ВРАЩАЮЩИЙСЯ ТРЕХФАЗНЫЙ/ДВУХФАЗНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР, СОДЕРЖАЩИЙ СХЕМУ СКОТТА Российский патент 2017 года по МПК H01F38/18 H01F30/14 

Известный уровень техники изобретения

Настоящее изобретение относится, в общем, к области применения трансформаторов. В частности, изобретение относится к трехфазному/двухфазному трансформатору.

В некоторых случаях может существовать необходимость передачи энергии или сигналов симметрично от трехфазного источника к двухфазному источнику. Существуют трехфазные/двухфазные трансформаторы, которые являются неподвижными, и, в частности, трансформатор, известный как по «схеме Скотта», и другой трансформатор, известный как по «схеме Леблана».

Фигура 1 является графическим представлением «схемы Скотта». Использованы однофазные трансформаторы 1 и 2. Трансформатор 1 содержит первичную обмотку 3 с n₁ числом витков и вторичную обмотку 6 с n₂ числом витков. Трансформатор 2 содержит первичную обмотку 4 с n'₁ числом витков и вторичную обмотку 7 с n₂ числом витков.

На фигуре 1 можно отметить:

А, В и С, которые являются точками для подключения к трехфазной цепи;

I_a, I_b и I_c, которые являются трехфазными токами, входящими через точки А, В и С; и

V₁, I₁, V₂, I₁, которые являются двухфазными напряжениями и токами.

Трансформатор 1 содержит свою первичную обмотку 3 с n₁ числом витков, подключенную между выводами А и В трехфазной цепи. Трансформатор 2 содержит свою первичную обмотку 4 с n'₁ числом витков, подключенную между выводом С трехфазной цепи и средней точкой 5 первичной обмотки 3 трансформатора 1.

Напряжения на первичных обмотках имеют сдвиг по фазе на 90 градусов, также как и напряжения V₁, V₂ вторичных обмоток.

В соотношении n'₁=(√3/2) число витков, напряжения V₁ и V₂ вторичных обмоток имеют одинаковую величину и сдвиг по фазе на 90 градусов.

Соотношение токов выражено следующим образом:

При необходимости передачи энергии или сигналов симметрично от трехфазного источника к двухфазному источнику в базовых конструкциях, которые вращаются относительно друг друга, одно решение состоит в использовании неподвижного трехфазного/двухфазного трансформатора и двух вращающихся однофазных трансформаторов. Другое решение состоит в использовании трех вращающихся однофазных трансформаторов по схеме Леблана.

Однако для обоих таких решений проблемы требуется значительный вес и объем. Кроме того, при первом решении сталкиваются с проблемами броска тока при включении, а также с проблемами остаточного намагничивания.

Таким образом, существует потребность в совершенствовании способа решения проблем, что позволяет передачу энергии симметрично от трехфазного источника к двухфазному источнику в упомянутых конструкциях, которые вращаются относительно друг друга.

Объект и сущность изобретения

Изобретение представляет вращающийся трехфазный/двухфазный трансформатор, отличающийся тем, что он содержит первый вращающийся однофазный трансформатор и второй вращающийся однофазный трансформатор,

первый трансформатор содержит первый корпус, изготовленный из ферромагнитного материала, определяющий первый кольцевой паз относительно оси A, первую тороидальную катушку с n'₁ числом витков относительно оси А в первом пазу, второй корпус, изготовленный из ферромагнитного материала, определяющий второй кольцевой паз относительно оси А, который является открытым в направлении к первому пазу, и вторую тороидальную катушку с n'_{2 числом витков относительно оси А во втором пазу;}

второй трансформатор содержит третий корпус, изготовленный из ферромагнитного материала, определяющий третий кольцевой паз относительно оси A, третью тороидальную катушку с n₁ числом витков относительно оси А в третьем пазу, четвертый корпус, изготовленный из ферромагнитного материала, определяющий четвертый кольцевой паз относительно оси А, который открыт в направлении к третьему пазу, и четвертую тороидальную катушку с n₂ числом витков относительно оси А в четвертом пазу;

