Результат интеллектуальной деятельности: Многофазный фазочастотный трансформатор-регулятор

Изобретение относится к электротехнике, в частности к многофазным трансформаторам, фазорегуляторам и регуляторам частоты, и может быть использовано, например, в лабораторных условиях для поверки электросчетчиков, для питания потребителей многофазного напряжения, критичных к его частоте и т.д.

Известна конструкция фазорегулятора (Костенко М.П., Пиотровский Л.М. Электрические машины, Ч 2, Л. "Энергия", 1973, с. 394), представляющего собой асинхронную машину цилиндрического исполнения с фазным заторможенным ротором. Такой фазорегулятор содержит статор и ротор с соответствующими трехфазными обмотками, корпус, подшипниковые щиты и самотормозящуюся червячную передачу, позволяющую оператору вращать ротор относительно неподвижного статора на необходимый угол с целью изменения фазы выходного напряжения. При этом за первичную обмотку обычно принимается обмотка статора, за вторичную - обмотка ротора. При поворачивании ротора фаза выходного напряжения плавно изменяется в пределах 0 - 2 π при постоянной величине этого напряжения.

Однако конструкция такого фазорегулятора сложна из-за необходимости штамповки листов магнитопроводов статора и ротора. Кроме того, стоимость такого фазорегулятора велика из-за большого расхода электротехнической стали, связанного с высоким процентом ее отходов при штамповке. Более того, конструкция такого фазорегулятора не позволяет получить многофазное выходное напряжение.

Известен многофазный трансформатор (пат. РФ №2082245, авторы Сингаевский Н.А., Гайтов Б.Х. и др.), содержащий средний витой магнитопровод с обмотками и два боковых магнитопровода, примыкающих к торцам среднего магнитопровода через немагнитные прокладки, причем средний витой магнитопровод и два боковых витых магнитопровода выполнены тороидальными, на торцах среднего магнитопровода выполнены пазы, в которые уложена первичная трехфазная обмотка, охватывающая этот магнитопровод, а на торцах боковых магнитопроводов, примыкающих к среднему магнитопроводу через немагнитные прокладки, выполнены пазы, в которые уложены две вторичные многофазные обмотки, каждая из которых охватывает тот боковой магнитопровод, в пазы которого она уложена.

Существенным недостатком такого многофазного трансформатора является невозможность обеспечения регулирования фазы выходного напряжения, т.е. невозможность использования его в качестве фазорегулятора ввиду того, что магнитопроводы многофазного трансформатора выполнены взаимно неподвижными.

Этих недостатков лишен многофазный трансформатор-фазорегулятор (пат. РФ №2139586, авторы Гайтов Б.Х., Кашин Я.М., Сингаевский Н.А. и др.), являющийся наиболее близким к изобретению по технической и физической сущности и принятый автором за прототип. Известный из пат. РФ №2139586 многофазный трансформатор-фазорегулятор содержит два тороидальных магнитопровода с пазами, в которые уложены первичная трехфазная и вторичная многофазная обмотки, при этом тороидальный магнитопровод со вторичной многофазной обмоткой выполнен подвижным относительно неподвижного тороидального магнитопровода с первичной трехфазной обмоткой, для чего установлена самотормозящаяся червячная передача, жестко связанная с подвижным тороидальным магнитопроводом, а между тороидальными магнитопроводами имеется воздушный зазор, необходимый для их взаимного перемещения.

Однако, выходное напряжение, снимаемое со вторичной многофазной обмотки известного из пат. РФ №2139586 многофазного трансформатора-фазорегулятора нестабильно по частоте и зависит от частоты напряжения, подаваемого на его первичную трехфазную обмотку. Поэтому такой трансформатор-фазорегулятор не может быть использован для обеспечения многофазным напряжением потребителей, критичных к частоте питающего напряжения.

Задачей заявленного изобретения является усовершенствование многофазного трансформатора-регулятора, позволяющее расширить область его применения.

Технический результат заявленного изобретения - обеспечение возможности регулирования выходного напряжения по частоте.

Технический результат достигается тем, что в многофазном фазочастотном трансформаторе-регуляторе, содержащем два аксиальных магнитопровода с пазами, в которые уложены первичная трехфазная и вторичная многофазная обмотки, причем аксиальный магнитопровод со вторичной многофазной обмоткой выполнен с возможностью вращения относительно неподвижного аксиального магнитопровода с первичной трехфазной обмоткой вокруг их общей оси симметрии, а между аксиальными магнитопроводами имеется воздушный зазор, необходимый для их взаимного перемещения, дополнительно в верхней части корпуса устанавливаются корректирующий двигатель, вал которого закреплен в подшипниковых узлах, и корректор-задатчик фазы и частоты, имеющий первый и второй входы, в нижней части вала корректирующего двигателя устанавливаются токосъемные кольца, выполняемые в форме концентрических окружностей и соединяемые с фазами вторичной многофазной обмотки, а в нижней части корпуса устанавливаются скользящие контакты, при этом аксиальный магнитопровод с вторичной многофазной обмоткой жестко закрепляется на валу корректирующего двигателя посредством диска, к первичной трехфазной обмотке подключается первый вход, а к вторичной многофазной обмотке - второй вход корректора-задатчика фазы и частоты, выход которого подключается ко входу корректирующего двигателя.

