Трансформатор
Владельцы патента RU 2396625:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский государственный энергетический университет" (RU)
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве источника многофазного напряжения в электроприводах. Технический результат состоит в упрощении конструкции и повышении надежности. Трансформатор включает плоский четырехстержневой магнитопровод, площадь сечения крайних стержней которого вдвое меньше площади стержней, расположенных между ними. Каждый стержень охвачен одинаковыми первичной обмоткой и группой вторичных обмоток. Обмотки, охватывающие один крайний стержень, включены последовательно и согласно с одинаковыми обмотками, охватывающими другой крайний стержень. Группа вторичных обмоток содержит две встречные вторичные обмотки с числом витков Nk0, две вторичные обмотки с числом витков Nk1 и две такие же встречные вторичные обмотки, две вторичные обмотки с числом витков Nk2 и две такие же встречные вторичные обмотки, две вторичные обмотки с числом витков Nk3 и две такие же встречные вторичные обмотки, где: N - максимальное количество витков, a k0=1, k1=(1+1/31/2)/(2cos15°), k2=1/31/2, k3=1/(2·31/2cos15°). Каждая вторичная обмотка, намотанная согласно или встречно, одного стержня последовательно соединена с вторичной обмоткой другого стержня и вторичной обмоткой третьего стержня, образуя соединение «зигзаг», свободные выводы которого являются выходами трансформатора. 4 ил. 1 табл.
Изобретение относится к электротехнике, а именно, к электромагнитным трансформаторам.
Известен трехфазный трансформатор Доливо-Добровольского, который содержит пространственный магнитопровод, состоящий из трех стержней, зажатых двумя ярмами и расположенных на равном расстоянии друг от друга перпендикулярно плоскости этих ярм; причем каждый стержень охвачен одной первичной и одной вторичной обмоткой (Костенко М.П. и др. Электрические машины. М.-Л.: Энергия, 1969, С.364). Трансформатор отличается фазной симметричностью, однако он не предназначен для получения многофазного выходного напряжения и имеет сложный магнитопровод.
Известен фазно-симметричный трансформатор, предназначенный для преобразования трехфазного напряжения в многофазное, магнитопровод которого содержит стержни, зажатые двумя ярмами и расположенные на равном расстоянии друг от друга перпендикулярно плоскости этих ярм; причем количество стержней равно количеству фаз выходного многофазного напряжения, каждый стержень охвачен одной вторичной обмоткой, а три стержня, равноотстоящих друг от друга, имеют по одной первичной обмотке (патент Российской Федерации №2125749 С1, МПК Н02М 5/04, 1997). Однако магнитопровод трансформатора имеет низкую прочность и сложную конструкцию.
Известен трансформатор Trihal, который содержит: плоский магнитопровод, состоящий из трех параллельных стержней, расположенных между двумя ярмами; первичных и вторичных обмоток, которые охватывают эти стержни (Сухой трансформатор с литой изоляцией Trihal. - TRIHALCATRU. - www.schneider-electric.com. MV/LV Transformers Trihal. - 06/2006, 16 с.). Магнитопровод трансформатора имеет простую плоскую конструкцию. Однако в этом магнитопроводе длина отрезка ярма, соединяющего крайние стержни, больше, чем длина отрезка ярма, соединяющего крайний стержень с расположенным посередине магнитопровода. Компенсировать получившееся отличие индуктивности обмоток, охватывающих стержни, расположенные по краям и посередине магнитопровода, не удается. Поэтому недостатком трансформатора является недостаточная фазная симметричность. Фазная несимметричность трансформаторов исключает возможность их использования, например, для формирования многофазных напряжений.
