ЧЕТЫРЕХФАЗНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧИСЛА ФАЗ
FOUR-PHASE CONVERTER

Изобретение относится к электроэнергетике, в частности к устройствам для передачи энергии переменным током, а именно к высоковольтным линиям электропередач.
Известно из уровня техники фазопреобразующее устройство для преобразования трехфазного переменного тока в четырехфазный и обратно, состоящее из двух фазопреобразующих трансформаторов, каждый из которых выполнен по схеме Скотта, т.е. состоит из двух одностержневых трансформаторов (Т.Г.Красильникова «Схема замещения трансформатора для преобразования трехфазной системы переменного тока в четырехфазную». Труды 3-й международной научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение». Изд-во «Транспорт», ч.2, стр.113, 2007 г.).
Недостатком известных преобразователей является большое число трансформаторных элементов и сложная схема соединений обмоток, обусловленная необходимостью получения соответствующего сдвига вторичных фазных напряжений.
Наиболее близким решением из уровня техники к предлагаемому решению, принятым за прототип, является многофазный преобразователь числа фаз, используемый для получения четырехфазного напряжения. Устройство содержит два основных фазопреобразующих трансформатора, выполненных по схеме Скотта для получения четырехфазной системы переменного тока, дополнительный фазопреобразующий трансформатор Скотта, подсоединяемый четырьмя выключателями к нейтралям основных трансформаторов, четыре линейных выключателя для подключения к четырехфазной линии и шесть заземляющих выключателей. Со стороны нейтралей основных фазопреобразующих трансформаторов предусматриваются устройства регулирования напряжения под нагрузкой (устройства РПН) (Патент РФ №2362261, Н02М 5/14, 2008 г.).
Режимом работы преобразователя считается режим преобразования трехфазной системы напряжений в четырехфазную систему.
Таким образом, известный преобразователь требует для своей реализации трехфазную сеть, шесть однофазных специальных трансформаторов, первичные обмотки которых подключены к трехфазной сети, а вторичные обмотки создают четыре выхода четырехфазной системы напряжений, четырнадцать выключателей и устройства РПН в каждой фазе при переходе от четырехпроводной линии к трехпроводной даже в случае, когда напряжения в системе стабильны.
Недостатком известного из уровня техники устройства является тот факт, что групповой трехфазный трансформатор уступает трехфазному трехстержневому трансформатору по своим весогабаритным показателям, а также преобразователь имеет большее число обмоток: девять первичных и шесть вторичных, что значительно усложняет конструкцию преобразователя, технологию его изготовления и приводит к перерасходу материалов и возрастанию стоимости.
Техническим результатом предлагаемого 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, сократить потери электрической энергии в нем, упростить конструкцию преобразователя, технологию его изготовления и уменьшить стоимость. Большим достоинством предлагаемого изобретения является его способность питать одновременно четырехфазную и трехфазную нагрузку, подключенную к разным выходам. Если к преобразователю подключена только одна какая-то нагрузка -четырехфазная или трехфазная, то вторичные обмотки, включенные по схеме «шестиугольник» и по схеме «звезда», работают параллельно и делят нагрузку между собой и, следовательно, сечение провода этих обмоток должно быть меньше.
Поставленный технический результат достигается за счет того, что в четырехфазном преобразователе числа фаз, представляющем собой трехфазный трансформатор, состоящий из трех катушек первичной обмотки, шести катушек вторичной обмотки с выходами симметричного четырехфазного напряжения и трех катушек вторичной обмотки с выходами симметричного трехфазного напряжения, согласно изобретению четыре катушки вторичной обмотки с выходами симметричного четырехфазного напряжения, принадлежащие второй и третьей фазам, выполнены с отпайками от витков, делящими число витков в отношении (0,5-Sin60° tg15°):(0,5+Sin60° tg15°) от начала катушки, причем шесть катушек вторичной обмотки с выходами симметричного четырехфазного напряжения соединены между собой узлами в один контур в виде «шестиугольника» таким образом, что напряжения между узлами образуют симметричную шестифазную систему напряжений, а вышеуказанные четыре отпайки от витков четырех катушек вторичной обмотки представляют собой выходы четырехфазной симметричной системы напряжений преобразователя, при этом витки трех катушек вторичной обмотки с выходами симметричного трехфазного напряжения делятся отпайками от витков в отношении (1-Cos30°/Cos15°):(Cos30°/Cos15°) от начала каждой катушки, кроме того, каждое из начал трех катушек вторичной обмотки с выходами симметричного трехфазного напряжения, относящихся к различным фазам, подсоединены к той вершине «шестиугольника», к которой не подсоединены катушки тех же фаз «шестиугольника».
