Патент на изобретение №2349011

(54) СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО И ПОСТОЯННОГО ТОКА

(57) Реферат:

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве системы электроснабжения объектов, имеющих потребители постоянного и переменного тока. Система содержит источник переменного напряжением с первым и вторым зажимами, трехфазный трансформатор, содержащий магнитопровод по типу электрической машины, состоящий из внешней части с пазами и соосной ей внутренней части с пазами, первую и вторую однофазные и первую, вторую и третью трехфазные обмотки, и зажимы для подключения потребителей, причем первая и вторая однофазные обмотки, соединенные последовательно и согласно, подключены параллельно к зажимам источника и размещены во внутренней части сердечника со сдвигом относительно друг друга в пространстве, равным /2, при этом конец второй однофазной обмотки через конденсатор, первая, вторая и третья трехфазные обмотки выполнены с числами полюсов, относящимися как 1:3:5, причем первая и вторая трехфазные обмотки соединены с зажимами для подключения потребителей непосредственно, а третья – через трехфазный мостовой выпрямитель, при этом число пазов обеих частей сердечника пропорционально удвоенному числу фаз соответствующих обмоток. Технический результат – расширение функциональных возможностей. 1 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве системы электроснабжения объектов, имеющих потребители постоянного и переменного тока.

Известна система электроснабжения переменного тока, содержащая промышленную четырехпроводную сеть, стабилизирующий трехфазный трансформатор и симметрированную четырехпроводную сеть, причем к промышленной четырехпроводной сети параллельно подключены ответственные и неответственные одно- и трехфазные потребители и первичная обмотка стабилизирующего трехфазного трансформатора, а к вторичной обмотке параллельно подключены только ответственные одно- и трехфазные потребители, мощности которых равномерно распределены по фазам [1]. Данная система имеет простую электрическую схему, поэтому она нашла широкое применение на электрическом железнодорожном транспорте, однако ей свойственны и недостатки, среди которых основными являются: гальваническая связь одно- и трехфазных потребителей и наличие несимметрии трехфазной системы напряжений в периоды, когда однофазные потребители не работают.

Наиболее близкой по технической сущности к заявленному изобретению является система электроснабжения переменного тока, содержащая трехфазный источник, развязывающий трансформатор, содержащий сердечник, первую и вторую трехфазные обмотки, первую и вторую однофазные обмотки и зажимы для подключения соответствующих потребителей, причем указанный сердечник выполнен составным и тороидальным, состоящим из внешней части по типу статора электрической машины, снабженной пазами, в которых уложены первичная, первая и вторая вторичные трехфазные обмотки, а также первая и вторая однофазные обмотки, и соосной внешней части сердечника внутренней части, имеющей форму кольца, при этом первая трехфазная обмотка соединена звездой, вторая трехфазная обмотка соединена треугольником, первая однофазная обмотка обеспечивает электроэнергией соответствующие потребители с фазным напряжением, а вторая однофазная обмотка – потребители с линейным напряжением [2]. Данная система характеризуется симметричностью трехфазной системы напряжений, что обусловило ее широкое применение, однако она обеспечивает электроэнергией только потребители переменного тока при одной и той же частоте напряжения.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей системы.

