捅一下“三相变单相”问题

一、“三相变单相”、“三相变二相”云云

俄国人说,1888年俄罗斯的多勃罗沃里斯基发明了三相系统,第二年又发明了三相变压器、三相感应电动机; 俄国人又说,1891年,世界上第一条 15KV、200KW、长达175KM 的输电线路在俄罗斯建成并投入运行.从此开始,工业电气化技术的发展步入了快车道.

在三相电力系统的背景下,中小功率的单相电力设备不断出现.这对当时尚捉襟见肘三相电网的负面影响也暴露出来了.于是,不知是不是俄国人又提出了“三相变单相”(以下简称“三变单”)问题.

“三相变二相”(以下简称“三变二”)问题肯定不是俄国人提出的.其解决方案之一“Scott变压器组”在1940年版的变压器手册“The Transformers Book”中就能找到,后来在法国、日本早期的电气化铁道中得到了成功的应用;除Scott方案外,还陆续出现了Lee-Blank、Wood-Bridge等方案;八十年代初同济大学把“三变二”问题概括为“平衡变压器”,对各种方案进行了深入、系统地理论分析,并推出了BLT1、BLT2等新方案.

与“三变二”问题相比,“三变单”问题不那么幸运,因而成了一个很古老的问题.

它的命题应该是:

对称三相电网通过一电气网络(三变单系统),或通过变压器(三变单变压器)对单相负荷供电,使之满足:

a. 电网的三相电流对称;

b. 一次性投入及综合技术性能优于“三相电动机-单相发电机组”.

大功率(达上万KVA)单相工频感应炉的供电方案是“三变单系统”的成功案例.但“三变单变压器”确是近一个世纪来始终悬而未决的问题.应强调的是,这儿的“三变单变压器”的界定是“纯变压器”,即没有任何储能元件,没有任何电力电子功能模块.否则就是“三变单系统”.

虽然随着电力电子技术的飞速发展,这个问题的迫切性已逐渐被淡化.但如果有谁真能提出一个切实可行、满足上述两个条件的“三变单变压器”方案,仍然有相当的市场,仍然能成为轰动国内外变压器制造业的大事!

遗憾的是,没有.这个“没有”是指国内外相关专业杂志上未见刊登过. 但广告里有,或在BBS论坛里能找到哪位高手的相关声明. 对此,下面的话我就不说了.

为 统一认识,这儿有必要插一下“平衡”与“对称”两个术语. “平衡”一词除了数学意义上的“方程式平衡”以外,在电工领域是能量、功率层面的术语.例如平衡变压器输出两端口的功率为使三相“对称”而保持的某种“平衡”;变压器中直接与功率传递相关的磁势平衡等.

三相系统的“对称”是指电压、电流、阻抗层面的术语.

若三相电网对称,符合以下特征,三相线电流才算“对称”:

1) 三相线电流的辐值或有效值相等;

2) 三个线电流的相位彼此相差120度;

3) 与产生它的三相线电压必需同相序.

至于构成对称电网的电压(势),除上述1、2外,还应符合“顺相序”要求.

二、“三变单系统”种种

1、R、L、C 网络.将R、L、C 三元件接成三角形投入三相电网,当L、C 的电抗分别是R 的 1.732 倍时,只要相序合适,R 就是单相负载,且三相对称,功率因数为 1.0 .工频感应炉就这么运行,容量达10 MVA 以上,见图1;

图一

2、 “V”型接法的三相变压器在初级两相间接一电容C,次级绕组串联接一功率因数为0.866的感性单相负载,当负载阻抗是容抗的1.732倍时,初级电流对称,功率因数为0.866(容性),见图2;

图2

3、在图2的基础上,A、B相间再增加一个电感L,次级负载为纯电阻.L、C 的电抗与折算到初级的电阻相等,则初级电流对称,其大小与折算到初级的电流相等,功率因数为1.0.

上述几方案在应用上的共同特点是:

a、对电网的相序、次级负载性质要求严格;

b、负载要固定.若负载变动,需相应切换储能元件参数.否则将引起初级电流不同程度的不对称.这一缺点方案2 尤为突出.

这就是上述几方案很难在中小功率场合普遍采用的重要原因.

在此说明,只要“三变单系统”里没有非线性元件(合理设计的磁系统在此视为线性),均可逆向运行.例如前苏联早期教科书里能找到上述方案1 的“单相变三相”电路图.

这一特征也适用作为“三变二”问题的平衡变压器.例如,本网站网友jiaoao介绍的“正弦、余弦变三相”的Scott变压器,此时“三变二”已变成“二变三”了.

三、“三变单变压器”——路在何方?

（一）、此路不通

套在三相铁心上的各个线圈之间的不同组合,可产生出不同的合成电势相量.这种相量的辐角可以是30度的任意整数倍,相量的大小可以通过改变线圈的圈数任意获得.

这种三相线圈电势的“相量可组合性”特征给“三变单变压器”的探索者们提供了丰富的想象空间——

拼凑一个单相端口,几乎有无穷多个方案……

总能找出很多个合适的方案……

初级三