Оптимизация схемы соединения и количества витков катушек вторичной обмотки трехфазно-многофазного трансформаторного преобразователя числа фаз
Ключевые слова:
преобразователь числа фаз, трансформатор, многофазная обмотка, схема соединения, оптимизация
Аннотация
Рассмотрен подход к определению оптимальной схемы соединения и количества витков катушек вторичной обмотки трехфазно-многофазного трансформаторного преобразователя числа фаз. Каждая фаза многофазной обмотки устройства состоит из трех катушек, расположенных на разных стержнях сердечника и включенных последовательно между собой. Для определения схемы соединения и количества витков катушек многофазной обмотки следует решить оптимизационную задачу с учетом нескольких ограничений, позволяющих обеспечить одинаковое количество витков последовательно соединенных катушек каждой фазы вторичной обмотки, симметричную систему многофазной ЭДС и равномерное распределение симметричной многофазной нагрузки по трем фазам первичной обмотки. Решение оптимизационной задачи с ограничениями выполнено численным методом внутренней точки. В качестве примера использования предложенного подхода взят расчет минимального количества витков трехфазно-семифазного преобразователя числа фаз, представлена схема соединения обмоток данного преобразователя. Приведены расчетные значения полной мощности катушек вторичной обмотки при симметричной активно-индуктивной нагрузке для преобразователя с различным количеством витков катушек, рассчитанных при решении оптимизационной задачи с различными ограничениями.
На базе трехфазного трансформатора стандартной серии изготовлен опытный образец трехфазно-семифазного преобразователя числа фаз. В результате экспериментальных исследований образца получены временные диаграммы напряжений семифазной обмотки, действующие значения токов, напряжений, а также мощность первичной обмотки на холостом ходу и с симметричной нагрузкой. Результаты экспериментальных исследований подтвердили корректность результатов расчета. При использовании предложенного подхода можно спроектировать трехфазно-многофазный преобразователь с числом фаз многофазной вторичной обмотки более двух. При этом количество витков катушек вторичной обмотки будет минимальным, что позволит изготовить устройство с меньшими массогабаритными показателями и снизить расход дорогостоящих электротехнических материалов.
Литература
1. Копылов И.П. Электрические машины. М.: Юрайт, 2014.
2. Yusoff N., Karim K., Ghani S., Sutikno T., Jidin A. Multiphase Transformer Modeling Using Finite Element Method // Intern. J. Power Electronics and Drive System. 2015. V. 6. No. 1. Pp. 56—64.
3. Singh A., Marti J., Srivastava K. Circuit Reduction Techniques in Multiphase Modeling of Power Transformers // IEEE Trans. Power Delivery. 2010. V. 25. Iss. 3. Pp. 1573—1579.
4. Karekar S. Modeling and Simulation of Three Phases to Seven Phases Transformer Connection // Intern. J. Research in Appl. Sci. and Eng. Technol. 2016. V. 4. No. 3. Pp. 273—280.
5. Kamarposhti M., Hosseyni A. Modified Approach for Harmonic Reduction in Three-phase to Seven-phase Using Transformer Winding Connections // Intern. J. Electrical and Computer Eng. 2019. V. 9. No. 4. Pp. 1496—1505.
6. Tabrez M., Sadhu P., Iqbal A. A Novel Three Phase to Seven Phase Conversion Technique Using Transformer Winding Connections // Technol. and Appl. Sci. Research. 2017. V. 7. No. 5. Pp. 1953—1961.
7. Jyothi B., Pandian A., Bhavana P. Fabrication and Experimental Analysis of Multiple-winding Transformers for Multiphase Supply // Measurement and Control. 2020. V. 53. Iss. 3. Pp. 1—17.
8. Рогинская Л.Э., Латыпов А.Р., Меднов А.А. Выбор параметров многофункционального трансформатора // Вестник МЭИ. 2019. № 1. С. 61—68.
9. Пат. № 2487455 РФ. Девятифазный преобразователь числа фаз / Григорьев С.Н. и др. // Бюл. изобрет. 2013. № 19.
