ТРЕХФАЗНО-ДВУХФАЗНЫЙ ВРАЩАЮЩИЙСЯ ТРАСНФОРМАТОР
THREE-PHASE TWO-PHASE ROTATING TRANSFORMER

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение, в общем, относится к области трансформаторов. В частности, изобретение относится к трехфазно-двухфазному трансформатору.
В некоторых ситуациях может быть необходимо переносить энергию сбалансированным образом от трехфазного источника к двухфазному источнику. Уже существуют трехфазно-двухфазные статические трансформаторы, в частности один известен как схема соединения Скотта, а другой известен как схема соединения Леблана. Тем не менее, трехфазно-двухфазный вращающийся трансформатор не существует.
Для выполнения этой функции одно решение состоит в использовании трехфазно-двухфазного статического трансформатора и двух однофазных вращающихся трансформаторов. Другое решение состоит в использовании трех однофазных вращающихся трансформаторов с использованием соединения Леблана.
Тем не менее, оба этих решения требуют больших весов и объемов. Более того, в первом решении имеются проблемы остаточного намагничивания и выбросов тока при включении.
Существует потребность в улучшенном решении, позволяющем переносить энергию сбалансированным образом от трехфазного источника к двухфазному источнику.
ЗАДАЧА И СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение предлагает трехфазно-двухфазный вращающийся трансформатор, содержащий трехфазную секцию и двухфазную секцию, которые являются подвижными во вращении относительно друг друга вокруг оси А;
- трехфазная секция содержит первый корпус, выполненный из ферромагнитного материала, и трехфазные катушки, двухфазная секция содержит второй корпус, выполненный из ферромагнитного материала, и двухфазные катушки;
- второй корпус определяет первый кольцевой паз с осью А и второй кольцевой паз с осью А, причем первый паз определен первым боковым участком, центральным участком и кольцом, второй паз определен центральным участком и вторым боковым участком и кольцом; и
- двухфазные катушки содержат первую тороидальную катушку с осью А в первом пазу, вторую тороидальную катушку с осью А в первом пазу, третью тороидальную катушку с осью А во втором пазу и четвертую тороидальную катушку с осью А во втором пазу, первая катушка и вторая катушка соединены последовательно, вторая катушка и третья катушка соединены последовательно;
- причем при заданных направлениях намотки и направлениях соединения катушек ток, протекающий в первой катушке и четвертой катушке, соответствует, для первой катушки, первому магнитному потенциалу и, для четвертой катушки, второму магнитному потенциалу, противоположному первому магнитному потенциалу, и ток, протекающий во второй катушке и в третьей катушке, соответствует, для второй катушки, третьему магнитному потенциалу и, для третьей катушки, четвертому магнитному потенциалу, противоположному второму магнитному потенциалу.
Таким образом, трехфазно-двухфазное преобразование и переход между двумя системами отсчета, одна из которых поворачивается относительно другой, выполняются оба в том же самом трехфазно-двухфазном вращающемся трансформаторе. Такой трансформатор представляет ограниченный вес и объем.
a
b
a
b
Предпочтительным образом, первая катушка и третья катушка, каждая, представляет число nвитков, и вторая катушка и четвертая катушка, каждая, представляет число nвитков, причем n=(2+√3)n.
При таких обстоятельствах трансформатор способен выполнять сбалансированный трехфазно-двухфазный перенос.
В варианте осуществления трехфазная секция окружает двухфазную секцию вокруг оси А, или наоборот. Это соответствует выполнению трансформатора, который упоминается как выполненный в U-образной форме.
Трехфазная секция и двухфазная секция могут быть расположены одна рядом с другой в направлении оси А. Это соответствует выполнению трансформатора, который упоминается как выполненный в «Е-образной форме» или «горшкообразной форме».
В варианте осуществления первый и второй корпуса, выполненные из ферромагнитного материала, полностью окружают трехфазные и двухфазные катушки. При таких обстоятельствах трансформатор магнитно экранирован.
В варианте осуществления первый корпус определяет третий кольцевой паз с осью А и четвертый кольцевой паз с осью А, причем третий кольцевой паз определен третьим боковым участком, вторым центральным участком и вторым кольцом, четвертый паз определен вторым центральным участком, четвертым боковым участком и вторым кольцом;
- трехфазные катушки содержат пятую тороидальную катушку с осью А в третьем пазу, шестую тороидальную катушку с осью А в третьем пазу, седьмую тороидальную катушку с осью А в четвертом пазу и восьмую тороидальную катушку с осью А в четвертом пазу, причем шестая катушка и седьмая катушка соединены последовательно.
