ТРАНСФОРМАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 2003 года по МПК H02M3/20 H01F38/40 

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для преобразования постоянного напряжения одной величины в постоянное напряжение другой величины.

Такая задача решается путем достаточно сложного применения системы устройств, в которую входят: источник питания постоянного напряжения, автономный инвертор напряжения, силовой трансформатор, полупроводниковый выпрямитель, сглаживающий фильтр, стабилизатор напряжения, регулятор и система управления (см. Основы промышленной электроники под ред. проф. В.Г. Герасимова. M. 1978, стр. 178-212).

Система преобразователей, реализующих изменение постоянного напряжения одной величины в постоянное напряжение другой величины, подробно приведена в работе И. М. Чиженко, В.С. Руденко, В.И. Сенько. Основы преобразовательной техники. М. 1974, стр. 221-223.

Однако такое техническое решение имеет ряд существенных недостатков. Гармоники напряжений и токов, генерируемые системой преобразователей, загружают сеть, вызывают потери, снижающие кпд устройства. Помехи, вызываемые этими гармониками, оказывают вредное воздействие на окружающую электро- и радиоаппаратуру и установки различного назначения. Система преобразователя, состоящая из многих каскадов или блоков, потребляет из питающей энергетической сети большое количество реактивной мощности, негативно влияющей на основные технико-экономические показатели всего устройства в целом. Наличие большого количества элементов, входящих в блоки и каскады системы преобразователя, снижают обилую надежность последнего. Наконец, такая система преобразования постоянного напряжения одного уровня в постоянное напряжение другого уровня обладает большими массогабаритными показателями, требующими затрат полезной площади и ухудшающими его транспортировку, а также увеличивающими стоимость ремонтно-профилактических работ.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является устранение указанных недостатков, т.е. уменьшение потерь, массогабаритных показателей, а также увеличение кпд и надежности устройства.

Указанная цель достигается тем, что трансформатор постоянного тока содержит магнитопровод, выполненный в виде магнитной системы электромашинного типа, в пазах которого размещены первичная и вторичная силовые обмотки в виде секций, а переключающие элементы выполнены в виде коммутаторов первичной и вторичной обмоток, состоящих из управляемых полупроводниковых вентилей, размещенных между первичной обмоткой и токопроводящими шинами, выполненными кольцеобразными и подключенными к зажимам входного напряжения и, соответственно, между вторичной обмоткой и токопроводящими шинами, выполненными кольцеобразными и подключенными к зажимам выходного напряжения, при этом в коммутаторе первичной обмотки катоды прямо включенных и аноды обратно включенных вентилей соединены между собой и подключены к секциям первичной обмотки, а аноды прямо включенных и катоды обратно включенных вентилей соединены с токопроводящими шинами, подключенными соответственно к положительному и отрицательному зажимам входного напряжения, в коммутаторе вторичной обмотки аноды прямо включенных и катоды обратно включенных вентилей соединены между собой и подключены к секциям вторичной обмотки, а катоды прямо включенных и аноды обратно включенных вентилей соединены с токопроводящими шинами, подключенными соответственно к отрицательному и положительному зажимам выходного напряжения.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена электрическая схема трансформатора постоянного тока, который состоит из первичной силовой обмотки 1, разделенной на N отдельных секций 2 (в данном случае N=6), размещенных в пазах магнитопровода, выполненного в виде магнитной системы электромашинного типа, и вторичной силовой обмотки 3, аналогично разделенной на N отдельных секций 4, также размещенных в пазах магнитопровода. Секции 2 первичной силовой обмотки и секции 4 вторичной силовой обмотки соединены в обеих силовых обмотках между собой последовательно. К секциям 2 присоединен управляемый полупроводниковый коммутатор УПК-I, состоящий из прямо включенных 5-10 и обратно включенных 11-16 полупроводниковых вентилей, в качестве которых используются GTO - запираемые тиристоры. Аналогично, к секциям 4 присоединен управляемый полупроводниковый коммутатор УПК-II, также состоящий из прямо включенных 17-22 и обратно включенных 23-28 полупроводниковых вентилей - GTO - запираемых тиристоров. Как первичная силовая обмотка 1, так и вторичная силовая обмотка 3 трансформатора выполнены замкнутыми. Аноды прямо включенных вентилей 5-10 УПК-I присоединены к кольцеобразной токопроводящей шине 29, соединенной с положительным зажимом постоянного входного напряжения U₁. Катоды обратно включенных вентилей 11-16 присоединены к кольцеобразной токопроводящей шине 30, соединенной с отрицательным зажимом входного напряжения U₁. Катоды прямо включенных вентилей 5-10 последовательно соединены с анодами обратно включенных вентилей 11-16 и подсоединены к точкам соединения секций 2 первичной обмотки 1 трансформатора (А, В, С, D и т.д.).

