ТРАНСФОРМАТОР ИНВЕРТОРА

ТРАНСФОРМАТОР ИНВЕРТОРА


RU (11) 2192065 (13) C1

(51) 7 H01F30/12, H01F30/16 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 05.12.2008 - прекратил действие, но может быть восстановлен 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 2001126950/09 
(22) Дата подачи заявки: 2001.10.08 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2001.10.08 
(45) Опубликовано: 2002.10.27 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: БЕДФОРД Б. и др. Теория автономных инверторов. - М.: Энергия, 1969, с. 199,203. SU 57985 А, 30.09.1940. SU 146862 А, 13.04.1962. GB 2047485 А, 26.11.1980. 
(71) Заявитель(и): Военная академия ракетных войск стратегического назначения им. Петра Великого 
(72) Автор(ы): Кириллов Н.П.; Матвеев С.С.; Березов В.В.; Рулев А.С. 
(73) Патентообладатель(и): Военная академия ракетных войск стратегического назначения им. Петра Великого 
Адрес для переписки: 103074, Москва, Китайгородский пр-д, 9/5, Военная академия Ракетных войск стратегического назначения им. Петра Великого 

(54) ТРАНСФОРМАТОР ИНВЕРТОРА 

Трансформатор инвертора относится к области преобразовательной техники и может быть использован в электроприводах переменного тока. Трансформатор инвертора содержит n трехфазных первичных обмоток и составной магнитопровод, имеющий внешний сердечник, набранный из листов электротехнической стали с пазами, в которых уложены первичные обмотки по заданному правилу, и соосный ему внутренний сердечник, набранный из листов той же стали с пазами, в которых размещены витки вторичной трехфазной обмотки, выполненный по типу точных якорных обмоток с укороченным на заданную величину и заданным законом распределения числа витков в катушках катушечной группы. При наличии напряжения в первичных трехфазных обмотках в них будут протекать токи, под действием которых в составном магнитопроводе, содержащем внешний сердечник и внутренний сердечник, создается вращающееся магнитное поле, основной магнитный поток которого будет пересекать витки вторичной трехфазной обмотки и наводить ЭДС заданной величины, при этом нежелательные высшие гармоники фильтруются за счет конструкции обмотки, поэтому выходное напряжение трансформатора инвертора будет иметь квазисинусоидальную форму при рациональной массе, объеме, стоимости и потерях мощности, что является техническим результатом. 2 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано в системах электроснабжения различного назначения.

Известен трансформатор инвертора, состоящий из двух базовых модулей, выполненных по мостовой трехфазной схеме, при этом первичные обмотки трехфазных трансформаторов подключены к силовым трехфазным полупроводниковым коммутаторам, выходные напряжения которых сдвинуты относительно друг друга на угол /6, а вторичные обмотки соединены таким образом, чтобы амплитуда любой высшей гармоники в кривой выходного напряжения не превышала 7...10% амплитуды основной гармоники [1]. Указанный трансформатор инвертора прост по конструкции, характеризуется сравнительно высокими энергетическими показателями: масса, объем, КПД, однако форма выходного напряжения инвертора при этом имеет вид ступенчатой синусоиды, что ограничивает область использования как трансформатора, так и самого инвертора.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является трансформатор инвертора, содержащий четыре трехфазных трансформатора, первичные обмотки которых подключены к соответствующим трехфазным коммутаторам, выходные напряжения которых сдвинуты относительно друг друга на угол /12, а вторичные обмотки соединены таким образом, чтобы амплитуда любой высшей гармоники в кривой выходного напряжения инвертора не превышала 4...5% амплитуды основной гармоники [2]. Данный трансформатор инвертора образует 24-фазную схему соединений, в выходном напряжении которой самая низшая из всех высших гармоник является двадцать третья, т.е. форма выходного напряжения инвертора является квазисинусоидальной, при этом для дальнейшего улучшения формы выходного напряжения используются фильтры [2]. Основными недостатками рассматриваемого трансформатора инвертора являются: сложность электрической схемы, большая масса составного магнитопровода, имеющего четыре отдельных трехфазных трансформатора и выходной трехфазный фильтр, а также сравнительно большие потери мощности в стали.

Задачей изобретения является создание трансформатора инвертора, обеспечивающего получение технического результата, состоящего в уменьшении массы, объема и потерь в стали трансформатора инвертора при синусоидальной форме выходного напряжения.

Этот технический результат в трансформаторе инвертора, содержащем n трехфазных первичных обмоток, составной магнитопровод и трехфазную вторичную обмотку, достигается тем, что указанный магнитопровод выполнен тороидальным, имеет внешний сердечник, набранный из листов электротехнической стали с пазами, в которых уложены первичные обмотки по правилу: любая четная обмотка сдвинута относительно предшествующей нечетной обмотки на угол

= 2P/z (1)

где z=2pmq - число пазов внешнего сердечника;

р - число пар полюсов;

m - число фаз;

q - число пазов на полюс и фазу,

и соосный ему внутренний сердечник, набранный из листов той же стали с пазами, а вторичная обмотка выполнена по типу точных якорных обмоток с фазной зоной 120o, укороченным шагом y = 2/3, где - полюсное деление внутреннего сердечника и распределением числа витков в катушках катушечной группы согласно закону

Wi = W1cos(|i|+/6)/cos/6, (2)

где W1- число витков в первой катушке;

Wi - число витков в i-й катушке;

i - угол сдвига оси i-й катушки от средины фазной зоны, при этом упомянутые витки размещены в пазах внутреннего сердечника.

