ТРЕХФАЗНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР Российский патент 1995 года по МПК H01F30/14 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в высокочастотных блоках электропитания электропривода систем навигации, управления автономных объектов.

Широко известны трехфазные инверторы, преобразующие напряжение постоянного тока в трехфазное напряжение переменного тока [1]
Такие инверторы содержат три инверторных модуля, в каждом из которых имеется однофазный трансформатор, и сложную систему управления силовыми ключами для синтезирования трехфазного напряжения.

К недостаткам таких инверторов можно отнести следующие факторы: сравнительно низкие массогабаритные показатели, сложная система управления ключами, децентрализованная структура построения преобразователя.

Известны также трехфазные трансформаторы [2] где для трансформации трехфазного тока используют три однофазных трансформатора, которые включаются по отдельности в каждую фазу трехфазной сети. Ча ще, однако, применяются трехфазные трансформаторы с общим для всех фаз сердечником, так как такие трансформаторы стержневого типа компактнее и дешевле.

Идея образования трехфазного трансформатора стержневого типа показана в [2] (см. стр.232, рис.12-4).

По принципу действия все указанные трансформаторы работают только при наличии трехфазной входной сети, для получения которой в бортовой СЭС требуется либо электромашинный генератор, либо трехфазные инверторы на основе параллельного включения трех однофазных модулей со сложной системой управления с питанием от химических источников тока или солнечных батарей. Такие СЭС, как правило, имеют сравнительно низкие удельные показатели. В то же время анализ показывает, что в последние годы наибольшее распространение получают высоковольтные СЭС постоянного тока с высокочастотным преобразованием и централизованной структурой построения вторичных источников электроэнергии.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является [2] трехфазный трансформатор, собранный из отдельных сердечников, каждый из которых охвачен собственной намагничивающей и выходной обмотками для работы от трехфазной входной сети. Основным недостатком такого трехфазного трансформатора является невозможность его работы от однофазной входной сети переменного тока, т.е. невозможность преобразования однофазного напряжения в трехфазное.

Целью изобретения является уменьшение массы и габаритов, а также повышение надежности работы трехфазных инверторов посредством преобразования однофазного напряжения с выхода инверторного модуля в трехфазное напряжение переменного тока для питания высокоскоростных гироскопических электрических машин, а также средств связи и управления автономным объектом.

Поставленная цель достигается тем, что в трехфазном трансформаторе, содержащем три отдельных сердечника, каждый из которых охвачен собственной намагничивающей и выходной обмотками, сердечники трансформатора выполнены тороидальными из материала с прямоугольной петлей магнитного гистерезиса с различным сечением, определяемым из условий
S₁ ≅ S₁ ≅ где S₁, S₂, S₃ сечения соответственно первого, второго и третьего сердечников;
1,2 и 2,4 граничные коэффициенты сечения сердечников;
при этом намагничивающие обмотки каждого сердечника соединены друг с другом согласно-последовательно и имеют разное число витков, определяемое из условий
W₁₁ ≥ 1,2W₁₂; W₁₁ ≥ 2,4W₁₃, где W₁₁, W₁₂, W₁₃ число витков намагничивающих обмоток;
1,2 и 2,4 граничные коэффициенты количества витков обмоток,
а выходные обмотки сердечников разделены на три секции так, что первые выходные секции обмоток сердечников соединены друг с другом согласно-последовательно и образуют первую фазу трансформатора, вторые и третьи встречно-последовательно и образуют соответственно вторую и третью фазы трансформатора. Предлагаемое устройство позволяет добиться в разветвленной магнитной цепи одного из условий наблюдаемости "эффекта" поочередного перемагничивания (без нарушения этой очередности) всех сердечников трансформатора сначала первого, затем второго, затем третьего в любой из полупериодов работы инвертора. При этом при перемагничивании К-го сердечника в его выходные обмотки трансформируются ЭДС, смещенные по оси времени на 60 эл. градусов относительно выходных импульсов (К-1) сердечника. При включении выходных обмоток трехфазного трансформатора можно получить трехфазное напряжение, каждая фаза которого смещена относительно соседней на 120 эл. градусов. С целью проверки основных теоретических выкладок по предлагаемому устройству был изготовлен макет и сняты осциллограммы, подтверждающие достоверность результатов исследований.