Аналогичным образом устроена цепь вторичного управляемого коммутатора УПК-II. Здесь аноды прямо включенных вентилей 17-22 и катоды обратно включенных вентилей 23-28 последовательно соединены между собой и подсоединены к точкам соединения секций 4 вторичной обмотки 3 трансформатора. Катоды прямо включенных вентилей 17-22 присоединены к кольцеобразной токопроводящей шине 31, соединенной с отрицательным зажимом постоянного выходного напряжения U₂. Аноды обратно включенных вентилей 23-28 присоединены к кольцеобразной токопроводящей шине 32, соединенной с положительным зажимом выходного напряжения U₂.

Работа трансформатора постоянного тока осуществляется с помощью вращающегося магнитного поля, создаваемого в первичной обмотке 1 трансформатора, путем последовательного переключения прямых 5-10 и обратных 11-16 управляемых вентилей коммутатора УПК-I, при поступлении токовых импульсов на управляемые электроды этих вентилей, подаваемых с системы управления.

В первом интервале времени токовые импульсы подаются на диаметрально расположенные прямо включенный 5 и обратно включенный 14 вентили УПК-I первичной силовой обмотки 1 трансформатора и они открываются. Все остальные вентили первичной обмотки при этом закрыты. Первичный ток проходит от положительного зажима входного напряжения U₁ через токопроводящую жилу 29, вентиль 5 и в точке А разветвляется на две параллельные ветви А и В, возвращаясь через вентиль 14 к отрицательному зажиму входного напряжения U₁ через токопроводящую шину 30. Точки А и В определяют пространственное направление магнитного поля трансформатора. Это магнитное поле первичной обмотки 1 индуктирует в параллельных ветвях вторичной обмотки 3 трансформатора эдс. Синхронно с импульсами, поступающими на вентили 5 и 14, на прямо включенный вентиль 17 и обратно включенный вентиль 26 УПК-II вторичной обмотки 3 поступают аналогичные токовые импульсы системы управления и они открываются. Все остальные вентили вторичной обмотки 3 при этом также закрыты. Под действием индуктируемой во вторичной обмотке трансформатора эдс в ней протекает вторичный ток, создающий выходное напряжение U₂. Цепь вторичного тока: вентиль 17, токопроводящая шина 31, отрицательный зажим выходного постоянного напряжения U₂, положительный зажим выходного постоянного напряжения U₂, токопроводящая шина 32, вентиль 26, вторичная обмотка 3 трансформатора.

Через интервал времени Δt:

где ω_и - угловая частота импульса управления,
на диаметрально расположенные соседние вентили 6 и 15 УПК-I первичной обмотки 1 и вентили 18 и 27 УПК-II вторичной обмотки 3 подаются токовые импульсы системы управления и они открываются. Вентили 5 и 14 УПК-I первичной обмотки 1 и вентили 17 и 26 УПК -II вторичной обмотки 3 при этом закрываются. Все остальные вентили УПК-I и УПК-II по прежнему закрыты. В этом интервале времени цепь первичного тока: положительный зажим входного напряжения U₁, токопроводящая шина 29, точка С, две параллельные ветви С и D, точка D, вентиль 15, токопроводящая шина 30, отрицательный зажим входного напряжения U₁. Цепь вторичного тока: вторичная обмотка 3, вентиль 18, токопроводящая шина 31, отрицательный зажим выходного напряжения U₂, положительный зажим U₂, токопроводящая шина 32, вентиль 27, вторичная обмотка 3 трансформатора.