При таких обстоятельствах трехфазная секция представляет топологию, которая вносит вклад в ограничение объема и веса трансформатора. Кроме того, трансформатор может быть выполнен с использованием только тороидальных катушек и поэтому не требует катушек, которые являются более сложными по форме.
В варианте осуществления двухфазная секция дополнительно содержит, по меньшей мере, один набор трехфазных катушек. Известным способом, трансформатор может иметь множество вторичных обмоток. В этом примере использование сбалансированной двухфазной вторичной обмотки и, по меньшей мере, одной трехфазной вторичной обмотки обеспечивает возможность выполнения сбалансированного переноса к произвольному количеству источников.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Другие характеристики и преимущества настоящего изобретения вытекают из последующего описания со ссылкой на иллюстрирующие чертежи, которые иллюстрируют реализации, не имеющие ограничительного характера, которые показывают следующее:
Фиг. 1 - вид в сечении магнитно экранированного трехфазно-двухфазного вращающегося трансформатора с вынужденными связанными потоками в первом варианте осуществления изобретения;
Фиг. 2 - покомпонентный вид в перспективе магнитной цепи трансформатора по фиг. 1;
Фиг. 3А-3Е - схемы электрических цепей, показывающие множество вариантов для соединения катушек трансформатора по Фиг. 1;
Фиг. 4А-4С показывают соответствующие детали фиг. 1 в различных вариантах позиционирования для катушек;
Фиг. 5 - вид в сечении магнитно экранированного трехфазно-двухфазного вращающегося трансформатора с вынужденными связанными потоками во втором варианте осуществления изобретения; и
Фиг. 6 - покомпонентный вид в перспективе магнитной цепи трансформатора по фиг. 5.
ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
На фиг. 1 показан вид в сечении вращающегося трансформатора 10 в первом варианте осуществления изобретения. Трансформатор 10 является магнитно экранированным трехфазно-двухфазным вращающимся трансформатором с вынужденными связанными потоками.
Трансформатор 10 содержит трехфазную секцию 11 и двухфазную секцию 12, которые пригодны для вращения относительно друг друга вокруг оси А. В качестве примера, секция 11 является статором, а секция 12 - ротором, или наоборот. В одном варианте, секция 11 и секция 12 выполнены подвижными во вращении относительно неподвижной системы отсчета (не показана).
Секция 12 содержит кольцо 13 с осью А и три участка 14, 15 и 16, выполненные из ферромагнитного материала. Каждый из участков 14, 15 и 16 продолжается радиально в сторону от оси А, начинаясь от кольца 13. Участок 14 находится у одного торца кольца 13, участок 16 находится у другого торца кольца 13, и участок 15 находится между участками 14 и 16. Кольцо 13 и участки 14 и 15 определяют кольцевой паз 34, который открыт в направлении радиально наружу. Кольцо 13 и участки 15 и 16 определяют кольцевой паз 35, который открыт в направлении радиально наружу. В общем, кольцо 13 и участки 14, 15 и 16 формируют корпус из ферромагнитного материала, определяющий два кольцевых паза 34 и 35, которые открыты в направлении радиально наружу.
Секция 11 содержит кольцо 17 с осью А и три участка 18, 19 и 20, выполненные из ферромагнитного материала. Кольцо 17 окружает кольцо 13. Каждый из участков 18, 19 и 20 проходит радиально в направлении оси А, начинаясь от кольца 17. Участок 18 находится у одного торца кольца 17, участок 20 находится у другого торца кольца 17, и участок 19 расположен между участками 18 и 20. Кольцо 17 и участки 18 и 19 определяют кольцевой паз 22, который открыт в направлении радиально внутрь. Кольцо 17 и участки 19 и 20 определяют кольцевой паз 23, который открыт в направлении радиально внутрь. В общем, кольцо 17 и участки 18, 19 и 20 формируют корпус из ферромагнитного материала, определяющий два кольцевых паза 22 и 23, которые открыты в направлении радиально внутрь.
Участки 14 и 18, 15 и 19, а также 16 и 20 обращены друг к другу так, чтобы определять воздушный зазор 21, тем самым формируя стойки трансформатора 10.
