ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ОДНОФАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ТРЕХФАЗНОЕ Российский патент 1996 года по МПК H02M5/14 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для электроснабжения трехфазных двигателей и других трехфазных потребителей от однофазных сетей, в частности коммунальных (бытовых).

Известны преобразователи однофазного напряжения в трехфазное, содержащие два конденсатора, резистор и три установленные на общем магнитопроводе катушки индуктивности, вторая из которых напрямую или через ключ началом присоединена к второй фазе нагрузки, а концом к второму выводу однофазной сети, первый вывод которой присоединен к третьей фазе нагрузки и напрямую, либо через ключ связан с первым выводом образованной первым конденсатором и резистором RC-цепи, которая связана вторым выводом с началом первой катушки индуктивности, соединенной концом с началом второй катушки. При этом начало третьей катушки присоединено к второму выводу однофазной сети, а конец третьей катушки к второму конденсатору, который другим выводом соединен с первой фазой нагрузки [1]
Для известных преобразователей рассматриваемого типа характерно последовательное соединение всех трех катушек индуктивности. В связи с этим разность потенциалов между крайними выводами образованного таким образом индуктивного элемента велика и в определенных режимах нагрузки появляются точки с потенциалами относительно нейтрали сети и корпуса преобразователя, превышающими допустимое значение, особенно применительно к бытовым приборам. Это снижает надежность указанных преобразователей.

Важнейшей особенностью преобразователей рассматриваемого типа является создание падений напряжений на элементах его электрической цепи, которые компенсируют искажение симметрии трехфазного выходного напряжения, вызванное изменениями тока и мощности нагрузки.

Однако известные преобразователи не обеспечивают достаточно полной компенсации искажений симметрии трехфазной системы напряжений. Причина этого прежде всего в том, что в известных преобразователях характер последовательной установки катушек индуктивности на общем магнитопроводе и их намотки приводит к определенной их взаимной удаленности в пространстве, вызывающей достаточно большое магнитное рассеяние. Поэтому в трехфазной системе выходных напряжений появляются искажения напряжений по модулю и фазе, приводящие к нарушениям симметрии. При этом степень влияния магнитного рассеяния на нарушение симметрии выходного трехфазного напряжения зависит от последовательности сложения напряжений на конденсаторе и катушке индуктивности, так как первое при большинстве реальных нагрузок больше второго. У известных преобразователей конденсатор в одной из фаз нагрузки присоединен непосредственно к выходу после связанной с ним катушки индуктивности, что усиливает вызываемое магнитным рассеянием нарушение симметрии выходного трехфазного напряжения преобразователя.

Кроме того, указанные обстоятельства сужают рабочий диапазон трехфазной нагрузки, в котором может быть использован известный преобразователь, так как обеспеченная на его выходе при некоторой фиксированной нагрузке симметрия с увеличением нагрузки нарушается, снижается реализуемый вращающий момент двигателя, что может привести к его остановке и затруднить запуск. И наоборот, при уменьшении нагрузки на валу двигателя симметрия нарушается таким образом, что в одной или двух фазах двигателя резко возрастает ток, повышается напряжение выше номинального значения, что может привести к выходу двигателя из строя. Такие явления возможны, в частности, в процессе работы двигателя обрабатывающего механизма при изменении свойств обрабатываемого материала.

Таким образом, известные преобразователи имеют низкие показатели надежности в работе и относительно низкий КПД при использовании в узком диапазоне трехфазной нагрузки, при увеличении же этого диапазона показатели надежности рассматриваемых преобразователей еще более снижаются.

В качестве прототипа может быть выбрано решение [2] Ему присущи все описанные недостатки.

Целью изобретения является повышение надежности и КПД преобразователя, а также качества (симметрии) трехфазной системы напряжений на выводах трехфазных электроприемников как в узком, так и в достаточно широком рабочем диапазоне трехфазной нагрузки.

