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 потребителей от однофазных сетей и автономных генераторов ограниченной мощности.

Известны преобразователи однофазного напряжения в трехфазное, содержащие два входных вывода для подключения однофазной питающей сети, три выходных вывода для подключения трехфазной нагрузки, три установленные на общем магнитопроводе катушки индуктивности, две из которых имеют общую точку, соединенную с первым входным выводом, два конденсатора (или эквивалентные им конденсаторные батареи), первый из которых соединен одним выводом со вторым входным выводом, а второй соединен первым выводом с выводом первой катушки индуктивности, вторым выводом с первым выходным выводом, а также резистор. При этом первый конденсатор образует с резистором RC цепь, второй вывод которой присоединен напрямую или через ключ с третьей катушкой индуктивности и, напрямую или через ключ, со вторым выходным выводом, вторые выводы второй и третьей катушек индуктивности соединены между собой, а второй вывод соединен с третьим выходным выводом (см. например, а.с. N 217514 и а.с. СССР N 546069 М.Кл. H 02 M 5/14).

Недостатком известных преобразователей рассматриваемого типа является значительное повышение потребляемого из однофазной сети тока в режимах пуска двигателей, что особенно опасно в тех случаях, когда однофазным источником служит генератор ограниченной мощности, например, переносных и ветровых электростанций. При этом попытка запуска двигателя может привести к снижению ЭДС и развозбуждению Увеличение потребляемого тока объясняется тем, что режим пуска асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, к которым относится большинство трехфазных двигателей, близок к режиму короткого замыкания при ограниченной мощности трехфазной сети.

Для известных преобразователей рассматриваемого типа теоретически возможно такое сочетание параметров элементов трех катушек индуктивности на общем магнитопроводе, двух конденсаторов и резистора, при котором потребляемый из сети ток будет неизменным. Но практически этого добиться нельзя из-за нелинейности катушек с ферромагнитным сердечником, выражающейся в том, что при резком возрастании тока индуктивность и индуктивное сопротивление катушки уменьшаются. Как видно из схем рассматриваемых преобразователей, при соединении между собой выходных выводов преобразователя, что соответствует режиму пуска трехфазного двигателя относительно большой мощности, образуется параллельный контур из катушек индуктивности и конденсатора, в котором индуктивное сопротивление в несколько раз меньше емкостного, в результате чего возрастает потребляемый из однофазной сети или от отднофазного источника ток, причем имеющий индуктивный характер отстающий по фазе от питающего напряжения и, следовательно, способствующий снижению ЭДС и развозбуждению генератора.

Таким образом, известные преобразователи имеют низкие показатели в пусковых и близких к ним перегрузочных режимах трехфазных двигателей, питающихся от преобразователя. С другой стороны, при малых нагрузках, когда мощность питающихся двигателей относительно невелика, известные преобразователи имеют пониженный КПД.

В качестве прототипа может быть выбрано решение, рассмотренное в описании к а.с. СССР N 217514, М.Кл. H 02 M 5/14. Ему присущи указанные недостатки.

Целью изобретения является повышение надежности и перегрузочной способности преобразователя при пусках и перегрузках двигателей путем снижения потребляемого тока на входе преобразователя и придания ему емкостного характера, т. е. опережающего по фазе по отношению к однофазному входному напряжению.

Для достижения поставленной цели у преобразователя однофазного напряжения в трехфазное, содержащего два входных вывода для подключения однофазной питающей сети, три входных вывода для подключения трехфазной нагрузки, три установленные на общем магнитопроводе катушки индуктивности, две из которых имеют общую точку, соединенную с первым входным выводом, первый конденсатор, соединенный одним выводом со вторым входным выводом, второй конденсатор, соединенный первым выводом первой катушки индуктивности, а вторым выводом с первым выходным выводом, резистор, изменено взаимное расположение элементов таким образом, что первый конденсатор вторым выводом соединен со вторым выходным выводом и резистором, другой вывод которого соединен со вторым выводом второй катушки индуктивности, а третья катушка индуктивности включена между вторым входным выводом и третьим выходным выводом.

Таким образом, в режимах больших нагрузок и пуска двигателей, близких к трехфазному короткому замыканию, третья катушка индуктивности оказывается включенной не параллельно второму конденсатору, как в прототипе, а последовательно ему, поэтому при снижении индуктивности катушек вследствие насыщения потребляемый ток носит емкостный характер и относительно мал. Кроме того, параллельная ветвь со второй катушкой индуктивности содержит теперь резистор, также ограничивающий индуктивную составляющую суммарного тока.

Кроме того, преобразователь может быть снабжен переключателями для вывода отдельных элементов цепи резистора, первой и третьей катушек индуктивности, второго конденсатора без нарушения цепи питания с целью повышения КПД на промежуточных ступенях мощности.

На приведенных чертежах изображено:
на фиг.1 принципиальная схема предлагаемого преобразователя;
на фиг.2 векторная диаграмма напряжений и токов.

