ДВЕНАДЦАТИФАЗНЫЙ ПОНИЖАЮЩИЙ АВТОТРАНСФОРМАТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧИСЛА ФАЗ Российский патент 2014 года по МПК H01F30/02 H01F30/14 H02M5/14 H02M7/40 

Двенадцатипульсный понижающий автотрансформаторный преобразователь напряжения (с коэффициентом трансформации напряжений Кu=2 и с нулем сети в качестве нулевой точки 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 трехфазным 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 понижающего автотрансформаторного преобразователя напряжения, представляющего собой трехфазный автотрансформатор, состоящий из трех катушек первичной обмотки, каждая из которых одним своим зажимом, являющимся началом катушки, 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 понижающего автотрасформаторного преобразователя напряжения с коэффициентом трансформации автотрансформатора, лежащим в пределах 1<Кu<2,

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

Двенадцатипульсный понижающий 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, которые одним своим зажимом соединены с сетью, а другим зажимом соединены с одним из узлов BDF «шестиугольника», и шесть катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичных обмоток, связанных между собой узлами и образующих «шестиугольник» с вершинами ABCDEF. 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 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 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 в симметричную шестифазную систему напряжений. Фазовый угол симметричной двенадцатифазной системы напряжений может быть определен из выражения: 360°:12=30°. Величина напряжения двенадцатифазной системы напряжений зависит от величины напряжения шестифазной системы и связана с ним соотношением: U₁₂ Cosl5°=U₆Cos30°, что следует из рассмотрения прямоугольных треугольников (О-С-22) и (0-е-22):(0-22)=U₆Cos30°=U₁₂Cosl5°, где 15°=30°:2, где: U₆ - величина фазного напряжения шестифазной системы преобразователя, U₁₂ - величина фазного напряжения двенадцатифазной системы напряжений преобразователя. В свою очередь величина напряжения U6 определяется коэффициентом трансформации Кu автотрансформатора.

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, 01, 0m, 0n - фазные напряжения двенадцатифазной системы напряжений преобразователей, Uc₁ - величина фазного напряжения первой фазы сети, Uс₂ -величина фазного напряжения второй фазы сети, Uс₃ - величина фазного 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 (С-е), (e-f) и (f-D). Отрезок (С-е)=(f-D)=U₆Sin30° - U₁₂Sinl5°. Выражая U₁₂ через U₆ после преобразований, получаем: (С-е)=0,5U₆(l-Ctg30°Tgl5°) и следующее отношение чисел витков, от которых выполняются отпайки end: 0,5(1-Ctg30°Tg15°):(Ctg30°Tg15°):0,5(1-Ctg30°Tg15°)=0,268:0,464:0,268.

Двенадцатипульсный понижающий 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 вторичной обмотки. Проведенный анализ показал, что на витках катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичных обмоток, 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 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.

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 техническом решении, 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 области электротехники и может быть использовано в преобразователях регулируемых электроприводов постоянного и переменного тока и преобразовательных подстанций для питания электрифицированных железных дорог, в электрометаллургической и химической промышленности. Техническим результатом является сокращение расхода активных материалов, улучшение весогабаритных показателей преобразователя, упрощение технологии его изготовления, уменьшение потерь и стоимости. В двенадцатипульсном понижающем автотрансформаторном преобразователе две катушки вторичной обмотки каждой фазы на стержне каждой фазы обеспечивают два вторичных напряжения с противоположной полярностью (со сдвигом на 180°). При трех напряжениях сети, сдвинутых по фазе на 120°, получают шесть вторичных напряжений, сдвинутых по фазе на 60°. При соединении шести катушек (4-9) вторичных обмоток так, как указано в материалах заявки, получают «шестиугольник» с симметричной шестифазной системой напряжений на указанных катушках вторичной обмотки. На витках указанных катушек вторичных обмоток можно найти двенадцать точек, потенциалы которых равны по величине, но отличаются по фазе на одну двенадцатую часть периода (на 30°), и получить двенадцатифазную симметричную систему напряжений. Подключение к выходам двенадцатифазной системы напряжений вентилей (10-21) обеспечивает двенадцатипульсное выпрямленное напряжение. 2 ил.

Двенадцатипульсный понижающий автотрансформаторный преобразователь напряжения, представляющий собой трехфазный автотрансформатор, состоящий из трех катушек первичной обмотки, каждая из которых одним своим зажимом, являющимся началом катушки, 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.