Поставленный технический результат достигается тем, что в системе электроснабжения переменного и постоянного тока, содержащей источник переменного напряжения, трехфазный трансформатор, подключенный к указанному источнику и содержащий магнитопровод по типу электрической машины, состоящий из внешней части в виде полого цилиндра с пазами на его внутренней поверхности и соосной ей внутренней части в виде цилиндра, первую и вторую однофазные и первую, вторую и третью трехфазные обмотки, и зажимы для подключения потребителей, первая и вторая однофазные обмотки выполнены с равным числом витков и соединены последовательно и согласно между собой и подключены параллельно к источнику переменного напряжения, причем начало первой однофазной обмотки соединено с первым зажимом источника переменного напряжения, точка соединения указанных однофазных обмоток подключена к второму зажиму указанного источника, конец второй однофазной обмотки соединен с началом первой однофазной обмотки через конденсатор, внутренняя часть магнитопровода снабжена пазами, расположенными на ее внешней поверхности, в которых размещены сдвинутые относительно друг друга в пространстве на угол /2 первая и вторая однофазные обмотки; первая, вторая и третья трехфазные обмотки выполнены с числами полюсов 2p₁, 2р₂ и 2р₃, где p₁ – число пар полюсов первой трехфазной обмотки; р₂ – число пар полюсов второй трехфазной обмотки; р₃ – число пар полюсов третьей трехфазной обмотки, относящихся как p₁:p₂:p₃=1:3:5, при этом первая и вторая трехфазные обмотки соединены непосредственно с зажимами для подключения соответствующих потребителей, а третья трехфазная обмотка подключена к зажимам для подключения потребителей через трехфазный мостовой выпрямитель, причем все названные трехфазные обмотки размещены в пазах внешней части магнитопровода, при этом число пазов внешней части магнитопровода определяется в соответствии с математическим выражением z₁=2p₃m₂q, где m₂ – число фаз; q – число пазов на полюс и фазу, а число пазов внутренней части магнитопровода определяется в соответствии с математическим выражением z₂=2рm₁q, где m₁ – число фаз первичной обмотки; р – число пар полюсов первичной обмотки.

На чертеже представлена электрическая схема системы электроснабжения переменного и постоянного тока.

Система содержит источник переменного напряжения 1 с первым 1-1 и вторым 1-2 зажимами, трехфазный трансформатор 2, содержащий магнитопровод по типу электрической машины 2-1 с внешней (не показана) в виде полого цилиндра и внутренней (не показана) в виде цилиндра частями, наделенными пазами, первую 2-2 и вторую 2-3 однофазные обмотки, сдвинутые в пространстве относительно друг друга на угол /2, причем обмотки 2-2 и 2-3 соединены последовательно и согласно, начало обмотки 2-2 соединено с зажимом 1-1 источника переменного напряжения 1, точка соединения обмотки 2-2 и 2-3 соединена с зажимами 1-2 названного источника, а конец обмотки 2-3 соединен с началом обмотки 2-2 через конденсатор 2-4; первую 2-5, вторую 2-6 и третью 2-7 трехфазные обмотки, зажимы 3 для подключения потребителей к первой трехфазной обмотке 2-5, зажимы 4 для подключения потребителей к второй трехфазной обмотке 2-6, трехфазный мостовой выпрямитель 5 и зажимы 6 для подключения потребителей постоянного тока. Выполнение обмоток 2-2 и 2-3 с равным числом витков, пространственный сдвиг их между собой на угол, равный /2, и включение конденсатора 2-4 позволяет образовать в трехфазном трансформаторе 2 круговое вращающееся магнитное поле. Частота f₁ напряжения U_ф1 первой трехфазной обмотки равна частоте сети f_с. Частота f₂ фазного напряжения U_ф2 выше частоты сети f_с в три раза, что необходимо для обеспечения электроэнергией потребителей переменного тока повышенной частоты, подсоединяемых к зажимам 4. Частота f₃ напряжения U_ф3 выше частоты напряжения сети U_c в пять раз, что необходимо для снижения частоты пульсаций выпрямленного напряжения на зажимах 6, к которым подключены потребители постоянного тока, предъявляющие повышенные требования к качеству напряжения питания. Величины напряжения U_ф1, U_ф2 и U_ф3 зависят от коэффициента трансформации и определяются соотношением их чисел витков фаз с числом витков обмотки 2-2 с числом витков w_A.