Предлагаемое изобретение, выполняя функцию преобразования трехфазного напряжения в многофазное и регулирования фазы выходного напряжения, как и прототип, в тоже время в отличие от него позволяет расширить область его применения за счет обеспечения возможности регулирования частоты выходного напряжения.

Возможность регулирования частоты выходного напряжения достигается дополнительной установкой в верхней части корпуса предлагаемого многофазного фазочастотного трансформатора-регулятора корректирующего двигателя и корректора-задатчика фазы и частоты, имеющего первый и второй входы, установкой в нижней части вала корректирующего двигателя токосъемных колец, выполняемых в форме концентрических окружностей и соединяемых с фазами вторичной многофазной обмотки, установкой в нижней части корпуса скользящих контактов, жестком закреплении на валу корректирующего двигателя посредством диска аксиального магнитопровода с вторичной многофазной обмоткой, подключением к первичной трехфазной обмотке первого входа, а к вторичной многофазной обмотке - второго входа корректора-задатчика фазы и частоты и подключением его выхода ко входу корректирующего двигателя.

Корректор-задатчик фазы и частоты, имеющий первый и второй входы, позволяет установить заданные значения фазы и частоты выходного напряжения предлагаемого трансформатора-регулятора и сравнить фактические значения фазы и частоты выходного напряжения с заданными. Корректирующий двигатель позволяет поворачивать подвижный аксиальный магнтитопровод с вторичной многофазной обмоткой относительно неподвижного аксиального магнитопровода с первичной трехфазной обмоткой до устранения рассогласования по фазе, а также вращать подвижный аксиальный магнитопровод с вторичной многофазной обмоткой относительно неподвижного аксиального магнитопровода с первичной трехфазной обмоткой до устранения рассогласования по частоте.

Установка в нижней части вала корректирующего двигателя токосъемных колец, выполняемых в форме концентрических окружностей и соединяемых с фазами вторичной многофазной обмотки, а также установка в нижней части корпуса скользящих контактов позволяют соединять фазы вторичной многофазной обмотки со вторым входом корректора задатчика фазы и частоты. Это позволяет сравнить фазу и частоту выходного напряжения с заданными, и соответственно обеспечить возможность их регулирования.

Жесткое закрепление на валу корректирующего двигателя посредством диска аксиального магнитопровода с вторичной многофазной обмоткой позволяет вращать этот магнитопровод относительно аксиального магнитопровода с первичной трехфазной обмоткой с соответствующей угловой скоростью, что в свою очередь позволяет увеличивать или уменьшать частоту выходного напряжения, доводя ее до заданной.

Подключение первого входа корректора-задатчика фазы и частоты к первичной трехфазной обмотке, а второго входа - к вторичной многофазной обмотке позволяет сравнить значения фазы и частоты входного и выходного напряжения, измерить отклонение их от заданного, сформировать напряжение, пропорциональное этим отклонениям и благодаря подключению выхода корректора-задатчика фазы и частоты ко входу корректирующего двигателя обеспечить поворот или вращение аксиального магнитопровода с вторичной многофазной обмоткой относительно аксиального магнитопровода с первичной трехфазной обмоткой на соответствующий угол или с соответствующей угловой скоростью.

На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого многофазного фазо-частотного трансформатора-регулятора в разрезе, на фиг. 2 - схема соединения его обмоток и подключения корректора-задатчика фазы и частоты и корректирующего двигателя, на фиг. 3 - векторная диаграмма для одной фазы.

Многофазный фазо-частотный трансформатор-регулятор содержит (фиг. 1): корпус 1, неподвижный аксиальный магнитопровод 2 с первичной трехфазной обмоткой 3, аксиальный магнитопровод 5 со вторичной многофазной (на фиг. 2 - девятифазной) обмоткой 4, выполненный с возможностью вращения относительно неподвижного аксиального магнитопровода 2 с первичной трехфазной обмоткой 3 вокруг их общей оси симметрии, корректирующий двигатель 8, вал 9 которого закреплен в подшипниковых узлах 7 и 13, корректор-задатчик фазы и частоты 10, имеющий два входа. Между аксиальными магнитопроводами 2 и 5 имеется воздушный зазор, необходимый для их взаимного перемещения.