Опыты показали, что при изготовлении трансформатора следует прежде всего добиться "эффекта" поочередного перемагничивания сердечников в нужной последовательности и с требуемым временем их перемагничивания. Это достигается изменением числа витков в намагничивающих обмотках и сечения сердечников и контролируется либо двух, либо трехканальным осциллографом. Затем, подключив к осциллографу поочередно выходные фазные обмотки трансформатора, изменяют число витков по каждому сердечнику и добиваются требуемой формы выходного напряжения и его амплитуды согласно методики, изложенной, например, в [1]
На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема трехфазного трансформатора; на фиг.2 представлены эпюры напряжений в выходных обмотках трехфазного трансформатора.

Принципиальная электрическая схема трехфазного трансформатора TV (cм. фиг. 1) состоит из трех тороидальных сердечников 1, 2, 3 разного сечения, определяемого согласно условий S₁ ≅ S₂/1,2; S₁ ≅ S₃/2,4, из магнитного материала с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), каждый из которых охвачен намагничивающей W₁₁ (W₁₂, W₁₃) и тремя выходными обмотками W_21A, W_21B, W_21C (W_22A, W_22B, W_22C), (W_23A, W_23B, W_23C). При этом намагничивающие обмотки каждого сердечника соединены друг с другом согласно-последовательно (W₁₁-W₁₂-W₁₃) и имеют разное число витков, определяемое согласно условий: W₁₁≥ 1,2W₁₂; W₁₁≥ ≥2,4W₁₃. Каждая первая выходная обмотка всех сердечников W_21A, W_22A, W_23A соединена с другой согласно-последовательно и образует первую фазу трехфазного трансформатора, каждая вторая выходная обмотка всех сердечников W_21В, W_22В, W_23В соединена с другой встречно-последовательно и образует вторую фазу трехфазного трансформатора, каждая третья выходная обмотка всех сердечников W_21С, W_22С, W_23С соединена с другой всречно-последовательно и образует третью фазу указанного трансформатора.

На фиг.1 и 2 обозначено: U напряжение; Н инвертор; ТV трансформатор; Z_A, Z_B, Z_C фазная нагрузка трансформатора; 1, 2, 3 номер сердечника; U_A, U_B, U_C синтезируемое мгновенное квазисинусоидальное фазное напряжение; ω t текущая фаза напряжения.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При подаче на обмотку W₁ (W₁₁, W₁₂, W₁₃) трансформатора TV знакопеременного однофазного прямоугольного напряжения (меандра) U₁ с выхода инвертора преобразователя по обмоткам W₁ начинает протекать ток и образуются магнитодвижущие силы F₁₁=I₁W₁₁; F₁₂=I₁W₁₂; F₁₃=I₁W₁₃, которые осуществляют поочередное намагничивание сердечников трансформатора. При этом в каждом сердечнике 1, 2, 3 трансформатора TV появляется знакопеременный во времени магнитный поток, а во всех обмотках трансформатора возникают электродвижущие силы (ЭДС).

С целью выяснения процесса преобразования однофазного входного напряжения прямоугольной формы в квазисинусоидальное трехфазное выходное напряжение рассмотрим два основных режима работы предлагаемого устройства: режим холостого хода (Х-Х) и режим нагрузки.

1. Режим холостого хода (Z_A=Z_B=Z_C ∞)
"Эффект" поочередного перемагничивания сердечников трансформатора TV достигается посредством применения в немагничивающей обмотке W₁разного числа витков W₁₁ ≠ W₁₂ ≠ W₁₃ при идентичности параметров сердечников B_S1=B_S2=B_S3, l₁=l₂=l₃, Н_с1=H_с2=H_с3, где B_S индукция насыщения, Тл; l средняя длина сердечника, м; Н_с коэрцитивная сила, а/м. Все сердечники имеют прямоугольную петлю магнитного гистерезиса (ППГ).

