ДВЕНАДЦАТИФАЗНЫЙ ТРАНСФОРМАТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧИСЛА ФАЗ
TWELVE-PHASE TRANSFORMER-COUPLED PHASE CONVERTER

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.
Из уровня техники известен преобразователь трехфазного переменного напряжения в многофазное на основе трансформаторов Скотта (Ворфоломеев Г.Н., Мятеж С.В., Шуров Н.И. «Пятифазный мостовой выпрямительный агрегат на основе схемы Скотта» / Вестник КГТУ. Транспорт. Вып.39. Красноярск: Изд. КГТУ, 2005 г., стр.21-25).
Недостатком известных преобразователей является сложная схема трансформатора, обусловленная необходимостью получения соответствующего сдвига вторичных фазных напряжений.
Известны также преобразователи трехфазного переменного напряжения в многофазное, использующие схему «зигзаг», в которых трансформатор снабжен дополнительной группой вторичных обмоток. Группы вторичных обмоток соединены с разноименными фазами дополнительных вторичных обмоток (Казаков В. «Источники питания. Многофазные силовые трансформаторы-преобразователи и выпрямители» / Силовая электроника, №4, 2006 г., стр.7-15).
Недостатком таких устройств является большое число вторичных обмоток, что значительно усложняет конструкцию преобразователя, технологию его изготовления, приводит к перерасходу материалов и увеличению его стоимости.
Наиболее близким решением по технической сути и достигаемому результату является преобразователь числа фаз, используемый для получения многофазного напряжения, состоящий из трех однофазных трансформаторов, содержащих каждый по одной первичной обмотке, и требующий несколько групп вторичных обмоток. Известный преобразователь требует для своей реализации трехфазную сеть, три однофазных трансформатора с тремя первичными обмотками, подключенными к трехфазной сети, и тринадцать вторичных обмоток, создающих двенадцать выходов двенадцатифазной системы напряжений (Ворфоломеев Г.Н. и др. «Обзор схемных решений преобразователей числа фаз на трансформаторах. Совершенствование технических средств электрического транспорта» / Сборник научных трудов. Выпуск 2. Новосибирск, 2001 г., стр.78-96).
Недостатком известного устройства является тот факт, что групповой трехфазный трансформатор уступает трехфазному трехстержневому трансформатору по своим весогабаритным показателям, а также преобразователь имеет большое число вторичных обмоток с различными параметрами, что значительно усложняет конструкцию преобразователя, технологию его изготовления и приводит к перерасходу материалов и увеличению его стоимости.
Техническим результатом заявленного 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, технологию его изготовления и уменьшить его стоимость.
Поставленный технический результат решается за счет того, что в двенадцатифазном преобразователе числа фаз, представляющем собой трехфазный трансформатор, состоящий из трех катушек первичной обмотки и шести катушек вторичной обмотки с двенадцатью выходами симметричного двенадцатифазного напряжения, согласно изобретению, каждая из катушек вторичной обмотки выполнена с двумя отпайками, отстоящими от начала и конца катушки на число витков, составляющее 0,5(1-Tg60°Tg15°) части от витков катушки вторичной обмотки и соединены вместе друг с другом узлами в один контур в виде «шестиугольника» таким образом, что напряжения между узлами образуют симметричную шестифазную систему напряжений, а отпайки, делящие число витков каждой катушки вторичной обмотки в отношении 0,268:0,464:0,268 и представляют собой выходы симметричной двенадцатифазной системы напряжений преобразователя.
Заявленное изобретение поясняется графическими материалами, где:
- на фиг.1 представлена схема двенадцатифазного преобразователя числа фаз;
- на фиг.2 - векторная диаграмма потенциалов на вторичных обмотках преобразователя.
