МНОГОФАЗНЫЙ ТРАНСФОРМАТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧИСЛА ФАЗ

Предлагаемое устройство относится к электротехнике, в основном к преобразовательной технике, и может быть использовано в матричных преобразователей частоты, а также при создании регулируемых электроприводов постоянного 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.
Известен преобразователь трехфазного переменного напряжения в двухфазное (Ворфоломеев Г.Н., Преобразование числа фаз в электроэнергетике: Учеб. пособие. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1996. - 96 с).
Недостатком известного преобразователя является сложная схема обмоток трансформатора, обусловленная необходимостью получения соответствующего сдвига вторичных фазных напряжений.
Известен преобразователь трехфазного переменного напряжения в многофазное. Трансформатор снабжен дополнительной группой вторичных обмоток. Группы вторичных обмоток соединены с разноименными фазами добавочных вторичных обмоток по схеме «зигзаг» (Казаков В.В. Источники питания. Многофазные трансформаторы-преобразователи. Многофазные выпрямители // Силовая электроника. 2006. №4. С. 50-52).
Недостатком этого устройства является большое число вторичных обмоток, что значительно усложняет конструкцию преобразователя, технологию его изготовления и приводит к перерасходу материалов при его изготовлении.
Известен преобразователь числа фаз, используемый для получения многофазного напряжения, состоящий из группы однофазных трансформаторов, содержащий каждый по одной первичной обмотке и требующий несколько групп вторичных обмоток. Таким образом, для реализации требуется трехфазная сеть, три однофазных трансформатора, с трема первичными обмотками, подключенными к трехфазной сети и тринадцать вторичных обмоток, создающих семь выходов семифазной системы напряжений. (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).
Недостатком известного устройства является тот факт, что групповой трехфазный трансформатор уступает трехфазному трехстержневому трансформатору по своим массогабаритным 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.
Наиболее близким к заявленному устройству по технической сути и достигаемому результату является двенадцатифазный преобразователь (пат. РФ №2443049 H02M 7/06, 20.02.2012), состоящий из трехфазного трансформатора, имеющего три катушки первичной обмотки, соединенных по схеме «звезда» и подключаемых к фазам сети и соединенных между собой шести катушек вторичных обмоток и соединенных с вентилями преобразователя.
Недостатками данного устройства являются неравенство напряжений фаз, ограниченные функциональные возможности, обусловленные тем, что данный двенадцатифазный преобразователь применим только для двенадцатифазного выпрямления.
Задача предлагаемой полезной модели - расширение функциональных возможностей преобразователя числа фаз, повышение надежности и энергетических показателей, снижение массогабаритных показателей на базе применения многофазных фазопреобразующих трансформаторов, создание такой архитектуры преобразователей, которая позволит сократить расход активных материалов.
Технический результат - повышение его технологичности, получение симметричной многофазной системы напряжений на базе правильного шестиугольника, обеспечивающей равенство напряжений всех фаз вторичной обмотки.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается в многофазном трансформаторном преобразователе числа фаз, состоящем из трехфазного трансформатора, имеющего первую, вторую, третью катушки первичной обмотки, соединенных по схеме «звезда» и подключенные к первой, второй, третьей фазам сети, соединенные между собой первую, вторую, третью, четвертую, пятую, шестую катушек вторичных обмоток, согласно полезной модели, содержит первую, вторую, третью добавочные катушки вторичных обмоток, при этом начало первой катушки вторичной обмотки соединено с началом шестой катушки вторичной обмотки, конец шестой катушки вторичной обмотки подключен к концу третьей катушки вторичной обмотки, начало третьей катушки вторичной обмотки соединено с началом второй катушки вторичной обмотки, конец второй катушки вторичной обмотки подключен к концу пятой катушки вторичной обмотки, начало пятой катушки вторичной обмотки соединено с началом четвертой катушки вторичной обмотки, конец четвертой катушки вторичной обмотки подключен к концу первой катушки вторичной обмотки, замыкая контур катушек вторичных обмоток, каждая катушка вторичных обмоток трансформатора является стороной «шестиугольника», при этом отпайки первой катушки вторичной обмотки, отпайки второй катушки вторичной обмотки, отпайки третьей катушки вторичной обмотки, отпайки четвертой катушки вторичной обмотки, отпайки пятой катушки вторичной обмотки, отпайки шестой катушки вторичной обмотки соединены с нулевой точкой восемнадцатифазной системы напряжений преобразователя, начало первой добавочной катушки вторичной обмотки подключено к началу четвертой катушки вторичной обмотки, конец первой добавочной катушки вторичной обмотки соединен с началом третьей катушки вторичной обмотки, отпайки первой добавочной катушки вторичной обмотки подключены к нулевой точке восемнадцатифазной системы напряжений преобразователя, начало второй добавочной катушки вторичной обмотки соединено с началом первой катушки вторичной обмотки, конец второй добавочной катушки вторичной обмотки подключен к концу второй катушки вторичной обмотки, отпайки второй добавочной катушки вторичной обмотки присоединены к нулевой точке восемнадцатифазной системы напряжений преобразователя, начало третьей добавочной катушки вторичной обмотки подключено к концу третьей катушки вторичной обмотки, конец третьей добавочной катушки вторичной обмотки соединен с началом пятой катушки вторичной обмотки, отпайки третьей добавочной катушки вторичной обмотки подключены к нулевой точке восемнадцатифазной системы напряжений преобразователя.