Кольца 13 и 17 вместе с участками 14-16 и 18-20 формируют магнитную цепь трансформатора 10. Трансформатор 10 является, таким образом, трехстоечным трансформатором. Более конкретно, магнитная цепь трансформатора 10 имеет первую стойку (соответствует участкам 14 и 18), вторую стойку (соответствует участкам 15 и 19) и третью стойку (соответствует участкам 16 и 20). Фиг. 2 является покомпонентным видом в перспективе, показывающим магнитную цепь трансформатора по фиг. 10.
p
s
Еще раз со ссылкой на фиг. 1, трехфазная секция 11 содержит катушки 24, 25, 26 и 27, и двухфазная секция 12 содержит катушки 28, 29, 30 и 31. Ниже индексы  и  используются со ссылкой на конфигурацию, на которой катушки 24-27 являются первичными катушками трансформатора 10, и катушки 28-31 являются вторичными катушками трансформатора 10. Тем не менее, первичные и вторичные обмотки могут, естественно, быть инвертированы относительно описанного примера.
p
p
p
1
Катушка 24 является тороидальной катушкой с осью А, соответствующей фазе U трансформатора 10. Она расположена в пазу 22. Катушка 25 является тороидальной катушкой с осью А и расположена в пазу 22. Катушка 26 является тороидальной катушкой с осью А и расположена в пазу 23, причем она соединена последовательно с катушкой 25. Катушки 25 и 26 соответствуют фазе V трансформатора 10. Наконец, катушка 27 является тороидальной катушкой с осью А, соответствующей фазе W трансформатора 10. Она расположена в пазу 23. Каждая из катушек 24-27 представляет nвитков.
Термин «тороидальная катушка с осью А» используется, чтобы обозначать катушку, имеющую витки, намотанные вокруг оси А. Здесь термин «тороидальная» используется не в ограничительном смысле, ссылающемся на твердое тело, образующееся вращением круга относительно оси. Напротив, как в показанном примере, сечение тороидальной катушки может быть, в частности, прямоугольным.
1
2
Катушка 28 является тороидальной катушкой с осью А и расположена в пазу 24. Катушка 29 является тороидальной катушкой с осью А и расположена в пазу 34. Катушка 30 является тороидальной катушкой с осью А и расположена в пазу 35. Наконец, катушка 31 является тороидальной катушкой с осью А и расположена в пазу 35. Катушка 28 и катушка 30 соединены последовательно и соответствуют фазе V двухфазной секции 12. Соответствующим образом, катушка 29 и катушка 31 соединены последовательно и соответствуют фазе V двухфазной секции 12.
Катушки 24, 25, 28 и 29 окружают магнитный сердечник 32, расположенный в кольце 13. Термин «магнитный сердечник» используется для обозначения секции магнитной цепи, в которой катушкой в основном создается поток того же самого направления. Электрические токи, протекающие в катушках 24 и 25, таким образом, соответствуют магнитным потенциалам в магнитном сердечнике 32. Соответствующим образом, катушки 26, 27, 30 и 31 окружают магнитный сердечник 33, расположенный в кольце 13. Электрические токи, протекающие в катушках 26 и 27, таким образом, соответствуют магнитным потенциалам в магнитном сердечнике 33.
Со ссылкой на фиг. 3А, далее следует пояснение работы трансформатора 10. Ниже и на фиг. 3 используется следующая запись:
p
p
р
- А, Bи С являются входными точками трехфазных катушек трансформатора 10. Фазы U, V и W на фиг. 1 соответствуют фазам А, В и С, соответственно, на фиг. 3А, но возможны и все другие типы соответствия.
ap
bp
cp
p
p
p
-I, I и I являются соответствующими входящими токами в точках А, В и С;
ap
- V является напряжением фазы А трехфазной секции 11;
ap
bp
cp
- О, О и О являются точками соединения, обеспечивающими возможные электрические связи, идентичные всем типам статического трехфазного трансформатора (звезда-звезда, звезда-треугольник, треугольник-треугольник, треугольник-звезда, зигзаг);
- черные точки показывают соотношение между током, протекающим в катушке, и направлением соответствующего магнитного потенциала: если точка находится слева от катушки, то катушка намотана в таком направлении, что создаваемый магнитный потенциал имеет то же направление, что и входящий ток (намотка по часовой стрелке). Ели точка находится справа от катушки, то направление намотки вызывает магнитный потенциал, который создается так, чтобы быть в противоположном направлении относительно входящего тока (намотка в направлении против часовой стрелки);
ap
bp
cp
- Pa, -Pb, Pb и Pc являются магнитными потенциалами, так что сердечники 32 и 33 соответствуют токами I, I и I соответственно;
а
- n является числом витков катушек 29 и 30;
b
- n является числом витков катушек 28 и 31;
t
a
b
1
2
- n=n+n является общим числом витков каждой фазы V и V;
s1
s2
1
2
- I, I являются соответствующими токами в фазах V и Vдвухфазной секции 12;
s1
s2
1
2
- V, V являются соответствующими напряжениями в фазах V и Vдвухфазной секции 12.
