ДВЕНАДЦАТИПУЛЬСНЫЙ ТРАНСФОРМАТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ

Предлагаемое изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при создании преобразователей 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 известен преобразователь трехфазного переменного напряжения в многофазное 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 г., стр.21-25).

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

Известны также преобразователи трехфазного переменного напряжения в многофазное, использующие схему «зигзаг», в которых трансформатор снабжен дополнительной группой вторичных обмоток. Группы вторичных обмоток соединены с разноименными фазами дополнительных вторичных обмоток (В.Казаков. Источники питания. Многофазные силовые трансформаторы-преобразователи и выпрямители. Силовая электроника №4, 2006 г., стр.7-15).

Недостатком таких устройств является большое число вторичных обмоток, что значительно усложняет конструкцию преобразователя, технологию его изготовления, приводит к перерасходу материалов и увеличению его стоимости.

Наиболее близким решением из уровня техники является преобразователь числа фаз, используемый для получения многофазного напряжения, состоящий из трех однофазных трансформаторов, содержащих каждый по одной первичной обмотке и требующий несколько групп вторичных обмоток.

Известный преобразователь требует для своей реализации трехфазную сеть, три однофазных трансформатора с тремя первичными обмотками, подключенными к трехфазной сети и тринадцать вторичных обмоток, создающих двенадцать выходов двенадцатифазной системы напряжений (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 г., стр.78-96).

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 большое число вторичных обмоток с различными параметрами, что значительно усложняет конструкцию преобразователя, технологию его изготовления и приводит к перерасходу материалов, потерям мощности и увеличению стоимости преобразователя.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание такой архитектуры преобразователя, которая позволяет сократить расход активных материалов при замене трехфазного группового трансформатора трехстержневым трансформатором, что в итоге позволяет улучшить весогабаритные показатели преобразователя, упростить конструкцию преобразователя, технологию его изготовления, уменьшить потери в нем и его стоимость.

Поставленная техническая задача решается посредством двенадцатипульсного трансформаторного преобразователя напряжения, представляющего собой трехфазный трансформатор, состоящий из трех катушек первичной обмотки, подключенных к трехфазной сети по схеме «звезда» или «треугольник», и девяти катушек вторичной обмотки: трех добавочных катушек, создающих узел с нулевым потенциалом преобразователя, и шести основных, расположенных по две на каждом из трех стержней магнитопровода трансформатора с двенадцатью отпайками от витков, к которым подключены вентили, при этом у каждой из основных катушек вторичной обмотки выполнены по две отпайки от витков, делящие число витков катушки на части от ее начала до конца с отношением числа витков катушки 0,268:0,464:0,268, кроме того, основные катушки соединены одна с другой узлами в один контур в виде «шестиугольника» таким образом, что при подключении трансформатора к трехфазной сети напряжения между узлами «шестиугольника» образуют симметричную шестифазную систему напряжений, а отпайки представляют собой выходы симметричной двенадцатифазной системы переменных напряжений, преобразуемых вентилями, собранными по схеме с нулевой точкой, причем полярность вентилей выбрана такой, что нулевая точка является отрицательным полюсом преобразователя, помимо этого узел, к которому подсоединены катоды вентилей, является положительным полюсом преобразователя.

Предлагаемое изобретение поясняется графическими материалами, где:

- на фиг.1 представлена схема двенадцатипульсного трансформаторного преобразователя напряжения;

- на фиг.2 - векторная диаграмма потенциалов на вторичных обмотках преобразователя и на отпайках (выходах) вторичных обмоток.