в котором один вывод первой катушки является соединенным со средней точкой третьей катушки,

первый корпус, упомянутая первая катушка, третий корпус и третья катушка являются неподвижными относительно друг друга и образующими трехфазную часть трансформатора,

второй корпус, упомянутая вторая катушка, упомянутый четвертый корпус и четвертая катушка, являются неподвижными относительно друг друга и образующими двухфазную часть трансформатора, и

трехфазная часть трансформатора и двухфазная часть трансформатора являются подвижными относительно друг друга с вращением относительно оси А.

Так как вышеупомянутый трансформатор, выполненный из двух вращающихся однофазных трансформаторов, служит, во-первых, для осуществления трехфазного/двухфазного преобразования и, во-вторых, для обеспечения передачи электроэнергии между двумя базовыми опорами, которые вращаются относительно друг друга, эти две функции выполняются при ограниченном объеме и весе. Кроме того, было обнаружено, что такое соединение позволяет обеспечивать переключение, которое является симметричным.

В варианте осуществления изобретения n'₁=(√3/2)n₁.

Соотношение между сечением электрически проводящего материала первой катушки и сечением электрически проводящего материала третьей катушки может быть равным √3. Таким образом, является возможным компенсировать различное число витков двух катушек. Это позволяет обеспечивать омический баланс. В случае размещения катушек на различном расстоянии от оси вращения, такое отношение должно быть рассчитано соответствующим образом.

В варианте осуществления изобретения вторая катушка содержит первую полукатушку и вторую полукатушку, которые объединены посредством средней точки, причем направления намотки полукатушек соответствуют магнитным потенциалам противоположных направлений для токов, поступающих через выводы второй катушки.

Двухфазная часть также содержит, по меньшей мере, один комплект трехфазных катушек. Это позволяет предложить трансформатор, содержащий множество вторичных обмоток, которые могут служить источником для произвольного числа нагрузок, большего, чем трансформатор в симметричном способе.

Трехфазная часть может окружать двухфазную часть относительно оси A, или наоборот. Это соответствует "U-образному" варианту осуществления изобретения.

Трехфазная часть и двухфазная часть могут быть расположены один рядом с другим в направлении оси A. Это соответствует "Е-образной" или "трубовидной" форме варианта осуществления изобретения.

Краткое описание чертежей

Другие особенности и преимущества настоящего изобретения проявляются из нижеследующего описания, выполненного со ссылкой на приложенные чертежи, которые отображают варианты осуществления изобретения, не носящие ограничительный характер. На фигурах:

фиг. 1 является схемой электрической цепи неподвижного трехфазного трансформатора по известной схеме Скотта;

фиг. 2 является видом в разрезе вращающегося трехфазного/двухфазного трансформатора в первом варианте осуществления изобретения;

фиг. 3A и 3B являются схемами электрической цепи, показывающие множество различных соединений для обмоток трансформатора согласно фиг. 2;

фиг. 4 является видом в разрезе трехфазного/двухфазного трансформатора второго варианта осуществления изобретения;

фиг. 5 является видом в разрезе, отображающим вариант трансформатора согласно фиг. 2, содержащего множество вторичных обмоток; и

фиг. 6 является видом в разрезе, отображающим вариант трансформатора согласно фиг. 4, содержащего множество вторичных обмоток.

Подробное описание вариантов осуществления изобретения

Фиг. 2 является видом в разрезе трансформатора 10 в первом варианте осуществления изобретения. Трансформатор 10 является вращающимся трехфазным/двухфазным трансформатором.

Трансформатор 10 содержит два вращающихся однофазных терминала, а именно трансформатор 11 и трансформатор 21.

