ТРЕХФАЗНО-ДВУХФАЗНЫЙ СТАЦИОНАРНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР С УСИЛЕННЫМ СВЯЗАННЫМ МАГНИТНЫМ ПОТОКОМ
THREE-PHASE-TWO-PHASE STATIONARY TRANSFORMER WITH ENHANCED COUPLED MAGNETIC FLUX

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится, в общем, к области трансформаторов. В частности, изобретение относится к трехфазно-двухфазному стационарному трансформатору с усиленным связанным магнитным потоком.
В некоторых случаях может возникнуть необходимость преобразования энергии сбалансированным образом из трехфазного источника в двухфазный источник. Известны трехфазно-двухфазные стационарные трансформаторы, и, в частности, одни из них называются трансформаторами, соединенными по схеме Скотта (Scott), а другие трансформаторами, соединенными по схеме Леблана (Leblanc).
1
1
2
1
1
В трансформаторе, соединенном по схеме Скотта, используется два однофазных трансформатора. Первый из них имеет первичную обмотку с nвитками, соединенную между выводами А и В трехфазной сети. Первичная обмотка второго трансформатора имеет nʹ витков, и она расположена между выводом С трехфазной сети и средней точкой М первичной обмотки первого трансформатора. Каждая из двух фаз вторичной обмотки имеет одинаковое число n витков. Напряжения на первичной обмотке имеют сдвиг по фазе на 90°, и то же самое применимо для напряжений на вторичной обмотке. Для того чтобы гарантировать, что напряжения на вторичной обмотке имеют одинаковое значение и сдвиг по фазе на 90°, необходимо, чтобы nʹ=√3 n/2.
Соединение по схеме Скотта имеет несколько недостатков. Магнитопроводы двух однофазных трансформаторов имеют большой вес и габариты. Кроме того, обмотки двух трансформаторов должны быть разными на трехфазной стороне, так как они имеют неодинаковое число витков. Поскольку число витков для трехфазных фаз является различным, сечение электрических проводников должно быть различным, чтобы гарантировать сбалансированное сопротивление для каждой фазы. При этом требуется соединение по схеме звезда и, таким образом, нельзя влиять на коэффициенты трансформации по напряжению с помощью соединения по схеме треугольник или соединения по схеме зигзаг. Наконец нельзя получить преимущество от положительной связи фаз в трехфазном трансформаторе с усиленным связанным магнитным потоком, связь которого позволяет уменьшить необходимый ток намагничивания.
При соединении по схеме Леблана используется магнитопровод с тремя, четырьмя или пятью стержнями. В трехстержневом магнитопроводе трансформатор представляет собой трансформатор с усиленным связанным магнитным потоком, который позволяет ограничить ток намагничивания.
Соединение по схеме Леблана также имеет недостатки. Обмотки фаз на двухфазной стороне должны быть разными, так как они имеют неодинаковое число витков. Обмотки на двухфазной стороне размещаются на трех стержнях несимметричным образом, что приводит к различным индуктивностям рассеяния. Поскольку число витков на каждой из фаз на двухфазной стороне является различным, необходимо использовать электрические проводники с различным сечением для того, чтобы сбалансировать сопротивление каждой из фаз. Таким образом, существует также необходимость в улучшенном решении, которое позволило бы преобразовывать энергию балансированным образом из трехфазного источника в двухфазный источник.
