ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
DIRECT CURRENT CONVERTER

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве преобразователя постоянного напряжения в переменное трехфазное симметричное напряжение.
Известен преобразователь постоянного напряжения, содержащий последовательно соединенные шины постоянного тока, трехфазный инвертор, выходной трансформатор и схему управления, вход которой подключен к шинам постоянного тока, а выход - к трехфазному инвертору, причем выходной трансформатор содержит первый, второй и третий однофазные отдельные трансформаторы, каждый из которых содержит неразъемный сердечник заданной формы, первичную и вторичную обмотки, при этом вторичные обмотки первого, второго и третьего однофазных трансформаторов соединены в звезду [1]. В данном преобразователе достигается максимальная мощность преобразования без использования схем параллельного включения коммутаторов тока (транзисторов или тиристоров). Кроме того, указанный преобразователь отличается простотой и технологичностью монтажа силовой части и повышенной надежностью. Однако он обладает и рядом недостатков, среди которых основными являются разобщенность магнитопроводов сердечников, что приводит к увеличению массы преобразователя, сравнительно высокие потери холостого хода и нерациональное использование площади окна каждого из сердечников.
Техническим результатом изобретения является уменьшение массы и потерь холостого хода, повышение коэффициента укладки проводников и расширение функциональных возможностей преобразователя.
Требуемый технический результат достигается тем, что в преобразователе постоянного напряжения, содержащем последовательно соединенные шины постоянного тока, трехфазный инвертор, выходной трансформатор и схему управления, вход которой подключен к шинам постоянного тока, а выход - к трехфазному инвертору, причем выходной трансформатор содержит первый, второй и третий однофазные отдельные трансформаторы, каждый из которых содержит неразъемный сердечник заданной формы, первичную и вторичную обмотки, при этом вторичные обмотки указанных трансформаторов соединены в звезду, сердечники первого, второго и третьего однофазных трансформаторов выполнены в виде полой прямой четырехугольной призмы с ромбом в поперечном сечении и объединены конструктивно таким образом, что внешние стороны всех трех призм образуют правильный шестиугольник, внутренние стороны каждой пары ромбов, соединенных тупыми углами между собой, образуют первый, второй и третий стержни, которые расположены под углом 120° друг к другу, а внешние стороны ромбов справа и слева от соответствующих стержней образуют составное ярмо, причем указанные сердечники однофазных трансформаторов выполнены из аморфной стали; размещение катушек одноименных фаз первичной и вторичной обмоток на стержнях при одинаковом числе витков катушек обеспечивает равенство их ЭДС; размещение катушек одноименных фаз первичной обмотки на стержнях, а катушек одноименных фаз вторичной обмотки на стороне призмы, параллельной стержню и наоборот, при одинаковом числе витков катушек обеспечивает отношение ЭДС как 2:1; размещение катушек одноименных фаз на сторонах призмы, параллельных соответствующим стержням при одинаковом числе витков катушек обеспечивает равенство их ЭДС, при этом в зависимости от вида размещения катушек одноименных фаз первичной и вторичной обмоток трехфазный трансформатор принимает броневое, бронестержневое и стержневое конструктивное исполнение.
На фиг.1 представлена структурная схема преобразователя. На фиг.2 показана конструкция трансформатора на ромбических сердечниках. На фиг.3 показано размещение проводников в круглом окне. На фиг.4 показано размещение проводников в ромбическом окне.
