RU2526093C1

RU2526093C1 - Twelve-phase stepdown autotransformer converter of phase number

Info

Publication number: RU2526093C1
Application number: RU2013103393/07A
Authority: RU
Inventors: Сергей Николаевич Григорьев; Валентин Анатольевич Сучков; Владимир Витальевич Филатов; Марина Вячеславовна Чумаева; Юрий Иванович Солуянов
Priority date: 2013-01-25
Filing date: 2013-01-25
Publication date: 2014-08-20
Also published as: RU2013103393A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention relates to converting equipment and may be used to create variable AC and DC electric drives and comprises a stepdown autotransformer, having three coils (1, 2 and 3) of the primary winding and six coils (4, 5, 6, 7, 8, 9) of the secondary windings connected to each other by assemblies A, B, C, D, E, F, having each two taps (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21) from turns. Each coil (4, 5, 6, 7, 8, 9) of the secondary winding is the side of the hexagon, converting a symmetrical three-phase system of voltages into a symmetrical six-phase one. Taps (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21) from turns of coils (4, 5, 6, 7, 8, 9) of the secondary winding represent outlets of voltages of the twelve-phase system of voltages.

EFFECT: reduced consumption of active materials during replacement of a three-phase transformer with a three-phase autotransformer due to reduction of number of turns of the primary winding, besides, reduction of losses.

2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при создании выпрямителей для регулируемых электроприводов постоянного и переменного тока для повышения быстродействия станков, а также на преобразовательных подстанциях для питания электрифицированных железных дорог, в электрометаллургической и химической промышленности для уменьшения величины пульсаций выпрямленного напряжения и уменьшения содержания высших гармонических составляющих в кривой переменного тока в питающей их трехфазной сети.The present invention relates to a conversion technique and can be used to create rectifiers for adjustable DC and AC drives to increase machine speed, as well as in converter substations for electrified railways, in the electrometallurgical and chemical industries to reduce the ripple of the rectified voltage and to reduce the content higher harmonic components in the AC curve in the three-phase power supply hildren.

Из уровня техники известны трансформаторные преобразователи трехфазного переменного напряжения в многофазное напряжение. Для этого трехфазный трансформатор снабжен дополнительной группой вторичных обмоток. Группы вторичных обмоток соединены с разноименными фазами дополнительных вторичных обмоток по схеме «зигзаг» (В.Казаков. Источники питания. Многофазные силовые трансформаторы-преобразователи и выпрямители. Силовая электроника №4, 2006, с.7-15).The prior art transformer converters of three-phase alternating voltage to multiphase voltage. For this, the three-phase transformer is equipped with an additional group of secondary windings. The groups of secondary windings are connected with the opposite phases of the additional secondary windings according to the zigzag circuit (V. Kazakov. Power supplies. Multiphase power transformers-converters and rectifiers. Power electronics No. 4, 2006, pp. 7-15).

Недостатком таких устройств является большое число вторичных обмоток, что значительно усложняет конструкцию преобразователя, технологию его изготовления, приводит к перерасходу материалов и увеличению его стоимости.The disadvantage of such devices is the large number of secondary windings, which greatly complicates the design of the converter, the technology of its manufacture, leads to cost overruns and an increase in its cost.

Наиболее близким решением по технической сути и достигаемому результату является преобразователь числа фаз, используемый для получения многофазного напряжения, состоящий из трех однофазных трансформаторов, содержащих каждый по одной первичной обмотке и требующий несколько групп вторичных обмоток. Преобразователь числа фаз требует для своей реализации трехфазную сеть, три однофазных трансформатора с тремя первичными обмотками, подключенными к трехфазной сети, и тринадцать вторичных обмоток, создающих двенадцать выходов двенадцатифазной системы напряжений (Ворфоломеев Г.Н. и др. Обзор схемных решений преобразователей числа фаз на трансформаторах. Совершенствование технических средств электрического транспорта. Сборник научных трудов. Выпуск 2. Новосибирск, 2001 г., с.78-96).The closest solution in technical essence and the achieved result is a phase number converter used to produce multiphase voltage, consisting of three single-phase transformers, each containing one primary winding and requiring several groups of secondary windings. The phase number converter requires for its implementation a three-phase network, three single-phase transformers with three primary windings connected to a three-phase network, and thirteen secondary windings that create twelve outputs of a twelve-phase voltage system (GN Vorfolomeev et al. Overview of circuit solutions for phase number converters on transformers. Improving the technical means of electric transport. Collection of scientific papers. Issue 2. Novosibirsk, 2001, p. 78-96).

