RU176754U1 - MULTI-PHASE TRANSFORMER - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к силовой электротехнике и может быть использована для умножения числа фаз, а также в статических преобразователях, а именно в выпрямителях и инверторах.Из уровня техники известны различные варианты конструкции трансформатора с вращающимся полем, в том числе с многофазной кольцевой обмоткой. К недостаткам всех вариантов трансформатора с кольцевой обмоткой является необходимость использовать удвоенное число комплектов полупроводниковых ключей в статических преобразователях на их основе, а также возникновение паразитных токов при нарушении симметрии питающих напряжений, и технологическом разбросе.Преимущество предлагаемого многофазного трансформатора заключается в использовании дискретного набора разомкнутых кольцевых обмоток, имеющих пространственный сдвиг между собой. Образующиеся при этом однофазные напряжения объединяются в многофазную систему путем соединения обмоток в звезду. Таким образом, дискретность отводов замкнутой кольцевой обмотки прототипа заменяется набором дискретных обмоток, каждая из которых образует одну фазу. Встречно-последовательное включение секций разомкнутых обмоток позволяет более эффективно использовать индуцируемое напряжение и уменьшить число витков в катушках в два раза. Кроме того, управление соединенными в звезду обмотками производится аналогично обычной многофазной обмотке трансформатора с пульсирующим полем.Основным достигаемым техническим результатом является уменьшение общего числа полупроводниковых ключей, используемых в статических преобразователях. Также увеличивается эффективность использования числа витков обмоток и исключается протекание круговых токов при несимметрии фаз питающей сети, что способствует улучшению габаритных показателей трансформатора с вращающимся полем.The utility model relates to power electrical engineering and can be used to multiply the number of phases, as well as in static converters, namely rectifiers and inverters. Various variants of the design of a transformer with a rotating field, including with a multiphase ring winding, are known from the prior art. The disadvantages of all options for a transformer with a ring winding is the need to use twice the number of sets of semiconductor switches in static converters based on them, as well as the occurrence of stray currents when the symmetry of the supply voltage is violated, and the technological spread. The advantage of the proposed multiphase transformer is the use of a discrete set of open ring windings having a spatial shift among themselves. The resulting single-phase voltages are combined into a multiphase system by connecting the windings to a star. Thus, the discreteness of the taps of the closed annular winding of the prototype is replaced by a set of discrete windings, each of which forms one phase. Counter-sequential switching of sections of open windings allows more efficient use of the induced voltage and reduces the number of turns in the coils by half. In addition, the control of the windings connected to the star is carried out similarly to the usual multiphase winding of a transformer with a pulsating field. The main technical result achieved is to reduce the total number of semiconductor switches used in static converters. The efficiency of using the number of turns of the windings also increases and the flow of circular currents is excluded with asymmetries in the phases of the supply network, which helps to improve the overall performance of a transformer with a rotating field.

Description

Область техники, к которой относится полезная модель. Полезная модель относится к силовой электротехнике и может быть использована в многофазных полупроводниковых статических преобразователях.The technical field to which the utility model belongs. The utility model relates to power electrical engineering and can be used in multiphase semiconductor static converters.

Уровень техники. Известен многофазный трансформатор с вращающимся магнитным полем [авторское свидетельство СССР на изобретение №120869], выполненный по типу асинхронной машины с двумя обмотками, оси которых сдвинуты одна относительно другой на угол, отличный от нуля и 180 градусов. Фазные обмотки со стороны первичной и вторичной стороны соединяются по типу соединения фазных обмоток многофазного асинхронного двигателя.The level of technology. Known multiphase transformer with a rotating magnetic field [USSR copyright certificate for invention No. 120869], made as an asynchronous machine with two windings, the axes of which are shifted relative to each other by an angle other than zero and 180 degrees. Phase windings on the primary and secondary side are connected by the type of connection of the phase windings of a multiphase induction motor.

