Результат интеллектуальной деятельности: ПЯТИФАЗНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧИСЛА ФАЗ

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при создании выпрямителей для регулируемых электроприводов постоянного и переменного тока для станков для повышения их быстродействия, а также на преобразовательных подстанциях для питания электрифицированных железных дорог, в электрометаллургической и химической промышленности для уменьшения величины пульсаций выпрямленного напряжения и уменьшения содержания высших гармонических составляющих в кривой переменного тока в трехфазной сети.

Из уровня техники известны преобразователи трехфазного переменного напряжения в пятифазное на основе трансформаторов Скотта (Ворфоломеев Г.Н., Мятеж С.В., Шуров Н.И. Пятифазный мостовой выпрямительный агрегат на основе схемы Скотта /Вестник КГТУ, Транспорт, Вып.39 Красноярск: Изд. КГТУ, 2005, с.21-25/).

Недостатком известных преобразователей является сложная схема трансформатора, обусловленная необходимостью получения соответствующего сдвига вторичных фазных напряжений.

Из уровня техники известен также многофазный преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащий трехфазный трансформатор с первичной и двумя группами вторичных обмоток, соединенных между собой по схеме «зигзаг». Трансформатор снабжен дополнительной группой вторичных обмоток (В.Казаков «Источники питания. Многофазные силовые трансформаторы-преобразователи и выпрямители» /Силовая электроника №4, 2006, с.7-15/).

Недостатком этого устройства является большее число вторичных обмоток, что значительно усложняет конструкцию преобразователя, технологию его изготовления и приводит к перерасходу материалов.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому преобразователю является преобразователь, состоящий из трех однофазных трансформаторов, содержащих каждый по одной первичной обмотке и по пяти вторичных обмоток (Ворфоломеев Г.Н. и др. Обзор схемных решений преобразователей числа фаз на трансформаторах. Совершенствование технических средств электрического транспорта. /Сборник научных трудов. Выпуск 2. Новосибирск, 2001, с.78-96/). Таким образом, для реализации требуется трехфазная сеть, три однофазных трансформатора, первичные обмотки которых подключены к трехфазной сети с нулевым проводом 0 по одной из схем: «звезда» или «треугольник» и пять вторичных обмоток у каждого однофазного трансформатора (пятнадцать на все три фазы). Недостатком этого устройства является тот факт, что групповой трехфазный трансформатор уступает трехфазному трехстержневому трансформатору по своим весогабаритным показателям, а также преобразователь имеет большое число вторичных обмоток, что значительно усложняет конструкцию преобразователя, технологию его изготовления, приводит к перерасходу материалов и к увеличению стоимости.

Техническим результатом заявленного изобретения является создание такой архитектуры преобразователя, которая позволяет сократить расход активных материалов при замене трехфазного группового трансформатора трехстержневым с меньшим числом вторичных обмоток, что в итоге позволяет улучшить весогабаритные показатели преобразователя, упростить конструкцию преобразователя, технологию его изготовления и уменьшить стоимость.

Поставленный технический результат решается за счет того, что пятифазный преобразователь числа фаз, представляющий собой трехфазный трансформатор, состоящий из трех катушек первичной обмотки и семи катушек вторичной обмотки с выходами пятифазного напряжения, согласно изобретению, шесть катушек вторичной обмотки выполнены в виде основных катушек вторичной обмотки по две на каждом стержне трансформатора, и одной дополнительной катушки вторичной обмотки, расположенной на том стержне трансформатора, на котором расположены две основные катушки вторичной обмотки, выполненные с отпайками, разделяющими число витков каждой из катушек в отношении (1-Tg60⁰Tg18⁰):(1+Tg60⁰Tg18⁰) от начала катушки, а две другие основные катушки вторичной обмотки выполнены с отпайками, разделяющими число витков этих катушек в отношении (1+Tg60⁰Sin60/Sin72⁰):(1-Tg60⁰Sin6⁰/Sin72⁰) от начала катушки, и вместе с отпайками от двух других основных катушек вторичной обмотки и выходом дополнительной катушки вторичной обмотки представляют собой выходы пятифазной системы напряжений преобразователя, кроме того, все основные катушки вторичной обмотки соединены между собой узлами в один контур в виде «шестиугольника» таким образом, что напряжения между узлами образуют шестифазную систему напряжений, при этом, дополнительная катушка вторичной обмотки своим началом подсоединена к узлу контура «шестиугольника», который не связан с основными катушками вторичной обмотки той фазы, на стержне которой находится дополнительная катушка вторичной обмотки.

