МНОГОФАЗНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР Российский патент 2002 года по МПК H01F30/14 H02M5/14 

Изобретение относится к трансформаторостроению и может быть использовано в многофазных полупроводниковых преобразовательных устройствах.

Известен многофазный трансформатор, содержащий средний витой магнитопровод с прямоугольным вытянутым окном, на двух стержнях которого размещены катушки с секциями трехфазной первичной и многофазной вторичной обмоток и два боковых витых без обмоток магнитопровода аналогичной формы, примыкающих к торцам среднего магнитопровода через вставленные зубцы и немагнитные прокладки на противоположных сторонах зубцов (см. а.с. СССР 1292135. Многофазный трансформатор /Левин Н.Н., Якушков А.А. и др. Опубл. 23.07.87, БИ 27).

Однако такой трансформатор имеет сложную технологию изготовления, несимметричную магнитную цепь, низкую удельную мощность на единицу массы.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по физической сущности и достигаемому результату является многофазный агрегатированный трансформатор (см. патент 2125749, 1999 г., БИ 3, авторы Атрощенко В. А., Гайтов Б.Х., Сингаевский Н.А., и др.), содержащий внутренние (средние) витые магнитопроводы с обмотками и два боковых витых магнитопровода, примыкающих к торцам среднего магнитопровода через немагнитные прокладки, причем внутренние витые магнитопроводы и два боковых витых магнитопровода выполнены тороидальными, а внутренних (средних) магнитопроводов принято несколько, и каждый из них с двумя активными торцовыми поверхностями, имеющими в пазах трехфазную распределенную первичную и многофазную сосредоточенную вторичную обмотки, примыкает друг к другу торцовыми поверхностями через две немагнитные прокладки, разделенные между собой одним промежуточным ярмом в виде листа из электротехнической стали, причем количество средних витых магнитопроводов, промежуточных ярм и немагнитных прокладок между ними определяется суммарной мощностью единого агрегатированного трансформатора.

Однако повышение фазности такого трансформатора может быть достигнуто только дополнительным увеличением количества фаз вторичной обмотки, а следовательно, необходимостью выфрезеровывания большего количества пазов магнитопроводов, что существенно удорожает технологический процесс, а также дополнительно ухудшает магнитные свойства магнитопроводов за счет проявления известного явления "наклепа", неизбежного при любой механической обработке электротехнической стали.

Предлагаемое изобретение решает задачу упрощения технологии изготовления многофазного трансформатора и удешевления его производства, а также улучшения магнитных свойств магнитопроводов за счет использования для увеличения фазности выходного напряжения трансформатора нескольких малопазовых аксиальных магнитопроводов с трехфазными первичными и многофазными, в частности трехфазными, вторичными обмотками.

Для этого несколько внутренних аксиальных магнитопроводов выполняются с двумя активными торцовыми поверхностями с пазами, в которые укладываются первичные трехфазные обмотки, а соответствующее количество других внутренних аксиальных магнитопроводов и боковые аксиальные магнитопроводы выполняются с одной активной торцовой поверхностью с пазами, в которые укладываются вторичные многофазные (в частном случае, также трехфазные) обмотки, причем магнитопроводы, в пазы которых укладываются вторичные обмотки, выполняются повернутыми относительно магнитопроводов с первичной трехфазной обмоткой вокруг их общей оси симметрии каждый на свой угол где i - порядковый номер магнитопровода с вторичной многофазной (в частном случае трехфазной) обмоткой, m₂ - число фаз каждой вторичной обмотки, k₂ - коэффициент агрегатирования, т.е. количество магнитопроводов с вторичными обмотками. Боковые магнитопроводы выполняются примыкающими к торцам внутренних магнитопроводов активными торцовыми поверхностями. Количество магнитопроводов с первичными обмотками k₁ и количество магнитопроводов с вторичными обмотками k₂ определяется числом фаз выходного напряжения многофазного трансформатора m_T и числом фаз вторичных обмоток m₂ соотношениями k₂ = m_T/m₂ и k₁ = k₂/2 = m_T/2m₂. Так в частном случае, когда вторичные обмотки принимаются трехфазными, т.е. m₁ = m₂ = 3, имеем k₂ = m_T/3 и k₁ = m_T/6.