Недостатком известного устройства является тот факт, что групповой трехфазный трансформатор уступает трехфазному трехстержневому автотрансформатору по своим весогабаритным показателям, а также известный преобразователь имеет большое число вторичных обмоток с различными параметрами, что значительно усложняет конструкцию преобразователя, технологию его изготовления и приводит к перерасходу материалов и увеличению его стоимости. Кроме того, иногда бывает необходимо иметь узел с нулевым потенциалом и на стороне двенадцатифазного напряжения, а в трансформаторном варианте узел с нулевым потенциалом на стороне двенадцатифазного напряжения нужно специально создавать.A disadvantage of the known device is the fact that a group three-phase transformer is inferior to a three-phase three-rod autotransformer in terms of weight and dimensions, and the known converter has a large number of secondary windings with various parameters, which greatly complicates the design of the converter, its manufacturing technology and leads to cost overruns and its increase cost. In addition, sometimes it is necessary to have a node with zero potential on the side of the twelve-phase voltage, and in the transformer version, the node with zero potential on the side of the twelve-phase voltage must be specially created.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание такой архитектуры преобразователя, которая при незначительных различиях по величине во входном и выходном напряжении преобразователя позволит сократить расход активных материалов при замене трехфазного трансформатора автотрансформатором, что в итоге позволит сократить расход активных материалов, за счет чего улучшатся массогабаритные показатели преобразователя, уменьшится его стоимость и потери энергии в нем, а также появится возможность использовать ноль сети на стороне двенадцатифазной системы напряжения.The technical result of the invention is the creation of such a converter architecture, which, with slight differences in the input and output voltage of the converter, will reduce the consumption of active materials when replacing a three-phase transformer with an autotransformer, which will ultimately reduce the consumption of active materials, thereby improving the overall dimensions of the converter, its cost and energy losses in it will decrease, and it will also be possible to use network zero on the side of the twelve-phase voltage system.

Поставленный технический результат достигается за счет того, что в двенадцатифазном понижающем автотрансформаторном преобразователе числа фаз, представляющем собой трехфазный автотрансформатор, состоящий из трех катушек первичной обмотки, подключенных к трехфазной сети, и шести катушек вторичной обмотки, соединенных узлами по схеме шестиугольника, с двенадцатью выходами симметричного двенадцатифазного напряжения, согласно изобретению, каждая катушка первичной обмотки своим концом подсоединена к одной из фаз сети, а началом - к узлу шестиугольника таким образом, что каждый из этих трех узлов представляет собой комплект из трех катушек, одной катушки первичной обмотки и двух катушек вторичных обмоток, расположенных на разных стержнях магнитной цепи, принадлежащих различным фазам.The stated technical result is achieved due to the fact that in a twelve-phase step-down autotransformer, the number of phases is a three-phase autotransformer, consisting of three primary winding coils connected to a three-phase network, and six secondary winding coils connected by nodes in a hexagon pattern, with twelve outputs of a symmetrical twelve-phase voltage, according to the invention, each primary coil is connected with its end to one of the phases of the network, and the beginning to the node hexagon so that each of these three nodes is a set of three coils, one primary coil and two secondary coils located on different rods of the magnetic circuit belonging to different phases.

Предлагаемое изобретение поясняется графическими материалами, где:The invention is illustrated by graphic materials, where:

- на фиг.1 представлена схема двенадцатифазного автотрансформаторного преобразователя числа фаз с пониженным фазным напряжением на выходе преобразователя по сравнению с фазным напряжением на входе автотрансформатора,- figure 1 presents a diagram of a twelve-phase autotransformer converter of the number of phases with a reduced phase voltage at the output of the converter compared to the phase voltage at the input of the autotransformer,

- на фиг.2 изображена векторная диаграмма потенциалов на вторичных обмотках этого преобразователя.- figure 2 shows a vector diagram of potentials on the secondary windings of this Converter.