Трансформатор 11 содержит:

корпус 12, изготовленный из ферромагнитного материала в форме кольца относительно оси A и имеющий выполненный в нем паз 14, который является открытым к оси A;

тороидальную катушку 16 с n₁' числом витков относительно оси А в пазу 14;

корпус 13, изготовленный из ферромагнитного материала, в форме кольца относительно оси А, окруженного корпусом 12 относительно оси A, и имеющего образованный в нем паз 15, который является открытым к пазу 14; и

тороидальную катушку 17 с n₂ числом витков относительно оси А в пазу 15.

Корпусы 12 и 13 являются подвижными во вращении относительно друг друга по отношению к оси A.

Трансформатор 21, соответственно, содержит:

корпус 22, изготовленный из ферромагнитного материала, в форме кольца относительно оси A и имеющий образованный в нем паз 24, который является открытым к оси A;

тороидальную катушку 26 с n₂ числом витков относительно оси А в пазу 24; и;

корпус 23, изготовленный из ферромагнитного материала в форме кольца относительно оси A, окруженного корпусом 22 относительно оси A и имеющего образованный в нем паз 25, который является открытым к пазу 24; и

тороидальную катушку 27 с n₂ числом витков относительно оси А в пазу 25.

Термин "тороидальный" не использован ограничительно в смысле твердого тела, образуемого вращением окружности вокруг оси. Напротив, как, например, в показанном примере, сечение тороидальной катушки, в частности, может быть прямоугольным.

Катушка 26 состоит из двух полукатушек 26a и 26b, каждая содержит n₁/2 число витков. Корпусы 22 и 23 являются подвижными во вращении относительно друг друга по отношению к оси A.

В трансформаторе 10 корпусы 12 и 22 и катушки 16 и 26 являются неподвижными относительно друг друга. Катушки 16 и 26 могут быть соединенными с трехфазным источником. Корпусы 12 и 22 и катушки 16 и 26 образуют, таким образом, детали трехфазной части 31 трансформатора 10. Аналогично, корпусы 13 и 23 и катушки 17 и 27 являются неподвижными относительно друг друга. Катушки 17 и 27 могут быть соединенными с двухфазным источником. Корпусы 13 и 23 и катушки 17 и 27 образуют, таким образом, детали двухфазной части 32 трансформатора 10.

Трехфазная часть 31 и двухфазная часть 32 являются подвижными во вращении относительно друг друга по отношению к оси А. Например, трехфазная часть 31 может быть статором, а двухфазная часть 32 ротором или наоборот. В качестве варианта, и трехфазная часть 31, и двухфазная часть 32 являются подвижными во вращении относительно неподвижной базовой опоры (не показана).

Кроме того, магнитная цепь трансформатора 11, как образуемая корпусами 12 и 13, отделена пространством 33 от образуемой корпусами 22 и 23 магнитной цепи трансформатора 21. Другими словами, упомянутые трансформаторы 11 и 12 являются магнитно изолированными.

На фиг. 2 также показан магнитный сердечник 18 трансформатора 11 и магнитный сердечник 28 трансформатора 21. Термин "магнитный сердечник" использован для обозначения части магнитной цепи, в которой плотный поток в аналогичном направлении, созданный катушкой, является самым большим.

Фигура 3A является схемой электрической цепи, отображающей способ, которым соединены катушки 16 и 26.

На фиг. 3 можно отметить:

Ap, Bp и Cp, которые являются выводами катушек 16, 26b и 26a соответственно, которые соединены с трехфазной сетью;

Оap, Оbp, Ocp, являющиеся выводами катушек 16, 26b и 26a, которые являются соответственно, противоположными выводам Аp, Bp и Cp;

Iap, Ibp и Icp, которые являются трехфазными токами, входящими в выводы Ap, Bp и Cp, соответственно;

Ра, который является магнитным потенциалом в магнитном сердечнике 18, соответствующим току Iар;

Pb, который является магнитным потенциалом в магнитном сердечнике 28, соответствующим току Ibp; и

Pc, который является магнитным потенциалом в магнитном сердечнике 28, соответствующим току Icp.

