Преобразователь однофазных напряжений в трехфазное напряжение Российский патент 2025 года по МПК H02M5/14 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области электротехники, а именно к преобразователям энергии переменного тока на входе в энергию переменного тока той же частоты и с другим числом фаз на выходе. Изобретение относится, в частности, к устройствам для преобразования однофазных напряжений в трехфазное напряжение, при наличии в объекте только однофазных источников электропитании.

Уровень техники

Известно устройство для преобразования однофазного напряжения в трехфазную систему напряжений (схема Штейнметца), описанное в «Преобразователи числа фаз в электротехнологии — Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2019».—.стр. 22, 23. Достоинство устройства – требуется один однофазный источник. Недостаток схемы Штейнметца в том, что устройство может работать только при наличии нагрузки (замкнутой электрической цепи), причем нагрузки только определенной величины.

Известен также преобразователь однофазных напряжений в трехфазное напряжение (прототип) - устройство для «Генерирования и передачи симметричной трехфазной системы ЭДС с использованием двух однофазных генераторов и двухпроводной линии» (заявка РФ - 2020126317), включающее два однофазных источника (генератора) с выводами начал и концов фаз. Амплитуды их синусоидальных напряжений равны и имеют одинаковую частоту. Устройство является трехфазным источником напряжения, имеющим выводы начал фаз А, В, С, являющиеся выходными выводами устройства. В этом устройстве концы фаз источников соединены, а начальные фазы напряжений этих источников различаются на угол 2π/3. Устройство включает также двухпроводную линию и специальный трансформатор. Достоинство – преобразователь может работать при нагрузках разной величины. Недостаток – начальные фазы напряжений двух источников различаются на угол 2π/3, что требует дополнительных фазосдвигающих устройств, что при однофазном электропитании объектов усложняет преобразователь. Двухпроводная линия и специальный трансформатор также усложняет конструкцию преобразователя.

Раскрытие сущности изобретения

Технический результат – упрощение конструкции преобразователя.

Технический результат достигается тем, что преобразователь однофазных напряжений в трехфазное напряжение, включающий однофазные источники, напряжения которых близки к синусоидальным, а частоты одинаковы, имеющие начала и концы фаз, одноименные фазные выводы двух из которых соединены между собой, входящие в состав трехфазного источника напряжения, имеющего выводы начал фаз А, В, С, выполненные как выходные выводы преобразователя, включает три однофазных источника, начальные фазы напряжений которых одинаковы, причем соединены между собой начала фаз второго и третьего источника, а к месту их соединения подключен конец фазы первого однофазного источника, образуя нейтраль упомянутого трехфазного источника напряжения, причем преобразователь снабжен по крайней мере двумя участками с реактивным сопротивлением, каждый из которых содержит по крайней мере один элемент с реактивным сопротивлением, а также снабжен по крайней мере двумя участками с активным сопротивлением, каждый из которых содержит по крайней мере один элемент с активным сопротивлением, при этом фаза А трехфазного источника включает первый однофазный источник, начало фазы которого соединено с выводом начала фазы А трехфазного источника, а фаза В этого трехфазного источника включает второй однофазный источник, конец фазы которого соединен с выводом начала фазы В трехфазного источника первым участком с реактивным сопротивлением, причем этот участок выполнен так, что ток в нем опережает напряжение первого однофазного источника, при этом вывод начала фазы В соединен с нейтралью первым участком с активным сопротивлением, а фаза С этого трехфазного источника включает третий однофазный источник, конец фазы которого соединен с выводом начала фазы С вторым участком с реактивным сопротивлением, причем этот участок выполнен так, что ток в нем отстает от напряжения третьего однофазного источника, при этом вывод начала фазы С соединен с нейтралью вторым участком с активным сопротивлением (п. 1 ф-лы).

Для образования симметричной трехфазной системы напряжений трехфазного источника, начало фазы первого однофазного источника соединено непосредственно с выводом начала фазы А трехфазного источника, участки с активным и реактивным сопротивлениями в каждой из фаз В и С выполнены так, что реактивные сопротивления двух участков с реактивным сопротивлением в 1,73 раза больше активных сопротивлений двух участков с активным сопротивлением, а однофазные источники выполнены так, что амплитуды второго и третьего однофазных источников равны, а амплитуда напряжения первого однофазного источника в два раза меньше амплитуд напряжений второго и третьего однофазных источников (п. 2 ф-лы).

Для подключения преобразователя к однофазной сети, он снабжен однофазным трансформатором с одной первичной и тремя вторичными обмотками, причем при подключении трансформатора к однофазной сети три вторичных обмотки образуют три однофазных источника преобразователя. (п. 3 ф-лы).

