Двухфазно-шестифазный трансформатор с вращающимся магнитным полем
Владельцы патента RU 2719549:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Комсомольский-на-Амуре государственный университет" (ФГБОУ ВО "КнАГУ") (RU)
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве преобразователя напряжения для питания промышленных установок, электротехнических устройств и различных технологических комплексов. Техническим результатом изобретения является получение многофазной системы напряжений из однофазного питающего напряжения с улучшенными энергетическими показателями и расширенными функциональными возможностями. Двухфазно-шестифазный трансформатор с вращающимся магнитным полем содержит шестифазную вторичную обмотку и две намотанные на тороидальном сердечнике фазные первичные обмотки, сдвинутые в пространстве на 90°. При этом первая первичная обмотка подключена к выходу первого мостового однофазного инвертора напряжения, вторая первичная обмотка подключена к выходу второго однофазного мостового инвертора напряжения. Первый и второй инверторы напряжения выполнены с широтно-импульсной модуляцией, их выходные напряжения сдвинуты по фазе относительно друг друга на 90°, а их входы объединены и подключены к источнику постоянного напряжения. 2 ил.
Изобретение относится к области электротехники, в частности преобразовательной технике и может быть использовано в системах электропривода и электроснабжения.
Известен двухфазно-шестифазный трансформатор с вращающимся магнитным полем (патент RU 2333562, МПК H01F 30/14, опубл. 10.09.2008 в Бюл. №25), который можно принять за близкий аналог по признаку формирования кругового магнитного поля при помощи двухфазной системы напряжений. Он содержит четыре первичные обмотки, расположенные на тороидальном сердечнике, балластные резистор и индуктивность и многофазные вторичные обмотки. Для получения вращающегося магнитного поля первая, вторая и третья, четвертая обмотки расположены друг относительно друга на тороидальном магнитном сердечнике со сдвигом на 90°. Количество витков первой и четвертой обмоток больше в два раза, чем второй и третьей.
Недостатком данного трансформатора является, невысокие энергетические показатели, из-за несимметричного исполнения первичных обмоток.
За прототип взят двухфазно-шестифазный трансформатор с вращающимся магнитным полем (патент RU 191500, МПК: H01F 38/18, H01F 30/14, опубл. 08.08.2019 в Бюл. №22). Он содержит шестифазную вторичную обмотку и две намотанные на тороидальном сердечнике фазные первичные обмотки, сдвинутые в пространстве на 90°. При этом каждая фазная первичная обмотка содержит две полуобмотки, включенные встречно. Первичные полуобмотки подключены к источнику постоянного напряжения посредством полностью управляемых ключей, коммутация которых между двумя первичными обмотками осуществляется с фазовым сдвигом в 90° и через 180° между полуобмотками каждой первичной обмотки.
К недостаткам прототипа, прежде всего, следует отнести большие искажения токов в первичных обмотках трансформатора и низкие в связи с этим энергетические показатели. Кроме этого, устройство - прототип имеет ограниченные функциональные возможности, связанные с невозможностью регулирования напряжения при подключении его к нерегулируемому источнику питания.
Задачей технического решения является повышение энергетических показателей и расширение функциональных возможностей.
Технический результат от решения поставленной задачи заключается в улучшении формы токов в первичных обмотках трансформатора, достижении вследствие этого, высокого качества кругового вращающегося магнитного поля и снижении у трансформатора магнитных и электрических потерь. Кроме этого, достигается расширение функциональных возможностей за счет возможности одновременного регулирования частоты и действующего значения напряжения в процессе преобразования двухфазной системы напряжения в шестифазную.
Указанный технический результат достигается тем, что первая и вторая фазные первичные обмотки подключены соответственно к выходам первого и второго однофазных мостовых инверторов напряжения, входы которых объединены и подключены к источнику постоянного напряжения, при этом оба однофазных мостовых инвертора напряжения выполнены со 180-градусным алгоритмом управления и широтно-импульсной модуляцией, а их выходные напряжения сдвинуты по фазе относительно друг друга на 90°.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемым к нему графическим материалом, где на фиг. 1 приведена схема двухфазно-шестифазного трансформатора, а на фиг. 2 осциллограммы токов и напряжений на двухфазном входе трансформатора.
На фиг. 1 введены следующие обозначения: 1, 2 - первый и второй однофазные мостовые инверторы напряжения, 3, 4 - зажимы источника постоянного напряжения, 5, 6, 7, 8 - ключи первого инвертора, 9, 10, 11, 12 - ключи второго инвертора, 13, 14 - первая и вторая первичные обмотки, 15 - тороидальный сердечник магнитопровода, 16 - 21 - фазные вторичные обмотки трансформатора. На фиг. 2 показана временная диаграмма управляющих импульсов IGBT-модулей (полностью управляемые транзисторные модули), где Uy1, Uy2 - сигналы управления, подаваемые на ключи первого и второго инвертора соответственно. При этом открытое состояние ключей 5, 6 первого инвертора обеспечивает наличие положительного импульса напряжения в обмотке 13, а открытое состояние ключей 5, 7 - отсутствие напряжения в этой обмотке. Открытое состояние ключей 7, 8 обеспечивает наличие отрицательного импульса напряжения в обмотке 13, открытое состояние ключей 8, 6 - отсутствие напряжения в этой же обмотке. Работа ключей 9, 10, 11, 12 аналогична работе ключей второго инвертора 5, 6, 7, 8 соответственно, но с временным фазовым сдвигом в 90°.
Элементы устройства соединены следующим образом.
Зажимы 3 и 4 трансформатора подключаются к источнику постоянного напряжения. Далее зажим 3 подключается к левым входам первого и второго инверторов, зажим 4 подключается к правым входам первого и второго инверторов. Катушка первой первичной обмотки 13 подключается к выходу первого однофазного мостового инвертора напряжения, катушка второй первичной обмотки 14 подключается к выходу второго однофазного мостового инвертора напряжения.
Двухфазно-шестифазный трансформатор с вращающимся магнитным полем работает следующим образом. На первую первичную обмотку посредством управления ключами первого инвертора, подаются импульсы постоянного напряжения, которые формируют ток близкий к синусоидальному, сдвинутый на некоторый угол относительно подаваемого напряжения. На вторую первичную обмотку со сдвигом в 90°, относительно момента подачи импульсов на первую первичную обмотку, подаются импульсы постоянного напряжения, которые формируют ток близкий к синусоидальному, сдвинутый на 90° относительно тока на первой первичной обмотке. Таким образом, в сердечнике магнитопровода формируется вращающееся магнитное поле, наводящее в системе вторичной обмотки многофазный ток.
Новизна заявляемого технического решения заключается в том, что повышаются энергетические показатели и расширяются функциональные возможности.
Изобретение может быть использовано в качестве вторичных источников питания в системах электроснабжения и электропривода.
Двухфазно-шестифазный трансформатор с вращающимся магнитным полем, содержащий шестифазную вторичную обмотку и две фазные первичные обмотки, которые намотаны на тороидальный сердечник с пространственным сдвигом 90°, отличающийся тем, что первая и вторая фазные первичные обмотки подключены соответственно к выходам первого и второго однофазных мостовых инверторов напряжения, входы которых объединены и подключены к источнику постоянного напряжения, при этом оба однофазных мостовых инвертора напряжения выполнены со 180-градусным алгоритмом управления и широтно-импульсной модуляцией, а их выходные напряжения сдвинуты по фазе относительно друг друга на 90°.
