Преобразователь однофазного напряжения в симметричное трехфазное

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована при включении трехфазной электрической нагрузки в однофазную сеть.
Такие устройства находят применение, например, вместо электромеханических фазорасщепителей на электроподвижном составе для подключения вспомогательных трехфазных двигателей, для трехфазных двигателей бытового электроинструмента (столярные, деревообрабатывающие станки, насосы), некоторые из таких схем рассмотрены в [1-3].
Известен преобразователь однофазного напряжения в трехфазное (патент на изобретение РФ №2061993, МПК Н04М 5/14) [1]. Рассматриваемое устройство содержит несколько дросселей, конденсаторов, коммутационных аппаратов соединенных между собой. Недостатком такого устройства является большое количество дросселей, конденсаторов, коммутационных аппаратов и, следовательно, большие массогабаритные показатели, также сложность подбора параметров элементов схемы для обеспечения симметричной трехфазной системы напряжений.
Известен преобразователь электрической энергии трех- и однофазных напряжений и токов (варианты) (патент на изобретение РФ №233563 МПК H01F 30/14) [2]. Устройство содержит трансформаторы, несколько блоков балластных индуктивных и емкостных элементов. Недостатком такого устройства является большое количество элементов, что усложняет преобразователь и снижает его надежность.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному устройству является преобразователь однофазного напряжения в многофазное (патент на изобретение СССР №256051, МПК Н02m) [3]. Рассматриваемый преобразователь состоит из однофазного трансформатора, выпрямителя со сглаживающим фильтром и автономного инвертора, один вывод автономного инвертора подключен к средней точке одной из обмоток однофазного трансформатора, другой вывод инвертора и два вывода однофазной сети подключаются к трехфазной нагрузке. Недостатком такого устройства является наличие вывода средней точки однофазного трансформатора, что усложняет его конструкцию, а также формирование несинусоидального напряжения между выводами однофазной сети и выводом инвертора напряжения, которое прикладывается к трехфазной нагрузке.
Цель полезной модели - создание устройства для включения трехфазной нагрузки в однофазную сеть, при котором к трехфазной нагрузке будет приложено трехфазное симметричное напряжение с уменьшенным содержанием высших гармоник.
Технический результат обеспечивается за счет подключения однофазного трансформатора к выходу автономного инвертора. Также осуществляется упрощение конструкции однофазного трансформатора за счет устранения средней точки обмотки трансформатора.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображена принципиальная электрическая схема предложенного устройства для преобразования однофазного напряжения в симметричное трехфазное, на фиг. 2 - векторная диаграмма, поясняющая создание системы трехфазного симметричного напряжения на трехфазной нагрузке.
На фиг. 1 вход выпрямителя 2 подключен к однофазной сети 1, а выход через сглаживающий фильтр 3 подключен ко входу однофазного инвертора 4, к выходу которого подключена первичная обмотка однофазного трансформатора 5, один вывод вторичной обмотки трансформатора 5 соединяется с одним выводом однофазной сети 1, ко второму выводу вторичной обмотки трансформатора 5 и двум выводам однофазной сети 1 подключается трехфазная нагрузка 6.
Напряжение однофазной сети 1 приложено к выпрямителю 2, на конденсаторе сглаживающего фильтра 3 формируется постоянное напряжение, которое поступает на вход автономного инвертора напряжения 4. Управление полупроводниковыми ключами инвертора позволяет обеспечить на первичной обмотке трансформатора последовательность прямоугольных импульсов, скважность которых изменяется по синусоидальному закону во времени (широтно-импульсная модуляция). При этом можно изменять начальную фазу формируемого напряжения на первичной обмотке трансформатора 5 относительно напряжения однофазной сети от 0 до 360 градусов.
Закон изменения магнитного потока в сердечнике трансформатора связан с формой приложенного напряжения к первичной обмотке через интегрирование. При приложении к первичной обмотке трансформатора последовательности прямоугольных импульсов с переменной шириной, скважность которых изменяется по синусоидальному закону, в сердечнике трансформатора будет магнитный поток, изменяющийся практически по синусоидальному закону. Во вторичной обмотке будет также наводиться синусоидальная ЭДС с заданной инвертором начальной фазой относительно напряжения однофазной сети.
ШИМ
На фиг. 2 показана векторная диаграмма, поясняющая работу устройства. Для обеспечения симметричного трехфазного напряжения на нагрузке необходимо с помощью однофазного автономного инвертора в точке С относительно точки В (обозначено U см. фиг. 1) обеспечить синусоидальное напряжение с амплитудным значением равным напряжению однофазной сети и с начальной фазой опережающей (отстающей от) напряжение однофазной сети  на 60 градусов (вектор  на фиг. 2).
Геометрическая разность векторов напряжений  и  равна вектору напряжения  (см. фиг. 2). Вектор  равен вектору - , т.е. вектора напряжений  и  находятся в противофазе (см. фиг. 2).
Таким образом, к каждой фазе трехфазной нагрузки, соединенной в схему «треугольник», будет приложены напряжения с одинаковыми амплитудными значениями и со сдвигом на 120 градусов (см. фиг. 2).
Достоинства преобразователя в том, что на выходе преобразователя значительно уменьшается несинусоидальность напряжения, подключаемого к трехфазной нагрузке.
Устройство может быть использовано для различных систем электропривода с трехфазной электрической машиной, трехфазную обмотку которой необходимо подключить к однофазной электрической сети.
Источники информации:
1. Пат. RU(11) 2061993 (13) С1 МПК Н04М 5/14. Преобразователь однофазного напряжения в трехфазное / В.С. Синев. - №94 94033556; Заявлено 13.09.1994; Опубл. 10.06.1996.
2. Пат. RU(11) 233563 (13) С1 МПК H01F 30/14. Преобразователь электрической энергии трех- и однофазных напряжений и токов (варианты) / М.А. Ермилов, Ю.М. Куприянович, Ф.М. Ермилов. - №2007104522/09; Заявлено 07.02.2007; Опубл. 10.09.2008. Бюл. №25.
3. Пат. СССР 256051 МПК Н02m. Преобразователь однофазного напряжения в многофазное / Е.Я. Бухштабер. - №1079330/24-7; Заявлено 27.05.1966; Опубл. 04.11.1969. Бюл. №34.