Тогда согласно закону полного тока в сердечниках трансформатора TV, охваченных обмотками W₁₁, W₁₂, W₁₃, по которым протекает общий ток I₁, возникают напряженности электромагнитного поля согласно выражениям
H₁₁;H₁₂; H₁₃.

Первым начнет перемагничиваться тот сердечник, у которого текущая напряженность Н_1i ≥ H_ci, где i номер сердечника.

Пусть W₁₁>W₁₂>W₁₃, тогда первым начнет перемагничиваться первый сердечник, так как Н₁₁ ≥ Н_с1. К обмотке W₁₁ прикладывается все напряжение U₁.

На время перемагничивания первого сердечника все другие сердечники не перемагничиваются. Это происходит по той причине, что для второго и третьего сердечников Н₁₂<Н_с2; Н₁₃<Н_с3. Покажем это.

Пусть ток I₁, протекающий по обмоткам, достиг величины, достаточной для перемагничивания первого сердечника I₁=I_c1= . Тогда с учетом разности витков W₁₁>W₁₂>W₁₃, равенства l₁=l₂=l₃, Н_с1=Н_с2=Н_с3 получим
I₁=I_c1= откуда
H₁₂=H_c1 < H_c2 (где W₁₁>W₁₂);
H₁₃=H_c1 < H_c3 (где W₁₁>W₁₃).

Последние выражения показывают, что условия для намагничивания второго и третьего сердечников не созданы.

Только после перемагничивания первого сердечника ток I₁ в первичной обмотке возрастает до значения
I₁= I_c2 начинает перемагничиваться второй сердечник, затем по очереди третий сердечник.

При смене полярности входного напряжения U₁ процесс поочередного перемагничивания сердечников повторяется в той же последовательности, но уже в обратную сторону от +В_s к -B_s. В процессе поочередного перемагничивания сердечников в выходных обмотках трансформатора TV, W_21A, W_22B, W_23A (W_21B, W_22B, W_23B), (W_21C, W_22C, W_23C) наводятся ЭДС с полярностью и по величине, зависящей от направления намотки обмоток и числа витков.

При включении всех выходных обмоток по схеме "Звезда" с нулевым проводом согласно принципиальной электрической схемы (см. фиг.1) можно получить квазисинусоидальное трахфазное выходное напряжение (см. фиг.2). Если не учитывать потери напряжения на рассеяние и активных сопротивлений обмоток, то согласно электромагнитному закону для положительного полупериода работы инвертора электромагнитный процесс в трансформаторе TV может быть описан системой уравнений
U₁=(Lg₁+Lg₂+Lg₃) -(l*1

₁+l*1₂+l*1₃);
u_A - l*1₁+ l*1₂+ l;
u_B -- l*1₁- l*1₂+ l;
(1)
u_C - l*1₁- l*1₂- l;
i₁= i_xx где Lg₁= W21₁ W21₁ μg₁ дифференциальная индуктивность обмотки от перегмагничивания сердечника 1;
Lg₂= W21₂ μg₂ дифференциальная индуктивность обмотки от перемагничивания сердечника 2;
Lg₃= W21₃ μg₃ дифференциальная индуктивность обмотки от перемагничивания сердечника 3;
ϑ потокосцепление;
μg дифференциальная проницаемость магнитного материала;
S сечение сердечника.

Из первого уравнения системы (1) получим выражение для скорости изменения тока холостого хода во времени, т.е.

(2)
Тогда с учетом (2) и вышеизложенных пояснений выражения для определения составляющих противоЭДС (l₁₁*, l₁₂*, l₁₃*) в намагничивающей обмотке W₁ от перемагничивания идентичных сердечников 1, 2, 3
l*1

₁= U₁= U₁ (3)
l*1₂= U₁= U₁; (4)
l*1₃= U₁= U₁; (5)
Зная величины l₁₁*, l₁₂*, l₁₃* в любой момент времени процесса трансформации не трудно определить все другие ЭДС трансформатора TV.

