RU191518U1

RU191518U1 - ROTATING FIELD TRANSFORMER

Info

Publication number: RU191518U1
Application number: RU2019102634U
Authority: RU
Inventors: Евгений Николаевич Коптяев
Original assignee: Евгений Николаевич Коптяев
Priority date: 2019-01-30
Filing date: 2019-01-30
Publication date: 2019-08-13

Abstract

Полезная модель относится к силовой электротехнике и может быть использована для увеличения числа фаз выходного напряжения в составе статических преобразователей, а именно - в выпрямителях.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, что объясняется равным шагом отводов вторичной обмотки. Это приводит к созданию равного шага отводов кольцевой обмотки, и равного фазового сдвига между диагональными отводами. Для случая кольцевой обмотки с шестью отводами, число фаз выходного напряжения (а также и число пульсаций выпрямленного напряжения в составе преобразователя) равняется трем, что приводит к удвоенному количеству отводов и двойному числу полупроводниковых ключей.Преимущество предлагаемого трансформатора с вращающимся полем заключается в использовании различного шага отводов кольцевой обмотки, чередующегося периодически. Образующиеся при этом напряжения имеют между собой чередующийся фазовый сдвиг, соответствующий шестифазной системе напряжений при шести отводах, что позволяет уменьшить число полупроводниковых ключей в два раза.Основным достигаемым результатом является уменьшение общего числа полупроводниковых ключей, при использовании в статических преобразователях. Также увеличивается эффективность использования числа витков обмотки, в сравнении с основным прототипом, имеющим несколько вторичных обмоток, количество которых равно числу фаз выходного напряжения - что обеспечивает улучшение массы и габаритных показателей трансформатора с вращающимся полем.The utility model relates to power electrical engineering and can be used to increase the number of phases of the output voltage in the composition of static converters, namely in rectifiers. Various types of transformer design with a rotating field, including with a multiphase ring winding, are known from the prior art. The disadvantages of all variants of 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, which is explained by the equal pitch of the secondary windings. This leads to the creation of an equal pitch of the taps of the annular winding, and an equal phase shift between the diagonal taps. For the case of a ring winding with six taps, the number of phases of the output voltage (as well as the number of ripples of the rectified voltage in the converter) is three, which leads to double the number of taps and double the number of semiconductor switches. The advantage of the proposed transformer with a rotating field is to use a different step bends of the ring winding, alternating periodically. The resulting voltages have an alternating phase shift between themselves, corresponding to a six-phase voltage system with six taps, which allows to halve the number of semiconductor switches. The main result achieved is to reduce the total number of semiconductor switches when used in static converters. The efficiency of using the number of turns of the winding also increases in comparison with the main prototype, which has several secondary windings, the number of which is equal to the number of phases of the output voltage - which provides an improvement in the mass and 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 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 converters.

Уровень техники. Известен трансформатор с трехфазной и круговой обмотками [Изобретение РФ №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).The level of technology. Known transformer with three-phase and circular windings [Invention of the Russian Federation No. 2525298], containing a laminated 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 использование равного шага отводов секций кольцевой обмотки, что требует удвоенного числа комплектов полупроводниковых ключей и ведет к увеличению стоимости преобразователя на базе трансформатора с вращающимся полем.The disadvantages of this solution include the use of equal pitch bends of the sections of the ring winding, which requires a double number of sets of semiconductor switches and leads to an increase in the cost of the transformer based on a transformer with a rotating field.

Также известен многофазный трансформатор [патент РФ на полезную модель №176754], содержащий шихтованный магнитопровод с трехфазной и кольцевой обмотками, уложенными в пазах. Упомянутые кольцевые обмотки симметрично сдвинуты относительно друг друга и имеют разрыв в их электрической цепи, снабженный отводами, причем половины каждой кольцевой обмотки включаются встречно и последовательно, все кольцевые обмотки соединяются в многофазную звезду.Also known is a multiphase transformer [RF patent for utility model No. 1776754] containing a lined magnetic circuit with three-phase and ring windings laid in grooves. The mentioned ring windings are symmetrically shifted relative to each other and have a gap in their electrical circuit, equipped with taps, moreover, half of each ring winding are switched on and off in series, all ring windings are connected to a multiphase star.

К недостаткам такого решения можно отнести наличие нескольких вторичных кольцевых обмоток, число которых равняется количеству фаз выходного напряжения - что ведет к значительному увеличению габаритов и массы трансформатора с вращающимся полем.The disadvantages of this solution include the presence of several secondary ring windings, the number of which is equal to the number of phases of the output voltage - which leads to a significant increase in the dimensions and mass of the transformer with a rotating field.

