Forbidden

You don't have permission to access /zzz_siteguard.php on this server.

ТРЕХФАЗНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР - Патент РФ 2045790
Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
ТРЕХФАЗНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР
ТРЕХФАЗНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР

ТРЕХФАЗНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Изобретение относится к электротехнике, а именно к преобразовательной технике и трансформаторостроению. Сущность: трансформатор содержит три тороидальных сердечника 1, 2, 3 с прямоугольной петлей гистерезиса разного сечения, определяемого из условий, приведенных в тексте описания. При этом каждый из сердечников охвачен собственной намагничивающей обмоткой W11, W12, W13 с числом витков, определяемым из условий W11≥ 1,2 W12, W11≥ 2,4 W13, соединенных друг с другом согласно-последовательно, и выходной обмоткой, разделенной на три секции так, что первые выходные секции обмоток сердечников соединены друг с другом согласно-последовательно и образуют первую фазу трансформатора, вторые и третьи встречно-последовательно и образуют соответственно вторую и третью фазы трансформатора. Благодаря использованию отдельных намагничивающих обмоток для каждого сердечника, последние перемагничиваются не одновременно, а поочередно, (друг за другом), а в выходных трехфазных обмоток возникают импульсы ЭДС-фаз, сдвинутых относительно друг друга на 120°. Таким образом, изобретение позволяет преобразовать однофазное напряжение в трехфазное. 2 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2045790
Класс(ы) патента: H01F30/14
Номер заявки: 93048640/07
Дата подачи заявки: 21.10.1993
Дата публикации: 10.10.1995
Заявитель(и): Холин Сергей Николаевич; Масленников Александр Сергеевич
Автор(ы): Холин Сергей Николаевич; Масленников Александр Сергеевич
Патентообладатель(и): Холин Сергей Николаевич; Масленников Александр Сергеевич
Описание изобретения: Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в высокочастотных блоках электропитания электропривода систем навигации, управления автономных объектов.
Широко известны трехфазные инверторы, преобразующие напряжение постоянного тока в трехфазное напряжение переменного тока [1]
Такие инверторы содержат три инверторных модуля, в каждом из которых имеется однофазный трансформатор, и сложную систему управления силовыми ключами для синтезирования трехфазного напряжения.
К недостаткам таких инверторов можно отнести следующие факторы: сравнительно низкие массогабаритные показатели, сложная система управления ключами, децентрализованная структура построения преобразователя.
Известны также трехфазные трансформаторы [2] где для трансформации трехфазного тока используют три однофазных трансформатора, которые включаются по отдельности в каждую фазу трехфазной сети. Ча ще, однако, применяются трехфазные трансформаторы с общим для всех фаз сердечником, так как такие трансформаторы стержневого типа компактнее и дешевле.
Идея образования трехфазного трансформатора стержневого типа показана в [2] (см. стр.232, рис.12-4).
По принципу действия все указанные трансформаторы работают только при наличии трехфазной входной сети, для получения которой в бортовой СЭС требуется либо электромашинный генератор, либо трехфазные инверторы на основе параллельного включения трех однофазных модулей со сложной системой управления с питанием от химических источников тока или солнечных батарей. Такие СЭС, как правило, имеют сравнительно низкие удельные показатели. В то же время анализ показывает, что в последние годы наибольшее распространение получают высоковольтные СЭС постоянного тока с высокочастотным преобразованием и централизованной структурой построения вторичных источников электроэнергии.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является [2] трехфазный трансформатор, собранный из отдельных сердечников, каждый из которых охвачен собственной намагничивающей и выходной обмотками для работы от трехфазной входной сети. Основным недостатком такого трехфазного трансформатора является невозможность его работы от однофазной входной сети переменного тока, т.е. невозможность преобразования однофазного напряжения в трехфазное.
Целью изобретения является уменьшение массы и габаритов, а также повышение надежности работы трехфазных инверторов посредством преобразования однофазного напряжения с выхода инверторного модуля в трехфазное напряжение переменного тока для питания высокоскоростных гироскопических электрических машин, а также средств связи и управления автономным объектом.