К недостатку такого решения можно отнести использование многофазных обмоток, соединенных звездой на выходе, соответствующем стороне постоянного тока в полупроводниковых статических преобразователях - что ведет к необходимости использования широтно-импульсной модуляции в составе упомянутых преобразователей и приводит к снижению общего КПД установки.The disadvantage of this solution is the use of multiphase windings connected by a star at the output corresponding to the DC side in semiconductor static converters - which leads to the need to use pulse-width modulation as part of the mentioned converters and reduces the overall efficiency of the installation.

Также известен трансформатор с трехфазной и круговой обмотками [патент РФ на изобретение №2525298], содержащий шихтованный магнитопровод, с трехфазной и кольцевой обмотками, уложенными в пазах. Трехфазная обмотка выполняется по типу обмоток статора электрических машин переменного тока, а кольцевая (круговая) обмотка выполняется замкнутой по типу обмоток якоря машин постоянного тока. Кольцевая обмотка располагается на стороне постоянного тока, и при работе в составе статического преобразователя ее отводы подключены к полупроводниковому коммутатору (многофазному мосту).Also known is a transformer with three-phase and circular windings [RF patent for invention No. 2525298] containing a lined magnetic circuit with three-phase and ring windings laid in grooves. The three-phase winding is carried out according to the type of stator windings of AC electric machines, and the ring (circular) winding is performed as an armature of the DC machines closed by the type of windings. The ring winding is located on the DC side, and when operating as part of a static converter, its taps are connected to a semiconductor switch (multiphase bridge).

К недостаткам такого решения можно отнести наличие внутренних паразитных токов кольцевой обмотки, вызванных несимметрией питающих напряжений и технологическими отклонениями конструкции - что ведет к увеличению потерь, снижению коэффициента полезного действия и повышенному нагреву. Кроме того, использование отводов секций кольцевой обмотки требует удвоенного числа комплектов полупроводниковых ключей, поскольку число фаз выходного напряжения кольцевой обмотки составляет половину от числа ее выводов - что усложняет схему полупроводникового коммутатора и увеличивает себестоимость статического преобразователя на базе трансформатора с вращающимся полем.The disadvantages of this solution include the presence of internal parasitic currents of the annular winding caused by the asymmetry of the supply voltage and technological deviations of the design - which leads to increased losses, lower efficiency and increased heating. In addition, the use of taps of sections of the ring winding requires a double number of sets of semiconductor switches, since the number of phases of the output voltage of the ring winding is half of the number of its conclusions - which complicates the circuit of a semiconductor switch and increases the cost of a static converter based on a transformer with a rotating field.

Раскрытие полезной модели.Disclosure of a utility model.

Из уровня техники известны различные варианты статических полупроводниковых преобразователей. В основе их в общем случае лежит использование многофазного трансформатора - для гальванической развязки с питающей сетью, и увеличения числа фаз на выходе - что определяет качество выходного напряжения в режиме выпрямителя. Выводы трансформатора можно разделить на подключаемые к сети переменного тока, и расположенные со стороны звена постоянного тока статического преобразователя. Последние подключаются к полупроводниковому коммутатору, реализующему определенный алгоритм преобразования в соответствии с сигналами от системы управления. Количество полупроводниковых ключей в упомянутом коммутаторе определяется не только его типом (наличием реверсивности и/или двунаправленности), но и общим числом отводов коммутируемой обмотки трансформатора.Various variants of static semiconductor converters are known in the art. They are generally based on the use of a multiphase transformer - for galvanic isolation with the supply network, and increasing the number of phases at the output - which determines the quality of the output voltage in the rectifier mode. The transformer leads can be divided into connected to the AC network, and located on the DC link side of the static converter. The latter are connected to a semiconductor switch that implements a certain conversion algorithm in accordance with the signals from the control system. The number of semiconductor switches in the said switch is determined not only by its type (the presence of reversibility and / or bi-directionality), but also by the total number of taps of the switched transformer winding.

Таким образом, перед заявляемым решением стоит следующая задача: уменьшить число отводов кольцевой обмотки многофазного трансформатора с вращающимся полем, при сохранении числа фаз. Подобная оптимизация конструкции трансформатора позволяет уменьшить число полупроводниковых ключей в преобразователе, либо улучшить качество его выходного напряжения при том же числе полупроводниковых ключей.Thus, the claimed solution has the following task: to reduce the number of taps of the ring winding of a multiphase transformer with a rotating field, while maintaining the number of phases. Such optimization of the transformer design allows to reduce the number of semiconductor switches in the converter, or to improve the quality of its output voltage with the same number of semiconductor switches.

