Преобразователь постоянного напряжения

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве преобразователя постоянного напряжения в переменное трехфазное симметричное напряжение. Технический результат заключается в уменьшении массы и потерь в стали, повышении эффективности обмоток. Преобразователь содержит последовательно соединенные шины постоянного тока, трехфазный мостовой инвертор, выходной трансформатор и схему управления, вход которой соединен с указанными шинами, а выход - с трехфазным инвертором. Выходной трансформатор содержит первый, второй и третий однофазные отдельные трансформаторы, каждый из которых содержит соответствующий неразъемный сердечник в виде полой прямой четырехугольной призмы с ромбом в поперечном сечении, при этом сердечники объединены конструктивно так, что внешние стороны всех трех призм образуют правильный шестиугольник, а внутренние стороны каждой пары ромбов, соединенных тупыми углами, образуют стержни, расположенные под углом 120° друг к другу, при этом внешние стороны сердечников, параллельные соответствующим стержням, образуют составное ярмо. 4 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве преобразователя постоянного напряжения в переменное трехфазное симметричное напряжение.

Известен преобразователь постоянного напряжения, содержащий последовательно соединенные шины постоянного тока, трехфазный инвертор, выходной трансформатор и схему управления, вход которой подключен к шинам постоянного тока, а выход - к трехфазному инвертору, причем выходной трансформатор содержит первый, второй и третий однофазные отдельные трансформаторы, каждый из которых содержит неразъемный сердечник заданной формы, первичную и вторичную обмотки, при этом вторичные обмотки первого, второго и третьего однофазных трансформаторов соединены в звезду [1]. В данном преобразователе достигается максимальная мощность преобразования без использования схем параллельного включения коммутаторов тока (транзисторов или тиристоров). Кроме того, указанный преобразователь отличается простотой и технологичностью монтажа силовой части и повышенной надежностью. Однако он обладает и рядом недостатков, среди которых основными являются разобщенность магнитопроводов сердечников, что приводит к увеличению массы преобразователя, сравнительно высокие потери холостого хода и нерациональное использование площади окна каждого из сердечников.

Техническим результатом изобретения является уменьшение массы и потерь холостого хода, повышение коэффициента укладки проводников и расширение функциональных возможностей преобразователя.

Требуемый технический результат достигается тем, что в преобразователе постоянного напряжения, содержащем последовательно соединенные шины постоянного тока, трехфазный инвертор, выходной трансформатор и схему управления, вход которой подключен к шинам постоянного тока, а выход - к трехфазному инвертору, причем выходной трансформатор содержит первый, второй и третий однофазные отдельные трансформаторы, каждый из которых содержит неразъемный сердечник заданной формы, первичную и вторичную обмотки, при этом вторичные обмотки указанных трансформаторов соединены в звезду, сердечники первого, второго и третьего однофазных трансформаторов выполнены в виде полой прямой четырехугольной призмы с ромбом в поперечном сечении и объединены конструктивно таким образом, что внешние стороны всех трех призм образуют правильный шестиугольник, внутренние стороны каждой пары ромбов, соединенных тупыми углами между собой, образуют первый, второй и третий стержни, которые расположены под углом 120° друг к другу, а внешние стороны ромбов справа и слева от соответствующих стержней образуют составное ярмо, причем указанные сердечники однофазных трансформаторов выполнены из аморфной стали; размещение катушек одноименных фаз первичной и вторичной обмоток на стержнях при одинаковом числе витков катушек обеспечивает равенство их ЭДС; размещение катушек одноименных фаз первичной обмотки на стержнях, а катушек одноименных фаз вторичной обмотки на стороне призмы, параллельной стержню и наоборот, при одинаковом числе витков катушек обеспечивает отношение ЭДС как 2:1; размещение катушек одноименных фаз на сторонах призмы, параллельных соответствующим стержням при одинаковом числе витков катушек обеспечивает равенство их ЭДС, при этом в зависимости от вида размещения катушек одноименных фаз первичной и вторичной обмоток трехфазный трансформатор принимает броневое, бронестержневое и стержневое конструктивное исполнение.

На фиг.1 представлена структурная схема преобразователя. На фиг.2 показана конструкция трансформатора на ромбических сердечниках. На фиг.3 показано размещение проводников в круглом окне. На фиг.4 показано размещение проводников в ромбическом окне.