ЗАДАЧА И СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящем изобретении выполнен трехфазно-двухфазный трансформатор, содержащий магнитопровод, трехфазные обмотки и двухфазные обмотки, в котором:
магнитопровод содержит первый стержень, второй стержень и третий стержень, которые магнитно связаны между собой; и
1
1
1
трехфазные обмотки содержат первую обмотку с n витками вокруг первого стержня, вторую обмотку с n витками вокруг второго стержня и третью обмотку с n витками вокруг третьего стержня;
отличающийся тем, что:
2
2
2
2
двухфазные обмотки содержат четвертую обмотку с n витками вокруг первого стержня, пятую обмотку с nʹ витками вокруг первого стержня, шестую обмотку с n витками вокруг третьего стержня и седьмую обмотку с nʹ витками вокруг третьего стержня;
четвертая обмотка и седьмая обмотка соединены последовательно и образуют первую двухфазную фазу, и каждая из четвертой и седьмой обмоток имеет соответствующее направление намотки для тока, протекающего в первой двухфазной фазе, с магнитными потенциалами в одном и том же направлении; и
пятая обмотка и шестая обмотка соединены последовательно и образуют вторую двухфазную фазу, и каждая из пятой и шестой обмоток имеет соответствующее направление намотки для тока, протекающего во второй двухфазной фазе, с магнитными потенциалами в одном и том же направлении.
2
2
На трехфазной стороне трансформатор имеет структуру, сравнимую со структурой трансформатора типа трехстержневого трансформатора Леблана. Таким образом, по сравнению с использованием двух однофазных трансформаторов, становится возможной связь по магнитному потоку, которая позволяет уменьшить вес и объем магнитопровода и ограничить ток намагничивания. Более того, поскольку обе фазы на двухфазной стороне имеют одинаковое число витков (а именно n+nʹ), отсутствует необходимость в использовании проводников с различным сечением для уравновешивания сопротивлений.
2
2
В варианте осуществления n=(2+√3)nʹ.
2
2
Для коэффициента n=(2+√3)n’, трансформатор позволяет получить напряжения на двухфазной стороне, которые имеют одинаковое значение и сдвиг по фазе на 90°.
В одном варианте осуществления второй стержень представляет собой центральный стержень, который находится между первым стержнем и третьим стержнем. С учетом этих обстоятельств трехфазные обмотки и двухфазные обмотки размещаются симметрично на боковых стержнях, тем самым позволяя уравновесить индуктивности рассеяния.
В другом варианте осуществления первый стержень представляет собой центральный стержень, который находится между вторым стержнем и третьим стержнем.
Предпочтительно магнитопровод имеет симметрию относительно оси вращения, которая содержится в центральном стержне и/или вокруг плоскости симметрии, содержащей упомянутый центральный стержень.
Вследствие симметрии магнитопровода, трехфазных обмоток и двухфазных обмоток, фазные индуктивности и сопротивления являются сбалансированными.
В одном варианте осуществления трансформатор также имеет по меньшей мере один дополнительный набор из трехфазных обмоток или двухфазных обмоток.
Трансформатор позволяет в дальнейшем запитывать сбалансированным образом произвольное число нагрузок, отличное от 1.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего подробного описания со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых показаны варианты осуществления, не носящие ограничительного характера. На фигурах:
на фигуре 1 показан трансформатор согласно первому варианту осуществления изобретения;
на фигурах 2 и 3 показаны схемы электрических цепей, показывающие работу трансформатора по фигуре 1;
на фигуре 4 показана векторная диаграмма, показывающая токи в трансформаторе по фигуре 1;
на фигуре 5 показан трансформатор согласно второму варианту осуществления изобретения;
на фигуре 6 показана схема электрической цепи, показывающая работу трансформатора по фигуре 5; и
на фигурах 7 и 8 показаны общие виды соответствующих трех стержневых магнитопроводов, которые можно использовать для изготовления трансформатора в соответствии с изобретением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фигуре 1 показан вид спереди трансформатора 1 согласно варианту осуществления изобретения. Трансформатор 1 представляет собой трехфазно-двухфазный стационарный трансформатор с усиленным связанным магнитным потоком.
Трансформатор 1 содержит магнитопровод 2, трехфазные обмотки и двухфазные обмотки. В приведенном ниже описании трехфазные обмотки соответствуют первичной обмотке трансформатора 1 и двухфазные обмотки соответствуют вторичной обмотке трансформатора 1. Тем не менее вполне возможен обратный режим работы.