Примем в качестве аппроксимирующей кривой ППГ зависимость В= α arcrg β (H-H_c), где Н текущая напряженность поля под катушкой; α и β коэффициенты; Н_с коэрцитивная сила. Следовательно
μg (6)
Анализ (6) показывает, что если используется магнитный материал с ППГ, то справедливо условие
μg_i ≈ _{i=1,2,3,...,n,}
т.е. на горизонтальных участках ППГ μ gi ≈ 0, а на вертикальных μ gi-> ∞
Рассмотрим процесс поочередного перемагничивания сердечников магнитопровода более подробно.

Пусть исходное состояние сердечников трансформатора соответствует состоянию -Вr₁, -Br₂, -Br₃. Тогда с появлением тока в намагничивающей обмотке W₁, амплитуда его скачком принимает значение, равное I_c1= . Скачок тока происходит вследствие того, что все сердечники имеют μ_i ≈ 0, т.е. их реактивное сопротивление отсутствует, либо близко к нулю. При достижении i_хх=I_с1 начинает перемагничиваться сердечник 1, а на время его перемагничивания амплитуда i_xx=I_c1=const и не достаточна для перемагничивания сердечника 2 и 3. Происходит следующее:
а) Пеpемагничивание сердечника 1. Выражение (2) и (3) с учетом μg_i= ∞, μg₂=0, μg₃=0 будет иметь вид
0; (8)
l*1

₁= U₁= U₁=U₁. (9)
Следовательно, после интегрирования (8) получим
l_xx=const=I_c1 (10)
Из (8) и (10) следует, что ток холостого хода i_xx в обмотке W₁трансформатора TV на время перемагничивания сердечника 1 остается практически неизменным по амплитуде.

В выходные обмотки W_21A, W_21B, W_21C трансформируется напряжение, равное (см. фиг.2)
u_21A= l*1

₁;
u_21B= l*1₁;
u_21C= l*1₁, где l*1₁=U₁.

(11)
Все другие противоЭДС l₁₂* и l₁₃* на время перемагничивания сердечника 1 равны нулю, а это время может быть определено согласно выражению
t₁= (12)
б) Перемагничивание сердечника 2. После насыщения магнитного материала сердечника 1 его дифференциальная индуктивность вновь становится практически равной нулю. При этом i_хх вновь скачком принимает значение, равное i_xx=I_c2= , достаточное для намагничивания сердечника 2. Далее процесс намагничивания аналогичен рассмотренному выше. На время перемагничивания сердечник 2
l₁₁*=0; l₁₂*=U₁; l₁₃*=0, а само время равно
t₂= (13)
В выходных обмотках W_22A, W_22B, W_22C, охватывающих сердечник 2, формируются прямоугольные импульсы напряжения, равные по величине (см. фиг.2)
u_22A= l*1

₂;
u_22B= l*1₂;
u_22C= l*1₂, где l*1₂ U₁
(14)
в) Перемагничивание сердечника 3. Процесс перемагничивания аналогичен рассмотренному выше (см.фиг.2), где
i_xx= ; l₁₁*=0; l₁₂*=0; l₁₃*=U₁
t₃= (15)
В выходных обмотках W_23A, W_23B, W_23C формируются прямоугольные импульсы напряжения, равные по величине
u_23A= l*1₃;
u_23B= l*1₃;
u_23C= l*1₃, где l*1₃=U₁;
(16)
При смене полярности входного напряжения U процесс перемагничивания сердечников трансформатора повторится в той же последовательности, но перемагничивание происходит уже в обратном направлении (к исходному состоянию магнитного материала) от +В_ri к -В_ri, где1,2,3.

Во вторичных обмотках, включенных по схеме "звезда" с нулевым проводом с учетом заданного числа витков в каждой W_2ij (где i номер сердечника; j номер фазы), может быть получено трехфазное ступенчатое напряжение, близкое по форме к синусоиде (изменяя либо число витков W_2ij, либо сечение сердечника S_i), каждая фаза которого сдвинута на угол в 120^о (см. фиг.2).