Предлагаемое изобретение поясняется примером конкретного выполнения преобразователя, в котором участки с реактивными и активными сопротивлениями представлены в виде одного элемента – каждый. На фиг.1 представлена электрическая схема примера конкретного выполнения предложенного преобразователя однофазных напряжений в трехфазное напряжение.

Краткое описание чертежей

На чертеже показан первый однофазный источник 1, направление ЭДС e₁ которого – от конца к началу фазы источника (то же и для других источников). Это направление противоположно направлению ЭДС e₂ второго однофазного источника 2 и противоположно направлению ЭДС e₃ третьего однофазного источника 3., т.к. конец фазы первого однофазного источника 1 соединен с началами фаз второго 2 и третьего 3 однофазных источников. Это соединение образуют нейтраль 4 (N) трехфазного источника напряжения.

К концу фазы источника 2 подключен участок с реактивным емкостным сопротивлением, содержащий один элемент – конденсатор (С) 5. К концу фазы источника 3 подключен участок с реактивным индуктивным сопротивлением, содержащий один элемент – катушку индуктивности (L) 6. Первый участок с активным сопротивлением, содержит один элемент – резистор (R₁) 7. Второй участок с активным сопротивлением, содержит один элемент – резистор (R₂) 8. Выводы 9 и 10 резисторов подключены к нейтрали 4 трехфазного источника. Начало фазы первого источника 1 подключено к выводу начала фазы А 11 трехфазного источника, а вывод начала фазы В 12 трехфазного источника соединен с выводом 13 резистора 7. Вывод начала фазы С 14 трехфазного источника соединен с выводом 15 резистора 8.

На чертеже видно, что фаза А трехфазного источника включает первый однофазный источник 1, напряжение которого изменяется в противофазе относительно напряжений второго 2 и третьего 3 источников, а начало фазы источника 1 образует начало 11 фазы А трехфазного источника,

С целью образования трехфазной системы напряжений трехфазного источника близкой к симметричной (амплитуды напряжений u_А u_В, и u_С близки между собой, а фазовый сдвиг напряжений u_А u_В, и u_С близок к 2π/3) участки с активным сопротивлением (резисторы 7 и 8) и участки с реактивным сопротивлением (конденсатор 5 и катушка индуктивности 6) выполнены так, что в каждой из фаз В и С реактивные сопротивления участков 5 и 6 приблизительно в 1,73 раза больше активных сопротивлений участков 7 и 8, а однофазные источники выполнены так, что амплитуда напряжения u₁ первого однофазного источника 1 приблизительно в два раза меньше амплитуд напряжений u₂ и u₃ второго 2 и третьего 3 однофазных источников.

Осуществление изобретения

Работает преобразователь следующим образом.

Создают ЭДС трех однофазных источников 1, 2, 3 чертеж, например включением в работу трех однофазных генераторов. Или подключением к однофазной сети объекта первичной обмотки однофазного трансформатора с тремя вторичными обмотками (см. п.3 формулы). На выводах 11, 12, 13 появляется трехфазное напряжение с прямым чередованием фаз А, В, С. К выводам 11, 12, 13 присоединяют трехфазный приемник, например, – трехфазный двигатель, вращающий лопасти вентилятора. Проведено моделирование преобразователя в компьютерной лаборатории «Начала электроники» (https://cxem.net/software/beginnings_electronics.php), которое показало его работоспособность и симметрию фазных выходных напряжений преобразователя при предложенном в п.1 и 2 формулы изобретения выполнении элементов преобразователя.

Для работы преобразователя от однофазной сети он снабжается однофазным трансформатором с тремя вторичными обмотками. При этом, первичная обмотка трансформатора подключается к однофазной сети объекта, а ЭДС вторичных обмоток составляют три ЭДС трех источников 1, 2, 3чертеж. Т.е. три однофазных источника 1, 2, 3 преобразователя будут выполнены в виде трех вторичных обмоток этого однофазного трансформатора. Для симметрии трехфазного выходного напряжения преобразователя упомянутый трансформатор выполнен так, что число витков обмотки, создающей ЭДС первого источника 1 приблизительно в два раза меньше числа витков обмоток создающих ЭДС второго 2 и третьего 3 источников.

Таким образом, предложенный преобразователь позволяет упростить конструкцию и, при выполнении отдельных составляющих согласно изобретению, позволяет получить на выходе трехфазную систему напряжений близкую к симметричной.

Преобразователь преобразует однофазное напряжение в трехфазное напряжение при его подключении к однофазной сети, если в его состав входит однофазный трансформатор с тремя вторичными обмотками.