Как показано на фиг. 3A, вывод Оap катушки 16 соединен с выводами Obp и Ocp катушек 26b и 26c, что, таким образом, составляет среднюю точку катушки 26.

Кроме того, на фиг. 3A показаны направления обмоток катушек 16, 26a и 26b посредством черных точек, при следующих условиях:

если черная точка находится слева и поток вступает в ту же самую сторону как черная точка, то соответствующий магнитный потенциал следует вправо;

если черная точка находится слева и ток входит на стороне, противоположной черной точке, то соответствующий магнитный потенциал следует влево;

если черная точка находится справа и ток входит на той же стороне, как и черная точка, то соответствующий магнитный потенциал следует вправо; и

если черная точка находится справа и ток входит на стороне, противоположной черной точке, то соответствующий магнитный потенциал следует влево.

При упомянутых направлениях намотки катушек 26a и 26b можно таким образом заметить, что магнитные потенциалы Pb и Pc в магнитном сердечнике 28 имеют противоположные направления. На фиг. 3B показан вариант для направлений намотки, что также позволяет обеспечить магнитные потенциалы Pb и Pc в противоположных направлениях.

Ниже, V₁, I₁, V₂ и I₂ обозначают двухфазные напряжения и токи в катушках 17 и 27.

Можно отметить, что трансформатор 10 является вращающимся трехфазным/двухфазным трансформатором по схеме Скотта. Аналогично неподвижному трехфазному/двухфазному трансформатору 1 по схеме Скотта 1 по фиг. 1, первичные напряжения находятся со сдвигом по фазе на 90 градусов, и то же самое применимо к вторичным напряжениям V₁ и V₂.

Для соотношения n'₁=(√3/2)n₁, вторичные напряжения V₁ и V₂ имеют одинаковую величину и находятся со сдвигом по фазе на 90 градусов. Соотношение токов имеет вид:

Сопротивления уравновешиваются соответствующим выбором сечений для проводящих материалов катушек 16, 26a и 26b: сечения катушек 26a и 26b равны, если их средние расстояния от оси вращения являются равными. Сечение катушки 16 является равным √3 сечению катушек 26a и 26b для одинакового среднего расстояния от оси вращения. Если требуется сохранить уравновешенные сопротивления в фазах, самая длинная фаза также должна иметь сечение больше для того, чтобы компенсировать ее длину в большей степени. Индуктивная связь, выполняемая посредством магнитной цепи вращающегося однофазного трансформатора 21, имеет две фазы, позволяя, таким образом, обеспечить коэффициент √3 связи на фазу для магнитных потоков, созданных по сравнению с однофазным трансформатором. Такой коэффициент позволяет или уменьшить число витков катушки на фазу, или еще уменьшить намагничивающий ток, который поглощается.

Трансформатор 10 обеспечивает несколько преимуществ. Он позволяет передавать энергию или сигналы между трехфазным источником и двухфазным источником в базовых опорах, которые вращаются друг относительно друга, и выполнять это таким образом без контакта и симметричным образом.

Кроме того, объем и вес трансформатора 10, соответствующий объемам и весу двух вращающихся однофазных трансформаторов 11 и 21, могут быть уменьшены по сравнению с вариантом решения с трехфазным трансформатором, упомянутым в преамбуле описания, в котором трехфазное/двухфазное преобразование выполнено первым трансформатором, который является неподвижным, и затем изменение опорной фазы выполняется двумя вращающимися однофазными трансформаторами. Наконец, для этого требуются только тороидальные катушки относительно оси A, которые являются весьма простыми по конструкции.

Катушки 26a и 26b на фиг. 2 показаны как расположенные одна рядом с другой, однако другие местоположения могут быть подходящими. Например, катушки 26a и 26b, в пазу 24, могут быть одна рядом с другой в осевом направлении, одна вокруг другой относительно оси A, или они могут быть смешанными.