Изобретение поясняется графическими материалами, где на фиг.1 представлена схема пятифазного преобразователя числа фаз, на фиг.2 - векторная диаграмма потенциалов на обмотках и отпайках от витков вторичных обмоток.

Пятифазный преобразователь числа фаз состоит из трехфазного трансформатора, имеющего три катушки первичной обмотки: катушку 1 первичной обмотки, катушку 2 первичной обмотки и катушку 3 первичной обмотки, которые соединены по схеме «звезда», и подключены к трехфазной сети с нулевым проводом «0», шесть соединенных между собой основных катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичных обмоток, имеющий одну дополнительную катушку 10 вторичной обмотки и отпайки 11, 12, 13, 14 от витков основных катушек 4, 5, 7, 9 вторичных обмоток. При этом начало основной катушки 4 вторичной обмотки соединено с началом основной катушки 8 вторичной обмотки, образуя узел А, конец основной катушки 8 вторичной обмотки соединен с концом основной катушки 6 вторичной обмотки, образуя узел В, начало основной катушки 6 вторичной обмотки соединено с началом основной катушки 5 вторичной обмотки, образуя узел С, конец основной катушки 5 вторичной обмотки соединен с концом основной катушки 9 вторичной обмотки, образуя узел D, начало основной катушки 9 вторичной обмотки соединено с началом основной катушки 7 вторичной обмотки, образуя узел Е, конец основной катушки 7 вторичной обмотки соединен с концом основной катушки 4 вторичной обмотки, образуя узел F и замыкая контур «шестиугольника» A, B, C, D, E, F. Каждая основная катушка вторичной обмотки трансформатора является стороной «шестиугольника» A, B, C, D, E, F, преобразующего симметричную трехфазную систему напряжений в симметричную шестифазную систему напряжений. Дополнительная катушка 10 вторичной обмотки подсоединяется своим началом 16 к вершине С «шестиугольника» A, B, C, D, E, F, с которой не связаны основные катушки 4 и 5 вторичных обмоток того же стержня, на котором находится дополнительная катушка 10 вторичной обмотки.

Определим теперь положение отпаек 11, 12, 13, 14 от витков основных катушек 4, 5, 7, 9 вторичных обмоток. Для этого воспользуемся векторной диаграммой, приняв число витков катушки пропорциональным длине соответствующего вектора напряжения на катушке. Анализ проведем на примере основной катушки 5 вторичной обмотки. Примем длину вектора напряжение на фазе шестифазного многоугольника (фиг.2) за единицу. Тогда число витков от начала основной катушки 5 вторичной обмотки до отпайки 12 от витков может быть представлено отрезком (5-12). Катет (12-17) - катет прямоугольного треугольника (0-12-17), противолежащий углу 18⁰: катет (12-17)=U₅Sin18⁰, где U₅ - фазное напряжение пятифазной системы напряжений, действующее на отпайках 11, 12, 13, 14 от витков и на выходном зажиме 15 дополнительной катушки 10 вторичной обмотки: U₅=U₆ Cos30⁰/Cos18⁰, U₆ - напряжение на зажимах каждой основной катушки вторичной обмотки. Геометрический анализ векторной диаграммы дает следующее число витков дополнительной катушки: W₁₀W₂=(U₆-U₅)/U₆=1-Cos30⁰/Cosl8⁰=0,089, W₁₀=0,089W₂. Здесь W₂ - число витков каждой основной катушки вторичной обмотки. Величина токов, протекающих по основным катушкам 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичных обмоток, равна линейному току I_л при симметричной пятифазной нагрузке, а величина тока, протекающего по дополнительной катушке 10 вторичной обмотки равна фазному току I_ф симметричной пятифазной нагрузки.