Для достижения цели у преобразователя однофазного напряжения в трехфазное, содержащего два входных вывода для подключения однофазной питающей сети, три выходных вывода для подключения трехфазной нагрузки, RC-цепь из последовательно соединенных резистора и первого конденсатора, три установленные на общем магнитопроводе катушки индуктивности, вторая из которых через первый ключ началом соединена с выходным выводом для подключения второй фазы нагрузки, первый входной вывод соединен с выходным выводом для подключения третьей фазы нагрузки, через второй ключ с первым выводом RC-цепи, а через третий ключ с началом первой катушки индуктивности, концом соединенной с началом второй катушки индуктивности, конец которой через четвертый ключ соединен с выходным выводом для подключения второй фазы нагрузки, а также второй конденсатор, второй вывод RC-цепи соединен с началом первой катушки индуктивности, второй конденсатор включен между вторым выводом однофазной сети и началом третьей катушки индуктивности, конец которой соединен с первой фазой нагрузки, причем конец второй катушки индуктивности через пятый ключ соединен с вторым входным выводом; обмотки всех катушек индуктивности расположены концентрически друг другу на одном стержне общего магнитопровода и намотаны одна поверх другой с одинаковой высотой намотки.

Кроме того, преобразователь может быть снабжен третьим конденсатором, который через дополнительно введенный шестой ключ может быть подключен параллельно второму конденсатору.

Вторая катушка индуктивности может быть выполнена с дополнительным промежуточным выводом, который через дополнительно введенный седьмой ключ может быть подключен к второму выводу однофазной сети.

На фиг. 1 принципиальная схема предложенного преобразователя; на фиг.2 расположение катушек индуктивности на магнитопроводе, в разрезе; на фиг.3 и 4 векторные диаграммы напряжений.

На схеме преобразователя (фиг.1), кроме цифровых обозначений элементов, использованы буквенные обозначения точек или узлов для удобства описания с помощью уравнений и векторных диаграмм. При этом все точки цепи, имеющие одинаковый потенциал, имеют одинаковое буквенное обозначение и изображены соответствующей точкой и буквой на векторных диаграммах, выполненных в виде топографических (см.фиг.3 и 4).

Первый вывод однофазной сети 1 обозначен дополнительной буквой С, второй вывод однофазной сети 2 буквой N. На выходе преобразователя имеются три вывода для подключения трехфазной нагрузки: вывод 3, соответствующий первой фазе нагрузки и имеющий буквенное обозначение А, вывод 4 второй фазе В, вывод 5 третьей фазе С. Вывод 5 соединен с первым выводом однофазной сети 1 и поэтому обозначен той же буквой С.

6,7,8 соответственно первая, вторая и третья катушки индуктивности установлены на стержне 9 общего магнитопровода 10, причем намотаны одна поверх другой и высота намотки всех катушек одинакова (см.фиг.2).

Преобразователь содержит также первый конденсатор 11, который в соединении (точка Е) с резистором 12 образует RС-цепь. Второй конденсатор 13 включен между вторым выводом 2 (N) однофазной сети и началом (G) третьей катушки 8 индуктивности. При необходимости преобразователь может быть снабжен третьим конденсатором 14. Для коммутации устройство может иметь, например, семь ключей 15-21. Возможен вариант исполнения преобразователя и без ключей, либо с любым другим количеством ключей. Это зависит от требуемой широты рабочего диапазона трехфазной нагрузки.

Конец третьей катушки 8 индуктивности соединен с первой фазой нагрузки 3, при этом обе точки обозначены буквой А. Первый вывод однофазной сети 1 через ключ 19 или напрямую присоединен к первому выводу RC-цепи, второй вывод которой соединен с началом (F) первой катушки 6 индуктивности. Кроме того, начало F первой катушки 6 может быть через ключ 15 дополнительно связано с первым выводом однофазной сети 1.

Конец первой катушки 6 и начало второй катушки 7 связаны в общую точку М, которая напрямую или через ключ 21 связана с второй фазой В нагрузки 4. Конец второй катушки 7 может также иметь связь с второй фазой нагрузки через ключ 20. Указанный конец катушки 7 напрямую или через ключ 16 связан с вторым выводом 2 N однофазной сети и имеет одинаковое с ним буквенное обозначение N. Кроме того, этот конец катушки 7 имеет прямую связь и с конденсатором 13, параллельно которому через ключ 17 может быть присоединен конденсатор 14.

Для повышения напряжения вторая катушка 7 может иметь дополнительный промежуточный вывод 22, который через ключ 18 может быть присоединен к второму выводу N однофазной сети 2.