10. Щуров Н.И., Мятеж С.В. Синтез и анализ многофазных вентильных преобразователей. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2020.
11. Рогинская Л.Э., Горбунов А.С., Ялалова З.И. Улучшение электромагнитной совместимости преобразовательных устройств с сетью и нагрузкой с помощью многофазных трансформаторов // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2014. Т. 10. № 3. С. 21—29.
12. Kant P., Singh B. A New Three-phase to five-phase Transformer with Power Quality Improvement in Hybrid-multilevel Inverter Based VCIMD // IEEE Trans. Power Delivery. 2020. V. 35. No. 2. Pp. 871—880.
13. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Моделирование многофазных линий электропередачи. Иркутск: Изд-во ИрГУПС, 2014.
14. Гершенгорн А.И. Многофазные линии электропередачи высокого и сверхвысокого напряжения // Электрические станции. 1994. № 8. С. 67—70.
15. Kettner A., Paolone M. On the Properties of the Compound Nodal Admittance Matrix of Polyphase Power Systems // IEEE Trans. Power Systems. 2019. V. 34. Iss. 1. Pp. 444—453.
16. Levi E., Barrero F., Duran M. Multiphase Machines and Drives – Revisited // IEEE Trans. Industrial Electronics. 2016. V. 63. Iss. 1. Pp. 429—432.
17. Rockhill A., Lipo T. A Generalized Transformation Methodology for Polyphase Electric Machines and Networks // Proc. IEEE Int. Electric Mach. and Drives Conf. 2015. Pp. 27—34.
18. Nanoty A. Chudasama A. Control of Designed Developed Six Phase Induction Motor // Intern. J. Electromagnetics and Appl. 2012. No. 2(5). Pp. 77—84.
19. Логачева А.Г., Вафин Ш.И. О потенциальной возможности асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором // Известия высших учебных заведений. Серия «Проблемы энергетики». 2010. № 3—4. С. 63—67.
20. Терешкин В.М. Теоретическое обоснование возможности снижения вибрации электромагнитного происхождения в пятифазной машине переменного тока по сравнению с трехфазной машиной // Вестник Московского авиационного института. 2018. Т. 25. № 4. С. 229— 239.
21. Терешкин В.М., Гришин Д.А., Баландин С.П., Терешкин В.В. Варианты формирования симметричного семифазного выходного напряжения вентильного преобразователя // Вестник Московского энергетического института. 2022. № 1. С. 85—93.
22. Parsa L. An Advantages of Multi-phase machines // Proc. 31st Annual Conf. IEEE Industrial Electronics Soc. 2005. Pp. 1574—1579.
23. Москалев Ю.В. Определение минимального числа витков катушек вторичной обмотки трансформаторного трехфазно-многофазного преобразователя числа фаз // Омский научный вестник. 2022. № 1(181). С. 61—66.
24. Rao S. Engineering Optimization Theory and Practice. Hoboken: John Wiley & Sons, 2020.
25. Borne P., Popescu D., Filip F., Stefanoiu D. Optimization in Engineering Sciences. London: John Wiley & Sons, 2013.
---
Для цитирования: Москалев Ю.В. Оптимизация схемы соединения и количества витков катушек вторичной обмотки трехфазно-многофазного трансформаторного преобразователя числа фаз // Вестник МЭИ. 2023. № 1. С. 17—24. DOI: 10.24160/1993-6982-2023-1-17-24
#
1. Kopylov I.P. Elektricheskie Mashiny. M.: Yurayt, 2014. (in Russian).
2. Yusoff N., Karim K., Ghani S., Sutikno T., Jidin A. Multiphase Transformer Modeling Using Finite Element Method. Intern. J. Power Electronics and Drive System. 2015;6;1:56—64.
3. Singh A., Marti J., Srivastava K. Circuit Reduction Techniques in Multiphase Modeling of Power Transformers. IEEE Trans. Power Delivery. 2010;25;3:1573—1579.
4. Karekar S. Modeling and Simulation of Three Phases to Seven Phases Transformer Connection. Intern. J. Research in Appl. Sci. and Eng. Technol. 2016;4;3:273—280.
