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, а также в блоках питания средств связи и бортовых ЭВМ, требующих высокое качество питающего напряжения.

Широко известны тpехфазные инверторы, преобразующие напряжение постоянного тока в трехфазное напряжение переменного тока [1] Такие инверторы содержат, как правило, три инверторных модуля, в каждом из которых имеются однофазный трансформатор и сложная система управления силовыми ключами для синтезирования на выходе трехфазного инвертора трехфазного выходного напряжения. Все инверторные модули включены по цепи питания параллельно.

К недостаткам таких инверторов можно отнести сравнительно низкие удельные показатели, наличие сложной системы управления ключами, децентрализованную структуру построения преобразователя и т.д.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является трансформатор [2] состоящий из трех отдельных тороидальных сердечников из магнитного материала прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), каждый из которых охвачен собственной выходной обмоткой, которые соединены друг с другом согласно-последовательно.

Основным недостатком такого трансформатора является невозможность с его помощью преобразовать однофазное входное переменное напряжение в трехфазное выходное переменное напряжение.

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 электрических машин систем навигации, а также средств связи и БЦЭВМ.

Цель достигается тем, что в трехфазном трансформаторе инверторного модуля, содержащем три тороидальных сердечника из магнитного материала с ППГ, каждый из которых охвачен выходными обмотками, сердечники трансформатора отличаются друг от друга по коэрцитивной силе Н_с согласно условиям Н_с2≥ 2Н_с1; Н_с3≥ 3Н_с1, где Н_с1, Н_с2, Н_с3 коэрцитивные силы соответственно первого, второго и третьего сердечников; 2 и 3 граничные коэффициенты по коэрцитивной силе, и охвачены одновременно общей намагничивающей обмоткой, а указанные выходные обмотки сердечников разделены на три секции так, что первые выходные секции всех сердечников соединены друг с другом согласно-последовательно и образуют первую фазу трансформатора, вторые соединены друг с другом встречно-последовательно и образуют вторую фазу трансформатора, третьи соединены друг с другом встречно-последовательно и образуют третью фазу трансформатора. Все концы фаз собраны в общую точку.

Предложенное устройство позволяет преобразовать однофазное переменное напряжение в трехфазное посредством осуществления поочередного перемагничивания сердечников трансформатора, отличающихся только по коэрцитивной силе. При этом первым перемагничивается сердечник с меньшей коэрцитивной силой, затем с большей и т.д. до смены полярности входного напряжения.

При перемагничивании каждого сердечника в его выходных обмотках появляются импульсы напряжения, смещенные относительно соседнего сердечника по фазе на 60 эл.град. При включении выходных обмоток трехфазного трансформатора согласно фиг. 1 можно получить трехфазное напряжение, каждая фаза которого смещена относительно соседней на 120 эл.град.

Был изготовлен макет и сняты осцилограммы, подтверждающие достоверность результатов исследований.

Таким образом, предложенный трансформатор в составе инверторного модуля выгодно отличается по массе, габаритам и надежности от известных.

На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема трехфазного трансформатора; на фиг.2 представлены ППГ всех сердечников; на фиг.3 эпюры напряжений выходных обмоток трехфазного трансформатора.

Принципиальная электрическая схема трехфазного трансформатора TV (фиг.1) состоит из трех тороидальных сердечников 1, 2, 3 из магнитного материала с ППГ, отличающихся друг от друга по коэрцитивной силе, определяемой согласно условиям Н_с2 ≥ 2Н_с1; Н_с3 ≥ 3Н_с1 каждый из которых охвачен тремя выходными обмотками W_21a, W_21b, W_21c (W_22a, W_22b, W_22c), (W_23a, W_23b, W_23c), а все сердечники охвачены общей намагничивающей обмоткой W₁. Причем первые выходные обмотки всех сердечников (W_21a, W_22a, W_23a) соединены друг с другом согласно-последовательно и образуют первую фазу трехфазного трансформатора, вторые выходные обмотки всех сердечников (W_21b, W_22b, W_23b) соединены друг с другом встречно-последовательно и образуют вторую фазу трансформатора, третьи выходные обмотки всех сердечников (W_21c, W_22c, W_23c) соединены друг с другом встречно-последовательно и образуют третью фазу трансформатора. Все концы фаз собраны в общую точку.

На фиг. 1, 2, 3 приняты следующие обозначения: U напряжение постоянного тока, TV трансформатор, Z_A, Z_B, Z_C фазная нагрузка трансформатора, 1 (2), (3) номер сердечника, А, В, С номер и наименование фазы, Н_с коэрцитивная сила, U_A, U_B, U_C мгновенное напряжение фаз, U_вх знакопеременное прямоугольное напряжение с выхода инвертора, ω t текущая фаза.

Трансформатор работает следующим образом. При подаче на намагничивающую обмотку W₁ трансформатора TV знакопеременного (например, прямоугольного) напряжения U с выхода инвертора по обмотке W₁ начинает протекать ток i, создается намагничивающая сила F₁ iW, которая осуществляет поочередное перемагничивание сердечников трансформатора. При этом во всех выходных обмотках трансформатора поочередно возникают выходные импульсы ЭДС прямоугольной формы, образующие фазы А, В, С, сдвинутые относительно друг друга на 120 эл. град.

