeine Prinzip, um eine Phasenverschiebung zu erhalten, basiert auf der Verbindung eines Segments einer Phase mit einer anderen Phase. Um eine 90º zusätzliche Spannung ΔV zu erhalten, bietet die Verwendung von Delta-verbundenen Wicklungen die einfachste Lösung.

Abbildung 4 zeigt eine mögliche Anordnung und dient zur Einführung einiger grundlegender Definitionen. Die Sekundärwicklung der Phase V2-V3 ist in zwei Hälften aufgeteilt und mit der Phase V1 in Reihe geschaltet. Durch Auslegung dieser Wicklung als Regelwicklung und Verwendung von Laststufenschaltern (OLTC) können ΔV und der Phasenverschiebungswinkel unter Last verändert werden.

Das Phasor-Diagramm wurde für Leerlaufbedingungen gezeichnet, dh ohne Berücksichtigung des Spannungsabfalls in der Einheit. Es sollte auch beachtet werden, dass die Ströme in den zwei Hälften der Reihenwicklung nicht in Phase sind.

Dies unterscheidet sich von normalen Leistungstransformatoren und hat Konsequenzen in Bezug auf das interne Streufeld.

Abbildung 4 - Einkerniger symmetrischer PST - Phasenverschiebungstransformator

V S1 = V 10 + (& Dgr; V 1/2)

V L1 = V 10 - (ΔV 1/2)

ΔV 1 = V S1 - V L1

Aus dem Zeigerdiagramm (4b) folgt (V S1 = V L1 = V):

V 0 = V × cos (α / 2)

ΔV = V × 2 × sin (α / 2)

V & Dgr; = V × cos (& agr; / 2) × 3

und mit I S = I L = I wird der Teil des Stroms, der zu der Erregungswicklung übertragen wird, zu:

I Δ = (ΔV / V Δ ) × I × cos (α / 2) = I × (2 / √3) × sin (α / 2)

Die Durchsatzleistung kann aus berechnet werden

P SYS = 3 × V × I

und die Nennleistung, die die Größe des PST bestimmt, wird

P T = 3 × & Dgr; V × I = P SYS × 2 × sin (& agr; / 2)

Eine dritte Art von Leistung (P & Dgr; ) ist die Leistung, die in den Sekundärkreis übertragen wird. Diese Leistung unterscheidet sich von PT dadurch, dass ein Teil des Primärstroms zwischen den beiden Teilen der Serienwicklung selbst kompensiert wird.

In Zweikernbauweisen (Gleichung ΔV 1 = V S1 - V L1 ) bestimmt diese Leistung auch das notwendige Schaltvermögen des OLTC.

P Δ = V Δ × I Δ = 1/3 × P SYS × sin (α)

Neben der übertragenen Leistung ist auch der Phasenverschiebungswinkel wichtig.

Ein Phasenverschiebungswinkel von 20 ° bedeutet, dass der PST für 34, 8% der Durchsatzleistung ausgelegt sein muss und ein Winkel von 40 ° 68, 4%. In diesem Zusammenhang muss berücksichtigt werden, dass der effektive Phasenverschiebungswinkel unter Last kleiner ist als der Leerlaufphasenverschiebungswinkel.

Im optimalen Fall, wenn der Lastleistungsfaktor nahe bei 1 liegt, würde eine PST-Impedanz von 15% den Lastphasenverschiebungswinkel um 8, 58 reduzieren.

In der Praxis sind verschiedene Lösungen möglich, um ein PST zu entwerfen. Die wichtigsten Faktoren, die die Wahl beeinflussen, sind:

  1. Durchsatzleistung und Phasenverschiebungswinkelanforderung
  2. Nennspannung
  3. Kurzschlussfähigkeit der angeschlossenen Systeme
  4. Versandbeschränkungen
  5. Laststufenschalterleistungsspezifikation

Darüber hinaus können Präferenzen eines Herstellers hinsichtlich der Art des Transformators (Kern oder Schale) oder der Art der Wicklungen und anderer Konstruktionsmerkmale ebenfalls eine Rolle spielen.

Je nach Bewertung werden Single- oder Two-Core-Designs verwendet. Zwei-Kern-Designs erfordern entweder ein Ein-Tank- oder ein Zwei-Tank-Design.

Single-Core-Design

Symmetrische Bedingungen werden mit dem in Fig. 4a skizzierten Design erhalten. Fig. 5a und Fig. 5b zeigen die allgemeinen Verbindungsdiagramme mit weiteren Einzelheiten der Regelschaltung .

Der Vorteil des Single-Core-Designs ist Einfachheit und Wirtschaftlichkeit. Aber es gibt auch eine Reihe von Nachteilen.

