Пятифазный преобразователь числа фаз

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при создании выпрямителей для регулируемых электроприводов постоянного и переменного тока для станков для повышения их быстродействия, а также на преобразовательных подстанциях для питания электрифицированных железных дорог, в электрометаллургической и химической отраслях промышленности для уменьшения величины пульсаций выпрямленного напряжения и уменьшения содержания высших гармонических составляющих в кривой переменного тока в трехфазной сети. Технический результат заключается в создании такой архитектуры преобразователя, которая позволяет сократить расход активных материалов при замене трехфазного группового трансформатора трехстержневым, что в итоге позволит улучшить весогабаритные показатели преобразователя, упростить конструкцию преобразователя и технологию его изготовления. Для этого заявленный пятифазный преобразователь числа фаз состоит из трехфазного трансформатора, имеющего три катушки первичной обмотки, которые соединены по схеме «звезда» и подключены к трехфазной сети с нулевым проводом «0», шесть соединенных между собой основных катушек вторичных обмоток, одну дополнительную катушку вторичной обмотки и отпайки от витков основных катушек вторичных обмоток, которые совместно с выходным зажимом дополнительной катушки вторичной обмотки создают симметричную пятифазную систему напряжений. Каждая основная катушка вторичной обмотки трансформатора является стороной «шестиугольника» А, В, С, D, Е, F, преобразующего симметричную трехфазную систему напряжений в симметричную шестифазную систему напряжений, при этом дополнительная катушка вторичной обмоки своим началом подсоединена к узлу контура «шестиугольника», который не связан с основными катушками вторичной обмотки той фазы, на стержне которой находится дополнительная катушка вторичной обмотки. 2 ил.

 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при создании выпрямителей для регулируемых электроприводов постоянного и переменного тока для станков для повышения их быстродействия, а также на преобразовательных подстанциях для питания электрифицированных железных дорог, в электрометаллургической и химической промышленности для уменьшения величины пульсаций выпрямленного напряжения и уменьшения содержания высших гармонических составляющих в кривой переменного тока в трехфазной сети.

Из уровня техники известны преобразователи трехфазного переменного напряжения в пятифазное на основе трансформаторов Скотта (Ворфоломеев Г.Н., Мятеж С.В., Шуров Н.И. Пятифазный мостовой выпрямительный агрегат на основе схемы Скотта /Вестник КГТУ, Транспорт, Вып.39 Красноярск: Изд. КГТУ, 2005, с.21-25/).

Недостатком известных преобразователей является сложная схема трансформатора, обусловленная необходимостью получения соответствующего сдвига вторичных фазных напряжений.

Из уровня техники известен также многофазный преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащий трехфазный трансформатор с первичной и двумя группами вторичных обмоток, соединенных между собой по схеме «зигзаг». Трансформатор снабжен дополнительной группой вторичных обмоток (В.Казаков «Источники питания. Многофазные силовые трансформаторы-преобразователи и выпрямители» /Силовая электроника №4, 2006, с.7-15/).

Недостатком этого устройства является большее число вторичных обмоток, что значительно усложняет конструкцию преобразователя, технологию его изготовления и приводит к перерасходу материалов.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому преобразователю является преобразователь, состоящий из трех однофазных трансформаторов, содержащих каждый по одной первичной обмотке и по пяти вторичных обмоток (Ворфоломеев Г.Н. и др. Обзор схемных решений преобразователей числа фаз на трансформаторах. Совершенствование технических средств электрического транспорта. /Сборник научных трудов. Выпуск 2. Новосибирск, 2001, с.78-96/). Таким образом, для реализации требуется трехфазная сеть, три однофазных трансформатора, первичные обмотки которых подключены к трехфазной сети с нулевым проводом 0 по одной из схем: «звезда» или «треугольник» и пять вторичных обмоток у каждого однофазного трансформатора (пятнадцать на все три фазы). Недостатком этого устройства является тот факт, что групповой трехфазный трансформатор уступает трехфазному трехстержневому трансформатору по своим весогабаритным показателям, а также преобразователь имеет большое число вторичных обмоток, что значительно усложняет конструкцию преобразователя, технологию его изготовления, приводит к перерасходу материалов и к увеличению стоимости.

Техническим результатом заявленного изобретения является создание такой архитектуры преобразователя, которая позволяет сократить расход активных материалов при замене трехфазного группового трансформатора трехстержневым с меньшим числом вторичных обмоток, что в итоге позволяет улучшить весогабаритные показатели преобразователя, упростить конструкцию преобразователя, технологию его изготовления и уменьшить стоимость.

