ДЕВЯТИФАЗНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧИСЛА ФАЗ
NINE-PHASE CONVERTER

Предлагаемое изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при создании выпрямителей для регулируемых электроприводов постоянного и переменного 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.
Известны преобразователи трехфазного переменного напряжения в постоянное с 18 кратной частотой пульсаций выпрямленного напряжения (см., например, Федосеев П.Г. «Выпрямители и стабилизаторы» М.: Искусство, 1960, с.127-128; RU №33276, МПК 7 Н02М 7/08, 2003).
Недостатком известных преобразователей является сложная схема трансформатора, обусловленная необходимостью получения соответствующего сдвига вторичных фазных напряжений.
Из уровня техники известен также многофазный преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащий трехфазный трансформатор с первичной и двумя группами вторичных обмоток, соединенных между собой по схеме шестифазной звезды с нулевой точкой, и вентильные элементы, подключенные к фазам вторичных обмоток, причем к одной из них вентильные элементы подключены по нулевой схеме. Трансформатор снабжен дополнительной группой вторичных обмоток. В одном варианте они так же соединены звездой и каждая фазная обмотка одной группы вторичных обмоток через вентильные элементы соединена с разноименными фазами дополнительной вторичной обмотки, а между нулевыми точками соединения основных вторичных обмоток и дополнительной включена нагрузка. Во втором варианте дополнительная группа вторичных обмоток состоит из шести одинаковых фазных обмоток, по две в каждой фазе, причем каждый из зажимов основной группы вторичных обмоток соединен непосредственно с разноименными зажимами двух фазных вторичных обмоток дополнительной группы, при этом свободные зажимы всех групп вторичных обмоток подключены к входу девятифазной мостовой схемы, к выходу которой подключена нагрузка. При этом в обоих вариантах отношение витков фазной обмотки группы, связанной с дополнительной фазной обмоткой, к виткам фазной обмотки двух других групп равно 2 (Патент RU №2286644 С1).
Недостатком этого устройства является большее число вторичных обмоток, что значительно усложняет конструкцию преобразователя, технологию его изготовления и приводит к перерасходу материалов.
Наиболее близким решением из уровня техники к предлагаемому, принятым за прототип, является девятифазный преобразователь числа фаз, используемый для получения постоянного напряжения с 18-кратной частотой пульсации, состоящий из трех однофазных трансформаторов, содержащих каждый по одной первичной обмотке и по пять вторичных обмоток. Таким образом, прототип требует для своей реализации трехфазную сеть, три однофазных трансформатора, первичные обмотки которых подключены к трехфазной сети по одной из схем «звезда» или «треугольник» и содержащих по пять вторичных обмоток каждый, создающих девять выходов девятифазной системы напряжений (Варфоломеев Г.Н. и др. «Восемнадцатипульсный выпрямитель на основе трехфазных мостов Ларионова»: Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока: Научный журнал №2, 2006 г.).
Недостатком известного из уровня техники устройства является тот факт, что групповой трехфазный трансформатор уступает трехфазному трехстержневому трансформатору по своим весогабаритным показателям, а также преобразователь имеет большее число вторичных обмоток, что значительно усложняет конструкцию преобразователя, технологию его изготовления и приводит к перерасходу материалов.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание такой архитектуры преобразователя, которая позволяет сократить расход активных материалов при замене трехфазного группового трансформатора трехстержневым, что в итоге позволяет улучшить весогабаритные показатели преобразователя, упростить конструкцию преобразователя и технологию его изготовления.