Nachteile - Die OLTCs sind an das System angeschlossen und direkt allen Überspannungen und Störungen ausgesetzt . Die Spannung pro OLTC-Schritt und der Strom werden durch die Spezifikation bestimmt und erlauben nicht immer eine optimale wirtschaftliche Wahl des OLTC. Die Kurzschlussimpedanz des PST variiert zwischen einem Maximum und Null.

Daher kann nicht geplant werden, dass der PST zur Begrenzung von Fehlerströmen in dem System beiträgt.

Der Vorteil des symmetrischen Designs (Abbildung 5a) ist, dass der Phasenverschiebungswinkel der einzige Parameter ist, der den Leistungsfluss beeinflusst. Das Design benötigt zwei einphasige OLTCs (für niedrige Nennwerte kann stattdessen ein zweiphasiger OLTC verwendet werden) pro Phase oder zwei dreiphasige OLTCs.

Abbildung 5 - (a) Einkernige symmetrische PST (b) Einkernige unsymmetrische PST

Abbildung 5b zeigt eine unsymmetrische Lösung. Nur die Hälfte der Regelwicklungen wird verwendet. Die Anzahl notwendiger OLTCs wird reduziert, aber das Verhältnis zwischen Quellenspannung und Lastspannung ändert sich mit dem Phasenverschiebungswinkel und beeinflusst zusätzlich den Leistungsfluss.

Eine Lösung, die oft für Transformatoren verwendet wird, die zwei Systeme miteinander verbinden, ist in Abbildung 6 dargestellt.

Die Stufenwicklung eines Regeltransformators kann mit einer anderen Phase verbunden sein, wodurch eine Spannungsverschiebung zwischen der geregelten Wicklung und den anderen Wicklungen der Einheit verursacht wird.

Abbildung 6 - Regeltransformator mit PST-Effekt

Die geregelte Wicklung ist normalerweise mit der Source-Seite verbunden, jedoch ist auch eine indirekte Regelung der Lastseite möglich. Der Wechsel vom normalen Stelltransformatorzustand in den phasenschiebenden Zustand ist in der mittleren Position des Laststufenschalters möglich, ohne dass das Gerät ausgeschaltet werden muss.

Eine andere Lösung eines symmetrischen PST, des delta-hexagonalen phasenschiebenden Transformators, ist in 7 gezeigt.

Abbildung 7 - Delta-hexagonale PST

Zweikerniges Design

Die am häufigsten verwendete Schaltung für ein Zwei-Kern-Design ist in 8 unten gezeigt. Diese Konfiguration besteht aus einer Serieneinheit und einer Haupteinheit. Bei kleineren Nennwerten und niedrigeren Spannungen können Zweikern-PSTs in einem einzigen Tank eingebaut werden, während größere Nennweiten und PSTs mit höherer Spannung ein Zwei-Tank-Design erfordern.

Der Vorteil eines Zwei-Kern-Designs ist die Flexibilität bei der Wahl der Schrittspannung und des Stromes der Regelwicklung . Diese können entsprechend den Spannungs- und Stromwerten des Laststufenschalters optimiert werden.

Da OLTCs begrenzte Stromnennwerte und Schrittspannungen pro Phase sowie eine begrenzte Schaltkapazität aufweisen, sind sie die Hauptbeschränkungsmerkmale für die maximal mögliche Bewertung von PSTs. Mehr als ein OLTC pro Phase muss möglicherweise für sehr große Bewertungen verwendet werden.

Abbildung 8 - Zweikernige PST

Bis zu einer bestimmten Bewertung können dreipolige OLTCs verwendet werden. Für höhere Leistungen sind drei einpolige Laststufenschalter erforderlich. Das OLTC-Isolationsniveau ist unabhängig von der Systemspannung und kann niedrig gehalten werden. Die Kurzschlussimpedanz ist die Summe der Impedanzen des Haupt- und des Reihentransformators.

Da die Impedanz der Serieneinheit konstant und unabhängig von dem Phasenwinkel ist, kann die Einheit so entworfen werden, dass sie selbstschützend ist, und die Variation der Impedanz mit dem Phasenverschiebungswinkel kann klein gehalten werden, wenn die Impedanz der Haupteinheit ist wird niedrig gehalten.

Quadratur-Booster-Transformatoren

Quadratur-Booster-Transformatoren sind eine Kombination aus einem Regel- oder Spartransformator mit einem phasenschiebenden Transformator. Der PST, der ein- oder zweipolig ausgeführt werden kann, wird von der geregelten Seite des Leistungstransformators versorgt (Abbildung 9).

Abbildung 10 - Vereinfachter Anschlussplan für Quadraturverstärker

Durch dieses Verfahren kann die Ausgangsspannung in einer Vier-Quadranten- (Größe und Phase) -Beziehung eingestellt werden.

Referenz // Electric Power Engineering Handbuch von Leonard L. Grigsby (Kauf Hardcopy von Amazon)

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