На фигуре 1 схематично изображен трансформатор с вращающимся полем, оснащенный трехфазной и кольцевой обмоткой с шестью отводами. При питании от сети переменного тока, трехфазная обмотка создает вращающееся поле, которое наводит в кольцевой обмотке переменное напряжение - снимаемое с ее отводов. Число фаз кольцевой обмотки равно половине количества отводов от ее секций, что на практике означает удвоение комплектов полупроводниковых ключей в коммутаторе, подключаемом к кольцевой обмотке.The figure 1 schematically shows a transformer with a rotating field, equipped with a three-phase and ring winding with six taps. When powered by an alternating current main, a three-phase winding creates a rotating field, which induces an alternating voltage in the ring winding - removed from its taps. The number of phases of the ring winding is equal to half the number of taps from its sections, which in practice means the doubling of sets of semiconductor switches in the switch connected to the ring winding.

Здесь следует особо отметить, что наличие отводов кольцевой обмотки - не означает наличие возможности подключения к ней многофазной нагрузки переменного тока. Номинальное напряжение наводится при этом между отводами, находящимися на сторонах диагонали, а наличие гальванической связи между всеми секциями кольцевой обмотки не позволяет сформировать полноценную систему многофазных напряжений. В случае работы в режиме инвертора, формирование симметричного магнитного поля возможно исключительно при коммутации диаметральных отводов кольцевой обмотки.It should be emphasized here that the presence of taps of the ring winding does not mean that it is possible to connect a multiphase AC load to it. In this case, the rated voltage is induced between the branches located on the sides of the diagonal, and the presence of galvanic coupling between all sections of the ring winding does not allow the formation of a complete system of multiphase voltages. In the case of operation in the inverter mode, the formation of a symmetric magnetic field is possible only when switching the diametrical taps of the ring winding.

Изображенные на фигуре 1 диагональные отводы соответствуют включенным полупроводниковым ключам, при этом в силу симметрии конструкции трансформатора и равенства напряжений любых двух половин круговой обмотки - формируется две ветви тока, равноценные при условии отсутствия технологического разброса. Поскольку отводы кольцевой обмотки коммутируются по отдельности, и не объединены в схему многофазной звезды или треугольника - число фаз соответствует половине отводов кольцевой обмотки, и для изображенного на фигуре 1 случая эквивалентно трехфазной системе - но требует шесть комплектов полупроводниковых ключей.The diagonal taps shown in figure 1 correspond to the included semiconductor switches, and due to the symmetry of the transformer design and the equality of voltages of any two halves of the circular winding, two current branches are formed, which are equivalent if there is no technological variation. Since the taps of the ring winding are switched separately, and are not combined into a multiphase star or triangle circuit, the number of phases corresponds to half of the taps of the ring winding, and for the case shown in figure 1 it is equivalent to a three-phase system - but it requires six sets of semiconductor switches.

На фигуре 2 схематично изображен статический преобразователь на основе трансформатора с вращающимся полем. Отводы кольцевой обмотки подключаются к полупроводниковому коммутатору, оснащенному шестью комплектами ключей - против трех комплектов в преобразователе с трансформатором, оснащенным трехфазной обмоткой соединенной звездой. Очевидно, что при дальнейшем увеличении числа отводов кольцевой обмотки - будет нарастать количество комплектов полупроводниковых ключей, что ведет к неэффективному решению.Figure 2 schematically shows a static transformer based on a rotating field transformer. The taps of the ring winding are connected to a semiconductor switch equipped with six sets of keys - against three sets in a converter with a transformer equipped with a three-phase winding connected by a star. It is obvious that with a further increase in the number of taps of the ring winding, the number of sets of semiconductor switches will increase, which leads to an ineffective solution.