12
6
6
6
12
Двенадцатифазный трансформаторный преобразователь числа фаз состоит из трехфазного трансформатора, имеющего три катушки 1, 2 и 3 первичной обмотки, которые соединены по схеме «звезда» (или «треугольник») и подключены к трехфазной сети с нулевым проводом «0», шесть соединенных между собой катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичной обмотки, имеющих отпайки 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 от витков. При этом начало катушки 4 вторичной обмотки соединено с началом катушки 8 вторичной обмотки, образуя узел А, конец катушки 8 вторичной обмотки соединен с концом катушки 6 вторичной обмотки, образуя узел В, начало катушки 6 вторичной обмотки соединено с началом катушки 5 вторичной обмотки, образуя узел С, конец катушки 5 вторичной обмотки соединен с концом катушки 9 вторичной обмотки, образуя узел D, начало катушки 9 вторичной обмотки соединено с началом катушки 7 вторичной обмотки, образуя узел Е, конец катушки 7 вторичной обмотки соединен с концом катушки 4 вторичной обмотки, образуя узел F, и замыкая контур катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичных обмоток, образующих «шестиугольник» A, B, C, D, E, F. Каждая катушка 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичной обмотки трансформатора является стороной «шестиугольника» A, B, C, D, E, F, преобразующего симметричную трехфазную систему напряжений в симметричную шестифазную систему напряжений. Каждая отпайка 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 от витков катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичной обмотки является одним из выходов a, b, c, d, e, f, g, h, k, l, m, n симметричной двенадцатифазной системы напряжений преобразователя. Фазовый угол симметричной двенадцатифазной системы напряжений может быть определен из выражения: 360°:12=30°. Напряжение двенадцатифазной системы напряжений зависит от величины напряжения шестифазной системы и связано с ним соотношением: U=UCos30°/Cos15°=0,897U, что следует из рассмотрения прямоугольных треугольников (0-С-22) и (0-е-22):(0-22)=UCos30°=UCos15°, где 15°=30°:2.
6
12
12
6
6
Определим теперь положение отпаек 10, 11,12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 от витков катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичных обмоток на примере катушки 5 вторичной обмотки. Для этого воспользуемся векторной диаграммой (фиг.2), приняв число витков катушки 5 вторичной обмотки пропорциональным длине вектора напряжения на катушке 5 вторичной обмотки. Примем длину вектора напряжения на фазе шестифазного многоугольника за единицу. Отпайки 12 и 13 от витков катушки 5 вторичной обмотки делят ее число витков в отношении, определяемом отношением отрезков (С-е), (e-f) и (f-D). Отрезок (С-е)=(f-D)=USin30°-USin15°. Выражая U через U после преобразований, получаем: (С-е)=0,5U(1-Tg60°Tg15°) и следующее отношение числа витков, от которых выполняются отпайки: (0,5-Tg60°Tg15°):(Tg60°Tg15°):(Tg60°Tg15°):(0,5-Tg60°Tg15°)=0,268:0,464:0,268.
Работа двенадцатифазного трансформаторного преобразователя числа фаз осуществляется следующим образом. При подключении трехфазного трансформатора к трехфазной сети в стержнях магнитной цепи трансформатора возникают три магнитных потока, сдвинутых по фазе друг относительно друга на третью часть периода или в градусном измерении на 120°. Выполнение вторичной обмотки для каждой фазы в виде двух катушек на стержне каждой фазы позволяет получить два вторичных напряжения с противоположной полярностью (со сдвигом на 180°). Таким образом, при трех напряжениях сети, сдвинутых по фазе на 120°, получаются шесть вторичных напряжений, сдвинутых по фазе друг относительно друга на 60°. При соединении шести катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичных обмоток так, как описано выше, получается шестифазный «шестиугольник» A, B, C, D, E, F с симметричной шестифазной системой напряжений на катушках 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичной обмотки. Проведенный анализ показал, что на витках катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичной обмотки, образующих «шестиугольник», можно найти двенадцать выходов a, b, c, d, e, f, g, h, k, l, m, n, потенциалы которых равны по величине, но отличаются по фазе на одну двенадцатую часть периода (что в градусном измерении равно 360°:12=30°), и получить симметричную двенадцатифазную систему напряжений преобразователя.
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, технологию его изготовления и уменьшить стоимость.
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 изобретении, соединены 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 и переменного 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 соответствует требованиям условиям патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.