Поставленный технический результат достигается за счет того, что в девятифазном преобразователе числа фаз, представляющем собой трехфазный трансформатор, состоящий из трех катушек первичной обмотки и девяти катушек вторичной обмотки с выходами девятифазного напряжения, согласно изобретению катушки вторичной обмотки выполнены в двух вариантах - шесть катушек в виде основных по две на каждом стержне трансформатора и три - в виде добавочных по одной на каждом стержне трансформатора, при этом основные катушки выполнены с отпайками, делящими число витков каждой из катушек в отношении (1-0,5/Cos40°)/(0,5/Cos40°) от начала катушки и соединены между собой узлами в один контур в виде «шестиугольника» таким образом, что напряжения между узлами образуют шестифазную систему напряжений, а каждая дополнительная катушка одним из ее выводов подсоединена к узлу контура «шестиугольника», не связанному с основными вторичными обмотками той фазы, на стержне которой находится дополнительная обмотка, а другой вывод дополнительной обмотки совместно с шестью отпайками от катушек основных вторичных обмоток представляет собой один из выходов девятифазной системы напряжений преобразователя.
Предлагаемое изобретение поясняется графическими материалами, где на фиг.1 представлена схема девятифазного преобразователя числа фаз, на фиг.2 - векторная диаграмма потенциалов на вторичных обмотках.
Девятифазный преобразователь числа фаз состоит из трехфазного трансформатора, имеющего три катушки первичной обмотки: катушка 1 первичной обмотки, катушка 2 первичной обмотки и катушка 3 первичной обмотки, которые соединены по схеме «звезда» (или «треугольник») и подключены к трехфазной сети, шесть соединенных между собой катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 основных вторичных обмоток, имеющих отпайки 10, 11, 12, 13, 14, 15 от витков, и три катушки 16, 17, 18 добавочной вторичной обмотки. При этом начало катушки 4 вторичной обмотки соединено с началом катушки 8 вторичной обмотки, конец катушки 8 - с концом катушки 6 вторичной обмотки, начало катушки 6 - с началом катушки 5 вторичной обмотки, конец катушки 5 - с концом катушки 9 вторичной обмотки, начало катушки 9 - с началом катушки 7 вторичной обмотки, конец катушки 7 - с концом катушки 4, замыкая контур катушек вторичных обмоток. Каждая катушка основных вторичных обмоток трансформатора является стороной «шестиугольника».
9
9
9
6
6
При этом основные катушки выполнены с отпайками, делящими число витков каждой из катушек в отношении (1-0,5/Cos40°)/(0,5/Cos40°) от начала катушки и соединены между собой узлами в один контур в виде «шестиугольника». Определим теперь положение отпаек от витков основных вторичных обмоток. Для этого воспользуемся векторной диаграммой (фиг.2), приняв число витков катушки пропорциональным длине соответствующего вектора. Анализ проведем на примере катушки 5. Примем напряжение шестифазного многоугольника за единицу. Тогда число витков от начала обмотки до отвода может быть представлено отрезком (0,5-11F), где 11F - катет прямоугольного треугольника 0-F-11, противолежащий углу 10°:11-F=USin10°, где U - фазное напряжение девятифазной системы: U=U (Cos30°/Cos10°), U - напряжение на зажимах катушки основной вторичной обмотки.
16
17
18
2
2
л
ф
Геометрический анализ векторной диаграммы дает следующее число витков дополнительных вторичных обмоток: W=W=W=0,121W. Здесь W - число витков одной катушки главной вторичной обмотки. Отношение величины линейного напряжения девятифазной системы U к фазному U равно отношению длин векторов F-13 и 0-15.
л
ф
л
л
ф
ф
л
ф
л
ф
ф
Величина токов, протекающих по катушкам основных вторичных обмоток 4, 5, 6, 7, 8, 9, равна линейному току I при симметричной девятифазной нагрузке, соединенной по схеме «звезда», а величина токов, протекающих по катушкам дополнительных вторичных обмоток 16, 17, 18, равна фазному току I симметричной девятифазной нагрузки. Соотношение между величинами этих токов определим из равенства полных мощностей: UI=UI, I=U/UI=1,462 I.
Таким образом, заявленная архитектура позволяет сократить расход активных материалов при замене трехфазного группового трансформатора трехстержневым, что в итоге позволяет улучшить весогабаритные показатели преобразователя, упростить конструкцию преобразователя и технологию его изготовления.
Анализ заявленного технического решения на соответствие 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 соединении 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.