Путем решения поставленной задачи является введение разрыва электрической цепи в кольцевой обмотке трансформатора с вращающимся полем - что позволяет исключить протекание паразитных круговых токов и реализовать включение обмоток звездой. На фигуре 3 изображены три кольцевых обмотки трансформатора с вращающимся полем, имеющие разрыв в цепи - оснащенный отводами. Кольцевые обмотки имеют по шесть условных секций (три секции на один полюс), включенных последовательно и соответствующих трехфазному напряжению. Каждая кольцевая обмотка сдвинута на одну секцию относительно остальных - что обеспечивает формирование фазового сдвига. Однако главной особенностью кольцевых обмоток в трансформаторах с вращающимся полем является полная магнитная и электрическая симметрия, и равенство нулю суммы напряжений всех витков известной из уровня техники кольцевой обмотки.By solving this problem is the introduction of a break in the electrical circuit in the annular winding of a transformer with a rotating field - which eliminates the occurrence of stray circular currents and realize the inclusion of windings by a star. The figure 3 shows the three ring windings of a transformer with a rotating field, having a break in the circuit - equipped with taps. Ring windings have six conventional sections (three sections per pole), connected in series and corresponding to three-phase voltage. Each ring winding is shifted by one section relative to the others - which ensures the formation of a phase shift. However, the main feature of the ring windings in rotary field transformers is the full magnetic and electrical symmetry, and the fact that the sum of the voltages of all the turns of the ring winding known from the prior art is equal to zero.

Это очевидно из рассмотрения фигуры 3, где показана полярность возникающих напряжений в секциях обмотки. Поскольку северный и южный полюс магнитной системы трансформатора с вращающимся полем симметричны, то число секций с положительным напряжением - равно числу секций с отрицательным напряжением, а сумма напряжений всех секций равна нулю. Для устранения взаимной компенсации секций кольцевой обмотки необходимо последовательно-встречное включение половин обмотки, позволяющее изменить знак одного из суммируемых напряжений - и получить переменное выходное напряжение. Такое включение представлено на фигуре 4, где изображены две кольцевых обмотки - с согласно-последовательным (известным из уровня техники) включением секций и равной нулю суммой напряжений, и обмотка с встречно-последовательным включением секций. Полярность наводимых напряжений отдельных витков упомянутой обмотки с встречно-последовательным включением секций будет идентичной согласно-встречному включению, однако за счет встречного включения двух половин обмотки происходит изменение знака суммируемых напряжений и формируется удвоенное значение выходного напряжения, относительно известной кольцевой обмотки с согласным включением секций. На фигуре 4 показана полярность напряжений для случая, когда положение магнитных полюсов будет совпадать со сдвигом кольцевой обмотки. Очевидно, что наведенные напряжения всех секций обмотки с встречно-последовательным включением будут суммироваться друг с другом, что означает более эффективное использование числа витков обмотки.This is obvious from the consideration of figure 3, which shows the polarity of the arising stresses in the sections of the winding. Since the north and south poles of the magnetic system of a transformer with a rotating field are symmetrical, the number of sections with a positive voltage is equal to the number of sections with a negative voltage, and the sum of the voltages of all sections is zero. To eliminate mutual compensation of sections of the annular winding, it is necessary to turn on and off the halves of the winding in series, which allows you to change the sign of one of the summed voltages - and get an alternating output voltage. Such an inclusion is shown in FIG. 4, where two ring windings are shown — with a sequentially (known from the prior art) switching on of sections and an equal to zero sum of voltages, and a winding with counter-series switching of sections. The polarity of the induced voltages of the individual turns of the said winding with the on-series connection of the sections will be identical according to the on-turn connection, however, due to the on-switching of the two halves of the winding, the sign of the summed voltages changes and the output voltage doubles, relative to the known ring winding with the consonant inclusion of the sections. Figure 4 shows the polarity of the voltages for the case when the position of the magnetic poles will coincide with the shift of the annular winding. It is obvious that the induced voltages of all sections of the winding with on-series switching will be summed with each other, which means a more efficient use of the number of turns of the winding.