Поставленная цель достигается тем, что в трехфазном трансформаторе, содержащем три отдельных сердечника, каждый из которых охвачен собственной намагничивающей и выходной обмотками, сердечники трансформатора выполнены тороидальными из материала с прямоугольной петлей магнитного гистерезиса с различным сечением, определяемым из условий
S1 S1 где S1, S2, S3 сечения соответственно первого, второго и третьего сердечников;
1,2 и 2,4 граничные коэффициенты сечения сердечников;
при этом намагничивающие обмотки каждого сердечника соединены друг с другом согласно-последовательно и имеют разное число витков, определяемое из условий
W11 ≥ 1,2W12; W11 ≥ 2,4W13, где W11, W12, W13 число витков намагничивающих обмоток;
1,2 и 2,4 граничные коэффициенты количества витков обмоток,
а выходные обмотки сердечников разделены на три секции так, что первые выходные секции обмоток сердечников соединены друг с другом согласно-последовательно и образуют первую фазу трансформатора, вторые и третьи встречно-последовательно и образуют соответственно вторую и третью фазы трансформатора. Предлагаемое устройство позволяет добиться в разветвленной магнитной цепи одного из условий наблюдаемости "эффекта" поочередного перемагничивания (без нарушения этой очередности) всех сердечников трансформатора сначала первого, затем второго, затем третьего в любой из полупериодов работы инвертора. При этом при перемагничивании К-го сердечника в его выходные обмотки трансформируются ЭДС, смещенные по оси времени на 60 эл. градусов относительно выходных импульсов (К-1) сердечника. При включении выходных обмоток трехфазного трансформатора можно получить трехфазное напряжение, каждая фаза которого смещена относительно соседней на 120 эл. градусов. С целью проверки основных теоретических выкладок по предлагаемому устройству был изготовлен макет и сняты осциллограммы, подтверждающие достоверность результатов исследований.
Опыты показали, что при изготовлении трансформатора следует прежде всего добиться "эффекта" поочередного перемагничивания сердечников в нужной последовательности и с требуемым временем их перемагничивания. Это достигается изменением числа витков в намагничивающих обмотках и сечения сердечников и контролируется либо двух, либо трехканальным осциллографом. Затем, подключив к осциллографу поочередно выходные фазные обмотки трансформатора, изменяют число витков по каждому сердечнику и добиваются требуемой формы выходного напряжения и его амплитуды согласно методики, изложенной, например, в [1]
На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема трехфазного трансформатора; на фиг.2 представлены эпюры напряжений в выходных обмотках трехфазного трансформатора.
Принципиальная электрическая схема трехфазного трансформатора TV (cм. фиг. 1) состоит из трех тороидальных сердечников 1, 2, 3 разного сечения, определяемого согласно условий S1 ≅ S2/1,2; S1 ≅ S3/2,4, из магнитного материала с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), каждый из которых охвачен намагничивающей W11 (W12, W13) и тремя выходными обмотками W21A, W21B, W21C (W22A, W22B, W22C), (W23A, W23B, W23C). При этом намагничивающие обмотки каждого сердечника соединены друг с другом согласно-последовательно (W11-W12-W13) и имеют разное число витков, определяемое согласно условий: W11≥ 1,2W12; W11≥ ≥2,4W13. Каждая первая выходная обмотка всех сердечников W21A, W22A, W23A соединена с другой согласно-последовательно и образует первую фазу трехфазного трансформатора, каждая вторая выходная обмотка всех сердечников W21В, W22В, W23В соединена с другой встречно-последовательно и образует вторую фазу трехфазного трансформатора, каждая третья выходная обмотка всех сердечников W21С, W22С, W23С соединена с другой всречно-последовательно и образует третью фазу указанного трансформатора.
На фиг.1 и 2 обозначено: U напряжение; Н инвертор; ТV трансформатор; ZA, ZB, ZC фазная нагрузка трансформатора; 1, 2, 3 номер сердечника; UA, UB, UC синтезируемое мгновенное квазисинусоидальное фазное напряжение; ω t текущая фаза напряжения.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
При подаче на обмотку W1 (W11, W12, W13) трансформатора TV знакопеременного однофазного прямоугольного напряжения (меандра) U1 с выхода инвертора преобразователя по обмоткам W1 начинает протекать ток и образуются магнитодвижущие силы F11=I1W11; F12=I1W12; F13=I1W13, которые осуществляют поочередное намагничивание сердечников трансформатора. При этом в каждом сердечнике 1, 2, 3 трансформатора TV появляется знакопеременный во времени магнитный поток, а во всех обмотках трансформатора возникают электродвижущие силы (ЭДС).
С целью выяснения процесса преобразования однофазного входного напряжения прямоугольной формы в квазисинусоидальное трехфазное выходное напряжение рассмотрим два основных режима работы предлагаемого устройства: режим холостого хода (Х-Х) и режим нагрузки.
1. Режим холостого хода (ZA=ZB=ZC ∞)
"Эффект" поочередного перемагничивания сердечников трансформатора TV достигается посредством применения в немагничивающей обмотке W1разного числа витков W11 ≠ W12 ≠ W13 при идентичности параметров сердечников BS1=BS2=BS3, l1=l2=l3, Нс1=Hс2=Hс3, где BS индукция насыщения, Тл; l средняя длина сердечника, м; Нс коэрцитивная сила, а/м. Все сердечники имеют прямоугольную петлю магнитного гистерезиса (ППГ).