С целью выяснения процесса преобразования однофазного напряжения на выходе инверторного модуля в трехфазное напряжение на выходе трансформатора рассмотрим основные режимы его работы: режим холостого хода и режим нагрузки.

Режим холостого хода (Z_A=Z_b=Z_C= ∞).

Эффект поочередного перемагничивания сердечников магнитопровода трансформатора TV основан на использовании магнитных материалов, отличающихся друг от друга по коэрцитивной силе (фиг.2). В этом случае при подключении к намагничивающей обмотке W₁ прямоугольного напряжения с амплитудой U возникающая в магнитопроводе магнитодвижущая сила F₁достигает величины, достаточной для поочередного перемагничивания сердечников 1, 2, 3.

Если не учитывать потери напряжения на рассеяние, то согласно электромагнитному закону для положительного (отрицательного) полупериода работы инвертора электромагнитный процесс в трехфазном трансформаторе может быть описан системой уравнений (для мгновенных значений)
(2) где α_gi= W21

W21 μ_gi дифференциальная индуктивность обмотки W₁ от перемагничивания i-го сердечника; S сечение сердечника; l длина сердечника; i _μi ток намагничивания i-го сердечника; e_1i* противоЭДС в обмотке W₁ от перемагничивания i-го сердечника.

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

Тогда выражения для определения противоЭДС в намагничивающей обмотке e₁₁*, e₁₂*, e₁₃* имеют вид
e*1

₁= U; (3)
e*1₂= U; (4)
e*1₃= . (5)
Зная величины e₁₁*, e₁₂* e₁₃*, в любой момент времени не трудно определить все выходные напряжения фаз трехфазного трансформатора согласно второму, третьему и четвертому уравнениям системы (1).

Примем в качестве аппроксимирующей кривой ППГ зависимость вида Bα arctg β [H H_c] где α β коэффициенты аппроксимации; Н текущая напряженность; Н_c коэрцитивная сила.

Следовательно, выражение для дифференциальной проницаемости принимает вид
μ_gi= (6)
Анализ выражения (6) показывает, что для μ_g существует условие
μ_gi≈ (7) т.е. на горизонтальных участках ППГ μ_g 0, а на вертикальных μ_gi μ_gmax. Пусть исходное состояние всех сердечников соответствует значениям B_r1 B_r2 B_r3 (фиг.2). Тогда с появлением тока i в обмотке W₁амплитуда его скачком принимает значение, равно i_xx I_c1. Скачок тока происходит вследствие того, что для всех сердечников μ_gi 0, т.е. реактивное сопротивление обмотки отсутствует либо близко к нулю.

Происходит перемагничивание сердечника 1.

Выражение (2) с учетом Н_с1 ≅ Н i_xx W₁< < H_c2 < H_c3, где μ_g1>> μ_g2 >> μ_g3, имеет вид
≈ 0 (8)
Следовательно, после интегрирования выражения (8) получают
i_xx= const I_c1= при HH_c1. (9)
Из выражений (8) и (9) следует вывод о том, что ток холостого хода i_хх в обмотке W₁ трансформатора TV на время перемагничивания любого из сердечников остается неизменным во времени и изменяется скачком в сторону увеличения по окончании намагничивания.

Однако последнее утверждение не противоречит электромагнитному закону применительно к сердечнику 1 или
U _e*1

₁= так как противоЭДС e₁₁* в обмотке вырабатывается здесь в основном из-за резкого возрастания дифференциальной индуктивности α_g1 на вертикальном участке ППГ, где _→ ∞
Все другие противоЭДВС e₁₂* и e₁₃* на время перемагничивания сердечника 1 равны нулю, т.е. согласно выражениям (3), (4), (5)
e*1₁= U UU;
e*1₂= U 0·U=0;
e*1₃= U O·U 0.

Время перемагничивания сердечника определяют согласно выражению
t₁=
В выходные обмотки W_21a, W_21b, W_21c трансформируется напряжение
U_21a= _ e*1

₁; U_21b= e*1₁; U_21c= _ e*1₁, где e₁₁* U.

Перемагничивание сердечника 2.

После насыщения магнитного материала сердечника 1 его μ_g _→ 0. При этом ток i_хх вновь скачком принимает значение, равное i_xx I_c2, достаточное для намагничивания сердечника 2. Далее процесс намагничивания происходит аналогично рассмотренному выше.

Тогда имеют
e₁₁* 0; e₁₂* U; e₁₃* 0;
t₂=
U_22a= _ e*1

₂; U_22b= e*1₂; U_22c= e*1₂, где e₁₂* U.

Перемагничивание сердечника 3.

Процесс перемагничивания аналогичен рассмотренному выше, где
e₁₁* 0, e₁₂* 0, e₁₃* U; t₃= W₁ а для выходных напряжений
U_23a= e*1

₃; U_23b= e*1₃; U_23c= e*1₃, где e₁₃* U.