Система электроснабжения работает следующим образом. При наличии напряжения на зажимах 1-1 и 1-2 источника переменного напряжения 1 по однофазным обмоткам 2-2 и 2-3 протекают равные токи, причем ток обмотки 2-3 опережает по времени ток обмотки 2-2 на угол, равный /2, что с учетом пространственного размещения данных обмоток позволяет образовать в трансформаторе 2 круговое вращающееся магнитное поле, основной магнитный поток Ф₀ которого пересекает витки обмоток 2-5, 2-6 и 2-7 и наводит в них ЭДС, равные

где w₁, w₂ и w₃ – числа витков фазы трехфазных обмоток;

К₀₁, К₀₂ и К₀₃ – обмоточные коэффициенты первой, второй и третьей трехфазных обмоток.

ЭДС обмотки 2-5 и 2-6 подаются непосредственно на зажимы 3 и 4 для питания потребителей переменного тока промышленной и повышенной частоты соответственно. ЭДС третьей трехфазной обмотки 2-7 поступает на трехфазный выпрямитель 5, где выпрямляется, и выпрямленное напряжение U_d – на зажимы 6 для подключения потребителей переменного тока, при этом частота пульсаций выпрямленного напряжения определяется по формуле

где n – число диодов выпрямителя.

Число пазов внешней части сердечника 2-1 определяется по формуле

где q=2 – число пазов на полюс и фазу;

m₂ – число фаз вторичной обмотки,

а число пазов внутренней части указанного сердечника равно

где m₁ – число фаз первичной обмотки;

р – число пар полюсов первичной обмотки,

при этом из формул (3) и (4) следует, что числа пазов обеих частей сердечника 2-1 пропорциональны удвоенным числам фаз обмоток.

Таким образом, использование эффекта кругового вращающегося магнитного поля позволяет обеспечить электроэнергией заданного качества потребители переменного и постоянного тока.

Источники, принятые во внимание

1. Багуц В.П., Ковалев Н.П., Костроминов A.M. Электропитание устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи. М.: Транспорт, 1991, стр.229, рис.11.10.

2. Патент РФ №31881 от 13.05.2003. Система электроснабжения переменного тока. /Шевченко Д.Н./.

Формула изобретения

Система электроснабжения переменного и постоянного тока, содержащая источник переменного напряжения, трехфазный трансформатор, подключенный к указанному источнику и содержащий магнитопровод по типу электрической машины, состоящий из внешней части в виде полого цилиндра с пазами на его внутренней поверхности и соосной ей внутренней части в виде цилиндра, первую и вторую однофазные и первую, вторую и третью трехфазные обмотки, и зажимы для подключения потребителей, отличающаяся тем, что первая и вторая однофазные обмотки выполнены с равным числом витков и соединены последовательно и согласно между собой и подключены параллельно к источнику переменного напряжения, причем начало первой однофазной обмотки соединено с первым зажимом источника переменного напряжения, точка соединения указанных однофазных обмоток подключена к второму зажиму указанного источника, конец второй однофазной обмотки соединен с началом первой однофазной обмотки через конденсатор, внутренняя часть магнитопровода снабжена пазами, расположенными на ее внешней поверхности, в которых размещены сдвинутые относительно друг друга в пространстве на угол /2 первая и вторая однофазные обмотки; первая, вторая и третья трехфазные обмотки выполнены с числом полюсов 2р₁, 2р₂ и 2р₃, где p₁ – число пар полюсов первой трехфазной обмотки; р₂ – число пар полюсов второй трехфазной обмотки; р₃ – число пар полюсов третьей трехфазной обмотки, относящихся как р₁:р₂:р₃=1:3:5, при этом первая и вторая трехфазные обмотки соединены непосредственно с зажимами для подключения соответствующих потребителей, а третья трехфазная обмотка подключена к зажимам для подключения потребителей через трехфазный мостовой выпрямитель, причем все названные трехфазные обмотки размещены в пазах внешней части магнитопровода, при этом число пазов внешней части магнитопровода определяется в соответствии с математическим выражением z₁=2p₃m₂q, где m₂ – число фаз; q – число пазов на полюс и фазу, а число пазов внутренней частей магнитопровода определяется в соответствии с математическим выражением z₂=2pm₁q, где m₁ – число фаз первичной обмотки; р – число пар полюсов первичной обмотки.

РИСУНКИ