На схеме преобразователя (фиг.1), кроме цифровых обозначений элементов, использованы буквенные обозначения точек или узлов цепи для удобства описания с помощью уравнений и векторных диаграмм. При этом все точки цепи, имеющие одинаковый потенциал, имеют одинаковое буквенное обозначение на векторной топографической диаграмме (см. фиг. 2), а токи и напряжения участков цепи имеют соответствующий буквенный индекс в приведенных ниже уравнениях цепи.

Первый входной вывод преобразователя 1 согласно сказанному обозначен дополнительно буквой М, второй входной вывод 2 буквой N, первый выходной вывод 3 буквой A, второй выходной вывод 4 буквой B, третий выходной вывод 5 буквой C, причем обозначения выводов соответствуют порядку чередования фаз трехфазной сети.

6,7,8 соответственно первая, вторая и третья катушки индуктивности установлены на общем магнитопроводе 9.

Преобразователь содержит также первый конденсатор 10, второй конденсатор 11 и резистор 12. Каждый конденсатор в реальной цепи может исполняться в виде конденсаторной батареи соответствующей емкости. При необходимости регулирования мощности при малых нагрузках преобразователь может быть снабжен переключателями 13, 14, 15, причем переключатели 13 и 14 выполнены и соединены таким образом, чтобы не допускать замыкания накоротко хотя бы одной катушки индуктивности, так как ввиду их жесткой магнитной связи шунтирование одной катушки равносильно выключению всех трех катушек. Полярность катушек отмечена на схеме точками у одноименных концов обмоток.

Первая и вторая катушки индуктивности имеют общую точку М, соединенную с первым входным выводом, первый конденсатор 10 выводом N соединен со вторым входным выводом, а выводом B с резистором 12 и и вторым выходным выводом 4. Второй вывод резистора соединен с выводом второй катушки индуктивности Е. Второй конденсатор 11 включен между выводом первой катушки F и первым выходным выводом 3, обозначенный также буквой А. Третья катушка индуктивности 8 включена между вторым входным выводом 2 (N) и третьим выходным выводом 5 (C).

В соответствии с указанными обозначениями можно записать по 2-му закону Кирхгофа следующие уравнения:



При холостом ходе преобразователя, когда токи на выходных выводах равны нулю, после подстановки соответствующих падений напряжения в уравнении (1), (2), (3) получим



Чтобы трехфазная система напряжений на выходе преобразователя была симметричной, между сопротивлениями элементов должны быть определенные соотношения, отличные от заданных в прототипе ввиду различий в схеме. В данном случае соотношения должны быть следующими:

где R активное сопротивление резистора;
x_c1 емкостное сопротивление первого конденсатора;
x_c2 емкостное сопротивление второго конденсатора;
x_l индуктивное сопротивление второй катушки индуктивности;
k₁ коэффициент трансформации между первой и второй катушками индуктивности;
k₃ коэффициент трансформации между третьей и второй катушками индуктивности.

Подставив значения (7) в уравнении (4), (5), (6), получим соотношение между напряжениями холостого хода преобразователя


которое эквивалентно условию симметрии .

Полученный результат иллюстрирует векторная диаграмма напряжений (см. фиг. 2). Выходные напряжения образуют равносторонний треугольник ABC, причем модуль их превышает входное напряжение U_mn в . При возникновении тока нагрузки положение всех точек на диаграмме, кроме M и N, меняется так, что все они описывают дуги окружностей, одинаковые в угловом исчислении, но разного радиуса. При этом в любом режиме треугольник ABC остается равносторонним, т. е. трехфазная система напряжений на выходе симметрична. Один из рабочих режимов, примерно соответствующий номинальному, отмечен крестиком на каждой дуге, а треугольник напряжений в этом режиме обозначен штриховыми линиями. При трехфазном коротком замыкании вершины треугольника стягивается в точку К.

Аналогичные дуги описывают концы векторов токов трехфазной нагрузки. На круговой векторной диаграмме показан только один из этих токов I_a, поскольку два других такие же по модулю, но повернутые на 120^o относительно друг друга.

Показанная векторная диаграмма соответствует идеальным условиям при строго постоянных параметрах (7) преобразователя. Практически, как было отмечено выше, вследствие нелинейности индуктивных элементов с ферромагнитным сердечником, при очень больших токах симметрия нарушается, не оказывая вреда ввиду кратковременности указанных режимов. Так, из теории известно, что при искажении симметрии, например, 20% вращающий момент двигателей снижается всего на 4% а если бы такое искажение имело место в рабочем продолжительном режиме, таким же был перегрев обмоток двигателей.

