ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧИСЛА ФАЗ

Заявляемая полезная модель относится к электротехнике, в основном к силовой преобразовательной технике, и может быть использована для преобразования переменного трехфазного напряжения в переменное многофазное с последующим преобразованием в постоянное напряжение, например, в технологических установках для получения алюминия, электротранспорте, вставках постоянного тока на линиях электропередач.
Известен многофазный управляемый выпрямитель (пат. РФ №2189688 H02M 7/12, H02M 7/155, 20.09.2002), содержащий силовой трансформатор, вторичные обмотки которого подключены к вводам переменного тока основного выпрямительного блока на неуправляемых вентилях, последовательно с каждым из которых включена рабочая обмотка дросселя насыщения, обмотки подмагничивания дросселей насыщения соединены последовательно и подключены через индуктивное сопротивление к регулируемому источнику тока, при этом многофазный управляемый выпрямитель снабжен дополнительным выпрямительным блоком на неуправляемых вентилях, а каждый дроссель насыщения снабжен дополнительной обмоткой, причем дополнительные обмотки дросселей насыщения каждой фазы основного выпрямительного блока на неуправляемых вентилях соединены встречно параллельно и подключены к вводам переменного тока дополнительного выпрямительного блока на неуправляемых вентилях, а его выводы постоянного тока подключены параллельно выходу основного выпрямительного блока на неуправляемых вентилях, кроме того, дополнительные обмотки дросселей насыщения соединены в звезду или в треугольник.
Недостатками этого устройства являются дороговизна и громоздкость конструкции вследствие использования дросселей насыщения для регулирования выходного напряжения преобразователя, а также связанное с ними более сложное и ограниченное по диапазону напряжений регулирование. Использование в одном выпрямительном агрегате двух параллельно соединенных выпрямителей также усложняет конфигурацию установки.
Известен многофазный мостовой преобразователь переменного тока в постоянный (пат. РФ №2387070 H02M 7/10, 20.04.2010), содержащий преобразовательную структуру, включающую шестифазный вентильный мост и трехфазный трансформатор, вторичные фазные обмотки которого соединены по схеме, образующей источник несимметричной шестифазной системы напряжений, два значения которых чередуются по величине от фазы к фазе через угол 60 эл. град, а фазные выводы источника подключены к входам переменного тока шестифазного вентильного моста, при этом он снабжен дополнительными преобразовательными структурами, при этом образовано n преобразовательных структур, вторичные фазные обмотки трансформаторов которых соединены по одинаковым схемам, и для всех структур установлено отношение между величинами чередующихся в несимметричных шестифазных системах напряжений смежных фаз, определяемое относительно базовых топологических размеров фазных обмоток (лучей) эквивалентных несимметричных шестифазных звезд.
Недостатками этого устройства являются сложность конструкции из-за использования нескольких трансформаторов с шестифазной вторичной системой напряжений, а также наличие несимметрии в величинах вторичных напряжений.
Известна многофазная преобразовательная подстанция (пат. РФ №31303 H02P 13/06, H01F 29/02, 27.07.2003), содержащая n преобразовательных трансформаторов, каждый из которых имеет сетевую обмотку с вводами, регулировочную обмотку и вентильную обмотку, предназначенную для подсоединения к выпрямителям и состоящую из четного числа частей, половина из которых соединена по схеме "треугольник", а другая половина - по схеме "звезда", при этом числа витков в частях вентильных обмоток с одноименными схемами соединения всех трансформаторов одинаковы, по меньшей мере, в двух трансформаторах сетевая обмотка состоит из двух частей, регулировочная обмотка в этих трансформаторах соединена последовательно с первой частью сетевой обмотки, и последовательно соединенные обмотки фаз регулировочной обмотки и первой части сетевой обмотки соединены по схеме "треугольник", каждая из обмоток фаз второй части сетевой обмотки одним своим концом подсоединена к одной из вершин "треугольника", а другим концом - к одному из вводов сетевой обмотки, в каждом трансформаторе обмотки расположены концентрически в последовательности от оси обмоток, регулировочная, сетевая, вентильная.
Недостатками этого устройства являются сложность и громоздкость конструкции, связанные с использованием для получения многофазной системы напряжений нескольких силовых трансформаторов с большим количеством вторичных обмоток, ограниченный диапазон регулирования напряжения, связанный с тем, что регулирование производится путем переключения числа витков обмоток, а также сложность такого регулирования.
Наиболее близким к заявленному устройству по технической сути и достигаемому результату является многофазный преобразователь на базе фазопреобразующего трансформатора (пат. РФ №126232 H02M 7/10, 20.03.2013), содержащий трехстержневой трансформатор, имеющий первичную обмотку, соединенную в звезду либо в треугольник, три вторичные обмотки, разделенные на части и расположенные на разных стержнях трехфазного трансформатора и соединенные между собой с помощью трех вентильных мостов, обеспечивающих сдвиг напряжений на 40 эл. град, при этом обмотки расположены на одном трансформаторе.
