СЕМИФАЗНЫЙ ТРАНСФОРМАТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧИСЛА ФАЗ Российский патент 2014 года по МПК H02M5/14 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при создании выпрямителей для регулируемых электроприводов постоянного и переменного тока для станков для повышения их быстродействия, а также на преобразовательных подстанциях для питания электрифицированных железных дорог, в электрометаллургической и химической отраслях промышленности для уменьшения величины пульсаций выпрямленного напряжения и уменьшения содержания высших гармонических составляющих в кривой переменного тока в трехфазной сети.

Из уровня техники известен преобразователь трехфазного переменного напряжения в многофазное на основе трансформаторов Скотта. (Ворфоломеев Г.Н., Мятеж С.В., Шуров Н.И. «Пятифазный мостовой выпрямительный агрегат на основе схемы Скотта» /Вестник КГТУ. Транспорт. Вып.39. Красноярск: Изд. КГТУ, 2005, с.21-25).

Недостатком известных преобразователей является сложная схема трансформатора, обусловленная необходимостью получения соответствующего сдвига вторичных фазных напряжений.

Из уровня техники известны также преобразователи трехфазного переменного напряжения в многофазное. Трансформатор снабжен дополнительной группой вторичных обмоток. Группы вторичных обмоток соединены с разноименными фазами добавочных вторичных обмоток по схеме «зигзаг» (В.Казаков. «Источники питания. Многофазные силовые трансформаторы-преобразователи и выпрямители» / Силовая электроника №4, 2006, с.7-15).

Недостатком этого устройства является большое число вторичных обмоток, что значительно усложняет конструкцию преобразователя, технологию его изготовления и приводит к перерасходу материалов при его изготовлении.

Наиболее близким решением по технической сути и достигаемому результату является преобразователь числа фаз, используемый для получения многофазного напряжения, состоящий из трех однофазных трансформаторов, содержащих каждый по одной первичной обмотке и требующий несколько групп вторичных обмоток. Таким образом, для реализации требуется трехфазная сеть, три однофазных трансформатора, с тремя первичными обмотками, подключенными к трехфазной сети и тринадцать вторичных обмоток, создающих семь выходов семифазной системы напряжений (Ворфоломеев Г.Н. и др. «Обзор схемных решений преобразователей числа фаз на трансформаторах. Совершенствование технических средств электрического транспорта» / Сборник научных трудов. Выпуск 2. Новосибирск, 2001, с.78-96).

Недостатком известного устройства является тот факт, что групповой трехфазный трансформатор уступает трехфазному трехстержневому трансформатору по своим весогабаритным показателям, а также преобразователь имеет большое число вторичных обмоток с различными параметрами, что значительно усложняет конструкцию преобразователя, технологию его изготовления и приводит к перерасходу материалов и увеличению его стоимости.

Техническим результатом заявленного изобретения является создание такой архитектуры преобразователя, которая позволяет сократить расход активных материалов при замене трехфазного группового трансформатора трехстержневым за счет сокращения числа катушек вторичной обмотки, что в итоге позволяет улучшить весогабаритные показатели преобразователя, упростить конструкцию преобразователя, технологию его изготовления и уменьшить его стоимость.

Поставленный технический результат решается в семифазном трансформаторном преобразователе числа фаз, представляющем собой трехфазный трансформатор, состоящий из трех катушек первичной обмотки и семи катушек вторичной обмотки с выходами симметричного семифазного напряжения, согласно изобретению, катушки вторичной обмотки выполнены в виде шести основных катушек по две на каждом стержне трансформатора, и одной добавочной катушки, при этом основные катушки выполнены с отпайками от витков и соединены между собой узлами в один контур в виде «шестиугольника» таким образом, что напряжения между узлами образуют шестифазную симметричную систему напряжений, позволяющую сформировать шесть точек на витках основных катушек вторичной обмотки по одной на каждой катушке, потенциалы которых представляют собой шесть выходов симметричной семифазной системы напряжений, кроме того, добавочная катушка вторичной обмотки, подсоединенная к узлу контура «шестиугольника», не связанному с основными катушками вторичной обмотки той фазы, на стержне которой она находится, а ее другой выход совместно с шестью отпайками от витков основных катушек вторичных обмоток представляет собой седьмой выход симметричной семифазной системы напряжений преобразователя, причем отпайки от витков основных катушек, к узлу которых подключается добавочная катушка, делят число витков этих катушек в отношении (1-Tg60°Sin21,43°/Cos12,86°):(1+Tg60°Sin21,43°/Cos12,86°)=0,175:0,825 от начала катушек, отпайки от витков следующих за ними катушек по контуру «шестиугольника» делят число витков этих катушек в отношении - (1+Tg60°Tg12,86°):(1-Tg60°Tg12,86°)=0,7:0,3 от начала катушек, а отпайки от витков двух следующих по контуру катушек «шестиугольника» делят число витков катушек в отношении - (1-Tg60°Sin4,29°/Cos12,86°):(1+Tg60°Sin4,29°/Cos12,86°)=0,44:0,56 от начала катушек.