5. Kamarposhti M., Hosseyni A. Modified Approach for Harmonic Reduction in Three-phase to Seven-phase Using Transformer Winding Connections. Intern. J. Electrical and Computer Eng. 2019;9;4:1496—1505.
6. Tabrez M., Sadhu P., Iqbal A. A Novel Three Phase to Seven Phase Conversion Technique Using Transformer Winding Connections. Technol. and Appl. Sci. Research. 2017;7;5:1953—1961.
7. Jyothi B., Pandian A., Bhavana P. Fabrication and Experimental Analysis of Multiple-winding Transformers for Multiphase Supply. Measurement and Control. 2020;53;3:1—17.
8. Roginskaya L.E., Latypov A.R., Mednov A.A. Vybor Parametrov Mnogofunktsional'nogo Transformatora. Vestnik MEI. 2019;1:61—68. (in Russian).
9. Pat. № 2487455 RF. Devyatifaznyy Preobrazovatel' Chisla Faz / Grigor'ev S.N. i dr.. Byul. Izobret. 2013;19. (in Russian).
10. Shchurov N.I., Myatezh S.V. Sintez i Analiz Mnogofaznykh Ventil'nykh Preobrazovateley. Novosibirsk: Izd-vo NGTU, 2020. (in Russian).
11. Roginskaya L.E., Gorbunov A.S., Yalalova Z.I. Uluchshenie Elektromagnitnoy Sovmestimosti Preobrazovatel'nykh Ustroystv s Set'yu i Nagruzkoy s Pomoshch'yu Mnogofaznykh Transformatorov. Elektrotekhnicheskie i Informatsionnye Kompleksy i Sistemy. 2014;10;3:21—29. (in Russian).
12. Kant P., Singh B. A New Three-phase to five-phase Transformer with Power Quality Improvement in Hybrid-multilevel Inverter Based VCIMD. IEEE Trans. Power Delivery. 2020;35;2:871—880.
13. Zakaryukin V.P., Kryukov A.V. Modelirovanie Mnogofaznykh Liniy Elektroperedachi. Irkutsk: Izd-vo IrGUPS, 2014. (in Russian).
14. Gershengorn A.I. Mnogofaznye Linii Elektroperedachi Vysokogo i Sverkhvysokogo Napryazheniya. Elektricheskie Stantsii. 1994;8:67—70. (in Russian).
15. Kettner A., Paolone M. On the Properties of the Compound Nodal Admittance Matrix of Polyphase Power Systems. IEEE Trans. Power Systems. 2019;34;1:444—453.
16. Levi E., Barrero F., Duran M. Multiphase Machines and Drives – Revisited. IEEE Trans. Industrial Electronics. 2016;63;1:429—432.
17. Rockhill A., Lipo T. A Generalized Transformation Methodology for Polyphase Electric Machines and Networks. Proc. IEEE Int. Electric Mach. and Drives Conf. 2015:27—34.
18. Nanoty A. Chudasama A. Control of Designed Developed Six Phase Induction Motor. Intern. J. Electromagnetics and Appl. 2012;2(5):77—84.
19. Logacheva A.G., Vafin Sh.I. O Potentsial'noy Vozmozhnosti Asinkhronnogo Dvigatelya s Korotkozamknutym Rotorom. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedeniy. Seriya «Problemy Energetiki». 2010;3—4:63—67. (in Russian).
20. Tereshkin V.M. Teoreticheskoe Obosnovanie Vozmozhnosti Snizheniya Vibratsii Elektromagnitnogo Proiskhozhdeniya v Pyatifaznoy Mashine Peremennogo Toka po Sravneniyu s Trekhfaznoy Mashinoy. Vestnik Moskovskogo Aviatsionnogo Instituta. 2018;25;4:229— 239. (in Russian).
21. Tereshkin V.M., Grishin D.A., Balandin S.P., Tereshkin V.V. Varianty Formirovaniya Simmetrichnogo Semifaznogo Vykhodnogo Napryazheniya Ventil'nogo Preobrazovatelya. Vestnik Moskovskogo Energeticheskogo Instituta.2022;1:85—93. (in Russian).