Преобразователь постоянного напряжения содержит (фиг.1) шины постоянного тока 1, трехфазный мостовой инвертор 2, выходной трансформатор 3 и схему управления 4, причем указанные: шины 1, инвертор 2 и трансформатор 3 соединены последовательно, вход (не обозначен) схемы управления 4 подключен к шинам постоянного тока 1, а выход (не обозначен) указанной схемы 4 соединен с трехфазным мостовым инвертором 2, который может быть выполнен по рекомендациям [2] и [3] на транзисторах или тиристорах и может быть основан на мостовом трехфазном инверторе или на трех однофазных мостовых инверторах, при этом схема управления 4 является стандартной и ее параметры зависят от типа инвертора и типа коммутаторов тока в выбранном инверторе. Выходы (не обозначены) трехфазного инвертора 2 подключены к первичным обмоткам (не показаны) выходного трансформатора 3, который содержит (фиг.2) первый, второй и третий однофазные отдельные трансформаторы (не обозначены), каждый из которых содержит соответствующий неразъемный сердечник 3-1, 3-2 и 3-3 в виде полой прямой четырехугольной призмы с ромбом в поперечном сечении, при этом сердечники 3-1…3-3 конструктивно объединены так, что внешние стороны всех трех призм (не обозначены) образуют правильный шестиугольник (не обозначен), а внутренние стороны (не обозначены) каждой пары ромбов, соединенных тупыми углами, образуют соответственно стержни 3-4, 3-5 и 3-6, причем указанные стержни 3-4…3-6 расположены под углом 120° друг к другу, при этом внешние стороны сердечников 3-1…3-3, параллельные соответствующим стержням 3-4…3-6, образуют составное ярмо (не обозначено), причем названные стержни образуют трехфазную систему без дополнительных устройств, например, центральной части, как выполнено в трехфазном трансформаторе [4]. Оценку компоновки трех отдельных трансформаторов с неразъемными сердечниками в один трехфазный трансформатор можно произвести на основе теории подобия, в соответствии с которой отношение
1
1
1
ном1
где G, V, С, S - масса, объем, стоимость и номинальная мощность одного однофазного трансформатора;
2
2
2
ном2
G, V, С, S - масса, объем, стоимость и номинальная мощность трансформатора, составленного из трех однофазных трансформаторов;
λ - коэффициент подобия.
Для трансформаторов справедлива запись
т.е. при повышении мощности трансформатора его линейные размеры возрастают пропорционально корню четвертой степени из мощности.
с
Расчеты показывают, что применение одного трансформатора (фиг.2) вместо трех втрое меньшей мощности масса, объем и стоимость уменьшаются примерно на 25%. Обычно считается, что КПД трансформатора зависит от потерь холостого хода и потерь в электрических проводах обмоток. Потери холостого хода или потери в стали определяются потерями на перемагничивание и на вихревые токи. Потери в стали Р определяются по формуле
г
где Р - потери на гистерезис;
в
Р - потери на вихревые токи;
г1
г2
σ, σ - коэффициенты, зависящие от сорта материала сердечника;
m
B - амплитуда магнитной индукции;
f - частота;
в
σ- коэффициент, зависящий от сорта стали и толщины листа.
m
m
Учитывая, что толщина листа у электротехнических сталей находится в диапазоне 0,1…0,5 мм, а толщина ленты и аморфного сплава 2НСР или 30КСР составляет 20…30 мкм, то, применяя любой из указанных сплавов, можно сократить потери в стали (по сравнению с потерями обычных трансформаторов) примерно в пять раз. Так для сплава 2НСР удельные потери на частоте 60 Гц при B=1 Тл составляют 0,01 Вт/кг, а для сплава 30КСР на частоте 400 Гц при B=1 Тл удельные потери составляют 1,1 Вт/кг.
ук.р
ук.m
При одинаковой длине средней линии магнитопровода тороидального (фиг.3) и ромбического (фиг.4) сердечников размещение проводников обмотки в окнах будет различным, а коэффициент укладки, выражаемый отношением суммарной площади проводников к площади окна для ромбического сердечника K, будет больше аналогичного коэффициента K для тороидального сердечника, т.е.
ук.m
ук.р
особенно при малом числе витков, w≤10, где w - число витков. Как показано на фиг.4, укладка шести проводников в ромбическом сердечнике является компактной по сравнению с укладкой тех же шести проводников того же поперечного сечения в тороидальном сердечнике, хотя площадь окна тороида больше площади окна ромба. Расчеты показывают, что при w≤10 указанных коэффициентов укладки K/K=0,7, а при w≥50 их отношение достигает 0,9, т.е. укладка малого числа толстых проводников в тороиде не эффективна по сравнению с укладкой тех же проводников в ромбе.