При включении выходных обмоток W_21a, W_22a, W_23aсогласно-последовательно на их концах появляется напряжение фазы А (фиг.3б) U_А. При включении выходных обмоток W_21b, W_22b, W_23bвстречно-последовательно на их концах появляется напряжение фазы В (фиг.3в), смещенное относительно напряжения фазы А на 120 эл.град, U_B. При включении выходных обмоток W_21c, W_22c, W_23c встречно-последовательно на их концах появляется напряжение фазы С (фиг.3г), смещенное относительно напряжения фазы В на 120 эл.град, U_c.

Форма синтезируемого выходного напряжения всех фаз определяется коэффициентом трансформации по каждому сердечнику, количеством параллельно включенных сердечников (под общую обмотку), а также временем перемагничивания сердечника (сечением сердечника). Варьируя этими параметрами, можно добиться получения трехфазного напряжения высокого качества.

Режим нагрузки (Z_нА Z_нВ Z_нС ≠ 0).

Система уравнений для мгновенных значений напряжений трансформатора в режиме нагрузки имеет вид

Система уравнений для мгновенных токов в цепях трансформатора согласно закону полного тока имеет вид (так как W₁ и i общие для всех сердечников)

Анализ показал, что совместно решить эти системы уравнений в общем виде трудоемкая задача. Поэтому было принято допущение, что все уравнения имеют линейные постоянные коэффициенты, принимающие два значения либо α _gi α _gmax, либо α _gi 0. Тогда все токи и напряжения для трансформатора с магнитопроводом из магнитного материала с ППГ могут быть найдены как и в предыдущем случае поэтапно: от перемагничивания сердечника 1, от перемагничивания сердечника 2, от перемагничивания сердечника 3.

Используя операторный метод расчета и опуская промежуточные преобразования выражения для токов и напряжений трехфазного трансформатора, имеют при перемагничивании k-го сердечника

Общий ток в первичной цепи
i(t) + b1 e+ e, где а_k [K_kа² Z_нВ Z_нС + K_kв² Z_нА Z_нС + K_kс² Z_нАх Z_нВ]
b_k Z_нА Z_нВ Z_нС;
с_k [K_ка² Z_вх Z_нВ Z_нС + K_kв² Z_вх Z_нА Z_нС + К_kс² Z_вх Z_нА Z_нВ + +Z_нА Z_нВ Z_нС]
N_k Z_вх Z_нА Z_нВ Z_нС;
K_KA= K_KB= K_KC=
Анализ уравнений показывает, что при симметричной нагрузке эффект поочередного перемагничивания сердечников не нарушается, а на выход трансформатора трансформируется трехфазное напряжение.

Таким образом, предложенный трансформатор позволяет осуществить преобразование однофазного входного напряжения переменного тока в трехфазное выходное напряжение.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике и трансформаторостроению. Цель изобретения уменьшение массы и габаритов и повышение надежности трехфазных инверторов. Трехфазный трансформатор состоит из трех тороидальных сердечников 1, 2, 3 из магнтиного материала с прямоугольной петлей гистерезиса, отличающихся друг от друга по коэрцитивной силе, определяемой согласно условиям H_c2 ≥ 2H_c1; H_c3≥ 3H_c1, каждый из которых охвачен тремя выходными обмотками W_21a, W_21b, W_21c(W_22a, W_21b, W_21c), (W_23a, W_23b, W_23c), а все сердечники одновременно охвачены общей намагничивающей обмоткой W₁. Причем первые выходные обмотки всех сердечников W_21a, W_22a, W_23a соединены друг с другом согласно-последовательно и образуют первую фазу трехфазного трансформатора, вторые выходные обмотки всех сердечников (W_21b, W_22b, W_23b) соединены друг с другом встречно-последовательно и образуют вторую фазу трансформатора, третьи выходные обмотки всех сердечников (W_21c, W_22c, W_23c) соединены друг с другом встречно-последовательно и образуют третью фазу трансформатора. Все концы фаз собраны в общую точку. Указанная совокупность признаков позволяет осуществить в магнитопроводе трансформатора процесс поочередного перемагничивания сердечников 1, 2, 3 и осуществить преобразование однофазного напряжения в трехфазное, что значительно упрощает конструкцию трехфазных инверторов. 3 ил.

ТРЕХФАЗНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР, содержащий три тороидальных сердечника из магнитного материала с прямоугольной петлей гистерезиса, каждый из которых охвачен собственной выходной обмоткой, отличающийся тем, что сердечники трансформатора выполнены с различной коэрцитивной силой H_c определяемой из условий
H_c2 ≥ 2H_c1, H_c3 ≥ 3H_c1,
где H_c1, H_c2, H_c3 коэрцитивные силы соответственно первого, второго, третьего сердечников,
и охвачены одновременно общей намагничивающей обмоткой, 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 трехфазного трансформатора, вторые и третьи - встречно-последовательно и образуют соответственно вторую и третью фазы трансформатора.