ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТРЕХФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
CONVERTER OF THREE-PHASE ALTERNATING VOLTAGE

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для преобразования трехфазного переменного напряжения в однофазное переменное напряжение той же частоты с равномерной и произвольной по величине нагрузкой фаз питающей сети, с целью применения, например, для электрификации железных дорог на переменном токе, электропитания осветительных сетей, однофазных нагрузок различного характера и назначения.
Известен преобразователь трехфазного переменного напряжения в двухфазное (схема Скотта), содержащий два однофазных трансформатора, первичная обмотка первого из которых подключена одним выводом к среднему выводу первичной обмотки второго, а свободные выводы обеих обмоток подключены к фазным входным выводам, вторичные обмотки (см. К.А.Круг. Основы электротехники. Т.2. 1932 г., стр.338, фиг.335).
Эта схема, в случае последовательного подключения вторичных обмоток к общей нагрузке, обеспечивает преобразование трехфазного переменного напряжения в однофазное переменное напряжение. Однако, т.к., независимо от соотношения чисел витков обмоток, алгебраическая сумма токов в равных по числу витков частях первичной обмотки второго трансформатора равна току первичной обмотки первого трансформатора, то эти трансформаторы нагружают фазы питающей сети неодинаково. Применение в таком виде схемы Скотта, например, на подстанциях электрифицированных железных дорог при мощности нагрузки, соизмеримой с мощностью однофазных трансформаторов, может привести к «перекосу» фаз питающей сети. Кроме того, ввиду необходимости питания низким трехфазным напряжением и иных потребителей, эта схема не исключает потребность в содержании на подстанции дополнительно трехфазного трансформатора.
Совокупность причин, препятствующих получению требуемого технического результата, заключается в неодинаковом распределении первичных токов между фазами трехфазной питающей сети.
Известен симметрирующий тяговый трансформатор (см. патент №2374715, кл. H01F 30/14, H02J 3/26, 2008), содержащий трехстержневой магнитопровод, симметричную трехфазную первичную обмотку и трехфазную вторичную обмотку. Вторичная обмотка соединена по схеме трехлучевого зигзага, каждый луч которого состоит из двух соединенных последовательно одинаковых обмоток, расположенных на разных стержнях магнитопровода. Каждая из обмоток у одного из лучей имеет напряжение в 2,5-3,0 раз меньше, чем у каждой из обмоток в двух других лучах. Трансформатор является преобразователем трехфазного напряжения в симметричное двухфазное напряжение с углом сдвига фаз между векторами напряжения, близким к 90°.
Недостатком преобразователя является искажение питающего напряжения при неодинаковой нагрузке левого и правого «путей», питающихся каждый от одного из сдвинутых друг относительно друга на 90° напряжений соответственно между одним из больших и укороченным лучами «зигзага». Схема преобразователя не обеспечивает преобразование трехфазного переменного напряжения в однофазное переменное напряжение с одинаковой нагрузкой фаз питающей сети. Кроме того, ввиду необходимости питания на подстанции низким трехфазным напряжением и иных потребителей, эта схема не исключает потребность в содержании дополнительно второго трехфазного трансформатора.
Совокупность причин, препятствующих получению требуемого технического результата, заключается в том, что преобразователь предназначен для преобразования трехфазного переменного напряжения в двухфазное, а не в однофазное переменное напряжение.
Широко известен преобразователь трехфазного переменного напряжения в трехфазное переменное напряжение, содержащий понижающий трехфазный трансформатор, первичная обмотка которого соединена в «звезду» с нулевым выводом и подключена к фазным и нулевому входному выводам, а вторичная - в «звезду» с нулевым выводом и подключена к выходным выводам (см. Л.Н.Баптиданов и В.И.Тарасов. Электрооборудование станций и подстанций. T.1, 1960, стр.370, рис.23-1).
Недостатком этого преобразователя, изготовленного на базе одной из наиболее распространенных схем соединения обмоток силовых трансформаторов станций и подстанций, является невозможность получения однофазного переменного напряжения с одинаковой нагрузкой фаз трехфазной питающей сети.
Совокупность причин, препятствующих получению требуемого технического результата, заключается в том, что преобразователь предназначен для преобразования трехфазного переменного напряжения в трехфазное, а не в однофазное переменное напряжение.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, заключается в преобразовании трехфазного переменного напряжения в однофазное переменное напряжение той же частоты при одинаковой нагрузке фаз питающей сети и использовании распространенного источника трехфазного переменного напряжения, например, 2-х обмоточного трехфазного трансформатора, каждая обмотка которого соединена в «звезду» с нулевым выводом или трехфазного генератора.
Эта задача решается тем, что преобразователь трехфазного переменного напряжения, содержащий источник трехфазного переменного напряжения, например трехфазный трансформатор, первичная обмотка которого соединена в «звезду» с нулевым выводом и подключена к фазным и нулевому входному выводам, а вторичная - в «звезду» с нулевым выводом, выходные выводы, содержит два уравнительных реактора со средним выводом обмотки каждого, крайние выводы одной обмотки которых подключены к выводу вторичной фазной обмотки источника и к его нулевому выводу, крайние выводы другой обмотки - к выводам других вторичных фазных обмоток источника, а средние выводы обеих обмоток - к выходным выводам.
Технический результат, достигаемый в предлагаемом, заключается в том, что неодинаковая нагрузка левого и правого «путей» (см. патент №2374715) не приводит к искажению питающего напряжения, т.к. питание каждой нагрузки осуществляется от одной и той же пары клемм преобразователя. При этом величина результирующего однофазного напряжения равна фазному напряжению источника трехфазного переменного напряжения, например фазному напряжению соединенной в «звезду» вторичной обмотки трехфазного трансформатора произвольной конструкции. Дополнительный технический результат заключается в том, что исключается необходимость подбора по мощности однофазных потребителей для равномерного распределения нагрузки, подключаемой между каждой фазой и общим нулевым выводом источника трехфазного переменного напряжения.
