ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1999 года по МПК H03H7/18 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к пассивным многополюсным цепям, и может быть использовано в устройствах автоматической синхронизации генераторов.

Известны фазовращатели (варианты), содержащие активные сопротивления и реактивные элементы - индуктивность или емкость [Электромеханника, 1961, N 10, с. 106-107]. Недостатками этих фазовращателей являются ограниченный интервал плавного регулирования угла сдвига фаз между входным и выходным напряжением от 0 до +π/2 или от 0 до -π/2 и зависимость величины выходного напряжения от фазового сдвига.

Наиболее близким решением по достигаемому техническому результату является фазовращатель мостикового типа (прототип), представляющий собой четырехполюсник с активными и реактивными элементами в плечах моста, который обеспечивает плавное регулирование фазового сдвига от 0 до -π между входным и выходным напряжениями и постоянство величины последнего [Радиотехника, 1963, N 1, с. 72-77]. Недостатками фазовращателя этого типа являются относительная сложность устройства и возможность использования его только в однофазных цепях.

В основу изобретения поставлена задача создать такой фазовращатель, в котором новое выполнение реактивного элемента позволило бы упростить устройство, обеспечив диапазон регулирования фазового сдвига от 0 до -π при постоянстве выходного напряжения и расширить область его применения на многофазные цепи, в частности трехфазные.

Поставленная задача в первом варианте достигается тем, что в фазовращателе, содержащем реактивный элемент, соединенный последовательно с переменным резистором, согласно изобретению новым является то, что резистивный элемент выполнен в виде двухобмоточного трансформатора с коэффициентом трансформации 1/2, начала первичной и вторичной обмоток которого соединены, а конец первичной обмотки подключен к первому выводу переменного резистора, второй вывод которого является общим для входной и выходной цепи; причем начала первичной и вторичной обмоток подключены ко входу, а конец вторичной обмотки - к выходу фазовращателя.

Поставленная задача во втором варианте достигается тем, что в фазовращателе, содержащем реактивный элемент, соединенный последовательно с переменным резистором, согласно изобретению новым является то, что реактивный элемент выполнен в виде первого двухобмоточного трансформатора, с коэффициентом трансформации 1/2, начало и конец первичной обмотки которого подключены ко входу фазовращателя и к первому выводу переменного резистора соответственно, второй вывод которого подключен ко входу фазовращателя, при этом начало вторичной обмотки первого двухобмоточного трансформатора соединено с началом вторичной обмотки второго двухобмоточного трансформатора, коэффициент трансформации которого в два раза больше коэффициента трансформации первого, причем начала первичных обмоток первого и второго трансформаторов соединены между собой, а концы вторичных обмоток их являются выходом фазовращателя, конец первичной обмотки второго трансформатора соединен со вторым выводом переменного резистора.

Выполнение реактивного элемента в виде двухобмоточного трансформатора, обмотки которого соответствующим образом соединены со входом и выходом фазовращателя, позволило значительно упростить устройство. Во втором варианте фазовращателя осуществлена гальваническая развязка между входной и выходной цепями и за счет этого обеспечена возможность установки заданного значения выходного напряжения путем согласованного выбора коэффициента трансформации первого и второго трансформаторов. При изменении переменного сопротивления от значений, близких к бесконечности, до нуля фаза выходного напряжения изменяется от 0 до -π, а его величина, оставаясь постоянной при n₂=2n₁ во всем диапазоне фазовых углов, определена коэффициентом трансформации второго трансформатора.

На фиг. 1а, б представлены схема первого варианта фазовращателя и векторная диаграмма токов и напряжений.

На фиг. 2а, б представлена схема второго варианта фазовращателя и векторная диаграмма токов и напряжений.

Фазовращатель (фиг. 1а) содержит двухобмоточный трансформатор 1 с коэффициентом трансформации 1/2, начала первичной обмотки 2 и вторичной обмотки 3 соединены, а конец первичной обмотки 2 подключен к первому выводу переменного резистора 4, его второй вывод является общим для входной и выходной цепи, причем начала первичной и вторичной обмоток подключены ко входу, а конец вторичной обмотки 3 - к выходу фазовращателя.

Фазовращатель (фиг. 2а) содержит первый двухобмоточный трансформатор 5 с коэффициентом трансформации 1/2, начало и конец первичной обмотки которого 6 являются входом фазовращателя и подключен к первому выводу переменного резистора 7, соответственно, второй вывод которого подключен ко входу фазовращателя, при этом начало вторичной обмотки первого трансформатора 8 соединено с началом вторичной обмотки 11 второго двухобмоточного трансформатора 9, коэффициент трансформации которого в два раза больше коэффициента трансформации первого, причем начала первичных обмоток 6, 10 и концы вторичных обмоток 8, 11 первого и второго трансформаторов соединены между собой и являются выходом фазовращателя, соответственно, конец первичной обмотки 10 вторичного трансформатора 9 соединен со вторым выводом переменного резистора 7.

Фазовращатель работает следующим образом (фиг. 1а, б).