Трансформатор 10 можно рассматривать как U-образный вариант, в котором трехфазная часть окружает двухфазную часть относительно оси A. В варианте изобретения двухфазная часть может окружать трехфазную часть относительно оси A.

Фигура 4 является видом в разрезе трансформатора 110 во втором варианте осуществления изобретения. Трансформатор 110 является вращающимся трехфазным/двухфазным трансформатором, и его можно рассматривать как "Е-образный" или "трубовидный" вариант "U-образного" трансформатора 10. В таком варианте трехфазная часть и двухфазная часть расположены одна рядом с другой в направлении оси A, а пазы 14 и 15 являются открытыми друг к другу в направлении оси A. На фиг. 4 одинаковые ссылки, как на фиг. 2, также используются без риска путаницы для обозначения соответствующих элементов, и подробное описание, следовательно, не является необходимым.

В области трансформаторов, в известной степени, трансформатор может содержать множество вторичных обмоток. Таким образом, трансформатор в соответствии с изобретением может содержать, в основном, трехфазную часть 31 трансформатора 10 или 110, а для его вторичной обмотки - двухфазную часть того же самого типа как двухфазная часть 32 трансформатора 10 вместе, по меньшей мере, с одним комплектом дополнительных трехфазных или двухфазных катушек.

Это позволяет симметрично питать энергией произвольное число потребителей от трехфазного источника. Например, для питания энергией 11 потребителей, является возможным использовать три потребителя на вторичной трехфазной обмотке и два потребителя на вторичной двухфазной обмотке (11=3Ч3+2).

На фиг. 5 показан пример трансформатора 210, содержащего множественные вторичные обмотки. Трансформатор 210 можно рассматривать как вариант трансформатора 10, и он дополнительно содержит комплект трехфазных катушек для его вторичной обмотки. Элементы, соответствующие вариантам осуществления трансформатора 10, обозначены одинаковыми ссылочными позициями без риска путаницы. Трансформатор 210 также содержит тороидальную катушку 40 с n√3-числом витков относительно оси А в пазу 15 и тороидальную катушку 41 с n₃ числом витков относительно оси А в пазу 25. Катушка 41 выполнена из двух полукатушек 41a и 41b, каждая содержит n₃/2 число витков катушки. Катушки 40, 41a и 41b являются соединенными друг с другом и с вторичным трехфазным источником таким способом, который соответствует соединению катушек 16, 26a и 26b.

Соответственно, на фиг. 6 показан другой пример трансформатора 310, содержащего множественные вторичные обмотки. Трансформатор 310 можно рассматривать в качестве варианта трансформатора 110, и он дополнительно содержит комплект трехфазных катушек для его вторичной обмотки. Элементы, которые соответствуют элементам трансформатора 110, обозначены одинаковыми ссылочными позициями без риска путаницы. Трансформатор 310 также содержит тороидальную катушку 50 с n√3 числом витков относительно оси А в пазу 15 и тороидальную катушку 51 с n₃ числом витков относительно оси А в пазу 25. Катушка 51 выполнена из двух полукатушек 51a и 51b, каждая содержит n₃/2 число витков катушки. Катушки 50, 51a и 51b являются соединенными одна с другой и с вторичным трехфазным источником таким способом, который соответствует соединению катушек 16, 26a и 26b.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат состоит в упрощении конструкции. Вращающийся трехфазный/двухфазный трансформатор (10) содержит первый (11) и второй (21) вращающиеся однофазные трансформаторы. Первый трансформатор (11) содержит первый корпус (12) с первым пазом (14) и первой катушкой в нем, второй корпус (13) со вторым пазом (15) и вторую катушкой (17) в нем. Второй трансформатор (21) содержит третий корпус (22) с третьим пазом (24) и третьей катушкой (26) в нем. Четвертый корпус (23) содержит четвертый паз (25) с четвертой катушкой (27) в нем. Один вывод первой катушки (16) соединен со средней точкой третьей катушки (26). Первый корпус (12), первая катушка (16), третий корпус (22) и третья катушка (26) образуют трехфазную часть (31) трансформатора (10). Второй корпус (13), вторая катушка (17), четвертый корпус (23) и четвертая катушка (27) образуют двухфазную часть (32) трансформатора (10). Трехфазная (31) и двухфазная (32) части установлены с возможностью вращения относительно друг друга и оси. 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Вращающийся трехфазный/двухфазный трансформатор (10, 110, 210, 310), отличающийся тем, что содержит первый вращающийся однофазный трансформатор (11) и второй вращающийся однофазный трансформатор (21),

