МНОГОФАЗНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР

Область техники, к которой относится полезная модель. Полезная модель относится к силовой электротехнике и может быть использована в многофазных полупроводниковых статических преобразователях.
Уровень техники. Известен многофазный трансформатор с вращающимся магнитным полем [авторское свидетельство СССР на изобретение №120869], выполненный по типу асинхронной машины с двумя обмотками, оси которых сдвинуты одна относительно другой на угол, отличный от нуля и 180 градусов. Фазные обмотки со стороны первичной и вторичной стороны соединяются по типу соединения фазных обмоток многофазного асинхронного двигателя.
К недостатку такого решения можно отнести использование многофазных обмоток, соединенных звездой на выходе, соответствующем стороне постоянного тока в полупроводниковых статических преобразователях - что ведет к необходимости использования широтно-импульсной модуляции в составе упомянутых преобразователей и приводит к снижению общего КПД установки.
Также известен трансформатор с трехфазной и круговой обмотками [патент РФ на изобретение №2525298], содержащий шихтованный магнитопровод, с трехфазной и кольцевой обмотками, уложенными в пазах. Трехфазная обмотка выполняется по типу обмоток статора электрических машин переменного тока, а кольцевая (круговая) обмотка выполняется замкнутой по типу обмоток якоря машин постоянного тока. Кольцевая обмотка располагается на стороне постоянного тока, и при работе в составе статического преобразователя ее отводы подключены к полупроводниковому коммутатору (многофазному мосту).
К недостаткам такого решения можно отнести наличие внутренних паразитных токов кольцевой обмотки, вызванных несимметрией питающих напряжений и технологическими отклонениями конструкции - что ведет к увеличению потерь, снижению коэффициента полезного действия и повышенному нагреву. Кроме того, использование отводов секций кольцевой обмотки требует удвоенного числа комплектов полупроводниковых ключей, поскольку число фаз выходного напряжения кольцевой обмотки составляет половину от числа ее выводов - что усложняет схему полупроводникового коммутатора и увеличивает себестоимость статического преобразователя на базе трансформатора с вращающимся полем.
Раскрытие полезной модели.
Из уровня техники известны различные варианты статических полупроводниковых преобразователей. В основе их в общем случае лежит использование многофазного трансформатора - для гальванической развязки с питающей сетью, и увеличения числа фаз на выходе - что определяет качество выходного напряжения в режиме выпрямителя. Выводы трансформатора можно разделить на подключаемые к сети переменного тока, и расположенные со стороны звена постоянного тока статического преобразователя. Последние подключаются к полупроводниковому коммутатору, реализующему определенный алгоритм преобразования в соответствии с сигналами от системы управления. Количество полупроводниковых ключей в упомянутом коммутаторе определяется не только его типом (наличием реверсивности и/или двунаправленности), но и общим числом отводов коммутируемой обмотки трансформатора.
Таким образом, перед заявляемым решением стоит следующая задача: уменьшить число отводов кольцевой обмотки многофазного трансформатора с вращающимся полем, при сохранении числа фаз. Подобная оптимизация конструкции трансформатора позволяет уменьшить число полупроводниковых ключей в преобразователе, либо улучшить качество его выходного напряжения при том же числе полупроводниковых ключей.
На фигуре 1 схематично изображен трансформатор с вращающимся полем, оснащенный трехфазной и кольцевой обмоткой с шестью отводами. При питании от сети переменного тока, трехфазная обмотка создает вращающееся поле, которое наводит в кольцевой обмотке переменное напряжение - снимаемое с ее отводов. Число фаз кольцевой обмотки равно половине количества отводов от ее секций, что на практике означает удвоение комплектов полупроводниковых ключей в коммутаторе, подключаемом к кольцевой обмотке.