Тогда согласно закону полного тока в сердечниках трансформатора TV, охваченных обмотками W11, W12, W13, по которым протекает общий ток I1, возникают напряженности электромагнитного поля согласно выражениям
H11 ;H12 ; H13 .
Первым начнет перемагничиваться тот сердечник, у которого текущая напряженность Н1i ≥ Hci, где i номер сердечника.
Пусть W11>W12>W13, тогда первым начнет перемагничиваться первый сердечник, так как Н11 ≥ Нс1. К обмотке W11 прикладывается все напряжение U1.
На время перемагничивания первого сердечника все другие сердечники не перемагничиваются. Это происходит по той причине, что для второго и третьего сердечников Н12>с2; Н13>с3. Покажем это.
Пусть ток I1, протекающий по обмоткам, достиг величины, достаточной для перемагничивания первого сердечника I1=Ic1= . Тогда с учетом разности витков W11>W12>W13, равенства l1=l2=l3, Нс1с2с3 получим
I1=Ic1= откуда
H12=Hc1 < Hc2 (где W11>W12);
H13=Hc1 < Hc3 (где W11>W13).
Последние выражения показывают, что условия для намагничивания второго и третьего сердечников не созданы.
Только после перемагничивания первого сердечника ток I1 в первичной обмотке возрастает до значения
I1= Ic2 начинает перемагничиваться второй сердечник, затем по очереди третий сердечник.
При смене полярности входного напряжения U1 процесс поочередного перемагничивания сердечников повторяется в той же последовательности, но уже в обратную сторону от +Вs к -Bs. В процессе поочередного перемагничивания сердечников в выходных обмотках трансформатора TV, W21A, W22B, W23A (W21B, W22B, W23B), (W21C, W22C, W23C) наводятся ЭДС с полярностью и по величине, зависящей от направления намотки обмоток и числа витков.
При включении всех выходных обмоток по схеме "Звезда" с нулевым проводом согласно принципиальной электрической схемы (см. фиг.1) можно получить квазисинусоидальное трахфазное выходное напряжение (см. фиг.2). Если не учитывать потери напряжения на рассеяние и активных сопротивлений обмоток, то согласно электромагнитному закону для положительного полупериода работы инвертора электромагнитный процесс в трансформаторе TV может быть описан системой уравнений
U1=(Lg1+Lg2+Lg3)<> -(l*11+l*12+l*13);
uA - l*11+ l*12+ l;
uB -- l*11- l*12+ l;
(1)
uC - l*11- l*12- l;
i1= ixx где Lg1= W211 W211 μg1 дифференциальная индуктивность обмотки от перегмагничивания сердечника 1;
Lg2= W212 μg2 дифференциальная индуктивность обмотки от перемагничивания сердечника 2;
Lg3= W213 μg3 дифференциальная индуктивность обмотки от перемагничивания сердечника 3;
ϑ потокосцепление;
μg дифференциальная проницаемость магнитного материала;
S сечение сердечника.
Из первого уравнения системы (1) получим выражение для скорости изменения тока холостого хода во времени, т.е.
(2)
Тогда с учетом (2) и вышеизложенных пояснений выражения для определения составляющих противоЭДС (l11*, l12*, l13*) в намагничивающей обмотке W1 от перемагничивания идентичных сердечников 1, 2, 3
l*11= U1= U1 (3)
l*12= U1= U1; (4)
l*13= U1= U1; (5)
Зная величины l11*, l12*, l13* в любой момент времени процесса трансформации не трудно определить все другие ЭДС трансформатора TV.
Примем в качестве аппроксимирующей кривой ППГ зависимость В= α arcrg β (H-Hc), где Н текущая напряженность поля под катушкой; α и β коэффициенты; Нс коэрцитивная сила. Следовательно
μg (6)
Анализ (6) показывает, что если используется магнитный материал с ППГ, то справедливо условие
μgi i=1,2,3, ..., n,
т.е. на горизонтальных участках ППГ μ gi ≈ 0, а на вертикальных μ gi-> ∞
Рассмотрим процесс поочередного перемагничивания сердечников магнитопровода более подробно.
Пусть исходное состояние сердечников трансформатора соответствует состоянию -Вr1, -Br2, -Br3. Тогда с появлением тока в намагничивающей обмотке W1, амплитуда его скачком принимает значение, равное Ic1= . Скачок тока происходит вследствие того, что все сердечники имеют μi ≈ 0, т.е. их реактивное сопротивление отсутствует, либо близко к нулю. При достижении iхх=Iс1 начинает перемагничиваться сердечник 1, а на время его перемагничивания амплитуда ixx=Ic1=const и не достаточна для перемагничивания сердечника 2 и 3. Происходит следующее:
а) Пеpемагничивание сердечника 1. Выражение (2) и (3) с учетом μgi= ∞, μg2=0, μg3=0 будет иметь вид
0; (8)
l*11= U1= U1=U1. (9)
Следовательно, после интегрирования (8) получим
lxx=const=Ic1 (10)
Из (8) и (10) следует, что ток холостого хода ixx в обмотке W1трансформатора TV на время перемагничивания сердечника 1 остается практически неизменным по амплитуде.