2. Режим нагрузки (Z_A=r_A=Z_B=r_B=Z_c=r_c).

Пусть нагрузка по всем фазам трансформатора симметричная. Тогда режиму нагруженного трансформатора соответствует система уравнений для мгновенных значений напряжений
U=Lg + Lg₂ + lg₃ -(l*1

₁+l*1₂+l*1₃)
u_A=i_НА·r_A= - l*1₁+ l*1₂+ l;
u_B=i_НB·r_B= -- l*1₁+ l*1₂+ l;
^uC⁼ⁱНC^·rC⁼,
(17) где i_μi ток намагничивания.

Для мгновенных значений токов в электрических цепях трансформатора TV система уравнений имеет вид
iW₁₁= i_μ1 W₁₁+i_НАW₂₁-i_HBW₂₁+i_HCW₂₁;
iW₁₂= i_μ2 W₁₂+i_HAW₂₂-i_HBW₂₂-i_HCW₂₂;
iW₁₃= i_μ3 W₁₃+i_HAW₂₃+i_HBW₂₃-i_HCW₂₃,
(18) где i ток в первичной обмотке W₁ в режиме нагруженного трансформатора;
i_μi ток намагничивания.

Решая совместно системы уравнений (16) и (17), можно получить функции токов и напряжений трансформатора для любого момента времени.

Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что предлагаемое устройство целесообразно нагружать по фазам симметричной нагрузкой (электрические двигатели вентиляторов, гироскопов, выпрямительные устройства). В случае несимметрии возможны нарушения очередности перемагничивания сердечников и искажения формы кривой выходного напряжения.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к преобразовательной технике и трансформаторостроению. Сущность: трансформатор содержит три тороидальных сердечника 1, 2, 3 с прямоугольной петлей гистерезиса разного сечения, определяемого из условий, приведенных в тексте описания. При этом каждый из сердечников охвачен собственной намагничивающей обмоткой W₁₁, W₁₂, W₁₃ с числом витков, определяемым из условий W₁₁≥ 1,2 W₁₂, W₁₁≥ 2,4 W₁₃, соединенных друг с другом согласно-последовательно, и выходной обмоткой, разделенной на три секции так, что первые выходные секции обмоток сердечников соединены друг с другом согласно-последовательно и образуют первую фазу трансформатора, вторые и третьи встречно-последовательно и образуют соответственно вторую и третью фазы трансформатора. Благодаря использованию отдельных намагничивающих обмоток для каждого сердечника, последние перемагничиваются не одновременно, а поочередно, (друг за другом), а в выходных трехфазных обмоток возникают импульсы ЭДС-фаз, сдвинутых относительно друг друга на 120°. Таким образом, изобретение позволяет преобразовать однофазное напряжение в трехфазное. 2 ил.

ТРЕХФАЗНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР, содержащий три отдельных сердечника, каждый из которых охвачен собственной намагничивающей и выходной обмотками, отличающийся тем, что сердечники трансформатора выполнены тороидальными из материала с прямоугольной петлей магнитного гистерезиса с различным сечением, определяемым из условий
S₁ ≅ S₂/1,2,
S₁ ≅ S₃/2,4,
где S₁, S₂, S₃ сечения первого, второго и третьего сердечников соответственно,
при этом намагничивающие обмотки каждого сердечника соединены друг другом согласно-последовательно и имеют разное число витков, определяемое из условий
w₁₁ ≥ 1,2 w₁₂,
w₁₁ ≥ 2,4 w₁₃,
где w₁₁, w₁₂, w₁₃ число витков намагничивающих обмоток,
а выходные обмотки сердечников разделены на три секции так, что первые выходные секции обмоток сердечников соединены друг с другом согласно-последовательно и образуют первую фазу трансформатора, вторые и третьи встречно-последовательно и образуют соответственно вторую и третью фазы трансформатора.