Двенадцатипульсный трансформаторный преобразователь напряжения состоит из трехфазного трансформатора, имеющего три линейных провода 1, 2, 3 сети, нулевой провод Ос сети, три катушки 1Ос, 2Oc и 3Oc первичной обмотки трансформатора, которые соединены с сетью и между собой по схеме «звезда» (или «треугольник») и девять катушек вторичных обмоток, из которых три добавочных B0, D0, F0, создающих нулевую точку, и шесть основных 4, 5, 6, 7, 8, 9, связанных между собой узлами и образующих шестиугольник с вершинами ABCDEF. Шесть соединенных между собой катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичной обмотки имеют отпайки (выходы) a, b, c, d, e, f, g, h, k, l, m, n от витков. При этом начало катушки 4 соединено с началом катушки 8, образуя узел А, конец катушки 8 соединен с концом катушки 6, образуя узел В, начало катушки 6 соединено с началом катушки 5, образуя узел С, конец катушки 5 соединен с концом катушки 9, образуя узел D, начало катушки 9 соединено с началом катушки 7, образуя узел Е, конец катушки 7 соединен с концом катушки 4, образуя узел F и замыкая контур катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичных обмоток, образующих «шестиугольник» ABCDEF. Каждая катушка 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичной обмотки трансформатора является стороной «шестиугольника» ABCDEF, преобразующего симметричную трехфазную систему напряжений сети в симметричную шестифазную систему напряжений. Фазовый угол симметричной двенадцатифазной системы напряжений может быть определен из выражения: 360°:12=30°. Напряжение двенадцатифазной системы напряжений зависит от величины напряжения шестифазной системы и связано с ним соотношением: U₁₂Cos15°=U₆Cos30°, что следует из рассмотрения прямоугольных треугольников (0-C-22) и (0-е-22):(0-22)=U₆Cos30°=U₁₂Cos15°, где 15°=30°:2. Где: U₆ - величина фазного напряжения шестифазной системы напряжений преобразователя. U₁₂ - величина фазного напряжения двенадцатифазной системы напряжений преобразователя.

Определим теперь положение отпаек a, b, c, d, e, f, g, h, k, l, m, n от витков катушек 4,5,6,7,8,9 вторичных обмоток на примере катушки 5. Для этого воспользуемся векторной диаграммой (фиг.2), где 0a, 0b, 0c, 0d, 0e, 0f, 0g, 0h, 0k, 01, 0m, 0n - потенциалы на отпайках a,b,c,d,e,f,g,h,k,l,m,n от витков основных катушек 4,5,6,7,8,9 вторичной обмотки трансформатора. Число витков катушки 5 пропорционально длине вектора напряжения на катушке 5. Отпайки с и d от витков катушки 5 делят ее число витков в отношении, определяемом отношением отрезков (С-е), (e-f) и (f-D). Отрезок (С-е)=(f-D)=U₆Sin30°-U₁₂Sin15°. Выражая U₁₂ через U₆ после преобразований, получаем: (С-е)=0,5U₆(1-Ctg30°Tg15°) и следующее отношение чисел витков, от которых выполняются отпайки с и d:0,5(1-Ctg30°Tg15°):(Ctg30°Tg15°):0,5(1-Ctg30°Tg15°)=0,268:0,464:0,268.

Двенадцатипульсный трансформаторный преобразователь напряжения работает следующим образом.

При подключении трехфазного трансформатора к трехфазной сети в стержнях магнитной цепи трансформатора возникают три магнитных потока, сдвинутых по фазе относительно друг друга на третью часть периода или в градусном измерении на 120°. Выполнение вторичной обмотки для каждой фазы в виде двух катушек на стержне каждой фазы позволяет получить два вторичных напряжения с противоположной полярностью (со сдвигом на 180°). Таким образом, при трех напряжениях сети, сдвинутых по фазе на 120°, получаются шесть вторичных напряжений, сдвинутых по фазе друг относительно друга на 60°. При соединении шести катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичных обмоток так, как описано выше, получается шестифазный «шестиугольник» ABCDEF с симметричной шестифазной системой напряжений на катушках 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичной обмотки. Проведенный анализ показал, что на витках катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичных обмоток, образующих «шестиугольник» ABCDEF, можно найти двенадцать точек, потенциалы которых равны по величине, но отличаются по фазе на одну двенадцатую часть периода (что в градусном измерении равно 360°:12=30°), и получить двенадцатифазную симметричную систему переменных напряжений. Подключив к выходам a, b, c, d, e, f, g, h, k, l, m, n двенадцатифазной системы напряжений своими анодами вентили 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, можно получить двенадцатипульсное выпрямленное напряжение. Среднее значение тока, протекающего через каждый вентиль, будет равно одной двенадцатой части выпрямленного тока нагрузки, а потери напряжения в преобразователе будут равны потере напряжения в одном работающем вентиле, так как каждое мгновение работает лишь один вентиль.

Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, позволяет сократить расход активных материалов при замене трехфазного группового трансформатора трехстержневым, уменьшить габариты вентиля преобразователя, так как его габариты и стоимость зависят от среднего значения тока вентиля, что в итоге позволяет улучшить весогабаритные показатели преобразователя, упростить конструкцию преобразователя, технологию его изготовления и уменьшить его 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, соединены 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.