упомянутый первый трансформатор (11) содержит первый корпус (12), изготовленный из ферромагнитного материала, определяющий первый кольцевой паз (14) относительно оси A, первую тороидальную катушку (16) с n'₁ числом витков относительно оси А в первом пазу (14), второй корпус (13), изготовленный из ферромагнитного материала, определяющий второй кольцевой паз (15) относительно оси А, который является открытым в направлении к упомянутому первому пазу (14), и вторую тороидальную катушку (17) с n₂ числом витков относительно оси А во втором пазу (15);

упомянутый второй трансформатор (21) содержит третий корпус (22), изготовленный из ферромагнитного материала, определяющий третий кольцевой паз (24) относительно оси A, третью тороидальную катушку (26) с n₁ числом витков относительно оси А в третьем пазу (24), четвертый корпус (23), изготовленный из ферромагнитного материала, определяющий четвертый кольцевой паз (25) относительно оси А, который открыт в направлении к упомянутому третьему пазу (24), и четвертую тороидальную катушку (27) с n₂ числом витков относительно оси А в четвертом пазу (25),

в котором один вывод (Oap) первой катушки (16) является соединенным со средней точкой (Obp, Ocp) третьей катушки (26),

упомянутый первый корпус (12), упомянутая первая катушка (16), упомянутый третий корпус (22) и упомянутая третья катушка (26) являются неподвижными относительно друг друга и образующими трехфазную часть (31) трансформатора (10),

упомянутый второй корпус (13), упомянутая вторая катушка (17), упомянутый четвертый корпус (23) и упомянутая четвертая катушка (27) являются неподвижными относительно друг друга и образующими двухфазную часть (32) трансформатора (10), и

упомянутая трехфазная часть (31) и упомянутая двухфазная часть (32) являются подвижными во вращении относительно оси А по отношению друг к другу.

2. Трансформатор (10, 110, 210, 310) по п. 1, в котором n'₁=(√3/2)n₁.

3. Трансформатор (10, 110, 210, 310) по п. 1 или 2, в котором соотношение между сечением электрически проводящего материала первой катушки (16) и сечением электрически проводящего материала третьей катушки (26) является равным √3.

4. Трансформатор (10, 110, 210, 310) по п. 1, в котором упомянутая третья катушка (26) содержит первую полукатушку (26a) и вторую полукатушку (26b), которые объединены вместе посредством упомянутой средней точки (Obp, Ocp), причем направления намотки упомянутых полукатушек (26a, 26b) соответствуют магнитным потенциалам противоположных направлений (Pb, Pc) для токов (Ipb, Icp), входящих через выводы (Bp, Cp) третьей катушки (26).

5. Трансформатор (210, 310) по п. 1, содержащий, кроме того, по меньшей мере, один комплект дополнительных трехфазных катушек или двухфазных катушек.

6. Трансформатор (10, 210) по п. 1, в котором трехфазная часть (31) окружает двухфазную часть (32) относительно оси A или наоборот.

7. Трансформатор (110, 310) по п. 1, в котором трехфазная часть (31) и двухфазная часть (32) расположены одна рядом с другой в направлении оси A.