МНОГОФАЗНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР Российский патент 1999 года по МПК H01F30/14 H02M5/14 

Изобретение относится к трансформаторостроению и может быть использовано в многофазных полупроводниковых преобразователях, например в выпрямителях.

Известен трансформатор, многофазная обмотка которого состоит из секций вторичной обмотки, расположенных на различных стержнях трехфазного трансформатора (см. статью Климова И.С. Пути создания многофазных трансформаторов и генераторов-трансформаторов. // Электричество. 1958 - N 8, с. 50 - 54). Однако такой трансформатор имеет сложную, трудно реализуемую на практике конструкцию.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является многофазный трансформатор, содержащий средний витой магнитопровод с трехфазной первичной и многофазной вторичной охватывающими его обмотками и два боковых витых магнитопровода, примыкающих к торцам среднего магнитопровода через немагнитные прокладки (авт. св. СССР N 1292135, 1985).

Из анализа гармонического состава МДС трехфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем (ТВП) данной конструкции известно, что в нем, как и в электрических машинах, наряду с основной гармоникой в кривой МДС, присутствуют высшие гармоники порядка
ν = 2mi ± 1, где i = 0, 1, 2..;
m - число фаз первичной или вторичной обмотки, которые вносят существенные искажения в форму кривых вторичного напряжения, влияют на источники питания ограниченной мощности и, как следствие, ухудшают качество преобразования электрической энергии в преобразователе, понижают его мощность и КПД.

Как известно, задача подавления высших гармоник может решаться при укладке обмоток трансформатора по принципу укладки обмоток электрических машин при двухслойном их исполнении.

Выполнив обмотку распределенной, в многофазном трансформаторе можно использовать известный принцип укорочения шага обмоток, что позволит существенно (в некоторых случаях полностью) подавить высшие гармоники.

Изобретение позволяет значительно улучшить гармонический состав МДС многофазного трансформатора с вращающимся магнитным полем, снизить массогабаритные показатели преобразователя электрической энергии на его основе и повысить КПД.

С этой целью боковые магнитопроводы выполнены тороидальными, пазы выполнены на торцах среднего магнитопровода, причем в одни и те же пазы его уложена первичная обмотка, выполненная распределенной двухслойной с укороченным шагом и вторичная обмотка, выполненная однослойной диаметральной, причем обе обмотки выполнены двухполюсными и уложены в пазы в три слоя.

На фиг. 1 показан общий вид многофазного трансформатора; на фиг. 2 - схемы соединения первичной и вторичной обмоток.

Трансформатор содержит средний витой тороидальный магнитопровод 1, в пазах 2 которого по торцам размещены секции трехфазной первичной и многофазной вторичной обмоток 4. С торцов к среднему магнитопроводу через немагнитные прокладки 5 примыкают два боковых витых тороидальных магнитопровода 6.

Многофазный трансформатор работает следующим образом. При подключении трехфазной первичной обмотки к питающей сети в среднем и боковых магнитопроводах трансформатора создается вращающееся магнитное поле, которое, взаимодействуя с многофазной вторичной обмоткой, наводит в ней систему многофазных ЭДС, сдвинутых относительно друг друга на угол 2n/m, где m - число фаз вторичной обмотки трансформатора. В результате происходит преобразование трехфазной системы напряжения в m - фазную вторичную систему.

Из теории электрических машин известно, что при укорочении шага первичной обмотки на величину β = 5/6, пятая и седьмая гармонические составляющие МДС (или ЭДС) уменьшаются до 0,268 своего значения, соответствующего диаметральному шагу, вследствие чего относительное содержание высших гармонических МДС заметно уменьшается. Из гармонического анализа кривых МДС при различных значениях шага укорочения обмоток известно, что наилучшие результаты дает укорочение шага в пределах от β = 0,833 до β = 0,805. При шаге β = 0,667 получается такое же их содержание, как и при шаге β = 1,0 (см. М.П. Костенко, Л.М. Пиотровский. Электрические машины. - М: Л.: Энергия, 1965, ч. 2, с. 701).

Для ТВП с числом фаз вторичной обмотки, равным, например, девяти, необходимо на торцах среднего магнитопровода иметь 18 пазов, так как
Z = 2p₁m•q₂,
где Z - количество пазов с одной стороны среднего магнитопровода;
q₂ = 1 - количество пазов фазы вторичной обмотки на полюс;
m = 9 - количество фаз вторичной обмотки;
p = 1 - число пар полюсов.

Тогда для первичной обмотки число пазов на фазу равно

где n - количество фаз первичной обмотки.

Исходя из этого, полюсное деление τ₁ = 3 q₁ = 9.

Выбираем шаг укорочения первичной обмотки ТВП β = 7/9 = 0,77, который обеспечивает значение β, наиболее близкое к рекомендуемому.

При этом шаг укладки первичной обмотки равен

Следуя принципу укорочения первичной обмотки ТВП, как описано выше, можно укоротить и вторичную обмотку, выполнив ее (как и первичную) двухслойной с целью подавления 17 и 19 гармоник, следующих за основной гармоникой во вторичной цепи (гармоники ν = 2 - 16 в девятифазной системе отсутствуют). Однако тогда обе обмотки (первичная и вторичная), вместе взятые, будут выполняться четырехслойными, что вызывает определенные трудности при их выполнении. Более рационально выполнить вторичную обмотку однослойной без укорочения (диаметральной), что приведет к возможности выполнения обеих обмоток в три слоя, тем более что гармоники порядка 17 и 19 незначительно влияют на кривую МДС (ЭДС) в силу их малости по известному принципу - амплитуды гармоник обратно пропорциональны их порядку.

Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает в сравнении с прототипом значительное уменьшение уровня высших гармонических составляющих результирующей МДС ТВП, что позволяет снизить массогабаритные показатели преобразователей электрической энергии до 10%, повысить КПД на 5 - 10% и улучшить электромагнитную совместимость преобразователей с источниками питания электрической энергии ограниченной мощности.

Изобретение предназначено для использования в многофазных полупроводниковых преобразователях. Техническим результатом является улучшение гармонического состава МДС многофазного трансформатора с вращающимся магнитным полем, снижение массогабаритных показателей преобразователей электрической энергии на его основе и повышение КПД. Боковые магнитопроводы выполнены без пазов, а в одни и те же пазы на торцах среднего магнитопровода уложены первичная трехфазная распределенная с укороченным шагом двухслойная и вторичная многофазная нераспределенная диаметральная однослойная обмотки, выполненные двухполюсными и уложенные в пазы в три слоя. 2 ил.

Многофазный трансформатор, содержащий средний витой магнитопровод, в пазах которого размещены трехфазная первичная и многофазная вторичная обмотки, и два боковых магнитопровода, примыкающие к торцам среднего магнитопровода через немагнитные прокладки, отличающийся тем, что магнитопроводы выполнены тороидальными, пазы выполнены на торцах среднего магнитопровода, причем в одни и те же пазы его уложена первичная обмотка, выполненная распределенной двуслойной с укороченным шагом, и вторичная обмотка, выполненная однослойной диаметральной, причем обе обмотки выполнены двухполюсными и уложены в пазы в три слоя.