Отпайки 11 и 12 от витков на основных катушках 4 и 5 вторичных обмоток делят число витков этих катушек в отношении, определяемом отношением отрезков (5-12):(12-С) ; (5-12)=U₆Sin30⁰-U₅Sin18⁰. Преобразуем второе слагаемое: U₅Sin18⁰=U₆Cos30⁰Sin18⁰/Cos18⁰=U₆Cos30⁰Tg18⁰Sin30⁰/Sin30⁰=U₆Sin30⁰Ctg30⁰Tg18⁰. Тогда отрезок (5-12)=U₆Sin30⁰(1-Ctg30⁰Tg18⁰)=U₆Sin30⁰(1-Tg60⁰Tg18⁰). Отрезок (12-C)=U₆Sin30⁰+U₅Sin18⁰=U₆Sin30⁰(1+Tg60⁰Tg18⁰) и отпайки будут делить число витков основных катушек 4 и 5 вторичных обмоток в отношении (1-Tg60⁰Tg18⁰):(1+Tg60⁰Tg18⁰). Отпайки 13 и 14 от витков на основных катушках 7 и 9 вторичных обмоток делят число витков этих катушек в отношении, определяемом отношением отрезков (С-14):(14-D); (С-14)=U₆Sin30⁰-U₅Sin6⁰-U₆Sin30⁰(1-Ctg30⁰Sin6⁰/Cos18⁰). Ctg30⁰-Tg60⁰, Cos18⁰=Sin72⁰. В итоге получаем: (С-14):(14-D)=(1-Tg60⁰Sin6⁰/Sin72⁰):(1+Tg60⁰Sin6⁰/Sin72⁰).

Работа пятифазного преобразователя числа фаз осуществляется следующим образом. При подключении трехфазного трансформатора к трехфазной сети в стержнях трансформатора возникают три магнитных потока, сдвинутых по фазе друг относительно друга на третью часть периода или в градусном измерении на 120⁰. Выполнение вторичной обмотки в виде шести основных катушек 4, 5, ,7 ,8, 9 вторичных обмоток позволяет получить по два вторичных напряжения на каждой фазе с противоположной полярностью (со сдвигом на 180⁰). Таким образом, при трех напряжениях сети, сдвинутых по фазе на 120⁰, получаются шесть напряжений, сдвинутых друг относительно друга на 60⁰. При соединении шести основных катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичных обмоток так, как описано выше, получается «шестиугольник» A, B, C, D, E, F с симметричной шестифазной системой напряжений. Проведенный анализ показал, что на витках основных катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичных обмоток, образующих «шестиугольник» A, B, C, D, E, F, находятся четыре точки a, c, d, e на отпайках 11, 12, 13, 14 от витков, потенциалы которых отличаются по фазе на одну пятую часть периода (что в градусном измерении равно 360⁰/5=72⁰), а пятая точка b находится на выходном зажиме 15 дополнительной катушки 10 вторичной обмотки и таким образом создается пятифазная симметричная система напряжений.

Таким образом, заявленная архитектура позволяет сократить расход активных материалов при замене трехфазного группового трансформатора трехстержневым с вдвое меньшим числом вторичных обмоток (с семью вместо пятнадцати), что в итоге позволяет улучшить весогабаритные показатели преобразователя, 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 регулируемых электроприводов постоянного тока;

- 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 соответствуют требованиям условиям патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.