Заявленное техническое решение поясняется графическими материалами, где:

- на фиг.1 представлена схема семифазного преобразователя числа фаз;

- на фиг.2 - векторная диаграмма потенциалов на вторичных обмотках преобразователя.

Семифазный трансформаторный преобразователь числа фаз состоит из трехфазного трансформатора, имеющего три катушки первичной обмотки: 1, 2 и 3, которые соединены по схеме «звезда» (или по схеме «треугольник») и подключены к трехфазной сети с нулевым проводом «0», шесть соединенных между собой основных катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичных обмоток, имеющих одну добавочную катушку 10 вторичной обмотки и отпайки 11, 12, 13, 14, 15, 16 от витков основных катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичных обмоток. При этом начало основной катушки 4 вторичной обмотки соединено с началом основной катушки 8 вторичной обмотки, образуя узел А, конец основной катушки 8 вторичной обмотки соединен с концом основной катушки 6 вторичной обмотки, образуя узел В, начало основной катушки 6 вторичной обмотки соединено с началом основной катушки 5 вторичной обмотки, образуя узел С, конец основной катушки 5 вторичной обмотки соединен с концом основной катушки 9 вторичной обмотки, образуя узел D, начало основной катушки 9 вторичной обмотки соединено с началом основной катушки 7 вторичной обмотки, образуя узел Е, конец основной катушки 7 вторичной обмотки соединен с концом основной катушки 4 вторичной обмотки, образуя узел F и замыкая контур основных катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичных обмоток, образующих «шестиугольник» A, B, C, D, E, F. Каждая основная катушка 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичной обмотки трансформатора является стороной «шестиугольника» A, B, C, D, E, F, преобразующего симметричную трехфазную систему напряжений в симметричную шестифазную систему напряжений. Добавочная катушка 10 вторичной обмотки подсоединяется своим началом 17 к вершине В «шестиугольника», с которой не связаны основные катушки 4 и 5 вторичных обмоток того же стержня, на котором находится добавочная катушка 10 вторичной обмотки. Второй зажим 18 добавочной катушки 10 вторичной обмотки вместе с отпайками 11, 12, 13, 14, 15, 16 от витков основных катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичных обмоток является седьмым выходом - с - семифазной системы напряжений a, b, c, d, e, f, g преобразователя. Фазовый угол симметричной семифазной системы напряжений a, b, c, d, e, f, g определяется из выражения: 360°:7=51,43°, а его половина равна 25,71°. Напряжение семифазной системы напряжений зависит от величины напряжения шестифазной системы и связано с ним соотношением: U₇=U₆Cos30°/Cos12,86°=0,89U₆, что следует из рассмотрения прямоугольных треугольников (0-С-19) и (0-19-е):(0-19)=U₆Cos30°=U₇Cos12,86°, где угол 12,86°=2×51,43°-90°. Поэтому напряжение на добавочной катушке 10 вторичной обмотки, определяясь разностью фазных напряжений (U₆-U₇), характеризуется величиной: U_доб=0,11 U₆.

Определим теперь положение отпаек 11, 12, 13, 14, 15, 16 от витков основных катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичных обмоток. Для этого воспользуемся векторной диаграммой (фиг.2), приняв число витков любой из катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 вторичных обмоток пропорциональным длине соответствующего вектора. Примем длину вектора напряжения на фазе шестифазного многоугольника за единицу. Добавочная катушка 10 вторичной обмотки подсоединяется своим началом к вершине В «шестиугольника» A, B, C, D, E, F, с которой не связаны основные катушки 4 и 5 вторичных обмоток того же стержня, на котором находится добавочная катушка 10 вторичной обмотки. Отпайки 13 и 15 от витков основных катушек 6 и 8 вторичных обмоток, к узлу которых подключается добавочная катушка 10 вторичной обмотки, делят число витков от начала основных катушек 6 и 8 вторичной обмотки в отношении, определяемом отношением отрезков С-13 и В-13. Отрезок C-13=0,5U₆-U₇Sin21,43°. Выражая U₇ через U₆ после преобразований, получаем: (1-Tg60°Sin21,43°/Cos12,86°):(1+Tg60°Sin21,43°/Cos12,86°)=0,175:0,825. Отпайки 11 и 12 от витков основных катушек 4 и 5 вторичных обмоток, следующих за основными катушками 6 и 8 вторичных обмоток по контуру «шестиугольника» A, B, C, D, E, F, делят число витков основных катушек 4 и 5 вторичных обмоток в отношении, определяемом отношением отрезков (С-12) и (D-12) - (1+Tg60°Tg12,86°):(1-Tg60°Tg12,86°)=0,7:0,3 от начала основных катушек 4 и 5 вторичных обмоток. Отпайки 14 и 16 от витков двух следующих по контуру «шестиугольника» A, B, C, D, E, F основных катушек 7 и 9 вторичных обмоток делят число витков от начала этих катушек в отношении, определяемом отношением отрезков (Е-16) и (D-16) - (1-Tg60°Sin4,29°/Cos12,86°):(1+Tg60°Sin4,29°/Cos12,86°)=0,44:0,56.