Двенадцатифазный понижающий автотрансформаторный преобразователь числа фаз состоит из трехфазного автотрансформатора, имеющего три катушки 1, 2 и 3 первичной обмотки и шесть катушек 4, 5, 6, 7, 8 и 9 вторичных обмоток. Шесть соединенных между собой катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичной обмотки имеют отпайки 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 от витков. Катушка 1 первичной обмотки первой фазы - своим началом подсоединена к узлу В, в котором соединяются катушки 6 и 8 вторичных обмоток второй фазы и третьей фазы. Катушка 2 первичной обмотки второй фазы своим началом подсоединена к узлу D, в котором соединяются катушки 9 и 5 вторичных обмоток третьей фазы и первой фазы. Катушка 3 первичной обмотки третьей фазы своим началом подсоединена к узлу F, в котором соединяются катушки 4 и 7 вторичных обмоток первой фазы и второй фазы. Начало катушки 4 вторичной обмотки соединено с началом катушки 8 вторичной обмотки, образуя узел А, конец катушки 8 вторичной обмотки соединен с концом катушки 6 вторичной обмотки, образуя узел В, начало катушки 6 вторичной обмотки соединено с началом катушки 5 вторичной обмотки, образуя узел С, конец катушки 5 вторичной обмотки соединен с концом катушки 9 вторичной обмотки, образуя узел D, начало катушки 9 вторичной обмотки соединено с началом катушки 7 вторичной обмотки, образуя узел Е, конец катушки 7 вторичной обмотки соединен с концом катушки 4 вторичной обмотки, образуя узел F, и замыкая контур катушек вторичных обмоток, образующих шестиугольник A, B, C, D, E, F. Каждая катушка 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичной обмотки автотрансформатора является стороной шестиугольника A, B, C, D, E, F, преобразующего симметричную трехфазную систему напряжений в симметричную шестифазную систему напряжений. Напряжение двенадцатифазной системы напряжений зависит от величины напряжения шестифазной системы и связано с ним соотношением: U₁₂=U₆Cos30°/Cosl5°=0,897 U₆, что следует из рассмотрения прямоугольных треугольников - (0-С-22) и (0-е-22) на фиг.2: (0-22) - U₆Cos30°=U₁₂Cos15° (A).The twelve-phase step-down autotransformer of the number of phases consists of a three-phase autotransformer having three coils 1, 2 and 3 of the primary winding and six coils of 4, 5, 6, 7, 8 and 9 of the secondary windings. Six interconnected coils 4, 5, 6, 7, 8, 9 of the secondary winding have soldering 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 from the turns. The coil 1 of the primary winding of the first phase is connected at its beginning to the node B, in which the coils 6 and 8 of the secondary windings of the second phase and third phase are connected. The coil 2 of the primary winding of the second phase is connected at its beginning to the node D, in which the coils 9 and 5 of the secondary windings of the third phase and the first phase are connected. The coil 3 of the primary winding of the third phase is connected at its beginning to the node F, in which the coils 4 and 7 of the secondary windings of the first phase and second phase are connected. The beginning of the secondary coil 4 is connected to the beginning of the secondary coil 8, forming a node A, the end of the secondary coil 8 is connected to the end of the secondary coil 6, forming a node B, the beginning of the secondary coil 6 is connected to the beginning of the secondary coil 5, forming a node C , the end of the secondary coil 5 is connected to the end of the secondary coil 9, forming a node D, the beginning of the secondary coil 9 is connected to the beginning of the secondary coil 7, forming a node E, the end of the secondary coil 7 is connected to the end of the coils 4 of the secondary winding, forming a node F, and closing the contour of the coils of the secondary windings forming the hexagon A, B, C, D, E, F. Each coil 4, 5, 6, 7, 8, 9 of the secondary winding of the autotransformer is a side of the hexagon A, B, C, D, E, F, which transforms a symmetric three-phase voltage system into a symmetric six-phase voltage system. The voltage of the twelve-phase voltage system depends on the voltage of the six-phase system and is related to it by the ratio: U ₁₂ = U ₆ Cos30 ° / Cosl5 ° = 0.897 U ₆ , which follows from the consideration of right-angled triangles - (0-С-22) and (0-е -22) in figure 2: (0-22) - U ₆ Cos30 ° = U ₁₂ Cos15 ° (A).