22. Parsa L. An Advantages of Multi-phase machines. Proc. 31st Annual Conf. IEEE Industrial Electronics Soc. 2005:1574—1579.
23. Moskalev Yu.V. Opredelenie Minimal'nogo Chisla Vitkov Katushek Vtorichnoy Obmotki Transformatornogo Trekhfazno-mnogofaznogo Preobrazovatelya Chisla Faz. Omskiy Nauchnyy Vestnik. 2022;1(181):61—66. (in Russian).
24. Rao S. Engineering Optimization Theory and Practice. Hoboken: John Wiley & Sons, 2020.
25. Borne P., Popescu D., Filip F., Stefanoiu D. Optimization in Engineering Sciences. London: John Wiley & Sons, 2013.
---
For citation: Moskalev Yu.V. Optimization Scheme Connection and Coils Turns Number of the Secondary Winding of the Three-Phase-Multiphase Transformer Converter. Bulletin of MPEI. 2023;1:17—24. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2023-1-17-24.
2. Yusoff N., Karim K., Ghani S., Sutikno T., Jidin A. Multiphase Transformer Modeling Using Finite Element Method // Intern. J. Power Electronics and Drive System. 2015. V. 6. No. 1. Pp. 56—64.
3. Singh A., Marti J., Srivastava K. Circuit Reduction Techniques in Multiphase Modeling of Power Transformers // IEEE Trans. Power Delivery. 2010. V. 25. Iss. 3. Pp. 1573—1579.
4. Karekar S. Modeling and Simulation of Three Phases to Seven Phases Transformer Connection // Intern. J. Research in Appl. Sci. and Eng. Technol. 2016. V. 4. No. 3. Pp. 273—280.
5. Kamarposhti M., Hosseyni A. Modified Approach for Harmonic Reduction in Three-phase to Seven-phase Using Transformer Winding Connections // Intern. J. Electrical and Computer Eng. 2019. V. 9. No. 4. Pp. 1496—1505.
6. Tabrez M., Sadhu P., Iqbal A. A Novel Three Phase to Seven Phase Conversion Technique Using Transformer Winding Connections // Technol. and Appl. Sci. Research. 2017. V. 7. No. 5. Pp. 1953—1961.
7. Jyothi B., Pandian A., Bhavana P. Fabrication and Experimental Analysis of Multiple-winding Transformers for Multiphase Supply // Measurement and Control. 2020. V. 53. Iss. 3. Pp. 1—17.
8. Рогинская Л.Э., Латыпов А.Р., Меднов А.А. Выбор параметров многофункционального трансформатора // Вестник МЭИ. 2019. № 1. С. 61—68.
9. Пат. № 2487455 РФ. Девятифазный преобразователь числа фаз / Григорьев С.Н. и др. // Бюл. изобрет. 2013. № 19.
10. Щуров Н.И., Мятеж С.В. Синтез и анализ многофазных вентильных преобразователей. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2020.
11. Рогинская Л.Э., Горбунов А.С., Ялалова З.И. Улучшение электромагнитной совместимости преобразовательных устройств с сетью и нагрузкой с помощью многофазных трансформаторов // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2014. Т. 10. № 3. С. 21—29.
12. Kant P., Singh B. A New Three-phase to five-phase Transformer with Power Quality Improvement in Hybrid-multilevel Inverter Based VCIMD // IEEE Trans. Power Delivery. 2020. V. 35. No. 2. Pp. 871—880.
13. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Моделирование многофазных линий электропередачи. Иркутск: Изд-во ИрГУПС, 2014.
14. Гершенгорн А.И. Многофазные линии электропередачи высокого и сверхвысокого напряжения // Электрические станции. 1994. № 8. С. 67—70.
15. Kettner A., Paolone M. On the Properties of the Compound Nodal Admittance Matrix of Polyphase Power Systems // IEEE Trans. Power Systems. 2019. V. 34. Iss. 1. Pp. 444—453.