Семифазный трансформаторный преобразователь числа фаз работает следующим образом. При подключении трехфазного трансформатора к трехфазной сети в стержнях магнитной цепи трансформатора возникают три магнитных потока, сдвинутых по фазе друг относительно друга на третью часть периода или в градусном измерении на 120°. Выполнение вторичной обмотки для каждой фазы в виде двух основных катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичных обмоток на стержне каждой фазы позволяет получить два вторичных напряжения на каждую фазу с противоположной полярностью (со сдвигом на 180°). Таким образом, при трех напряжениях сети, сдвинутых по фазе на 120°, получаются шесть вторичных напряжений, сдвинутых по фазе друг относительно друга на 60°. При соединении шести основных катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичных обмоток так, как описано выше, получается шестифазный «шестиугольник» A, B, C, D, E, F с симметричной шестифазной системой напряжений на основных катушках 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичных обмоток. Проведенный анализ показал, что на витках основных катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичных обмоток, образующих «шестиугольник» A, B, C, D, E, F, находятся шесть точек a, b, d, e, f, g, потенциалы которых равны по величине, но отличаются по фазе на одну седьмую часть периода (что в градусном измерении равно 360°:7=51,43°), а седьмая точка - с - создается на выходе 18 добавочной катушки 10 вторичной обмотки и получается семифазная симметричная система напряжений a, b, c, d, e, f, g.

Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, позволяет за счет сокращения числа катушек вторичной обмотки сократить расход активных материалов при замене трехфазного группового трансформатора трехстержневым, что в итоге позволяет улучшить весогабаритные показатели преобразователя, упростить конструкцию преобразователя и технологию его изготовления.

Анализ заявленного технического решения на соответствие требованиям условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, неизвестной на дату приоритета из уровня техники, достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.

Свойства, регламентированные в заявленном, соединены отдельными признаками, общеизвестны из уровня техники и не требуют дополнительных пояснений.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для использования при создании регулируемых электроприводов постоянного тока;

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в материалах заявки известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленный объект соответствуют требованиям условиям патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при создании выпрямителей для регулируемых электроприводов постоянного и переменного тока. Устройство состоит из трехфазного трансформатора, имеющего три катушки (1, 2 и 3) первичной обмотки, которые соединены по схеме «звезда» и подключены к трехфазной сети, шесть соединенных между собой основных катушек (4, 5, 6, 7, 8, 9) вторичных обмоток, имеющих одну добавочную катушку 10 вторичной обмотки и отпайки (11, 12, 13, 14, 15, 16) от витков основных катушек (4, 5, 6, 7, 8, 9) вторичных обмоток. Заявленное изобретение позволяет получить технический результат - сократить расход активных материалов при замене трехфазного группового трансформатора трехстержневым, что в итоге позволяет улучшить весогабаритные показатели преобразователя, упростить конструкцию преобразователя и технологию его изготовления. 2 ил.

Семифазный трансформаторный преобразователь числа фаз, представляющий собой трехфазный трансформатор, состоящий из трех катушек первичной обмотки и семи катушек вторичной обмотки с выходами симметричного семифазного напряжения, отличающийся тем, что катушки вторичной обмотки выполнены в виде шести основных катушек, по две на каждом стержне трансформатора и одной добавочной катушки, при этом основные катушки выполнены с отпайками от витков и соединены между собой узлами в один контур в виде «шестиугольника» таким образом, что напряжения между узлами образуют шестифазную симметричную систему напряжений, и позволяющую сформировать шесть точек на витках основных катушек вторичной обмотки, по одной на каждой катушке, потенциалы которых представляют собой шесть выходов симметричной семифазной системы напряжений, кроме того, добавочная катушка вторичной обмотки, подсоединенная к узлу контура «шестиугольника», не связанному с основными катушками вторичной обмотки той фазы, на стержне которой она находится, а ее другой выход совместно с шестью отпайками от витков основных катушек вторичных обмоток представляет собой седьмой выход симметричной семифазной системы напряжений преобразователя, причем отпайки от витков основных катушек, к узлу которых подключается добавочная катушка, делят число витков этих катушек в отношении (1-Tg60°Sin21,43°/Cos12,86°):(1+Tg60°Sin21,43°/Cos12,86°)=0,175:0,825 от начала катушек, отпайки от витков следующих за ними катушек по контуру «шестиугольника» делят число витков этих катушек в отношении (1+Tg60°Tg12,86°):(1-Tg60°Tg12,86°)=0,7:0,3 от начала катушек, а отпайки от витков двух следующих по контуру катушек «шестиугольника» делят число витков катушек в отношении (1-Tg60°Sin4,29°/Cos12,86°):(1+Tg60°Sin4,29°/Cos12,86°)=0,44:0,56 от начала катушек.