CC BY
86
ГИДРОДИНАМИКА, ТЕПЛО-И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ, ЭНЕРГЕТИКА
УДК 621.314.5
В. Г. Макаров
ВЫБОР ТРАНСФОРМАТОРА В ТРЕХФАЗНОМ МАГНИТО-ТРАНЗИСТОРНОМ ИНВЕРТОРЕ
Ключевые слова: трехфазный инвертор, автогенераторная схема управления, трехфазный трансформатор.
Проводится анализ целесообразности применения различных типов трехфазных трансформаторов в автогенераторных схемах управления магнито-транзисторных инверторов напряжения. Показаны преимущества трехстержневого трансформатора.
Keywords: three-phase inverter, autogenerating the control scheme, three-phase transformer.
Expediency of application is analysed of various types of three-phase transformers in autogenerating control schemes of magnito-transistor inverters of voltage. It is offered advantages of the three-core transformer.
Введение
Транзисторные автономные инверторы с автогенераторными схемами управления получили название магнито-транзисторных инверторов [1]. Транзисторы таких инверторов работают в экономичном ключевом режиме, а качестве нелинейного релейного элемента автогене-раторной схемы управления используется трансформатор с прямоугольной петлей гистерезиса, который задает частоту переключения транзисторов, формирует управляющие импульсы и выполняет функцию синхронизации фаз.
мти
Автогенераторная схема управления
Рис. 1 - Структурная схема электропривода малой мощности с магнито-транзисторным инвертором напряжения
Одной из возможных областей применения магнито-транзисторных инверторов (МТИ) является электропривод переменного тока малой мощности [2]. Особое значение МТИ приобретают при использовании их в установках с автономными источниками постоянного тока (аккумуляторы, солнечные батареи, топливные элементы) и в нестационарных объектах (электромобили, космические объекты, летательные аппараты, специальные робототехнические комплексы).
На рис. 1 показана структурная схема электропривода малой мощности с МТИ, нагрузкой которого является асинхронный двигатель (АД).
Теоретические положения и практические рекомендации
Вопросы проектирования статических преобразователей электрической энергии достаточно подробно освещены в [3, 4 - 8], где расчету и выбору трансформатора уделяется значительное внимание. Особое внимание этому вопросу следует уделить в случае построения магнитно-транзисторного инвертора (МТИ). Трансформатор в МТИ играет роль нелинейного релейного элемента, задающего частоту переключения транзисторов, он формирует управляющие импульсы и выполняет функцию синхронизации фаз. При этом трнсформатор является одним из основных конструктивных элементов МТИ, определяющих его качество: КПД, вес, габаритные размеры. Поэтому трансформатор должен иметь малые потери в магнитопроводе и обмотках, небольшую величину тока холостого хода и очень малую индуктивность рассеяния. Это достигается выбором соответствующей марки магнитного материала сердечника для заданной рабочей частоты, рациональной конструкцией трансформатора и правильным расположением обмоток [4].
С точки зрения общепромышленного применения наибольший интерес представляют трехфазные статические преобразователи электрической энергии, поэтому при дальнейшем анализе рассматриваются только конструкции трехфазных трансформаторов.
В [6, 8] отмечено, что в трехфазных статических преобразователях электрической энергии могут использоваться групповые и трехстержневые трансформаторы, а также трансформаторы на ромбических магнитопроводах. Остановимся подробнее на каждом из названных трансформаторов.
Применение группового трансформатора при соединении обмоток звездой позволяет избавиться от третьих гармоник тока. Выпадение третьей гармоники из кривой тока приводит к появлению третьей гармоники в кривой магнитного потока. При этом кривые фазных напряжений содержат третью гармонику, а в кривых линейных напряжений она отсутствует.
Трехстержневые трансформаторы имеют замкнутую магнитную систему. Варианты конструкции магнитопроводов трехстержневых трансформаторов показаны на рис. 2.
Применение трехстержневого трансформатора при соединении обмоток звездой позволяет избавиться от третьих гармоник в кривых магнитных потоков. Поток третьей гармоники в каком-нибудь стержне не может замкнуться через соседние, так как в каждом из них он встретит поток третьей гармоники, направленный ему навстречу. Линии третьей гармоники магнитного потока во всех трех фазах выступают из сердечника и замыкаются от ярма к ярму через воздух, а также крепежные детали [10]. Этот путь имеет большое магнитное сопротивление, поэтому потоки третьей гармоники невелики. Однако замыкание потока через крепеж-
ные детали вызывает дополнительные потери на вихревые токи. Как показано в [11] наличие нейтрального провода позволяет улучшить положение и уменьшить добавочные потери от вихревых токов, так как при этом образуется замкнутый контур для третьих гармоник тока. Ток третьей гармоники возникает в нейтральном проводе. Кривые фазных напряжений не содержат третьих гармоник. Следует отметить, что по сравнению с групповым трехстержневой трансформатор имеет меньшие массу и габариты.
