ТРАНСФОРМАТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2005 года по МПК H02M5/14 H01F30/14 

Изобретение относится к электротехнике и, в частности, к трансформаторостроению и предназначено для обратимого взаимного преобразования электрической энергии трех- и двухфазных напряжений и токов.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и вариантов конструктивных решений.

Известны трансформаторные преобразователи электрической энергии трехфазных синусоидальных напряжений и токов в двухфазные, содержащие пространственный трехстержневой магнитопровод с расположенными на нем трехфазной входной и двухфазной выходной обмотками [1], [2].

Недостатками таких преобразователей являются невозможность регулирования выходного напряжения, а также строго фиксированное соотношение чисел витков секций двухфазной обмотки: в [1] оно составляет cos15°:cos45°:cos75°, а в [2] -

Предлагаемый в качестве изобретения трансформаторный преобразователь электрической энергии трехфазных напряжений и токов в двухфазные обеспечивает полное сопряжение параметров симметричных режимов трехфазной и двухфазной сетей, при которых удовлетворяются все требования симметрии независимо от мощности сети и потребителей. При этом возможно значительное варьирование чисел витков секций двухфазной обмотки, а также регулирование напряжения путем переключения ее секций.

Это достигается благодаря тому, что в трансформаторном преобразователе, состоящем из, по меньшей мере, трех сердечников (например, А, В, С) одинакового поперечного сечения стержневого или группового типа, трехфазной обмотки, состоящей из, по меньшей мере, трех одинаковых с числом витков W_т фаз (например, А, В, С), расположенных на соответствующих сердечниках магнитопровода, соединенных между собой в звезду или треугольник и присоединенных к трехфазной сети, и двухфазной обмотки, присоединенной к двухфазной сети, двухфазная обмотка выполнена состоящей из нескольких последовательно соединенных групп (например, 1,2,3, n...N), число которых равно числу N ступеней регулирования, каждая группа, в свою очередь, состоит из, в общем случае, шести секций: двух (например, W_ad и W_aq), размещенных на сердечнике А, двух (например, W_bd и W_bq), размещенных на сердечнике В, и двух (например, W_ed и W_cq), размещенных на сердечнике С, секции W_ad и W_bd соединены последовательно согласно между собой и последовательно встречно с секцией W_ed и образуют полугруппу первой фазы D двухфазной обмотки, секции W_bq и W_cq соединены последовательно согласно между собой и последовательно встречно с секцией W_aq и образуют полугруппу второй фазы Q двухфазной обмотки, при этом в любой группе из шести секций (например, “n”-й) числа витков секций должны относиться между собой как

причем отношение K=W_cq/W_aq может варьироваться произвольно в пределах

Трансформаторный преобразователь может быть выполнен, в этом заключается одно из существенных его достоинств, на базе стандартного выпускаемого электротехнической промышленностью трехфазного трансформатора любого типа (группового, стержневого, броневого, бронестержневого и др.). Трехфазная обмотка также стандартная и состоит из трех одинаковых с числом витков W_m фаз, которые расположены на трех различных сердечниках магнитопровода и могут быть соединены в звезду или треугольник.

Электрическая схема трансформаторного преобразователя (для примера на базе трехстержневого магнитопровода) приведена на фиг.1. Как следует из схемы фиг.1, двухфазная обмотка состоит, в общем случае, из 6N секций, благодаря чему становится возможным одновременно удовлетворить всем требованиям симметричных режимов трехфазной и двухфазной система электроснабжения и обеспечить возможность симметричного регулирования выходного двухфазного напряжения.

Необходимыми и достаточными условиями симметричных режимов работы трехфазной и двухфазной систем являются:

для трехфазной системы:

- равенство напряжений (U_A, U_B, U_C), токов [I_A, I_B, I_C) и намагничивающих сил (F_A, F_B, F_c) обмоток всех фаз по величине;

- временной фазовый сдвиг между любой парой векторов напряжений, токов и намагничивающих сил на 1/3 периода (120°);

для двухфазной системы:

- равенство напряжений (U_D, U_Q), токов (I_D, I_Q) и намагничивающих сил (F_D, F_Q) обмоток всех фаз по величине;

- временной фазовый сдвиг между любой парой векторов напряжений, токов и намагничивающих сил на 1/4 периода (90°);

совместно для обеих систем, исходя из общей магнитной цепи:

- сумма намагничивающих сил секций, расположенных на каждом отдельном сердечнике магнитопровода, должна быть одинаковой и равной намагничивающей силе холостого хода любой из фаз.

Две первых группы условий отражают то, что все электрические величины (напряжения, токи и намагничивающие силы) как в трехфазной, так и в двухфазной системе состоят только из симметричных составляющих прямой последовательности чередования фаз. Третья группа условий соответствует отсутствию в токах, намагничивающих силах и магнитных потоках трехфазной и двухфазной систем их нулевых составляющих.

Принцип работы трансформаторного преобразователя может быть пояснен следующим образом.