На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого многофазного (в представленном случае 12-фазного с трехфазной вторичной обмоткой - m₂ = 3) трансформатора, на фиг. 2 - его электрическая схема, на фиг. 3 - его векторная диаграмма.

Многофазный (в представленном варианте 12-фазный) трансформатор содержит (см. фиг. 1): внутренние аксиальные магнитопроводы 1 и 2, имеющие по две активные торцовые поверхности 3, 4, 11 и 12 с пазами, в которых уложены первичные трехфазные обмотки 5, 6, 7 и 8, внутренние аксиальные магнитопроводы 9, 10 и боковые аксиальные магнитопроводы 13, 14, имеющие по одной активной торцовой поверхности 15, 16, 17 и 18 с пазами, в которые уложены вторичные многофазные (в представленном варианте - трехфазные) обмотки 19, 20, 21 и 22. Магнитопроводы 9, 10, 13 и 14, в пазы которых уложены вторичные многофазные (в представленном варианте - трехфазные) обмотки 19, 20, 21 и 22, выполнены повернутыми относительно внутренних аксиальных магнитопроводов 1 и 2, в пазы которых уложены первичные трехфазные обмотки 5, 6, 7, 8, вокруг их общей оси симметрии 23 каждый на свой угол где i - порядковый номер магнитопровода с вторичной многофазной обмоткой, m₂ - число фаз вторичных обмоток (в представленном варианте m₂ = 3), k₂ - коэффициент агрегатирования (количество магнитопроводов с вторичными обмотками, в представленном варианте k₂ = 4). Внутренние магнитопроводы 1, 2, 9 и 10 примыкают друг к другу торцовыми поверхностями через немагнитные прокладки 26, 27, и 28. Боковые магнитопроводы 13 и 14 примыкают к торцам внутренних магнитопроводов 1 и 2 активными торцовыми поверхностями 15 и 18 через немагнитные прокладки 24 и 25. Количество магнитопроводов с первичными обмотками k₁ и количество магнитопроводов со вторичными обмотками k₂ определяется числом фаз выходного напряжения многофазного трансформатора m_T и числом фаз вторичных обмоток m₂ соотношениями k₂ = m_T/m₂ и k₁ = k₂/2 = m_T/2m₂.

На фиг. 2 обозначено: 1, 2, 3...12 - порядковый номер фазы выходного напряжения многофазного трансформатора; 1₂ ²² - первая фаза вторичной обмотки 22, 2₁ ⁸ - вторая фаза первичной обмотки 8, т.е. цифра (1, 2, 3) обозначает номер фазы обмотки, верхний - индекс номер обмотки в соответствии с фиг. 1, нижний индекс - первичную (вторичную) сторону многофазного трансформатора; угол поворота i-го магнитопровода (i = 1, 2, 3, 4 - порядковый номер магнитопровода, в пазы которого уложена вторичная обмотка с соответствующим верхнему индексу номером), определенный в соответствии с соотношением (в представленном варианте U₁ - напряжение питающей трехфазной сети.

Поскольку первичные напряжения равны по величине и по фазе, на фиг. 3 они показаны единой "звездой" первичных напряжений. На фиг. 3 напряжения фаз обозначены где верхний индекс N обозначает номер обмотки, соответствующий номеру позиции на фиг. 1, нижний индекс n обозначает номер фазы трехфазной первичной или сформированной многофазной вторичной системы напряжений.

Многофазный трансформатор работает следующим образом. При подключении первичных трехфазных обмоток 5, 6, 7 и 8 к питающей сети напряжением U₁ во внутренних магнитопроводах 9, 10 и боковых магнитопроводах 13, 14 создается вращающееся магнитное поле, которое, взаимодействуя с многофазными (в представленном варианте трехфазными) вторичными обмотками 19, 20, 21, 22 наводит в каждой из них систему многофазных (в представленном варианте - трехфазных) ЭДС и напряжений, сдвинутых друг относительно друга на угол 2π/m₂, где m₂ - число фаз каждой вторичной обмотки многофазного (в представленном варианте 12-фазного) трансформатора (в представленном случае m₂ = 3, а угол сдвига фаз равен ). В результате происходит преобразование трехфазной системы напряжений в m₂ - фазную симметричную систему напряжений в каждой вторичной обмотке 19, 20, 21, 22. Поскольку магнитное поле вращается, а магнитопроводы 9, 10, 13, 14, в пазы которых уложены вторичные многофазные (в представленном варианте - трехфазные) обмотки 19, 20, 21, 22, повернуты относительно магнитопроводов 1 и 2 вокруг их общей оси симметрии на угол α_i, где i - порядковый номер магнитопровода с вторичной многофазной (в представленном варианте - трехфазной) обмоткой, то магнитное поле будет наводить ЭДС в каждой фазе всех вторичных обмоток в зависимости от их пространственного сдвига, т.е. со сдвигом между собой на угол (при m_T=12 этот угол равен: α = 30^°).