Преобразователь постоянного напряжения содержит (фиг.1) шины постоянного тока 1, трехфазный мостовой инвертор 2, выходной трансформатор 3 и схему управления 4, причем указанные: шины 1, инвертор 2 и трансформатор 3 соединены последовательно, вход (не обозначен) схемы управления 4 подключен к шинам постоянного тока 1, а выход (не обозначен) указанной схемы 4 соединен с трехфазным мостовым инвертором 2, который может быть выполнен по рекомендациям [2] и [3] на транзисторах или тиристорах и может быть основан на мостовом трехфазном инверторе или на трех однофазных мостовых инверторах, при этом схема управления 4 является стандартной и ее параметры зависят от типа инвертора и типа коммутаторов тока в выбранном инверторе. Выходы (не обозначены) трехфазного инвертора 2 подключены к первичным обмоткам (не показаны) выходного трансформатора 3, который содержит (фиг.2) первый, второй и третий однофазные отдельные трансформаторы (не обозначены), каждый из которых содержит соответствующий неразъемный сердечник 3-1, 3-2 и 3-3 в виде полой прямой четырехугольной призмы с ромбом в поперечном сечении, при этом сердечники 3-1…3-3 конструктивно объединены так, что внешние стороны всех трех призм (не обозначены) образуют правильный шестиугольник (не обозначен), а внутренние стороны (не обозначены) каждой пары ромбов, соединенных тупыми углами, образуют соответственно стержни 3-4, 3-5 и 3-6, причем указанные стержни 3-4…3-6 расположены под углом 120° друг к другу, при этом внешние стороны сердечников 3-1…3-3, параллельные соответствующим стержням 3-4…3-6, образуют составное ярмо (не обозначено), причем названные стержни образуют трехфазную систему без дополнительных устройств, например, центральной части, как выполнено в трехфазном трансформаторе [4]. Оценку компоновки трех отдельных трансформаторов с неразъемными сердечниками в один трехфазный трансформатор можно произвести на основе теории подобия, в соответствии с которой отношение

где G₁, V₁, С₁, S_ном1 - масса, объем, стоимость и номинальная мощность одного однофазного трансформатора;

G₂, V₂, С₂, S_ном2 - масса, объем, стоимость и номинальная мощность трансформатора, составленного из трех однофазных трансформаторов;

λ - коэффициент подобия.

Для трансформаторов справедлива запись

т.е. при повышении мощности трансформатора его линейные размеры возрастают пропорционально корню четвертой степени из мощности.

Расчеты показывают, что применение одного трансформатора (фиг.2) вместо трех втрое меньшей мощности масса, объем и стоимость уменьшаются примерно на 25%. Обычно считается, что КПД трансформатора зависит от потерь холостого хода и потерь в электрических проводах обмоток. Потери холостого хода или потери в стали определяются потерями на перемагничивание и на вихревые токи. Потери в стали Р_с определяются по формуле

где Р_г - потери на гистерезис;

Р_в - потери на вихревые токи;

σ_г1, σ_г2 - коэффициенты, зависящие от сорта материала сердечника;

B_m - амплитуда магнитной индукции;

f - частота;

σ_в - коэффициент, зависящий от сорта стали и толщины листа.

Учитывая, что толщина листа у электротехнических сталей находится в диапазоне 0,1…0,5 мм, а толщина ленты и аморфного сплава 2НСР или 30КСР составляет 20…30 мкм, то, применяя любой из указанных сплавов, можно сократить потери в стали (по сравнению с потерями обычных трансформаторов) примерно в пять раз. Так для сплава 2НСР удельные потери на частоте 60 Гц при B_m=1 Тл составляют 0,01 Вт/кг, а для сплава 30КСР на частоте 400 Гц при B_m=1 Тл удельные потери составляют 1,1 Вт/кг.

При одинаковой длине средней линии магнитопровода тороидального (фиг.3) и ромбического (фиг.4) сердечников размещение проводников обмотки в окнах будет различным, а коэффициент укладки, выражаемый отношением суммарной площади проводников к площади окна для ромбического сердечника K_ук.р, будет больше аналогичного коэффициента K_ук.m для тороидального сердечника, т.е.

особенно при малом числе витков, w≤10, где w - число витков. Как показано на фиг.4, укладка шести проводников в ромбическом сердечнике является компактной по сравнению с укладкой тех же шести проводников того же поперечного сечения в тороидальном сердечнике, хотя площадь окна тороида больше площади окна ромба. Расчеты показывают, что при w≤10 указанных коэффициентов укладки K_ук.m/K_ук.р=0,7, а при w≥50 их отношение достигает 0,9, т.е. укладка малого числа толстых проводников в тороиде не эффективна по сравнению с укладкой тех же проводников в ромбе.

Предложенная конструкция трансформатора (фиг.2) позволяет расширить его функциональные возможности: при первичных и вторичных обмотках фаз, выполненных на стержнях, трехфазный трансформатор становится броневым; при первичных и вторичных обмотках фаз, выполненных на сторонах ромба, параллельных стержням, трехфазный трансформатор становится стержневым; при первичных обмотках фаз, выполненных на стержнях, и вторичных обмотках фаз, выполненных на сторонах ромба, параллельных указанным стержням, трехфазный трансформатор становится бронестержневым, при этом, если катушки первичной и вторичной обмоток фаз выполнены на стержнях, то при одинаковом числе витков их ЭДС равны, а если катушка первичной обмотки выполнена на стержне, а катушка вторичной обмотки на стержне призмы, параллельной стержню, то при одинаковом числе витков катушек их ЭДС относятся как 2:1, так как стержни имеют поперечное сечение, равное удвоенному значению поперечного сечения стороны. Магнитный поток стержня Ф_с определяется по формуле

где S_p - поперечное сечение стороны призмы.