В [9] предложена схема МТИ на групповом трансформаторе, который выполняется на трех кольцевых ленточных сердечниках. Однако тороидальные трансформаторы являются менее технологичными в сравнении с броневыми и стержневыми трансформаторами [6]. В [7] показано, что для трехстержневого трансформатора наиболее технологичной является конструкция на рис. 2, б), выполненная на разъемных ленточных магнитопроводах марки ТЛ. Недостатком такой конструкции является несимметрия магнитных цепей фаз. Магнитная система трехстержневого трансформатора на рис. 2, а) является симметричной, однако намотка катушек в них нетехнологична.
В [7] рассматривается трехфазный трансформатор на ромбических сердечниках, конструкция которого показана на рис. 3.
Рис. 3 - Конструкция трехфазного трансформатора на ромбических магнитопроводах
Подобная магнитная система не имеет воздушного зазора и является неразъемной, в ней достигнута полная симметрия магнитных цепей каждой фазы и обеспечивается высокий коэффициент заполнения окна медью. Это обеспечивает более высокие энергетические показатели. Однако трансформаторы на магнитопроводах ромбического типа часто по ряду причин на практике применяться не могут. Во-первых, эти трансформаторы имеют большие значения индуктивностей рассеяния, во-вторых, намотка катушек в них нетехнологична [7].
Проведенный анализ показывает, что при построении трехфазного МТИ предпочтение следует отдавать трехстержневому трансформатору, магнитная система которого имеет конструкцию, изображенную на рис. 2, б). Очевидно, что применение трехстержневого трансформатора потребует разработки схемного решения автогенераторной схемы управления МТИ, отличающегося от предложенного в [9].
Таким образом, актуальной является задача разработки и практической реализации принципиальных электрических схем МТИ, позволяющих избавиться от третьих гармоник в кривых фазных напряжений и магнитных потоков.
Применение подобных схем позволит обеспечить экономию стали, повысить энергетические показатели МТИ, снизить его массу и габариты.
Выводы
1. Применение в МТИ трехстержневого трансформатора целесообразно по технологическим соображениям.
2. Построение автогенераторной схемы управления МТИ на трехстержневом трансформаторе позволит снизить расход стали, повысить его энергетические показатели, снизив при этом массу и габариты.
3. Соединение обмоток в звезду позволит избавиться от третьих гармоник в кривых фазных напряжений и магнитных потоков.
Литература
1. Ильинский, Н. Ф. Транзисторно-магнитные преобразователи непрерывного сигнала в последовательность импульсов / Н. Ф. Ильинский, В. В. Михайлов. - М.: Энергия, 1966. - 168 с.
2. Макаров, В. Г. Анализ современного состояния теории и практики асинхронного электропривода / В. Г. Макаров // Вестник Казан. технол. ун-та.- 2011. - Т. 14, № 6. - С. 109 - 120.
3. Моин, В. С. Стабилизированные транзисторные преобразователи / В. С. Моин. - М.: Энергоатомиз-дат, 1986. - 376 с.
4. Додик, С. Д. Источники питания на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет / Под ред. С. Д. Додика, Е. И. Гальперина. - М.: Советское радио, 1969. - 448 с.
5. Моин, В. С. Стабилизированные транзисторные преобразователи / В. С. Моин, В. С. Лаптев. - М.: Энергия, 1972. - 512 с.
6. Белопольский, И. И. Расчет трансформаторов малой мощности / И. И. Белопольский,
Е. И. Каретникова, Л. Г. Пикалова. - М.: Энергия, 1973. - 400 с.
7. Голубев, П. В. Проектирование статических преобразователей / П. В. Голубев, В. М. Карпенко, М. Б. Коновалов. - М.: Энергия, 1974. - 408 с.
8. Бертинов, А. И. Тороидальные трансформаторы статических преобразователей / А И. Бертинов, Е. И. Каретникова, Д. Б. Кофман. - М.: Энергия, 1970. - 96 с.
9. А. с. № 1506502 СССР. Трехфазный самовозбуждающийся инвертор / Л. Я. Зиннер, Г. Ф. Кропачев, Н. Ф. Миляшов, В. Н. Тарасов; заявитель и патентообладатель Казанский химико-технологический институт им. С. М. Кирова. Бюл. № 44. 1989.
10. Костенко, М. П. Электрические машины: в 2 ч. Ч. 1. Машины постоянного тока, трансформаторы /
М. П. Костенко, Л. М. Пиотровский. - М.: Энергия, 1964. - 544 с.
11. Вольдек, А. И. Электрические машины / А И. Вольдек. - М.: Энергия, 1966. - 762 с.
© В. Г. Макаров - канд. техн. наук, доц., зав. каф. электропривода и электротехники КНИТУ, electroprivod@list.ru.