На фигуре 5 изображена схема соединений для трех разомкнутых кольцевых обмоток трансформатора с вращающимся полем, имеющих симметричный взаимный пространственный сдвиг. Амплитудные значения напряжений на отводах всех трех обмоток будут совпадать, однако из-за взаимного смещения фазы напряжений будет иметь сдвиг на 120 электрических градусов. Таким образом, представленные разомкнутые кольцевые обмотки с встречно-последовательным соединением эквивалентны трем обмоткам обычного трехфазного трансформатора.Figure 5 shows a wiring diagram for three open annular windings of a rotary field transformer having a symmetric mutual spatial displacement. The amplitude values of the voltages at the taps of all three windings will coincide, however, due to the mutual phase displacement of the voltages, they will have a shift of 120 electrical degrees. Thus, the presented open ring windings with an in-series connection are equivalent to the three windings of a conventional three-phase transformer.

Для формирования многофазной обмотки остается включить упомянутые выше три разомкнутых кольцевых обмотки с встречно-последовательным соединением секций, в трехфазную звезду - как представлено на фигуре 6. Таким образом, поставленная задача решена -разрывом электрической цепи исключено протекание паразитных круговых токов в обмотках, встречным включением секций сформирована система однофазных напряжений имеющих взаимный симметричный сдвиг, объединением кольцевых обмоток в звезду образована многофазная система напряжений - для коммутации которой в статическом преобразователе требуется в два раза меньше комплектов полупроводниковых ключей.To form a multiphase winding, it remains to include the three open ring windings mentioned above with counter-series connection of the sections, in a three-phase star - as shown in figure 6. Thus, the problem is solved — by breaking the electric circuit, the flow of stray circular currents in the windings, by the opposite switching on of sections, is excluded a system of single-phase voltages having a mutual symmetrical shift is formed, by combining the ring windings into a star, a multiphase voltage system is formed - for comm In the case of a static converter, two times less sets of semiconductor switches are required.

Представленное решение является простым и потому промышленно применимым - позволяя достичь улучшения ряда технических характеристик. Уменьшение числа отводов однозначно снижает стоимость и повышает надежность полупроводникового коммутатора в статических преобразователях на основе трансформатора с вращающимся полем. Это особенно актуально в преобразователях на большую мощность - поскольку позволяет реализовать большое число фаз системы с меньшим числом соединений в силовых цепях, выполняемых кабелем большого сечения.The presented solution is simple and therefore industrially applicable - allowing to achieve improvement of a number of technical characteristics. Reducing the number of taps uniquely reduces the cost and increases the reliability of the semiconductor switch in static converters based on a transformer with a rotating field. This is especially true in converters for high power - because it allows you to implement a large number of phases of the system with fewer connections in power circuits made by a large cable.

По разным оценкам, в известных из уровня техники кольцевых обмотках возможно протекание паразитных токов, составляющих до 10% от номинального значения обмотки - что ведет к потерям и нагреву трансформатора. Предлагаемое введение разрыва цепи кольцевых обмоток исключает возможность протекания таких токов.According to various estimates, parasitic currents of up to 10% of the nominal value of the winding can occur in ring windings known from the prior art - which leads to losses and heating of the transformer. The proposed introduction of an open circuit of the ring windings eliminates the possibility of such currents flowing.

В предлагаемом решении требуется введение трех кольцевых обмоток вместо одной - что, однако, не ведет к явному ухудшению массы и габаритов трансформатора по причине более эффективного использования числа витков обмоток, и их последовательного включения при работе в составе многофазной обмотки, включенной по схеме звезды.The proposed solution requires the introduction of three ring windings instead of one - which, however, does not lead to a clear deterioration in the mass and dimensions of the transformer due to the more efficient use of the number of turns of the windings and their subsequent switching on when working as part of a multiphase winding connected according to the star pattern.

Предлагаемое техническое решение является новым, имеющим следующие принципиальные отличия от прототипа:The proposed technical solution is new, having the following fundamental differences from the prototype:

- каждая кольцевая обмотка имеет разрыв электрической цепи, снабженный отводами, что обеспечивает устранение паразитных круговых токов обмотки;- each ring winding has an electrical circuit break, equipped with taps, which eliminates spurious circular currents of the winding;

- половины каждой кольцевой обмотки включены встречно-последовательно, что обеспечивает суммирование их напряжений и повышение эффективности использования числа витков;- half of each annular winding are turned on in series, which provides a summation of their voltages and an increase in the efficiency of using the number of turns;

- кольцевые обмотки имеют симметричный сдвиг между собой, что обеспечивает фазовый сдвиг их напряжений;- ring windings have a symmetric shift between themselves, which provides a phase shift of their voltages;

- разомкнутые кольцевые обмотки включаются в многофазную звезду, что дает дополнительную экономию числа витков за счет последовательного протекания тока через обмотки.- open ring windings are included in the multiphase star, which gives additional savings in the number of turns due to the sequential flow of current through the windings.