Пространственное направление магнитного поля определяется в этом случае точками С и D, которые смещены относительно точек А и В по окружности на угол . На этот угол магнитное поле первичной обмотки 1 трансформатора повернуто в пространстве.

В третьем интервале времени открываются вентили 7 и 16 УПК-I и вентили 19 и 28 УПК-II, а вентили 6 и 15 УПК-I и 18 и 27 УПК-II закрываются. Все остальные вентили, как и в предыдущих интервалах времени, закрыты. Магнитное поле первичной обмотки 1 трансформатора сдвигается в пространстве еще на угол . Таким образом, через N интервалов времени магнитное поле сделает один оборот, равный
,
в течение времени

где f_и - частота подаваемых на управляющие электроды вентилей импульсов, формируемых системой управления.

Угловая скорость вращения магнитного поля равна
ω_мп = ω_и = 2πf_и.
Процентное колебание напряжения можно оценить выражением
,
при
N=6 - ΔU%=7,2
N=8 - ΔU%=4
N=10 - ΔU%=2,5
Предлагаемый трансформатор постоянного тока предназначен для использования в энергосистемах, энергетических сетях и линиях электропередач, кабелях постоянного тока с разным уровнем напряжения и позволит за счет уменьшения потерь, массогабаритных показателей, а также увеличения кпд и надежности этих систем и устройств существенно улучшить их технико-экономические показатели.

Использование: для преобразования постоянного напряжения одного уровня в постоянное напряжение другого уровня. Трансформатор содержит магнитопровод, выполненный в виде магнитной системы электромашинного типа, в пазах которого размещены первичная и вторичная силовые обмотки в виде секций и управляемые полупроводниковые коммутаторы первичной и вторичной обмоток, выполненные в виде прямо и обратно включенных управляемых полупроводниковых вентилей. Преобразование напряжения в трансформаторе происходит за счет вращающегося магнитного поля, создаваемого в первичной обмотке при подаче постоянного входного напряжения, путем переключения прямо и обратно включенных вентилей коммутаторов подачей токовых импульсов на управляемые электроды, сдвинутые относительно друг друга на угол, определяемый числом секций трансформатора. Технический результат заключается в уменьшении потерь, массогабаритных показателей, а также увеличении кпд и надежности. 1 ил.

Трансформатор постоянного тока, содержащий первичную и вторичную силовые обмотки, переключающие элементы, подключенные к первичной и вторичной обмоткам, магнитопровод и токопроводящие шины, отличающийся тем, что магнитопровод выполнен в виде магнитной системы электромашинного типа, в пазах которого размещены первичная и вторичная силовые обмотки в виде секций, при этом секции первичной обмотки, также как и секции вторичной обмотки соединены между собой последовательно, а переключающие элементы выполнены в виде коммутаторов первичной и вторичной силовых обмоток, состоящих из управляемых полупроводниковых вентилей, размещенных между первичной обмоткой и токопроводящими шинами, выполненными кольцеобразными и подключенными к зажимам входного напряжения и, соответственно, между вторичной обмоткой и токопроводящими шинами, выполненными кольцеобразными и подключенными к зажимам выходного напряжения, при этом в коммутаторе первичной обмотки катода прямо включенных и аноды обратно включенных управляемых полупроводниковых вентилей соединены между собой и подключены к секциям первичной обмотки, а аноды прямо включенных и катоды обратно включенных управляемых полупроводниковых вентилей соединены с токопроводящими шинами, подключенными соответственно к положительному и отрицательному зажимам входного напряжения, и последовательное переключение диаметрально расположенных прямо включенных и обратно включенных управляемых полупроводниковых вентилей коммутатора первичной обмотки ведет к созданию в ней вращающегося магнитного поля, а в коммутаторе вторичной обмотки аноды прямо включенных и катоды обратно включенных управляемых полупроводниковых вентилей соединены между собой и подключены к секциям вторичной обмотки, а катоды прямо включенных и аноды обратно включенных управляемых полупроводниковых вентилей соединены с токопроводящими шинами, подключенными, соответственно, к отрицательному и положительному зажимам выходного напряжения.