Очевидно, что фазовый сдвиг между ЭДС, наводимыми во вторичных обмотках, равен углу поворота магнитопроводов 9, 10, 13, 14 относительно магнитопроводов 1 и 2, который выбирается равным где i - порядковый номер магнитопровода с вторичной обмоткой, m₂ - число фаз каждой вторичной обмотки, k₂ - коэффициент агрегатирования, т.е. количество магнитопроводов с вторичными обмотками (в представленном варианте k₂ = 4, i = 1 - 4). Таким образом, число фаз выходного напряжения многофазного трансформатора равно m_T = k₂ • m₂ (в представленном варианте m_T = 4 • 3 = 12).

Предлагаемое изобретение, выполняя функцию известного многофазного агрегатированного трансформатора, как и прототип, в то же время в отличие от него позволяет увеличить фазность выходного напряжения без усложнения технологии изготовления магнитопроводов из-за обязательного в прототипе увеличения числа пазов вторичного магнитопровода и соответствующего ухудшения свойств стали. Примечателен тот факт, что, принимая количество фаз каждой вторичной обмотки m₂ = m₁ = 3, можно достичь полной унификации активных торцовых поверхностей первичных и вторичных магнитопроводов и добиться выполнения минимально допустимого числа пазов этих магнитопроводов.

Использование: в многофазных полупроводниковых преобразовательных устройствах. Технический результат заключается в упрощении изготовления и удешевлении его производства, а также в улучшении магнитных свойств магнитопроводов. Несколько внутренних аксиальных магнитопроводов выполнены с двумя активными торцовыми поверхностями с пазами. В пазы уложены первичные трехфазные обмотки. Соответствующее количество других внутренних аксиальных магнитопроводов и боковые аксиальные магнитопроводы выполнены с одной активной торцовой поверхностью с пазами. В пазы уложены вторичные многофазные обмотки. Магнитопроводы, в пазы которых уложены вторичные обмотки, повернуты относительно магнитопроводов с первичной трехфазной обмоткой вокруг их общей оси симметрии каждый на угол где i - порядковый номер магнитопровода с вторичной многофазной обмоткой, m₂ - число фаз каждой вторичной обмотки, k₂ - коэффициент агрегатирования, равный количеству магнитопроводов с вторичными обмотками. Боковые магнитопроводы примыкают к торцам внутренних магнитопроводов активными торцовыми поверхностями. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Многофазный трансформатор, содержащий несколько внутренних аксиальных магнитопроводов с обмотками, примыкающих друг к другу торцовыми поверхностями через немагнитные прокладки, и два боковых аксиальных магнитопровода, примыкающих к торцам внутреннего магнитопровода через немагнитные прокладки, отличающийся тем, что несколько внутренних аксиальных магнитопроводов имеют по две активные торцовые поверхности с пазами, в которые уложены первичные трехфазные обмотки, а соответствующее количество других внутренних аксиальных магнитопроводов и боковые аксиальные магнитопроводы имеют по одной активной торцовой поверхности с пазами, в которые уложены вторичные многофазные обмотки, причем магнитопроводы, в пазы которых уложены вторичные многофазные или трехфазные обмотки, выполнены повернутыми относительно магнитопроводов, в пазы которых уложены первичные трехфазные обмотки, вокруг их общей оси симметрии каждый на угол

где i - порядковый номер магнитопровода с вторичной обмоткой;
m₂ - число фаз вторичных обмоток;
k₂ - коэффициент агрегатирования, т. е. количество магнитопроводов с вторичными обмотками,
причем боковые магнитопрооводы примыкают к торцам внутренних магнитопроводов активными торцовыми поверхностями.