ТРАНСФОРМАТОР С ВРАЩАЮЩИМСЯ ПОЛЕМ

Область техники, к которой относится полезная модель. Полезная модель относится к силовой электротехнике и может быть использована в многофазных полупроводниковых преобразователях.
Уровень техники. Известен трансформатор с трехфазной и круговой обмотками [Изобретение РФ №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 использование равного шага отводов секций кольцевой обмотки, что требует удвоенного числа комплектов полупроводниковых ключей и ведет к увеличению стоимости преобразователя на базе трансформатора с вращающимся полем.
Также известен многофазный трансформатор [патент РФ на полезную модель №176754], содержащий шихтованный магнитопровод с трехфазной и кольцевой обмотками, уложенными в пазах. Упомянутые кольцевые обмотки симметрично сдвинуты относительно друг друга и имеют разрыв в их электрической цепи, снабженный отводами, причем половины каждой кольцевой обмотки включаются встречно и последовательно, все кольцевые обмотки соединяются в многофазную звезду.
К недостаткам такого решения можно отнести наличие нескольких вторичных кольцевых обмоток, число которых равняется количеству фаз выходного напряжения - что ведет к значительному увеличению габаритов и массы 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 выпрямителя [1]. Обмотки трансформатора можно разделить на первичную (подключаемую к сети переменного тока), и вторичную. Вторичная обмотка подключается к 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 [2, 3].
Таким образом, перед заявляемым решением стоит следующая задача: уменьшить число отводов кольцевой обмотки многофазного трансформатора с вращающимся полем, при сохранении числа фаз. Подобная оптимизация 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 трехфазного переменного тока, первичная обмотка создает вращающееся поле, которое наводит в выходной кольцевой обмотке переменное напряжение - снимаемое с ее отводов от ее секций. Известные из уровня техники [3] трансформаторы с вращающимся полем имеют равный шаг отводов кольцевой обмотки. Число фаз в таких кольцевых обмотках равно половине количества отводов от ее секций, что на практике означает удвоение количества комплектов полупроводниковых ключей в коммутаторе, подключаемом к кольцевой обмотке.
Номинальное напряжение наводится при этом между отводами, находящимися на сторонах диагонали - как это изображено на фигуре 1. В случае работы в режиме выпрямителя, управление заключается в последовательной коммутации диагональных отводов, расположенных на противоположных сторонах кольцевой обмотки. Именно такое управление реализуется в неуправляемом полупроводниковом выпрямителе с диодами, работающем в режиме с естественной коммутацией тока [3].
Изображенная на фигуре 1 диагональ обмотки соответствует открытым 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. Отводы кольцевой обмотки коммутируются по отдельности - а число фаз в два раза меньше количества отводов кольцевой обмотки, и для случая на фигуре 1 эквивалентно трехфазному напряжению. В режиме естественной коммутации тока ток протекает по диагонали обмотки, имеющей максимальное напряжение.
В процессе коммутации каждая из диагоналей подключается дважды -в прямой и обратной полярности. Это означает работу анодной и катодной групп полупроводниковых ключей [3], как в любом ином многофазном полупроводниковом преобразователе. Количество пульсаций напряжения на выходе преобразователя определяется числом коммутаций отводов за период питающей сети [1, 3]. Таким образом, получение 6 пульсаций выпрямленного напряжения в трехфазном преобразователе возможно только при работе каждой фазы дважды за период питающей сети - один раз при работе на анодную группу полупроводниковых ключей, второй раз - при работе на катодную группу полупроводниковых ключей [3]. Для случая двенадцати пульсаций (шесть фаз выпрямляемого напряжения) угол фазового сдвига между двумя трехфазными обмотками составляет 30 электрических градусов, что объясняется совпадением по модулю полуволн выходного напряжения при угле сдвига 60 электрических градусов [2, 3].