16. Levi E., Barrero F., Duran M. Multiphase Machines and Drives – Revisited // IEEE Trans. Industrial Electronics. 2016. V. 63. Iss. 1. Pp. 429—432.
17. Rockhill A., Lipo T. A Generalized Transformation Methodology for Polyphase Electric Machines and Networks // Proc. IEEE Int. Electric Mach. and Drives Conf. 2015. Pp. 27—34.
18. Nanoty A. Chudasama A. Control of Designed Developed Six Phase Induction Motor // Intern. J. Electromagnetics and Appl. 2012. No. 2(5). Pp. 77—84.
19. Логачева А.Г., Вафин Ш.И. О потенциальной возможности асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором // Известия высших учебных заведений. Серия «Проблемы энергетики». 2010. № 3—4. С. 63—67.
20. Терешкин В.М. Теоретическое обоснование возможности снижения вибрации электромагнитного происхождения в пятифазной машине переменного тока по сравнению с трехфазной машиной // Вестник Московского авиационного института. 2018. Т. 25. № 4. С. 229— 239.
21. Терешкин В.М., Гришин Д.А., Баландин С.П., Терешкин В.В. Варианты формирования симметричного семифазного выходного напряжения вентильного преобразователя // Вестник Московского энергетического института. 2022. № 1. С. 85—93.
22. Parsa L. An Advantages of Multi-phase machines // Proc. 31st Annual Conf. IEEE Industrial Electronics Soc. 2005. Pp. 1574—1579.
23. Москалев Ю.В. Определение минимального числа витков катушек вторичной обмотки трансформаторного трехфазно-многофазного преобразователя числа фаз // Омский научный вестник. 2022. № 1(181). С. 61—66.
24. Rao S. Engineering Optimization Theory and Practice. Hoboken: John Wiley & Sons, 2020.
25. Borne P., Popescu D., Filip F., Stefanoiu D. Optimization in Engineering Sciences. London: John Wiley & Sons, 2013.
---
Для цитирования: Москалев Ю.В. Оптимизация схемы соединения и количества витков катушек вторичной обмотки трехфазно-многофазного трансформаторного преобразователя числа фаз // Вестник МЭИ. 2023. № 1. С. 17—24. DOI: 10.24160/1993-6982-2023-1-17-24
#
1. Kopylov I.P. Elektricheskie Mashiny. M.: Yurayt, 2014. (in Russian).
2. Yusoff N., Karim K., Ghani S., Sutikno T., Jidin A. Multiphase Transformer Modeling Using Finite Element Method. Intern. J. Power Electronics and Drive System. 2015;6;1:56—64.
3. Singh A., Marti J., Srivastava K. Circuit Reduction Techniques in Multiphase Modeling of Power Transformers. IEEE Trans. Power Delivery. 2010;25;3:1573—1579.
4. Karekar S. Modeling and Simulation of Three Phases to Seven Phases Transformer Connection. Intern. J. Research in Appl. Sci. and Eng. Technol. 2016;4;3:273—280.
5. Kamarposhti M., Hosseyni A. Modified Approach for Harmonic Reduction in Three-phase to Seven-phase Using Transformer Winding Connections. Intern. J. Electrical and Computer Eng. 2019;9;4:1496—1505.
6. Tabrez M., Sadhu P., Iqbal A. A Novel Three Phase to Seven Phase Conversion Technique Using Transformer Winding Connections. Technol. and Appl. Sci. Research. 2017;7;5:1953—1961.
7. Jyothi B., Pandian A., Bhavana P. Fabrication and Experimental Analysis of Multiple-winding Transformers for Multiphase Supply. Measurement and Control. 2020;53;3:1—17.
8. Roginskaya L.E., Latypov A.R., Mednov A.A. Vybor Parametrov Mnogofunktsional'nogo Transformatora. Vestnik MEI. 2019;1:61—68. (in Russian).
9. Pat. № 2487455 RF. Devyatifaznyy Preobrazovatel' Chisla Faz / Grigor'ev S.N. i dr.. Byul. Izobret. 2013;19. (in Russian).
