Трансформатор инвертора

 

Трансформатор инвертора относится к области преобразовательной техники и может быть использован в электроприводах переменного тока. Трансформатор инвертора содержит n трехфазных первичных обмоток и составной магнитопровод, имеющий внешний сердечник, набранный из листов электротехнической стали с пазами, в которых уложены первичные обмотки по заданному правилу, и соосный ему внутренний сердечник, набранный из листов той же стали с пазами, в которых размещены витки вторичной трехфазной обмотки, выполненный по типу точных якорных обмоток с укороченным на заданную величину и заданным законом распределения числа витков в катушках катушечной группы. При наличии напряжения в первичных трехфазных обмотках в них будут протекать токи, под действием которых в составном магнитопроводе, содержащем внешний сердечник и внутренний сердечник, создается вращающееся магнитное поле, основной магнитный поток которого будет пересекать витки вторичной трехфазной обмотки и наводить ЭДС заданной величины, при этом нежелательные высшие гармоники фильтруются за счет конструкции обмотки, поэтому выходное напряжение трансформатора инвертора будет иметь квазисинусоидальную форму при рациональной массе, объеме, стоимости и потерях мощности, что является техническим результатом. 2 ил.

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано в системах электроснабжения различного назначения.

Известен трансформатор инвертора, состоящий из двух базовых модулей, выполненных по мостовой трехфазной схеме, при этом первичные обмотки трехфазных трансформаторов подключены к силовым трехфазным полупроводниковым коммутаторам, выходные напряжения которых сдвинуты относительно друг друга на угол π/6, а вторичные обмотки соединены таким образом, чтобы амплитуда любой высшей гармоники в кривой выходного напряжения не превышала 7...10% амплитуды основной гармоники [1]. Указанный трансформатор инвертора прост по конструкции, характеризуется сравнительно высокими энергетическими показателями: масса, объем, КПД, однако форма выходного напряжения инвертора при этом имеет вид ступенчатой синусоиды, что ограничивает область использования как трансформатора, так и самого инвертора.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является трансформатор инвертора, содержащий четыре трехфазных трансформатора, первичные обмотки которых подключены к соответствующим трехфазным коммутаторам, выходные напряжения которых сдвинуты относительно друг друга на угол π/12, а вторичные обмотки соединены таким образом, чтобы амплитуда любой высшей гармоники в кривой выходного напряжения инвертора не превышала 4...5% амплитуды основной гармоники [2]. Данный трансформатор инвертора образует 24-фазную схему соединений, в выходном напряжении которой самая низшая из всех высших гармоник является двадцать третья, т.е. форма выходного напряжения инвертора является квазисинусоидальной, при этом для дальнейшего улучшения формы выходного напряжения используются фильтры [2]. Основными недостатками рассматриваемого трансформатора инвертора являются: сложность электрической схемы, большая масса составного магнитопровода, имеющего четыре отдельных трехфазных трансформатора и выходной трехфазный фильтр, а также сравнительно большие потери мощности в стали.

Задачей изобретения является создание трансформатора инвертора, обеспечивающего получение технического результата, состоящего в уменьшении массы, объема и потерь в стали трансформатора инвертора при синусоидальной форме выходного напряжения.

Этот технический результат в трансформаторе инвертора, содержащем n трехфазных первичных обмоток, составной магнитопровод и трехфазную вторичную обмотку, достигается тем, что указанный магнитопровод выполнен тороидальным, имеет внешний сердечник, набранный из листов электротехнической стали с пазами, в которых уложены первичные обмотки по правилу: любая четная обмотка сдвинута относительно предшествующей нечетной обмотки на угол α = 2πP/z (1) где z=2pmq - число пазов внешнего сердечника; р - число пар полюсов; m - число фаз; q - число пазов на полюс и фазу, и соосный ему внутренний сердечник, набранный из листов той же стали с пазами, а вторичная обмотка выполнена по типу точных якорных обмоток с фазной зоной 120^o, укороченным шагом y = 2τ/3, где τ - полюсное деление внутреннего сердечника и распределением числа витков в катушках катушечной группы согласно закону W_i = W₁cos(|ψ_i|+π/6)/cosπ/6, (2) где W₁- число витков в первой катушке; W_i - число витков в i-й катушке;
ψ_i - угол сдвига оси i-й катушки от средины фазной зоны, при этом упомянутые витки размещены в пазах внутреннего сердечника.

Сравнительный анализ показал, что заявленное изобретение отличается компактной формой составного магнитопровода (два тороидальных соосных сердечника вместо четырех П-образных сердечников) и фильтрующими свойствами вторичной обмотки, что позволяет получить требуемый технический результат.

Требуемый технический результат достигается вновь введенной совокупностью существенных признаков, которая в известной патентной и научно-технической литературе не обнаружена на дату подачи заявки, что говорит об "изобретательском уровне решения".

На фиг. 1 изображена схема трансформатора инвертора. На фиг.2 показаны векторы фазных напряжений фазы А каждой из первичных обмоток и вектор напряжения фазы А вторичной обмотки. На фиг.1 введены обозначения: 1 - первичные трехфазные обмотки при n=4, 2 - внешний сердечник, 3 - внутренний сердечник, 4 - трехфазная вторичная обмотка.