При подаче напряжения U_вх на вход фазовращателя к первичной обмотке 2 трансформатора 1 приложено напряжение U₁, которое представляет собой падение напряжения на ее сопротивлении. Для упрощения активное сопротивление первичной обмотки трансформатора принято равным нулю. Величину напряжения U₁ в этом случае определяет формула:
U₁ = U_вхX₁/Z
где X₁ - индуктивное сопротивление первичной обмотки трансформатора,
Z - полное комплексное сопротивление цепи из последовательно соединенного сопротивления X₁ и переменного резистора R.

Известно, что изменение напряжения U₁ в функции от переменного активного сопротивления 4 подчинено закону окружности (фиг. 1б). Вторичная обмотка 3 трансформатора 1 формирует напряжение U₂, величина которого для принятого коэффициента трансформации, равного 1/2, в два раза больше величины напряжения U₁, а фазовый сдвиг между ними равен (фиг. 1б), т.е. U₂ = -2U₁. Поскольку изменение U₁ по закону окружности вызывает изменение напряжения U₂ по этому же закону, на выходе фазовращателя формируется напряжение U_вых, определяемое геометрической суммой напряжений U_вх и U₂, величина которого остается постоянной и равной входному напряжению U_вх во всем диапазоне фазового сдвига от 0 до -π при изменении переменного активного сопротивления 4 в интервале от ∞ до 0. Исходя из этого значение выходного напряжения определено формулой

Из формулы 2 следует, что при полностью выведенном сопротивлении R (его величина равна нулю) выходное напряжение фазовращателя совпадает с отрицательным направлением входного напряжения U_вх, а при значении X₁, близком к нулю (когда величина сопротивления R значительно больше величины X₁), с его положительным направлением, что свидетельствует о наличии фазового сдвига, равного -π.
Фазовращатель (фиг. 2а, б) работает следующим образом.

При подаче напряжения U_вх на вход фазовращателя вторичные обмотки 8 и 10 первого 5 и второго 9 трансформаторов формируют напряжения U₂ и U₃ соответственно, как показано на фиг. 2б, например, для случая, когда коэффициент трансформации первого трансформатора n₁= U₁/U₂= 1, а второго n₂=U_вх/U₃=2. Поскольку вторичные обмотки трансформаторов включены встречно (начала обмоток соединены), на выходе фазовращателя формируется напряжение, определяемое формулой
U_вых= U₂ - U₃
Исходя из условия, что n₂=2n₁ значение выходного напряжения определено формулой

которая аналогична формуле 2.

В формуле 4 при поочередном обращении в нуль сопротивлений R и X₁ выходное напряжение фазовращателя принимает значения, равные -U_вх/n₂, либо +U_вх/n₂ соответственно. Перемена знака свидетельствует о наличии фазового сдвига, равного -π.
Таким образом, при изменении переменного сопротивления от значений, близких к бесконечности, до нуля фаза выходного напряжения изменяется от 0 до -π, а его величина, оставаясь постоянной при n₂ = 2n₁ во всем диапазоне фазовых углов, определена коэффициентом трансформации второго трансформатора 9.

Изобретение относится к области электротехники. Фазовращатель содержит трансформатор с коэффициентом трансформации, начала первичной и вторичной обмоток которого соединены. Входное напряжение приложено к соединенным последовательно первичной обмотке трансформатора и переменному резистору. Выходное напряжение формируется между концом вторичной обмотки трансформатора и выводом переменного резистора, являющегося общим для входной и выходной цепей. Изменение величины резистора от значений, близких к бесконечности, до нуля вызывает изменение угла между векторами входного и выходного напряжений от 0 до -π, при этом модуль вектора выходного напряжения остается постоянным во всем диапазоне фазовых углов. Также в фазовращателе осуществлена гальваническая развязка входной и выходной цепей путем использования второго трансформатора, коэффициент трансформации которого в два раза больше, чем у первого, и тем самым реализована возможность выбора величины выходного напряжения. Начала обмоток обоих трансформаторов соединены и являются входом, а их концы выходом. Технический результат: упрощение устройства и расширение области его применения на многофазные цепи. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Фазовращатель, содержащий реактивный элемент, соединенный последовательно с переменным резистором, отличающийся тем, что реактивный элемент выполнен в виде первого трансформатора с коэффициентом трансформации 1/2, начала первичной и вторичной обмоток которого соединены, а конец первичной обмотки подключен к первому выводу переменного резистора, его второй вывод является общим для входной и выходной цепей, причем начала первичной и вторичной обмоток являются входом, а конец вторичной обмотки - выходом фазовращателя. 2. Фазовращатель, содержащий реактивный элемент, соединенный последовательно с переменным резистором, отличающийся тем, что реактивный элемент выполнен в виде первого трансформатора с коэффициентом трансформации 1/2, конец первичной обмотки которого подключен к первому выводу переменного резистора, и второго трансформатора, коэффициент трансформации которого в два раза больше коэффициента трансформации первого трансформатора, причем начало первичной обмотки первого трансформатора и второй вывод переменного резистора являются входом фазовращателя и соединены соответственно с началом и концом первичной обмотки второго трансформатора, при этом начала вторичных обмоток первого и второго трансформаторов соединены, а концы вторичных обмоток являются выходом фазовращателя.