Магнитопровод 2 содержит три стержня, которые магнитно связаны между собой: боковой стержень 3, центральный стержень 4 и боковой стержень 5, причем стержни соединены между собой с помощью ярма 13. Магнитопровод 2 является симметричным относительно оси вращения, которая содержится в центральном стержне 4 и/или относительно плоскости симметрии, содержащей центральный стержень 4.
Трехфазные обмотки содержат обмотку 6 вокруг бокового стержня 3, обмотку 7 вокруг центрального стержня 4 и обмотку 8 вокруг бокового стержня 5. Двухфазные обмотки содержат обмотку 9 и обмотку 10 вокруг бокового стержня 3 и обмотку 11 и обмотку 12 вокруг бокового стержня 5.
На фигуре 1 показаны обмотки 9, 10 и 6, расположенные рядом друг с другом вдоль центрального стержня 3, однако возможно любое другое расположение. То же самое объяснение применимо и к обмоткам 11, 12 и 8.
Фигура 2 представляет схему электрической цепи трансформатора 1 по фигуре 1.
1
a
b
c
a
b
c
Каждая из трехфазных обмоток 6, 7 и 8 имеет n витков. В показанном варианте осуществления они соединены по схеме звезда. Тем не менее возможны и любые другие конфигурации соединения: треугольник, зигзаг и т.д. Токи, протекающие соответственно в обмотках 6, 7 и 8, обозначены I, I и I. Направление намотки каждой обмотки 6, 7 и 8 показано черной точкой. Однонаправленные токи I, I и I соответствуют однонаправленным магнитным потенциалам в стержнях 3, 4 и 5.
2
2
1
1
1
2
1
2
1
Для двухфазной стороны обмотка 9 имеет n витков и соединена последовательно с обмоткой 12, которая имеет nʹ витков. Обмотки 9 и 12 соответствуют первой двухфазной фазе. Ток и напряжение первой двухфазной фазы обозначены I и V. Направления намоток обмоток 9 и 12 показаны черными точками. Для заданного тока I направления намоток соответствуют однонаправленным магнитным потенциалам nI и nʹI в стержнях 3 и 5.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
1
2
1
Соответствующим образом обмотка 11 имеет n витков и соединена последовательно с обмоткой 10, которая имеет nʹ витков. Обмотки 11 и 10 соответствуют второй двухфазной фазе. Ток и напряжение во второй двухфазной фазе обозначены I и V. Направления намоток обмоток 10 и 11 аналогичным образом показаны черными точками. Для заданного тока I направления намоток соответствуют однонаправленным магнитным потенциалам nI и nʹI в стержнях 5 и 3. Это направление может быть таким же, как и направление магнитных потенциалов nI и nʹI первой двухфазной фазы, как показано на фигуре 2, или может быть в противоположном направлении, как в цепи по фигуре 3, которая показывает альтернативный вариант осуществления.
На своей трехфазной стороне трансформатор 1 имеет структуру, сравнимую со структурой типа трехстержневого трансформатора Леблана. Таким образом, по сравнению с использованием двух однофазных трансформаторов данный трансформатор делает возможной связь по магнитному потоку, тем самым позволяя снизить вес и объем магнитопровода и ограничить ток намагничивания.
Более того, в результате симметрии магнитопровода трехфазных обмоток и двухфазных обмоток уравновешиваются фазные индуктивности и сопротивления.
2
2
Поскольку обе фазы на двухфазной стороне имеют одинаковое число витков (а именно n+nʹ), отсутствует необходимость в использовании проводников с различными сечениями для уравновешивания сопротивлений.
2
2
1
2
Более того, для коэффициента n=(2+√3)nʹ, трансформатор 1 позволяет получить напряжения V и V на вторичной обмотке с одинаковыми значениями и со сдвигом по фазе на 90°.
Отношение токов имеет вид:
Отношение напряжений имеет вид:
1
2
1
2
Таким образом, трансформатор 1 влияет на разность фаз между первичной обмоткой и вторичной обмоткой, но вырабатывает токи I и I на вторичной обмотке, которые имеют сдвиг по фазе на ±π/2, и напряжения V и V на вторичной обмотке, которые имеют сдвиг по фазе на ±π/2.