Предлагаемое изобретение поясняется графическими материалами, где на фиг.1 представлена схема соединения обмоток четырехфазного преобразователя числа фаз, а на фиг.2 - векторная диаграмма потенциалов на его вторичных обмотках.
Четырехфазный преобразователь числа фаз состоит из трехфазного трансформатора, имеющего три катушки первичной обмотки: катушку 1 первичной обмотки первой фазы, катушку 2 первичной обмотки второй фазы и катушку 3 первичной обмотки третьей фазы, которые соединены по схеме «звезда» (или «треугольник») и подключены к трехфазной сети, шесть катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичных обмоток, имеющих отпайки 13, 14, 15, 16 от витков и соединенных по схеме «шестиугольника», и три катушки 10, 11, 12 вторичных обмоток, соединенных между собой по схеме «звезда» и имеющих отпайки 17, 18, 19 от витков. При этом начало катушки 4 вторичной обмотки соединено с началом катушки 8 вторичной обмотки, конец катушки 8 вторичной обмотки - с концом катушки 6 вторичной обмотки, начало катушки 6 вторичной обмотки - с началом катушки 5 вторичной обмотки, конец катушки 5 вторичной обмотки - с концом катушки 9 вторичной обмотки, начало катушки 9 вторичной обмотки - с началом катушки 7 вторичной обмотки, конец катушки 7 вторичной обмотки - с концом катушки 4 вторичной обмотки, замыкая контур катушек вторичных обмоток. Каждая катушка из шести вторичных обмоток трансформатора является стороной «шестиугольника», преобразующего симметричную трехфазную систему напряжений в симметричную шестифазную систему напряжений. Начало катушки 10 вторичной обмотки подсоединяется к узлу вершины «шестиугольника», в котором соединяются концы катушек 8 и 6 вторичных обмоток. Начало катушки 11 вторичной обмотки подсоединяется к узлу вершины «шестиугольника», в котором соединяются концы катушек 5 и 9 вторичных обмоток. Начало катушки 12 вторичной обмотки подсоединяется к узлу вершины «шестиугольника», в котором соединяются концы катушек 4 и 7 вторичных обмоток. Концы катушек 10, 11, 12 вторичных обмоток соединяются в один узел - O, который заземляется. Напряжения на отпайках 17, 18, 19 от витков относительно узла О представляют собой симметричную трехфазную систему напряжений. Напряжения на отпайках 13, 14, 15, 16 от витков относительно узла О представляют собой симметричную четырехфазную систему напряжений, формирующих диагонали квадрата, вписанного в шестиугольник.
6
4
6
4
4
6
4
6
Определим теперь положение отпаек от витков катушек вторичных обмоток. Для этого воспользуемся векторной диаграммой (фиг.2), приняв число витков катушки пропорциональным длине соответствующего вектора. Анализ проведем на примере катушки 6 вторичной обмотки. Примем напряжение шестифазного многоугольника за единицу и выразим высоту равностороннего треугольника, формирующего шестиугольник, через фазные напряжения шестифазной и четырехфазной систем напряжений U и U, решая соответствующие прямоугольные треугольники. Получаем равенство UCos30°=UCos15° и далее U=U (Cos30°/Cos15°), U=0,897U. После решения прямоугольных треугольников получаем, что отпайка 13 от витков делит число витков катушки 6 вторичной обмотки в отношении (0,5-Sin60° tg15°)/(0,5+Sin60° tg15°)=0,268/0,732. С такими отпайками от витков выполняются катушки 6,7,8,9 вторичных обмоток. Число витков от начала катушек 10, 11, 12 вторичных обмоток до отпайки в долях от числа витков катушки вторичной обмотки будет пропорционально отношению разности напряжений U6-U4 к U6 и равно 0,103. Поэтому катушки 10, 11, 12 вторичных обмоток делятся отпайками 17, 18, 19 от витков на части с отношением чисел витков в каждой из трех катушек равным (1-Cos30°/Cos15°)/(Cos30°/Cos15°)=0,103/0,897 от начала каждой катушки.
В результате получается преобразователь, имеющий на отпайках 13, 14, 15, 16 от витков симметричную четырехфазную систему напряжений, а на отпайках 17, 18, 19 от витков симметричную трехфазную систему напряжений с равными действующими значениями напряжений на фазах обеих систем.
Таким образом, заявленный преобразователь позволяет сократить число трансформаторных элементов, расход активных материалов при замене трехфазного группового трансформатора трехфазным трехстержневым, значительно упростить схему преобразователя, что в итоге позволяет улучшить весогабаритные показатели преобразователя, сократить потери электрической энергии в нем, упростить конструкцию преобразователя, технологию его изготовления и уменьшить стоимость.
Анализ заявленного технического решения на соответствие требованиям 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 соединении 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 высоковольтных линий электропередач;
- 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 условий патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.