bp
При условии направлений намоток и последовательного соединения катушек 25 и 26, показанных на фиг. 3А, ток I соответствует, в сердечнике 32, магнитному потенциалу -Pb в направлении, противоположном магнитному потенциалу Ра, и в сердечнике 33, магнитному потенциалу Pb в направлении, противоположном магнитному потенциалу Рс.
Фиг. 3В-3Е являются схемами, сходными с показанной на фиг. 3А, на которой показана только трехфазная первичная обмотка, причем они показывают варианты последовательных соединений и направления обмоток, которые позволяют получить тот же эффект.
Таким образом, трансформатор 10 делает возможным генерировать магнитные потенциалы Pa, Pb и Pс, которые равны по модулю и противоположны по направлению на каждом магнитном сердечнике 32 и 33 и которые симметричны относительно оси симметрии В между двумя магнитными сердечниками.
Магнитная связь, выполняемая магнитной цепью с топологиями обмоток по фиг. 3А-3Е, позволяет иметь тот же коэффициент связи 3/2 на магнитных потоках, созданных как на статическом трехфазном трансформаторе с вынужденными потоками относительно однофазного трансформатора. Для того чтобы иметь наилучший коэффициент связи, необходимо, чтобы магнитное сопротивление каждой из магнитных стоек, главным образом ввиду воздушного зазора, было одинаковым. Более конкретно, как в статическом трехфазном трансформаторе с вынужденными потоками, необходимо создавать эквивалентные магнитные сопротивления в каждой из стоек, которые выше, чем магнитные сопротивления магнитного материала. Во вращающемся трансформаторе это достигается естественным образом за счет воздушного зазора.
Фазы трехфазной секции 11 трансформатора 10 могут быть сбалансированы по индуктивности и по сопротивлению.
1
1
Более конкретно, индуктивность фазы, образованной катушками 25 и 26, которая имеет всего 2*nвитков, тем не менее равна индуктивностям других фаз, имеющих nвитков, поскольку геометрия магнитной цепи служит для компенсации половины потока в каждой половине катушки. Более конкретно, катушка 25 имеет то же самое число витков, что и катушка 24, и воспринимает ту же магнитную цепь, и то же самое применимо для катушки 26 и катушки 27. Однако катушки 24 и 27 симметричны с тем же самым количеством витков, и их индуктивности поэтому равны. Катушка 25 намотана в противоположном направлении к катушке 26 и поэтому половина ее потока скомпенсирована ввиду параллельного соединения центральной стойки (образованной участками 15 и 19), и то же самое применимо для катушки 26. Общая индуктивность катушек 25 и 26, таким образом, равна общей индуктивности катушек 24 и 27.
1
1
Сопротивления могут быть сбалансированы путем выбора сечений проводников катушек соответствующим образом. Сечения фаз U и W, имеющих nвитков, равны, в то время как сечение фазы V, которая имеет 2*nвитков, соответствует удвоенной величине предыдущих сечений. Более конкретно, для того чтобы сохранить сбалансированные сопротивления в фазах, фаза, которая в два раза длиннее, должна также иметь удвоенную площадь сечения, чтобы скомпенсировать ее большую длину.
a
b
1
2
t
На двухфазной стороне, чтобы обеспечить надлежащую связь потоков, необходимо, чтобы ампер-витки (магнитный потенциал) каждой из двух катушек в данной фазе, распределенные по каждому из магнитных сердечников 32 и 33, были в противоположных направлениях. Различные конфигурации направления тока и направления намотки позволяют удовлетворить это условие. Для отношения n=(2+√3)n, напряжения в двухфазной секции 12 имеют те же значения, и они находятся в квадратуре. Каждая фаза V и V обладает тем же самым числом nвитков катушки, и поэтому она симметрична относительно магнитной цепи. Сопротивления и самоиндукции и взаимные индукции каждой фазы, таким образом, сбалансированы. Аналогичным образом, за счет геометрии, индуктивности рассеяния также сбалансированы.
a
b
Иными словами, отношение n=(2+√3)n позволяет передавать энергию и/или сигналы из трехфазного источника к двухфазному источнику сбалансированным образом.