В выходные обмотки W21A, W21B, W21C трансформируется напряжение, равное (см. фиг.2)
u21A= l*11;
u21B= l*11;
u21C= l*11, где l*11=U1.
(11)
Все другие противоЭДС l12* и l13* на время перемагничивания сердечника 1 равны нулю, а это время может быть определено согласно выражению
t1= (12)
б) Перемагничивание сердечника 2. После насыщения магнитного материала сердечника 1 его дифференциальная индуктивность вновь становится практически равной нулю. При этом iхх вновь скачком принимает значение, равное ixx=Ic2= , достаточное для намагничивания сердечника 2. Далее процесс намагничивания аналогичен рассмотренному выше. На время перемагничивания сердечник 2
l11*=0; l12*=U1; l13*=0, а само время равно
t2= (13)
В выходных обмотках W22A, W22B, W22C, охватывающих сердечник 2, формируются прямоугольные импульсы напряжения, равные по величине (см. фиг.2)
u22A= l*12;
u22B= l*12;
u22C= l*12, где l*12 U1
(14)
в) Перемагничивание сердечника 3. Процесс перемагничивания аналогичен рассмотренному выше (см.фиг.2), где
ixx= ; l11*=0; l12*=0; l13*=U1
t3= (15)
В выходных обмотках W23A, W23B, W23C формируются прямоугольные импульсы напряжения, равные по величине
u23A= l*13;
u23B= l*13;
u23C= l*13, где l*13=U1;
(16)
При смене полярности входного напряжения U процесс перемагничивания сердечников трансформатора повторится в той же последовательности, но перемагничивание происходит уже в обратном направлении (к исходному состоянию магнитного материала) от +Вri к -Вri, где1,2,3.
Во вторичных обмотках, включенных по схеме "звезда" с нулевым проводом с учетом заданного числа витков в каждой W2ij (где i номер сердечника; j номер фазы), может быть получено трехфазное ступенчатое напряжение, близкое по форме к синусоиде (изменяя либо число витков W2ij, либо сечение сердечника Si), каждая фаза которого сдвинута на угол в 120о (см. фиг.2).
2. Режим нагрузки (ZA=rA=ZB=rB=Zc=rc).
Пусть нагрузка по всем фазам трансформатора симметричная. Тогда режиму нагруженного трансформатора соответствует система уравнений для мгновенных значений напряжений
U=Lg + Lg2 + lg3 -(l*11+l*12+l*13)
uA=iНА·rA= - l*11+ l*12+ l;
uB=iНB·rB= -- l*11+ l*12+ l;
uC=iНC·rC= ,
(17) где iμi ток намагничивания.
Для мгновенных значений токов в электрических цепях трансформатора TV система уравнений имеет вид
iW11= iμ1 W11+iНАW21-iHBW21+iHCW21;
iW12= iμ2 W12+iHAW22-iHBW22-iHCW22;
iW13= iμ3 W13+iHAW23+iHBW23-iHCW23,
(18) где i ток в первичной обмотке W1 в режиме нагруженного трансформатора;
iμi ток намагничивания.
Решая совместно системы уравнений (16) и (17), можно получить функции токов и напряжений трансформатора для любого момента времени.
Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что предлагаемое устройство целесообразно нагружать по фазам симметричной нагрузкой (электрические двигатели вентиляторов, гироскопов, выпрямительные устройства). В случае несимметрии возможны нарушения очередности перемагничивания сердечников и искажения формы кривой выходного напряжения.
Формула изобретения: ТРЕХФАЗНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР, содержащий три отдельных сердечника, каждый из которых охвачен собственной намагничивающей и выходной обмотками, отличающийся тем, что сердечники трансформатора выполнены тороидальными из материала с прямоугольной петлей магнитного гистерезиса с различным сечением, определяемым из условий
S1 ≅ S2/1,2,
S1 ≅ S3/2,4,
где S1, S2, S3 сечения первого, второго и третьего сердечников соответственно,
при этом намагничивающие обмотки каждого сердечника соединены друг другом согласно-последовательно и имеют разное число витков, определяемое из условий
w11 ≥ 1,2 w12,
w11 ≥ 2,4 w13,
где w11, w12, w13 число витков намагничивающих обмоток,
а выходные обмотки сердечников разделены на три секции так, что первые выходные секции обмоток сердечников соединены друг с другом согласно-последовательно и образуют первую фазу трансформатора, вторые и третьи встречно-последовательно и образуют соответственно вторую и третью фазы трансформатора.