ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТРЕХФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в качестве многофазного выпрямителя.
Известен преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащий преобразовательный трансформатор, состоящий из четырех трехфазных двухобмоточных трансформаторов, первичные обмотки которых соединены с сетью, а вторичные обмотки подключены к соответствующим трехфазным мостовым схемам выпрямления, причем обмотки первого трехфазного трансформатора соединены по схеме звезда - прямой зигзаг, обмотки вторичного трехфазного трансформатора соединены по схеме звезда - звезда, обмотки третьего трехфазного трансформатора соединены по схеме звезда - обратный зигзаг, а обмотки четвертого трансформатора соединены по схеме треугольник - звезда; трехфазные мостовые схемы выпрямления соединены параллельно, при этом минусовые выводы указанных схем выпрямления соединены непосредственно с общим минусовым выводом, а плюсовые выводы соединены с общим плюсовым выводом с помощью соответствующих реакторов, причем к общим минусовому и плюсовому выводам подключены двигатель постоянного тока [1]. Схема данного преобразователя выполнена по схеме 24-фазной схемы выпрямления, при этом для получения нужных фазовых сдвигов используются личные соединения обмоток трансформаторов, что приводит к повышению стоимости устройства и усложняет их производство.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой модели является преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащий преобразовательный трансформатор, состоящий из двух трехобмоточных трехфазных трансформаторов, первичная обмотка первого из которых соединена с сетью непосредственно, а первичная обмотка второго
трансформатора соединена с сетью с помощью фазовращателя, причем первые из вторичных обмоток обоих трансформаторов соединены звездой, а вторые из вторичных обмоток каждого из трансформаторов соединены треугольником, при этом каждая из вторичных обмоток соединена с соответствующей схемой выпрямления; все схемы выпрямления соединены последовательно и нагружены сопротивлением [2]. В данном устройстве реализована также 24-фахная схема выпрямления, однако вместо сложных схем обмоток используются простые схемы, а требуемые фазовые сдвиги достигаются фазовращателем. Однако использование фазовращателя приводит к увеличению потерь мощности, что и ограничивает область использования.
Технический результат полезной модели заключается в повышении КПД преобразователя.
Требуемый технический результат достигается тем, что в преобразователе трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащим шины переменного тока, преобразовательный трансформатор, содержащий первичную, вторичную обмотки и магнитопровод, схему выпрямления и шины постоянного тока, при этом первичная обмотка указанного трансформатора выполнена из трех секций фаз соединенных с шинами соответствующих фаз переменного тока, вторичная обмотка названного трансформатора подключена к входу схемы выпрямления, минусовой и плюсовой выводы которой соединены с соответствующими шинами постоянного тока, магнитопровод преобразовательного трансформатора выполнен по типу электрической машины, содержащим выполненный в виде полого цилиндра внешний сердечник с пазами на его внутренней поверхности в которых размещены секции фаз первичной обмотки с пространственным сдвигом на угол 120° и соосный ему выполненный в виде цилиндра внутренний сердечник с пазами в которых размещена вторичная разделенная на n трехфазных секций обмотка, а схема выпрямления разделена на n параллельно включенных выпрямительных
2
2
каскадов при этом каждая из n трехфазных секций подключена вторичной обмотки подключена к соответствующему выпрямительному каскаду схемы выпрямления, причем одноименные фазы каждой последующей секции сдвинуты на угол α=2πρ/z, где ρ - число пар полюсов; z - число пазов внутреннего сердечника, по отношению к указанным фазам каждой предыдущей трехфазной секции, при этом числа витков каждой из секций одинаковые.
На чертеже представлена структурная схема преобразователя трехфазного переменного напряжения в постоянное.