Это можно формализовать следующим образом:
Таким образом, получаем:
2
Для V применимо следующее:
Таким образом, получаем:
2
1
Таким образом, фактически получается V=jV, то есть напряжения имеют одинаковые значения и сдвиг по фазе на 90°.
2
1
Если токи во вторичной обмотке уравновешены (I=jI), то компенсация ампер-витков на каждом сердечнике для трансформатора с усиленным связанным магнитным потоком трехстержневого типа показывает, что токи в первичной обмотке являются также сбалансированными.
В частности:
Для упрощения запишем данные уравнения в следующем виде:
a
b
c
Это приводит к системе уравнений с тремя неизвестными I, I и I
Поскольку (1)+(2)+(3)=0, данная система является связанной и таким образом имеет бесконечное число решений. Однако первое правило Кирхгоффа для узлов (для соединения по схеме треугольника или звезды) дает:
Используя приведенное выше уравнение, система принимает вид:
Данная система представляет собой фактически сбалансированную трехфазную систему со смещением 2π/3, как показано на фигуре 4, на которой можно увидеть вышеупомянутое отношение токов. На фигуре 4 изображена векторная диаграмма, показывающая трехфазные токи и двухфазные токи, протекающие в трансформаторе 1 по фигуре 1.
Известным образом трансформатор может иметь множество вторичных обмоток. Таким образом, в варианте, который не показан, трансформатор 1 включает в себя не только вторичную обмотку, образованную с помощью обмоток 9-12, но также по меньшей мере одну другую двухфазную вторичную обмотку и/или по меньшей мере одну трехфазную вторичную обмотку, которую можно реализовать тем же самым образом, как и для обмоток 9-12. В данном варианте трансформатор 1 можно использовать для запитки балансированным образом произвольного числа нагрузок, отличных от 1. Например, для одиннадцати нагрузок можно использовать соответствующие трехфазные вторичные обмотки на девяти нагрузках и соответствующие двухфазные вторичные обмотки на двух нагрузках: 11=3⋅3+2.
Фигуры 5 и 6 аналогичны фигурам 1 и 2 соответственно, и на них показан трансформатор 20 согласно второму варианту осуществления изобретения. Элементы, которые идентичны или аналогичны элементам трансформатора 1 по фигуре 2, обозначены одинаковыми ссылочными позициями и не описаны снова более подробно.
В трансформаторе 20 положения обмоток 6, 9 и 10 и положение обмотки 7 инвертировано относительно трансформатора 1: обмотки 6, 9 и 10 окружают центральный стержень 4, и обмотка 7 окружает боковой стержень 3. За исключением этого различия, трансформатор 20, по существу, идентичен трансформатору 1.
Трансформатор 20 имеет те же самые вышеуказанные преимущества, как и трансформатор 1. В частности, трансформатор 20 имеет токи и напряжения со сдвигом по фазе на 90°. Вышеупомянутые коэффициенты по току и напряжению сохранены. Тем не менее трансформатор 20 больше не имеет ту же самую симметрию реализации на своей двухфазной стороне, что означает, что может быть различие в индуктивностях утечки двух двухфазных фаз.
В трансформаторах 1 и 20 (фигура 1 и 5) стержни 3, 4 и 5 расположены параллельно друг другу в общей плоскости, что соответствует топологии, обычно используемой для магнитопровода при создании сбалансированного трехфазного трансформатора с усиленным связанным потоком и тремя сердечниками. Тем не менее в альтернативном варианте осуществления трансформатор в соответствии с изобретением может содержать магнитопровод, имеющий три стержня, которые магнитно связаны между собой в некоторой другой топологии.
Таким образом, на фигурах 7 и 8 представлены соответствующие общие виды трехстержневых магнитопроводов, которые можно использовать для создания трансформатора в соответствии с изобретением. На фигурах 7 и 8 одинаковые ссылочные позиции используются на фигурах 1 и 5 для обозначения соответствующих элементов без риска путаницы.