Каждая комбинация включенных ключей дает определенную ступень нагрузки, что позволяет обеспечить работу преобразователя на достаточно высоком уровне надежности в требуемом диапазоне мощности трехфазной нагрузки.

При составлении программ замыкания ключей следует иметь в виду, что ни при каком из вариантов не должно быть одновременно замыкания ключей 16 и 18, а также 20 и 21, чтобы не создавалось замыкание накоротко какой-либо из катушек.

Из условия минимизации конструктивной массы преобразователя могут быть рекомендованы наиболее целесообразные варианты замыкания ключей. Они приведены в следующей таблице.

Процесс работы преобразователя можно рассмотреть на какой-либо фиксированной ступени, т.е. на определенной комбинации включенных ключей. Первая ступень особенно характерна тем, что при как угодно малой нагрузке обеспечивается полная симметрия трехфазной системы напряжений на выходе преобразователя. Для иллюстрации сказанного составим уравнения напряжения и для этой ступени, когда замкнуты ключи 16,19,21 при разомкнутых остальных (первая строка вышеприведенной таблицы):
Ik₂x_LI₁-IxI+Ik22

x_LI +Ik₁k₂x_LI exp (-j60^°), (1)
(R-Ix+ Ik₁x_L)I₁+(R-Ix+ Ik21x_L)I exp (-I60^°)+Ik₁k₂x₂I (2)
где R активное сопротивление резистора;
х_с1 емкостное сопротивление первого конденсатора;
х_с2 емкостное сопротивление второго конденсатора;
х_L индуктивное сопротивление системы из первой и второй катушек индуктивности;
I ток первой фазы трехфазной нагрузки, протекающий, начиная с точки А, через второй конденсатор, третью и вторую катушки индуктивности;
I₁ ток, потребляемый из однофазной сети, направленный от точки 2 N к токе 1 С;
k₁ коэффициент трансформации между первой катушкой и системой, состоящей из первой и второй катушек;
k₂ коэффициент трансформации между системой, состоящей из второй и третьей катушек, и системой, состоящей из первой и второй катушек.

Те слагаемые в уравнениях (1) и (2), которые соответствуют напряжениям взаимной индукции, содержат в качестве множителей произведения указанных коэффициентов трансформации.

Из теории известно, что трехфазная симметричная система характеризуется совокупностью трех комплексных величин: три равных по модулю и аргументу сопротивления нагрузки, три равных по модулю линейных напряжения, сдвиг фаз между которыми 120^о, так что на топографической диаграмме они образуют равносторонний треугольник АВС (см.фиг.3), и три равных по модулю и сдвинутых между собой по фазе тока, также на 120^о. Поэтому при решении системы уравнений (1), (2) следует задаться либо симметрией напряжений, либо симметрией токов. Тогда, если при решении неизвестная из этих величин также оказывается симметричной, параметры преобразователя удовлетворяют условиям симметрии выходных напряжений.

В данном случае мы задаемся системой токов нагрузки и определяем систему напряжений. Поэтому в уравнениях (1), (2), помимо токов I₁ и I, содержится ток Iехр (-60^о), направление которого выбрано от точки С к нагрузке, чтобы направление обхода всех трех контуров внутри цепи преобразователя было одинаковое справа налево. При этом в симметричной системе задающих токов ток, направленный из точки С, отстает по фазе на 60^о от тока, направленного в точку А, что и отражено в уравнениях (1), (2).

Рекомендуемые параметры цепи преобразователя, при которых будет обеспечена симметрия напряжений:
К₁=К₂=2/3;
X= X_L R;
X= 2/ R. (3)
Подставляя параметры (3) в уравнения (1), (2), решаем систему относительно :
I KI₁- I RI+ I RI + I RI exp (-I60^°);
R-I R + I R I₁+R-I R + I RI exp(-I60^°)IRI
После математических упрощающих выкладок получим:
= RI₁ exp (I90^°)+ RI (4)
U_BC= RI₁ exp (-I30^°)+ RI exp (- I120^°) (5)
При делении уравнения (4) на (5) токи и сопротивления сокращаются, получаем условие симметрии трехфазного напряжения на выходе преобразователя независимо от тока нагрузки:
:= exp (-I120^°) (6)
Полученное решение исходит из абсолютной магнитной связи между тремя катушками. Практически при предложенном расположении катушек на магнитопроводе (см. фиг.2) степень магнитной связи достигает 0,99, т.е. рассеяние и погрешность решения (6) не превышают 1% чем можно пренебречь.