Раскрытие полезной модели. 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 выпрямителя [1]. Обмотки трансформатора можно разделить на первичную (подключаемую к сети переменного тока), и вторичную. Вторичная обмотка подключается к 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 [2, 3].Disclosure of a utility model. 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 of the rectifier [1]. The transformer windings can be divided into primary (connected to the AC network), and secondary. The secondary winding is connected to a 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 (by the presence of reversibility and / or bi-directionality), but also by the total number of taps of the switched transformer winding [2, 3].

Таким образом, перед заявляемым решением стоит следующая задача: уменьшить число отводов кольцевой обмотки многофазного трансформатора с вращающимся полем, при сохранении числа фаз. Подобная оптимизация 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 can reduce the number of semiconductor switches in the converter, or 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 трехфазного переменного тока, первичная обмотка создает вращающееся поле, которое наводит в выходной кольцевой обмотке переменное напряжение - снимаемое с ее отводов от ее секций. Известные из уровня техники [3] трансформаторы с вращающимся полем имеют равный шаг отводов кольцевой обмотки. Число фаз в таких кольцевых обмотках равно половине количества отводов от ее секций, что на практике означает удвоение количества 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 a three-phase alternating current mains, the primary winding creates a rotating field that induces an alternating voltage in the output ring winding - removed from its branches from its sections. Known from the prior art [3] transformers with a rotating field have an equal pitch of the taps of the annular winding. The number of phases in such ring windings is equal to half the number of taps from its sections, which in practice means a doubling of the number of sets of semiconductor switches in the switch connected to the ring winding.

Номинальное напряжение наводится при этом между отводами, находящимися на сторонах диагонали - как это изображено на фигуре 1. В случае работы в режиме выпрямителя, управление заключается в последовательной коммутации диагональных отводов, расположенных на противоположных сторонах кольцевой обмотки. Именно такое управление реализуется в неуправляемом полупроводниковом выпрямителе с диодами, работающем в режиме с естественной коммутацией тока [3].In this case, the rated voltage is induced between the taps located on the sides of the diagonal - as shown in figure 1. In the case of operation in the rectifier mode, the control consists in sequential switching of the diagonal taps located on opposite sides of the ring winding. It is this control that is implemented in an uncontrolled semiconductor rectifier with diodes operating in a mode with natural current switching [3].

Изображенная на фигуре 1 диагональ обмотки соответствует открытым 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. Отводы кольцевой обмотки коммутируются по отдельности - а число фаз в два раза меньше количества отводов кольцевой обмотки, и для случая на фигуре 1 эквивалентно трехфазному напряжению. В режиме естественной коммутации тока ток протекает по диагонали обмотки, имеющей максимальное напряжение.The diagonal of the winding shown in figure 1 corresponds to open 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. The taps of the ring winding are switched separately - and the number of phases is half the number of taps of the ring winding, and for the case in figure 1 is equivalent to a three-phase voltage. In the mode of natural switching of the current, the current flows along the diagonal of the winding having the maximum voltage.

В процессе коммутации каждая из диагоналей подключается дважды -в прямой и обратной полярности. Это означает работу анодной и катодной групп полупроводниковых ключей [3], как в любом ином многофазном полупроводниковом преобразователе. Количество пульсаций напряжения на выходе преобразователя определяется числом коммутаций отводов за период питающей сети [1, 3]. Таким образом, получение 6 пульсаций выпрямленного напряжения в трехфазном преобразователе возможно только при работе каждой фазы дважды за период питающей сети - один раз при работе на анодную группу полупроводниковых ключей, второй раз - при работе на катодную группу полупроводниковых ключей [3]. Для случая двенадцати пульсаций (шесть фаз выпрямляемого напряжения) угол фазового сдвига между двумя трехфазными обмотками составляет 30 электрических градусов, что объясняется совпадением по модулю полуволн выходного напряжения при угле сдвига 60 электрических градусов [2, 3].During the switching process, each of the diagonals is connected twice — in direct and reverse polarity. This means the work of the anode and cathode groups of semiconductor switches [3], as in any other multiphase semiconductor converter. The number of voltage ripples at the output of the converter is determined by the number of switching taps for the period of the supply network [1, 3]. Thus, obtaining 6 ripples of the rectified voltage in a three-phase converter is possible only during the operation of each phase twice during the period of the supply network - once when working for the anode group of semiconductor switches, a second time when working for the cathode group of semiconductor switches [3]. For the case of twelve ripples (six phases of rectified voltage), the phase shift angle between two three-phase windings is 30 electrical degrees, which is explained by the coincidence modulo half-wave output voltage at a shear angle of 60 electrical degrees [2, 3].