Из сформулированного выше условия решаемой задачи следует, что сумма вторичных фазных токов такого источника трехфазного переменного напряжения не может быть равна нулю, т.к. обратное противоречит постановке задачи. Следовательно, нулевой провод должен быть загружен определенной долей результирующего тока. Вместе с тем наличие нулевого провода вовсе не означает, что по нему должен циркулировать ток нулевой последовательности, т.к. его генерация не свойственна однофазным цепям. Таким образом, нулевой провод должен служить возможности равного распределения результирующего тока между этим проводом и фазными обмотками, т.е. возможности деления результирующего тока на четыре равные части, три из которых приходятся каждая на одну фазную обмотку.
На чертеже приведена принципиальная схема преобразователя трехфазного переменного напряжения в однофазное переменное напряжение.
Преобразователь содержит источник трехфазного переменного напряжения, выполненный на трехфазном трансформаторе 1, первичные (вторичные) фазные обмотки 2, 3, 4 (5, 6, 7) которого соединены в «звезду» с нулевым выводом и подключены концами (началами) к фазным входным (выходным) выводам А, В, С (а, b, с), а общей точкой начал (концов) - к нулевому входному (выходному) выводу 0 (0). Кроме того, преобразователь содержит преобразующую группу 8 из двух уравнительных реакторов 9 и 10, причем импеданс уравнительного реактора 10 в  раз больше, чем импеданс уравнительного реактора 9. Крайние выводы обмотки уравнительного реактора 9 (10) подключены к фазному и нулевому выходному выводу а и 0 (фазным выходным выводам b и с). Средняя точка уравнительного реактора 9 (10) подключена к выходному выводу 11 (12). Между выходными выводами 11,12 включена нагрузка 13. Величина импеданса уравнительного реактора, как известно, зависит не только от числа витков обмотки, но и от сечения его магнитопровода. Поэтому минимально необходимую величину импеданса можно получить не только при одинаковом числе витков обмоток уравнительных реакторов, но и одинаковом сечении магнитопроводов, если эта величина не меньше наибольшего из необходимых значений.
11-0
12-0
рез.
ф
К обмотке уравнительного реактора 9 (10) прикладывается фазное (линейное) напряжение между выходными выводами а и 0 (b и с) трехфазного трансформатора 1. Величина напряжения U (U) между выходным выводом 11 (12) уравнительного реактора 9 (10) и общей точкой 0 концов вторичных фазных обмоток 5, 6, 7 трансформатора 1, в связи с автотрансформаторным эффектом, равна половине фазного напряжения обмотки 5 (половине суммы фазных напряжений обмоток 6 и 7). Поэтому величина результирующего напряжения U между выходными выводами 11 и 12 равна фазному напряжению U «звезды» вторичных обмоток, причем вектор этого напряжения совпадает по фазе с вектором фазного напряжения обмотки 5.
рез.
ф
ф
ф
U=0,5·U+0,5·U=U.
Результирующий переменный ток в соответствующий полупериод течет по нагрузке 13, разветвляется на две равные части, одна (другая) из которых течет от конца к началу (от начала к концу) одной (другой) части обмотки уравнительного реактора 10 и далее от начала к концу обмотки 6 (7) трансформатора 1, суммируясь в общей точке концов этих обмоток. Далее результирующий переменный ток вновь разветвляется на две равные части, одна (другая) из которых течет от конца к началу обмотки 5 (по вторичному нулевому проводу) трансформатора 1, затем от конца к началу (от начала к концу) одной (другой) части обмотки уравнительного реактора 9, вновь суммируясь на выходном выводе 11. В следующий полупериод результирующий переменный ток течет по тем же цепям в обратном направлении. Вследствие трансформаторного эффекта токи в первичных фазных обмотках 2, 3, 4 и первичном нулевом проводе трансформатора 1 также равны друг другу.
рез.
Учитывая особенность формирования результирующего однофазного напряжения U и несимметричность 3-стержневого магнитопровода трехфазного трансформатора, предпочтительно обмотку соответствующего из уравнительных реакторов подключить к выводам фазных обмоток трансформатора, размещенных на его крайних стержнях.
Схема преобразователя исключает необходимость в содержании на подстанции двух трехфазных трансформаторов, в том числе специального, т.к. установленный на подстанции основной трехфазный трансформатор, без изменения его принципиальной схемы, может обеспечить питание не только основного однофазного, но и вспомогательного трехфазного оборудования. Однако предлагаемое преобразование, в сравнении с тремя однофазными нагрузками, приводит при той же потребляемой мощности к уменьшению на треть мощности, выделяемой на одной общей однофазной нагрузке, а при той же мощности выделяемой на выходе - к увеличению на треть мощности трехфазного трансформатора. Вместе с тем, если мощность трехфазного трансформатора значительно превышает мощность потребителя однофазного переменного напряжения, то для указанного преобразования необходимо и достаточно только два уравнительных реактора: один мощностью 0,5, а другой - 0,866 от мощности, выделяемой на однофазной нагрузке. При этом потребляемая трехфазным трансформатором мощность составляет 1,5 от мощности, выделяемой на однофазной нагрузке. Основным фактором, определяющим эффективность преобразователя, является отсутствие необходимости подбора по мощности однофазных нагрузок при их подключении к фазным обмоткам трехфазного трансформатора.