Частному случаю рассмотренного режима соответствует векторная топографическая диаграмма напряжений, показанная сплошными линиями на фиг.3. Использованные буквенные обозначения избавляют от дополнительных пояснений. Для сравнения на диаграмме штриховыми линиями показан тот же режим преобразователя-прототипа, которому свойственно достаточно большое магнитное рассеяние, вызванное пространственным удалением катушек индуктивности друг от друга. Поэтому здесь напряжение на третьей катушке NG по модулю и фазе отклоняется на некоторый заметный угол от прямой FN, соответствующей напряжению первой и второй катушек. Этот сдвиг дает основную долю в результирующем смещении точки А¹ на диаграмме и превращении треугольника А²ВС в неравносторонний. Кроме того, взаиморасположение второго конденсатора и третьей катушки относительно первой фазы нагрузки дает в прототипе при наличии указанного рассеяния дополнительный достаточно ощутимый сдвиг по фазе векторов G¹А. Это связано с тем, что в рабочих режимах преобразователя с активно-индуктивной нагрузкой (к которой относятся двигатели) вектор напряжения на конденсаторе (в нашем случае NG, а в прототипе А¹G¹) значительно больше вектора напряжения третьей катушки (в нашем случае АG, а в прототипе NG¹) и с иной, чем в предложенном решении, последовательностью сложения векторов напряжений (сначала U_с, а затем U_L3). Даже при наличии рассеяния (если бы таковое оставалось значительным в предложенном преобразователе) его влияние на положение точки А¹ (в нашем решении т.А) было бы более значительным, поскольку вектор G¹А¹ откладывается уже от сдвинутой в результате рассеяния точки G¹. Кроме того, в прототипе потенциал точки G между вторым конденсатором и третьей катушкой выходит за пределы допустимых значений относительно потенциала точки сети С.

Решение (6) говорит о симметрии напряжений при любом токе нагрузки, но не содержит информации о модуле (действующем значении) трехфазного напряжения. Физически оно уменьшается с ростом тока нагрузки, и его минимально допустимый уровень практически ограничивает мощность преобразователя на рассматриваемой первой ступени. Согласно нормам, выходное напряжение не должно быть меньше 95% напряжения сети. Для определения максимально допустимого тока нагрузки при этом условии заменим в уравнении (4) произведение RI₁ на напряжение однофазной сети U_NC и выразим ток нагрузки через потребляемый из сети ток I₁, придав ему наиболее неблагоприятный аргумент -45^о, при котором напряжение на выходе падает наиболее круто, и введя коэффициент по модулю n.

Тогда
U_AB= UI + n exp (-I 45^°)
Переходя затем к модулям и подставляя условие U_АВ=0,95 U_NС, получим n= 0,33, или максимально допустимый ток нагрузки
I=0,33I₄ (7)
Значением (7) определена максимальная мощность преобразователя на первой ступени и численное значение сопротивлений (3). Следовательно, если ток нагрузки превышает треть тока однофазной сети, следует переходить на другое положение ключей согласно приведенной выше таблице.

Например, для третьей ступени, как видно из таблицы замыкания ключей,
= I RI₃= , а другое линейное напряжение на выходе преобразователя
= I RI₃- I RI + I RI, (8) где I ток однофазной сети на третьей ступени, причем
I₃= I₁:
Подставляя условие (6) в уравнение (8), после преобразований получим отношение модулей токов нагрузки и сети при аргументе тока нагрузки -45^о:
I=2,3I₃=1,33I₁.

Сравнивая полученный результат с (7), можно сделать вывод, что мощность третьей ступени в 4 раза больше, чем первой, т.е. рассмотренная комбинация замыкания ключей расширяет рабочий диапазон преобразователя в 4 раза. Векторная топографическая диаграмма напряжений для этого случая показана на фиг. 4.

На четвертой ступени используется промежуточный вывод 22 (см. фиг.1) второй катушки индуктивности, что позволяет повысить напряжение на трехфазном выходе при существенном росте тока нагрузки, например при запуске двигателей, или при пониженном напряжении питающей однофазной сети.