с
Предложенная конструкция трансформатора (фиг.2) позволяет расширить его функциональные возможности: при первичных и вторичных обмотках фаз, выполненных на стержнях, трехфазный трансформатор становится броневым; при первичных и вторичных обмотках фаз, выполненных на сторонах ромба, параллельных стержням, трехфазный трансформатор становится стержневым; при первичных обмотках фаз, выполненных на стержнях, и вторичных обмотках фаз, выполненных на сторонах ромба, параллельных указанным стержням, трехфазный трансформатор становится бронестержневым, при этом, если катушки первичной и вторичной обмоток фаз выполнены на стержнях, то при одинаковом числе витков их ЭДС равны, а если катушка первичной обмотки выполнена на стержне, а катушка вторичной обмотки на стержне призмы, параллельной стержню, то при одинаковом числе витков катушек их ЭДС относятся как 2:1, так как стержни имеют поперечное сечение, равное удвоенному значению поперечного сечения стороны. Магнитный поток стержня Ф определяется по формуле
p
где S - поперечное сечение стороны призмы.
ЭДС катушки, намотанной на корпус стержня, будет равна
к
к
где w - число витков катушки; Е - ЭДС.
Учитывая, что магнитный поток через любую из сторон призмы равен
к
можно считать, что отношение ЭДС катушки на стержне Е к ЭДС катушки на любой стороне призмы относятся как 2:1 при равенстве витков катушек. При размещении катушек одноименных фаз первичной и вторичной обмоток на стержнях трехфазный трансформатор (фиг.2) принимает броневое исполнение; при размещении катушек фаз первичной обмотки на стержнях, а катушек фаз вторичной обмотки на сторонах призмы, параллельных соответствующему стержню, трехфазный трансформатор становится бронестержневым. Предложенный трансформатор не изменит своего исполнения, если на стержнях будут размещены катушки фаз вторичной обмотки; размещение катушек одноименных фаз первичной и вторичной обмоток на сторонах призмы, параллельных соответствующим стержням, приводит к тому, что конструктивное исполнение трехфазного трансформатора становится стержневым.
Таким образом, выходной трансформатор преобразователя отличается уменьшенной массой и потерями холостого хода, повышенным коэффициентом укладки проводников в окне и расширенными функциональными возможностями.
Преобразователь напряжения работает следующим образом. При подключении напряжения на шины постоянного тока 1 оно поступает на схему управления 4 и на трехфазный инвертор 2, при этом схема управления начинает генерировать импульсы в заданной последовательности, которые управляют состоянием силовых коммутаторов тока (не показаны) трехфазного инвертора 2, который начинает генерировать трехфазное напряжение в форме неполного прямоугольника. Указанное напряжение поступает на фазы первичной обмотки выходного трансформатора 3, по указанным обмоткам протекают токи, под действием которых в сердечниках 3-1…3-3 образуются магнитные потоки, наводящие во всех обмотках соответствующие ЭДС независимо от их местоположения катушек. ЭДС катушек, размещенных на стержнях 3-4…3-6, будут увеличенными. ЭДС вторичной обмотки используется для питания потребителей. Все другие особенности работы трехфазного трансформатора не отличаются от особенностей, указанных в [2, 3 и 4].
Таким образом преобразователь постоянного напряжения имеет преимущества в массе и потерях холостого хода перед другими аналогичными преобразователями.
Источники информации
[1]. Электротехнический справочник. Т.2. М.: МЭИ, 2003, с.471, рис.37.60.
[2]. Высокочастотные транзисторные преобразователи. Под ред. Э.М.Ромаша. М.: Радио и связь, 1998, с.270, рис.7.18.
[3]. Ловушкин В.Н. Транзисторные преобразователи постоянного напряжения. М.: Энергия, 1967, с.48, рис.2.7.
[4]. Описание изобретения к патенту RU 2000619 с / Трансформатор Белашова /, Белашов А.Н., Заяв. 5029081 от 10.02.92, опубл. 07.09.93. Бюл. №33-31.