Определим теперь положение отпаек 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 от витков катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичных обмоток на примере катушки 5 вторичной обмотки. Для этого воспользуемся векторной диаграммой (фиг.2), приняв число витков катушки 5 вторичной обмотки пропорциональным длине вектора напряжения на катушке 5. Примем длину вектора напряжения на фазе шестифазного многоугольника за единицу. Отпайки 12 и 13 от витков катушки 5 вторичной обмотки делят ее число витков в отношении, определяемом отношением отрезков (С-е), (e-f) и (f-D). Отрезок (С-е)=(f-D)=U₆Sin30° - U₁₂Sinl5°. Выражая U₁₂ через U₆ из соотношения (А) после преобразований, получаем: (С-е)=0,5 U₆ (1-Ctg30°Tgl5°), а учитывая, что 30°=90°--60° и Ctg30°=Tg60°, получаем следующее отношение чисел витков, от которых выполняются отпайки: (0,5-Tg60°Tgl5°):(Tg60°Tgl5°):(0,5-Tg60°Tgl5°)=0,268: 0,464: 0,268.Now we will determine the position of the taps 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 from the turns of the coils 4, 5, 6, 7, 8, 9 of the secondary windings using the example of the secondary coil 5. To do this, we use the vector diagram (figure 2), taking the number of turns of the coil 5 of the secondary winding proportional to the length of the voltage vector on the coil 5. We take the length of the voltage vector in the phase of the six-phase polygon per unit. Soldering 12 and 13 from the turns of the coil 5 of the secondary winding divide its number of turns in a ratio determined by the ratio of the segments (C-e), (ef) and (fD). Segment (C-e) = (fD) = U ₆ Sin30 ° - U ₁₂ Sinl5 °. Expressing U ₁₂ through U ₆ from relation (A) after transformations, we obtain: (С-е) = 0.5 U ₆ (1-Ctg30 ° Tgl5 °), and given that 30 ° = 90 ° --60 ° and Ctg30 ° = Tg60 °, we obtain the following ratio of the numbers of turns from which the soldering is performed: (0.5-Tg60 ° Tgl5 °) :( Tg60 ° Tgl5 °) :( 0.5-Tg60 ° Tgl5 °) = 0.268: 0.464: 0.268.

Работа двенадцатифазного понижающего автотрансформаторного преобразователя числа фаз осуществляется следующим образом.The work of the twelve-phase step-down autotransformer of the number of phases is as follows.

При подключении трехфазного автотрансформатора к трехфазной сети в стержнях магнитной цепи автотрансформатора возникают три магнитных потока, сдвинутых по фазе друг относительно друга на третью часть периода или в градусном измерении на 120. Выполнение вторичной обмотки для каждой фазы в виде двух катушек на стержне каждой фазы позволяет получить два вторичных напряжения с противоположной полярностью (со сдвигом на 180°). Таким образом, при трех напряжениях сети, сдвинутых по фазе на 120°, получаются шесть вторичных напряжений, сдвинутых по фазе друг относительно друга на 60°. При соединении шести катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичных обмоток так, как описано выше, получается шестиугольник A, B, C, D, E, F с симметричной шестифазной системой напряжений на катушках 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичной обмотки.When a three-phase autotransformer is connected to a three-phase network, three magnetic fluxes appear in the terminals of the autotransformer magnetic circuit, phase-shifted relative to each other by the third part of the period or in degree measurement by 120. Performing a secondary winding for each phase in the form of two coils on the rod of each phase allows you to get two secondary voltages with opposite polarity (with a shift of 180 °). Thus, with three mains voltages phase-shifted by 120 °, six secondary voltages are obtained, phase-shifted relative to each other by 60 °. When connecting six coils 4, 5, 6, 7, 8, 9 of the secondary windings as described above, we obtain a hexagon A, B, C, D, E, F with a symmetric six-phase voltage system on coils 4, 5, 6, 7 , 8, 9 of the secondary winding.

Проведенный анализ показал, что на витках катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичной обмотки, образующих шестиугольник A, B, C, D, E, F, можно найти двенадцать точек a, b, c, d, e, f, g, h, k, l, m, n, потенциалы которых равны по величине, но отличаются по фазе на одну двенадцатую часть периода, что в градусном измерении равно 30°, и получить двенадцатифазную симметричную систему напряжений a, b, c, d, e, f, g, h, k, l, m, n.The analysis showed that on the turns of the coils 4, 5, 6, 7, 8, 9 of the secondary winding, forming the hexagon A, B, C, D, E, F, you can find twelve points a, b, c, d, e, f, g, h, k, l, m, n, whose potentials are equal in magnitude, but differ in phase by one twelfth of the period, which is 30 ° in degree measurement, and get a twelve-phase symmetrical system of voltages a, b, c, d, e, f, g, h, k, l, m, n.