Как видно из соотношений (3), активное, емкостные и индуктивные сопротивления элементов преобразователя связаны между собой пропорциональной зависимостью, а по отношению к расчетной мощности преобразователя обратно пропорциональны. Например, для преобразователя мощностью 1,5 кВт при номинальном напряжении сети 220 В и частоте 50 Гц каждый конденсатор имеет емкость 20 мкФ, сопротивление резистора 65 Ом, индуктивное сопротивление между началом первой катушки F и концом второй катушки N равно 120 Ом. Указанное значение индуктивного сопротивления обеспечивается конструктивно подбором толщины прокладок в немагнитном зазоре магнитопровода.

На фиг. 2 изображен ленточный магнитопровод с наилучшим расположением немагнитного зазора, обеспечивающий наименьшее магнитное рассеяние между катушками.

Таким образом, предложенный преобразователь обеспечивает более высокий уровень надежности, КПД и качества (симметрии) трехфазной системы напряжений как в узком, так и в достаточно широком рабочем диапазоне трехфазной нагрузки.

Использование: изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для электроснабжения трехфазных двигателей и других трехфазных потребителей от однофазных сетей, в частности коммунальных (бытовых). Сущность изобретения: цель изобретения - повышение надежности и КПД преобразователя, а также качества (симметрии) трехфазной системы напряжений на выводах трехфазных электроприемников в узком и широком рабочем диапазоне трехфазной нагрузки. Первый вывод однофазной сети присоединен к третьему выходному выводу (третьей фазе нагрузки). На стержне общего магнитопровода установлены катушки индуктивности, которые намотаны одна поверх другой, причем высота намотки всех катушек одинакова. Конденсатор с резистором образуют RC-цепь. Другой конденсатор включен между вторым выводом однофазной сети и началом третьей катушки индуктивности. Конец третьей катушки индуктивности соединен с первой фазой нагрузки. Первый вывод однофазной сети через соответствующий ключ или напрямую присоединен к RC-цепи, через которую связан с началом первой катушки индуктивности через другой ключ. Конец первой катушки индуктивности связан с началом второй катушки индуктивности, а также напрямую или через соответствующий ключ - с второй фазой нагрузки. Конец второй катушки соединен с вторым выводом однофазной сети напрямую или через соответствующий ключ, а также с конденсатором, параллельно которому напрямую или через соответствующий ключ может быть присоединен третий конденсатор. Катушка может иметь промежуточный вывод, присоединяемый через ключ к второму выводу однофазной сети. Предложенное совмещенное в пространство расположение трех катушек индуктивности на одном стержне магнитопровода снижает магнитное рассеяние между ними и нарушение симметрии трехфазной системы напряжений. 2 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ОДНОФАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ТРЕХФАЗНОЕ, содержащий два входных вывода для подключения однофазной питающей сети, три выходных вывода для подключения трехфазной нагрузки, RC-цепь из последовательно соединенных резистора и первого конденсатора, три установленные на общем магнитопроводе катушки индуктивности, вторая из которых через первый ключ началом соединена с выходным выводом для подключения второй фазы нагрузки, первый входной вывод соединен с выходным выводом для подключения третьей фазы нагрузки, через второй ключ - с первым выводом RC-цепи, а через третий ключ - с началом первой катушки индуктивности, концом соединенной с началом второй катушки индуктивности, конец которой через четвертый ключ соединен с выходным выводом для подключения второй фазы нагрузки, а также второй конденсатор, отличающийся тем, что второй вывод RC-цепи соединен с началом первой катушки индуктивности, второй конденсатор включен между концом второй катушки индуктивности и началом третьей катушки индуктивности, конец которой соединен с выходным выводом для подключения первой фазы нагрузки, причем конец второй катушки индуктивности через дополнительно введенный пятый ключ соединен с вторым входным выводом, а обмотки всех катушек индуктивности расположены концентрически одна другой на одном стержне общего магнитопровода и намотаны одна поверх другой с одинаковой высотой намотки. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен третьим конденсатором, который через дополнительно введенный шестой ключ подключен параллельно второму конденсатору. 3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что вторая катушка индуктивности выполнена с дополнительным промежуточным выводом, который через дополнительно введенный седьмой ключ подключен к второму входному выводу.