Здесь следует особо отметить, что наличие отводов кольцевой обмотки - не означает наличие возможности подключения к ней многофазной нагрузки переменного тока. Номинальное напряжение наводится при этом между отводами, находящимися на сторонах диагонали, а наличие гальванической связи между всеми секциями кольцевой обмотки не позволяет сформировать полноценную систему многофазных напряжений. В случае работы в режиме инвертора, формирование симметричного магнитного поля возможно исключительно при коммутации диаметральных отводов кольцевой обмотки.
Изображенные на фигуре 1 диагональные отводы соответствуют включенным полупроводниковым ключам, при этом в силу симметрии конструкции трансформатора и равенства напряжений любых двух половин круговой обмотки - формируется две ветви тока, равноценные при условии отсутствия технологического разброса. Поскольку отводы кольцевой обмотки коммутируются по отдельности, и не объединены в схему многофазной звезды или треугольника - число фаз соответствует половине отводов кольцевой обмотки, и для изображенного на фигуре 1 случая эквивалентно трехфазной системе - но требует шесть комплектов полупроводниковых ключей.
На фигуре 2 схематично изображен статический преобразователь на основе трансформатора с вращающимся полем. Отводы кольцевой обмотки подключаются к полупроводниковому коммутатору, оснащенному шестью комплектами ключей - против трех комплектов в преобразователе с трансформатором, оснащенным трехфазной обмоткой соединенной звездой. Очевидно, что при дальнейшем увеличении числа отводов кольцевой обмотки - будет нарастать количество комплектов полупроводниковых ключей, что ведет к неэффективному решению.
Путем решения поставленной задачи является введение разрыва электрической цепи в кольцевой обмотке трансформатора с вращающимся полем - что позволяет исключить протекание паразитных круговых токов и реализовать включение обмоток звездой. На фигуре 3 изображены три кольцевых обмотки трансформатора с вращающимся полем, имеющие разрыв в цепи - оснащенный отводами. Кольцевые обмотки имеют по шесть условных секций (три секции на один полюс), включенных последовательно и соответствующих трехфазному напряжению. Каждая кольцевая обмотка сдвинута на одну секцию относительно остальных - что обеспечивает формирование фазового сдвига. Однако главной особенностью кольцевых обмоток в трансформаторах с вращающимся полем является полная магнитная и электрическая симметрия, и равенство нулю суммы напряжений всех витков известной из уровня техники кольцевой обмотки.
Это очевидно из рассмотрения фигуры 3, где показана полярность возникающих напряжений в секциях обмотки. Поскольку северный и южный полюс магнитной системы трансформатора с вращающимся полем симметричны, то число секций с положительным напряжением - равно числу секций с отрицательным напряжением, а сумма напряжений всех секций равна нулю. Для устранения взаимной компенсации секций кольцевой обмотки необходимо последовательно-встречное включение половин обмотки, позволяющее изменить знак одного из суммируемых напряжений - и получить переменное выходное напряжение. Такое включение представлено на фигуре 4, где изображены две кольцевых обмотки - с согласно-последовательным (известным из уровня техники) включением секций и равной нулю суммой напряжений, и обмотка с встречно-последовательным включением секций. Полярность наводимых напряжений отдельных витков упомянутой обмотки с встречно-последовательным включением секций будет идентичной согласно-встречному включению, однако за счет встречного включения двух половин обмотки происходит изменение знака суммируемых напряжений и формируется удвоенное значение выходного напряжения, относительно известной кольцевой обмотки с согласным включением секций. На фигуре 4 показана полярность напряжений для случая, когда положение магнитных полюсов будет совпадать со сдвигом кольцевой обмотки. Очевидно, что наведенные напряжения всех секций обмотки с встречно-последовательным включением будут суммироваться друг с другом, что означает более эффективное использование числа витков обмотки.
На фигуре 5 изображена схема соединений для трех разомкнутых кольцевых обмоток трансформатора с вращающимся полем, имеющих симметричный взаимный пространственный сдвиг. Амплитудные значения напряжений на отводах всех трех обмоток будут совпадать, однако из-за взаимного смещения фазы напряжений будет иметь сдвиг на 120 электрических градусов. Таким образом, представленные разомкнутые кольцевые обмотки с встречно-последовательным соединением эквивалентны трем обмоткам обычного трехфазного трансформатора.