Под действием симметричных трехфазных напряжений U_A, U_B, U_C в трехфазной обмотке возникают симметричные трехфазные токи I_A, I_B, I_C, а в стержнях магнитопровода - симметричная система намагничивающих сил F_A=I_AW_m, F_B=I_BW_m, F_C=I_CW_m и соответствующих им магнитных потоков Ф_А, Ф_в, Ф_с. Магнитные потоки индуцируют в двухфазной обмотке шесть напряжений U_ad, U_bd, U_cd, U_aq, U_bq, U_cq соответственно в секциях W_ad, w_bd, W_cd, W_aq, W_bq, W_cq. С учетом схемы соединения секций (фиг.1) в фазах двухфазной обмотки возникают напряжения U_D=U_ad+αU_bd-α²U_cd и U_Q=-U_aq+αU_bq+α²U_cq. Здесь α=e^-j120° и α²=e^j120° - операторы поворота векторов напряжений на -(+)120°. При этом соотношение чисел витков секций и соответствующих им напряжений должно обеспечивать условия симметрии в двухфазной системе: U_D=jU_Q.

При подключении к напряжениям U_D и U_Q симметричного двухфазного приемника в двухфазной обмотке возникают токи I_D и I_Q, образующие симметричную систему двухфазных токов I_D=jI_Q. Под действием этих токов в сердечниках магнитопровода возникают намагничивающие силы: F_a=I_DW_ad+I_QW_aq, F_b=I_DW_bd+I_QW_bq, F_c=-I_DW_cd+I_QW_cq. При этом условие симметричного режима работы магнитной цепи трансформаторного преобразователя, то есть отсутствие намагничивающих сил и потоков нулевой последовательности чередования фаз, можно представить как: F_a=αР_b=a²F_c.

В итоге вся совокупность условий симметричного режима работы трансформаторного преобразователя может быть сведена к следующей системе уравнений:

Поскольку в полученной системе уравнений из шести параметров независимыми являются только четыре, то, приняв любой из в W_ad, W_bd, W_cd, W_aq, W_bq, W_cq за базовый (например, W_aq=1(100%)), a любой другой выразив в долях от базового (например, W_cq=K W_aq), можно получить соотношение для всех шести параметров

При этом область практически реализуемых значений параметра К находится в пределах а коэффициент трансформации, представляющий собой отношение фазных напряжений холостого хода двухфазной и трехфазной обмоток, равен В частности, при К=0,268 и К=0,5 имеют место варианты известных из [1], [2] соотношений параметров: 0,268:0,732:1:1:0,732:0,268 (К_Д/Т-=1,55W_aq/W_T) и 0:0,866:0,866:1:0,5:0,5 (К_Д/Т=1,5W_aq/W_T) (одна группа двухфазной обмотки состоит из пяти секций). Двухфазная обмотка, в общем случае, может состоять из любого количества групп, состоящих, в свою очередь, из двух полугрупп по три секции в каждой. Полугруппы соединены между собой последовательно, как показано на схеме фиг.1. Крайние выводы первых полугрупп двухфазной обмотки соединены с фазами D и Q двухфазной сети, а точки соединения последующих полугрупп между собой, включая крайние выводы последних (например, N-х) полугрупп, через N-позиционный трехполюсный переключатель соединяются с нулевой точкой О двухфазной сети. Таким образом, изменяя положение переключателя и, следовательно, число групп, включенных между выводами фаз D и Q и нулевой точкой О, можно ступенчато регулировать фазные напряжения двухфазной сети. При этом, если числа витков секций во всех группах двухфазной обмотки будут удовлетворять указанному выше соотношению, то напряжения двухфазной сети на всех уровнях будут оставаться симметричными.

Наконец, следует отметить, что, поскольку трансформаторный преобразователь по устройству и принципу действия полностью аналогичен обычному трансформатору, то он является обратимым пребразователем и может работать при любом направлении электрической энергии между трехфазной и двухфазной системами электроснабжения и электропотребления.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №598197, 11.10.1976, кл. Н 02 М 514.

2. Патент Франции №2648612, 15.06.1989, кл. Н 01 F 33/00.

Использование: в электротехнических и электроэнергетических системах, установках и оборудовании. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей. Двухфазная обмотка трансформаторного преобразователя состоит из нескольких последовательно соединенных групп, число которых равно числу ступеней регулирования, каждая группа, в свою очередь, состоит из шести секций, числа витков которых связаны соотношением ( в котором параметр К может варьироваться в пределах Три первых и три остальных секции в каждой группе образуют две полугруппы, являющиеся элементами фаз двухфазной обмотки. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Трансформаторный преобразователь трехфазного напряжения и тока в двухфазное, содержащий магнитопровод, состоящий из, по меньшей мере, трех сердечников А, В, С одинакового поперечного сечения, трехфазную обмотку, состоящую из, по меньшей мере, трех одинаковых с числом витков W_t фаз А, В, С, расположенных на соответствующих сердечниках магнитопровода, соединенных между собой в звезду или треугольник и присоединенных к трехфазной сети, и двухфазную обмотку, присоединенную к двухфазной сети, отличающийся тем, что двухфазная обмотка выполнена состоящей из нескольких последовательно соединенных групп 1, 2, 3, n...N, число которых равно числу N ступеней регулирования, каждая группа, в свою очередь, состоит из, по меньшей мере, шести секций: двух W_ad и W_aq, размещенных на сердечнике А, двух W_bd и W_bq, размещенных на сердечнике В, и двух W_cd и W_cq, размещенных на сердечнике С, секции W_ad и W_bd соединены последовательно согласно между собой и последовательно встречно с секцией W_cd и образуют полугруппу первой фазы D двухфазной обмотки, секции W_bq и W_cq соединены последовательно согласно между собой и последовательно встречно с секцией W_aq и образуют полугруппу второй фазы Q двухфазной обмотки, при этом в любой группе из шести секций числа витков секций должны относиться между собой как

причем K=W_cq/W_aq может варьироваться произвольно в пределах