Таким образом, совокупность существенных признаков полезной модели приводит к новому техническому результату - исключению возникновения паразитных круговых токов, увеличению эффективности использования витков обмотки и снижению числа отводов - и соответственно, требуемого числа полупроводниковых ключей в статических преобразователях на основе трансформатора с вращающимся полем.Thus, the set of essential features of the utility model leads to a new technical result - eliminating the occurrence of stray circular currents, increasing the efficiency of winding turns and reducing the number of taps - and, accordingly, the required number of semiconductor switches in static transformers based on a rotary field transformer.

Краткое описание чертежей.A brief description of the drawings.

На фигуре 1 изображено схематичное изображение трансформатора с вращающимся полем. Здесь 1 - магнитопровод, 2 - трехфазная обмотка, 3 - кольцевая обмотка. На фигуре 2 изображена схема статического преобразователя на основе трансформатора с вращающимся полем. Здесь 4 - трансформатор с вращающимся полем, 5 - коммутатор отводов кольцевой обмотки. На фигуре 3 изображена диаграмма распределения напряжений в трех кольцевых обмотках трансформатора с вращающимся полем. Здесь 7 - разомкнутая кольцевая обмотка. На фигуре 4 изображена диаграмма распределения напряжений в обмотках трансформатора с вращающимся полем при различных вариантах включениях. Здесь 7 - разомкнутая кольцевая обмотка, 6 - разомкнутая кольцевая обмотка со встречным включением секций. На фигуре 5 изображена схема соединений секций разомкнутых кольцевых обмоток со встречным включением секций. Здесь 6 - разомкнутая кольцевая обмотка со встречным включением секций. На фигуре 6 изображена схема многофазного трансформатора с вращающимся полем. Здесь 2 - трехфазная обмотка, 6 - разомкнутая кольцевая обмотка со встречным включением секций.The figure 1 shows a schematic representation of a transformer with a rotating field. Here 1 is a magnetic circuit, 2 is a three-phase winding, 3 is an annular winding. The figure 2 shows a diagram of a static Converter based on a transformer with a rotating field. Here 4 is a transformer with a rotating field, 5 is a switch of ring winding taps. The figure 3 shows a diagram of the distribution of stresses in the three ring windings of a transformer with a rotating field. Here 7 is an open ring winding. The figure 4 shows a diagram of the distribution of voltage in the windings of a transformer with a rotating field with various options for inclusion. Here 7 is an open annular winding, 6 is an open annular winding with onward inclusion of sections. The figure 5 shows the connection diagram of the sections of the open annular windings with a counter inclusion sections. Here 6 is an open annular winding with onward inclusion of sections. The figure 6 shows a diagram of a multiphase transformer with a rotating field. Here 2 is a three-phase winding, 6 is an open ring winding with onward switching of sections.

Claims (1)

Трансформатор с вращающимся полем, имеющий шихтованный цилиндрический магнитопровод, в пазах которого уложены трехфазная и кольцевые обмотки, отличающийся тем, что упомянутые кольцевые обмотки симметрично сдвинуты относительно друг друга и имеют разрыв электрической цепи, снабженный отводами, причем половины каждой кольцевой обмотки включаются встречно-последовательно, все разомкнутые кольцевые обмотки соединяются в многофазную звезду.A rotary field transformer having a lined cylindrical magnetic circuit, in the grooves of which are laid three-phase and ring windings, characterized in that said ring windings are symmetrically shifted relative to each other and have an electric circuit break, equipped with taps, and half of each ring winding are turned on in turn, all open ring windings are connected to a multiphase star.

Images