Недостатками данного устройства являются ограниченные функциональные возможности, связанные с наличием нерегулируемого выходного напряжения выпрямителя, а также повышенные массогабаритные показатели, связанные с необходимостью для преобразования в многофазную систему напряжений иметь большое количество вторичных обмоток, необходимых для получения соединения в зигзаг. Большое количество обмоток приводит к удорожанию устройства, связанному с большим расходом меди, а также увеличивает массогабаритные показатели.
Задача предлагаемой полезной модели - упрощение конструкции трансформатора, снижение количества обмоток при большом количестве фаз выходного напряжения, уменьшение расхода обмоточных материалов, обеспечение рационального регулирования выходных параметров преобразователя.
Технический результат - повышение регулировочных свойств преобразователя, связанное с возможностью простого регулирования выходных параметров путем управления работой мостовых выпрямителей от блока управления и защиты.
Для простоты и удобства дальнейшее описание предлагаемого преобразователя числа фаз произведено на основе девятифазного трансформаторного преобразователя числа фаз.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается в преобразователе числа фаз, состоящем из трехстержневого трансформатора, имеющего первичную обмотку, соединенную в звезду либо в треугольник, трех вторичных обмоток, согласно полезной модели, первая вторичная обмотка образована четвертой, пятой, шестой катушками, вторая вторичная обмотка образована седьмой, восьмой, девятой катушками, третья вторичная обмотка образована десятой, одиннадцатой, двенадцатой катушками, расположенными на разных стержнях одного трехстержневого трансформатора, вторичные обмотки подключены к управляемому многофазному выпрямителю на базе трехфазных мостовых управляемых выпрямительных мостов, образованных тиристорами, причем первая вторичная обмотка присоединена к первому выпрямительному мосту, образованному тиристорами, вторая вторичная обмотка присоединена к второму выпрямительному мосту, образованному тиристорами, третья вторичная обмотка присоединена к третьему выпрямительному мосту, образованному тиристорами, при этом выводы управляющих электродов тиристоров подключены к блоку управления и защиты, к силовым выводам выпрямителя присоединена активно-индуктивная нагрузка, состоящая из активного и индуктивного сопротивлений.
Преимуществом предлагаемого устройства является более простая конструкция, связанная с меньшим числом вторичных обмоток, по сравнению с прототипом, а также высокие регулировочные свойства, заключающиеся в возможности простого и широкого регулирования выходных параметров преобразователя вследствие использования многофазного управляемого полупроводникового выпрямителя на базе трехфазных выпрямителей вместо неуправляемых выпрямителей, применяемых в прототипе.
Существо полезной модели поясняется чертежами. На фигуре 1 приведена принципиальная схема многофазного трансформатора с выпрямителем для случая преобразования трехфазного напряжения в девятифазное. На фигуре 2 показана векторная диаграмма вторичных напряжений трансформатора для случая преобразования трехфазного напряжения в девятифазное. На фигуре 3 показана осциллограмма выпрямленного напряжения при угле управления 0 градусов без учета реальной коммутации вентилей. На фигуре 4 показана осциллограмма выпрямленного напряжения при угле управления 40 градусов при учете реальной коммутации вентилей. На фигуре 5 приведена осциллограмма потребляемого преобразователем тока при учете реальной коммутации вентилей.
Преобразователь числа фаз состоит из трехстержневого трансформатора, имеющего первичную обмотку 1-3, соединенную в звезду либо в треугольник, трех вторичных обмоток, при этом первая вторичная обмотка образована четвертой 4, пятой 5, шестой 6 катушками, вторая вторичная обмотка образована седьмой 7, восьмой 8, девятой 9 катушками, третья вторичная обмотка образована десятой 10, одиннадцатой 11, двенадцатой 12 катушками, расположенными на разных стержнях одного трехстержневого трансформатора, вторичные обмотки подключены к управляемому многофазному выпрямителю на базе трехфазных мостовых управляемых выпрямительных мостов 13-15, образованных тиристорами 16- 33, причем первая вторичная обмотка присоединена к первому выпрямительному мосту 13, образованному тиристорами 16-21, вторая вторичная обмотка присоединена ко второму выпрямительному мосту 14, образованному тиристорами 22-27, третья вторичная обмотка присоединена к третьему выпрямительному мосту 15, образованному тиристорами 28-33, при этом выводы управляющих электродов тиристоров 16-33 подключены к блоку управления и защиты 34, к силовым выводам выпрямителя присоединена активно-индуктивная нагрузка, состоящая из активного 35 и индуктивного 36 сопротивлений.