Если вышеуказанное условие относительно направления ампер-витков соблюдено, то конфигурация трансформатора 10 не действует на квадратуру (взаимный фазовый сдвиг ±π/2) между напряжениями и токами на двухфазной стороне, а только на разность фаз между трехфазной секцией 11 и двухфазной секцией 12.
Отношение токов задано посредством:
Отношение напряжений задано посредством:
Трансформатор, таким образом, служит для переноса энергии и/или сигналов сбалансированным образом между трехфазным источником и двухфазным источником, которые вращаются относительно друг друга, не требуя схемы, содержащей множество статических и вращающихся трансформаторов.
Трансформатор 10 также представляет другие преимущества. В частности, можно видеть, что магнитная цепь полностью окружает катушки 24-31. Таким образом, трансформатор 10 является магнитно экранированным. Кроме того, катушки 24-31 являются тороидальными катушками с осью А. Поэтому трансформатор 10 не требует катушек, которые более сложны по форме. Наконец, трансформатор 10 представляет сниженный вес и объем.
Расположения катушек 24-31, показанные на фиг. 1, образуют один пример, и могут подходить также другие расположения. Фиг. 4А-4С, которые соответствуют детали IV на фиг. 1, показывают соответствующие различные возможности для позиционирования катушек 24-31.
На фиг. 4А, в пазу 22 или 23, трехфазные катушки являются соседними друг с другом в осевом направлении, и они намотаны в противоположных направлениях. Двухфазные катушки также являются соседними друг с другом в осевом направлении, и они намотаны в противоположных направлениях.
На фиг. 6В, в пазу 22 или 23, трехфазные катушки намотаны вокруг друг друга относительно оси А, и они намотаны в противоположных направлениях. Двухфазные катушки намотаны одна вокруг другой относительно оси А, и они намотаны в том же самом направлении.
На фиг. 6С, в пазу 22 или 23, трехфазные катушки являются соседними друг с другом в осевом направлении, и они намотаны в том же самом направлении. Двухфазные катушки также являются соседними друг с другом в осевом направлении, и они намотаны в том же самом направлении.
В варианте, который не показан, катушки в пазу 22 или 23 смешаны.
Кроме того, позиционирование трехфазных катушек на любой из фиг. 4А-4С может объединяться с позиционированием двухфазных катушек на каждой из фиг. 4А-4С.
На фиг. 5 показан трансформатор 110 во втором варианте осуществления изобретения. Трансформатор 110 может рассматриваться как вариант «Е-формы» или «горшкообразной формы» трансформатора 10 «U-образной формы» по фиг. 1. Поэтому те же самые ссылочные позиции использованы как на фиг. 5, так и на фиг. 1, без риска перепутывания, и детальное описание трансформатора 110 опущено. Только следует упомянуть, что, как можно видеть на фиг. 6, которая представляет покомпонентный вид в перспективе магнитной цепи трансформатора 110, ссылочные позиции 13 и 17 соответствуют двум аксиально разнесенным кольцам, участки 14-16 и 18-20 продолжаются аксиально между двумя кольцами 13 и 17, и магнитные сердечники в этом примере размещены в стойках.
Как это известно в области трансформаторов, трансформатор может иметь множество вторичных обмоток. Таким образом, в одном варианте осуществления (не показан), трансформатор содержит трехфазную секцию на его первичной стороне, а на вторичной стороне - секцию, которая представляет ту же самую магнитную структуру, как секция 12 трансформатора 10, по меньшей мере, один набор трехфазных катушек (например, соединенных по тому же самому принципу, что и катушки 24-27) и набор двухфазных катушек, подобно трансформатору 10. Трехфазные и двухфазные катушки вторичной стороны должны находиться в тех же пазах 34 и 35.
Это делает возможным сбалансированным образом питать произвольное количество нагрузок от трехфазного источника. Например, чтобы питать одиннадцать нагрузок, можно использовать три трехфазные вторичные обмотки и одну двухфазную вторичную обмотку (11=3*3+2).
Как пояснено выше, топология трехфазной секции 11 позволяет воспроизводить потоки трехстоечного статического трансформатора с вынужденными связанными потоками. Таким образом, в одном варианте трехфазная секция трансформатора может представлять топологию, которая отличается от показанной, но, тем не менее, позволяет воспроизводить те же потоки.