Двенадцатифазный повышающий автотрансформаторный преобразователь числа фаз

Предлагаемое изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при создании выпрямителей для регулируемых электроприводов постоянного и переменного тока для повышения быстродействия станков, 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 питающей их трехфазной сети.

Из уровня техники известны трансформаторные преобразователи трехфазного переменного напряжения в многофазное напряжение. Для этого трехфазный трансформатор снабжен дополнительной группой вторичных обмоток. Группы вторичных обмоток соединены с разноименными фазами дополнительных вторичных обмоток по схеме «зигзаг» (В.Казаков. Источники питания. Многофазные силовые трансформаторы-преобразователи и выпрямители. Силовая электроника №4, 2006, с.7-15).

Недостатком таких устройств является большое число вторичных обмоток, что значительно усложняет конструкцию преобразователя, технологию его изготовления, приводит к перерасходу материалов и увеличению его стоимости.

Наиболее близким решением по технической сути и достигаемому результату является преобразователь числа фаз, используемый для получения многофазного напряжения, состоящий из трех однофазных трансформаторов, содержащих каждый по одной первичной обмотке и требующий несколько групп 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 г., с.78-96). Преобразователь числа фаз требует для своей реализации трехфазную сеть, три однофазных трансформатора с тремя первичными обмотками, подключенными к трехфазной сети, и тринадцать вторичных обмоток, создающих двенадцать выходов двенадцатифазной системы напряжений.

Недостатком известного устройства является тот факт, что групповой трехфазный трансформатор уступает трехфазному трехстержневому автотрансформатору по своим весогабаритным показателям, а также преобразователь имеет большое число вторичных обмоток с различными параметрами, что значительно усложняет конструкцию преобразователя, технологию его изготовления и приводит к перерасходу материалов и увеличению его стоимости.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание такой архитектуры преобразователя, которая позволит сократить расход активных материалов при замене трехфазного трансформатора автотрансформатором, за счет чего улучшатся массогабаритные показатели преобразователя и снизятся материальные затраты на его изготовление.

Поставленный технический результат достигается за счет того, что в двенадцатифазном повышающем автотрансформаторном преобразователе числа фаз, представляющем собой трехфазный автотрансформатор, состоящий из трех катушек первичной обмотки, подключенных к трехфазной сети, и шести катушек вторичной обмотки, соединенных узлами по схеме шестиугольника, с двенадцатью выходами симметричного двенадцатифазного напряжения, согласно изобретению, каждая катушка первичной обмотки своим началом подсоединена к одной из фаз сети, а концом - к узлу шестиугольника таким образом, что каждый из узлов представляет собой комплект из трех катушек, одной катушки первичной обмотки и двух катушек вторичных обмоток, расположенных на разных стержнях магнитной цепи, принадлежащих различным фазам.

Предлагаемое изобретение поясняется графическими материалами, где:

- на фиг.1 представлена схема двенадцатифазного автотрансформаторного преобразователя числа фаз с повышенным фазным напряжением на выходе преобразователя по сравнению с фазным напряжением на входе автотрансформатора;

- на фиг.2 изображена векторная диаграмма потенциалов на вторичных обмотках этого преобразователя.

Двенадцатифазный повышающий автотрансформаторный преобразователь числа фаз состоит из трехфазного автотрансформатора, имеющего три катушки 1, 2 и 3 первичной обмотки и шесть катушек 4, 5, 6, 7, 8 и 9 вторичных обмоток. Шесть соединенных между собой катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичной обмотки имеют отпайки 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 от витков. Катушка 1 первичной обмотки первой фазы своим концом подсоединена к узлу B, в котором соединяются катушки 6 и 8 вторичных обмоток второй фазы и третьей фазы. Катушка 2 первичной обмотки второй фазы своим концом подсоединена к узлу D, в котором соединяются катушки 9 и 5 вторичных обмоток третьей фазы и первой фазы. Катушка 3 первичной обмотки третьей фазы своим концом подсоединена к узлу F, в котором соединяются катушки 4 и 7 вторичных обмоток первой фазы и второй фазы. Начало катушки 4 вторичной обмотки соединено с началом катушки 8 вторичной обмотки, образуя узел A, конец катушки 8 вторичной обмотки соединен с концом катушки 6 вторичной обмотки, образуя узел B, начало катушки 6 вторичной обмотки соединено с началом катушки 5 вторичной обмотки, образуя узел C, конец катушки 5 вторичной обмотки соединен с концом катушки 9 вторичной обмотки, образуя узел D, начало катушки 9 вторичной обмотки соединено с началом катушки 7 вторичной обмотки, образуя узел E, конец катушки 7 вторичной обмотки соединен с концом катушки 4 вторичной обмотки, образуя узел F, и замыкая контур катушек вторичных обмоток, образующих «шестиугольник» A, B, C, D, E, F. Каждая катушка вторичной обмотки автотрансформатора является стороной «шестиугольника» A, B, C, D, E, F, преобразующего симметричную трехфазную систему напряжений в симметричную шестифазную систему напряжений. Напряжение двенадцатифазной системы напряжений зависит от величины напряжения шестифазной системы и связано с ним соотношением: U₁₂=U₆Cos30°/Cos15°=0,897U₆, что следует из рассмотрения прямоугольных треугольников (0-С-22) и (0-е-22): (0-22)=U₆Cos30°=U₁₂Cos15°, где 15°=30°:2.