Схема соединения обмоток понижающего автотрансформатора представлена на фиг.1. Число витков катушки первичной обмотки может быть представлено длиной отрезка (В-1) на векторной диаграмме на фиг.2 и может быть определено по разности напряжений (U_c-U₆). В трансформаторном варианте преобразователя число витков первичной обмотки каждой фазы будет пропорционально величине действующего значения напряжения фазы сети U_c при том же токе в обмотке, т.к. действующие напряжения фаз Uc₁,Uc₂,U₃] одинаковы и равны U_c. Следовательно, в рассматриваемом варианте автотрансформатора число витков катушки первичной обмотки уменьшается в (1- U₆/U_c) раз. При U_c=U₆ катушки первичной обмотки не требуются и к фазам сети 1,2, и 3 подключаются вершины В, D и F шестиугольника.The connection diagram of the windings of the step-down autotransformer is presented in figure 1. The number of turns of the primary coil can be represented by the length of the segment (B-1) in the vector diagram in figure 2 and can be determined by the voltage difference (U _c -U ₆ ). In the transformer version of the converter, the number of turns of the primary winding of each phase will be proportional to the value of the effective value of the network phase voltage U _c at the same current in the winding, because the acting voltages of the phases Uc ₁ , Uc ₂ , U ₃ ] are the same and equal to U _c . Therefore, in the considered autotransformer variant, the number of turns of the primary winding coil decreases (1-U ₆ / U _c ) times. At U _c = U _6, the primary winding coils are not required and the vertices B, D and F of the hexagon are connected to the phases of the network 1,2 and 3.

При U_c больше U₆ берут понижающий автотрансформатор. Принято считать, что при коэффициенте трансформации к=U_c/U₆, лежащем в пределах 1<к<2, если допустима электрическая связь между первичной и вторичной цепями, автотрансформатор предпочтительней трансформатора.When U _c greater than U ₆ take a step-down autotransformer. It is generally accepted that with a transformation coefficient k = U _c / U ₆ lying within 1 <k <2, if an electrical connection between the primary and secondary circuits is acceptable, an autotransformer is preferable to a transformer.

Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, позволяет сократить расход активных материалов при замене трехфазного трансформатора автотрансформатором. В итоге улучшаются массогабаритные показатели преобразователя и уменьшается его стоимость.Thus, the claimed combination of essential features set forth in the claims allows to reduce the consumption of active materials when replacing a three-phase transformer with an autotransformer. As a result, the overall dimensions of the converter are improved and its cost is reduced.

Анализ заявленного технического решения на соответствие требованиям условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, неизвестной на дату приоритета из уровня техники, достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.The analysis of the claimed technical solution for compliance with the requirements of patentability showed that the characteristics indicated in the independent claim are interrelated with each other with the formation of a stable set of necessary features, unknown at the priority date from the prior art, sufficient to obtain the required synergistic (over-total) technical result.

Свойства, регламентированные в заявленном изобретении, соединены отдельными признаками, общеизвестны из уровня техники и не требуют дополнительных пояснений.The properties regulated in the claimed invention are connected by individual features, are well known from the prior art and do not require additional explanation.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:Thus, the above information indicates the fulfillment of the following set of conditions when using the claimed technical solution:

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для использования при создании регулируемых электроприводов постоянного тока;- the object embodying the claimed technical solution, in its implementation is intended for use in the creation of adjustable DC electric drives;

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в материалах заявки известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;- for the claimed object in the form described in the independent claim, the possibility of its implementation using the means and methods known from the prior art on the priority date on the priority date has been confirmed;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.- the object embodying the claimed technical solution, when implemented, is able to ensure the achievement of the technical result perceived by the applicant.

Следовательно, заявленный объект соответствует требованиям условий патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.Therefore, the claimed subject matter meets the requirements of the patentability conditions of “novelty”, “inventive step” and “industrial applicability” under applicable law.

Claims

A twelve-phase step-down autotransformer of the number of phases, which is a three-phase autotransformer, consisting of three primary coils connected to a three-phase network, and six secondary coils connected by nodes in a hexagon pattern, with twelve outputs of a symmetric twelve-phase voltage, characterized in that each primary coil the windings are connected at their end to one of the phases of the network, and at the beginning to one of the three nodes of the hexagon so that each of these x node is a set of three coils: one coil of the primary winding and the secondary windings of the two coils located at different terminals belonging to the magnetic circuit and different phases.