На фигуре 5 изображена схема трансформатора с вращающимся полем, кольцевая обмотка которого имеет чередующийся шаг отводов, при разном числе катушек в секциях обмотки. Из представленной схемы очевидно, что шаг отводов кольцевой обмотки имеет шаг, геометрически соответствующий сдвигу между фазами в шестифазной системе напряжений - показанной на фигуре 4. В таком случае кольцевая обмотка разбивается на секции, при неравном числе катушек. Между отводами такой кольцевой обмотки будут сформированы напряжения, являющиеся геометрической суммой входящих в секцию катушек [3]. Отводы такой обмотки можно разделить на две пары трехфазных отводов, имеющих фазовый сдвиг 30 электрических градусов - что соответствует шестифазному напряжению, и двенадцати пульсациям выпрямленного напряжения. Такой вариант трансформатора с вращающимся полем лежит в основе заявляемого решения.The figure 5 shows a diagram of a transformer with a rotating field, the annular winding of which has an alternating pitch of bends, with a different number of coils in sections of the winding. From the presented diagram it is obvious that the step of the taps of the ring winding has a step geometrically corresponding to the phase shift in the six-phase voltage system - shown in figure 4. In this case, the ring winding is divided into sections, with an unequal number of coils. Between the taps of such an annular winding, voltages will be formed, which are the geometric sum of the coils entering the section [3]. The taps of such a winding can be divided into two pairs of three-phase taps having a phase shift of 30 electrical degrees - which corresponds to a six-phase voltage, and twelve ripples of the rectified voltage. This version of the transformer with a rotating field is the basis of the proposed solution.

Относительно известных из уровня техники [3] трансформаторов с вращающимся полем, в предлагаемом решении достигнуто значительное улучшение его технических характеристик при работе в составе выпрямителя - а именно, уменьшение в два раза числа отводов и соответствующего им количества полупроводниковых ключей в подключаемом коммутаторе. По сравнению с основным прототипом аналогичный эффект достигается без использования нескольких кольцевых обмоток, что дает преимущество в массе и габаритах.Relative to the prior art [3] transformers with a rotating field, the proposed solution has achieved a significant improvement in its technical characteristics when working as part of a rectifier - namely, halving the number of taps and the corresponding number of semiconductor switches in a connected switch. Compared to the main prototype, a similar effect is achieved without the use of several ring windings, which gives an advantage in weight and dimensions.

Путем решения поставленной задачи является введение переменного шага отводов кольцевой обмотки. В таком случае, отводы секций кольцевой обмотки имеют шаг по числу катушек, соответствующий изображенной на фигуре 4 векторной диаграмме. На диаграмме сплошными линиями показаны вектора напряжений для диагоналей в прямой полярности, а пунктиром - для диагоналей в обратной полярности. Это соответствует работе выпрямителя с анодной и катодной группами полупроводниковых ключей, подключающих каждую диагональ дважды за период питающей сети - с положительной и отрицательной полярностью. Таким образом, при числе отводов кольцевой обмотки, по изображенной на фигуре 1 схеме, возможно получение в два раза большего количества пульсаций выпрямленного напряжения при работе в составе полупроводникового выпрямителя. Следовательно, поставленная перед заявляемым решением техническая задача достигнута.By solving this problem is the introduction of a variable pitch of the taps of the annular winding. In this case, the taps of the sections of the annular winding have a step in the number of coils corresponding to the vector diagram shown in figure 4. The solid lines in the diagram show the stress vectors for the diagonals in direct polarity, and the dotted line for the diagonals in reverse polarity. This corresponds to the operation of the rectifier with the anode and cathode groups of semiconductor switches that connect each diagonal twice during the period of the supply network - with positive and negative polarity. Thus, with the number of taps of the ring winding, according to the diagram shown in figure 1, it is possible to obtain twice as many ripples of the rectified voltage when working as part of a semiconductor rectifier. Therefore, the technical task set for the claimed solution has been achieved.