Наиболее близким по технической сущности является многофазный источник электропитания, содержащий последовательно включенные трансформатор и выпрямитель с n входами (Казаков В.В. Силовые MTS-трансформаторы и генераторы. Энергетика Татарстана. - К, 2007. - №3. - С.44-55 - прототип). Трансформатор источника содержит пространственный магнитопровод, состоящий из трех стержней, зажатых двумя ярмами и расположенных на равном расстоянии друг от друга перпендикулярно плоскости этих ярм; причем каждый стержень охвачен одинаковыми первичной обмоткой и группой вторичных обмоток, которая содержит две встречные вторичные обмотки с числом витков Nk0 - обмотки основных выходных фаз a, i, q, совпадающих с входными фазами А, В, С, две вторичные обмотки с числом витков Nk1 и две такие же встречные вторичные обмотки, две вторичные обмотки с числом витков Nk2 и две такие же встречные вторичные обмотки, две вторичные обмотки с числом витков Nk3 и две такие же встречные вторичные обмотки, где: N - максимальное количество витков, k - коэффициент числа витков, причем к0=1, k1=(1+1/31/2)/(2cos15°), k2=1/31/2, k3=1/(2·31/2cosl5°). При этом одна вторичная обмотка с числом витков Nk1 первого стержня последовательно соединена с встречной вторичной обмоткой с числом витков Nk3 второго стержня, а вторая - с такой же встречной ей обмоткой третьего стержня, одна вторичная обмотка с числом витков Nk1 второго стержня соединена последовательно с вторичной обмоткой встречной ей намотки с числом витков Nk3 первого стержня, а вторая - с такой же встречной ей обмоткой третьего стержня, одна вторичная обмотка с числом витков Nk1 третьего стержня соединена последовательно с вторичной обмоткой встречной ей намотки с числом витков Nk3 первого стержня, а вторая - с такой же встречной ей обмоткой второго стержня, аналогично соединены остальные встречные вторичные обмотки стержней с числом витков Nk1 и Nk3, одна вторичная обмотка с числом витков Nk2 первого стержня соединена последовательно с вторичной обмоткой встречной ей намотки с числом витков Nk2 второго стержня, а вторая - с такой же встречной ей обмоткой третьего стержня, одна вторичная обмотка с числом витков Nk2 второго стержня соединена последовательно с вторичной обмоткой встречной ей намотки с числом витков Nk2 первого стержня, а вторая - с такой же встречной ей обмоткой третьего стержня, одна вторичная обмотка с числом витков Nk2 третьего стержня соединена последовательно с вторичной обмоткой встречной ей намотки с числом витков Nk2 первого стержня, а вторая - с такой же встречной ей обмоткой второго стержня, образуя соединения «зигзаг». Свободные выводы соединений «зигзаг» и свободные выводы вторичных обмоток с числом витков Nk0 являются выходами трансформатора, причем в каждом соединении «зигзаг» коэффициент k1, k2 или k3 и направления намотки этих обмоток, а также коэффициент k0 и направления намотки обмоток основных выходных фаз a, i, q обеспечивают одинаковую амплитуду выходного линейного напряжения трансформатора и их последовательное запаздывание на 15° относительно друг друга. Однако трансформатор источника имеет пространственный, значит сложный, магнитопровод.
Задачей изобретения является упрощение конструкции трансформатора и повышение надежности.
Технический результат достигается тем, что в трансформаторе, содержащем стержневой магнитопровод, зажатый двумя параллельными ярмами, каждый стержень расположен на равном расстоянии друг от друга и охвачен одинаковыми первичной обмоткой и группой вторичных обмоток, которая содержит две встречные вторичные обмотки с числом витков Nk0, две вторичные обмотки с числом витков Nk1 и две такие же встречные вторичные обмотки, две вторичные обмотки с числом витков Nk2 и две такие же встречные вторичные обмотки, две вторичные обмотки с числом витков Nk3 и две такие же встречные вторичные обмотки, где: N - максимальное количество витков, а k - коэффициент числа витков, причем k0=1, k1=(1+1/31/2)/(2cos15°), k2=1/31/2, k3=1/(2·31/2cosl5°), при этом одна вторичная обмотка с числом витков Nk1 первого стержня последовательно соединена с встречной вторичной обмоткой с числом витков Nk3 второго стержня, а вторая - с такой же встречной ей обмоткой третьего стержня, одна вторичная обмотка с числом витков Nk1 второго стержня соединена последовательно с вторичной обмоткой встречной ей намотки с числом витков Nk3 первого стержня, а вторая - с такой же встречной ей обмоткой третьего стержня, одна вторичная обмотка с числом витков Nk1 третьего стержня соединена последовательно с вторичной обмоткой встречной ей намотки с числом витков Nk3 первого стержня, а вторая - с такой же встречной ей обмоткой второго стержня, аналогично соединены остальные встречные вторичные обмотки стержневого магнитопровода с числом витков Nk1 и Nk3, одна вторичная обмотка с числом витков Nk2 первого стержня соединена последовательно с вторичной обмоткой встречной ей намотки с числом витков Nk2 второго стержня, а вторая - с такой же встречной ей обмоткой третьего стержня, одна вторичная обмотка с числом витков Nk2 второго стержня соединена последовательно с вторичной обмоткой встречной ей намотки с числом витков Nk2 первого стержня, а вторая - с такой же встречной ей обмоткой третьего стержня, одна вторичная обмотка с числом витков Nk2 третьего стержня соединена последовательно с вторичной обмоткой встречной ей намотки с числом витков Nk2 первого стержня, а вторая - с такой же встречной ей обмоткой второго стержня, образуя соединения «зигзаг», свободные выводы которых, а также и вторичных обмоток с числом витков Nk0 образуют последовательность многофазных выходов трансформатора, магнитопровод трансформатора выполнен плоским четырехстержневым, причем площадь сечения крайних стержней вдвое меньше площади стержней, расположенных между ними, все обмотки, охватывающие один крайний стержень, включены последовательно и согласно с одинаковыми обмотками, охватывающими другой крайний стержень.