Для формирования многофазной обмотки остается включить упомянутые выше три разомкнутых кольцевых обмотки с встречно-последовательным соединением секций, в трехфазную звезду - как представлено на фигуре 6. Таким образом, поставленная задача решена -разрывом электрической цепи исключено протекание паразитных круговых токов в обмотках, встречным включением секций сформирована система однофазных напряжений имеющих взаимный симметричный сдвиг, объединением кольцевых обмоток в звезду образована многофазная система напряжений - для коммутации которой в статическом преобразователе требуется в два раза меньше комплектов полупроводниковых ключей.
Представленное решение является простым и потому промышленно применимым - позволяя достичь улучшения ряда технических характеристик. Уменьшение числа отводов однозначно снижает стоимость и повышает надежность полупроводникового коммутатора в статических преобразователях на основе трансформатора с вращающимся полем. Это особенно актуально в преобразователях на большую мощность - поскольку позволяет реализовать большое число фаз системы с меньшим числом соединений в силовых цепях, выполняемых кабелем большого сечения.
По разным оценкам, в известных из уровня техники кольцевых обмотках возможно протекание паразитных токов, составляющих до 10% от номинального значения обмотки - что ведет к потерям и нагреву трансформатора. Предлагаемое введение разрыва цепи кольцевых обмоток исключает возможность протекания таких токов.
В предлагаемом решении требуется введение трех кольцевых обмоток вместо одной - что, однако, не ведет к явному ухудшению массы и габаритов трансформатора по причине более эффективного использования числа витков обмоток, и их последовательного включения при работе в составе многофазной обмотки, включенной по схеме звезды.
Предлагаемое техническое решение является новым, имеющим следующие принципиальные отличия от прототипа:
- каждая кольцевая обмотка имеет разрыв электрической цепи, снабженный отводами, что обеспечивает устранение паразитных круговых токов обмотки;
- половины каждой кольцевой обмотки включены встречно-последовательно, что обеспечивает суммирование их напряжений и повышение эффективности использования числа витков;
- кольцевые обмотки имеют симметричный сдвиг между собой, что обеспечивает фазовый сдвиг их напряжений;
- разомкнутые кольцевые обмотки включаются в многофазную звезду, что дает дополнительную экономию числа витков за счет последовательного протекания тока через обмотки.
Таким образом, совокупность существенных признаков полезной модели приводит к новому техническому результату - исключению возникновения паразитных круговых токов, увеличению эффективности использования витков обмотки и снижению числа отводов - и соответственно, требуемого числа полупроводниковых ключей в статических преобразователях на основе трансформатора с вращающимся полем.
Краткое описание чертежей.
На фигуре 1 изображено схематичное изображение трансформатора с вращающимся полем. Здесь 1 - магнитопровод, 2 - трехфазная обмотка, 3 - кольцевая обмотка. На фигуре 2 изображена схема статического преобразователя на основе трансформатора с вращающимся полем. Здесь 4 - трансформатор с вращающимся полем, 5 - коммутатор отводов кольцевой обмотки. На фигуре 3 изображена диаграмма распределения напряжений в трех кольцевых обмотках трансформатора с вращающимся полем. Здесь 7 - разомкнутая кольцевая обмотка. На фигуре 4 изображена диаграмма распределения напряжений в обмотках трансформатора с вращающимся полем при различных вариантах включениях. Здесь 7 - разомкнутая кольцевая обмотка, 6 - разомкнутая кольцевая обмотка со встречным включением секций. На фигуре 5 изображена схема соединений секций разомкнутых кольцевых обмоток со встречным включением секций. Здесь 6 - разомкнутая кольцевая обмотка со встречным включением секций. На фигуре 6 изображена схема многофазного трансформатора с вращающимся полем. Здесь 2 - трехфазная обмотка, 6 - разомкнутая кольцевая обмотка со встречным включением секций.