Представленное решение является простым и потому промышленно применимым - позволяя достичь улучшения технических характеристик. Уменьшение числа отводов однозначно снижает стоимость и повышает надежность коммутатора в полупроводниковых преобразователях на базе трансформатора с вращающимся полем. Это наиболее востребовано в преобразователях на большую мощность - поскольку позволяет реализовать большое число фаз системы с меньшим числом соединений в силовых цепях, выполняемых кабелем большого сечения, а также при меньшем количестве дорогостоящих полупроводниковых ключей.The presented solution is simple and therefore industrially applicable - allowing to achieve improved technical characteristics. Reducing the number of taps clearly reduces the cost and increases the reliability of the switch in semiconductor converters based on a transformer with a rotating field. This is most in demand in converters for high power - because it allows you to implement a large number of system phases with fewer connections in power circuits made by a cable with a large cross section, as well as with fewer expensive semiconductor switches.

В предлагаемом решении предлагается формирование многофазной системы напряжений на отводах вторичной кольцевой обмотки, при четном числе отводов упомянутой кольцевой обмотки. Количество фаз выходного напряжения в таком случае равняется числу отводов кольцевой обмотки, при шаге ее отводов, определяемом сдвигом фаз. По сравнению с уровнем техники [3], это дало двукратное снижение числа отводов, а также количества полупроводниковых ключей в выпрямителе.The proposed solution proposes the formation of a multiphase system of voltages at the taps of the secondary ring winding, with an even number of taps of the mentioned ring winding. The number of phases of the output voltage in this case is equal to the number of taps of the annular winding, with the pitch of its taps determined by the phase shift. Compared with the prior art [3], this gave a two-fold reduction in the number of taps, as well as the number of semiconductor switches in the rectifier.

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:

- отводы кольцевой обмотки имеют различный шаг по катушкам, чередующийся периодически;- taps of the annular winding have a different step along the coils, alternating periodically;

- шаг отводов кольцевой обмотки равен углу сдвига между фазами выходного напряжения.- the pitch of the taps of the annular winding is equal to the angle of shift between the phases of the output voltage.

Таким образом, совокупность существенных признаков полезной модели приводит к новому техническому результату - увеличению числа фаз выходного напряжения и снижению числа полупроводниковых ключей в преобразователях на основе трансформатора с вращающимся полем.Thus, the set of essential features of the utility model leads to a new technical result - an increase in the number of phases of the output voltage and a decrease in the number of semiconductor switches in transformers based on a transformer with a rotating field.

Краткое описание чертежей. На фигуре 1 изображено схематичное изображение трансформатора с вращающимся полем. Здесь 1 - магнитопровод, 2 - трехфазная обмотка, 3 - кольцевая обмотка. На фигуре 2 изображена векторная диаграмма напряжений кольцевой обмотки с шестью отводами при равном шаге отводов. На фигуре 3 изображена схема основного прототипа. Здесь 2 - трехфазная обмотка, 6 - разомкнутая кольцевая обмотка со встречным включением секций. На фигуре 4 изображена векторная диаграмма напряжений кольцевой обмотки с шестью отводами при неравном шаге отводов. На фигуре 5 изображено схематичное изображение трансформатора с вращающимся полем. Здесь 1 - магнитопровод, 2 - трехфазная обмотка, 3 - кольцевая обмотка.A brief description of the drawings. 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 vector diagram of the voltage of the annular winding with six taps with an equal pitch of taps. The figure 3 shows a diagram of the main prototype. Here 2 is a three-phase winding, 6 is an open ring winding with onward switching of sections. The figure 4 shows a vector diagram of the voltage of the annular winding with six taps with an unequal pitch of the taps. Figure 5 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.

Список использованной литературы.List of used literature.

1. Фрумкин A.M. Теоретические основы электротехники. - М.: Высшая школа, 1982. - 407 с.1. Frumkin A.M. Theoretical foundations of electrical engineering. - M.: Higher School, 1982. - 407 p.

2. Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов. М.: Альянс, 2013. - 528 с.2. Tikhomirov P.M. Calculation of transformers. M .: Alliance, 2013 .-- 528 p.

3. Дмитриев Б.Ф., Рябенький В.М., Черевко А.И., Музыка М.М. Судовые полупроводниковые преобразователи: учебник. - Архангельск: Изд-во САФУ, 2015. - 556 с.3. Dmitriev B.F., Ryabenky V.M., Cherevko A.I., Music M.M. Marine semiconductor converters: a textbook. - Arkhangelsk: Publishing House of NArFU, 2015 .-- 556 p.

Claims

A transformer with a rotating field, having a lined cylindrical magnetic circuit, in the grooves of which are laid three-phase and ring windings, and characterized in that the bends of the sections of the said ring winding have a different step in the number of coils, alternating periodically.