Определим теперь положение отпаек 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 от витков катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичных обмоток на примере катушки 5. Для этого воспользуемся векторной диаграммой (фиг.2), приняв число витков катушки 5 пропорциональным длине вектора напряжения на катушке 5. Примем длину вектора напряжения на фазе шестифазного многоугольника за единицу. Отпайки 12 и 13 от витков катушки 5 делят ее число витков в отношении, определяемом отношением отрезков (C-е), (e-f) и (f-D). Отрезок (C-е)=(f-D)=U₆Sin30°-U₁₂Sin15°. Выражая U₁₂ через U₆ после преобразований, получаем: (C-е)=0,5U₆(1-Tg60°Tg15°) и следующее отношение чисел витков, от которых выполняются отпайки: (0,5-Tg60°Tg15°):(Tg60°Tg15°):(0,5-Tg60°Tg15°)=0,268:0,464:0,268.

Работа двенадцатифазного повышающего автотрансформаторного преобразователя числа фаз осуществляется следующим образом.

При подключении трехфазного автотрансформатора к трехфазной сети в стержнях магнитной цепи автотрансформатора возникают три магнитных потока, сдвинутых по фазе друг относительно друга на третью часть периода или в градусном измерении на 120°. Выполнение вторичной обмотки для каждой фазы в виде двух катушек на стержне каждой фазы позволяет получить два вторичных напряжения с противоположной полярностью (со сдвигом на 180°). Таким образом, при трех напряжениях сети, сдвинутых по фазе на 120°, получаются шесть вторичных напряжений, сдвинутых по фазе друг относительно друга на 60°. При соединении шести 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 на катушках 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичной обмотки.

Проведенный анализ показал, что на витках катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичной обмотки, образующих шестиугольник A, B, C, D, E, F, можно найти двенадцать точек a, b, c, d, e, f, g, h, k, l, m, n, потенциалы которых равны по величине, но отличаются по фазе на одну двенадцатую часть периода, что в градусном измерении равно 30°, и получить двенадцатифазную симметричную систему напряжений a, b, c, d, e, f, g, h, k, l, m, n.

В качестве примера рассмотрим автотрансформаторный преобразователь с величиной фазного напряжения двенадцатифазной системы равной величине фазного напряжения питающей преобразователь сети: U₁₂=U_c.

Для получения такого напряжения автотрансформатор должен быть повышающим, схема которого представлена на фиг.1. Число витков катушки первичной обмотки может быть представлено длиной катета (В-1) прямоугольного треугольника (В-1-c) на векторной диаграмме на фиг.2 и может быть определено через катет (1-c): (В-1)=(1-c)tg30°, a (1-c) из треугольника (0-1-с) получаем: (1-с)=U₁₂Sin15°=U_cSin15°.

В трансформаторном варианте преобразователя число витков первичной обмотки будет пропорционально величине U_c при том же токе в обмотке. Следовательно, в рассматриваемом варианте автотрансформатора число витков катушки первичной обмотки уменьшается в 1/Sin15° раз, т.е. 1/0,2588=3,864 раза.

При U_c=U₆ катушек первичной обмотки не требуется и к фазам сети 1, 2, и 3 подключаются вершины шестиугольника B, D и F. При U_c<U₆ берут повышающий автотрансформатор. Принято считать, что при коэффициенте трансформации k=U_c/U₆, лежащем в пределах 0,5<k<1, если допустима электрическая связь между первичной и вторичной цепями, автотрансформатор предпочтительней трансформатора.

Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, позволяет сократить расход активных материалов при замене трехфазного трансформатора автотрансформатором. В итоге улучшаются массогабаритные показатели преобразователя и уменьшается его 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, соединены 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.

Двенадцатифазный повышающий автотрансформаторный преобразователь числа фаз, представляющий собой трехфазный автотрансформатор, состоящий из трех катушек первичной обмотки, подключенных к трехфазной сети, и шести катушек вторичной обмотки, соединенных узлами по схеме шестиугольника, с двенадцатью выходами симметричного двенадцатифазного напряжения, отличающийся тем, что каждая катушка первичной обмотки своим началом подсоединена к одной из фаз сети, а концом - к узлу шестиугольника таким образом, что каждый из узлов представляет собой комплект из трех катушек, одной катушки первичной обмотки и двух катушек вторичных обмоток, расположенных на разных стержнях магнитной цепи, принадлежащих различным фазам.