Выбор схемы виу для работы в резонансном режиме с.Г. Конесев, а.В. Мухаметшин, р.В. Кириллов

(Уфимский государственный нефтяной технический университет)

При проектировании высоковольтной испытательной установки (ВИУ) для диагностирования изоляции обмоток высоковольтных электродвигателей стоит задача выбора наиболее оптимального схемотехнического решения. В работе [1] предложены ВИУ работающие в резонансных режимах, с созданием резонанса в первичной цепи, что позволяет использовать установки для испытания изоляции объектов большой и малой емкости. Рассмотрим две основные схемы включения конденсатора в первичной цепи для создания резонанса напряжений и произведем оценку и выбор наиболее эффективной схемы.

На рисунке 1 и 2 показаны исследуемые схемы. Рисунок 1 – схема №1 с последовательным соединением дросселя L_др, конденсатора С и первичной обмотки трансформатора L_тр.1. Рисунок 2 – схема №2 с параллельным соединением конденсатора С и первичной обмотки трансформатора L_тр.1.

Рисунок 1 – Схема №1 Рисунок 2 – Схема №2

К ВИУ предъявляются нормативно технические требования, которые определяют величину испытательного напряжения промышленной частоты от 1 до 16 кВ, и мощность установки до 5 кВ·А [2]. Для данных требований, был спроектирован высоковольтный трансформатор, работающий в резонансном режиме. Расчетные параметры трансформаторы приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Расчетные параметры трансформатора

Индуктивность первичной обмотки Lтр1, Гн	Индуктивность вторичной обмотки Lтр2, Гн	Активное сопротивление первичной обмотки Rтр, Ом	Активное сопротивление вторичной обмотки Rтр, Ом	Число витков первичной обмотки, w1	Число витков вторичной обмотки, w2
0.368	28.823	8.499	513.910	613	5516

Параметры первичной обмотки трансформатора, полученные расчетным путем при проектировании трансформатора будем использовать в дальнейших расчетах.

Условием резонанса напряжений в последовательной цепи, содержащей индуктивность и емкость является равенство X_L=X_C.

Для схемы №1 имеем:

- Резонансная частота

(1)

- Индуктивность дросселя

; (2)

- Активное сопротивление дросселя

; (3)

где - удельное электрическое сопротивление;

S_пр.- сечение медного провода;

w₁- число витков дросселя;

L_ср.др.- средняя длина одного витка обмотки дросселя.

Схема №2 содержит последовательное соединение дросселя с конденсатором, а конденсатор соединен параллельно первичной обмотке трансформатора.

Для схемы №2 по условию резонанса получим уравнение

(4)

Решая уравнение (4) относительно частоты получаем частоты, соответствующие резонансу напряжений и резонансу токов.

Для исследуемых схем резонансная частота равна частоте тока промышленной сети, т.е. 50 Гц.

Из уравнения (4) выведем для схемы №2 зависимость индуктивности дросселя от параметров цепи в режиме резонанса и получим уравнение

(7)

Активное сопротивление дросселя схемы №2 определяется формулой

; (8)

где - удельное электрическое сопротивление;

S_пр.- сечение медного провода;

w₁- число витков дросселя;

L_ср.др.- средняя длина одно витка обмотки дросселя.

Из уравнения (2) видно, что значение индуктивности дросселя в режиме резонанса для схемы №1 определяется значениями емкости конденсатора и индуктивности трансформатора, .

Из уравнения (7) видно, что значение индуктивности дросселя в режиме резонанса для схемы №2 определяется значениями емкости конденсатора, индуктивности и активного сопротивления трансформатора, .

Выбор наиболее оптимального схемотехнического решения ВИУ из двух рассматриваемых схем подразумевает определение оптимального соотношения и для обеих схем. Для этой цели необходимо построить зависимость для исследуемых схем.

Для схемы №1 получим уравнение:

(9)

Для схемы №2 получим уравнения:

а) для резонанса напряжений:

(10)

б) для резонанса токов:

(11)

На рисунке 3 и 4 по выражениям (9), (10) и (11) построены зависимости для исследуемых схем.