Преобразователь содержит шины переменного тока 1, преобразовательный трансформатор 2, содержащий первичную обмотку 3, вторичную обмотку 4, разделенную на n трехфазных секций 4-1, 4-2,..., 4-n, магнитопровод по типу электрической машины 5, содержащий внешний сердечник в виде полого цилиндра 6 с пазами (не показаны) в которых размещены секции фаз первичной обмотки 3 и соосный ему внутренний сердечник 7 в виде цилиндра с пазами (не показаны) в которых размещены трехфазные секции 4-1, 4-2,..., 4-n вторичные обмотки 4, схему выпрямления 8, содержащую параллельно включенные выпрямленные каскады 8-1, 8-2,..., 8-к и шины постоянного тока 9, при этом первичная обмотка 3 преобразовательного трансформатора 2 подключена к шинам переменного тока 1, секции ее фаз размещены в пазах на внутренней поверхности внешнего сердечника с пространственным сдвигом 120° относительно друг друга, первая трехфазная секция 4-1 вторичной обмотки 4 соединена с первым выпрямительным каскадом 8-1 схемы выпрямления 8; вторая трехфазная секция 4-2 той же обмотки соединена с вторым выпрямительным каскадом 8-2 указанной схемы; 4-n(ая) трехфазная секция вторичной обмотки 4 соединена с 8-n(ым) выпрямительным каскадом схемы выпрямления 8, а минусовые (не показаны) и плюсовые (не показаны) выводы выпрямительных каскадов 8-1,..., 8-n соединены с шинами постоянного тока 9. Для получения заданного коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения преобразователя все
2
2
трехфазные секции 4-1,..., 4-n вторичной обмотки 4 сдвинуты по фазе относительно друг друга на заданный угол, причем одноименные фазы каждой последующей секции сдвинуты на угол α=2π·p/z, где p - число пар полюсов; z - число пазов внутреннего сердечника 7, по отношению к указанным фазам каждой предыдущей трехфазной секции. Числа витков каждой из секций одинаковые. Число трехфазных секций вторичной обмотки 4 и число выпрямленных каскадов схемы выпрямления 8 зависят от требуемого качества выпрямленного напряжения, а именно: от величины коэффициента пульсаций, который рассчитывается по известным формулам. Некоторые результаты расчета коэффициента пульсации сведены в таблицу.
Таблица
Результаты расчета
№№п.п.
Число трехфазных секций
Угол между одноименными фазами,°
Число выпрямительных каскадов
Коэффициент пульсации, %
1
1
-
1
>6,0
2
2
30
2
1,3
3
4
15
4
0,3
4
8
7,5
8
0,08
Все элементы схемы преобразования серийно выпускаются отечественной промышленностью, при этом сердечник 5 с внешним 6 и внутренним 7 магнитопроводами, с первичной обмоткой 3 и вторичной многосекционной обмоткой 4 представляет собой тороидальный пазовый трансформатор, по типу электрической машины причем воздушный зазор между сердечниками 6 и 7 выбирается из технологических соображений. Конструкция тороидального трансформатора аналогична конструкции машин переменного тока с фазным ротором. Первичная 3 и вторичная 4 обмотки являются стандартными трехфазными обмотками электрических машин переменного тока. Выпрямительные каскады 8-1,..., 8-n являются трехфазными мостовыми схемами А.Н.Ларионова.
Преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное работает следующим образом. При наличие напряжения на шинах переменного тока 1 по фазам первичной обмотки 3 преобразовательного трансформатора 2 будут протекать токи и при соблюдении условий образования кругового вращающегося магнитного поля магнитопровода 5 с внешним 6 и внутренним 7 сердечниками будет намагничиваться, т.е. в магнитопроводе появится магнитный поток Ф. Под действием магнитного потока во всех секциях 4-1,..., 4-n вторичной обмотки 4 возникнут ЭДС в соответствии с законом об электромагнитной индукции, при этом действующее значение напряжения любой фазы любой из трехфазных секций определяется по формуле
i
oi
где ƒ - частота напряжения сети; w - число витков i-ой фазы; K - обмоточный коэффициент трехфазной i-ой секции напряжения всех трехфазных секций 4-1,... 4-n вторичной обмотки 4 поступают соответственно на выпрямительные каскады 8-1,..., 8-k схемы выпрямления 8, где переменное напряжение преобразуется в постоянное и на шинах постоянного тока 9 появляется постоянное напряжение заданного качества. Таким образом, пазовый трансформатор по типу электрической машины является преобразователем числа фаз. Ввиду того, что в нем имеется только один сердечник, то и потери мощности в стали будут наименьшими, что позволяет повысить КПД преобразователя. Расчеты, проведенные на основе первой теоремы подобия показывают, что КПД преобразователя может увеличиваться на 16%, чем и достигается требуемый технический результат.
Источники, принятые во внимание
1. Размадзе Ш.М. Преобразовательные схемы и системы. М., ВШ., 1967, стр.274, рис.5. 17.
2. Попков.O.3. Основы преобразовательной техники М., МЭИ, 2005, стр.64, рис.4. 13.