На фигуре 5 изображена схема трансформатора с вращающимся полем, кольцевая обмотка которого имеет чередующийся шаг отводов, при разном числе катушек в секциях обмотки. Из представленной схемы очевидно, что шаг отводов кольцевой обмотки имеет шаг, геометрически соответствующий сдвигу между фазами в шестифазной системе напряжений - показанной на фигуре 4. В таком случае кольцевая обмотка разбивается на секции, при неравном числе катушек. Между отводами такой кольцевой обмотки будут сформированы напряжения, являющиеся геометрической суммой входящих в секцию катушек [3]. Отводы такой обмотки можно разделить на две пары трехфазных отводов, имеющих фазовый сдвиг 30 электрических градусов - что соответствует шестифазному напряжению, и двенадцати пульсациям выпрямленного напряжения. Такой вариант трансформатора с вращающимся полем лежит в основе заявляемого решения.
Относительно известных из уровня техники [3] трансформаторов с вращающимся полем, в предлагаемом решении достигнуто значительное улучшение его технических характеристик при работе в составе выпрямителя - а именно, уменьшение в два раза числа отводов и соответствующего им количества полупроводниковых ключей в подключаемом коммутаторе. По сравнению с основным прототипом аналогичный эффект достигается без использования нескольких кольцевых обмоток, что дает преимущество в массе и габаритах.
Путем решения поставленной задачи является введение переменного шага отводов кольцевой обмотки. В таком случае, отводы секций кольцевой обмотки имеют шаг по числу катушек, соответствующий изображенной на фигуре 4 векторной диаграмме. На диаграмме сплошными линиями показаны вектора напряжений для диагоналей в прямой полярности, а пунктиром - для диагоналей в обратной полярности. Это соответствует работе выпрямителя с анодной и катодной группами полупроводниковых ключей, подключающих каждую диагональ дважды за период питающей сети - с положительной и отрицательной полярностью. Таким образом, при числе отводов кольцевой обмотки, по изображенной на фигуре 1 схеме, возможно получение в два раза большего количества пульсаций выпрямленного напряжения при работе в составе полупроводникового выпрямителя. Следовательно, поставленная перед заявляемым решением техническая задача достигнута.
Представленное решение является простым и потому промышленно применимым - позволяя достичь улучшения технических характеристик. Уменьшение числа отводов однозначно снижает стоимость и повышает надежность коммутатора в полупроводниковых преобразователях на базе трансформатора с вращающимся полем. Это наиболее востребовано в преобразователях на большую мощность - поскольку позволяет реализовать большое число фаз системы с меньшим числом соединений в силовых цепях, выполняемых кабелем большого сечения, а также при меньшем количестве дорогостоящих полупроводниковых ключей.
В предлагаемом решении предлагается формирование многофазной системы напряжений на отводах вторичной кольцевой обмотки, при четном числе отводов упомянутой кольцевой обмотки. Количество фаз выходного напряжения в таком случае равняется числу отводов кольцевой обмотки, при шаге ее отводов, определяемом сдвигом фаз. По сравнению с уровнем техники [3], это дало двукратное снижение числа отводов, а также количества полупроводниковых ключей в выпрямителе.
Предлагаемое техническое решение является новым, имеющим следующие принципиальные отличия от прототипа:
- отводы кольцевой обмотки имеют различный шаг по катушкам, чередующийся периодически;
- шаг отводов кольцевой обмотки равен углу сдвига между фазами выходного напряжения.
Таким образом, совокупность существенных признаков полезной модели приводит к новому техническому результату - увеличению числа фаз выходного напряжения и снижению числа полупроводниковых ключей в 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 векторная диаграмма напряжений кольцевой обмотки с шестью отводами при равном шаге отводов. На фигуре 3 изображена схема основного прототипа. Здесь 2 - трехфазная обмотка, 6 - разомкнутая кольцевая обмотка со встречным включением секций. На фигуре 4 изображена векторная диаграмма напряжений кольцевой обмотки с шестью отводами при неравном шаге отводов. На фигуре 5 изображено схематичное изображение трансформатора с вращающимся полем. Здесь 1 - магнитопровод, 2 - трехфазная обмотка, 3 - кольцевая обмотка.
Список использованной литературы.
1. Фрумкин A.M. Теоретические основы электротехники. - М.: Высшая школа, 1982. - 407 с.
2. Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов. М.: Альянс, 2013. - 528 с.
3. Дмитриев Б.Ф., Рябенький В.М., Черевко А.И., Музыка М.М. Судовые полупроводниковые преобразователи: учебник. - Архангельск: Изд-во САФУ, 2015. - 556 с.