Преимуществом предлагаемого устройства является то, что все катушки преобразователя расположены на одном стержне.
Существо полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведена принципиальная схема многофазного трансформаторного преобразователя числа фаз.
На фиг. 2 приведена векторная диаграмма потенциалов на вторичных обмотках многофазного трансформаторного преобразователя числа фаз.
Для простоты и удобства, дальнейшее описание предлагаемого многофазного трансформаторного преобразователя числа фаз произведено на основе восемнадцатифазного трансформаторного преобразователя числа фаз.
a
a
a
a
a
a
a
1
2
3
2
1
2
3
4
1
2
3
4
5
6
7
5
6
7
5
6
7
Многофазный трансформаторный преобразователь числа фаз состоит из трехфазного трансформатора, имеющего первую 1, вторую 2, третью 3 катушки первичной обмотки, соединенные по схеме «звезда» и подключенные к первой A, второй B, третьей C фазам сети, соединенные между собой первую 4, вторую 5, третью 6, четвертую 7, пятую 8, шестую 9 катушки вторичных обмоток, отличающийся тем, что содержит первую 10, вторую 11, третью 12 добавочные катушки вторичных обмоток, при этом начало первой 3 катушки вторичной обмотки соединено с началом шестой 9 катушки вторичной обмотки, конец шестой 9 катушки вторичной обмотки подключен к концу третьей 6 катушки вторичной обмотки, начало третьей 6 катушки вторичной обмотки соединено с началом второй 5 катушки вторичной обмотки, конец второй 5 катушки вторичной обмотки подключен к концу пятой 8 катушки вторичной обмотки, начало пятой 8 катушки вторичной обмотки соединено с началом четвертой 7 катушки вторичной обмотки, конец четвертой 7 катушки вторичной обмотки подключен к концу первой 3 катушки вторичной обмотки, замыкая контур катушек вторичных обмоток, каждая катушка вторичных обмоток трансформатора является стороной «шестиугольника», при этом отпайки ,  первой 4 катушки вторичной обмотки, отпайки ,  второй 5 катушки вторичной обмотки, отпайки b, b третьей 6 катушки вторичной обмотки, отпайки b, b четвертой 7 катушки вторичной обмотки, отпайки c, c пятой 8 катушки вторичной обмотки, отпайки c, c шестой 9 катушки вторичной обмотки соединены с нулевой точкой о восемнадцатифазной системы напряжений преобразователя, начало первой добавочной катушки вторичной обмотки подключено к началу четвертой катушки вторичной обмотки, конец первой добавочной катушки вторичной обмотки соединен с началом третьей катушки вторичной обмотки, отпайки , ,  первой 10 добавочной катушки вторичной обмотки подключены к нулевой точке о восемнадцатифазной системы напряжений преобразователя, начало второй добавочной катушки вторичной обмотки соединено с началом первой катушки вторичной обмотки, конец второй добавочной катушки вторичной обмотки подключен к концу второй катушки вторичной обмотки, отпайки b, b, b второй 11 добавочной катушки вторичной обмотки соединены с нулевой точкой о восемнадцатифазной системы напряжений преобразователя, начало третьей добавочной катушки вторичной обмотки подключено к концу третьей катушки вторично обмотки, конец третьей добавочной катушки вторичной обмотки соединен с началом пятой катушки вторичной обмотки, отпайки c, c, c третьей 12 добавочной катушки вторичной обмотки подключены к нулевой точке о восемнадцатифазной системы напряжений преобразователя.
