Основа распределительных сетей - понижающие трансформаторы. Они преобразуют напряжение среднего класса в низкое, необходимое конечному пользователю. Трансформаторы для распредсетей недороги, надёжны и долговечны. При соблюдении правил эксплуатации они служат более 35 лет. Промышленность выпускает многочисленные модификации понижающих трансформаторов, различающиеся мощностью, числом обмоток и способом монтажа.
В распределительных сетях нередки проблемы с качеством напряжения, что объясняется большим количеством подключённых нагрузок, которые зачастую имеют нелинейный характер и могут непредсказуемо включаться и отключаться. Это негативно влияет на работу трансформатора, создавая дополнительные потери в электротехнической стали, приводящие к разогреву. В таких случаях деградирует изоляция обмоток и срок службы трансформатора сокращается.
Проблемы с качеством напряжения обостряются в промышленных распределительных сетях, где много таких энергопотребляющих устройств и установок, как лифты, сварочные аппараты, дуговые печи, шредеры для металла и прочее. Они создают кратковременные импульсные нагрузки. Некоторое промышленное оборудование буквально вызывает мерцание освещения. В последнее время подобные эффекты усугубляются ветрогенераторами и фотоэлектрическими станциями, подключёнными к распредсети через импульсные преобразователи. Мало того, что изменение мощности этих источников очень трудно прогнозировать, они ещё и создают гармоники сетевого напряжения.
Возможности регулировать параметры напряжения в распредсетях крайне ограниченны. Для компенсации медленных изменений напряжения традиционно используются автотрансформаторы со скользящим контактом. Они реагируют за несколько секунд, подстраивая напряжение дискретным образом. И хотя в последнее время появились быстрые электронные коммутаторы, они тоже работают дискретно, да ещё и страдают потерями энергии.
Надо отметить, что трансформаторные подстанции в распределительных сетях не имеют средств для подавления гармоник тока нагрузки. Между тем необходимость в таких средствах становится всё более очевидной.
НЕДОСТИЖИМЫЙ ИДЕАЛ
Решать проблемы низкого качества электроэнергии можно путём замены традиционных трансформаторов твердотельными, включающими выпрямители, высокочастотные импульсные преобразователи и схемы управления. Твердотельные трансформаторы построены на элементах силовой электроники, что позволяет быстро и точно регулировать напряжение и ток в низковольтной сети. Однако эффективность таких систем невелика, поскольку здесь приходится выстраивать многоступенчатые схемы преобразования энергии (переменный - постоянный - переменный ток) и одновременно управлять большим количеством субмодулей. Более того, в сравнении с обычным трансформатором твердотельный слишком сложен и уступает ему в надёжности, требуя применения схем защиты. Не удивительно, что при той же мощности #твердотельные трансформаторы сегодня обходятся намного дороже обычных.
НАЧНЁМ С МАЛОГО
Сегодня для применения в распредсетях гораздо более перспективны гибридные трансформаторы, сочетающие в себе обычный низкочастотный трансформатор и несколько электронных преобразователей (рис. 1). Такое сочетание позволяет поддерживать синусоидальную форму тока на входе и синусоидальную форму напряжения на выходе. Электронная часть рассчитана на небольшую долю суммарной мощности, обычно от 10 до 20%.
Чем хороши гибридные трансформаторы? Потери энергии в электронной части системы мало влияют на её общую эффективность, даже если используется многоступенчатый преобразователь. Существует множество вариантов подключения к обычному трансформатору силовых электронных блоков - как на среднем, так и на низком напряжении. У каждого варианта есть свои достоинства и недостатки. Мы коротко опишем несколько схем, предполагая, что используются четырёхквадрантные электронные преобразователи, способные пропускать энергию в обоих направлениях.
#Гибридные трансформаторы классифицируются по методу, которым электронный преобразователь добавляет мощность в низковольтную сеть. Здесь возможны, например, последовательное включение напрямик или через согласующий трансформатор, а также параллельное (шунтовое) подключение к выходной обмотке низкочастотного трансформатора.
НА ЛЮБОЙ ВКУС
Схема, изображённая на рис. 2, называется статическим синхронным компенсатором. Он позволяет подавлять гармоники сетевого напряжения, а также в небольшом диапазоне подстраивать напряжение и коэффициент мощности, вводя в низковольтную сеть реактивную мощность.
Электронный преобразователь может быть включён в схему и последовательно - как на среднем, так и на низком напряжении (рис. 3). Этот вариант тоже позволяет регулировать напряжение и коэффициент мощности.
Перечисленные конфигурации называются самоподдерживающимися. Они используют в качестве источника энергии лишь конденсаторы, а потому не способны вводить в сеть активную мощность. Для решения этой задачи можно воспользоваться, например, комбинированной конфигурацией с преобразователем переменного тока в переменный (рис. 4).
Все приведённые схемы при необходимости дополняются до трёх фаз. Стоит отметить, что в вариантах с прямым сопряжением электронный преобразователь имеет смысл включать в разрыв нейтрали, а не в разрыв фазы, тогда отпадёт необходимость его изолировать.
Мы рассмотрели лишь малую часть возможных конфигураций гибридных трансформаторов. Если читатели проявят к ним интерес, то мы в ближайшее время продолжим погружение в эту тему.
__________________________________
Спасибо за ваши комментарии и лайки. Нам важно, что вы нас читаете.