В таблице приведены группы вторичных обмоток, соединяемых в схему «зигзаг».
| Таблица | |||
| Выходная фаза | Количество витков в обмотке группы 13 и количество витков в обмотке группы 16 | Количество витков в обмотке группы 14 | Количество витков в обмотке группы 15 |
| a | N·k0, N·k0 | - | - |
| b | N·k1, N·k1 | - | -N·k3 |
| с | N·k2, N·k2 | - | -N·k2 |
| d | N·k3, N·k3 | - | -N·k1 |
| e | - | - | -N·k0 |
| f | - | N·k3 | -N·k1 |
| g | - | N·k2 | -N·k2 |
| h | - | N·k1 | -N·k3 |
| i | - | N·k0 | - |
| j | -N·k3, -N·k3 | N·k1 | - |
| k | -N·k2, -N·k2 | N·k2 | - |
| l | -N·k1, -N·k1 | N·k3 | - |
| m | -N·k0, -N·k0 | - | - |
| n | -N·k1, -N·k1 | - | N·k3 |
| o | -N·k2, -N·k2 | - | N·k2 |
| p | -N·k3, -N·k3 | - | N·k1 |
| g | - | - | N·k0 |
| r | - | -N·k3 | N·k1 |
| s | - | -N·k2 | N·k2 |
| t | - | -N·k1 | N·k3 |
| u | - | -N·k0 | - |
| v | N·k3, N·k3 | -N·k1 | - |
| w | N·k2, N·k2 | -N·k2 | - |
| x | N·k1, N·k1 | -N·k3 | - |
| Знак "-" означает встречное направление намотки |
На фиг.1 представлен общий вид трансформатора, на фиг.2 - магнитопровод трансформатора, на фиг.3 - схема соединения обмоток трансформатора для получения многофазного напряжения, например, 24-фазного, на фиг.4 - конструкция плоского магнитопровода, состоящая из набора О-образных сердечников, связь между которыми обеспечена общей группой обмоток или последовательным включением обмоток этих стержней.
Трансформатор содержит плоский магнитопровод 1, состоящий из четырех параллельных стержней 2, 3, 4, 5 одинаковой длины и ярм 6, 7; первичные обмотки 8, 9, 10, 11, причем первичные обмотки 9 и 10, охватывающие стержни 3 и 4, относятся к двум фазам В к С входного трехфазного напряжения; обмотки 8 и 11, охватывающие стержни 2 и 5, включены последовательно друг с другом и относятся к третьей фазе А входного напряжения; одинаковые группы вторичных обмоток 12, 13, 14, 15, причем группы 13 и 14, охватывающие стержни 3 и 4, относятся к двум основным фазам i и q выходного напряжения, совпадающим с входными фазами В и С; каждая обмотка группы 12 соединена последовательно с идентичной обмоткой группы 15; группы обмоток 12 и 15, охватывающие стержни 2 и 5, относятся к третьей основной фазе а выходного напряжения, совпадающей с входной фазой А. Каждая из групп 12, 13, 14 и 15 содержит две встречные обмотки с числом витков N·k0, две обмотки с числом витков N·k1 и две такие же встречные обмотки, две обмотки с числом витков N·k2 и две такие же встречные обмотки, две обмотки с числом витков N·k3 и две такие же встречные обмотки. Последовательность многофазных выходов, например, a, b, c, d, е, f, g, h, i, j, k, l, m, n, o, p, q, r, s, t, u, v, w, x трансформатора 1 образована выводами вторичных обмоток с числом витков N·k0, свободными выводами соединений "зигзаг" встречных обмоток с числом витков N·k1 и N·k3 разных групп: 13 и 14; 13 и согласного соединения групп 12 и 15; 14 и согласного соединения групп 12 и 15, а также свободными выводами соединений "зигзаг" встречных обмоток с числом витков N·k2 разных групп: 13 и 14; 13 и согласного соединения групп 12 и 15; 14 и согласного соединения групп 12 и 15.
Трансформатор функционирует следующим образом.
Синусоидальное симметричное трехфазное напряжение сети, т.е. напряжение, состоящее из линейных составляющих А, В, С (фиг.3), которые имеют одинаковую амплитуду UA=UB=UC и фазовый сдвиг 120° относительно друг друга, подается на одинаковые первичные обмотки 9, 10 и последовательно включенные первичные обмотки 8 и 11. Во вторичных обмотках, имеющих максимальное количество витков, равное N·k0 и принадлежащих группам 13, 14, последовательному соединению групп 12, 15 наводится симметричная ЭДС, состоящая из линейных составляющих основных фаз a, i, q выходного напряжения, которые имеют одинаковую амплитуду U=Ua=Ub=Uc, т.е. совпадают по фазе с входными напряжениями A, B, С, имея фазовый сдвиг 120° относительно друг друга. В соединениях «зигзаг» остальных вторичных обмоток, имеющих меньшее количество витков N·k1, N·k2, N·k3, формируются производные фазы выходного напряжения, например, b, c, d, e, f, g, h, j, k, l, m, n, o, p, r, s, t, u, v, w, x, которые имеют такую же амплитуду U, но сдвинуты по фазе на 15° относительно трех основных выходных фаз (a, i, q) и относительно друг друга.