ЭДС катушки, намотанной на корпус стержня, будет равна

где w_к - число витков катушки; Е_к - ЭДС.

Учитывая, что магнитный поток через любую из сторон призмы равен

можно считать, что отношение ЭДС катушки на стержне Е_к к ЭДС катушки на любой стороне призмы относятся как 2:1 при равенстве витков катушек. При размещении катушек одноименных фаз первичной и вторичной обмоток на стержнях трехфазный трансформатор (фиг.2) принимает броневое исполнение; при размещении катушек фаз первичной обмотки на стержнях, а катушек фаз вторичной обмотки на сторонах призмы, параллельных соответствующему стержню, трехфазный трансформатор становится бронестержневым. Предложенный трансформатор не изменит своего исполнения, если на стержнях будут размещены катушки фаз вторичной обмотки; размещение катушек одноименных фаз первичной и вторичной обмоток на сторонах призмы, параллельных соответствующим стержням, приводит к тому, что конструктивное исполнение трехфазного трансформатора становится стержневым.

Таким образом, выходной трансформатор преобразователя отличается уменьшенной массой и потерями холостого хода, повышенным коэффициентом укладки проводников в окне и расширенными функциональными возможностями.

Преобразователь напряжения работает следующим образом. При подключении напряжения на шины постоянного тока 1 оно поступает на схему управления 4 и на трехфазный инвертор 2, при этом схема управления начинает генерировать импульсы в заданной последовательности, которые управляют состоянием силовых коммутаторов тока (не показаны) трехфазного инвертора 2, который начинает генерировать трехфазное напряжение в форме неполного прямоугольника. Указанное напряжение поступает на фазы первичной обмотки выходного трансформатора 3, по указанным обмоткам протекают токи, под действием которых в сердечниках 3-1…3-3 образуются магнитные потоки, наводящие во всех обмотках соответствующие ЭДС независимо от их местоположения катушек. ЭДС катушек, размещенных на стержнях 3-4…3-6, будут увеличенными. ЭДС вторичной обмотки используется для питания потребителей. Все другие особенности работы трехфазного трансформатора не отличаются от особенностей, указанных в [2, 3 и 4].

Таким образом преобразователь постоянного напряжения имеет преимущества в массе и потерях холостого хода перед другими аналогичными преобразователями.

Источники информации

[1]. Электротехнический справочник. Т.2. М.: МЭИ, 2003, с.471, рис.37.60.

[2]. Высокочастотные транзисторные преобразователи. Под ред. Э.М.Ромаша. М.: Радио и связь, 1998, с.270, рис.7.18.

[3]. Ловушкин В.Н. Транзисторные преобразователи постоянного напряжения. М.: Энергия, 1967, с.48, рис.2.7.

[4]. Описание изобретения к патенту RU 2000619 с / Трансформатор Белашова /, Белашов А.Н., Заяв. 5029081 от 10.02.92, опубл. 07.09.93. Бюл. №33-31.

Преобразователь постоянного напряжения, содержащий последовательно соединенные шины постоянного тока, трехфазный инвертор, выходной трансформатор и схему управления, вход которой подключен к шинам постоянного тока, а выход - к трехфазному инвертору, причем выходной трансформатор содержит первый, второй и третий однофазные отдельные трансформаторы, каждый из которых содержит неразъемный сердечник заданной формы, первичную и вторичную обмотки, при этом вторичные обмотки указанных трансформаторов соединены в звезду, отличающийся тем, что сердечники первого, второго и третьего однофазных трансформаторов выполнены в виде полой прямой четырехугольной призмы с ромбом в поперечном сечении и объединены конструктивно таким образом, что внешние стороны всех трех призм образуют правильный шестиугольник, внутренние стороны каждой пары ромбов, соединенных тупыми углами между собой, образуют первый, второй и третий стержни, которые расположены под углом 120° друг к другу, а внешние стороны ромбов справа и слева от соответствующих стержней образуют составное ярмо, причем указанные сердечники однофазных трансформаторов выполнены из аморфной стали; размещение катушек одноименных фаз первичной и вторичной обмоток на стержнях при одинаковом числе витков катушек обеспечивает равенство их ЭДС; размещение катушек одноименных фаз первичной обмотки на стержнях, а катушек одноименных фаз вторичной обмотки на стороне призмы, параллельной стержню и наоборот, при одинаковом числе витков катушек обеспечивает отношение ЭДС как 2:1; размещение катушек одноименных фаз на сторонах призмы, параллельных соответствующим стержням при одинаковом числе витков катушек, обеспечивает равенство их ЭДС, при этом в зависимости от вида размещения катушек одноименных фаз первичной и вторичной обмоток трехфазный трансформатор принимает броневое, бронестержневое и стержневое конструктивное исполнение.