В нижней части вала 9 корректирующего двигателя 8 установлены токосъемные кольца 11, выполненные в форме концентрических окружностей и соединенные с фазами вторичной многофазной обмотки 4, а в нижней части корпуса 1 установлены скользящие контакты 12. Аксиальный магнитопровод 5 с вторичной многофазной обмоткой 4, выполненный с возможностью вращения относительно неподвижного аксиального магнитопровода 2, жестко закреплен на валу 9 корректирующего двигателя 8 посредством диска 6. К первичной трехфазной обмотке 3 подключен первый вход, а к вторичной многофазной обмотке 4 - второй вход корректора-задатчика фазы и частоты 10, выход которого подключен ко входу корректирующего двигателя 8.

Многофазный фазо-частотный трансформатор-регулятор работает следующим образом.

При подключении первичной трехфазной обмотки 3, уложенной в пазы неподвижного аксиального магнитопровода 2 к питающей сети напряжением U₁ в воздушном зазоре многофазного фазо-частотного траснфор-матора-регулятора создается вращающееся магнитное поле, которое, взаимодействуя со вторичной многофазной обмоткой 4, уложенной в пазы подвижного аксиального магнитопровода 5, наводит в ней многофазную ЭДС. Эта ЭДС через установленные в нижней части вала 9 корректирующего двигателя 8 токосъемные кольца 11 подается на установленные в нижней части корпуса 1 скользящие контакты 12 и с них - к потребителям.

Фаза ЭДС во вторичной многофазной обмотке 4 зависит от первоначального взаимного расположения осей вторичной многофазной 4 и первичной трехфазной 3 обмоток, уложенных в пазы аксиального магнитопровода 5 и неподвижного аксиального магнитопровода 2 соответственно.

Регулирование фазы выходного напряжения осуществляется следующим образом. Корректором-задатчиком фазы и частоты 10 устанавливается заданное значение фазы выходной ЭДС Е₂ (а при подключении нагрузки - фазы выходного напряжения U₂). На первый вход корректора-задатчика фазы и частоты 10 подается напряжение первичной трехфазной обмотки 3, подключенной к питающей сети, а на его второй вход - ЭДС вторичной многофазной обмотки 4. В корректоре-задатчике фазы и частоты 10 фазы напряжения первичной трехфазной обмотки 3 и ЭДС вторичной многофазной обмотки 4 сравниваются. Если фактическое значение фазы ЭДС вторичной многофазной обмотки 4 отличается от заданного, то на выходе корректора-задатчика фазы и частоты 10 формируется напряжение, пропорциональное этому отклонению. Это напряжение подается на вход корректирующего двигателя 8, вал 9 которого закреплен в подшипниковых узлах 7 и 13. Под действием этого напряжения корректирующий двигатель 8 поворачивает аксиальный магнитопровод 5 со вторичной многофазной обмоткой 4, жестко закрепленный на валу 9 посредством диска 6, относительно неподвижного аксиального магнитопровода 2 с первичной трехфазной обмоткой 3 вокруг их общей оси симметрии на определенный угол, что приводит к соответствующему повороту вектора ЭДС Е₂ (см. фиг.3, на которой стрелками показаны возможные направления перемещения вектора ЭДС E_2, а, следовательно, и вектора напряжения U₂ при подключении нагрузки) вторичной многофазной обмотки 4 относительно вектора напряжения U₁, подаваемого на первичную трехфазную обмотку 3 из питающей сети, при постоянной величине ЭДС Е₂, т.е. приводит к соответствующему изменению фазы ЭДС Е₂, а, значит, и вектора напряжения U₂.

Регулирование частоты выходного напряжения осуществляется следующим образом. Корректором-задатчиком фазы и частоты 10 устанавливается заданное значение частоты выходной ЭДС Е₂ (а при подключении нагрузки - фазы выходного напряжения U₂). На второй вход корректора-задатчика фазы и частоты 10 подается ЭДС вторичной многофазной обмотки 4. В корректоре-задатчике фазы и частоты 10 сравниваются фактическая частота ЭДС вторичной многофазной обмотки 4 с заданной. Если фактическое значение частоты ЭДС вторичной многофазной обмотки 4 отличается от заданного, то на выходе корректора-задатчика фазы и частоты 10 формируется напряжение, пропорциональное этому отклонению. Это напряжение подается на вход корректирующего двигателя 8, под действием которого он вращает подвижный аксиальный магнитопровод 5 со вторичной многофазной обмоткой 4 относительно неподвижного аксиального магнитопровода 2 с первичной трехфазной обмоткой 3 вокруг их общей оси симметрии с угловой скоростью, равной отклонению фактического значения частоты выходного напряжения U₂ от заданного, определяемой по формуле:

где - угловая скорость вращения аксиального магнитопровода 5 с вторичной многофазной обмоткой 4; ω_2зад=2πƒ_2зад (ƒ_2зад - заданное значение частоты выходного напряжения U₂); ω_2факт=2πƒ_2факт (ƒ_2факт - фактическое значение частоты выходного напряжения U₂).