Преобразователь может эффективно применяться при обучении студентов технических ВУЗов. Например, при проведении лабораторной работы «Исследования трехфазных систем» в компьютерной лаборатории «Начала электроники», имеющей только однофазные синфазные источники, предложенный преобразователь позволяет получить источник трехфазного напряжения.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к преобразователям энергии переменного тока на входе в энергию переменного тока с другим числом фаз на выходе. Изобретение относится, в частности, к устройствам для преобразования однофазных напряжений в трехфазное напряжение при наличии в объекте только однофазных источников электропитания. Технический результат – упрощение конструкции преобразователя. Технический результат достигается тем, что преобразователь однофазных напряжений в трехфазное напряжение, включающий однофазные источники, напряжения которых близки к синусоидальным, а частоты одинаковы, одноименные фазные выводы двух из которых соединены между собой, входящие в состав трехфазного источника, имеющего выводы начал фаз А, В, С, включает три однофазных источника, начальные фазы напряжений которых одинаковы, причем соединены между собой начала фаз второго и третьего источника, а к месту их соединения подключен конец фазы первого однофазного источника, образуя нейтраль трехфазного источника, причем преобразователь снабжен двумя участками с реактивным сопротивлением, а также снабжен по крайней мере двумя участками с активным сопротивлением, при этом вывод начала фазы А трехфазного источника соединен с началом фазы первого однофазного источника, а фаза В этого трехфазного источника включает второй однофазный источник, конец фазы которого соединен с выводом начала фазы В трехфазного источника первым участком с емкостным сопротивлением, причем вывод начала фазы В соединен с нейтралью первым участком с активным сопротивлением, а фаза С этого трехфазного источника включает третий однофазный источник, конец фазы которого соединен с выводом начала фазы С участком с индуктивным сопротивлением, при этом вывод начала фазы С соединен с нейтралью вторым участком с активным сопротивлением. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Преобразователь однофазных напряжений в трехфазное напряжение, включающий однофазные источники, напряжения которых близки к синусоидальным, а частоты одинаковы, имеющие начала и концы фаз, одноименные фазные выводы двух из которых соединены между собой, входящие в состав трехфазного источника напряжения, имеющего выводы начал фаз А, В, С, выполненные как выходные выводы преобразователя, отличающийся тем, что он включает три однофазных источника, начальные фазы напряжений которых одинаковы, причем соединены между собой начала фаз второго и третьего источника, а к месту их соединения подключен конец фазы первого однофазного источника, образуя нейтраль упомянутого трехфазного источника напряжения, причем преобразователь снабжен по крайней мере двумя участками с реактивным сопротивлением, каждый из которых содержит по крайней мере один элемент с реактивным сопротивлением, а также снабжен по крайней мере двумя участками с активным сопротивлением, каждый из которых содержит по крайней мере один элемент с активным сопротивлением, при этом фаза А трехфазного источника включает первый однофазный источник, начало фазы которого соединено с выводом начала фазы А трехфазного источника, а фаза В этого трехфазного источника включает второй однофазный источник, конец фазы которого соединен с выводом начала фазы В трехфазного источника первым участком с реактивным сопротивлением, причем этот участок выполнен так, что ток в нем опережает напряжение первого однофазного источника, при этом вывод начала фазы В соединен с нейтралью первым участком с активным сопротивлением, а фаза С этого трехфазного источника включает третий однофазный источник, конец фазы которого соединен с выводом начала фазы С вторым участком с реактивным сопротивлением, причем этот участок выполнен так, что ток в нем отстает от напряжения третьего однофазного источника, при этом вывод начала фазы С соединен с нейтралью вторым участком с активным сопротивлением.

2. Преобразователь однофазных напряжений в трехфазное напряжение по п.1, отличающийся тем, что с целью образования симметричной трехфазной системы напряжений трехфазного источника начало фазы первого однофазного источника соединено непосредственно с выводом начала фазы А трехфазного источника, участки с активным и реактивным сопротивлениями в каждой из фаз В и С выполнены так, что реактивные сопротивления двух участков с реактивным сопротивлением в 1,73 раза больше активных сопротивлений двух участков с активным сопротивлением, а однофазные источники выполнены так, что амплитуды второго и третьего однофазных источников равны, а амплитуда напряжения первого однофазного источника в два раза меньше амплитуд напряжений второго и третьего однофазных источников.

3. Преобразователь однофазных напряжений в трехфазное напряжение по п.1, отличающийся тем, что с целью подключения его к однофазной сети он снабжен однофазным трансформатором с одной первичной и тремя вторичными обмотками, причем при подключении трансформатора к однофазной сети три вторичных обмотки образуют три однофазных источника преобразователя.