Управление работой многофазного выпрямителя обеспечивается блоком управления и защиты 34, в задачи которого входит создание необходимых импульсов управления требуемой амплитуды, частоты и формы, с заданным сдвигом фазы, распределение и подача их к соответствующим выводам управляющих электродов тиристоров 16-33 с обеспечением работы полупроводниковых приборов в необходимые интервалы времени, в том числе с изменением момента отпирания для получения нужного значения угла управления.
В отличие от прототипа, в предлагаемом преобразователе катушки 4, 5, 6 выполнены с отпайками, при этом обеспечивается снижение количества вторичных обмоток за счет использования этих катушек для получения трех фаз каждой вторичной трехфазной системы, таким образом во вторичной девятифазной системе три катушки 4, 5, 6 заменяют девять катушек, что существенно экономит обмоточный материал, упрощает схему конструкцию устройства и снижает его массогабаритные показатели.
21
Положение отпаек для катушек 4, 5, 6 и числа витков катушек 7-12 были рассчитаны по теореме синусов для получения симметричной системы выходных напряжений в соответствии с векторной диаграммой на фигуре 2. Считаем, что точка о соответствует началам катушек. Рассмотрим треугольник oab. Углы oab=120°, aob=40°, следовательно, угол abo=20°. Для получения вектора вторичного напряжения  по теореме синусов была определена относительная длина вектора oa (положение отпайки катушки 4): . Так как вектор oa получается из вектора oc (катушка 4) и длина вектора ob=oc=od=U, то отпайка катушки 4 должна быть расположена в месте 39% числа витков от начала катушки. Относительная длина вектора ab (число витков катушки 10): . То есть число витков катушки 10 должно быть равно 74% от числа витков катушки 5. Так как вектор ad получается из вектора - od (катушка 5, при этом начало и конец катушки поменялись местами), в соответствии с векторной диаграммой на фигуре 2, отпайка катушки 4 должна соединяться с концом катушки 10. Остальные длины векторов, треугольники и направления включения катушек были рассчитаны аналогично.
d
При работе устройства на выходах многофазного трансформатора получается симметричная девятифазная система напряжений, а на выходе многофазного выпрямителя - выпрямленное напряжение U.
По аналогии с рассмотренным устройством может быть получена любая многофазная система напряжений путем добавления необходимого количества трехфазных вторичных обмоток.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
21
22
23
d
d
При подключении катушек 1, 2, 3 преобразователя к фазам A, B, C трехфазной сети в стержнях сердечника трансформатора начинают протекать три магнитных потока, сдвинутые по фазе на 120° между собой. По закону электромагнитной индукции в катушках вторичной обмотки, расположенных на разных стержнях сердечника, индуцируются ЭДС, пропорциональные числам витков обмоток. При указанном выше соединении катушек 4-12 вторичных обмоток на выходе трансформатора получается симметричная девятифазная система напряжений U, U, U, , , , , ,  (фиг. 1, 2), сдвинутых по фазе на 40°. При подключении к данному многофазному напряжению управляемого многофазного выпрямителя на базе трехфазных управляемых выпрямительных мостов 13-15 с тиристорами 16-33 на его выходе получается выпрямленное напряжение U с незначительными пульсациями (фиг. 3), которое питает активно-индуктивный нагрузочный контур из резистора 35 и индуктивности 36. В блоке управления и защиты 34 происходит генерация управляющих импульсов и распределение их по вентилям. В зависимости от необходимой величины угла управления, импульсы управления подаются с необходимым сдвигом фаз, в том числе с регулированием в процессе работы преобразователя. При этом изменяется величина среднего значения (U) выпрямленного напряжения (фиг. 3, 4) и другие параметры (выходная мощность, потребляемый ток и др.). Благодаря использованию многофазного преобразования ток, потребляемый трансформатором, имеет форму, близкую к синусоиде (фиг. 5).
Таким образом, обеспечивается эффективное преобразование трехфазной системы напряжений в многофазную систему с возможностью рационального регулирования величины выходных параметров путем управления работой полупроводниковых приборов с помощью блока управления и защиты. По сравнению с прототипом, в предлагаемом преобразователе удалось уменьшить количество вторичных обмоток, что удешевляет устройство, снижает его массу и габариты.
Итак, заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле полезной модели, позволяет за счет применения вторичных обмоток с отпайками отказаться от использования ряда отдельных обмоток, то есть намного снизить расход активных материалов, а также за счет использования управляемого выпрямителя с блоком управления и защиты изменять величину выходных параметров преобразователя в широких пределах без громоздких и сложных средств, связанных с изменением чисел витков вторичных обмоток трансформатора.
Предлагаемый преобразователь числа фаз имеет меньшую стоимость, по сравнению с аналогами, вследствие исключения ряда вторичных обмоток с уменьшением расхода дорогостоящих медных материалов.