10. Shchurov N.I., Myatezh S.V. Sintez i Analiz Mnogofaznykh Ventil'nykh Preobrazovateley. Novosibirsk: Izd-vo NGTU, 2020. (in Russian).
11. Roginskaya L.E., Gorbunov A.S., Yalalova Z.I. Uluchshenie Elektromagnitnoy Sovmestimosti Preobrazovatel'nykh Ustroystv s Set'yu i Nagruzkoy s Pomoshch'yu Mnogofaznykh Transformatorov. Elektrotekhnicheskie i Informatsionnye Kompleksy i Sistemy. 2014;10;3:21—29. (in Russian).
12. Kant P., Singh B. A New Three-phase to five-phase Transformer with Power Quality Improvement in Hybrid-multilevel Inverter Based VCIMD. IEEE Trans. Power Delivery. 2020;35;2:871—880.
13. Zakaryukin V.P., Kryukov A.V. Modelirovanie Mnogofaznykh Liniy Elektroperedachi. Irkutsk: Izd-vo IrGUPS, 2014. (in Russian).
14. Gershengorn A.I. Mnogofaznye Linii Elektroperedachi Vysokogo i Sverkhvysokogo Napryazheniya. Elektricheskie Stantsii. 1994;8:67—70. (in Russian).
15. Kettner A., Paolone M. On the Properties of the Compound Nodal Admittance Matrix of Polyphase Power Systems. IEEE Trans. Power Systems. 2019;34;1:444—453.
16. Levi E., Barrero F., Duran M. Multiphase Machines and Drives – Revisited. IEEE Trans. Industrial Electronics. 2016;63;1:429—432.
17. Rockhill A., Lipo T. A Generalized Transformation Methodology for Polyphase Electric Machines and Networks. Proc. IEEE Int. Electric Mach. and Drives Conf. 2015:27—34.
18. Nanoty A. Chudasama A. Control of Designed Developed Six Phase Induction Motor. Intern. J. Electromagnetics and Appl. 2012;2(5):77—84.
19. Logacheva A.G., Vafin Sh.I. O Potentsial'noy Vozmozhnosti Asinkhronnogo Dvigatelya s Korotkozamknutym Rotorom. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedeniy. Seriya «Problemy Energetiki». 2010;3—4:63—67. (in Russian).
20. Tereshkin V.M. Teoreticheskoe Obosnovanie Vozmozhnosti Snizheniya Vibratsii Elektromagnitnogo Proiskhozhdeniya v Pyatifaznoy Mashine Peremennogo Toka po Sravneniyu s Trekhfaznoy Mashinoy. Vestnik Moskovskogo Aviatsionnogo Instituta. 2018;25;4:229— 239. (in Russian).
21. Tereshkin V.M., Grishin D.A., Balandin S.P., Tereshkin V.V. Varianty Formirovaniya Simmetrichnogo Semifaznogo Vykhodnogo Napryazheniya Ventil'nogo Preobrazovatelya. Vestnik Moskovskogo Energeticheskogo Instituta.2022;1:85—93. (in Russian).
22. Parsa L. An Advantages of Multi-phase machines. Proc. 31st Annual Conf. IEEE Industrial Electronics Soc. 2005:1574—1579.
23. Moskalev Yu.V. Opredelenie Minimal'nogo Chisla Vitkov Katushek Vtorichnoy Obmotki Transformatornogo Trekhfazno-mnogofaznogo Preobrazovatelya Chisla Faz. Omskiy Nauchnyy Vestnik. 2022;1(181):61—66. (in Russian).
24. Rao S. Engineering Optimization Theory and Practice. Hoboken: John Wiley & Sons, 2020.
25. Borne P., Popescu D., Filip F., Stefanoiu D. Optimization in Engineering Sciences. London: John Wiley & Sons, 2013.
---
For citation: Moskalev Yu.V. Optimization Scheme Connection and Coils Turns Number of the Secondary Winding of the Three-Phase-Multiphase Transformer Converter. Bulletin of MPEI. 2023;1:17—24. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2023-1-17-24.
Опубликован
2022-10-24
Выпуск
Раздел
Электротехнические комплексы и системы (технические науки) (2.4.2)
