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

Двенадцатипульсный повышающий автотрансформаторный преобразователь напряжения (с коэффициентом трансформации напряжений Ku=1 и нулевой точкой преобразователя) относится к преобразовательной технике и 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 трехстержневым автотрансформатором, что в итоге позволяет улучшить весогабаритные показатели преобразователя, упростить конструкцию преобразователя, технологию его изготовления, уменьшить потери в нем и его стоимость.

Поставленный технический результат решается за счет двенадцатипульсного повышающего автотрансформаторного преобразователя напряжения, представляющего собой трехфазный автотрансформатор, состоящий из шести катушек вторичной обмотки, выполняющих роль и первичной обмотки, с двенадцатью выходами симметричного двенадцатифазного напряжения, к которым подключены своими анодами вентили, при этом катушки 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 при подключении трех вершин «шестиугольника» к трем линейным проводам сети 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 своими анодами 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 Ku=1;

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

Двенадцатипульсный повышающий автотрансформаторный преобразователь напряжения состоит из трехфазного автотрансформатора, имеющего линейные провода 1, 2, 3 сети, нулевой провод 0 сети, шесть соединенных между собой катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичной обмотки с отпайками (выходами) 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 А, конец катушки 8 соединен с концом катушки 6, образуя узел В, начало катушки 6 соединено с началом катушки 5, образуя узел С, конец катушки 5 соединен с концом катушки 9, образуя узел D, начало катушки 9 соединено с началом катушки 7, образуя узел Е, конец катушки 7 соединен с концом катушки 4, образуя узел F, и замыкая контур катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9, образующих «шестиугольник» ABCDEF. Каждая катушка 4, 5, 6, 7, 8, 9 автотрансформатора является стороной «шестиугольника» ABCDEF, преобразующего симметричную трехфазную систему напряжений сети в симметричную шестифазную систему напряжений, если «шестиугольник» своими тремя вершинами B, D, F подключен к линейным проводам 1, 2, 3 сети. Фазовый угол симметричной двенадцатифазной системы напряжений может быть определен из выражения: 360°:12=30°. Напряжение двенадцатифазной системы напряжений зависит от величины напряжения шестифазной системы и связано с ним соотношением: U₁₂Cos1°=U6Cos30°, что следует из рассмотрения прямоугольных треугольников (0-С-22) и (0-е-22):(0-22)=U₆Cos30°=U₁₂Cos15°, где 15°=30°:2. Где: U₆ - величина фазного напряжения шестифазной системы напряжений преобразователя, U₁₂ - величина фазного напряжения двенадцатифазной системы напряжений преобразователя.

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, 0h, 0k, 0l, 0m, 0n - потенциалы на отпайках a, b, c, d, e, f, g, h, k, l, m, n от витков катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичных обмоток автотрансформатора, Uc₁ - фазное напряжение первой фазы сети, 01 - вектор напряжения первой фазы сети, Uc₂ - фазное напряжение второй фазы сети, 02 - вектор напряжения второй фазы сети, Uc₃ - фазное напряжение третьей фазы сети, 03 - вектор напряжения третьей фазы сети. Число витков катушки 5 пропорционально длине вектора напряжения на катушке 5. Примем длину вектора напряжения на фазе шестифазного многоугольника за единицу. Отпайки с и d от витков катушки 5 делят ее число витков в отношении, определяемом отношением отрезков (С-е), (e-f) и (f-D). Отрезок (С-е)=(f-D)=U₆Sin30°-U₁₂Sin15°. Выражая U₁₂ через U₆ после преобразований, получаем: (С-е)=0,5U₆(1-Ctg30°Tg15°) и следующее отношение чисел витков, от которых выполняются отпайки с и d: 0,5(1-Ctg30°Tg15°):(Ctg30°Tg15°):0,5(1-Ctg30°Tg15°)=0,268:0,464:0,268.

Двенадцатипульсный повышающий автотрансформаторный преобразователь напряжения работает следующим образом.

При подключении трехфазного автотрансформатора к трехфазной сети в 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. Проведенный анализ показал, что на витках катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9, 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. Среднее значение тока, протекающего через каждый вентиль, будет равно одной двенадцатой части выпрямленного тока нагрузки, а потери напряжения в преобразователе будут равны потере напряжения в одном вентиле, так как каждое мгновение работает лишь один вентиль. В качестве нулевой точки преобразователя используется ноль сети.

Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, позволяет сократить расход активных материалов при замене трехфазного группового трансформатора 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 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 изобретении, 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 соответствует требованиям условий патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.

Двенадцатипульсный повышающий автотрансформаторный преобразователь напряжения (с коэффициентом трансформации напряжений Ku=1 и нулевой точкой преобразователя) относится к преобразовательной технике и 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 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. Технический результат - сокращение расхода активных материалов при замене трехфазного группового трансформатора трехстержневым автотрансформатором. 2 ил.

Двенадцатипульсный повышающий автотрансформаторный преобразователь напряжения, представляющий собой трехфазный автотрансформатор, состоящий из шести катушек вторичной обмотки, выполняющих роль и первичной обмотки, с двенадцатью выходами симметричного двенадцатифазного напряжения, к которым подключены вентили, при этом катушки выполнены каждая с двумя отпайками от витков, к которым подключены своими анодами вентили, соединены вместе друг с другом узлами в один контур в виде «шестиугольника» таким образом, что напряжения между узлами образуют при подключении трех вершин «шестиугольника» к трем линейным проводам сети 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 своими анодами к выходам двенадцатифазной системы напряжений, создают двенадцатипульсное напряжение преобразователя при схеме преобразования с нулевой точкой, в качестве которой используется ноль сети.