Сравнительный анализ показал, что заявленное изобретение отличается компактной формой составного магнитопровода (два тороидальных соосных сердечника вместо четырех П-образных сердечников) и фильтрующими свойствами вторичной обмотки, что позволяет получить требуемый технический результат.

Требуемый технический результат достигается вновь введенной совокупностью существенных признаков, которая в известной патентной и научно-технической литературе не обнаружена на дату подачи заявки, что говорит об "изобретательском уровне решения".

На фиг. 1 изображена схема трансформатора инвертора. На фиг.2 показаны векторы фазных напряжений фазы А каждой из первичных обмоток и вектор напряжения фазы А вторичной обмотки. На фиг.1 введены обозначения: 1 - первичные трехфазные обмотки при n=4, 2 - внешний сердечник, 3 - внутренний сердечник, 4 - трехфазная вторичная обмотка.

В статическом состоянии трансформатор инвертора содержит четыре трехфазных первичных обмотки 1, уложенных в пазы внешнего сердечника 2, набранного из листов электротехнической стали по правилу: любая четная обмотка сдвинута относительно предшествующей нечетной на угол, определяемый по формуле (1), и соосный ему внутренний сердечник 3, набранный из листов той же стали с пазами, в которых размещены витки вторичной трехфазной обмотки 4, выполненный по типу точных якорных обмоток с фазной зоной 120o, укороченным шагом y = 2/3, где - полюсное деление внутреннего сердечника 3 и распределением числа витков в катушках катушечной группы согласно закону, описываемому выражением (2). Внешний сердечник 2 и внутренний сердечник 3 по своей конструкции идентичны статорам прямой и обращенной формы электрических машин переменного тока, а воздушный зазор между ними постоянен и выбирается из условий тугой посадки. Предлагаемая конструкция составного магнитопровода позволяет производить электрическое и магнитное суммирование входных напряжений практически с любым числом первичных обмоток, т.е. при n=4, =15o; при n=8, =7,5o; при n= 16, =3,75o и т.д., оттуда следует, что увеличение числа первичных трехфазных обмоток 1 приводит только к росту числа пазов внешнего сердечника 2. Применение вторичной трехфазной обмотки 4, построенной по типу точных якорных обмоток, позволит получить синусоидальное напряжение в инверторе без применения фильтров. Эффект от применения описанной конструкции составного магнитопровода можно определить на основе первой теоремы подобия, по которой для схемы, показанной на фиг.1, имеет

G2/G1= V2/V1= C2/C1=P2/P1=31/431,6%,

где G2, V2, C2, P2 - масса, объем, стоимость и потери мощности при четырех трехфазных трансформаторах в инверторе;

G1, V1, C1, P1 - масса, объем, стоимость и потери мощности в предлагаемом составном магнитопроводе.

Трансформатор инвертора работает следующим образом.

При наличии напряжения в первичных трехфазных обмотках 1 по ним протекают соответствующие токи, под действием которых в сердечниках 2 и 3 создается вращающееся магнитное поле. Основной магнитный поток указанного поля пересекает витки вторичной трехфазной обмотки 4 и наводит в ней электродвижущую силу, величина которой равна

E2=4,44fW2ФK02,

где f - частота входного напряжения первичных обмоток 1;

W2 - число витков вторичной обмотки 4;

Ф - основной магнитный поток, образованный полем сердечников 2 и 3;

К02 - обмоточный коэффициент вторичной трехфазной обмотки 4, который равен для любой гармоники v



где N- число лучей звезды пазовых ЭДС;

- угол между соседними лучами;

k=l,2,...,.

При четырех первичных трехфазных обмотках 1 у трансформатора инвертора будет создана кривая выходного напряжения, в которой присутствуют 23, 25, 35 и 37 гармоники, однако наличие описанных фильтрующих свойств вторичной трехфазной обмотки 4 предопределит их нейтрализацию без фильтра, поэтому выходное напряжение трансформатора инвертора будет квазисинусоидальным в широком диапазоне изменения тока нагрузки.

Источники информации

1. Высокочастотные транзисторные преобразователи. Под ред. Э.М. Ромаша. М.: Радио и связь, 1988, с.270, рис. 7.18.

2. Б. Бедфорд, Р. Хофт. Теория автономных инверторов. М.: Энергия, 1969, с. 199, рис. 6.18 и рис. 6.22, с. 203)и 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



Трансформатор инвертора, содержащий п трехфазных первичных обмоток, составной магнитопровод и трехфазную вторичную обмотку, отличающийся тем, что указанный магнитопровод выполнен тороидальным, имеющим внешний сердечник, набранный из листов электротехнической стали с пазами, в которых уложены первичные обмотки по правилу: любая четная первичная обмотка сдвинута относительно предшествующей нечетной обмотки на угол = 2P/z, где z = 2pmq - число пазов внешнего сердечника; р - число пар полюсов; m - число фаз; q - число пазов внешнего сердечника, на полюс и фазу, и соосный ему внутренний сердечник, набранный из листов той же стали с пазами, а вторичная обмотка выполнена по типу якорных обмоток с фазной зоной 120o, укороченным шагом y = 2/3, где - полюсное деление внутреннего сердечника, и распределением числа витков в катушках катушечной группы согласно закону

Wi = W1cos(|i|+/6)/cos/6,

где W1 - число витков в первой катушке;

Wi - число витков в i-ой катушке;

i - угол сдвига оси i-ой катушки от середины фазной зоны,

при этом указанные витки размещены в пазах внутреннего сердечника.