Круговая векторная диаграмма (см.фиг.2) показана для такого переменного режима, когда нагрузка имеет аргумент, равный 45^o, т.е. потребляемая активная мощность примерно равна потребляемой реактивной (индуктивной). Этому соотношению соответствует работа асинхронных двигателей относительно небольшой мощности, например, переносного инструмента. При других соотношениях активной и реактивной мощностей нагрузки хорды всех окружностей не меняют своего положения, изменяются только дуги, оставаясь равными друг другу в градусах. Например, при аргументе, равном 30^o, все дуги уменьшатся на 30^o, наоборот, при аргументе нагрузки, равном 60^o, все дуги увеличатся на 30^o. Такие режимы не показаны, чтобы не загромождать чертеж.

Круговая диаграмма напряжений удобна тем, что в любом режиме геометрически легко определить напряжение на любом элементе или участке цепи. Например, расстояние между точками А и F в масштабе определяет напряжение на втором конденсаторе, между точками Е и B напряжение на резисторе и т.д. Круговая диаграмма иллюстрирует еще одно преимущество рассматриваемого преобразователя: напряжение на конденсаторах во всех режимах меньше напряжения на однофазном входе, что позволяет использовать малогабаритные конденсаторы с большой удельной емкостью.

По векторной диаграмме также видно, что полярность третьей катушки индуктивности, напряжение которой U_nc, должна быть противоположной по отношению ко второй катушке с напряжением U_me. Для первой катушки это условие не столь жесткое, так как она имеет со второй катушкой общую точку. По условиям электрической эквивалентности полярность первой катушки можно изменить на обратную, если первый входной вывод присоединить к началу первой катушки, а вывод второго конденсатора (точку F) присоединить к общей точке первой и второй катушек. При этом принципиально работа цепи не изменяется, но обмотка первой катушки должна быть рассчитана на большой ток на весь ток однофазного входа.

Опытный образец преобразователя мощностью 2 кВт использован совместно с переносной энергоустановкой ПЭУ-2А, снабженный однофазным асинхронным генератором с самовозбуждением. В этих условиях преимущества предлагаемого преобразователя наиболее выражены: ни в одном из режимов не наблюдалось развозбуждения генератора или резкого снижения ЭДС. Например, при работе двух двигателей инструмента мощностью 0,75 кВт каждый одновременно производился запуск двигателя 1,5 кВт и в этом случае работа генератора и двигателей была устойчива. Ранее в промышленных условиях при частоте 50 Гц не удавалось осуществлять работу трехфазных асинхронных двигателей от асинхронного генератора соизмеримой мощности.

Таким образом, предлагаемый преобразователь обеспечивает более надежную работу трехфазных асинхронных двигателей за счет снижения потребляемого из однофазной сети тока и более высокой перегрузочной способности при пусках двигателей, а также благодаря поддержанию тока возбуждения при питании от автономных генераторов с самовозбуждением. 1

Использование: изобретение относится к электротехнике. Сущность изобретения: цель изобретения - повышение надежности и перегрузочной способности преобразователя при пусках и перегрузках двигателей путем снижения потребляемого тока на входе преобразователя и придания ему емкостного характера, благодаря чему стабилизируется самовозбуждение питающего автономного генератора. Преобразователь содержит два входных и три выходных вывода, три катушки индуктивности на общем магнитопроводе, два конденсатора и резистор. Кроме того, преобразователь может быть снабжен тремя переключателями. Две катушки индуктивности имеют общую точку, соединенную с первым входным выводом. Ко второму входному выводу присоединен первый конденсатор и третья катушка индуктивности, второй вывод которой соединен с третьим выходным выводом /фаза С нагрузки/. Второй вывод первого конденсатора соединен со вторым выходным выводом /фаза В нагрузки/ и резистором, второй вывод которого соединен со вторым выводом второй катушки. Второй вывод первой катушки индуктивности соединен со вторым конденсатором, второй вывод которого соединен с первым выходным выводом /фаза А нагрузки/. Предложенное соединение катушек индуктивности, резистора и конденсаторов позволяет при сохранении симметрии трехфазного напряжения на выходных выводах преобразователя снижать потребляемый ток при пусках и перегрузках двигателей. 13 п. ф-лы, 2 ил.

1. Преобразователь однофазного напряжения в трехфазное, содержащий два входных вывода для подключения однофазной питающей сети, три выходных вывода для подключения трехфазной нагрузки, три установленные на общем магнитопроводе катушки индуктивности, две из которых имеют общую точку, соединенную с первым входным выводом, первый конденсатор, соединенный одним выводом с вторым входным выводом, второй конденсатор, соединенный первым выводом с выводом первой катушки индуктивности, а вторым выводом с первым выходным выводом, резистор, отличающийся тем, что первый конденсатор вторым выводом соединен с вторым выходным выводом и резистором, другой вывод которого соединен с вторым выводом второй катушки индуктивности, а третья катушка индуктивности включена между вторым входным выводом и третьим выходным выводом. 2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен тремя переключателями для отключения резистора, первой и третьей катушек индуктивности и второго конденсатора.