Поставленный технический результат решается за счет того, что пятифазный преобразователь числа фаз, представляющий собой трехфазный трансформатор, состоящий из трех катушек первичной обмотки и семи катушек вторичной обмотки с выходами пятифазного напряжения, согласно изобретению, шесть катушек вторичной обмотки выполнены в виде основных катушек вторичной обмотки по две на каждом стержне трансформатора, и одной дополнительной катушки вторичной обмотки, расположенной на том стержне трансформатора, на котором расположены две основные катушки вторичной обмотки, выполненные с отпайками, разделяющими число витков каждой из катушек в отношении (1-Tg60⁰Tg18⁰):(1+Tg60⁰Tg18⁰) от начала катушки, а две другие основные катушки вторичной обмотки выполнены с отпайками, разделяющими число витков этих катушек в отношении (1+Tg60⁰Sin60/Sin72⁰):(1-Tg60⁰Sin6⁰/Sin72⁰) от начала катушки, и вместе с отпайками от двух других основных катушек вторичной обмотки и выходом дополнительной катушки вторичной обмотки представляют собой выходы пятифазной системы напряжений преобразователя, кроме того, все основные катушки вторичной обмотки соединены между собой узлами в один контур в виде «шестиугольника» таким образом, что напряжения между узлами образуют шестифазную систему напряжений, при этом, дополнительная катушка вторичной обмотки своим началом подсоединена к узлу контура «шестиугольника», который не связан с основными катушками вторичной обмотки той фазы, на стержне которой находится дополнительная катушка вторичной обмотки.

Изобретение поясняется графическими материалами, где на фиг.1 представлена схема пятифазного преобразователя числа фаз, на фиг.2 - векторная диаграмма потенциалов на обмотках и отпайках от витков вторичных обмоток.

Пятифазный преобразователь числа фаз состоит из трехфазного трансформатора, имеющего три катушки первичной обмотки: катушку 1 первичной обмотки, катушку 2 первичной обмотки и катушку 3 первичной обмотки, которые соединены по схеме «звезда», и подключены к трехфазной сети с нулевым проводом «0», шесть соединенных между собой основных катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичных обмоток, имеющий одну дополнительную катушку 10 вторичной обмотки и отпайки 11, 12, 13, 14 от витков основных катушек 4, 5, 7, 9 вторичных обмоток. При этом начало основной катушки 4 вторичной обмотки соединено с началом основной катушки 8 вторичной обмотки, образуя узел А, конец основной катушки 8 вторичной обмотки соединен с концом основной катушки 6 вторичной обмотки, образуя узел В, начало основной катушки 6 вторичной обмотки соединено с началом основной катушки 5 вторичной обмотки, образуя узел С, конец основной катушки 5 вторичной обмотки соединен с концом основной катушки 9 вторичной обмотки, образуя узел D, начало основной катушки 9 вторичной обмотки соединено с началом основной катушки 7 вторичной обмотки, образуя узел Е, конец основной катушки 7 вторичной обмотки соединен с концом основной катушки 4 вторичной обмотки, образуя узел F и замыкая контур «шестиугольника» A, B, C, D, E, F. Каждая основная катушка вторичной обмотки трансформатора является стороной «шестиугольника» A, B, C, D, E, F, преобразующего симметричную трехфазную систему напряжений в симметричную шестифазную систему напряжений. Дополнительная катушка 10 вторичной обмотки подсоединяется своим началом 16 к вершине С «шестиугольника» A, B, C, D, E, F, с которой не связаны основные катушки 4 и 5 вторичных обмоток того же стержня, на котором находится дополнительная катушка 10 вторичной обмотки.

Определим теперь положение отпаек 11, 12, 13, 14 от витков основных катушек 4, 5, 7, 9 вторичных обмоток. Для этого воспользуемся векторной диаграммой, приняв число витков катушки пропорциональным длине соответствующего вектора напряжения на катушке. Анализ проведем на примере основной катушки 5 вторичной обмотки. Примем длину вектора напряжение на фазе шестифазного многоугольника (фиг.2) за единицу. Тогда число витков от начала основной катушки 5 вторичной обмотки до отпайки 12 от витков может быть представлено отрезком (5-12). Катет (12-17) - катет прямоугольного треугольника (0-12-17), противолежащий углу 18⁰: катет (12-17)=U₅Sin18⁰, где U₅ - фазное напряжение пятифазной системы напряжений, действующее на отпайках 11, 12, 13, 14 от витков и на выходном зажиме 15 дополнительной катушки 10 вторичной обмотки: U₅=U₆ Cos30⁰/Cos18⁰, U₆ - напряжение на зажимах каждой основной катушки вторичной обмотки. Геометрический анализ векторной диаграммы дает следующее число витков дополнительной катушки: W₁₀W₂=(U₆-U₅)/U₆=1-Cos30⁰/Cosl8⁰=0,089, W₁₀=0,089W₂. Здесь W₂ - число витков каждой основной катушки вторичной обмотки. Величина токов, протекающих по основным катушкам 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичных обмоток, равна линейному току I_л при симметричной пятифазной нагрузке, а величина тока, протекающего по дополнительной катушке 10 вторичной обмотки равна фазному току I_ф симметричной пятифазной нагрузки.

