ДВЕНАДЦАТИПУЛЬСНЫЙ ПОВЫШАЮЩИЙ АВТОТРАНСФОРМАТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК H02M7/08 

Двенадцатипульсный повышающий автотрансформаторный преобразователь напряжения (с коэффициентом трансформации напряжений Ku=0,5 и нулевой точкой преобразователя) может быть использован при создании преобразователей 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 промышленности для уменьшения величины пульсаций выпрямленного напряжения и уменьшения содержания высших гармонических составляющих в кривой переменного тока в трехфазной сети.

Из уровня техники известны преобразователи трехфазного переменного напряжения в многофазное, использующие схему «зигзаг», в которых трансформатор снабжен дополнительной группой вторичных обмоток. Группы вторичных обмоток соединены с разноименными фазами дополнительных вторичных обмоток (В. Казаков. Источники питания. Многофазные силовые трансформаторы-преобразователи и выпрямители. Силовая электроника, №4, 2006 г., стр.7-15).

Недостатком таких устройств является большое число вторичных обмоток, что значительно усложняет конструкцию преобразователя, технологию его изготовления, приводит к перерасходу материалов и увеличению его стоимости.

Наиболее близким решением из уровня техники 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. Известный преобразователь требует для своей реализации трехфазную сеть, три однофазных трансформатора с тремя первичными обмотками, подключенными к трехфазной сети, и тринадцать вторичных обмоток, создающих двенадцать выходов двенадцатифазной 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 г., стр.78-96).

Недостатком известного из уровня техники устройства является тот факт, что групповой трехфазный трансформатор уступает трехфазному трехстержневому автотрансформатору 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, потере мощности и увеличению стоимости преобразователя.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание такой архитектуры преобразователя, которая позволяет сократить расход активных материалов при замене трехфазного группового трансформатора трехфазным трехстержневым автотрансформатором, что в итоге позволяет улучшить весогабаритные показатели преобразователя, упростить конструкцию преобразователя, технологию его изготовления, уменьшить потери в нем и его стоимость.

Поставленная техническая задача решается за счет двенадцатипульсного повышающего автотрансформаторного преобразователя напряжения, представляющего собой трехфазный автотрансформатор, состоящий из трех катушек первичной обмотки, каждая из которых одним своим зажимом подключена к одному из линейных проводов сети, а другим зажимом - к соответствующему узлу «шестиугольника» катушек вторичных обмоток, и шести катушек вторичной обмотки, связанных между собой узлами, с двенадцатью выходами симметричного двенадцатифазного напряжения, к которым подключены своими анодами вентили, при этом катушки вторичной обмотки выполнены каждая с двумя отпайками от витков, к которым подключены вентили, соединены вместе друг с другом узлами в один контур в виде «шестиугольника» таким образом, что напряжения между узлами образуют симметричную шестифазную систему напряжений, отпайки, делящие число витков каждой катушки вторичной обмотки в отношении 0,268:0,464:0,268, представляют собой выходы симметричной двенадцатифазной системы напряжений преобразователя, а вентили, подключенные к выходам двенадцатифазной системы напряжений, создают двенадцатипульсное напряжение преобразователя при схеме преобразования с нулевой точкой, в качестве которой используется ноль сети.

Предлагаемое изобретение поясняется графическими материалами, где:

- на фиг.1 представлена схема двенадцатипульсного повышающего автотрансформаторного преобразователя напряжения с коэффициентом трансформации автотрансформатора, лежащем в пределах 0,5<Ku<1;

- на фиг.2 - векторная диаграмма потенциалов на вторичных обмотках преобразователя и на отпайках (выходах) вторичных обмоток.

Двенадцатипульсный повышающий автотрансформаторный преобразователь напряжения состоит из трехфазного автотрансформатора, имеющего линейные провода 1, 2, 3 сети, нулевой провод 0 сети, три катушки 1B, 2D и 3F первичной обмотки автотрансформатора, которые одним своим зажимом соединены с линейными проводами 1,2,3 сети, а другими зажимами соединены соответственно с вершинами B, D, F «шестиугольника» катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичных обмоток. Шесть соединенных между собой катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичной обмотки имеют отпайки (выходы) a, b, c, d, e, f, g, h, k, l, m, n от витков. При этом начало катушки 4 соединено с началом катушки 8, образуя узел A, конец катушки 8 соединен с концом катушки 6, образуя узел B, начало катушки 6 соединено с началом катушки 5, образуя узел C, конец катушки 5 соединен с концом катушки 9, образуя узел D, начало катушки 9 соединено с началом катушки 7, образуя узел E, конец катушки 7 соединен с концом катушки 4, образуя узел F и замыкая контур катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичных обмоток, образующих «шестиугольник» ABCDEF. Каждая катушка 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичной обмотки автотрансформатора является стороной «шестиугольника» ABCDEF, преобразующего симметричную трехфазную систему напряжений сети при подключении к ней преобразователя в симметричную шестифазную систему напряжений. Фазовый угол симметричной двенадцатифазной системы напряжений может быть определен из выражения 360°:12=30°.

Определим теперь положение отпаек a, b, c, d, e, f, g, h, k, l, m, n от витков катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичных обмоток на примере катушки 5. Для этого воспользуемся векторной диаграммой (фиг.2), где 0a, 0b, 0c, 0d, 0e, 0f, 0g, 0k, 01, 0m, 0n - потенциалы на выходах a,b,c,d,e,f,g,h,k,l,m,n фаз двенадцатифазной системы напряжений преобразователя, U_с1 - фазное напряжение первой фазы сети, 01 - вектор напряжения первой фазы сети, U_с2 - фазное напряжение второй фазы сети, 02 - вектор напряжения второй фазы сети, U_с3 - фазное напряжение третьей фазы сети, 03 - вектор напряжения третьей фазы сети. Число витков катушки 5 пропорционально длине вектора напряжения на катушке 5.