В статическом состоянии трансформатор инвертора содержит четыре трехфазных первичных обмотки 1, уложенных в пазы внешнего сердечника 2, набранного из листов электротехнической стали по правилу: любая четная обмотка сдвинута относительно предшествующей нечетной на угол, определяемый по формуле (1), и соосный ему внутренний сердечник 3, набранный из листов той же стали с пазами, в которых размещены витки вторичной трехфазной обмотки 4, выполненный по типу точных якорных обмоток с фазной зоной 120^o, укороченным шагом y = 2τ/3, где τ - полюсное деление внутреннего сердечника 3 и распределением числа витков в катушках катушечной группы согласно закону, описываемому выражением (2). Внешний сердечник 2 и внутренний сердечник 3 по своей конструкции идентичны статорам прямой и обращенной формы электрических машин переменного тока, а воздушный зазор между ними постоянен и выбирается из условий тугой посадки. Предлагаемая конструкция составного магнитопровода позволяет производить электрическое и магнитное суммирование входных напряжений практически с любым числом первичных обмоток, т.е. при n=4, α=15^o; при n=8, α=7,5^o; при n= 16, α=3,75^o и т.д., оттуда следует, что увеличение числа первичных трехфазных обмоток 1 приводит только к росту числа пазов внешнего сердечника 2. Применение вторичной трехфазной обмотки 4, построенной по типу точных якорных обмоток, позволит получить синусоидальное напряжение в инверторе без применения фильтров. Эффект от применения описанной конструкции составного магнитопровода можно определить на основе первой теоремы подобия, по которой для схемы, показанной на фиг.1, имеет
G₂/G₁= V₂/V₁= C₂/C₁=ΔP₂/ΔP₁=3^1/4≈31,6%,
где G₂, V₂, C₂, ΔP₂ - масса, объем, стоимость и потери мощности при четырех трехфазных трансформаторах в инверторе;
G₁, V₁, C₁, ΔP₁ - масса, объем, стоимость и потери мощности в предлагаемом составном магнитопроводе.

Трансформатор инвертора работает следующим образом.

При наличии напряжения в первичных трехфазных обмотках 1 по ним протекают соответствующие токи, под действием которых в сердечниках 2 и 3 создается вращающееся магнитное поле. Основной магнитный поток указанного поля пересекает витки вторичной трехфазной обмотки 4 и наводит в ней электродвижущую силу, величина которой равна
E₂=4,44•f•W₂•Ф•K₀₂,
где f - частота входного напряжения первичных обмоток 1;
W₂ - число витков вторичной обмотки 4;
Ф - основной магнитный поток, образованный полем сердечников 2 и 3;
К₀₂ - обмоточный коэффициент вторичной трехфазной обмотки 4, который равен для любой гармоники v

где N_Λ- число лучей звезды пазовых ЭДС;
α_Λ - угол между соседними лучами;
k=l,2,...,∞.
При четырех первичных трехфазных обмотках 1 у трансформатора инвертора будет создана кривая выходного напряжения, в которой присутствуют 23, 25, 35 и 37 гармоники, однако наличие описанных фильтрующих свойств вторичной трехфазной обмотки 4 предопределит их нейтрализацию без фильтра, поэтому выходное напряжение трансформатора инвертора будет квазисинусоидальным в широком диапазоне изменения тока нагрузки.

Источники информации
1. Высокочастотные транзисторные преобразователи. Под ред. Э.М. Ромаша. М.: Радио и связь, 1988, с.270, рис. 7.18.

2. Б. Бедфорд, Р. Хофт. Теория автономных инверторов. М.: Энергия, 1969, с. 199, рис. 6.18 и рис. 6.22, с. 203)и

Формула изобретения

Трансформатор инвертора, содержащий п трехфазных первичных обмоток, составной магнитопровод и трехфазную вторичную обмотку, отличающийся тем, что указанный магнитопровод выполнен тороидальным, имеющим внешний сердечник, набранный из листов электротехнической стали с пазами, в которых уложены первичные обмотки по правилу: любая четная первичная обмотка сдвинута относительно предшествующей нечетной обмотки на угол α = 2πP/z, где z = 2pmq - число пазов внешнего сердечника; р - число пар полюсов; m - число фаз; q - число пазов внешнего сердечника, на полюс и фазу, и соосный ему внутренний сердечник, набранный из листов той же стали с пазами, а вторичная обмотка выполнена по типу якорных обмоток с фазной зоной 120^o, укороченным шагом y = 2τ/3, где τ - полюсное деление внутреннего сердечника, и распределением числа витков в катушках катушечной группы согласно закону
W_i = W₁cos(|ψ_i|+π/6)/cosπ/6,
где W₁ - число витков в первой катушке;
W_i - число витков в i-ой катушке;
ψ_i - угол сдвига оси i-ой катушки от середины фазной зоны,
при этом указанные витки размещены в пазах внутреннего сердечника.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2