Рисунок 3 ‒ График зависимости С=ʄ(Lдр) 1− схема №1	Рисунок 4 ‒ График зависимости С=ʄ(Lдр) 1− схема №2, резонанс напряжений 2− схема №2, резонанс токов

Из полученных графиков следует, что для работы в резонансных схемах ВИУ при известных параметрах трансформатора (таблица №1) емкость конденсатора должна находиться в диапазоне от 2,8 мкФ до 126 мкФ. Отечественная промышленность выпускает серийно высоковольтные конденсаторы с комбинированным диэлектриком серии К75-40 с диапазоном номинальных емкостей от 20 до 100 мкФ, на номинальное напряжение от 1600 до 5000 В. Данный вид конденсаторов характеризуются малым внутренним сопротивлением, допускает соединение в батареи и может эксплуатироваться на частотах до 50 Гц и предназначен для работы в качестве накопителей энергии в импульсных режимах в составе встроенных элементов внутреннего монтажа в специальной аппаратуре [1]. Конденсаторы этой серии изготавливаются во всех климатических исполнениях, их основные характеристики приведены в таблице 2, 3 [2].

Таблица 2 ‒ Технические характеристики конденсаторов К75-40

Параметр	Uном, В	Сном, мкФ	Тангенс угла потерь (макс.)	Сопротивление изоляции (мин.), МОм	Интервал рабочих температур, 0C	Амплитуда тока разрядки, А	Наработка, имп.
Значение	750÷5000	2÷100	0,008	15000	-60÷ +70	75÷4000	105

Таблица 3 ‒ Массогабаритные показатели конденсаторов К75-40

Номинальная ёмкость, мкФ	Номинальное напряжение, В
	1600	2000	2500	3000	4000	5000
	L×B×H, мм/масса, г
20	86×26×141 530		86×31×141 750	105×35×170 995	105×65×170 2000	105×90×170 2480
40	86×46×141 1000		86×66×141 1400	105×65×170 2000	105×110×170 3300	105×170×170 4550
60	86×66×141 1300		86×86×141 1900	105×90×170 2750	105×170×170 5000	-
80	86×81×141 1800	86×91×141 2050	86×111×141 2350	105×120×170 3750	-	-
100	86×101×141 1915	86×111×141 2145	86×141×141 3000	105×150×170 3955	-	-

Для реализации резонансного режима в рассматриваемых схемах определили оптимальное соотношение и (таблица 4).

Таблица 4 – Результаты определения оптимального соотношения

Схема	С, мкФ	Lдр, Гн	Rдр, Ом
№1	20	0.151	1.210
№2	60	0.318	1.756

Для исследуемых схем построим осциллограммы напряжений в резонансном режиме.

Uс,Uтр

Рисунок 5 ‒ Осциллограммы напряжений Рисунок 6 ‒ Осциллограммы напряжений

резонансного режима схемы №1 резонансного режима схемы №1

U_др− напряжение на дросселе; U_др− напряжение на дросселе;

U_с− напряжение на конденсаторе; U_с− напряжение на конденсаторе;

U_тр− напряжение на трансформаторе; U_тр− напряжение на трансформаторе;

U_сети− напряжение сети. U_сети− напряжение сети.

В результате исследования схем получили следующие данные, приведенные в таблице 5.

Таблица 5 ‒ Результаты расчета

Схема	Добротность,Q	Uтр, В	Uдр, В	Uc,В
1	11.552	2253.23	950.80	3197.32
2	11.735	2288.14	2283.43	2283.20

По полученным данным построим диаграмму напряжений для исследуемых схем, показывающую распределение напряжения на элементах цепи (рис. 7).

Рисунок 7 ‒ Диаграмма напряжений схем №1 и №2

Масса обмотки дросселя для схемы №1 меньше на 31% чем для схемы №2, а масса конденсатора меньше на 27%. Следовательно, наиболее оптимальным схемотехническим решением для реализации ВИУ является схема с последовательным соединением дросселя L_др, конденсатора С и первичной обмотки трансформатора L_тр.1.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Конесев С.Г., Мухаметшин А.В., Хазиева Р.Т., Стрижев Д.А. Новые схемотехнические решения резонансной высоковольтной испытательной установки // Межвузовский сборник научных трудов «Инновационные направления развития электропривода, электротехнологий и электрооборудования».‒ Уфа, УГНТУ, 2012.‒ С.178‒183.

2. РД-19.100.00-КТН-062-10 – Правила технического диагностирования и освидетельствования механо-технологического оборудования. Методики технического диагностирования механо-технологического оборудования: «Институт по проектированию магистральных трубопроводов (ОАО «Гипротрубопровод»). Документ входит в состав отраслевого информационного фонда ОАО «АК «Транснефть»

3. Кравченко Т. Импульсные высоковольтные конденсаторы К75-40 // Научно-технический журнал «CHIP NEWS Украина» / Силовая электроника, источники питания. Киев, №2, 2006г.-120с.

4. Официальный сайт компании ОАО «ЗАВОД «МЕЗОН» [Электронный ресурс]/ Режим доступа: http://www.meson-factory.com/, свободный. –загл. с экрана.-Яз.рус.

УДК 621.31:658.58:004.89