Отпайки 11 и 12 от витков на основных катушках 4 и 5 вторичных обмоток делят число витков этих катушек в отношении, определяемом отношением отрезков (5-12):(12-С) ; (5-12)=U₆Sin30⁰-U₅Sin18⁰. Преобразуем второе слагаемое: U₅Sin18⁰=U₆Cos30⁰Sin18⁰/Cos18⁰=U₆Cos30⁰Tg18⁰Sin30⁰/Sin30⁰=U₆Sin30⁰Ctg30⁰Tg18⁰. Тогда отрезок (5-12)=U₆Sin30⁰(1-Ctg30⁰Tg18⁰)=U₆Sin30⁰(1-Tg60⁰Tg18⁰). Отрезок (12-C)=U₆Sin30⁰+U₅Sin18⁰=U₆Sin30⁰(1+Tg60⁰Tg18⁰) и отпайки будут делить число витков основных катушек 4 и 5 вторичных обмоток в отношении (1-Tg60⁰Tg18⁰):(1+Tg60⁰Tg18⁰). Отпайки 13 и 14 от витков на основных катушках 7 и 9 вторичных обмоток делят число витков этих катушек в отношении, определяемом отношением отрезков (С-14):(14-D); (С-14)=U₆Sin30⁰-U₅Sin6⁰-U₆Sin30⁰(1-Ctg30⁰Sin6⁰/Cos18⁰). Ctg30⁰-Tg60⁰, Cos18⁰=Sin72⁰. В итоге получаем: (С-14):(14-D)=(1-Tg60⁰Sin6⁰/Sin72⁰):(1+Tg60⁰Sin6⁰/Sin72⁰).

Работа пятифазного преобразователя числа фаз осуществляется следующим образом. При подключении трехфазного трансформатора к трехфазной сети в стержнях трансформатора возникают три магнитных потока, сдвинутых по фазе друг относительно друга на третью часть периода или в градусном измерении на 120⁰. Выполнение вторичной обмотки в виде шести основных катушек 4, 5, ,7 ,8, 9 вторичных обмоток позволяет получить по два вторичных напряжения на каждой фазе с противоположной полярностью (со сдвигом на 180⁰). Таким образом, при трех напряжениях сети, сдвинутых по фазе на 120⁰, получаются шесть напряжений, сдвинутых друг относительно друга на 60⁰. При соединении шести основных катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичных обмоток так, как описано выше, получается «шестиугольник» A, B, C, D, E, F с симметричной шестифазной системой напряжений. Проведенный анализ показал, что на витках основных катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичных обмоток, образующих «шестиугольник» A, B, C, D, E, F, находятся четыре точки a, c, d, e на отпайках 11, 12, 13, 14 от витков, потенциалы которых отличаются по фазе на одну пятую часть периода (что в градусном измерении равно 360⁰/5=72⁰), а пятая точка b находится на выходном зажиме 15 дополнительной катушки 10 вторичной обмотки и таким образом создается пятифазная симметричная система напряжений.

Таким образом, заявленная архитектура позволяет сократить расход активных материалов при замене трехфазного группового трансформатора трехстержневым с вдвое меньшим числом вторичных обмоток (с семью вместо пятнадцати), что в итоге позволяет улучшить весогабаритные показатели преобразователя, упростить конструкцию преобразователя, технологию его изготовления и уменьшить стоимость.

Анализ заявленного технического решения на соответствие требованиям условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, неизвестной на дату приоритета из уровня техники, достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.

Свойства, регламентированные в заявленном соединении отдельными признаками, общеизвестны из уровня техники и не требуют дополнительных пояснений.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для использования при создании регулируемых электроприводов постоянного тока;

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в материалах заявки известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленный объект соответствуют требованиям условиям патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.

Пятифазный преобразователь числа фаз, представляющий собой трехфазный трансформатор, состоящий из трех катушек первичной обмотки и семи катушек вторичной обмотки с выходами пятифазного напряжения, отличающийся тем, что шесть катушек вторичной обмотки выполнены в виде основных катушек вторичной обмотки по две на каждом стержне трансформатора, и одной дополнительной катушки вторичной обмотки, расположенной на стержне трансформатора, на котором расположены две основные катушки вторичной обмотки, выполненные с отпайками, разделяющими число витков каждой из катушек в отношении (1-Tg60°Tg18°):(1+Tg60°Tg18°) от начала катушки, а две другие основные катушки вторичной обмотки выполнены с отпайками, разделяющими число витков каждой из катушек в отношении (1+Tg60°Sin6°/Sin72°):(1-Tg60°Sin6°/Sin72°) от начала катушки, и вместе с отпайками от двух других основных катушек вторичной обмотки и выходом дополнительной катушки вторичной обмотки представляют собой выходы пятифазной системы напряжений преобразователя, кроме того, все основные катушки вторичной обмотки соединены между собой узлами в один контур в виде «шестиугольника» таким образом, что напряжения между узлами образуют шестифазную систему напряжений, при этом дополнительная катушка вторичной обмотки своим началом подсоединена к узлу контура «шестиугольника», который не связан с основными катушками вторичной обмотки той фазы, на стержне которой находится дополнительная катушка вторичной обмотки.