a
a
a
a
a
a
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
5
7
5
7
5
7
2
2
2
2
2
2
2
2
1
2
2
1
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Для получения симметричной восемнадцатифазной системы напряжений было рассчитано положение отпаек , , , , b, b, b, b, c, c, c, c от витков основных катушек первой 4, второй 5, третьей 6, четвертой 7, пятой 8, шестой 9 вторичных обмоток, а также было рассчитано положение отпаек , , b, b, c, c от витков первой 10, второй 11, третьей 12 дополнительных катушек вторичных обмоток. Из рассмотрения треугольника oce (фиг. 2): угол ceo=60°, угол eco=100°, угол coe=20°. Сторона ce (первая отпайка шестой 9 катушки вторичной обмотки) определена по теореме синусов ce=oe*sin20/sin100=0,35*oe. Сторона oc определена по теореме синусов oc=oe*sin60/sin100=0,88*oe. Из рассмотрения треугольника cco: угол cco равен углу cco=80°. Угол coc=20°. Сторона cc (вторая отпайка шестой 9 катушки вторичной обмотки) определена по теореме синусов cc=0,88*oe*sin20/sin80=0,3*oe. Треугольник dco равен треугольнику oce, следовательно, сторона dc=ce=0,35*oe. Остальные треугольники (фиг. 2) были рассчитаны аналогично.
2
5
7
5
7
5
7
a
a
Для обеспечения равенства напряжений фаз первой 4, второй 5, третьей 6, четвертой 7, пятой 8, шестой 9 основных катушек вторичных обмоток и первой 10, второй 11, третьей 12 дополнительных катушек вторичных обмоток необходимо, чтобы длины векторов их напряжений были одинаковы. Из предыдущих расчетов была получена длина вектора напряжения фазы шестой 9 основной катушки вторичной обмотки oc=0,88*oe, для обеспечения равенства напряжений фаз первой 4, второй 5, третьей 6, четвертой 7, пятой 8, шестой 9 основных катушек вторичных обмоток и первой 10, второй 11, третьей 12 дополнительных катушек вторичных обмоток был отложен вектор oc длиной 0,88*oe на векторе oe напряжения фазы третьей 12 дополнительной катушки, вектор oc длиной 0,88*oe на векторе oh напряжения фазы третьей 12 дополнительной катушки. Векторы o, o, ob, ob напряжений фаз первой 10, второй 11 дополнительных катушек вторичных обмоток были определены аналогично.
Предлагаемое устройство на примере восемнадцатифазного трансформаторного преобразователя работает следующим образом.
a
a
a
a
a
a
a
a
a
a
a
a
a
a
1
2
1
2
1
2
3
4
3
4
3
1
5
5
5
7
7
7
1
2
5
1
2
5
1
2
7
3
4
7
3
4
3
1
5
1
1
7
7
7
5
При подключении преобразователя к трехфазной сети в стержнях магнитной цепи трансформатора 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 основных катушек вторичных обмоток на стержне каждой фазы, позволяет получить два вторичных напряжения на каждую фазу 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 основных катушек - первой 4, второй 5, третьей 6, четвертой 7, пятой 8, шестой 9 вторичных обмоток так, как описано выше, получается шестифазный «шестиугольник» d, e, f, g, h, i с симметричной шестифазной системой напряжений на основных катушках первой 4, второй 5, третьей 6, четвертой 7, пятой 8, шестой 9 вторичных обмоток. Отпайки , , c, c, b, b, , , c, c, b, b, выполненные на витках основных катушек - первой 4, второй 5, третьей 6, четвертой 7, пятой 8, шестой 9 вторичных обмоток, образующих «шестиугольник» d, e, f, g, h, i и отпайки b, c, , b, c, , выполненные на витках дополнительных катушек - первой 10, второй 11, третьей 12 вторичных обмоток, образуют восемнадцать точек , , b, c, c, c, b, b, , , , b, c, c, b, b, , потенциалы которых отличаются по фазе на одну восемнадцатую часть периода (что в градусном измерении равно 360°:18=20°), при этом отпайки b, c, , b, c, , выполненные на витках дополнительных катушек - первой 10, второй 11, третьей 12 вторичных обмоток, выполняются для получения симметричной восемнадцатифазной системы напряжений.
Так получается симметричная восемнадцатифазная система напряжений на базе правильного шестиугольника.
Таким образом можно получить любую многофазную систему напряжений на базе правильного шестиугольника.
Итак, заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле полезной модели, позволяет за счет сокращения числа катушек вторичной обмотки сократить расход активных материалов при замене трехфазного группового трансформатора трехстержневым, что в итоге позволяет улучшить массогабаритные показатели преобразователя, упростить конструкцию преобразователя и технологию его изготовления.
Предлагаемый многофазный трансформаторный преобразователь числа фаз имеет меньшую стоимость, по сравнению с аналогами, вследствие замены группового трансформатора трехстержневым за счет сокращения числа катушек вторичной обмотки.