Отпайки с и d от витков катушки 5 делят ее число витков в отношении, определяемом отношением отрезков (C-e), (e-f) и (f-D). Отрезок (C-e)=(f-D)=U₆Sin30°-U₁₂Sin15°. Выражая U₁₂ через U₆ после преобразований, получаем: (C-e)=0,5U₆(1-Ctg30°Tg15°) и следующее отношение чисел витков, от которых выполняются отпайки c и d: 0,5(1-Ctg30°Tg15°):(Ctg30°Tg15°):0,5(1-Ctg30°Tg15°)=0,268:0,464:0,268, где: U₆ - величина фазного напряжения шестифазной системы напряжений преобразователя, U₁₂ - величина фазного напряжения двенадцатифазной системы напряжений преобразователя.

Двенадцатипульсный повышающий автотрансформаторный преобразователь напряжения работает следующим образом.

При подключении трехфазного автотрансформатора к трехфазной сети в трех стержнях магнитной цепи автотрансформатора 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 катушек на стержне каждой фазы позволяет получить два вторичных напряжения 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 катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичных обмоток так, как описано выше, получается шестифазный «шестиугольник» ABCDEF с симметричной шестифазной системой напряжений на катушках 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичной обмотки. Проведенный анализ показал, что на витках катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичной обмотки, образующих «шестиугольник», можно найти двенадцать точек, потенциалы которых равны по величине, но отличаются по фазе на одну двенадцатую часть периода (что в градусном измерении равно 360°:12=30°), и получить двенадцатифазную симметричную систему напряжений. Подключив к выходам a, b, c, d, e, f, g, h, k, l, m, n двенадцатифазной системы переменных напряжений вентили 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, можно получить двенадцатипульсное выпрямленное напряжение. Величина напряжения двенадцатифазной системы напряжений - U₁₂, создающейся на отпайках a,b,c,d,e,f,g,h,k,l,m,n, определяется величиной заданного среднего выпрямленного напряжения - U₀, зависит от величины напряжения шестифазной системы напряжений - U₆ и связана с ним соотношением: U₁₂Cos15°=U₆Cos30°, что следует из рассмотрения прямоугольных треугольников (0-C-22) и (0-e-22):(0-22)=U₆Cos30°=U₁₂Cos15°, где 15°=30°:2.

В свою очередь, величина напряжения U₆ определяется коэффициентом трансформации Кu автотрансформатора.

Среднее значение тока, протекающего через каждый вентиль, будет равно одной двенадцатой части выпрямленного тока нагрузки, т.к. каждый вентиль работает одну двенадцатую часть периода, а потери напряжения в преобразователе будут равны потере напряжения в одном вентиле, так как каждое мгновение работает лишь один вентиль.

Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, позволяет сократить расход активных материалов при замене трехфазного группового трансформатора трехфазным трехстержневым автотрансформатором, уменьшить габариты вентиля преобразователя, так как его габариты и стоимость зависят от среднего значения тока вентиля, что в итоге позволяет улучшить весогабаритные показатели преобразователя, упростить конструкцию преобразователя, технологию его изготовления и уменьшить его стоимость.

Анализ заявленного технического решения на соответствие требованиям условий 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 условий патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.

Двенадцатипульсный повышающий автотрансформаторный преобразователь напряжения (с коэффициентом трансформации напряжений Кu=0,5 и нулевой точкой преобразователя) может быть использован при создании преобразователей для регулируемых электроприводов постоянного и переменного тока. Преобразователь напряжения работает следующим образом. При подключении трехфазного автотрансформатора к трехфазной сети в трех стержнях магнитной цепи автотрансформатора возникают три магнитных потока, сдвинутых по фазе друг относительно друга на третью часть периода. Выполнение вторичной обмотки для каждой фазы в виде двух катушек на стержне каждой фазы позволяет получить два вторичных напряжения с противоположной полярностью. 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 катушек вторичных обмоток так, как описано выше, получается шестифазный «шестиугольник» ABCDEF с симметричной шестифазной системой напряжений на катушках вторичной обмотки. Технический результат - сокращение расхода активных материалов при замене трехфазного группового трансформатора трехфазным трехстержневым автотрансформатором. 2 ил.

Двенадцатипульсный повышающий автотрансформаторный преобразователь напряжения, представляющий собой трехфазный автотрансформатор, состоящий из трех катушек первичной обмотки, каждая из которых одним своим зажимом подключена к одному из линейных проводов сети, а другим зажимом - к соответствующему узлу «шестиугольника» катушек вторичных обмоток, и шести катушек вторичной обмотки, связанных между собой узлами, с двенадцатью выходами симметричного двенадцатифазного напряжения, к которым подключены своими анодами вентили, при этом катушки вторичной обмотки выполнены каждая с двумя отпайками от витков, к которым подключены вентили, соединены вместе друг с другом узлами в один контур в виде «шестиугольника» таким образом, что напряжения между узлами образуют симметричную шестифазную систему напряжений, отпайки, делящие число витков каждой катушки вторичной обмотки в отношении 0,268:0,464:0,268, представляют собой выходы симметричной двенадцатифазной системы напряжений преобразователя, а вентили, подключенные к выходам двенадцатифазной системы напряжений, создают двенадцатипульсное напряжение преобразователя при схеме преобразования с нулевой точкой, в качестве которой используется ноль сети.