трехфазный трансформатор

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.

Описание изобретения к патенту

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 W_21A, W_21B, W_21C (W_22A, W_22B, W_22C), (W_23A, W_23B, W_23C). 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 W_21A, W_22A, W_23A соединена с другой согласно-последовательно и образует первую фазу трехфазного трансформатора, каждая вторая выходная обмотка всех сердечников W_21В, W_22В, W_23В соединена с другой встречно-последовательно и образует вторую фазу трехфазного трансформатора, каждая третья выходная обмотка всех сердечников W_21С, W_22С, W_23С соединена с другой всречно-последовательно и образует третью фазу указанного трансформатора.

На фиг.1 и 2 обозначено: U напряжение; Н инвертор; ТV трансформатор; Z_A, Z_B, Z_C фазная нагрузка трансформатора; 1, 2, 3 номер сердечника; U_A, U_B, U_C синтезируемое мгновенное квазисинусоидальное фазное напряжение; 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 (Z_A=Z_B=Z_C )

"Эффект" поочередного перемагничивания сердечников трансформатора TV достигается посредством применения в немагничивающей обмотке W₁разного числа витков W₁₁ W₁₂ W₁₃ при идентичности параметров сердечников B_S1=B_S2=B_S3, l₁=l₂=l₃, Н_с1=H_с2=H_с3, где B_S индукция насыщения, Тл; l средняя длина сердечника, м; Н_с 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 Н_1i H_ci, где i номер сердечника.

Пусть W₁₁>W₁₂>W₁₃, тогда первым начнет перемагничиваться первый сердечник, так как Н₁₁ Н_с1. 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<Н; Н₁₃<Н. Покажем это.

Пусть ток I₁, протекающий по обмоткам, достиг величины, достаточной для перемагничивания первого сердечника I₁=I_c1= . Тогда с учетом разности витков W₁₁>W₁₂>W₁₃, равенства l₁=l₂=l₃, Н_с1=Н_с2=Н_с3 получим

I₁=I_c1= откуда

H₁₂=H_c1 < H_c2 (где W₁₁>W₁₂);

H₁₃=H_c1 < H_c3 (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= I_c2 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 +В_s к -B_s. В процессе поочередного перемагничивания сердечников в выходных обмотках трансформатора TV, W_21A, W_22B, W_23A (W_21B, W_22B, W_23B), (W_21C, W_22C, W_23C) 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);

u_A - l^*₁₁+ l^*₁₂+ l;

u_B -- l^*₁₁- l^*₁₂+ l;

(1)

u_C - l^*₁₁- l^*₁₂- l;

i₁= i_xx где Lg₁= W²₁₁ W²₁₁ g₁ дифференциальная индуктивность обмотки от перегмагничивания сердечника 1;

Lg₂= W²₁₂ g₂ дифференциальная индуктивность обмотки от перемагничивания сердечника 2;

Lg₃= W²₁₃ g₃ дифференциальная индуктивность обмотки от перемагничивания сердечника 3;

потокосцепление;

g 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= arcrg (H-H_c), где Н текущая напряженность поля под катушкой; и коэффициенты; Н_с коэрцитивная сила. Следовательно

g (6)

Анализ (6) показывает, что если используется магнитный материал с ППГ, то справедливо условие

g_{i i=1,2,3, ..., n,}

т.е. на горизонтальных участках ППГ gi 0, а на вертикальных 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 I_c1= . Скачок тока происходит вследствие того, что все сердечники имеют _i 0, т.е. их реактивное сопротивление отсутствует, либо близко к нулю. При достижении i_хх=I_с1 начинает перемагничиваться сердечник 1, а на время его перемагничивания амплитуда i_xx=I_c1=const и не достаточна для перемагничивания сердечника 2 и 3. Происходит следующее:

а) Пеpемагничивание сердечника 1. Выражение (2) и (3) с учетом g_i= , g₂=0, g₃=0 будет иметь вид

0; (8)

l^*₁₁= U₁= U₁=U₁. (9)

Следовательно, после интегрирования (8) получим

l_xx=const=I_c1 (10)

Из (8) и (10) следует, что ток холостого хода i_xx в обмотке W₁трансформатора TV на время перемагничивания сердечника 1 остается практически неизменным по амплитуде.

В выходные обмотки W_21A, W_21B, W_21C трансформируется напряжение, равное (см. фиг.2)

u_21A= l^*₁₁;

u_21B= l^*₁₁;

u_21C= 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 i_хх вновь скачком принимает значение, равное i_xx=I_c2= , 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 W_22A, W_22B, W_22C, охватывающих сердечник 2, формируются прямоугольные импульсы напряжения, равные по величине (см. фиг.2)

u_22A= l^*₁₂;

u_22B= l^*₁₂;

u_22C= l^*₁₂, где l^*₁₂ U₁

(14)

в) Перемагничивание сердечника 3. Процесс перемагничивания аналогичен рассмотренному выше (см.фиг.2), где

i_xx= ; l₁₁*=0; l₁₂*=0; l₁₃*=U₁

t₃= (15)

В выходных обмотках W_23A, W_23B, W_23C формируются прямоугольные импульсы напряжения, равные по величине

u_23A= l^*₁₃;

u_23B= l^*₁₃;

u_23C= 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 +В_ri к -В_ri, где1,2,3.

Во вторичных обмотках, включенных по схеме "звезда" с нулевым проводом с учетом заданного числа витков в каждой W_2ij (где i номер сердечника; j номер фазы), может быть получено трехфазное ступенчатое напряжение, близкое по форме к синусоиде (изменяя либо число витков W_2ij, либо сечение сердечника S_i), каждая фаза которого сдвинута на угол в 120^о (см. фиг.2).

2. Режим нагрузки (Z_A=r_A=Z_B=r_B=Z_c=r_c).

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)

u_A=i_НАr_A= - l^*₁₁+ l^*₁₂+ l;

u_B=i_НBr_B= -- l^*₁₁+ l^*₁₂+ l;

^uC⁼ⁱНC^rC⁼ ,

(17) где i_i ток намагничивания.

Для мгновенных значений токов в электрических цепях трансформатора TV система уравнений имеет вид

iW₁₁= i₁ W₁₁+i_НАW₂₁-i_HBW₂₁+i_HCW₂₁;

iW₁₂= i₂ W₁₂+i_HAW₂₂-i_HBW₂₂-i_HCW₂₂;

iW₁₃= i₃ W₁₃+i_HAW₂₃+i_HBW₂₃-i_HCW₂₃,

(18) где i ток в первичной обмотке W₁ в режиме нагруженного трансформатора;

i_i 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.