Любое изменение магнитного потока в стержне 2 магнитопровода вызывает пропорциональное изменение ЭДС и токов в последовательно включенных первичных обмотках 8 и 11, а также в последовательно включенных вторичных обмотках групп 12 и 15, которое приводит к пропорциональному изменению магнитного потока в стержне 5. Поэтому связь стержней 2 и 5 через одинаковые первичные обмотки 8 и 11, а также через одинаковые вторичные обмотки групп 12 и 15, эквивалентна полной магнитной связи стержней 2 и 5. Из-за одинакового количества витков обмоток, охватывающих все стержни, но вдвое меньшего сечения крайних стержней, индуктивность обмоток, охватывающих стержни 3 и 4, равна индуктивности обмоток, охватывающих стержни 2 и 5. Поэтому трансформатор 1 является фазно-симметричным.
Предлагаемое техническое решение позволило упростить конструкцию трансформатора, а симметричность является условием качественного выпрямления многофазного напряжения.
Плоский магнитопровод может быть выполнен в виде набора O-образных колец (фиг.4). Она эквивалентна конструкции, изображенной на фиг.2, и ее можно условно разделить на стержни 2, 3, 4, 5 и ярма 6 и 8.
Введенная связь крайних стержней посредством последовательного включения одинаковых обмоток, которые охватывают эти стержни, эквивалента слиянию этих стержней, поэтому заменяет их магнитную связь, обеспечивая фазную симметрию трансформатора.
Трансформатор, содержащий стержневой магнитопровод, зажатый двумя параллельными ярмами, каждый стержень расположен на равном расстоянии друг от друга и охвачен одинаковыми первичной обмоткой и группой вторичных обмоток, которая содержит две встречные вторичные обмотки с числом витков Nk0, две вторичные обмотки с числом витков Nk1 и две такие же встречные вторичные обмотки, две вторичные обмотки с числом витков Nk2 и две такие же встречные вторичные обмотки, две вторичные обмотки с числом витков Nk3 и две такие же встречные вторичные обмотки, где N - максимальное количество витков, k - коэффициент числа витков, причем k0=1, k1=(1+1/31/2)/(2cos15°), k2=1/31/2, k3=1/(2·31/2cos15°), при этом одна вторичная обмотка с числом витков Nk3 первого стержня последовательно соединена с встречной вторичной обмоткой с числом витков Nk3 второго стержня, а вторая - с такой же встречной ей обмоткой третьего стержня, одна вторичная обмотка с числом витков Nk1 второго стержня соединена последовательно с вторичной обмоткой встречной ей намотки с числом витков Nk3 первого стержня, а вторая - с такой же встречной ей обмоткой третьего стержня, одна вторичная обмотка с числом витков Nk1 третьего стержня соединена последовательно с вторичной обмоткой встречной ей намотки с числом витков Nk3 первого стержня, а вторая - с такой же встречной ей обмоткой второго стержня, аналогично соединены остальные встречные вторичные обмотки с числом витков Nk1 и Nk3, одна вторичная обмотка с числом витков Nk2 первого стержня соединена последовательно с вторичной обмоткой встречной ей намотки с числом витков Nk2 второго стержня, а вторая - с такой же встречной ей обмоткой третьего стержня, одна вторичная обмотка с числом витков Nk2 второго стержня соединена последовательно с вторичной обмоткой встречной ей намотки с числом витков Nk2 первого стержня, а вторая - с такой же встречной ей обмоткой третьего стержня, одна вторичная обмотка с числом витков Nk2 третьего стержня соединена последовательно с вторичной обмоткой встречной ей намотки с числом витков Nk2 первого стержня, а вторая - с такой же встречной ей обмоткой второго стержня, образуя соединения «зигзаг», свободные выводы которых, а также и вторичных обмоток с числом витков Nk0, образуют последовательность многофазных выходов трансформатора, отличающийся тем, что магнитопровод трансформатора выполнен плоским четырехстержневым, причем площадь сечения крайних стержней вдвое меньше площади стержней, расположенных между ними, а все обмотки, охватывающие один крайний стержень, включены последовательно и согласно с одинаковыми обмотками, охватывающими другой крайний стержень.
